Il ruolo del jerk nella progettazione sismica: opportunità e sfide

L'ingegneria sismica si basa tradizionalmente sull'analisi di parametri come velocità, accelerazione e spostamento per valutare la risposta delle strutture ai terremoti. Tuttavia, un aspetto meno considerato, ma potenzialmente cruciale, è il jerk, ovvero la variazione dell'accelerazione nel tempo. Questo parametro potrebbe offrire informazioni preziose sulla natura impulsiva delle sollecitazioni sismiche, contribuendo a una migliore progettazione strutturale e a una maggiore sicurezza delle costruzioni.

Nonostante il suo potenziale, il jerk non è attualmente un parametro standard nella pratica ingegneristica, sia per motivi accademici che per difficoltà computazionali e normative. Questo articolo analizza il ruolo del jerk nella progettazione sismica, le sue possibili applicazioni e le sfide legate alla sua implementazione.

Cos’è il Jerk e come si misura

Il jerk è definito come la derivata dell'accelerazione rispetto al tempo ed è misurato in m/s³. Se accelerazione e velocità sono concetti di immediata comprensione nella dinamica strutturale, il jerk rappresenta un livello di analisi più avanzato, in grado di descrivere fenomeni impulsivi che potrebbero non emergere in un'analisi basata esclusivamente sugli accelerogrammi.

L’importanza del Jerk nella risposta sismica

Un tipico esempio dell'importanza del jerk è dato dalla risposta delle strutture agli eventi sismici: i terremoti non generano solo spostamenti e accelerazioni, ma possono indurre variazioni improvvise di accelerazione che risultano particolarmente critiche per alcune componenti strutturali. Giunti, supporti e sistemi di isolamento sismico sono elementi che possono essere fortemente influenzati da un'elevata variazione di accelerazione.

La pratica progettuale e le grandezze comunemente analizzate

Nella pratica progettuale è molto più diffuso il concetto di variazione della velocità nel tempo (accelerazione) o di spostamento nel tempo (velocità). L’accelerazione, ad esempio, è alla base dello studio del confort delle strutture flessibili (tipicamente passerelle); sulla velocità si basano diverse formulazioni che descrivono il comportamento dei dispositivi di isolamento/smorzamento. Infine, le analisi Time History sono tipicamente condotte fornendo in input accelerogrammi o velocigrammi, registrati in situ o generati artificialmente a partire da dati storici sui terremoti, geologia locale, meccanica del suolo e altre variabili rilevanti. Analoghe applicazioni non esistono, invece, attualmente per la derivata dell’accelerazione, cioè il jerk.

Il potenziale ruolo del Jerk in ingegneria sismica e strutturale

In realtà, nell’ingegneria sismica il jerk assumerebbe un ruolo cruciale, poiché permetterebbe di comprendere e modellare meglio la risposta di strutture sottoposte a sollecitazioni rapide e intense. Potrebbe essere utilizzato non solo in ingegneria sismica, ma anche nel dimensionamento delle strutture nei confronti dei carichi da esplosione. Infatti, un aspetto fondamentale in caso di terremoti o esplosioni (o in generale carichi da urto molto intensi) è comprendere come le strutture assorbano e dissipino energia. L'accelerazione e la velocità sono grandezze ben note in questo contesto, ma il jerk fornisce un’informazione più di dettaglio, perché permette di studiare la risposta strutturale a fronte di una variazione rapida dell'accelerazione (azione impulsiva), che può avere conseguenze non evidenziabili dall’applicazione del semplice accelerogramma.

Una comprensione approfondita del jerk è importante per componenti strutturali come giunti, supporti e altri elementi che sono particolarmente sensibili alle variazioni brusche di accelerazione. Inoltre, comprendere l'impatto del jerk su diverse tipologie di costruzioni permetterebbe di sviluppare soluzioni innovative per la mitigazione del rischio sismico, come sistemi di isolamento e smorzatori progettati tenendo conto della componente impulsiva “nascosta” in un accelerogramma.

Applicazioni del Jerk in ingegneria sismica

Miglioramento delle analisi dinamiche

Le analisi Time History tradizionali utilizzano accelerogrammi registrati o generati artificialmente per simulare il comportamento delle strutture. Tuttavia, questi strumenti non forniscono informazioni dirette sulla rapidità con cui varia l'accelerazione. L'integrazione del jerk potrebbe consentire di identificare meglio le fasi più critiche di un evento sismico e di migliorare la previsione della risposta strutturale.

Un'analisi più dettagliata che includa il jerk potrebbe rivelare variazioni repentine dell'accelerazione che passano inosservate nei metodi convenzionali. Ad esempio, l'adozione di un modello predittivo basato su jerk potrebbe risultare utile per comprendere meglio fenomeni di instabilità locali e globali nelle strutture durante un sisma.

Progettazione di sistemi di isolamento e smorzamento

Gli isolatori sismici e i dispositivi di smorzamento sono progettati per dissipare l'energia trasmessa da un sisma, ma la loro efficacia potrebbe essere ulteriormente migliorata considerando il jerk. Studi recenti suggeriscono che la progettazione di dispositivi di isolamento tarati anche sulla base della variazione dell'accelerazione potrebbe ridurre gli effetti dannosi degli shock sismici improvvisi. L'uso di materiali innovativi con risposta variabile in funzione del jerk potrebbe fornire un maggiore controllo sulle sollecitazioni trasmesse alle strutture.

Analisi di carichi impulsivi

Il jerk non è utile solo per i terremoti, ma anche per studiare la risposta delle strutture a eventi impulsivi estremi, come esplosioni e impatti. Ad esempio, nei casi di esplosioni, le onde d'urto generano variazioni di accelerazione estremamente rapide, e una modellazione basata sul jerk potrebbe fornire dati più accurati sulla risposta strutturale e sulla dissipazione dell'energia d'urto.

Comprendere il comportamento strutturale in presenza di variazioni brusche di accelerazione potrebbe migliorare la progettazione di infrastrutture critiche, come edifici strategici, ponti e impianti industriali. Inoltre, i test sperimentali su componenti soggetti a jerk elevato potrebbero fornire indicazioni su come rendere le costruzioni più resilienti a carichi estremi.

Ostacoli alla diffusione del Jerk

La mancanza di utilizzo diffuso e di familiarità con il concetto di jerk nell'ingegneria sismica, specialmente in Italia, può essere attribuita a vari fattori, tra cui la tradizione accademica, la complessità computazionale e l'approccio prevalente nei codici di progettazione.

Tradizione accademica 

Per quanto riguarda il primo aspetto, nei piani di studio di ingegneria civile l'enfasi è posta su concetti fondamentali come forza, spostamento, velocità e accelerazione, rispetto ai quali il jerk appare come un concetto meno intuitivo. Infatti, mentre è “umanamente” semplice capire che più applico una forza ad un elemento strutturale e più questo è suscettibile di danneggiamento, oppure, più sposto (quindi, deformo) un elemento strutturale e più mi avvicino al suo punto di crisi, visualizzare cosa significhi il jerk e capirne le conseguenze non è altrettanto immediato. Anche i concetti di velocità e accelerazione fanno parte del nostro quotidiano; possiamo passare abbastanza linearmente dall’immagine di velocità o accelerazione di un’automobile (e relative conseguenze se esse sono elevate) all’analogo su una struttura con l’arrivo di un sisma. Per la variazione di accelerazione (jerk) non è la stessa cosa.

Complessità computazionale

L'analisi che include il jerk richiede modelli matematici e simulazioni più complesse, che non sono attualmente implementati in software commerciali. E anche se lo fossero, il tempo e le risorse computazionali necessarie sono elevati, rendendo la progettazione più onerosa anche in termini di tempi e costi. In un contesto dove i termini di consegna e i budget sono spesso limitati, ciò potrebbe scoraggiare l'utilizzo di analisi basate sul jerk. Inoltre, l’impostazione di algoritmi sempre più complessi, richiede l’inserimento di parametri di calcolo sempre più “misteriosi”, la cui comprensione richiederebbe una formazione specialistica post-universitaria. Maneggiare questi algoritmi senza la giusta consapevolezza condurrebbe ad un aumento considerevole della probabilità di errore.

Inoltre, supponendo di aver compreso appieno i parametri di input di algoritmi così complessi, si devono poi affrontare problematiche molto più pratiche, ad esempio: un’analisi di tipo Time History, soprattutto se condotta in presenza di non linearità o con matrici di smorzamento piene (nel senso, non diagonali), richiede tempi di calcolo e potenza della macchina molto elevati; la cosa che i progettisti fanno solitamente per ovviare a questi inconvenienti tecnici è settare una scansione temporale piuttosto lasca del segnale in ingresso, in genere il minimo valore che non faccia perdere di stabilità agli algoritmi di Newmark (che in genere sono alla base di questo tipo di analisi); ciò farebbe perdere completamente tratti dell’accelerogramma a jerk elevato, cioè gli aspetti impulsivi dell’accelerogramma.

Le attuali simulazioni sismiche sono già computazionalmente onerose e includere il jerk aumenterebbe ulteriormente il tempo di calcolo. Inoltre, un'analisi basata sul jerk richiede software avanzati e un'elaborazione dei dati più dettagliata rispetto alle metodologie standard. Tuttavia, con l'aumento della potenza di calcolo disponibile e l'uso di algoritmi di intelligenza artificiale, l'integrazione del jerk nei modelli di simulazione potrebbe diventare più accessibile in futuro.

Limiti dei codici di progettazione

Le normative attuali si concentrano maggiormente sulla risposta spettrale, cioè su metodologie persino più semplicistiche rispetto ad analisi Time History con accelerogrammi o velocigrammi. Questi codici sono il risultato di decenni di ricerca e pratica ingegneristica e tendono a essere conservatori nel loro approccio, incorporando nuovi concetti solo dopo un'ampia validazione e consenso nella comunità scientifica. Basta dire che la tipologia di analisi più gettonata per lo studio della vulnerabilità sismica in Italia è un’analisi pseudo-statica, la pushover, che esula quasi completamente da aspetti dinamici (per questo motivo è anche abbastanza semplice da comprendere). È talmente abusata che, seppure nata per strutture regolari, oggi viene impiegata praticamente su tutte le tipologie strutturali, anche grazie al benestare delle normative che, con la versione del 2018 e la circolare del 2019, hanno proposto regole di estensione che l’hanno resa il più possibile utilizzabile. Molte di queste regole sono di facile controllo, ma alcune no: ad esempio, per strutture fortemente irregolari le NTC 2018 propongono la pushover multimodale. Questa tecnica, seppure estremamente meno complessa del jerk sismico, non solo non è ancora oggetto di implementazione nei comuni software di calcolo commerciali, ma ne esistono due diverse interpretazioni su cui il mondo accademico non ha ancora fatto luce appieno, con molte opinioni contrastanti.

Jerk: la sfida per il futuro dell’ingegneria sismica

In conclusione, benché il jerk presenti il potenziale per arricchire la progettazione sismica, la sua adozione incontra ostacoli dovuti a una mescolanza di fattori educativi, pratici e normativi. Integrare il jerk nelle analisi sismiche potrebbe necessitare di cambiamenti significativi nei metodi di progettazione correnti, il che potrebbe essere percepito come un costo aggiuntivo o un rischio. Inoltre, l'assenza di linee guida ben definite e di esempi concreti di progetti che impiegano questo approccio rende difficile la sua adozione. Per molte applicazioni standard, le analisi basate su velocità e accelerazione possono essere adeguate a garantire la sicurezza e l'efficacia nella progettazione. Ciò rappresenta un ostacolo per la ricerca e l'innovazione, le quali possono essere frenate dalla mancanza di finanziamenti e dalla scarsità di dati disponibili. Senza un forte stimolo alla ricerca sul jerk e sulle sue applicazioni, l'adozione di questa nuova metodologia potrebbe procedere lentamente.

Affinando le metodologie di calcolo e investendo nella ricerca sperimentale, il jerk potrebbe diventare uno strumento chiave per progettare edifici e infrastrutture più sicure e resilienti agli eventi estremi. Il futuro dell'ingegneria sismica potrebbe quindi passare attraverso un'analisi più approfondita di questo parametro, aprendo la strada a nuove soluzioni tecnologiche e progettuali per la mitigazione del rischio sismico e strutturale.