L'uso dei damper per il miglioramento sismico di un edificio prefabbricato in c.a.

I dispositivi sismici viscosi, in particolare nel miglioramento di edifici esistenti, sono poco utilizzati ma consentono di raggiungere facilmente gli obiettivi di progettazione prefissati.
L’articolo tratta la problematica ingegneristica facendo riferimento a un caso reale di edificio prefabbricato in CA “migliorato” sismicamente con questa tecnica.
Vengono trattati nello specifico: il metodo di analisi time history, l’input sismico derivato da una selezione di accelerogrammi naturali e da risposta sismica locale, i risultati ottenuti, i vantaggi per la committenza.

Edificio prefabbricato a Novellara. Immagine da Google

Edificio prefabbricato in c.a.: l’impostazione del progetto di miglioramento sismico

L’edificio in oggetto, sito a Novellara (RE), presenta struttura prefabbricata in CA, tamponata con pannelli prefabbricati in calcestruzzo.  Attualmente esso ospita un’attività commerciale. La struttura è asimmetrica, quindi irregolare in pianta. Essa necessita di un intervento di miglioramento sismico per raggiungere almeno il 60% della resistenza sismica rispetto al nuovo. A tale scopo è possibile utilizzare il sismabonus. Il suolo è caratterizzato da sequenze di argille e limi. Tramite prove in situ è stato classificato di tipo “C”. 

Analisi della sicurezza sismica dell'edificio esistente

In base alla verifica sismica effettuata, il livello di sicurezza attuale si attesta al 25% dello spettro SLV, tenendo conto che i vincolamenti mutui degli elementi strutturali sono stati già realizzati a seguito del sisma dell’Emilia 2012. Il periodo fondamentale della struttura si attesta sui 0.8 secondi.

edificio-prefabbricato-esempi-fissaggi.JPG

Immagine di alcuni fissaggi eseguiti in Fase 1 (anno 2012)

Richiesta della commitenza: ridurre al minimo gli interventi interni all'edificio

La richiesta della committenza è stata quella di progettare e realizzare un intervento con il minimo possibile di interventi all’interno, in modo da non ostacolare l’attività commerciale, cioè non provocare costi indiretti per il fermo attività.

Le strade progettuali per il miglioramento sismico, previste anche in normativa, sono le seguenti:

  • il rinforzo strutturale, accompagnato da aumento della duttilità: strada percorribile, ma a prezzo di disagi per l’attività insediata, in quanto richiederebbe un massiccio intervento di rinforzo dei pilastri e delle fondazioni: la strada quindi non è percorribile. Oppure si potrebbe pensare di aggiungere strutture esterne di contrasto e rinforzo: strada percorribile;
  • l’inserimento di dispositivi di isolamento alla base: strada non percorribile nel caso in esame;
  • l’inserimento di dispositivi di dissipazione, tipicamente link dissipativi isteretici o viscosi (damper): strada percorribile.

Scelta progettuale: inserimento di dispositivi di dissipazione (Caso “c”)

Questa è la tecnica di intervento prescelta, che verrà trattata nel seguito. Si è previsto di applicare dispositivi viscosi, i quali presentano molti vantaggi, pratici ed economici.

modello FEM dell'edificio

Immagine del modello FEM 

Si richiede, come obiettivo progettuale, che la struttura resti sostanzialmente in campo elastico, quindi senza danni strutturali irreversibili, anche in caso di evento sismico con tempo di ritorno di 475 anni (SLV). 

I dispositivi sismici utilizzati: i damper

Nel caso in esame, come detto, sono stati scelti dispositivi a comportamento viscoso puro (la cui forza dipende solo dalla velocità relativa agli estremi) che dissipano completamente l’energia assorbita. I dispositivi sono trattati in normativa in un apposito capitolo, a cui si rimanda.

dispositivo-sismico-viscoso.JPG

Dissipatore viscoso durante le prove di accettazione (per gentile concessione di FIP MEC srl)

L’analisi strutturale con dispositivi viscosi

Una struttura con dispositivi viscosi (damper), com’è noto, non può essere affrontata con metodi semplificati (analisi modale, pushover, ecc). L’analisi sismica è affrontabile solo tramite integrazione al passo delle equazioni del moto.

Breve richiamo: l’equazione dinamica, nel caso a un solo grado di libertà (x), è la seguente: 

m (t) + C x ̇(t) + K x(t) = - m s(t), 

dove:
s (t) è sempre l’accelerazione impressa alla base;
x  è lo spostamento relativo rispetto alla base. 

Si è previsto di utilizzare i damper per tutta la dissipazione, per cui si richiede che la struttura esistente resti il più possibile in campo elastico. Quindi la matrice K resta costante. Non è stata inserita dissipazione aggiuntiva, a favore di sicurezza, anche se ciò sarebbe ammesso, e pure corretto. Questa scelta massimizza le azioni sui damper. 

schema del damperIl modello matematico del damper utilizzato è quello di Maxwell, ove la forza trasmessa dipende dalla velocità relativa fra gli estremi i e j. Si ha quindi:

  • C è la costante dello smorzatore;
  • K rappresenta la rigidezza elastica (normalmente molto alta) posta in serie.

Il comportamento dinamico dello smorzatore “reale” prescelto è del tipo:

F = C (x ̇)α

L’esponente α, stabilito in progetto pari 0,20, fa sì che si realizzi un ciclo di isteresi molto ampio e quasi rettangolare, con una “plasticizzazione” che si manifesta a velocità molto basse. 

modelli-di-damper.JPG 

Diagramma della funzione F = C (x ̇)α , con C costante e α variabile

Dove sono stati applicati i dispositivi sismici

Si è deciso di applicare i dispositivi interponendoli fra i nodi strutturali della copertura e nuove strutture esterne di contrasto, al fine di ridurre al minimo le lavorazioni sulla struttura esistente. Si sarebbe potuto, infatti, inserire i damper sul perimetro, riducendo i costi, ma sarebbe stato necessario rimuovere le vetrate e controventare la copertura dall’interno.

modello strutturale

Modello strutturale

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