Sulla risposta di una ciminiera dotata di smorzatore a massa accordata (TMD)

Nowdays, the need to build using less space is growing, as well as the interest in containing the size of the base for high structures. These structural typologies, however, have some peculiarities that make it impossible to neglect sophisticated engineering studies that are able to predict their dynamic behaviour, especially with regard to seismic, and, above all, wind actions. For ordinary, low and very rigid constructions, due to their reduced vibration period, it is generally more important to study the effects of the earthquake. On the other hand, tall, slender, and therefore more deformable, buildings are more concerned with wind action, given their greater vibration period. The thesis I have proposed suggests an evaluation of the dynamic response of a high structure subjected to wind action. In particular the response of a steel chimney with a circular section with variable diameter was analysed. For the evaluation of the structural response in the along-wind direction, the Double Modal Transformation approach, introduced by Carassale, Piccardo and Solari, has been used. By adopting this technique, the structural response is obtained through a double series expansion in which structural and loading modal contributions are superimposed. For the study of the structural response in the across-wind direction, the harmonic method, used in the national and European codes and based on the formulation of Ruscheweyh, was implemented. Once in possession of structural responses in the two directions examined, the attention was focused on the combination of wind effects for tall buildings. Knowing the maximum response of the structure, obtained following a vector combination of the response along the two directions along-wind and across-wind, a simulation work was carried out on several types of chimneys, with the aim of identifying coefficients to be used on extreme values, determined directly by the knowledge of the individual temporal stories. Then, a tuned mass damper was introduced, able to reduce the structural response in the most critical direction, that is the across-wind. In particular, a pendulum tuned mass damper has been used. At this point, the results obtained previously, about the most appropriate combination coefficient estimate, have been used to evaluate the resulting maximum displacement of the pendulum mass and to verify that it is actually possible its installation on the analysed structure. The scopes were achieved through the implementation of an algorithm in the Matlab® working environment.

Negli ultimi anni, a causa della necessità di costruire in altezza per occupare meno spazio sul terreno, sta diffondendosi sempre più l’edificazione di strutture alte e con piante di moderate dimensioni. Tali tipologie strutturali presentano, tuttavia, delle particolarità che comportano studi ingegneristici sofisticati, che siano in grado di interpretarne il loro comportamento dinamico, nei riguardi delle azioni sismiche e, soprattutto, eoliche. Per le costruzioni ordinarie, basse e molto rigide, a causa del loro periodo di vibrazione ridotto, è molto più rilevante studiare gli effetti provocati dal sisma. Gli edifici alti, invece, più snelli e quindi più deformabili, avendo un maggiore periodo di vibrazione, sono maggiormente interessati dall’azione del vento. La tesi che ho realizzato propone una valutazione della risposta dinamica di una struttura alta, soggetta ad azione eolica. In particolare, è stata analizzata la risposta di una ciminiera in acciaio a sezione circolare con diametro variabile. Per quanto concerne lo studio della risposta in direzione along-wind, è stato utilizzato l’approccio della “Double Modal Transformation”, introdotto da Carassale, Piccardo e Solari. Attraverso questa tecnica, è stato possibile implementare l’analisi dinamica di una struttura in campo lineare, partendo dalla conoscenza delle sue forme modali e dell’azione dinamica esercitata su di essa. Per lo studio della risposta strutturale in direzione “across-wind”, è stato invece utilizzato il metodo armonico, adottato nelle EN 1991-4, basato sulla formulazione di Ruscheweyh. Una volta elaborate le risposte strutturali nelle due direzioni in esame, l’attenzione è stata rivolta al problema della combinazione degli effetti del vento. Conoscendo la massima risposta della struttura, ottenuta in seguito ad una combinazione vettoriale delle risposte lungo le due direzioni “along-wind” e “across-wind”, è stato effettuato un lavoro di simulazione su diverse ciminiere tipo, con l’obiettivo di individuare dei coefficienti di combinazione da utilizzare sui valori estremi, determinati direttamente dalla conoscenza delle singole storie temporali. È stato poi introdotto uno smorzatore a massa accordata, in grado di ridurre la risposta strutturale nella direzione più critica, ossia quella “across-wind”. In particolare è stato utilizzato un dispositivo di smorzamento a pendolo, meglio conosciuto come “Pendulum Tuned Mass Damper”. A questo punto, sono stati utilizzati i risultati ottenuti precedentemente, circa la stima dei coefficienti di combinazione più idonei da utilizzare, con l’obiettivo di valutare lo spostamento massimo risultante che subisce la massa del pendolo, e di verificare che sia effettivamente possibile una sua installazione sulla struttura in esame. Gli obiettivi iniziali sono stati raggiunti attraverso l’implementazione di un algoritmo di calcolo nell’ambiente di lavoro Matlab®.