75 Sopra e a sinistra: prospettiva al filo di ferro e renderizzata modulo per dissipazione getti d’aria/acqua con particolare lamina piezometallica.
Notiamo un asta con sezione circolare rigida e una lamina di sezione rettangolare impedente la torsione dei film piezo :
( ⁄ ;
In particolare avremo una flessione retta per i film piezo ed una rotazione rigida per l’asta centrale la quale trasmettere la sollecitazione al sensore posto in prossimità della cerniera come nello schema architettonico in figura:
76
Sopra: prospetto pianta e prospetto frontale della lamina con fenditure lineari su piezo film polimerico e appoggio cedevole con lamine piezometalliche in PZT.
In caso di sollecitazioni torsionali su elementi di grande dimensione sono previsti un numero maggiori di ali longitudinali di irrigidimento come possiamo vedere negli schemi generali seguenti:
77 Sopra: soluzione render per sistema di filtro spinta masse fluide Energy Harvester.
78 Sopra: soluzione render per sistema di filtro spinta masse fluide multi layer Energy Harvester.
79 Sopra: schemi assonometrici e prospettici barriere frangi vento con sistemi Harvester attivi.
La resistenza del mezzo generata dalla spinta impulsiva del fluido con due film laterali di superficie S sarà pari a:
= P= =
sono evidenziati gli elementi attivi sia per il film piezo sia per l’ancoraggio cedevole con lamine piezometalliche od in alternativa con accoppiamento magnetico nel colore giallo. Le fenditure permettono per ogni riga/ colonna dell’Array una sollecitazione con flusso stazionario costante ammettendo l’ipotesi di collegamento parallelo per ogni stringa ed ottenendo un numero di stringhe pari al numero di righe .
80 verrà quindi utilizzato l’effetto congiunto della diffrazione e della resistenza del mezzo nelle condizioni di partenza seguenti:
- Grande sezione resistente al moto; - Numero elevato di fenditure;
la soluzione trovata avrà una funzionalità complessiva di filtraggio delle acque e dissipazione della spinta idrodinamica.
Concludiamo con un ultima soluzione applicativa per sistemi misti con accoppiamento magnetico e film piezo/piezo-cable/ancoraggi con lamine PZT. Vediamo una soluzione renderizzata di tale soluzione:
A sinistra: sezione prospettica diversivo con griglia piezo- induttiva.
A sinistra: pianta prospettica diversivo con griglia piezo- induttiva.
A sinistra: sezione prospettica diversivo con griglia piezo- induttiva.
81 Sopra: sezione prospettica diversivo con griglia piezo-induttiva a monte e a valle della griglia.
Il forte restringimento e la griglia offrono sia un filtraggio del materiale trasporto delle acque fluviali e nel contempo permettono la trasduzione dell’energia causato dal moto turbolento indotto durante l’afflusso nella griglia stessa. È infatti necessario creare le condizioni di moto turbolento e dunque di risalto idraulico per permettere il funzionamento ottimale della griglia con una variazione delle dimensioni geometriche del tratto immediatamente a monte del forte restringimento. Nei diversivi regimentati e dotati di sistemi Harvester di intercettazione dell’energia dissipata dobbiamo computare per fluidi reali la componente dissipata durante il tragitto ( cadente che sarà funzione della velocità = . Specificatamente sarà :
= ( ⁄ ) ; con : : cadente; raggio idraulico; area sezione; : velocità;
che con una formulazione con G-S sarà pure:
= ⁄ ⁄ ;
82 questa formulazione ci suggerisce che dovrà utilizzarsi una forte variazione di quota per ottenere la massima trasduzione energetica con una lunghezza di condotta minore. Sarà quindi utile una lunghezza dei diversivi ridotta con una struttura di bypass immettendo la portata sottratta dal deflusso principale a valle. Riportiamo alcuni render per installazioni portuali per il recupero dell’energia dissipata da banchine e approdi galleggianti:
Sopra: spaccato prospettico e sezione ambientale approdo portuale con sistema Energy Harvesting piezo induttivo.
83 Sopra: spaccato prospettico approdo portuale con sistema Energy Harvesting piezo induttivo.
Sopra e a sinistra: schema particolareggiato per approdo portuale con
sistema Energy Harvesting piezo
84 Infine riportiamo alcune soluzione architettoniche riguardanti sistemi per il recupero e dissipazione di energia derivante inquinamento acustico e spinta del vento per installazioni di padiglioni per fiere:
85 A sinistra : particolare render sistema ad assorbimento con piezo film.
A sinistra : particolare render sistema ad assorbimento con piezo film.
A sinistra : particolare architettonico generale render sistema ad assorbimento con piezo film.
86 Di seguito indichiamo lo schema strutturale tipico per un solaio appoggiato con vincoli cedevoli :
A sinistra: schema sintetizzato dettagliato per campata ponte ad arco autoportante ed arcata per filtraggio correnti d’aria ( vento, spinta fluidodinamica automezzi ).
le costanti delle molle cedevoli Ki
saranno determinate in modo tale da ottenere dei cedimenti controllati e ridotti per ampiezza massima in conformità con la normativa vigente. Riportiamo lo schema statico semplificato per il piano di posa nelle campate e nella struttura autoportante ad acro del modello di riferimento:
87 Sopra: schema sintetizzato campata ponte ad arco autoportante ed arcata per filtraggio correnti d’aria ( vento,
spinta fluidodinamica automezzi ).
Si veda un esempio del sistema suddetto nei render successivi:
88 Sopra: Vista prospettica ponte ad arco autoportante con particolare sugli stralli e sull’appoggio dell’arcata.
89 Sopra: Sezione trasversale ponta ad arco autoportante con arci pretesi con sistemi Energy Scavenging.
90 A destra e sopra: possiamo notare i tiranti con
lamine sui tiranti ancorati all’arcata del ponte costituenti una sezione filtrante la spinta del vento onde si voglia recuperare l’energia nelle tensioni meccaniche sui tiranti
stessi , mentre sopra possiamo notare i tiranti sugli appoggi ad arco lungo lo sviluppo della
campata sollecitati dinamicamente dal passaggio dei mezzi pesanti.
La somma delle sollecitazioni sul piano di posa sia sugli stralli dell’arcate consentono di ottenere una notevole quantità di energia rastrellata integrando la funzione architettonica a quella impiantistica. La mimesi delle componenti permettono di sfruttare la totalità delle parti meccaniche per il recupero energetico sia in caso di sollecitazioni date da azioni antropiche sia da eventi atmosferici. Concludiamo ricordando che le stesse lamelle possono costituire una superfice Harvester rivestita in film polimerici fotoelettrici.
Una soluzione strutturale simile è data di seguito con un modello variabile nei sistemi di dissipazione della spinta dei venti e dell’onda di pressione al passaggio dei mezzi:
Sopra: schema strutturale per ponte stradate con sistemi Energy Harvester agenti in funzione del lavoro di deformazione.
91 Sopra: render ponte stradate con sistemi Energy Harvester agenti in funzione del lavoro di deformazione: i
sistemi sono evidenziati in rosso.
A sinistra: particolare per sistema di protezione con piezo-cable per infrastrutture stradali.
92 A sinistra a sotto: Particolare sistema Energy Harvester per raffiche di vento e onde di pressione generate dal traffico.
A sinistra: Scorci
prospettici di
installazioni di sistema Energy Harvester per raffiche di vento e onde di pressione generate dal traffico.
93 Lo schema generale per le mensole dei marciapiedi sarà invece il seguente:
Con :
l: luce mensola per momento flettente ribaltante; l’: luce mensola per momento stabilizzante; p1: pressione del mezzo di passaggio;
p2: pressione del vento ;
F: forza esercitata dal pedone passante; : deformazione ammissibile della mensola;
i vincoli saranno considerati bilaterali per le molle cedevoli e la deformazione ammissibile come somma della deformata data dal carico concentrato e le rotazione rigida della trave tozza sulla cerniera cilindrica.
La griglia piezo induttiva reagente alla pressione del vento e dell’onda di pressione dei mezzi è schematizzata come in figura come un cavo preteso su due cerniere in verticale.
94 Un ulteriore esempio applicato ad un ponte strallato può essere visionato come schema strutturale e nei particolari seguenti:
Sopra: schema strutturale per ponte stradate con sistemi Energy Harvester agenti in funzione del lavoro di deformazione.
95 Vista la rappresentazione tridimensionale del modulo di campata evidenziati in rosso le componenti attive dei dispositivi atti al recupero di energia:
A sinistra: Particolare sistema Energy Harvester per raffiche di vento e onde di pressione generate dal traffico.
A sinistra e sotto: Vista laterale con particolare sistema Energy Harvester per raffiche di vento e onde di pressione generate dal traffico .
96 Sopra: scorcio prospettico ponte stradale con strallo con sistema Energy Harvester per raffiche di vento e onde di pressione generate dal traffico.
Sopra: scorcio prospettico ponte stradale con strallo con sistema Energy Harvester per raffiche di vento e onde di pressione generate dal traffico.
97 Nel seguente esempio sonderemo l’installazione di una griglia piezo-induttiva su un ponte stradale ad arco con telaio tralicciato col seguente schema strutturale:
Sopra e a destra: schema strutturale e render spaccato campata ponte stradale con sistema Harvester piezo-induttivo.
A sinistra: particolare strutturale con sistema
Energy Harvester su campata per ponte
98 Sopra: particolare strutturale con sistema Energy Harvester su campata per ponte stradale.
99 Per quanto riguarda la dissipazione delle sollecitazioni connesse a piccoli spostamenti laterali o verticali ( combinazione di carico con sisma o con vento forte in direzione normale alle facce del modello strutturale ) sono possibili applicazioni con sistemi dissipativi meccanici, utilizzando delle lamine su distribuzione sferica di cui riporteremo un esempio che nell’applicazione seguente verranno usati per dei sistemi spingenti ( arco con catena ) in un ponte pedonale per il quale avremo lo schema seguente:
Sopra: schema strutturale trasversale di campata con render.
100 Sopra: vista ponte pedonale con campata modulare di sezione circolare .
Sopra: vista ponte pedonale con campata modulare di sezione circolare.
Sopra: vista particolare con sistema Energy Harvester per telaio metallico/ ligneo ponte pedonale con campata modulare di sezione circolare.
Il modello è concepito con aste semicircolari costituenti due molle incrociate con una elasticità equivalente e capacità deformativa atta all’assorbimento delle azioni meccaniche date da:
- Vento; - Sisma:
Lo schema generale del sistema infrastrutturale è riportato di seguito con un evidenza i sistemi di dissipazione energetica:
101 Sopra: schema strutturale in prospetto pianta e con in evidenza le aste costituenti le molle equivalente. Infine riportiamo lo schema statico tipico per il camminamento(16):
102 sono segnati come molle cedevoli i dispositivi con ancoraggio Harvester mentre il pick-up sarà disposto nella mezzeria dove l’oscillazione sarà massima.
Nel seguente esempio sono schematizzati i sistemi con ancoraggi per travi in ponti pedonali su moduli rettangolari come in figura:
Sopra: sezioni trasversali e longitudinali modulo ponte pedonale.
Sopra: sezioni trasversali e longitudinali modulo ponte pedonale renderizzati.
103 Sopra: scorcio prospettico ponte pedonale.
In questo esempio vediamo una struttura in legno lamellare con sistema Harvester con balestre montate sulla travatura principale.
A sinistra: schema strutturale ponte con sistema Energy Harvester.
104 Sopra: viste prospettiche preliminari.
Sopra: particolare campata.
L’ultimo esempio visianato viene basato sull’uso di sistemi strutturali strallati installati su ponti ad arco portante. Lo schema strutturale è il seguente:
105 Sopra: schema strutturale campata ponte con strallo e sistema Harvester installati.
106 Sopra: schema strutturale campata ponte con strallo e sistema Harvester installati.
107 Sopra: scorcio prospettico campata ponte con strallo e sistema Harvester installati.
Sopra: scorcio prospettico campata ponte con strallo e sistema Harvester installati.
Nel seguente esempio andremo a visionare una struttura Harvester basata sul principio della concatenazione degli effetti foto-piezo-induttivi. Sono riportati lo schema strutturale della campata con in evidenza in rosso le componenti attive del sistema:
108 Sopra: schema strutturale di campata e render preliminare .
109 Sopra: scorcio prospettico carreggiata .
110 Ultimo esempio relativo al recupero dell’energia generato dall’impatto del vento e dell’onda di pressione del passaggio di mezzi pesanti su ponti strallati sarà schematizzato come segue:
Sopra: schema strutturale su ponte strallato con sistema Harvester integrato sui tiranti pretesi ( evidenziato in
rosso).
111 Sopra: scorcio prospettico con pale di sezione rettangolare sui tiranti.
112 L’uso degli appoggi su cerniere cilindriche od al più sferiche è adatto alla progettazione dei collegamenti strutturali per grandi infrastrutture in cui siano presenti dissipatori meccanici o viscosi per infrastrutture strategiche o particolarmente soggette alle sollecitazioni meccaniche ad alta e altissima frequenza. Vediamo adesso come possono essere integrate nei dispositivi suddetti con una serie di render (Cerniera sferica cedevole):
Sopra: dissipatori sismici meccanici con lamine piezometalliche su sviluppo troncoconico in sezione e prospetto(evidenziate in rosso ).
113 Infine riportiamo il modello applicabile nei tiranti per controventi in strutture metalliche tralicciate nei render sottostanti:
114 Possiamo così concludere la trattazione definendo i vari tipi di vincolo strutturale esaminati:
- Carrello cedevole;
- Cerniere cilindrica cedevole; - Cerniera sferica cedevole;
questi vincoli garantendo la rotazione nelle condizioni di carico suddette ( carico assiale e raggio di curvatura costante in funzione del tempo ) cosicché si possa estrarre il massimo della potenza ed avere un trasferimento di energia massimizzato.
Evidenziamo adesso le caratteristiche distintive dei vari sistemi capacitivi: - Carrello cedevole con Cpi= K
∀
lamina;- Cerniere cilindrica cedevole con Cpi= K
∀
lamina;- Cerniere sferica cedevole con Cpi= f(r)
∀
lamina;per ottenere prestazioni superiori infine possiamo integrare l’azione dei dispositivi Piezoelettrici con sistemi ad accoppiamento induttivo e sistemi fotoelettrici, facendo si che l’azione dei singoli inneschi per un effetto concatenato degli altri dispositivi.
115 Il sistema per l’intercettazione e la dissipazione dell’onda di pressione generate dal vento ( spinta trasversale rispetto alla direzione di marcia ) e dalla massa d’aria spostata dagli stessi mezzi in movimento verrà considerato per ipotesi fisiche analogo ad corpo nero, ossia un oggetto in grado di assorbire la potenza irraggiata e tradurla in un'altra forma di energia.
Nello schema viene messo in evidenza la disposizione delle sezioni resistenti alle sollecitazioni date dalle masse d’aria/acqua e dall’irraggiamento:
Sono riportati di seguito i dettagli per le possibili soluzioni tecniche in funzione delle geometrie adottate e le sollecitazioni conseguenti:
A destra: schemi statici di carico per una lamella singola soggetta a pressioni distribuite durante un impulso per varie soluzioni geometriche.
116 A destra: schemi geometrici per una lamella singola
soggetta a pressioni distribuite durante un impulso con varie soluzioni angolari e distribuzione delle masse.
Infine mostriamo un applicazione pratica del dispositivo in un ponte stradale:
117 Sopra: render sezione di marcia ponte ad arco con sistema Harvester con arpe regolabili.
Sopra: rendere vista aerea sezione di marcia ponte ad arco con sistema Harvester con arpe regolabili su griglie piezoelettriche e supporti Fotoelettrici ( film polimerici Konarka ).
118 A sinistra: un particolare costruttivo di un dispositivo integrato con funzioni Harvester seguenti:
- Induttivo; - Capacitivo; - Fotoelettrico; - Piroelettrico;
il dispositivo reagirà alle sollecitazioni sui tiranti con: - Deformazione flessionale delle lamine piezo; - Deformando assialmente il Piezo cable;
- Azionando i pick-up tramite le oscillazioni dei tiranti;
- Recupero energia nel caso di irraggiamento nei film polimerici fotoelettrici;
- Recupero energia nel caso di carico dinamico generato dalla massa d’aria spostata dai mezzi in movimento o dal vento;
- Recupero energia tramite gli urti della pioggia ;
questo dispositivo potrà essere applicato come già visto negli stralli per ponti stradali all’interno dei parapetti o degli stralli come visto negli esempi precedenti.
Il sistema nella seguente applicazione viene utilizzato sfruttando l’instabilità di un palo incernierato al quale viene installata in alternativa:
- Una pala eolica ad asse orizzontale; - Una bandiera;
- Cablaggio per reti elettriche aeree;
- Sistemi per facciate strutturali con pannelli;
- Quinte per strutture in piazze e teatri strutture per concerti - Sistemi fonoassorbenti per infrastrutture viarie;
119 il palo schematizzato come una trave tozza, viene
ruotato come si nota nello schema installato su una cerniera elastica. La rotazione quindi sarà in base alla luce ridotta consente di ipotizzare la rotazione rigida del palo alla base.
L’asta incastrata alla sulla testata del palo rigido sarà invece ipotizzata elastica e capace di oscillare con frequenze di risonanza per generare sollecitazioni sinusoidali .
l’oscillazione dell’asta rigida trasmette la sollecitazione meccanica all’elemento rigido il quale tenderà i cavi pretesi del sistema Harvester trasducendo l’energia meccanica in energia elettrica .
possiamo vedere di seguito alcune soluzioni render con tali sistemi applicati:
A sinistra e sotto: particolari render del sistema di ancoraggio per palo di sostegno.
120 Sopra: prospettiva a volo di uccello e prospetto palo con ancoraggi a 120° .
121 Sopra: particolare ancoraggio con martinetto idraulico ( sezione-prospetto).
Vediamo uno schema generale alternativo per un asta snella su un puntone tozzo:
con :
p: carico distribuito; l: luce instabilizzata; l’: braccio rigido; : attacco asta flessibile;
122 Infine riportiamo una soluzione di facciata per edifici con sviluppo in elevazione:
A sinistra: Schema strutturale per elementi modulari di facciata per quinte con sezione resistente alle raffiche di vento ( elementi in rosso
evidenziano i vincoli cedevoli ).
A sinistra : assonometria particolare costruttivo ( evidenziato in verde sistema Harvester).
A sinistra : assonometria particolare costruttivo ( evidenziato in verde sistema Harvester).
123 A sinistra : assonometria particolare costruttivo ( evidenziato in verde sistema Harvester).
Vediamo una proposta di disposizione di facciata schematizzata e in render:
124 Sopra: rendere per soluzioni di facciata su edifici con sviluppo in elevazione.
Le applicazioni qui riportate e trattate nei capitoli seguenti mostrano l’ampio spettro applicativo del principio fisico e dei dispositivi qui proposti, nella caratterizzazione fisico-geometrica.
125
Conclusioni.
I problemi riscontrati nelle misure di frequenza di risonanza interna del sistema sono stati di natura duplice: - Frequenza di risonanza modale della fondamentale varie e necessitanti strumentazione di alta precisione; - Impedenze interne variabili e non computate perfettamente, considerando l’imperfezione del modello
analitico non del tutto coerente col sistema reale;
- Azioni meccaniche altamente variabili nel tempo con forme d’onda suscettibili di sviluppo di Hilbert molto differenti;
- Deformazioni meccaniche legate ai cinematismi che deformano le condizioni al contorno con sollecitazioni parassite non congruenti al modello statico ed analitico;
le soluzioni trovate sono relative a:
- Redistribuzione delle masse in funzione dei collegamenti di cablaggio del sistema Harvester ; - Riprogettazione delle lamine nelle forme ideali;
- Riduzione del cablaggio con integrazione dello stesso nei parametri di vincolo meccanico;
- Implementazione di lamine di PZT con copertura completa della lamina sulla luce libera di flessione; - Collegamento elettrico in serie-parallelo-parallelo (SPP)[ opzione 1 ];
- Collegamento elettrico in parallelo-parallelo-parallelo [opzione 2];
- Implementazione di un circuito step-up step-down per con bias-flip per incrementare il rendimento nella funzione di trasferimento;
i risultati attesi sono:
- forte incremento della potenza trasferita;
- Semplificazione del modello circuitale della cella;
- Aumento della densità di distribuzione delle ceramiche nelle lamine; - Ridistribuzione simmetrica delle deformazioni meccaniche;
126 - Compattezza del prototipo complessiva massimizzata;
i risultati riscontrati sono stati in generale concordi con le ipotesi date con una proporzionalità sostanziale nell’implementazioni di un numero finito di lamine sino ad un massimo di 10. È auspicabile l’aumento del numero di lamine sino ad un massimo stimabile in 15 unità con una potenza pari a circa 26,6 W (70 per le lamine e 68 per le ceramiche su due layer) contro 0,51244 W di picco misurati nei test di carico impulsivo in laboratorio ( 50 per la lamina metallica 22 per le ceramiche single layer).
Concludiamo positivamente l’esame dei sistemi di Energy Harvesting sia da studio di modelli precedentemente testati sia per la modellazione e progettazione compatibile con gli standard di ergonomica, economia e fattibilità tecnico e compatibilità in svariate applicazioni per la ristrutturazione energetica globale delle infrastrutture soggette a sollecitazioni meccaniche con carichi dinamici quali ponti, stralli, banchine, pontili, pavimentazioni, manti stradali, macchine industriali, pneumatici, ammortizzatori, tensostrutture, vele, facciate ventilate, opere idrauliche. Si è così dimostrata l’ipotesi di sviluppo per sistemi polifunzionali con caratteristiche piezo in