Validazione numerica del test #TERREMOTOISAAC con Straus7

L’uso di Straus7 nell’elaborazione di modelli numerici rappresentativi della risposta dinamica del sistema di controllo attivo I-PRO 1, testato in una campagna sperimentale condotta presso il laboratorio EUCENTRE di Pavia (#TERREMOTOISAAC) su due edifici in scala reale, uno dei due dotato del sistema di protezione attiva I-Pro-1.


ISAAC antisismica, start-up italiana che si propone come player di riferimento nel mercato delle costruzioni per la fornitura di tecnologie smart per la protezione sismica, ha sviluppato il primo sistema di controllo attivo della risposta sismica distribuito sul mercato Europeo (I-Pro 1). Il sistema, un vero e proprio active mass damper, permette di migliorare significativamente il comportamento globale delle strutture soggette ad evento sismico andando a “smorzare” le oscillazioni indotte dal sisma e limitando i danneggiamenti a fronte di una riduzione di domanda di spostamento dell’interpiano dell’edificio.

Il sistema viene installato sull’ultimo impalcato con interventi non invasivi, salvaguardando il patrimonio architettonico del fabbricato, non limitando le libertà di intervento del progettista e soprattutto creando il minor disturbo possibile ai residenti.

Per verificare il funzionamento e l’efficacia di questa tecnologia innovativa, ISAAC ha deciso di testare tramite prova comparativa il sistema di controllo attivo I-Pro 1, confrontando il comportamento di due edifici in scala reale costruiti presso i laboratori EUCENTRE di Pavia e sottoponendoli ad evento sismico su tavola vibrante (la campagna denominata #TERREMOTOISAAC, 8-9-10 marzo 2021). In questo modo è stato possibile analizzare il miglioramento sismico apportato dal sistema di controllo attivo installato su uno dei due edifici. 

In questa memoria viene descritto il principio di funzionamento del sistema, la campagna sperimentale di test condotta e l’elaborazione di un modello numerico sviluppato in Staus7, rappresentativo della risposta dinamica misurata. In particolare, è dato spazio alle tecniche di modellazione ed alle metodologie di analisi strutturali impiegata, nonché all’esame critico dei risultati ottenuti.

 

Il principio di funzionamento di I-Pro 1

Il sistema I-Pro 1 è una macchina attiva ed intelligente per il controllo della risposta sismica di edifici esistenti costituito da quattro componenti base, opportunamente assemblati in un “sistema di controllo attivo della risposta sismica”, secondo norma ISO3010:2017 che ne permette l’applicazione a livello nazionale ed internazionale. Nel dettaglio, il sistema si compone dei seguenti componenti principali:

  • Macchine IP-D01: costituite dalle masse inerziali e le relative componentistiche elettro-idrauliche che vengono ancorate rigidamente all’edificio.
  • Sensori IP-S: sensori accelerometrici analogici per il monitoraggio dinamico del fabbricato in continuo e soprattutto durante l’evento sismico.
  • Computer centrale IP-UT: computer centrale Real-Time per l’acquisizione ed elaborazione dei dati con gli algoritmi di controllo ISAAC.
  • Batterie tampone IP-A: sistema di alimentazione con gruppo di continuità.

Lo scopo del sistema è quello di “contrastare”, grazie alla generazione di forze da parte di ogni macchina, il movimento dell’edificio riducendone le ampiezze di oscillazione e di conseguenza gli sforzi applicati sugli elementi strutturali. L’entità delle forze erogate è calcolata in tempo reale dagli algoritmi di controllo sulla base delle misurazioni accelerometriche dell’edificio stesso, tramite i sensori installati nei punti significativi del fabbricato. 

 

La campagna sperimentale ed i risultati ottenuti

Le prove di laboratorio hanno avuto come obiettivo quello di dimostrare, secondo lo Stato dell’Arte, il funzionamento del sistema di controllo attivo I-Pro 1 installato su edifici in scala reale. Per questo motivo sono stati realizzati, in scala reale, due edifici identici in calcestruzzo armato, aventi tre impalcati per un’altezza totale di 8.7 metri, tamponati in laterizio ed ancorati allo stesso basamento. 

Le dimensioni in pianta sono 5 metri di lunghezza, nella direzione principale di analisi, e di 2.1 metri di larghezza. 

I pilastri, in c.a., hanno sezione quadrata 20 cm x 20 cm ed un’altezza netta fra i solai di 2.50 m. Sono armati con 4 barre longitudinali φ16 mm negli spigoli (percentuale di armatura pari a circa 2%) ed una staffatura a singola staffa chiusa φ 8 mm ogni 100 mm. Alle estremità inferiori e superiori dei soli pilastri del piano terra le staffe sono state infittite (passo 50 mm) su una lunghezza di circa 400 mm. Le armature longitudinali dei pilastri sono unite per sovrapposizione in corrispondenza dell’estradosso dei solai.

I solai di piano, per i quali si è optato per una tipologia in c.a. pieno, hanno spessore 40 cm e sono armati con barre φ16 mm all’estradosso e all’intradosso, piegate su due lati alle estremità e disposte lungo le due direzioni ortogonali in piano. In corrispondenza dell’attacco dei pilastri, non sono presenti staffature o armature specifiche a taglio nello spessore del solaio. I materiali utilizzati sono calcestruzzo C30/37 e acciaio per armatura B450C.

Per poter simulare l’aumento di massa dovuto all’adozione del sistema di controllo I-Pro 1, che nei casi reali non supera l’1% della massa totale dell’edificio, lo spessore dell’ultimo solaio dell’edificio privo del sistema di controllo attivo è stato aumentato di 14 cm al fine di ottenere, sulla struttura equipaggiata del sistema di controllo (peso stimato di circa 35 kN), un aumento di massa paragonabile a quello ottenibile nelle normali applicazioni su edifici esistenti.

l basamento è stato ancorato alla tavola vibrante a un grado di libertà in modo da esercitare la stessa accelerazione al suolo su entrambi i provini. Gli edifici sono stati poi sottoposti a sismi di intensità crescente al fine di analizzare con metodo comparativo lo stato di danneggiamento graduale.

Edifici in scala reale realizzati presso i laboratori EUCENTRE di Pavia

Edifici in scala reale realizzati presso i laboratori EUCENTRE di Pavia

istema I-Pro 1 installato per le prove di laboratorio presso EUCENTRE

Sistema I-Pro 1 installato per le prove di laboratorio presso EUCENTRE

Il sisma di riferimento utilizzato è stato il terremoto dell’Irpinia, avvenuto il 23 Novembre 1980, che ha avuto magnitudo pari a 6.9 e con valore di PGA di 0.32g. I sismi utilizzati per le prove sono stati generati moltiplicando la storia temporale del sisma per un coefficiente di scalatura. Si è iniziato da un sisma con intensità pari al 10%, fino ad arrivare ad un sisma con un’intensità superiore al 100%.

I risultati delle prove in termini di danneggiamenti e di derive interpiano

Nelle figure che seguono vengono mostrati i risultati delle prove in termini di danneggiamenti e di derive interpiano. Si può notare che l’edificio sprovvisto del sistema di controllo ha riportato forti danneggiamenti agli elementi non strutturali e cedimento dei nodi pilastro-solaio al primo piano, mentre la struttura protetta da I-Pro 1 solo danneggiamenti lievi all’intonaco. Infatti, l’edificio protetto da I-Pro 1 ha subito uno spostamento di circa 4 volte inferiore a quello sperimentato dalla struttura non equipaggiata.

Confronto della deriva interpiano piano 1 tra edificio dotato del sistema di controllo ed edificio sprovvisto

Confronto della deriva interpiano piano 1 tra edificio dotato del sistema di controllo ed edificio sprovvisto

Danneggiamento globale della struttura priva del sistema di controllo I-Pro 1
(a) Danneggiamento globale della struttura priva del sistema di controllo I-Pro 1: danneggiamenti agli elementi strutturali e non strutturali; (b) Edificio protetto con I-Pro 1 

Il modello numerico in Straus7 del campione privo del sistema di controllo attivo I-PRO 1

Il modello numerico Staus7 è stato realizzato utilizzando tre tipologie di elementi:

  • elementi di tipo beam per schematizzare i pilastri;
  • elementi di tipo plate per schematizzare i solai;
  • elementi di tipo spring – damper per schematizzare il comportamento dei tamponamenti mediante “diagonali equivalenti”, secondo la teoria di Panagiotakos e Fardis.

Il modello numerico in Straus7 del campione privo del sistema di controllo attivo I-PRO 1 

MATERIALI: per la caratterizzazione delle proprietà meccaniche dei materiali ci si è basati sui dati forniti dai test effettuati presso il laboratorio EUCENTRE. 

Per il calcestruzzo sono stati estratti 2 campioni cubici per ognuno dei quattro getti realizzati (uno per la fondazione e tre per i solai), per un totale di 8 provini, su cui effettuare il test di compressione. Nella tabella seguente si mostrano le proprietà del calcestruzzo derivanti dai test di compressione; tali valori saranno inseriti nel modello St7.

 

Proprietà del calcestruzzo dedotte dai risultati dei test di compressione

Proprietà del calcestruzzo dedotte dai risultati dei test di compressione

Per le tamponature sono stati utilizzati mattoni forati 25 x 25 x 8 cm con percentuale di foratura del 65%; come materiale di fissaggio tra le facce orizzontali dei mattoni è stato utilizzato cemento calcareo Portland.

Si riportano di seguito le proprietà dedotte dai risultati ottenuti dai test di compressione (2 compressioni diagonali, 2 compressioni verticali con il carico perpendicolare alla direzione dei fori degli elementi e 1 compressione orizzontale con carico parallelo alla direzione dei fori degli elementi).

È importante notare che i risultati di queste prove sono molto variabili. Avendo effettuato, infatti, un numero limitato di prove, le proprietà stimate hanno un’affidabilità relativa.

 

Proprietà delle tamponature dedotte dai risultati dei test di compressione

Proprietà delle tamponature dedotte dai risultati dei test di compressione


PILASTRI: i pilastri, di sezione trasversale 20 cm x 20 cm, sono stati modellati come elementi di tipo beam, disposti su tre livelli con interpiani di riferimento pari a 2.70 m, 2.90 m e 2.97 m, valutati a partire dall’estradosso del basamento rigido di fondazione e considerando i piani medi degli orizzontamenti.

Per esaminare l’evoluzione del danneggiamento e della dissipazione di energia nel tempo a seguito dei terremoti, il comportamento dei pilastri è stato valutato in campo non lineare; ad ogni pilastro è stata assegnata una plasticità diffusa mediante la definizione di un comportamento elasto – plastico del materiale, associando alle sezioni dell’elemento un legame momento – curvatura con un modello isteretico alla Takeda.

Si tratta di una curva trilineare, passante per l’origine, in cui l’inclinazione dei due rami è compiutamente definita da tre punti corrispondenti al momento di prima fessurazione, al momento sostanzialmente elastico e al momento ultimo, con le rispettive curvature. 

Esempio del modello isteretico alla Takeda

Esempio del modello isteretico alla Takeda

...CONTINUA.

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