Trave Tensairity per la realizzazione di strutture temporanee: sperimentazione e studio di una soluzione tecnologica per un ponte di piccola luce

Le Tensairity sono strutture composite innovative e altamente performanti, grazie alla loro capacità di distribuire in modo intelligente le sollecitazioni tra i diversi componenti, ottimizzando la resistenza ai carichi esterni. Esse si compongono di un elemento pneumatico di forma cilindrica, un puntone snello e una coppia di funi. Il puntone viene solidarizzato lungo una direttrice del cilindro e le funi avvolte al cilindro e collegate alle estremità del puntone. Quando la struttura viene caricata trasversalmente con un carico distribuito sul puntone, quest’ultimo si comprime mentre le funi assorbono le forze di trazione. Il cilindro pneumatico permette tale ripartizione ed impedisce l’instabilità fuori piano del puntone grazie alla rigidezza offerta attraverso la pressione interna. Nonostante queste premesse la letteratura è fortemente limitata al comportamento sotto azioni statiche. Tali studi dimostrano la capacità della struttura di sorreggere carichi ingenti con un peso proprio contenuto. Dal punto di vista dinamico la trave Tensairity nella sua concezione originaria presenta problemi nella capacità di far fronte ad azioni variabili nel tempo e nello specifico, nell’attenuare le vibrazioni indotte. La principale innovazione, studiata nella presente tesi, consiste nell’utilizzo di funi in lega a memoria di forma con comportamento superelastico in sostituzione delle classiche funi in acciaio al fine di incrementare la dissipazione energetica e di conseguenza lo smorzamento strutturale. Lo studio `è stato affrontato in prima battuta con un approccio empirico, realizzando un prototipo in scala ridotta nel quale sono state inserite delle migliorie rispetto al concetto classico di trave Tensairity. Nello specifico `e stata realizzata una trave Tensairity in grado di sostenere carichi distribuiti o puntuali trasversali lungo le due direzioni ed in entrambi i versi. La struttura `e stata equipaggiata con dispositivi di tensionamento manuale e automatico per gestire il livello di tensione all’interno delle funi in acciaio o NiTiNOL. La campagna sperimentale si `e suddivisa in due fasi distinte. Nella prima fase si `e studiato il comportamento rispetto ad un’azione quasistatica. Il prototipo di trave incernierato ad una estremità e appoggiato all’estremità opposta `è stato sottoposto ad un carico ciclico puntuale nella mezzeria in controllo di spostamento. Nello specifico, sono stati effettuati cicli sinusoidali per diverse ampiezze di spostamento con frequenza 0.2 Hz misurando la forza attraverso una cella di carico. La prova `e stata poi ripetuta variando le possibili configurazioni del prototipo in modo da osservare le diverse risposte meccaniche. In particolare, sono state considerate due configurazioni del prototipo equipaggiato rispettivamente con fili in acciaio e NiTiNOL. Le curve forza-spostamento sono state acquisite per diversi livelli della tensione iniziale e per diversi valori della pressione interna nell’elemento pneumatico. I risultati ottenuti hanno mostrato come la presenza dei fili in NiTiNOL sia in grado di incrementare sensibilmente lo smorzamento strutturale rispetto alla configurazione con fili in acciaio, senza riduzioni eccessive di rigidezza. Nella seconda fase, `e stata condotta una caratterizzazione dinamica del prototipo effettuando della analisi dinamiche modali sperimentali. Le prove sono state eseguite sulla struttura incernierata ad entrambe le estremità, e sollecitata con un martello modale automatico dotato di cella di carico. La risposta 3D `e stata acquisita con un vibrometro laser 3D della Polytec identificando modi, frequenze e smorzamenti associati. Questi ultimi sono stati identificati in diversi scenari variando la tensione nei fili in acciaio e in NiTiNOL e per diversi valori della pressione interna dell’elemento pneumatico. E’ stato poi implementato un accurato modello agli elementi finiti con il software commerciale Abaqus realizzando una completa parametrizzazione della geometria in Python. Il modello `e stato utilizzato per identificare le frequenze naturali ed i modi associati effettuando una comparazione con i risultati sperimentali. L’errore massimo e minimo, tra le frequenze naturali sperimentali e quelle numeriche, `e risultato pari al 20% e 5% . Infine, il modello FEM parametrizzato in Python `e stato utilizzato per due casi studio: la progettazione di un ponte temporaneo di luce 12 metri e di un padiglione espositivo caratterizzato da travi tensairity curve.