Studio dell’Inerter come dispositivo innovativo nel controllo delle vibrazioni

In questa tesi si è contribuito all'avanzamento delle conoscenze sull'utilizzo di un innovativo dispositivo chiamato Inerter nel controllo delle vibrazioni di strutture tipiche dell'Ingegneria civile. L'Inerter, nel caso ideale, è in grado di generare una forza proporzionale alla differenza di accelerazione tra i due suoi terminali e a una massa inerziale, chiamata inertanza. La principale caratteristica del dispositivo risiede nel fatto che la massa inerziale può essere anche ordini di grandezza maggiore rispetto a quella gravitazionale. Questo dispositivo è stato sviluppato per migliorare le prestazioni delle sospensioni nelle auto da corsa in Formula 1 e quindi per applicazioni tipiche dell'Ingegneria meccanica. Solo recentemente diversi autori ne hanno proposto l'utilizzo anche nell'Ingegneria civile che, a differenza di quella meccanica, è caratterizzata da sistemi di grandi dimensioni, con masse elevate. In questa tesi in particolare, è stato studiato l'utilizzo dell'Inerter in strutture civili soggette ad azioni indirette alla base come quelle indotte dai terremoti. Il disaccoppiamento tra massa inerziale e massa gravitazione legato all'Inerter, infatti, risulta particolarmente interessante nel caso di azioni inerziali come quelle sismiche. Lo studio ha affrontato questo tema nella prima parte da un punto di vista teorico e nella seconda parte da un punto di vista sperimentale. Nella prima parte, dal punto di vista teorico l'Inerter è stato studiato come elemento aggiuntivo ai tradizionali sistemi per il controllo delle vibrazioni al fine di migliorarne le prestazioni in termini di efficacia e robustezza. In particolare sono state studiate tre diverse configurazioni strutturali per le quali i tradizionali sistemi di controllo possono presentare degli inconvenienti e/o prestazioni non elevate, ovvero strutture multipiano a base fissa, strutture multipiano isolate alla base e strutture adiacenti. Nel caso di strutture multipiano a base fissa è stato proposto l'utilizzo del dispositivo Inerter (massa gravitazionale piccola, ma inerziale elevata) insieme ai tradizionali sistemi Tuned Mass Damper (TMD) di tipo convenzionale (massa gravitazionale piccola) nella configurazione definita in letteratura come Tuned Mass Damper Inerter, TMDI. In letteratura sono presenti numerosi studi che dimostrano, sia da un punto di vista teorico sia sperimentale, come per avere sistemi TMD efficaci e robusti è necessaria un'elevata massa inerziale che si traduce in una massa gravitazionale elevata (TMD non convenzionale). Quindi attraverso l'utilizzo dell'Inerter è possibile ottenere un innovativo sistema a massa accordata, il TMDI, che risulta leggero, ma anche robusto ed efficace a seguito dell'elevato rapporto di massa inerziale. In questa configurazione, lo studio ha affrontato, attraverso la definizione di un sistema ridotto, il tema dell'allocazione ottimale, della progettazione ottimale e della valutazione delle prestazioni sia con azioni semplificate (rumore bianco) sia con azioni più realistiche (terremoti far-field e near-fault). Nel caso di strutture multipiano isolate alla base (BIS) si propone l'utilizzo del sistema TMDI al fine di limitare gli spostamenti laterali del basamento senza incrementarne in modo significativo le accelerazioni. Lo studio ha affrontato i temi della progettazione ottimale e della valutazione delle prestazioni sia nel caso di azioni di tipo stocastico (rumore bianco e rumore bianco colorato) che nel caso di accelerogrammi naturali (relativi a terremoti di tipo far-field e near-fault). L'attenzione è stata in inoltre rivolta all'influenza sia dello smorzamento del BIS sia delle caratteristiche dinamiche della sovrastruttura. Infine, è stato studiato l’Inerter come elemento di collegamento di strutture adiacenti. In particolare è stata valutata l'influenza che tale dispositivo ha sulle caratteristiche dinamiche del sistema nel caso sia posto in parallelo a una connessione viscoelastica. L'attenzione è stata anche rivolta allo studio da un punto di vista analitico di sistemi difettivi, ovvero sistemi caratterizzati dalla coalescenza degli autovalori. Questi sistemi godono di proprietà dinamiche particolarmente interessanti al fine del controllo strutturale. Nella seconda parte, sulla base degli studi teorici condotti, sono stati presentati i risultati legati a due diverse sperimentazioni dinamiche. In letteratura infatti le evidenze sperimentali legate all'utilizzo dell'Inerter per applicazioni tipiche dell'Ingegneria civile risultano limitate. La prima sperimentazione è stata orientata alla caratterizzazione di un prototipo in scala di Inerter a pignone e cremagliera mediante test a spostamento armonico imposto. Sono stati indagati range di ampiezze e frequenze tipiche dell'Ingegneria civile al fine di poter valutare in che modo il comportamento meccanico del dispositivo si allontana rispetto a quello ideale. La finalità della seconda sperimentazione su tavola vibrante è stata invece quella di valutare l'applicabilità, la fattibilità, la robustezza e l'efficacia del sistema di controllo TMDI nel ridurre lo spostamento di un sistema isolato senza incrementarne le accelerazioni. Il sistema di controllo è stato testato in diverse configurazioni e con diverse forzanti sia al fine di studiarne la risposta dinamica che di valutare l'influenza dei parametri inerziali. Per entrambe le sperimentazioni sono stati definiti modelli numerici non lineari interpretativi e predittivi delle evidenze sperimentali.