Ingegneria strutturale: la dissipazione dell’energia come strategia per la riduzione della vulnerabilità sismica

La progettazione strutturale in ambito dinamico rappresenta una delle tematiche più importanti e recenti dell'ingegneria civile.

In particolare negli ultimi decenni l’ingegneria sismica e l’ingegneria del vento hanno spinto allo studio di nuove e migliori strategie di protezione di edifici e infrastrutture, adottando approcci progettuali che superano il concetto di aumento delle resistenze meccaniche.

Gli ultimi sviluppi hanno introdotto metodologie sempre più sofisticate, che non solo mirano a mantenere salvaguardare la vita degli occupanti, ma anche a limitare i danni alle strutture o, addirittura, garantire la funzionalità post-evento.

Tra queste, un ruolo centrale è assunto dai sistemi di dissipazione energetica, che comprendono dispositivi passivi, attivi o ibridi per la riduzione delle sollecitazioni e la limitazione degli spostamenti.

Nel seguito si riporta una sintesi dell’argomento, tratta da un intervento del sottoscritto a un seminario, per cui mi scuso se la forma del testo non è ottimale.

    

Approcci Progettuali alla Dinamica Strutturale

I metodi progettuali dell’ingegneria, in campo dinamico, di cui disponiamo sono:

1. metodi basati sul puro rinforzo delle strutture: prevedono solo l’incremento delle resistenze per resistere alle azioni esterne
   
2. metodi basati sull’ isolamento sismico: creano il disaccoppiamento del moto fra la struttura e la fondazione
   
3. metodi basati sulla dissipazione dell’energia sfruttando:
   a. la duttilità strutturale
   b. l’utilizzo di dispositivi
   
4. metodi che prevedono una combinazione dei suddetti.

Vediamoli nel seguito.

 

Metodo Tradizionale: il Rinforzo Strutturale

Consiste nel progettare strutture che resistono alle azioni esterne tramite il solo RINFORZO delle strutture. Si adotta nelle strutture che:

• non hanno duttilità (strutture fragili);
• non devono danneggiarsi in nessun caso;
• non hanno dissipazione per ragioni costruttive.

Il risultato: si ottengono strutture molto massicce e pesanti. E’ possibile solo per strutture di modeste dimensioni.

Resistere alle azioni esterne tramite l’isolamento alla base

E' utile solo per l’azione sismica. Richiede l’inserimento di dispositivi di isolamento che:

• Hanno bassa rigidezza alle azioni orizzontali
• Hanno un certo smorzamento (intrinseco del dispositivo).

Non è sempre applicabile in pratica: occorrono idonei spazi.

Si applica su edifici con periodo proprio modesto. Funzionano bene per il sisma.

 

Resistere alle azioni esterne tramite la dissipazione dell’energia

La dissipazione dell’energia ha due approcci:

• Primo approccio: Resistere alle azioni esterne sfruttando la plasticizzazione delle sezioni critiche della struttura portante, cioè i cicli di isteresi. È una tecnica efficace per l’azione sismica.

• Secondo approccio: Resistere alle azioni esterne tramite dispositivi di dissipazione di energia inseriti nella struttura portante. È una tecnica utile per l’azione sismica e per il vento.

Il primo è l’approccio classico in “gerarchia delle resistenze”, che qui non si approfondisce, in quanto ben noto. Esso è il metodo principe proposto nell'attuale NTC; prevede che la struttura possa superare l’evento più gravoso tramite un danneggiamento diffuso ma senza crolli.

Il secondo richiede l’inserimento di dispositivi di dissipazione che:

• Aggiungono un certo smorzamento strutturale
• Possono avere rigidezza (isteretici) o non averla (viscosi)
• A volte si utilizzano in accoppiamento fra loro.

Si applicano facilmente su molti tipi di strutture e funzionano per il sisma e per il vento.

L’utilizzo dei dispositivi richiede un approccio progettuale specifico, e in particolare la definizione di un “target” di progetto. Nella NTC attuale, molto prescrittiva e impostata sulla gerarchia della resistenza, sostanzialmente non tratta questo tema.

  

Il Ruolo dello Smorzamento

Come già detto, lo smorzamento strutturale è dovuto alla dissipazione di energia. Nella dinamica delle strutture esso è benefico, ed è fondamentale per il raggiungimento del target di progetto.

 

  

Lo smorzamento è indispensabile per:

• Ridurre l’entità degli spostamenti quindi limitare gli sforzi (target di progetto)

• Arrestare il moto al termine dell’azione esterna.

In moltissimi problemi dinamici noi utilizziamo sistemi meccanici smorzati: dalle sospensioni dei veicoli agli smorzatori sulle ante di un mobiletto della cucina.

  

I vari tipi di smorzamento strutturale

Vi sono molti tipi di smorzamento strutturale ma la distinzione è convenzionale in quanto essi non sono sempre chiaramente distinguibili.

In pratica non esiste un unico modello universale di dissipazione, in quanto alcuni tipi sono indipendenti spostamenti, altri dipendono dagli spostamenti, e altri ancora dalla velocità. Per ogni tipologia strutturale occorre adottare un modello diverso di dissipazione, il più possibile aderente alla realtà.

Convenzionalmente possiamo distinguerli come segue:

• Smorzamento interno ed esterno della struttura dovuto agli «attriti»:
  a. Intrinseco, dovuto agli attriti interni (sempre presente);
  b. Per isteresi dei materiali (quando si supera il limite elastico);
  c. In fondazione (parte dell’energia sismica che impatta viene dissipata nel suolo);
  d. Aerodinamico (parte dell’energia viene dissipata nell'attrito con l’aria).

• Smorzamento aggiuntivo immesso tramite dispositivi: dissipatori isteretici, viscosi, TMD, AMD.

I campi di interesse dello smorzamento sono diversi, tra questi notiamo:

• le azioni sismiche, ovvero quando l’azione proviene dal suolo per cui nello smorzamento
  interviene anche la fondazione;
  
• le azioni del vento, dove lo smorzamento in fondazione è minimo e si aggiungono interazioni aeroelastiche complesse;
  
• problemi di vibrazione;
  
• problemi di urti.

In generale sappiamo dalla dinamica delle strutture che, se lo smorzamento effettivo di una struttura è inferiore al valore critico (ζ < 1), il moto si arresta lentamente, mantenendo un moto periodico con decadimento esponenziale.

Da notare che, nell’ingegneria strutturale, gli smorzamenti effettivi sono sempre inferiori al ‘critico’.

 

 

Smorzamento per attriti / isteresi dei materiali

Può essere sufficiente per bassi livelli dell’azione sollecitante. Per strutture che restano in campo elastico possiamo considerare:

• 5% per telai in cemento armato;
• 0.5–2% per strutture in acciaio;
• Valori inferiori per ponti o edifici alti.

Ad esempio, lo Spettro elastico in accelerazione della NTC adotta un indice di smorzamento convenzionale al 5%; quindi per la progettazione, per bassi livelli di azione (sisma, vento), ci basta lo smorzamento interno della struttura.

 

Smorzamento aggiuntivo: quando occorre un apporto di dissipazione aggiuntiva

Per ALTI livelli di azione (sisma, vento) non ci basta lo smorzamento interno intrinseco perché abbiamo necessità di limitare gli spostamenti e sollecitazioni interne alla struttura.

Abbiamo più possibilità:

• Strutture progettate in «Gerarchia delle resistenze», e quindi «duttili»: sfruttiamo la dissipazione (quindi lo smorzamento) generata dalla isteresi dei materiali costituenti la struttura portante;

• In altri casi utilizziamo i dispositivi sismici smorzanti, cioè aggiungiamo smorzamento senza impegnare la struttura portante;

• Soluzione ulteriore: adottare dispositivi di isolamento alla base, in modo da limitare l’energia sismica in ingresso; il sistema però è sempre associato a un certo livello di smorzamento aggiuntivo.

Ne consegue che le soluzioni non sono sempre univoche e che per ogni situazione si deve trovare il sistema di smorzamento più adatto.

 

Alcuni esempi pratici

Vediamo alcuni esempi pratici:

CASO A: sfrutto la duttilità strutturale

Nell’immagine: Telaio più duttile (a sx) e telaio meno duttile (a dx -piano debole). Utilizzando i metodi classici del calcolo a rottura è facilmente calcolabile il lavoro di deformazione nei due casi e quindi le capacità dissipative.

PLV:
Lve = Lvi

Esempi:

1. Struttura metallica a controventi eccentrici. La struttura è duttile.

Le sezioni critiche, in questo caso, sono quelle dei conci deputati alla plasticizzazione e le sezioni sono soggette a presso-flessione e taglio.

La struttura attinge quindi gli spostamenti tipici di un telaio e realizza molti cicli di isteresi stabili.
Garantisce alti livelli di smorzamento isteretico, con durata sino alla fine dell’azione e del moto.

 

 

2. Struttura metallica a controventi concentrici. La struttura non è duttile.

In questo caso i cicli di isteresi sono irregolari e vanno restringendosi.
Il comportamento quindi non è affidabile nel tempo per cui è prudenziale mantenere la struttura in campo elastico; ne consegue che devo reggere le azioni integralmente, senza sconti, oppure inserisco dispositivi.

 

 

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L'articolo continua con la trattazione di:

• Come si progetta quindi una struttura che sfrutta la duttilità strutturale?
  
• Metodo del Fattore di Comportamento “q”
  
• Tipologie di dispositivi
  
• Applicazioni reali

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Ringrazio FIP e ISAAC per le immagini, e l’ing. Francesco Iorio per le immagini fornite e l’autorizzazione a pubblicarle.