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Tower Pro: tecnologia per il controllo attivo di torri in acciaio e tralicci

L’articolo descrive uno smorzatore attivo di vibrazioni, denominato “Tower-Pro”, costituito da due attuatori lineari azionati da un motore elettrico e applicati sul piano di copertura di una torre in acciaio per le telecomunicazioni. Il sistema è in grado di ridurre le oscillazioni della struttura dovute al vento, attenuando le accelerazioni misurate di oltre il 60%.

Negli ultimi anni la tecnologia del controllo attivo di vibrazioni ha aperto interessanti opportunità nel campo delle applicazioni civili per il miglioramento delle performance dinamiche delle strutture.

In particolare, strutture quali le torri in acciaio per le telecomunicazioni costituiscono un mercato promettente per questa tecnologia.

Gli smorzatori attivi di vibrazione permettono a queste strutture, tipicamente sotto-smorzate, di raggiungere livelli di smorzamento molto elevati migliorandone la risposta alle sollecitazioni esterne introdotte dal vento, allungandone la vita a fatica e permettendo ai gestori delle torri di sfruttare una maggiore caricabilità della struttura stessa.

ISAAC, una startup italiana fondata nel 2018, ha sviluppato un sistema di controllo attivo di vibrazioni compatto e semplice da installare, denominato Tower-Pro (dall’inglese “Tower-Protection”).

Come caso studio viene presentata una torre in acciaio per le telecomunicazioni, alta 50 m e situata in provincia di Imperia, su un monte ad oltre 1000 metri sul livello del mare.

La torre è stata sensorizzata con accelerometri ed estensimetri, localizzati in punti specifici della struttura, un anemometro in sommità e diversi sensori di temperatura distribuiti lungo la torre.
I sensori hanno permesso di stimare i principali modi di vibrare della struttura per mezzo dell’analisi modale, raffinare il modello FEM della struttura facendo coincidere i modi numerici con i risultati sperimentali e stimare le sollecitazioni introdotte dal vento sui principali elementi strutturali della torre.
Sulla base di questi risultati sperimentali, il beneficio portato dall’installazione del sistema Tower-Pro viene presentato tramite il confronto tra struttura non controllata (sprovvista del sistema) e struttura controllata (ovvero provvista del sistema Tower-Pro in funzione).


Il dispositivo: Tower-Pro

Il sistema Tower-Pro è uno smorzatore attivo di vibrazioni. Diversi sono gli elementi che compongono il sistema Tower-Pro e che gli permettono di assolvere alla sua funzione, ovvero quella di ridurre l’oscillazione della struttura sulla quale è installato, riducendo di conseguenza i carichi sugli elementi strutturali:

  • Un set di sensori accelerometrici
  • Un anemometro
  • Un computer centrale
  • Un driver di controllo
  • Due assi meccanici

Ciascuno di questi elementi è fondamentale per il funzionamento del sistema complessivo: i sensori accelerometri, posti in punti significativi della struttura, ne rilevano le oscillazioni in tempo reale e mandano questa informazione al computer centrale.

Il computer centrale ha il compito di recepire questa informazione e gestire una serie di logiche di “alto livello” necessarie al corretto funzionamento del sistema: decide quando azionare l’asse meccanico (ad es. utilizzando una soglia sul valore di accelerazione oppure sul valore di velocità del vento letta dall’anemometro) e in caso di attivazione calcola la posizione di riferimento da dare all’azionamento per la movimentazione dell’asse meccanico, secondo una specifica legge di controllo.

L’azionamento (o driver di controllo) riceve la posizione di riferimento dal computer centrale ed eroga di conseguenza la corrente al motore dell’asse meccanico. Ciascun asse meccanico è costituito da un motore elettrico che genera la forza di controllo richiesta sulla struttura mettendo in moto una massa mobile ad esso vincolata e libera di scorrere, opportunamente dimensionata per l’applicazione.

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Per il caso studio mostrato in questo articolo si utilizzano due attuatore lineari con massa mobile pari a 60 kg e con un motore in grado di erogare una forza di picco di 1000 N (Figura 1), uno posto in direzione x e l’altro ortogonalmente al primo in direzione y.

L’architettura di controllo descritta viene rappresentata schematicamente in Figura 2.

 

Figura 1 – Asse meccanico del sistema Tower-Pro costituito da un telaio in alluminio ancorato alla struttura e una massa mobile di 60 kg (©ISAAC)
Figura 1 – Asse meccanico del sistema Tower-Pro costituito da un telaio in alluminio ancorato alla struttura e una massa mobile di 60 kg (©ISAAC)

  

Figura 2 – Schema di controllo del sistema Tower-Pro kg (©ISAAC)
Figura 2 – Schema di controllo del sistema Tower-Pro kg (©ISAAC)

L'APPROFONDIMENTO IN FONDO ALL'ARTICOLO
Scarica il caso studio su una torre per le telecomunicazioni per ottenere maggiori informazioni sul dimensionamento del sistema.


Il caso studio

In conclusione, l’articolo mostra un esempio di applicazione di uno smorzatore attivo di vibrazioni su una torre in acciaio per le telecomunicazioni, sottoposta all’azione esterna del vento.

In una prima fase, un’indagine dinamica svolta sulla struttura al vero ha permesso di identificare le frequenze proprie e i modi di vibrare della struttura.

Dall’analisi del primo modo di vibrare longitudinale in x e in y è stato possibile dimensionare due attuatori lineari, posti perpendicolarmente tra loro sull’ultimo piano della struttura, in modo tale da raggiungere uno smorzamento adimensionale obiettivo del 5%.

Le simulazioni FEM svolte sulla struttura con una storia temporale di vento misurata in campo (con velocità del vento di picco fino a 26 m/s) hanno permesso il confronto della struttura non controllata con la struttura dotata del sistema di controllo Tower-Pro, dimostrando che è possibile ottenere una riduzione dell’accelerazione in copertura pari al 53% in direzione x e al 63% in direzione y.

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