Mass damper

IlMass damper, detto anchetuned mass damper(it.:smorzatore a massa accordata) o assorbitore armonico, è un dispositivo montato su diverse strutture per impedire disagi, danni, e cedimenti strutturali esterni causati dalle vibrazioni. Trovano applicazione in grattacieli o in altre strutture soggette a oscillazioni, e sono costituiti da enormi blocchi di calcestruzzo sospesi per mezzo di molle, liquidi o pendoli.
Anche le linee elettriche ad alta tensione hanno talvolta piccoli “Stockbridge damper” che pendono dai cavi.
Piccoli dispositivi che lavorano sugli stessi principi sono stati utilizzati come ammortizzatori per assorbire i forti rimbalzi sulle ruote posteriori dell'autovetturaCitroën 2CV.
Le basi dell'invenzione del tuned mass damper sono dall'ingegnere navaletedescoHerman Frahmche nel1901grazie alle sue ricerche sulle vibrazioni nelle macchine e nelle linee d'assi ha inventato diversi dispositivi di misurazione, tra cui un frequenzimetro e il tachimetro a vibrazione.
Unavibrazioneindesiderata può essere causata dalle forze ambientali che agiscono su una struttura, quali il vento o il terremoto, o da una apparentemente innocua causa di vibrazione che può essere distruttiva, sgradevole o semplicemente innocua.
Leonde sismichecausate dai terremoti fanno oscillare e ondeggiare i grattacieli in diversi modi, a seconda della frequenza, del tipo di movimento del suolo (moto sussultorio od ondulatorio) e dell'altezza e tipo di costruzione dell'edificio. L'attività sismica, oltre a causare oscillazioni nella costruzione, può portare a un cedimento strutturale parziale o totale.
La forza del vento contro gli alti edifici può indurre la parte superiore dei grattacieli a muoversi anche più di un metro. Questo movimento può essere sotto forma di ondeggiamento sussultorio, e può causare uno spostamento nei piani superiori di qualche edificio. Determinate proprietà angolari e aerodinamiche nel vento contro una costruzione possono accentuare il movimento e causare difficoltà a muoversi nelle persone.
La massa di persone che percorrono su e giù una rampa di scale velocemente, o un grande numero di gente che cammina all'unisono, può causare seri problemi in strutture ampie come gli stadi se tali strutture difettano di misuratori assorbenti. Le vibrazioni causate da pesanti macchine industriali, dai generatori e dai motori diesel pongono anch'esse problemi all'integrità strutturale, specialmente se posizionate su una struttura d'acciaio o sul pavimento. Grandi navi da crociera possono impiegare i tuned mass dampers per isolare la struttura del vascello dalla vibrazione causata dal motore.
I mass dampers stabilizzano la struttura nella quale sono montati contro movimenti violenti causati dalle vibrazioni armoniche. 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 (il cosiddettodamping) l'oscillazione della struttura. 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,m1schematizza la massa dell'oggetto su cui si vuole ottenere l'effetto ammortizzante. La massam2rappresenta lo smorzatore (mass damper) ed è collegata adm1con un sistema sospensivo.
Le sollecitazioni provenienti dal basamento si trasmettono alla massam1inducendo una vibrazione. Il movimento indotto sum1si trasmette anche almass damper. È possibile dimostrare che esiste una frequenza della sollecitazioneF0per la quale le vibrazioni sum1sono fortemente attenuate.
Ciò accade perché la massam2trasmette adm1una forza uguale ed opposta a quella trasmessa dalle vibrazioni provenienti dal basamento.
Questo sistema consiste di una massa principalem1, ad esempio una ruota e un braccio di sospensione, con una molla e smorzatorek1/c1. La forza a terra èF0. Una forza variabileF1è applicata am1. Il sistema viene modificato aggiungendo un sistema massa/molla/smorzatorem2,k2ec2.
Una grandezza importante per il sistema è la frequenza della forza applicata a terra,F0, come risultante della forzanteF1.
Il diagramma di Bode è più complesso, e mostra la fase e l'ampiezza del moto di ogni massa, per i due casi, relativamente alla forzanteF1.
La linea nera indica il sistema di base, e mostra solo il moto dim1. La linea blu indica il moto dim2in presenza dell'assorbitore dinamico. Questa va in risonanza prima, in fase conm1, ma con un'ampiezza maggiore. In questo modo una parte dell'energia che avrebbe dovuto far vibrare il corpo (attraversoF0) è assorbito nell'elemento smorzatore. All'aumentare della frequenza,m2inizia ad allontanarsi dalla fase dim1, finché attorno a 9.5 Hz oscilla in controfase conm1, fornendo la massima energia allo smorzatore.
Nelleturbine eolichei mass damper vengono tipicamente impiegati per ridurre l'effetto della rotazione delle pale eoliche sulla struttura portante. La massa ausiliaria viene dimensionata in modo da oscillare con uno spostamento di fase rispetto al moto della struttura indotto dalla rotazione delle pale eoliche. In questo modo è possibile ricorrere a strutture portanti più leggere e, allo stesso tempo, garantire una minore sollecitazione nel tempo.
Un tipo di mass damper dalle dimensioni ridotte, detti anche harmonic balancer, sono a volte usati nelleautovetture. Come esempio si ha la2CVche ne utilizzava 4, rispettivamente uno per ruota, altro esempio è laPontiac Firebirdche ne utilizzava due, per stabilizzare l'avantreno.
Il mass damper venne introdotto come parte del sistema delle sospensioni dallaRenaultper sua vettura diFormula 1, laR25, nel finale della stagione2005dalGran Premio del Brasilein avanti. In un primo momento venne considerato legittimo, tanto da venire mantenuto dalla casa francese sulla successiva monopostoR26per la stagione2006, e usato anche da altre squadre, fino alGran Premio di Germania. Tecnicamente questi dispositivi erano composti da un peso oscillante tra i 9 e i 15 kg, fissato con una molla e posizionato all'interno del musetto, e risultavano particolarmente efficaci per stabilizzare il muso della vettura in curva, che così non beccheggiava passando sui cordoli o su leggere asperità; questo permetteva di mantenere stabile il flusso aerodinamico che investiva il resto della vettura, che risultava così molto più guidabile.
Secondo il regolamento, però, ogni dispositivo che abbia una qualunque influenza sull'aerodinamica della vettura deve restare fisso e non avere gradi di libertà:
Questa regola era originariamente intesa a vietare gli alettoni mobili, ma poiché non parla esplicitamente di appendici aerodinamiche e la Renault stessa ha più volte parlato di benefici aerodinamici, è stata interpretata dalla Federazione a sfavore del mass damper.
Dopo differenti interpretazioni tra commissari di gare diverse e tra commissari e FIA, quest'ultima infine presentò reclamo contro il sistema. Due settimane più tardi, la Corte d'Appello Internazionale della FIA dichiarò illegale il mass damper. Nonostante il divieto la Renault vinse comunque entrambi i titolipilotiecostruttorial termine della stagione 2006.