Water Column Dumper

Nel panorama delle soluzioni per il controllo delle vibrazioni strutturali, i Water Column Damper si distinguono per la loro semplicità ed efficacia. Si tratta di dispositivi che utilizzano colonne d’acqua per smorzare le oscillazioni degli edifici, rappresentando un’evoluzione naturale dei tradizionali smorzatori a massa accordata (TMD).

Il sistema si compone di un tubo a U di sezione tipicamente rettangolare o circolare, caratterizzato da una sezione orizzontale che collega i due rami verticali. La struttura del dispositivo comprende anche un robusto sistema di ancoraggio alla struttura portante dell’edificio. Per garantire il corretto funzionamento nel tempo, il sistema è dotato di dispositivi di controllo del livello dell’acqua.

Quando l’edificio oscilla sotto l’azione di carichi esterni, come vento o sisma, l’acqua nel contenitore si muove in controfase rispetto al movimento della struttura. L’interazione tra il movimento dell’acqua e la struttura, insieme alla dissipazione viscosa del fluido, produce un effetto smorzante che riduce le vibrazioni strutturali.

Le ricerche condotte dalla Prof.ssa Pirrotta e dal suo gruppo di ricerca hanno contribuito significativamente allo sviluppo e all’ottimizzazione di questi sistemi. In particolare, è stato sviluppato un innovativo modello viscoelastico a derivate frazionarie che permette di descrivere accuratamente il comportamento del fluido all’interno del dispositivo [1]. Questo approccio tiene conto sia della dissipazione energetica dovuta alla viscosità dell’acqua, sia della complessa interazione tra il fluido e la struttura. Attraverso studi teorici e sperimentali [2], sono state sviluppate procedure di progettazione affidabili che considerano questi fenomeni fisici e hanno portato a diverse applicazioni pratiche. L’accuratezza del modello nel descrivere il comportamento viscoso del fluido ha permesso di ottimizzare il dimensionamento dei dispositivi, migliorandone significativamente l’efficacia nel controllo delle vibrazioni strutturali.

Il primo esempio significativo di applicazione dei WCD risale al John Hancock Tower di Boston, completato nel 1976, dove due serbatoi contenenti complessivamente 300 tonnellate d’acqua furono installati agli ultimi piani per controllare le oscillazioni indotte dal vento. Questo intervento pionieristico dimostrò l’efficacia del sistema e aprì la strada a successive applicazioni.

Un’evoluzione significativa nella tecnologia WCD si è avuta con l’integrazione di questi sistemi negli impianti antincendio degli edifici. La Trump World Tower di New York, alta 262 metri, rappresenta un esempio emblematico di questa innovazione: il sistema WCD è stato completamente integrato nel sistema antincendio, ottimizzando così lo spazio disponibile e riducendo significativamente i costi di realizzazione.

Come evidenziato negli studi sperimentali [3-4], il dimensionamento del sistema richiede particolare attenzione al rapporto di massa tra acqua e struttura, alla frequenza di oscillazione del fluido, al posizionamento ottimale dei contenitori e all’integrazione con altri sistemi di controllo strutturale. Questi aspetti risultano fondamentali per garantire l’efficacia dell’intervento.

L’esperienza pratica ha dimostrato come i Water Column Damper rappresentino una soluzione tecnologica affidabile per il controllo delle vibrazioni strutturali. Questi sistemi si distinguono per la loro facilità di installazione e manutenzione, presentando costi contenuti rispetto ad altre soluzioni. La semplicità costruttiva, unita alla possibilità di integrazione con i sistemi antincendio e all’efficacia dimostrata in condizioni operative reali, li rende particolarmente interessanti per l’ingegneria strutturale moderna.

Bibliografia

[1] Pirrotta, A.; Cutrone, S. (2010). Fractional-derivative viscoelastic model: An application to water column damper (WCD) devices.

[2] Di Matteo, A.; Lo Iacono, F.; Navarra, G.; Pirrotta, A. (2014). Experimental validation of a direct pre-design formula for TLCD.

[3] Furtmüller, T.; Di Matteo, A.; Adam, C.; Pirrotta, A. (2019). Base-isolated structure equipped with tuned liquid column damper: an experimental study.

[4] Di Matteo, A.; Pirrotta, A.; Tumminelli, S. (2017). Combining TMD and TLCD: analytical and experimental studies.