Dispositivi piezoelettrici per il simultaneo controllo delle vibrazioni e la raccolta di energia

Il presente lavoro si inserisce nel contesto dello studio e dello sviluppo di sistemi per il controllo delle vibrazioni e il recupero energetico da strutture civili, con particolare riferimento a passerelle pedonali in leghe di alluminio, adibite a cantieri e ponteggi edili, soggette a eccitazioni dinamiche. L’obiettivo principale è l’analisi e la progettazione di un dispositivo avente la duplice finalità di ridurre le vibrazioni strutturali e generare energia elettrica sfruttando l’effetto piezoelettrico. Il sistema considerato consiste in una passerella modellata come piastra rettangolare, accoppiata a un harvester piezoelettrico a sbalzo dotato di massa concentrata in punta, opportunamente dimensionata con l’obiettivo di effettuare la giusta taratura in prossimità delle frequenze proprie della struttura. L’analisi è stata condotta mediante un approccio modale, che ha consentito di descrivere il comportamento dinamico del sistema accoppiato e di valutare le funzioni di risposta in frequenza (FRF) in termini di accelerazione, spostamento e tensione elettrica generata. Una prima fase dello studio è stata dedicata all’analisi di sensibilità dei parametri principali del sistema, con particolare attenzione alla massa in punta. Tale analisi ha permesso di individuare l’influenza di tale parametro sull’ampiezza dei picchi di risonanza, evidenziando il ruolo fondamentale della corretta taratura del dispositivo. Successivamente, è stato effettuato un confronto tra il sistema accoppiato e il caso limite in assenza di massa in punta, evidenziando come l’assorbitore di vibrazioni dinamico piezoelettrico risulti efficace sia nel controllo delle vibrazioni sia nella conversione energetica. Tuttavia, emergono anche alcune limitazioni, legate alla natura a banda stretta del dispositivo e alla necessità di una precisa taratura rispetto alle frequenze di eccitazione. Infine, è stato analizzato il comportamento del sistema al variare del rapporto di smorzamento, confrontando diverse configurazioni rispetto al caso nominale. I risultati mostrano che valori intermedi di smorzamento consentono di ottenere il miglior compromesso tra la mitigazione delle vibrazioni della struttura e prestazioni di energy harvesting. In particolare, si osserva una significativa riduzione dei picchi di risonanza nelle FRF della piastra, accompagnata da valori di spostamento dell’harvester, e pertanto di tensione elettrica a circuito aperto, ancora discreti. Il lavoro dimostra quindi il potenziale dei sistemi piezoelettrici applicati a tali strutture per ridurre le vibrazioni e produrre energia, seppur non sono da escludere alcune limitazioni degli stessi che derivano dalla natura a banda stretta del sistema e dalla sensibilità del processo di tuning del dispositivo.