La Progettazione sismica di una struttura può essere sviluppata con diverse filosofie, o strategie. La prima, che è quella “classica”, è rappresentata dalla cosiddetta gerarchia delle resistenze. La seconda è quella che, in generale, sfrutta l’inserimento nella struttura di dispositivi sismici.

La gerarchia delle resistenze

Si tratta di una strategia di progettazione ben nota, che sfrutta la duttilità disponibile nella struttura per consentirle di superare l’evento sismico senza crolli. Una struttura dotata di duttilità sufficiente viene anche detta dissipativa e il suo comportamento globale viene detto duttile.

La duttilità disponibile, che deve essere massimizzata il più possibile, è fissata dal progettista, tramite specifiche scelte progettuali e tramite la definizione di appropriati dettagli costruttivi. Facendo l’esempio di un telaio (in CA o acciaio), solitamente tale strategia richiede:

• edifici regolari, al fine di impegnare tutte le strutture dissipative presenti
• l’impegno plastico di tutte le travi del telaio e, solo in un secondo momento, l’impegno dei pilastri (pilastro forte-trave debole)
• la sovra-resistenza dei nodi rispetto alle aste concorrenti
• la sovra-resistenza delle fondazioni

La duttilità strutturale, come concetto, non coincide con la duttilità del materiale; Ad esempio parlando di acciaio, che è un materiale certamente duttile, vi possono essere casi di strutture dal comportamento complessivo non duttile (vedere figura seguente).

Tratto da: Atti del Corso di Ingegneria sismica – Bologna 1984

Le strutture duttili consentono un dimensionamento delle membrature basato su azioni sismiche ridotte, a fronte però di un impegno plastico delle sezioni, e quindi di un danneggiamento notevole durante l’evento sismico. Al contrario le strutture non duttili, ovviamente, non seguono la gerarchia delle resistenze e richiedono un dimensionamento basato su azioni sismiche massime.

Le strutture in gerarchia delle resistenze, quindi a comportamento duttile, vengono usualmente progettate con un metodo semplificato, chiamato metodo del fattore di struttura, il quale forfetizza la duttilità strutturale in un unico parametro “q”. Con questo metodo l’azione sismica viene modellata tramite Spettri in accelerazione a smorzamento convenzionale del 5%.

La azione sismica di progetto (SLV-SLC) viene desunta dallo spettro elastico suddetto, in cui ogni ordinata viene divisa per q. L’analisi è elastica, tramite analisi modale. La verifica delle sezioni è ricondotta a una verifica statica SLU basata sulle azioni sismiche massime (ma con spettro ridotto), cosa che rende concettualmente poco chiaro il procedimento complessivo, pur risultando tale metodo, alla prova dei fatti, a favore di sicurezza.

I dispositivi sismici

Una strategia di progettazione completamente diversa e alternativa è quella che utilizza i cosiddetti dispositivi sismici.  I più frequenti sono:

• il dispositivo Isolatore
• il dispositivo Dissipatore isteretico
• il dispositivo Dissipatore viscoso

Un opportuno inserimento di dispositivi nella maglia strutturale è finalizzato a salvaguardare la struttura portante durante l’evento sismico. Con i dispositivi, quindi, la struttura in elevazione viene progettata per mantenersi in campo elastico al fine di non subire danni, e viene dimensionata per azioni sismiche orizzontali estremamente basse.

Il funzionamento dei vari dispositivi sismici

• Dispositivo isolatore.

Si tratta di un’apparecchiatura  che viene interposta (solitamente) fra la fondazione e la struttura in elevazione, creando un disaccoppiamento fra il moto del terreno e il moto della struttura in elevazione.

L’isolatore presenta elevata rigidezza ai carichi verticali e modesta rigidezza alle azioni orizzontali, oltre a una certa capacità dissipativa.

I due tipi fondamentali di isolatori sono:

• l’isolatore elastomerico
• l’isolatore a pendolo o doppio pendolo

Nell’immagine: isolatore elastomerico FIP

Questi dispositivi risultano utilizzabili anche in edifici esistenti, principalmente nelle strutture intelaiate o in muratura portante. Risultano invece difficilmente applicabili nelle strutture prefabbricate in CA.

• Dispositivo Dissipatore isteretico

Il dissipatore, in generale (a differenza dell’isolatore), viene inserito nella maglia strutturale in punti specifici allo scopo di aumentare la dissipazione di energia e limitare, quindi, le azioni sismiche massime sulla struttura. Fra i vari tipi di dissipatori quello isteretico, che presenta anche una rigidezza elastica, può essere utilizzato sia per aumentare la soglia di plasticizzazione della struttura che per correggere il comportamento non ottimale di una struttura non regolare.

Il dissipatore isteretico utilizza materiali dal comportamento duttile che possono eseguire molti cicli stabili di carico e scarico. Si tratta quindi di una dissipazione per isteresi per cui, al termine dell’evento sismico, le parti soggette a isteresi dovranno essere sostituite.

Vi sono vari tipi di dissipatore isteretico, quello che varia è la rigidezza e l’entità delle deformazioni massime. Ad esempio: un dissipatore isteretico a falce di luna  viene progettato per avere un certo diagramma forza-spostamento, quindi stabilendo una certa rigidezza elastica, una certa escursione in termini di spostamenti, e quindi una certa capacità dissipativa.

Nell’immagine: modello FEM di elemento dissipativo metallico a falce di luna

Nell’immagine: ciclo di isteresi di un dispositivo soggetto a carichi ciclici

• Dispositivo Dissipatore viscoso.

Il dissipatore viscoso, a contrario dell’isteretico, non è dotato di rigidezza elastica; pertanto viene inserito nella maglia strutturale al solo scopo di aumentare la dissipazione e quindi lo smorzamento strutturale.

Immagine di dissipatore viscoso prodotto da FIP durante la prova di accettazione e collaudo

Il dissipatore viscoso ha svariati utilizzi e non necessita di essere sostituito a fine evento. Inoltre risulta estremamente efficace nei confronti di tutte le azioni dinamiche, quindi anche per vento, vibrazioni, ecc.

I dissipatori, sia isteretici che viscosi, risultano utilizzabili anche in edifici esistenti, principalmente sulle strutture intelaiate, su quelle in muratura portante e anche sulle strutture prefabbricate in CA.

Dispositivi passivi TMD e dispositivi attivi AMD

Si tratta di un caso particolare di dissipatori. Il TMD è un dispositivo a massa accordata (tuned mass damper). Esso presenta una massa oscillante che agisce in contro fase con i principali modi di vibrare della struttura, creando di fatto uno smorzamento aggiuntivo. La massa, essendo oscillante, deve avere spazio sufficiente per agire. Sono dispositivi utilizzati soprattutto su strutture molto snelle caratterizzate da un modo di vibrare dominante e sensibili all’azione del vento (edifici alti, ciminiere).

Un interessante sviluppo recente di questa tecnica è il dispositivo attivo AMD (active mass damper). Si tratta di un sistema estremamente sofisticato, alimentato elettricamente, in cui la massa agente in contro fase viene azionata da un attuatore comandato da una centralina. Di fatto anche questa massa, lavorando sui vari modi di vibrare, fornisce un efficace smorzamento strutturale. Questo sistema, avendo un ingombro modesto,  ha il pregio di poter essere installato in modo semplice anche su edifici esistenti quando è disponibile un sottotetto o una copertura piana, e non richiede interventi sulle strutture esistenti (quindi non si interrompe la fruizione dell’edificio durante i lavori di adeguamento/miglioramento sismico). Da notare che risulta efficace anche sui campanili storici in muratura, là dove gli interventi tradizionali risulterebbero impossibili.

Dispositivo AMD di produzione ISAAC Antisismica installato su copertura piana

Come si progettano i dispositivi?

Si utilizza usualmente l’analisi time history, la quale a sua volta utilizza (solitamente) accelerogrammi, cioè segnali a(t) che rappresentano l’accelerazione impressa al suolo in funzione del tempo. Con questo tipo di analisi lo smorzamento viene modellato direttamente, nel senso che:

• Utilizzando smorzatori isteretici il software implementa elementi finiti meccanicamente non lineari che modellano un comportamento elasto-plastico e quindi dissipativo;
• Utilizzando smorzatori viscosi il software implementa direttamente elementi finiti “damper” dissipativi;

Grande attenzione deve essere posta sui segnali sismici prescelti nel progetto, al fine di rispettare sia la pericolosità del sito e anche garantire l’integrità dei dispositivi durante il funzionamento. Quest’ultimo aspetto, più del primo, risulta determinante in quanto un errato segnale di input nell’analisi può portare a sotto-stimare gli spostamenti di progetto dei dispositivi, e quindi pregiudicare la loro integrità durante l’evento sismico.

 È bene notare che una struttura dotata di dispositivi funziona benissimo solo se correttamente progettata, in quanto l’unica riserva di resistenza sta nell’escursione dei dispositivi stessi. Al contrario una struttura tradizionale, se ben progettata in gerarchia delle resistenze, non avrà alcun problema rispetto a una modifica del segnale di input.

Per quanto riguarda le sole strutture su isolatori, e solo nei casi più semplici, è possibile adottare metodi semplificati, pseudo-statici, che utilizzano spettri di risposta.

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