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Risposta sismica di edifici alti: dalle diagrids alle megastrutture

In questo lavoro si propone di sfruttare l’elevata efficienza elastica della tipologia diagrid e di impiegare un sistema di controllo delle vibrazioni per ridurre a priori le richieste in campo inelastico dovute alle azioni sismiche.

Le strutture diagrid, ampiamente utilizzate per gli edifici alti del terzo millennio, sono caratterizzate da un comportamento molto efficace in campo elastico. Grazie alla triangolazione della maglia, infatti, le sollecitazioni globali dovute a carichi verticali e orizzontali si traducono in regime di sollecitazione e di deformazione essenzialmente assiale nelle membrature della maglia strutturale.

Sotto azioni orizzontali, in particolare, tale comportamento dà luogo alla riduzione dell’effetto shear lag e della deformabilità tagliante. La risposta ad azioni orizzontali incrementali, tuttavia, evidenzia una scadente capacità di ridistribuzione plastica, con conseguenti valori bassi di duttilità globale, a fronte di una significativa sovraresistenza di progetto.

In questo lavoro, pertanto, si propone di sfruttare l’elevata efficienza elastica della tipologia diagrid e di impiegare un sistema di controllo delle vibrazioni per ridurre a priori le richieste in campo inelastico dovute alle azioni sismiche.


Le sfide della progettazione di edifici alti

La progettazione degli edifici alti pone gli ingegneri strutturisti di fronte a sfide sempre nuove. Infatti, in aggiunta alle richieste tradizionali di rigidezza e resistenza, imposte dall’altezza, o meglio dalla snellezza dell’edificio, all’aumentare della complessità morfologica si impone la ricerca di efficienza strutturale tramite soluzioni ottimizzate; tale approccio, peraltro, si sposa con principi di economia e di sostenibilità, sempre più stringenti in un’epoca di limitazione delle risorse e dell’avvento di nuovi materiali.

Infine, pur essendo tradizionalmente la progettazione delle strutture degli edifici alti condotta in campo elastico sotto azioni da vento, occorre sempre tener conto dell’effetto delle azioni sismiche, assicurando duttilità e capacità dissipativa, come per analoghi edifici medio-bassi.

La configurazione strutturale che meglio risponde alle richieste di rigidezza e resistenza flessionale per edifici alti è quella che impiega il concetto di tubo, che dà luogo ad un comportamento completamente tridimensionale dell’edificio. Le strutture diagrid rappresentano la soluzione definitiva nell’evoluzione applicativa del concetto di tubo. Ampiamente impiegate oggi negli edifici alti, le diagrid sono configurazioni strutturali perimetrali che sostituiscono alla classica maglia rettangolare trave-colonna una griglia triangolare costituita da sole travi e diagonali.

La maglia triangolare è utilizzata per assorbire sia i carichi gravitazionali che le azioni orizzontali dovute al vento e/o al sisma. Pertanto, le diagonali lavorano non solo come elementi di controvento ma anche come colonne inclinate, con un regime di sollecitazione e deformazione essenzialmente assiale.

L’ampio impiego delle diagrid per gli edifici alti (figura 1) è giustificato sia da motivi strutturali che architettonici: grazie al regime di sollecitazione e deformazione prevalentemente assiale, la maglia triangolare è molto  efficiente sia in termini di  rigidezza che  di resistenza,  e consente di ottenere le prestazioni richieste con ridotto impiego di materiale rispetto ad altri sistemi strutturali; inoltre la maglia triangolare consente di tassellare completamente qualsiasi superficie, garantendo una grande flessibilità nell’adattarsi a forme e geometrie anche molto complesse delle facciate degli edifici.

 

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FIGURA 1: Esempi di edifici diagrid, da sinistra: Leadehall Building, Hearst Tower, Swiss Re Building, Poly International Plaza, the Bow, Guangzhou West Tower, Capital Gate, Guohua Financial Tower.

 

Il beneficio in termini di efficienza strutturale, conseguente dall’assenza delle colonne verticali nella maglia puramente triangolare, è un punto chiave che rende il sistema unico nel suo genere e rende difficilmente applicabili i classici concetti di “capacity design” per la progettazione sismica. Risulta infatti impossibile l’individuazione di elementi strutturali dissipativi, ovvero elementi deboli che forniscono duttilità e capacità dissipativa, e di elementi strutturali non dissipativi, ovvero elementi forti che conservano la resistenza elastica e garantiscono la capacità portante per carichi gravitazionali anche a seguito di danneggiamento sismico.

Alcuni studi di ricerca affrontano il problema della valutazione del comportamento non lineare delle diagrid sotto azioni sismiche con analisi numeriche effettuate su base parametrica, al fine di individuare indicazioni sulla duttilità e sovraresistenza di tale tipologia. I risultati di tali studi invariabilmente evidenziano una scadente capacità della struttura di ridistribuire le sollecitazioni in campo plastico, con conseguenti valori di duttilità globale molto bassi, anche a fronte di una sovraresistenza di progetto considerevole.

A titolo di esempio in figura 2 si riporta la risposta di una struttura diagrid caratterizzata da un rapporto di snellezza H/B pari a 3 e angolo di inclinazioni delle diagonali pari a 60° . Per l’effetto combinato degli sforzi assiali di compressione dovuti ai carichi gravitazionali, taglio, momento ribaltante (figura 2b), dall’analisi elastica si evince che gli elementi più sollecitati sono le diagonali d’angolo dei moduli triangolari posti ai livelli inferiori dei telai d’anima (figura 2a).

Anche la sequenza delle cerniere plastiche, ottenuta da analisi non lineari sotto azioni orizzontali, conferma questo risultato, mostrando in corrispondenza di tali elementi la formazione delle prime cerniere plastiche e l’attingimento della massima escursione plastica, evidenziando quindi una scarsa capacità di ridistribuzione in regime inelastico (figura 2c e d). Risulta quindi evidente il ruolo cruciale delle diagonali d’angolo rispetto alle altre membrature, sia nella ripartizione delle sollecitazioni in campo elastico che nella sequenza di formazione di cerniere plastiche.

Nonostante ciò, le strutture diagrid si stanno diffondendo molto per edifici in zona sismica, anche di altezza medio bassa, per i quali i requisiti di duttilità e capacità dissipativa sono di primaria importanza. In queste situazioni il problema viene affrontato caso per caso e il più delle volte è risolto utilizzando o un sistema duale, composto da diagrid più nucleo duttile in cemento armato, o progettando edifici diagrid con sistema di isolamento alla base, come per gli edifici Sony City e Prada Boutique Aoyama di Tokyo (figura 3). In entrambe le soluzioni la diagrid è progettata per rimanere in campo elastico. La soluzione con sistemi di isolamento sismico, però, può essere ritenuta efficace solo per edifici con altezza ridotta, che presentano un periodo di oscillazione basso; per edifici alti o molto alti questo tipo di soluzione è di limitata efficacia.

 

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FIGURA 2: Facciata parallela all’azione orizzontale di una struttura diagrid con H/B = 3 e θ = 60°: (a) tasso di lavoro delle diagonali (DCR), (b) sforzi assiali nel modulo triangolare dovuti all’azione combinata di taglio e momento ribaltante, (c) curva push-over e legame della cerniera plastica secondo l’ASCE 41-13, (d) sequenza delle cerniere plastiche.

 

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FIGURA 3: Edifici diagrid con isolamento sismico alla base, da sinistra: Sony City (Tokyo), Prada Boutique Aoyama

 

 


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Articolo tratto da COSTRUZIONI METALLICHE 01/2021

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