Caratterizzazione sismica di chiller isolati con sistemi anti-vibranti

Nel panorama dell’ingegneria sismica contemporanea, l’attenzione progettuale si è storicamente concentrata sulla sicurezza delle strutture portanti. Tuttavia, nei moderni edifici ad elevata complessità funzionale – come centri di ricerca, ospedali, laboratori e infrastrutture industriali avanzate – una quota sempre più rilevante del valore economico e funzionale è rappresentata dagli elementi non strutturali e dagli impianti. In molti casi, questi ultimi risultano determinanti per la continuità operativa dell’edificio a seguito di un evento sismico.

Analisi economiche mostrano che, in edifici ad uso ufficio, la struttura portante incide per circa il 18% del valore complessivo, percentuale che si riduce ulteriormente nel settore biotecnologico e sanitario, arrivando rispettivamente al 13% e all’8%. Ne consegue che il danneggiamento o il malfunzionamento dei macchinari e degli impianti può determinare perdite economiche e operative molto superiori a quelle associate al solo danneggiamento strutturale.

In questo contesto si inserisce il presente lavoro, presentato in occasione del Congresso CTA 2024, che ha avuto come obiettivo la caratterizzazione sismica di un sistema di isolamento applicato a un macchinario ciber-industriale installato presso un centro di ricerca nucleare. L’attenzione è stata rivolta in particolare alla valutazione del comportamento dinamico e della funzionalità dell’unità isolata in condizioni sismiche.

Isolamento delle vibrazioni e comportamento dinamico dei macchinari

Nei sistemi industriali e impiantistici, l’isolamento delle vibrazioni rappresenta una pratica consolidata, adottata sia per migliorare il comfort degli occupanti sia per proteggere le apparecchiature da sollecitazioni dinamiche dannose. L’isolamento viene generalmente ottenuto mediante supporti elastici, come molle o dispositivi elastomerici, talvolta associati a basamenti inerziali, con lo scopo di modificare le frequenze proprie del sistema e ridurre la trasmissione delle vibrazioni alla struttura di supporto.

Molti macchinari industriali operano a frequenze relativamente basse, spesso prossime alle frequenze proprie dei sistemi di supporto. È il caso, ad esempio, delle torri evaporative, nelle quali le principali sorgenti di eccitazione sono legate alla rotazione delle pale, al funzionamento del motore e alle variazioni di pressione dell’aria. In alcune applicazioni, come i grandi ventilatori, l’adozione di sistemi di isolamento a molla è indispensabile per garantire il raggiungimento delle condizioni operative richieste, come specifici livelli di depressione.

Sebbene questi sistemi risultino efficaci dal punto di vista vibrazionale, la loro presenza modifica significativamente il comportamento dinamico del macchinario in caso di sisma, rendendo necessaria una valutazione specifica delle prestazioni sismiche e funzionali.

Inquadramento normativo e limiti degli approcci prescrittivi

Dal punto di vista normativo, le Norme Tecniche per le Costruzioni prevedono che gli elementi non strutturali vengano verificati mediante l’applicazione di una forza sismica equivalente, funzione dell’accelerazione sismica, del peso del macchinario e di un fattore di struttura. Le stesse norme, così come l’Eurocodice e l’International Building Code, richiedono esplicitamente una verifica di funzionalità per i macchinari installati in edifici di classe d’uso III e IV.

Tuttavia, tali riferimenti normativi non forniscono indicazioni operative su come effettuare concretamente questa verifica di funzionalità, soprattutto nel caso di macchinari isolati su supporti antivibranti. Questo vuoto normativo ha portato, negli ultimi anni, allo sviluppo di specifiche tecniche e standard di settore che introducono approcci sperimentali basati su prove su tavola vibrante multiassiale.

Tra questi, un ruolo di rilievo è svolto dalle specifiche IEEE e dalla ICC-ES AC156, che definiscono procedure di prova e criteri di qualificazione sismica per apparecchiature e impianti. In particolare, la ICC-ES AC156 prevede l’esecuzione di prove su tavola vibrante con spettri di input definiti in funzione della zona di installazione del macchinario, consentendo una valutazione diretta del comportamento dinamico e funzionale dell’unità.

Descrizione del caso studio e dell’apparato sperimentale

Il caso studio analizzato riguarda un’unità ciber-industriale, indicata come CIL, installata su sistemi antivibranti di tipo TIAMOLLA, caratterizzati da una deflessione statica media pari a 2,10 mm. I dispositivi utilizzati rientrano nella categoria degli antivibranti antisismici secondo la specifica STRIKE 2021-2017 e sono dotati di una struttura di contenimento che entra in funzione in presenza di azioni cicliche elevate.

L’unità è stata strumentata con otto accelerometri, distribuiti in modo da cogliere il comportamento globale del sistema, e con un inclinometro, posizionato in una sezione significativa per la valutazione dei moti rotazionali. Le prove sperimentali sono state condotte presso il laboratorio EUCENTRE, utilizzando una tavola vibrante a sei gradi di libertà, in grado di riprodurre simultaneamente componenti traslazionali e rotazionali del moto sismico.

Procedura di prova e risultati sperimentali

La procedura adottata ha seguito le indicazioni della ICC-ES AC156 e si è articolata in una fase iniziale di verifica funzionale, seguita dall’identificazione delle frequenze naturali del macchinario, da una prova sismica con sweep in frequenza compreso tra 1,3 Hz e 33,3 Hz e, infine, da una verifica funzionale finale.

Per l’identificazione delle frequenze proprie strutturali, i sistemi antivibranti sono stati temporaneamente rimossi, al fine di evitare che la loro deformabilità influenzasse l’individuazione delle caratteristiche dinamiche intrinseche dell’unità. Durante la prova sismica, lo spettro di progetto richiesto dalla specifica è risultato interamente avvolto dallo spettro di prova, nel rispetto delle tolleranze ammesse.

L’analisi dei risultati ha evidenziato come il comportamento dinamico dell’unità fosse dominato da un moto di rocking, imputabile alla compressione alternata delle molle degli antivibranti. Questo comportamento ha suggerito l’adozione di un modello semplificato, in cui l’unità viene schematizzata come un corpo rigido appoggiato su molle con rigidezza rotazionale.

Modellazione semplificata e interpretazione del comportamento

Il modello adottato, pur nella sua semplicità, si è dimostrato efficace nel descrivere il comportamento osservato sperimentalmente. La rigidezza dell’unità risulta infatti significativamente maggiore rispetto a quella dei supporti antivibranti, rendendo appropriata l’ipotesi di corpo rigido. La rigidezza rotazionale del sistema è funzione della rigidezza delle molle e della loro distanza dal baricentro dell’unità.

Il confronto tra le accelerazioni misurate sperimentalmente al baricentro e quelle ottenute dal modello ha mostrato una buona correlazione, confermando la validità dell’approccio. La frequenza naturale del sistema isolato è risultata pari a circa 1,5 Hz, valore coerente con le caratteristiche degli antivibranti installati.

Prospettive di sviluppo

I risultati ottenuti evidenziano come la progettazione dei sistemi antivibranti debba tenere conto di un equilibrio delicato tra isolamento dalle vibrazioni operative, prestazioni sismiche e smorzamento del sistema. Un incremento dell’isolamento vibrazionale, ottenuto riducendo la rigidezza dei supporti, può infatti comportare un peggioramento della risposta sismica, aumentando spostamenti e moti rotazionali.

Le prospettive future della ricerca sono orientate allo sviluppo di sistemi antivibranti dotati di smorzamento interno, in grado di garantire simultaneamente l’allungamento del periodo proprio e una riduzione delle ampiezze di risposta. Un’ulteriore sfida riguarda la calibrazione di tali dispositivi, affinché l’isolamento dalle vibrazioni e l’isolamento sismico possano coesistere senza compromessi significativi.

In conclusione, il lavoro dimostra come l’approccio sperimentale su tavola vibrante, affiancato da modelli semplificati ma fisicamente rappresentativi, costituisca uno strumento fondamentale per la qualificazione sismica e funzionale dei macchinari isolati, colmando le attuali lacune normative e fornendo indicazioni concrete per la progettazione prestazionale degli impianti negli edifici strategici.

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L'articolo è stato redatto tramite la videoregistrazione della relazione, con l'ausilio dell'IA.