La progettazione strutturale in ambito dinamico rappresenta una delle tematiche più importanti e recenti dell’ingegneria civile. In particolare negli ultimi decenni l’ingegneria sismica e l’ingegneria del vento hanno spinto allo studio di nuove e migliori strategie di protezione di edifici e infrastrutture, adottando approcci progettuali che superano il concetto di aumento delle resistenze meccaniche.
Gli ultimi sviluppi hanno introdotto metodologie sempre più sofisticate, che non solo mirano a mantenere salvaguardare la vita degli occupanti, ma anche a limitare i danni alle strutture o, addirittura, garantire la funzionalità post-evento. In tutti questi sistemi gioca un ruolo centrale lo “smorzamento strutturale”.
Approcci Progettuali alla Dinamica Strutturale
II metodi progettuali dell’ingegneria, in campo dinamico, di cui disponiamo sono:
- metodi basati sul puro rinforzo delle strutture: prevedono solo l’incremento delle resistenze per resistere alle azioni esterne
- metodi basati sull’ isolamento sismico: creano il disaccoppiamento del moto fra la struttura e la fondazione
- metodi basati sulla dissipazione dell’energia sfruttando:
a. la duttilità strutturale
b. l’utilizzo di dispositivi - Metodi che prevedono una combinazione dei suddetti
Il ruolo dello smorzamento
Lo smorzamento strutturale è dovuto alla dissipazione di energia. Nella dinamica delle strutture esso è benefico, ed è fondamentale per il raggiungimento del target di progetto.
[Accelerazioni in una struttura] : confronto fra comportamento elastico e dissipativo
Lo smorzamento è indispensabile per:
- Ridurre l’entità degli spostamenti quindi limitare gli sforzi (target di progetto)
- Arrestare il moto al termine dell’azione esterna .
In moltissimi problemi dinamici noi utilizziamo sistemi meccanici smorzati: dalle sospensioni dei veicoli, agli smorzatori sulle ante di un mobiletto della cucina, fino ai sistemi strutturali più complessi.
I vari tipi di smorzamento strutturale
Vi sono molti tipi di smorzamento strutturale ma la distinzione è convenzionale in quanto essi non sono sempre chiaramente distinguibili.
In pratica non esiste un unico modello universale di dissipazione (e di smorzamento), in quanto alcuni tipi sono indipendenti spostamenti, altri dipendono dagli spostamenti, e altri ancora dalla velocità. Per ogni tipologia strutturale occorre adottare un modello diverso di dissipazione, il più possibile aderente alla realtà.
Convenzionalmente possiamo distinguerli come segue:
- Smorzamento interno ed esterno della struttura dovuto agli «attriti»:
a. Intrinseco, dovuto agli attriti interni (sempre presente);
b. per isteresi dei materiali (quando si supera il limite elastico);
c. In fondazione (parte dell’energia sismica che impatta viene dissipata nel suolo);
d. Aerodinamico (parte dell’energia viene dissipata nell’attrito con l’aria);
- Smorzamento aggiuntivo immesso tramite dispositivi: dissipatori isteretici, viscosi, TMD, AMD
I campi di interesse dello smorzamento sono diversi, tra questi notiamo:
- le azioni sismiche, ovvero quando l’azione proviene dal suolo per cui nello smorzamento interviene anche la fondazione;
- le azioni del vento, dove lo smorzamento in fondazione è minimo e si aggiungono interazioni aeroelastiche complesse;
- problemi di vibrazione;
- problemi di urti.
In generale sappiamo dalla dinamica delle strutture che, se lo smorzamento effettivo di una struttura è inferiore al valore critico (ζ < 1), il moto si arresta lentamente, mantenendo un moto periodico con decadimento esponenziale. Da notare che, nell’ingegneria strutturale, gli smorzamenti effettivi sono sempre inferiori al ‘critico’.
[Tratto da: Atti del Corso di Ingegneria sismica –Bologna 1984]
A. Smorzamento per attriti / isteresi dei materiali
Può essere sufficiente per bassi livelli dell’azione sollecitante. Per strutture che restano in campo elastico possiamo considerare:
- 5% per telai in cemento armato;
- 0.5–2% per strutture in acciaio;
- Valori inferiori per ponti o edifici alti.
Ad esempio, lo Spettro elastico in accelerazione della NTC adotta un indice di smorzamento convenzionale al 5%, in quanto per la progettazione per bassi livelli di azione (sisma, vento), ci basta lo smorzamento interno della struttura.
E’ possibile adottare modelli di smorzamento intrinseco più sofisticati, ma solo utilizzando l’analisi dinamica non lineare (time history). Il più utilizzato è il modello di Rayleigh, secondo il quale la matrice di smorzamento “C” viene costruita come segue:
[C] = a [M] + b [K]
In base a questo modello, lo smorzamento strutturale [C] è dato dalla combinazione lineare di:
- Un contributo legato alla matrice di massa tramite il coefficiente a, che modella le azioni viscose; ad esempio il vento.
- Un contributo legato alla matrice di rigidezza tramite il coefficiente b, che modella gli attriti dovuti alla deformazione della struttura; ad esempio gli attriti interni.
B. Smorzamento aggiuntivo: quando occorre un apporto di dissipazione aggiuntiva
Per ALTI livelli di azione (sisma, vento) non ci basta lo smorzamento interno intrinseco perché abbiamo necessità di limitare gli spostamenti e sollecitazioni interne alla struttura.
Abbiamo più possibilità:
- Strutture progettate in «Gerarchia delle resistenze», e quindi «duttili»: sfruttiamo la dissipazione (quindi lo smorzamento) generata dalla isteresi dei materiali costituenti la struttura portante;
- In altri casi utilizziamo i dispositivi sismici smorzanti, cioè aggiungiamo smorzamento senza impegnare la struttura portante;
- Soluzione ulteriore: adottare dispositivi di isolamento alla base, in modo da limitare l’energia sismica in ingresso; il sistema però è sempre associato a un certo livello di smorzamento aggiuntivo.
Ne consegue che le soluzioni non sono sempre univoche e che per ogni situazione si deve trovare il sistema di smorzamento più adatto.
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