Design of an Eddy Current TMD for wind tunnel model applications

Since skyscraper construction began, the challenge of controlling vibrations in tall buildings has become a central concern. Prolonged oscillations can cause structural fatigue and compromise occupant comfort. This thesis addresses the development of a damping system using an Eddy Current-based Tuned Mass Damper (TMD) to reduce structural vibrations in buildings subject to dynamic loads. Specifically, the prototype was designed to be applied to a scaled model of an eight-story building already installed in the wind tunnel at Politecnico di Milano. The project had two main goals: first, to identify the primary vibration modes of the structure through Operational Modal Analysis (OMA), and second, to design and develop a physical TMD model that harnesses eddy current effects to produce effective passive damping. The OMA was conducted by acquiring time histories of the building's oscillations using an accelerometer system and the wind tunnel. Analysis of these time histories made it possible to determine the structure's fundamental vibration modes, which are essential parameters for proper TMD sizing. The TMD design process included the study and simulation of interactions between eddy currents and the magnetic field, aiming to maximize damping effectiveness while minimizing energy consumption and structural impact. Additionally, the prototype was designed to be as adjustable as possible to achieve a semi-active state. For instance, imagining the structure in operation with installed accelerometers, any changes in the building’s mechanical parameters would be detected immediately by the OMA. By processing the time history, the OMA could provide the updated frequency for tuning the pendulum, which would then be adjusted simply by changing its length. The research findings show that implementing an eddy current-based TMD can provide an innovative and efficient solution for vibration mitigation in tall structures, ensuring greater stability and comfort for occupants.

Da quando si è iniziato a costruire i grattacieli, il problema del contenimento delle vibrazioni di edifici alti è diventato un tema di centrale importanza. Le oscillazioni prolungate possono causare problemi di fatica strutturale e compromettere il comfort degli occupanti. Questa tesi affronta lo sviluppo di un sistema di smorzamento tramite un TMD (Tuned Mass Damper) basato su correnti parassite ("eddy current") per la riduzione delle vibrazioni strutturali di edifici soggetti a carichi dinamici. In particolare, il prototipo è stato pensato per essere poi applicato su un modello in scala ridotta di un edificio ad 8 piani già presente nella galleria del vento del Politecnico di Milano. L'obiettivo del lavoro è stato duplice: da un lato, individuare i modi di vibrazione principali della struttura tramite un'analisi modale operativa (Operational Modal Analysis, OMA), e dall’altro, progettare e sviluppare un modello fisico del TMD che sfrutti l'effetto delle correnti parassite per generare un efficace smorzamento passivo. L'analisi modale operativa è stata condotta acquisendo delle storie temporali delle oscillazioni dell’edificio, mediante un sistema di sensori accelerometrici e con l’ausilio della galleria del vento. Successivamente, attraverso lo studio di queste storie temporali, è stato possibile individuare i modi fondamentali di vibrazione della struttura in questione. I parametri meccanici ottenuti sono necessari per il corretto dimensionamento del TMD. Il processo progettuale del TMD ha incluso lo studio e la simulazione dell'interazione tra le correnti parassite e il campo magnetico, con l'obiettivo di massimizzare l’efficacia dello smorzamento e minimizzare il consumo energetico e l’impatto strutturale. Il prototipo è stato inoltre realizzato in modo da essere il più regolabile possibile. Questo perché l’obiettivo è quello di raggiungere uno stato di semi-attività. Infatti, immaginando la struttura in condizioni di esercizio e con gli accelerometri installati, un’eventuale variazione nei parametri meccanici dell’edificio verrebbe immediatamente rilevata dall’analisi modale operativa che, processando la storia temporale, sarebbe in grado di fornire la frequenza aggiornata alla quale impostare il pendolo. La regolazione del pendolo avverrebbe poi semplicemente aumentando o diminuendo la sua lunghezza. I risultati della ricerca evidenziano come l’implementazione di un TMD basato su eddy current possa fornire una soluzione innovativa ed efficiente per la mitigazione delle vibrazioni in strutture alte, garantendo al contempo una maggiore stabilità e comfort per gli occupanti.