Collegamenti innovativi equipaggiati con dissipatori ad attrito nella progettazione delle strutture sismo-resistenti in acciaio

Primi risultati di un ambizioso progetto di ricerca finalizzato alla progettazione di strutture in acciaio in grado di sopportare eventi sismici distruttivi senza alcun danneggiamento, ossia “Free From Damage Structures”.

Nel presente lavoro viene proposta una strategia di progettazione innovativa per sistemi sismo-resistenti in acciaio, atta ad eliminare del tutto il danneggiamento delle membrature strutturali anche in occasione di eventi sismici distruttivi.
Tale strategia prevede la sostituzione delle zone dissipative con dissipatori ad attrito collocati in corrispondenza dei collegamenti trave-colonna e colonna-fondazione, combinata a sofisticate procedure di progettazione atte a garantire che le colonne restino in campo elastico, massimizzando la capacita dissipativa della struttura sotto azioni sismiche a seguito del completo sviluppo di un meccanismo di tipo globale in cui le cerniere plastiche sono sostituite da dissipatori ad attrito.

Una campagna sperimentale e stata condotta, presso il Laboratorio “Prove Materiali e Strutture” dell’Università degli Studi di Salerno, al fine di valutare le prestazioni dei collegamenti innovativi concepiti.
Inoltre, ad una più ampia scala, la progettazione di un “Edificio Pilota” e l’investigazione della sua risposta sismica mediante analisi dinamiche non-lineari ha evidenziato le potenzialità applicative e l’efficacia dell’approccio progettuale proposto.

INTRODUZIONE

È ben noto che le diverse strategie di progettazione delle strutture sismo-resistenti possono essere inquadrate nell’ottica del bilancio di energia. A tale scopo si osserva, preliminarmente, che ad un generico istante di un evento sismico l’energia sismica in ingresso risulta somma dell’energia elastica immagazzinata dalla struttura, dell’energia cinetica, dell’energia dissipata per smorzamento viscoso e dell’energia dissipata per isteresi. Pertanto, con riferimento alle condizioni di quiete raggiunte al termine della fase di oscillazioni libere successive alla fine dell’evento sismico, essendo l’energia cinetica nulla e l’energia elastica compensata dai carichi gravitazionali agenti sulla struttura eventualmente soggetta a deformazioni permanenti, si può affermare l’uguaglianza fra l’energia sismica in ingresso, EI, e la somma dell’energia dissipata per smorzamento viscoso, E ξ , e per isteresi Eh. Risulta evidente che le diverse strategie di protezione sismica si possono inquadrare nel bilancio di energia a seconda delle modalità attraverso le quali si agisce su EI, E ξ oppure Eh.
Nella strategia tradizionale di progettazione delle strutture sismoresistenti, in occasione di eventi sismici frequenti o occasionali, ossia aventi periodo di ritorno paragonabile con la vita media probabile della struttura, l’energia sismica in ingresso viene interamente dissipata mediante le sole sorgenti dissipative comunemente modellate attraverso lo smorzamento viscoso. Il termine Eh risulta nullo poiché la struttura viene progettata per restare in campo elastico per tali eventi sismici. Al contrario, in occasione di eventi sismici distruttivi, la maggior parte dell’energia sismica in ingresso viene dissipata per isteresi, ma a prezzo di significative escursioni in campo plastico che si traducono in un danneggiamento strutturale. Con riferimento ad eventi sismici distruttivi, nelle moderne strategie per la dissipazione supplementare dell’energia sismica si provvede ad incrementare l’energia dissipata per smorzamento viscoso [1] oppure per isteresi [2-4] mediante opportuni dispositivi dissipatori generalmente collocati tra coppie di punti del sistema strutturale per i quali si prevedono spostamenti relativi significativi. In alternativa, si può ricorrere alla strategia dell’isolamento sismico che mira direttamente alla riduzione dell’energia sismica in ingresso [5].
Nel presente lavoro vengono presentati i primi risultati di un ambizioso progetto di ricerca finalizzato alla progettazione di strutture in acciaio in grado di sopportare eventi sismici distruttivi senza alcun danneggiamento, ossia “Free From Damage Structures”.
La concezione della nuova tipologia strutturale che viene di fatto introdotta si ispira alla strategia della dissipazione supplementare dell’energia sismica, ma inquadra l’impiego dei dispositivi dissipatori in un’ottica completamente nuova. Infatti, mentre nella strategia della dissipazione supplementare dell’energia sismica i dissipatori, siano essi viscosi o isteretici, integrano le capacità dissipative del sistema strutturale sismo-resistente; al contrario, nella nuova strategia di progettazione sismica proposta, denominabile “Free From Damage Design”, i dispositivi dissipatori sono concepiti in maniera tale da risultare sostitutivi delle tradizionali zone dissipative delle strutture in acciaio.
In particolare, con riferimento alle strutture intelaiate in acciaio, la “sostituzione” delle zone dissipative richiede l’impiego di dissipatori ad attrito collocati in corrispondenza dei collegamenti trave-colonna e colonnafondazione.
Pertanto, i collegamenti sono concepiti per poter essere equipaggiati con dissipatori, in particolare del tipo ad attrito, in grado di dissipare l’energia sismica in ingresso senza subire alcun danneggiamento.
L’eliminazione totale del danneggiamento a seguito di eventi sismici distruttivi, avviene combinando la “sostituzione” delle zone dissipative di cui sopra, a criteri di progettazione rigorosi atti a garantire che le colonne restino in campo elastico [6-9]. L’impiego combinato di collegamenti equipaggiati con dissipatori ad attrito e della teoria del controllo del meccanismo plastico (TPMC) [7-8] per il progetto delle colonne conduce al “Free From Damage Design”. Ne risulta che la dissipazione offerta dai dispositivi ad attrito non è di tipo supplementare, ma di tipo sostitutivo. Dal punto di vista tecnologico, l’innovazione fondamentale nel “Free From Damage Design” è rappresentata dalla progettazione e sperimentazione di collegamenti trave-colonna innovativi equipaggiati con dissipatori ad attrito i cui cuscinetti (friction pads) risultano facilmente sostituibili, alla stessa stregua delle pasticche dei freni delle autovetture, qualora risultino consumati a seguito di eventi sismici ripetuti. L’energia sismica in ingresso viene concentrata nei suddetti dissipatori posti in corrispondenza delle flange delle travi e, con opportuno braccio di leva, al piede delle colonne del primo piano. Una campagna sperimentale è stata condotta presso il Laboratorio “Prove Materiali e Strutture” dell’Università degli Studi di Salerno allo scopo di investigare il comportamento ciclico rotazionale di tali collegamenti innovativi, al variare dei parametri di progetto ritenuti maggiormente significativi per la concezione dei collegamenti stessi.



Nella fase preliminare di sperimentazione è stato analizzato il comportamento ciclico della sola componente preposta alla dissipazione dell’energia. Sulla scorta dell’evidenza sperimentale, è stata effettuata la determinazione del coefficiente d’attrito, statico e dinamico, per le differenti interfacce di scorrimento investigate, quali materiali compositi a matrice fibrosa ed acciaio rivestito con alluminio termicamente spruzzato all’arco elettrico. La fase sperimentale successiva ha riguardato i collegamenti trave-colonna innovativi proposti, ossia Double Split Tee (DST) equipaggiati con dissipatori ad attrito, evidenziando le ottime prestazioni dei collegamenti così concepiti e confermando la validità dei criteri di progettazione adottati, nonché la governabilità dei parametri di progettazione che ne influenzano il comportamento sotto carichi ciclici ripetuti e, soprattutto, la possibilità di pervenire a collegamenti trave-colonna praticamente privi di danneggiamento.



Successivamente, ad una più ampia scala, la possibilità di conseguire l’ambizioso obiettivo di strutture prive di danneggiamento anche in occasione di eventi sismici distruttivi è stata investigata mediante la progettazione di un “Edificio Pilota”, con il quale è stata condotta una prima applicazione della strategia del “Free From Damage Design” ad un caso studio realistico. Lo sviluppo di un modello agli elementi finiti (FEM), mediante software di calcolo SAP2000, ha consentito l’analisi della risposta sismica di tale edificio di concezione innovativa tenendo conto del comportamento non lineare dei collegamenti trave-colonna e colonna-fondazione, equipaggiati con dissipatori ad attrito. I risultati di tali analisi hanno evidenziato la possibilità di realizzare strutture in grado di sopportare senza alcun danneggiamento valori molto elevati dell’accelerazione spettrale, semplicemente progettando adeguatamente la corsa dei dispositivi dissipatori.
Infine, risulta opportuno sottolineare che nonostante la struttura risulti priva di danneggiamento, nel senso che non si verificano deformazioni plastiche alle estremità delle membrature, resta comunque da risolvere il problema del ricentraggio della struttura al termine di eventi sismici distruttivi. Tuttavia, allo stesso tempo, si deve riconoscere che il ricentraggio è una problematica da affrontare anche nelle strutture tradizionali. La differenza fondamentale è che, mentre nelle strutture tradizionali il ricentraggio al termine di eventi sismici distruttivi si rende necessario a seguito del fuori piombo dovuto alle deformazioni plastiche permanenti, ossia al danneggiamento della struttura, al contrario, nel caso in esame, esso si rende necessario a seguito del fuori piombo conseguente allo scorrimento dei dissipatori ad attrito, al quale non risulta associato alcun danno strutturale.

Estratto da Costruzioni Metalliche n. 3/2015.
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Parole-chiave: “free from damage design”, dissipatori ad attrito, alluminio termicamente spruzzato.

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