Miglioramento della risposta al sisma con controventi dissipativi: lo stato dell'arte

Il presente contributo è stato estratto dal libro "PROTEZIONE SISMICA DI EDIFICI ESISTENTI IN C.A. CON CONTROVENTI DISSIPATIVI IN ACCIAIO" - Franco Braga, Francesca Buttarazzi, Andrea Dall’Asta, Walter Salvatore - per gentile concessione di Fondazione Promozione Acciaio

5.1. Generalità

Il principio base su cui si fonda l’ingegneria antisismica è quello di realizzare opere che, a seguito di un evento sismico di elevata intensità, garantiscano la salvaguardia delle vite umane, pur sacrificando l’indennità strutturale degli organismi edilizi. La filosofia di progettazione che si è affermata in tutti i paesi ad elevata sismicità è quella che accetta l’entrata in campo plastico della struttura legando l’entità delle azioni di natura sismica su di essa agenti alla propria capacità di deformarsi senza collassare, ossia alla sua duttilità.

Tuttavia, l’incertezza sull’effettiva formazione delle zone plastiche e sul grado di influenza che su di essa hanno gli elementi “non strutturali”, insieme al fatto che al concetto di duttilità è immediatamente associabile quello di deterioramento, talvolta irreversibile, degli elementi strutturali con conseguenti elevati costi associati alla riabilitazione o alla demolizione e ricostruzione dell’edificio, hanno spinto verso la ricerca di strategie non convenzionali di protezione sismica che, negli ultimi decenni, hanno fatto registrare straordinari avanzamenti.
Ancora più complessa è la scelta degli interventi da mettere in atto su un edificio esistente per ottenere un livello di protezione sismica confrontabile con quello degli edifici di nuova costruzione. In questi casi, infatti, è inevitabile confrontarsi anche con le caratteristiche specifiche della singola costruzione e con la “pratica progettuale” dell’epoca di edificazione.

Gli interventi di adeguamento sismico che prevedono l’utilizzo di tecniche di protezione innovative (controventi dissipativi o isolamento sismico alla base) possono far conseguire elevati livelli prestazionali, in caso di terremoto, ad un costo ragionevole. L’insieme dei diversi approcci innovativi presenta l’intento comune di regolare in modo intelligente la risposta dinamica di un sistema al fine di ridurne le vibrazioni indotte da azioni di tipo dinamico, quali appunto il sisma.
A differenza di quanto avviene adottando criteri di progettazione tradizionali (progettazione in capacità), basati sull’implicita accettazione dello sviluppo di deformazioni anelastiche nella struttura, l’obiettivo progettuale è la riduzione, o addirittura l’eliminazione, del danno strutturale, facendo in modo che la struttura non attinga alle proprie risorse di duttilità e limitando le sue escursioni in campo plastico, anche in occasione di terremoti di notevole intensità.

Tali obiettivi sono ottenuti in modo completamente diverso con i due approcci. Dal confronto in termini di rigidezza del primo modo di vibrare di una struttura adeguata sismicamente con controventi elastici e con isolamento alla base è possibile notare che l’effetto ottenuto in un caso è un irrigidimento della struttura, nell’altro un aumento di flessibilità (v. figura 5.1). Ciò determina da una parte una riduzione degli spostamenti subiti dai nodi della struttura, dall’altra una significativa riduzione delle forze sperimentate dalla struttura le cui caratteristiche dinamiche si spostano nella zona dello spettro a contenuto energetico inferiore, a fronte di un incremento degli spostamenti totali.

Figura 5.1. Confronto in termini di effetti sulla variazione di rigidezza del primo modo di vibrare della strut- tura tra controventi elastici ed isolamento alla base (spettro di risposta elastico per la componente orizzon- tale dell’accelerazione sismica – zona sismica 1 – suolo A – smorzamento convenzionale del 5% – NTC08)

Per poter ottenere anche con l’intervento di controventamento una riduzione della risposta in termini di forze, e non solo in termini di spostamenti, è possibile introdurre in corrispondenza dei controventi opportuni dispositivi di dissipazione energetica (v. figura 5.2).

L’energia sismica in eccesso rispetto a quella che la struttura è in grado di sopportare viene assorbita da elementi più rigidi della struttura, i controventi, e da questi si indirizza su dispositivi ausiliari di dissipazione energetica, i quali, sfruttando le proprietà dissipative del loro legame costitutivo, contribuiscono a ridurre l’entità delle forze sismiche agenti complessivamente sulla struttura protetta. L’effetto ottenuto è chiaramente visibile dal confronto degli spettri di risposta in accelerazione che tengono conto della variazione in termini di periodo e di smorzamento della struttura (v. figura 5.3), confronto ottenuto considerando che i dispositivi, con le loro caratteristiche di rigidezza e smorzamento, influenzano entrambe le caratteristiche meccaniche globali della struttura.

Figura 5.2. Adeguamento sismico tramite controventi dissipativi della scuola Domiziano Viola – Potenza

Figura 5.3. Effetto dello smorzamento aggiuntivo ottenuto tramite l’inserimento di controventi dissipativi (spettro di risposta elastico per la componente orizzontale dell’accelerazione sismica – zona sismica 1 – suolo A – smorzamento convenzionale variabile tra il 5% ed il 30% – DM 14/01/2008)

L’incremento dei costi legato all’inserimento di controventi e dispositivi di dissipazione è ampiamente compensato dai vantaggi conseguibili con un’attenta progettazione, quali, ad esempio:

• il maggior livello di protezione sismica della struttura intelaiata a parità di resistenza/rigidezza;
• la limitazione degli interventi ai soli telai interessati dall’introduzione dei dispositivi;
• la riduzione di interventi in fondazione (da localizzare, ad esempio, solo in corrispondenza dei controventi stessi);
• la possibile riduzione degli eventuali interventi di riparazione ed il mantenimento della funzionalità e operatività delle costruzioni, anche a seguito di terremoti violenti.

La protezione passiva mediante controventi dissipativi è quindi una tecnica che ben si adatta all’adeguamento sismico di strutture esistenti, vista l’efficacia che offre nel ridurre il danno strutturale sia attraverso l’aumento della rigidezza laterale del telaio portante sia con l’aumento del livello globale di dissipazione energetica della struttura.

Tuttavia, la progettazione di un tale intervento non è di immediata implementazione: affinché il telaio abbia una risposta sismica ottimale occorre determinare l’esatto valore della rigidezza e della capacità dissipativa che il sistema di protezione deve offrire per evitare comportamenti strutturali non desiderati ascrivibili ad eccessiva rigidezza dei controventi o alla mancata attivazione dei dissipatori. Tutto ciò dovrebbe inoltre soddisfare i criteri di minimo costo.
Da quanto fin qui esposto, è evidente che tale problema progettuale possa essere affrontato come un problema di ottimizzazione.
Di seguito, dopo una breve sintesi delle procedure di progettazione presenti in letteratura, si descrive la procedura di ottimizzazione di progettazione di controventi dissipativi su base multi-prestazionale sviluppata negli ultimi anni dal gruppo di ricerca del prof. Braga sia in ambito di tesi di dottorato (Lomiento 2005, Bonessio 2010) che di tesi di laurea (Conti 2012).

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PROTEZIONE SISMICA DI EDIFICI ESISTENTI IN C.A. CON CONTROVENTI DISSIPATIVI IN ACCIAIO
Franco Braga, Francesca Buttarazzi, Andrea Dall’Asta, Walter Salvatore

Il presente volume intende fornire un utile strumento pratico, rivolto ai professionisti, su un tema di imprescindibile importanza per il patrimonio costruito italiano: sebbene i codici normativi vigenti per gli edifici in zona sismica contengano indicazioni sull’adeguamento del costruito attraverso interventi innovativi quali i sistemi di isolamento alla base, l’utilizzo di controventi dissipativi inseriti all’interno degli edifici esistenti risulta un argomento poco approfondito e trattato. L’opera colma questa lacuna suddividendo la trattazione in sei capitoli, uno dei quali dedicato ad un esempio applicativo. I contenuti tecnici e progettuali del volume sono in linea con la bozza di testo di revisione delle Norme Tecniche approvato dal Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici in data 14/11/2014.