IT201700009819A1 - DETACHED MASSOR DAMPER. - Google Patents
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Description
“SMORZATORE A MASSA ACCORDATA” "TUNED MASS DAMPER"
Campo dell’invenzione Field of the invention
[1] La presente invenzione riguarda uno smorzatore a massa accordata per lo smorzamento delle vibrazioni meccaniche di un sistema vibrante, comprendente una massa inerziale e un sistema molla-dissipatore che collega detta massa inerziale oscillante a detto sistema vibrante. Tale sistema molla-dissipatore è costituito da uno o più blocchi di materiale polimerico di tipo viscoelastico. [1] The present invention relates to a tuned mass damper for damping the mechanical vibrations of a vibrating system, comprising an inertial mass and a spring-dissipator system which connects said oscillating inertial mass to said vibrating system. This spring-dissipator system consists of one or more blocks of viscoelastic polymeric material.
Stato della tecnica State of the art
[2] Gli smorzatori a massa accordata sono dei dispostivi che permettono di smorzare le vibrazioni meccaniche di un sistema vibrante quale potrebbe essere, a titolo puramente esemplificativo e non esclusivo, un macchinario, una costruzione o un imbarcazione. [2] The tuned mass dampers are devices that allow to dampen the mechanical vibrations of a vibrating system which could be, by way of example and not exclusive, a machine, a construction or a boat.
<[3]>Gli smorzatori a massa accordata sono sempre costituti da una massa inerziale oscillante e da un sistema molla-dissipatore. La massa può essere realizzata utilizzando materiali quali cemento o metallo in una forma preferibilmente monolitica. Il sistema molladissipatore può essere realizzato utilizzando molle metalliche, dissipatori viscosi a olio o grasso, materiali polimerici. <[3]> The tuned mass dampers always consist of an oscillating inertial mass and a spring-dissipator system. The mass can be made using materials such as concrete or metal in a preferably monolithic form. The molladissipatore system can be made using metal springs, viscous oil or grease dissipators, polymeric materials.
[4] Il vantaggio di utilizzare materiali polimerici con caratteristiche viscoelastiche permette di ottenere in un singolo componente, di dimensioni molto contenute, caratteristiche sia elastiche che dissipative grazie allo smorzamento intrinseco interno di questa tipologia di materiali polimerici. Tuttavia, i materiali polimerici di questa tipologia vengono utilizzati in forma di lastre e vengono solitamente sottoposti a stress principalmente di taglio. Infatti risulta molto più semplice modellare un materiale polimerico per farlo lavorare correttamente e in modo prevedibile quando sottoposto a stress di taglio. Molto raro è [4] The advantage of using polymeric materials with viscoelastic characteristics allows to obtain both elastic and dissipative characteristics in a single component, with very small dimensions, thanks to the intrinsic internal damping of this type of polymeric materials. However, polymeric materials of this type are used in the form of plates and are usually subjected to mainly shear stress. In fact, it is much easier to model a polymeric material to make it work correctly and predictably when subjected to shear stress. Very rare it is
MB/137225 l’utilizzo di questi materiali, come componenti per smorzatori a massa accordata, che lavorino a stress di trazione o compressione. Questo per il fatto che la modellazione e la previsione del loro comportamento diventa complicata dal forte discostamento dalla linearità del problema fisico. MB / 137225 the use of these materials, as components for tuned mass dampers, which work under tensile or compressive stress. This is due to the fact that the modeling and prediction of their behavior becomes complicated by the strong deviation from the linearity of the physical problem.
[5] Nel caso in cui sia necessario realizzare uno smorzatore con componente elasticadissipativa che lavori a trazione compressione si utilizzano più agevolmente molle metalliche e dissipatori di tipo viscoso che utilizzano olio o grasso. Altra tipologia di sistema elasticodissipativo è costituito da funi metalliche avvolte in spire che lavorano a flessione. Durante la deformazione, le spire di fune reagiscono elasticamente come una molla e lo scorrimento l’uno contro l’altro dei fili che costituiscono i trefoli della fune genera attrito interno che risulta in una dissipazione dell’energia. [5] If it is necessary to create a damper with an elastic-dissipative component that works in compression traction, metal springs and viscous heat sinks that use oil or grease are more easily used. Another type of elastic-dissipative system is made up of wire ropes wound in coils that work in bending. During deformation, the coils of the rope react elastically like a spring and the sliding of the wires that make up the strands of the rope against each other generates internal friction which results in a dissipation of energy.
[6] Tuttavia, l’utilizzo di molle metalliche, dissipatori a olio o grasso e funi metalliche richiede di avere a disposizione spazi sufficienti per l’inserimento dei componenti meccanici e dei loro dispositivi di fissaggio. Tale soluzione, in taluni casi, può essere di difficile applicazione sia per problemi di spazio che per problemi di costo dovuti alla realizzazione di particolari meccanici e fissaggi adatti al montaggio delle molle, dei dissipatori e delle funi. [6] However, the use of metal springs, oil or grease dissipators and wire ropes requires sufficient space for the insertion of mechanical components and their fastening devices. This solution, in some cases, can be difficult to apply both due to space problems and cost problems due to the realization of mechanical parts and fasteners suitable for mounting the springs, dissipators and cables.
[7] Uno scopo della presente invenzione è pertanto di ovviare agli inconvenienti della tecnica nota e fornire uno smorzatore a massa accordata che presenta un sistema molladissipatore in materiale polimerico di tipo viscoelastico che lavora a trazione e/o compressione con tutti i vantaggi della semplicità costruttiva, della compattezza e del contenimento degli ingombri. [7] An object of the present invention is therefore to obviate the drawbacks of the known art and provide a tuned mass damper which has a molladissipatore system in polymeric material of the viscoelastic type which works by traction and / or compression with all the advantages of constructive simplicity , compactness and containment of the overall dimensions.
Elenco delle figure List of figures
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[8] I vantaggi conseguibili con la presente invenzione risulteranno più chiaramente dalla seguente descrizione dettagliata di una forma di realizzazione particolare, illustrata con riferimento alle seguenti figure schematiche, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo in cui: [8] The advantages achievable with the present invention will become clearer from the following detailed description of a particular embodiment, illustrated with reference to the following schematic figures, provided by way of non-limiting example in which:
Figura 1 mostra una vista frontale di una prima realizzazione particolare dello smorzatore a massa accordata (1) in cui sono visibili la massa inerziale oscillante (2), la schematizzazione del sistema molla-dissipatore (8) e il sistema vibrante (4). Figure 1 shows a front view of a first particular embodiment of the tuned mass damper (1) in which the oscillating inertial mass (2), the diagram of the spring-dissipator system (8) and the vibrating system (4) are visible.
Figura 2 mostra una vista frontale di una seconda realizzazione particolare dello smorzatore a massa accordata (1) in cui sono visibili la massa inerziale oscillante (2), il sistema molladissipatore (8) in una sua forma realizzativa costituita da un blocco di materiale polimerico di tipo viscoelastico (3) e il sistema vibrante (4). Figure 2 shows a front view of a second particular embodiment of the tuned mass damper (1) in which the oscillating inertial mass (2), the molladissipator system (8) in one of its embodiments consisting of a block of polymeric material of viscoelastic type (3) and the vibrating system (4).
Figura 3 mostra una vista frontale di una terza realizzazione particolare dello smorzatore a massa accordata (1) in cui sono visibili la massa inerziale oscillante (2), il sistema molladissipatore (8) in una sua forma realizzativa costituita da un blocco di materiale polimerico di tipo viscoelastico (3), il sistema vibrante (4), la guida lineare (5) e il perno di guida (9). Figure 3 shows a front view of a third particular embodiment of the tuned mass damper (1) in which the oscillating inertial mass (2), the molladissipator system (8) in one of its embodiments consisting of a block of polymeric material of viscoelastic type (3), the vibrating system (4), the linear guide (5) and the guide pin (9).
Figura 4 mostra una vista frontale di una quarta realizzazione particolare dello smorzatore a massa accordata (1) in cui sono visibili la massa inerziale oscillante (2), il sistema molladissipatore (8) in una sua forma realizzativa costituita da lastre di materiale polimerico di tipo viscoelastico (3) alternate a lastre di materiale rigido (6), il sistema vibrante (4), la guida lineare (5) e il perno di guida (9). Figure 4 shows a front view of a fourth particular embodiment of the tuned mass damper (1) in which the oscillating inertial mass (2), the molladissipator system (8) in one of its embodiments consisting of plates of polymeric material of type viscoelastic (3) alternating with plates of rigid material (6), the vibrating system (4), the linear guide (5) and the guide pin (9).
Figura 5 mostra la vista frontale di una realizzazione particolare del sistema molladissipatore (8) costituita da strati alterni di lastre di materiale polimerico viscoelastico (3) e di lastre di materiale rigido (6). Figure 5 shows the front view of a particular embodiment of the molladissipator system (8) consisting of alternate layers of viscoelastic polymeric material (3) and rigid material plates (6).
MB/137225 Figura 6 mostra la vista prospettica di una realizzazione particolare del sistema molla dissipatore (8) costituita da strati alterni di lastre di materiale polimerico viscoelastico (3) e di lastre di materiale rigido (6). MB / 137225 Figure 6 shows the perspective view of a particular embodiment of the heat sink spring system (8) consisting of alternate layers of viscoelastic polymeric material (3) and rigid material (6).
Figura 7 mostra una vista frontale di una quinta realizzazione particolare dello smorzatore a massa accordata (1) in cui sono visibili la massa inerziale oscillante (2), il sistema molladissipatore (8) in una sua forma realizzativa costituita da lastre di materiale polimerico di tipo viscoelastico (3) alternate a lastre di materiale rigido (6), il sistema vibrante (4), la guida lineare (5) e il perno di guida (9). Figure 7 shows a front view of a fifth particular embodiment of the tuned mass damper (1) in which the oscillating inertial mass (2), the molladissipator system (8) in one of its embodiments consisting of plates of polymeric material of type viscoelastic (3) alternating with plates of rigid material (6), the vibrating system (4), the linear guide (5) and the guide pin (9).
Figura 8 mostra una vista prospettica dello smorzatore a massa accordata (1) della figura 7 in cui sono visibili la massa inerziale oscillante (2), il sistema molla-dissipatore (8) in una sua forma realizzativa costituita da lastre di materiale polimerico di tipo viscoelastico (3) alternate a lastre di materiale rigido (6), la guida lineare (5). Figure 8 shows a perspective view of the tuned mass damper (1) of Figure 7 showing the oscillating inertial mass (2), the spring-dissipator system (8) in one of its embodiments consisting of plates of polymeric material of the type viscoelastic (3) alternating with plates of rigid material (6), the linear guide (5).
Figura 9 mostra una vista prospettica di una lastra in materiale polimerico viscoelastico (3) fissata su una lastra di materiale rigido (6). Nella lastra di materiale polimerico sono praticati dei fori passanti, a titolo esemplificativo di forma circolare e uniformemente distribuiti. Figure 9 shows a perspective view of a viscoelastic polymeric material plate (3) fixed on a rigid material plate (6). Through holes are made in the polymeric material plate, by way of example of circular shape and uniformly distributed.
Descrizione Description
[1] La soluzione oggetto della presente domanda di invenzione prevede la realizzazione di uno smorzatore a massa accordata (1) per lo smorzamento delle vibrazioni meccaniche di un sistema vibrante (4) che, come indicato in Figura 1, comprende una massa inerziale (2) e un sistema molla-dissipatore (8) che collega detta massa inerziale oscillante (2) a detto sistema vibrante (4). In Figura 1, il sistema molla-dissipatore è schematizzato a titolo di esempio mediante una molla torsionale e un dissipatore viscoso. [1] The solution object of the present invention envisages the realization of a tuned mass damper (1) for damping the mechanical vibrations of a vibrating system (4) which, as indicated in Figure 1, includes an inertial mass (2 ) and a spring-dissipator system (8) which connects said oscillating inertial mass (2) to said vibrating system (4). In Figure 1, the spring-dissipator system is schematized by way of example by means of a torsional spring and a viscous dissipator.
[2] Il sistema molla-dissipatore (8) è il componente meccanico che permette di fissare la massa inerziale oscillante (2) al sistema vibrante (4) del quale si vogliono ridurre le vibrazioni [2] The spring-dissipator system (8) is the mechanical component that allows to fix the oscillating inertial mass (2) to the vibrating system (4) whose vibrations are to be reduced
MB/137225 meccaniche. Il sistema molla-dissipatore deve presentare inoltre una rigidezza e uno smorzamento ben precisi in rapporto alla massa inerziale oscillante (2) e alla frequenza alla quale si desidera smorzare la vibrazione che, generalmente ma non esclusivamente, risulta essere una frequenza di risonanza del sistema vibrante (4). MB / 137225 mechanical. The spring-dissipator system must also have a very precise stiffness and damping in relation to the oscillating inertial mass (2) and to the frequency at which you want to dampen the vibration which, generally but not exclusively, is a resonant frequency of the vibrating system. (4).
[3] Il vantaggio dell’utilizzo dei materiali polimerici viscoelastici è che in un solo componente meccanico in forma di blocco o lastra si ottiene sia l’effetto elastico che l’effetto dissipativo in spazi molto contenuti come indicato in Figura 2 in cui il sistema molladissipatore (8) è rappresentato da un unico blocco di materiale polimerico viscoelastico (3). [3] The advantage of using viscoelastic polymeric materials is that in a single mechanical component in the form of block or slab both the elastic effect and the dissipative effect are obtained in very small spaces as indicated in Figure 2 in which the system molladissipatore (8) is represented by a single block of viscoelastic polymeric material (3).
<[4]>Molto agevole risulta prevedere il comportamento dinamico del materiale polimerico quando questo presenta forma di lastra che lavora a sollecitazione di taglio. Questo permette di realizzare degli smorzatori che lavorano principalmente nel paino orizzontale. <[4]> It is very easy to predict the dynamic behavior of the polymeric material when it has the shape of a plate working under shear stress. This allows you to make dampers that work mainly in the horizontal plane.
[5] Più complicato risulta prevedere il comportamento di un blocco di materiale polimerico che lavora a trazione o compressione come riportato in Figura 2 in cui si comprende anche la difficoltà a garantire la stabilità del sistema sotto l’effetto della gravità. [5] It is more complicated to predict the behavior of a block of polymeric material that works in traction or compression as shown in Figure 2 which also includes the difficulty in ensuring the stability of the system under the effect of gravity.
[6] Una soluzione per garantire la stabilità del sistema risulta essere l’inserimento di guide lineari (5) entro le quali scorre un perno solidale alla massa oscillante (2) che obbliga la massa oscillante (2) stessa e oscillare nella direzione desiderata e definita dalle guide lineari (5) come riportato nella Figura 3. [6] A solution to ensure the stability of the system is the insertion of linear guides (5) within which a pin slides integral with the oscillating mass (2) which forces the oscillating mass (2) itself to oscillate in the desired direction and defined by the linear guides (5) as shown in Figure 3.
<[7]>Un ulteriore soluzione riportata in Figura 4 che permette di prevedere con maggior facilità il comportamento del materiale polimerico viscoelastico (3) è quella di suddividere il blocco di materiale viscoelastico (3) in più parti in forma di lastre alternate a lastre di materiale rigido (6) e impilate una sull’altra in numero predefinito in fase di progettazione come viene illustrato in Figura 5 e in Figura 6. Infatti, variando semplicemente il numero di lastre della pila riportata in Figura 5 e in Figura 6 è possibile ridurre o aumentare la rigidezza <[7]> A further solution shown in Figure 4 which makes it easier to predict the behavior of the viscoelastic polymeric material (3) is to divide the block of viscoelastic material (3) into several parts in the form of plates alternating with plates of rigid material (6) and stacked on top of each other in a predefined number during the design phase as shown in Figure 5 and Figure 6. In fact, by simply varying the number of plates in the stack shown in Figure 5 and Figure 6, it is possible reduce or increase stiffness
MB/137225 complessiva del sistema molla-dissipatore (8) senza influire sul valore di dissipazione e senza influire sulla pressione di progetto che grava sulla lastra di materiale polimerico viscoelastico (3). MB / 137225 overall of the spring-dissipator system (8) without affecting the dissipation value and without affecting the design pressure that weighs on the viscoelastic polymeric material sheet (3).
[8] Un ulteriore soluzione che permette di ottenere una regolazione precisa della rigidezza complessiva del sistema molla-dissipatore (8) è quella di praticare dei fori passanti (7), preferibilmente di forma circolare e preferibilmente uniformemente distribuiti, sulla lastra di materiale polimerico viscoelastico (3) come riportato in Figura 9. [8] A further solution that allows to obtain a precise adjustment of the overall stiffness of the spring-dissipator system (8) is to make through holes (7), preferably circular in shape and preferably uniformly distributed, on the viscoelastic polymer sheet (3) as shown in Figure 9.
[9] Con riferimento alla Figura 1, nell'esempio illustrato, la massa inerziale oscillante (2) è definita da un pezzo monolitico solido a forma prismatica di cemento o metallo, e poggiante sul sistema vibrante con interposizione di un numero di blocchi di forma prismatica (3) di materiale polimerico viscoelastico con un modulo elastico G' di circa 25.000 Pa all'interno di un intervallo di frequenza tra 5 Hz e 25 Hz, e un fattore di dissipazione superiore a 0,2 in un intervallo di frequenza tra 5 Hz e 25 Hz. Questi blocchi a forma prismatica (3) definiscono gli elementi molla-dissipatore (8) dello smorzatore di vibrazioni a massa accordata (1). [9] With reference to Figure 1, in the example illustrated, the oscillating inertial mass (2) is defined by a prismatic-shaped solid monolithic piece of concrete or metal, and resting on the vibrating system with the interposition of a number of blocks of shape prismatic (3) of viscoelastic polymeric material with an elastic modulus G 'of approximately 25,000 Pa within a frequency range between 5 Hz and 25 Hz, and a dissipation factor greater than 0.2 in a frequency range between 5 Hz and 25 Hz. These prismatic-shaped blocks (3) define the spring-dissipator elements (8) of the tuned mass vibration damper (1).
[10] Il peso della massa inerziale oscillante (2) è maggiore di 1% del peso totale del sistema vibrante ed il sistema molla-dissipatore comprende almeno un blocco monolitico o pezzo di gel polimerico viscoelastico (3) con un modulo elastico dinamico a taglio G la cui parte reale G' risulta inferiore a 1.000.000 Pa entro il campo di frequenza da 5 Hz e 50 Hz, e con un fattore di dissipazione interno (loss factor) inferiore a 0,6 entro la gamma di frequenza da 5 Hz e 50 Hz. [10] The weight of the oscillating inertial mass (2) is greater than 1% of the total weight of the vibrating system and the spring-dissipator system comprises at least one monolithic block or piece of viscoelastic polymer gel (3) with a dynamic shear modulus G whose real part G 'is less than 1,000,000 Pa within the 5 Hz and 50 Hz frequency range, and with an internal loss factor of less than 0.6 within the 5 Hz frequency range and 50 Hz.
[11] In particolare, preferibilmente, ma non necessariamente, la parte reale G' del modulo elastico a taglio G del gel polimerico viscoelastico dovrebbe essere inferiore a 1.000.000 Pa entro al campo di frequenza compreso tra 3 Hz e 100 Hz, e il fattore di dissipazione dovrebbe essere inferiore a 0,6 entro a gamma di frequenza da 3 Hz e 100 Hz. [11] In particular, preferably, but not necessarily, the real part G 'of the shear elastic modulus G of the viscoelastic polymer gel should be less than 1,000,000 Pa within the frequency range between 3 Hz and 100 Hz, and the dissipation factor should be less than 0.6 within the 3 Hz to 100 Hz frequency range.
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[12] Più in particolare, in una realizzazione preferita, il peso della mass inerziale oscillante è superiore al 2% del peso totale della sistema vibrante; il modulo elastico G' del gel polimerico viscoelastico è compreso fra 5.000 Pa e 100.000 Pa entro il campo di frequenza da 5 Hz e 50 Hz, e preferibilmente, ma non necessariamente, entro il campo di frequenza compreso tra 3 Hz e 100 Hz; il fattore di dissipazione del gel polimerico viscoelastico è compreso tra 0,1 e 0,4 entro il campo di frequenza da 5 Hz e 50 Hz, e preferibilmente, ma non necessariamente, entro il campo di frequenza compreso tra 3 Hz e 100 Hz. [12] More particularly, in a preferred embodiment, the weight of the oscillating mass is greater than 2% of the total weight of the vibrating system; the elastic modulus G 'of the viscoelastic polymer gel is comprised between 5,000 Pa and 100,000 Pa within the frequency range from 5 Hz to 50 Hz, and preferably, but not necessarily, within the frequency range between 3 Hz and 100 Hz; the dissipation factor of the viscoelastic polymer gel is between 0.1 and 0.4 within the frequency range from 5 Hz to 50 Hz, and preferably, but not necessarily, within the frequency range between 3 Hz and 100 Hz.
[13] Supponendo che una estremità del campione di materiale (cioè il viscoelastico gel polimerico) è fissato ad un supporto rigido, che l'estremità opposta del campione materiale è sottoposto a taglio deformazioni dovute ad un sinusoidale (periodica), e che una coppia di stress sinusoidale viene trasmesso al supporto; il modulo elastico G' è definito dalla seguente formula: [13] Assuming that one end of the material sample (i.e. the viscoelastic polymer gel) is fixed to a rigid support, that the opposite end of the material sample is subjected to shear deformations due to a sinusoidal (periodic), and that a pair sinusoidal stress is transmitted to the support; the elastic modulus G 'is defined by the following formula:
τ τ
G'=cosδ G '= cosδ
λ λ
dove δ è l'angolo di fase tra la deformazione e lo stress (vale a dire sfasamento tra i fasori tensione e stress); τ è il valore di stress; e λ è il valore della deformazione. where δ is the phase angle between the strain and the stress (i.e. phase shift between the voltage and stress phasors); τ is the stress value; and λ is the deformation value.
[14] Il valore dello stress τ è definito dalla seguente formula: [14] The stress value τ is defined by the following formula:
τ<= MK>τ τ <= MK> τ
in cui M è il valore della sollecitazioni di coppia sinusoidale trasmessa al supporto, e Kτ è la costante di sollecitazione geometrica del campione di materiale testato. where M is the value of the sinusoidal torque stresses transmitted to the support, and Kτ is the geometric stress constant of the sample of material tested.
[15] Il valore λ della deformazione è definito dalla seguente formula: [15] The λ value of the deformation is defined by the following formula:
<λ = θK>λ <λ = θK> λ
MB/137225 dove θ è il valore dello spostamento angolare del campione di materiale (cioè il gel polimerico viscoelastico) sottoposta alla sollecitazione sinusoidale, e Kλè la costante di deformazione geometrica del campione di materiale testato. MB / 137225 where θ is the value of the angular displacement of the material sample (i.e. the viscoelastic polymer gel) subjected to the sinusoidal stress, and Kλ is the geometric deformation constant of the tested material sample.
[16] Infine, il fattore di dissipazione η (loss factor) è definito dalla seguente formula: [16] Finally, the dissipation factor η (loss factor) is defined by the following formula:
<η = tanδ><η = tanδ>
dove δ è l'angolo di fase tra la deformazione e lo stress (vale a dire lo sfasamento tra i fasori tensione e stress). where δ is the phase angle between the strain and the stress (i.e. the phase shift between the voltage and stress phasors).
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