La risoluzione dell’oscillazione nei grattacieli

Ad oggi, uno dei problemi che affligge maggiormente il settore delle costruzioni a livello mondiale, soprattutto nelle grandi metropoli, è quello della carenza di lotti liberi e dunque la necessità di espandersi in altezza.

Questo fenomeno porta ovviamente con sé le delle problematiche relative alla stabilità delle costruzioni e alle sollecitazioni derivate dai venti (e non solo).

A New York, ad esempio, negli ultimi anni sono sorti numerosi grattacieli sottilissimi (vedi ad esempio il 111 West 57th Street, o Steinway Tower, perciò i costruttori si trovano a dover risolvere le oscillazioni causate dal vento. In passato il problema veniva risolto installando dei contrappesi sulla sommità dei grattacieli, mentre in tempi più moderni si sono introdotti dei sistemi più sofisticati, chiamati sistemi di contrappeso “dinamici”, ovvero delle masse che si spostano a seconda della direzione del vento per riportare un grattacielo verso la sua posizione ottimale.

Ma quale può essere la soluzione definitiva per risolvere il problema?

Uno dei possibili sistemi che permettono un miglioramento esponenziale della resistenza alle sollecitazioni (azione del vento, terremoti, etc.) è il Mass Damper. Questo elemento permette di trasferire a terra tutte le vibrazioni in modo che queste non facciano ondeggiare la struttura, portandola nel peggiore degli scenari a fessurazioni e, infine, al crollo. Il Mass Damper, detto anche Tuned Mass Damper (letteralmente smorzatore a massa risonante) o assorbitore armonico, è un dispositivo montato su diverse strutture – sia meccaniche che edili - per attenuare o annullare le conseguenze delle vibrazioni, come disagi, danni e cedimenti strutturali. Tipicamente i dampers, montati su strutture soggette ad oscillazioni, sono costituiti da enormi blocchi di calcestruzzo sospesi per mezzo di molle, liquidi o pendoli.

Come verifica preliminare alla struttura, per comprendere se sia necessaria o no la presenza di questo sofisticato dispositivo, vengono fatte delle prove per testare la resistenza dell’edificio all’interno di specifiche camere che simulano sia i terremoti che i tifoni. Solitamente il damper è racchiuso all’interno di una struttura scatolare in acciaio collegata alla struttura principale dell’edificio (i pilastri interni). Ad oggi, il TMD più grande utilizzato nelle costruzioni è quello del Taipei 101 a Taiwan.

Ma da cosa è composto? Il TMD è costituito così come segue:

  • un pendolo in metallo dall’anima in travi circolari di acciaio e rivestimento in metallo;
  • tiranti in acciaio rinforzato;
  • otto pistoni idraulici che si attaccano alla base della scatola.

La presenza di un Mass Damper concede l’inerzia di una grande massa equilibrata, bilanciata da un blocco strutturale comparativamente leggero, come un blocco di cemento pesante piazzato in maniera tale che i movimenti del blocco in un senso, comparati al movimento della struttura nell’altro, possano ammortizzare l’oscillazione della struttura (il cosiddetto damping). Il contrappeso può essere montato usando le bobine voluminose della molla e gli ammortizzatori idraulici. Se l’asse della vibrazione è fondamentalmente orizzontale o di torsione, sono impiegati molle a lamelle e pendoli montati sui pesi.

I tuned mass dampers sono costruiti, o "sintonizzati", specificamente per ricambiare le frequenze nocive delle oscillazioni o vibrazioni. Il sistema può essere schematizzato con due masse, m1 schematizza la massa dell'oggetto su cui si vuole ottenere l'effetto ammortizzante. La massa m2 rappresenta lo smorzatore (mass damper) ed è collegata ad m1 con un sistema sospensivo. Le sollecitazioni provenienti dal basamento si trasmettono alla massa m1 inducendo una vibrazione. Il movimento indotto su m1 si trasmette anche al mass damper. È possibile dimostrare che esiste una frequenza della sollecitazione F0 per la quale le vibrazioni su m1 sono fortemente attenuate. Ciò accade perché la massa m2 trasmette a m1 una forza uguale ed opposta a quella trasmessa dalle vibrazioni provenienti dal basamento.

Voi cosa ne pensate? In Italia, questo sistema potrebbe essere coinvolto nella ricerca di sistemi di risoluzioni delle strutture antisismiche?

 

 

 

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Fonti

Il Post - I grattacieli che oscillano https://www.ilpost.it/2015/08/11/i-grattacieli-che-oscillano/

Isaac - Come funziona un active mass damper? https://isaacantisismica.com/come-funziona-un-amd/

Building Cue - Cosa sono e quale funzione hanno i tuned mass damper https://buildingcue.it/cosa-quale-funzione-tuned-mass-damper/9795/

Calcolo Strutturale - Il principio di funzionamento dei Mass Damper https://www.calcolostrutturale.com/mass-damper/

Vehicle Cue - Mass Damper: cos’è e come funziona? https://vehiclecue.it/mass-damper-f1/12547/

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