La protezione sismica attiva: prove sperimentali, simulazioni numeriche e strumenti per la progettazione

ISAAC antisismica è una start-up italiana che propone al mercato delle costruzioni tecnologie smart per la protezione sismica e monitoraggio di edifici e infrastrutture. Essa ha sviluppato I-Pro 1, il primo sistema di controllo attivo della risposta sismica distribuito sul mercato Europeo che permette di migliorare significativamente il comportamento globale delle strutture soggette ad evento sismico. Il sistema viene installato sull’ultimo impalcato dell’edificio con interventi non invasivi, permettendo quindi di mantenere il patrimonio architettonico dell’edificio e soprattutto creando il minor disturbo possibile ai residenti del fabbricato oggetto di intervento.

Per verificare l’efficacia di questa tecnologia, ISAAC ha testato 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).

In questa memoria viene descritto il principio di funzionamento del dispositivo, la campagna sperimentale condotta e l’elaborazione dei modelli numerici rappresentativi della risposta dinamica misurata mediante l’utilizzo del software FEM Midas Gen. Infine, viene presentato lo strumento software sviluppato da ISAAC, che si configura come plug-in del software SAP2000, finalizzato alla progettazione sismica di strutture dotate di sistemi di controllo attivo come I-Pro 1.


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L'ingegneria sismica sta avendo un'evoluzione senza precedenti - in Italia e nel mondo - e questo comporta l'esigenza di un aggiornamento tecnico per i professionisti sempre più frequente, specialistico, affidabile. Per questo motivo EUCENTRE ed INGENIO hanno sviluppato una partnership che ha come obiettivo quello di ampliare la diffusione di approfondimenti dedicati alla Sismica. Su INGENIO sono quindi pubblicati i singoli Quaderni Tecnici dell'importante rivista "PROGETTAZIONE SISMICA" realizzata da EUCENTRE.

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Un innovativo sistema di protezione sismica attiva: ecco che cosa è I-Pro 1 

I sistemi di controllo attivo della risposta sismica permettono di migliorare le performance dinamiche della costruzione e, contemporaneamente, monitorare la struttura h24. L’utilizzo di questi sistemi è già contemplato da normative internazionali, come la ISO 3010:2017, e indicato tra le tecnologie adottabili per il miglioramento della risposta sismica degli edifici di nuova costruzione o esistenti. 

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. 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 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’e- dificio 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 (Figura 1).

Il sistema raggiunge la più alta efficienza quando le macchine sono collocate sulla copertura dell’edificio da proteggere, in modo da massimizzare la leva della forza erogata rispetto al suolo o, più in generale, contrastando il primo modo naturale della struttura. Compatibilmente con i requisiti architettonici e costruttivi del fabbricato, è altresì possibile prevedere installazioni anche ai livelli inferiori; per esempio, nei casi in cui la copertura fosse a falde inclinate, si ottiene comunque un’ottima effi- cienza connettendo i dispositivi a livello del solaio di sottotetto.

Gli edifici target del sistema sono quelli a struttura portante in cemento armato od acciaio, aventi un numero di piani approssimativamente compreso tra 3 e 15. Il progetto della soluzione proposta si basa sull’esecuzione delle analisi strutturali dinamiche, identificando il numero di macchine IP-D01, e la relativa posizione in pianta, tali da determinare per l’edificio le performance obiettivo per ciascuno stato limite.

A conclusione della memoria sono presentati gli strumenti di progettazione sviluppati ad hoc da ISAAC e le possibili metodologie adottabili attraverso il software FEM Midas Gen.

 

Esempio schematico di installazione del sistema I-Pro 1 su edificio a tetto piano.

Figura 1 Esempio schematico di installazione del sistema I-Pro 1 su edificio a tetto piano.

 

Descrizione della campagna sperimentale #TERREMOTOISAAC

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, nei giorni 8/9/10 marzo 2021 nel laboratorio Shake-LAB di Eucentre, sono stati realizzati due edifici identici in scala reale in calcestruzzo armato con tamponature in mattoni forati in laterizio, di cui uno dotato del sistema di protezione. Entrambi poi sono stati sottoposti a sismi di intensità crescente attraverso tavola vibrante. Il confronto tra la distribuzione di danneggiamento e della domanda di spostamento nei due casi ha portato all’evidenza la protezione offerta dal sistema I-Pro1.

Descrizione degli edifici oggetto di prova

I due edifici, aventi ciascuno una dimensione in pianta pari a 5.0 m x 2.1 m e distanziati fra loro di circa 20 cm, insistono sulla medesima platea di fondazione, realizzata anch’essa in calcestruzzo armato e vincolata alla tavola vibrante mediante post-tensione. Essi si sviluppano su tre impalcati per un’altezza totale di 8.7 metri (Figura 2).

I pilastri 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 ed una staffatura a singola staffa chiusa Φ8 mm ogni 100 mm. I solai di piano sono realizzati mediante una soletta in c.a. piena dallo spessore di 40 cm.

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 40 kN) un aumento di massa paragonabile a quello ottenibile nelle normali applicazioni su edifici esistenti.

Nella direzione di riferimento per le prove di scuotimento (longitudinale X) sono presenti, a tutt’altezza, pannellature in muratura da 8 cm con diversa distribuzione di aperture a simulare la tipica presenza dei tamponamenti all’interno dei telai perimetrali degli edifici in c.a., visibili in Figura 2. Per ulteriori dettagli, si rimanda al report indicato nei riferimenti.

 

Gli edifici oggetto di prova nei laboratori Eucentre e particolare dell’installazione di I-Pro 1 sull’Ovest.

Figura 2 - Gli edifici oggetto di prova nei laboratori Eucentre e particolare dell’installazione di I-Pro 1 sull’Ovest. 

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