Introduzione
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INTRODUZIONE
Osservazioni introduttive
L’evento sismico è stato da sempre considerato dall’uomo uno dei maggiori
pericoli per l’esistenza degli edifici, delle cose e per la sua stessa
sopravvivenza.
Per questo motivo l’uomo da sempre ha cercato, attraverso la prevenzione, di
adottare tecniche costruttive idonee a ridurre i danni provocati dai sismi.
Ha poi cercato, attraverso lo studio e la ricerca, di migliorare la prevenzione
mediante la sperimentazione e la verifica di nuovi sistemi costruttivi atti a
minimizzare gli effetti negativi dei sismi, sia sulle strutture che sulle cose, e
conseguentemente sulle persone.
Inoltre, per le notevoli implicazioni sociali, le numerose catastrofi provocate
dai terremoti del passato e dei tempi recenti hanno spinto gli Stati ad adottare
normative che impongono, se pur in maniera diversa tra di loro, tecniche
costruttive idonee a ridurre gli effetti dannosi provocati dai sismi.
Solo fino a qualche decennio fa l’attenzione della tecnologia convenzionale
era concentrata quasi esclusivamente sulla struttura delle costruzioni ed
ancora oggi i metodi di difesa antisismica, recepiti nelle diverse normative e
messe a punto dai diversi Stati, sono quasi tutti esclusivamente basati sul
rinforzo delle strutture. Queste, secondo tali normative, devono essere
progettate per resistere, anche se con danneggiamento, agli effetti dinamici a
cui sono soggette le masse portate, per effetto delle accelerazioni orizzontali
del terreno: alla fine dell’evento le masse risultano danneggiate, ma in genere
riparabili, mentre tutti gli elementi rigidi non strutturali, quali tavolati e
rivestimenti, risultano fortemente danneggiati o distrutti.
Inoltre, per effetto dell’elevata rigidezza iniziale della struttura, le
accelerazioni sismiche, che vengono fortemente amplificate ai piani superiori,
possono proiettare violentemente contro le pareti arredi e attrezzature, con
conseguenze disastrose per le persone e le cose.
In sostanza, la tecnologia convenzionale, per difendere gli edifici dai
terremoti, li rinforza e li rende particolarmente robusti, ma punta
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esclusivamente sulla loro capacità di resistere alle scosse: dà per scontato che
l’energia del terremoto debba entrare e scaricarsi all’interno delle costruzioni.
Nell’ultimo ventennio, è stato fatto un notevole passo avanti nella
sperimentazione di soluzioni costruttive innovative ed alternative a quelle
convenzionali, grazie sia al contributo dell’alta tecnologia che al contributo
della ricerca nel campo dell’ingegneria sismica.
Tali tecnologie, da un punto di vista applicativo, si possono distinguere
sommariamente in quattro categorie:
1. La prima, basata sul controllo attivo della struttura, è ancora in fase di
sperimentazione. Essa richiede strumentazione e servomeccanismi attivi
(sensori e dispositivi elettronici) che devono essere soggetti a controllo
permanente anche per decine di anni prima di entrare in funzione in
occasione di un evento sismico. Il controllo è attuato mediante
l’applicazione di forze contrarie a quelle inerziali, oppure con la modifica
di grandezze specifiche, quali ad esempio la rigidezza e lo smorzamento.
In tale sistema, quindi, si presenta il problema dell’affidabilità;
2. La seconda, basata sul controllo passivo della dinamica della struttura, si
è dimostrata già efficace, economica e collaudata positivamente;
3. la terza categoria è basata su un controllo ibrido, in cui un controllo
attivo viene applicato ad una struttura già dotata di controllo passivo;
4. la quarta categoria, quella del controllo semiattivo è la piø recente e
consiste nel regolare i parametri principali del sistema in tempo reale,
senza introdurre ulteriori aliquote di energia di controllo nel sistema, ma
derivando l’energia necessaria direttamente dal moto della struttura.
Dal punto di vista applicativo tutte queste tecnologie possono essere
realizzate con l'utilizzo di sistemi di isolamento o di dissipazione di energia
che rappresentano oggigiorno due delle tecniche piø efficaci per la protezione
di strutture civili da eccitazioni di tipo dinamico.
La loro azione sul comportamento strutturale è, in un certo senso,
complementare: gli isolatori posti alla base delle strutture consentono di
abbattere il periodo della struttura e, nel caso di azioni sismiche, di filtrare
Introduzione
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l'energia derivante dal movimento del suolo, i dissipatori aumentano invece la
capacità di smorzamento della struttura.
Quest'ultima rappresenta una delle piø recenti tecniche di smorzamento degli
effetti dinamici sulle strutture civili, sia conseguenti ad azioni sismiche che a
vibrazioni indotte da altre cause, quali ad esempio il vento.
I dissipatori risultano particolarmente indicati nel caso di strutture che, per
loro natura, non possiedono una sufficiente capacità di smorzamento, quali ad
esempio strutture metalliche, strutture isostatiche di altezza significativa
(pensiline, serbatoi pensili, etc.) o impalcati da ponte.
Per queste tipologie di strutture l'utilizzo di dissipatori è spesso associato
all'impiego di classici sistemi di isolamento (tipo ad esempio isolatori LRB -
Lead Rubber Bearing) o di innovativi sistemi basati sulla dissipazione di
energia attraverso l’attrito.
Lo studio dell'efficacia e dell'affidabilità dei sistemi dissipativi e di
isolamento deve essere condotto necessariamente a due livelli, quello
sperimentale e quello teorico-numerico.
Sul piano sperimentale è necessario condurre le indagini, necessariamente in
campo dinamico, per caratterizzare la legge costitutiva del dissipatore
(evidenziando ad esempio la dipendenza del coefficiente di smorzamento
dalla frequenza di eccitazione) e la risposta dinamica dell'isolatore.
Mediante indagini di tipo numerico è possibile quindi verificare l'efficacia di
tali sistemi per un dato sistema strutturale e per una data tipologia di
eccitazione dinamica (es. vento o sisma), effettuando, quindi, il
dimensionamento del sistema.
Oggetto della presente tesi
Nella presente tesi è stato condotto uno studio dei sistemi di isolamento
sismico e di dissipazione di energia su due livelli: quello sperimentale e
quello teorico-pratico.
Parte delle tesi è stata svolta all’estero, presso il Department of Civil
Enginneering dell’Università della California, San Diego,(vedi figura I.1) che
ha una esperienza nel campo dell'ingegneria sismica tra le piø importanti al
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mondo, sia dal punto di vista della conduzione di attività sperimentali che
della modellazione numerica.
Figura I.1: Università della California, San Diego USA
Presso tale struttura è presente l’unica tavola vibrante progettata
specificatamente per prove, in scala reale, su isolatori e dissipatori, e
rappresenta, al momento l'apparecchiatura di prova dotata delle piø alte
capacità al mondo in termini di forza applicata, velocità ed entità di
spostamento. Su di essa vengono eseguite prove anche per conto del
California Department of Transportation e di produttori di dissipatori ed
isolatori.
Durante il soggiorno negli USA sono state seguite prove di caratterizzazione
dinamica su isolatori elastomerici con cuore di piombo, i cosiddetti LEAD
RUBBER BEARING (LRB), condotte su tavola vibrante e che erano in fase di
conclusione presso tale laboratorio.
Tali prove hanno riguardato isolatori soggetti a carico ciclico a velocità
crescenti.
Sulla base dei dati sperimentali ottenuti è stato proposto un modello di
comportamento isteretico di tali isolatori mediante la calibrazione di
parametri utilizzati in un recente modello proposto da Aiken e migliorato con
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l’introduzione della dipendenza delle caratteristiche meccaniche dell’isolatore
dalla velocità di applicazione del carico.
Inoltre, è stato completato il modello proposto mediante l’introduzione del
fenomeno del degrado della rigidezza dell’isolatore, tra un ciclo di
caricamento e l’altro.
Il funzionamento del modello ottenuto è stato, poi, testato attraverso la sua
applicazione ad un esempio strutturale, mediante l’utilizzo di un programma
di calcolo numerico, in linguaggio MATLAB, studiandone il comportamento
per eccitazioni di tipo sinusoidali ed accelerogrammi sismici.
Infine il lavoro è stato arricchito e completato da un’ampia ricerca di
documentazione aggiornata sulle varie tipologie di isolatori e smorzatori
esistenti in commercio e sui modelli di previsione presenti in letteratura.
In particolare, dopo aver illustrato il quadro generale del controllo delle
vibrazioni e la descrizione delle caratteristiche e del funzionamento dei piø
comuni dispositivi di isolamento e di dissipazione di energia, il lavoro si è
concentrato sullo studio degli isolatori, in particolare gli isolatori di gomma
con cuore di piombo (LRB).
Per tali dispositivi di isolamento sono state studiate le modellazioni già
proposte in letteratura, tra le quale quella di Aiken (1997).
CAPITOLO I: Tecniche per la protezione sismica degli edifici
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CAPITOLO I
TECNICHE PER LA PROTEZIONE SISMICA DEGLI
EDIFICI
1.1 Controllo delle vibrazioni
Una possibile classificazione delle tecniche di protezione sismica delle
strutture può essere riepilogata nella figura 1.1.
CONTROLLO
PASSIVO
CONTROLLO
ATTIVO
CONTROLLO
IBRIDO
Le caratteristiche
dei dispositivi (iso-
latori o dissipatori)
sono stabilite in
fase di progetto e
rimangono tali per
tutta la vita della
struttura.
Le caratteristiche dei
dispositivi sono
aggiornate in funzione
di una istantanea
lettura di specifiche
caratteristiche della
risposta strutturale.
Un controllo
attivo viene
applicato ad
una struttura
già dotata di
controllo
passivo.
CONTROLLO
SEMIATTIVO
La regolazione
dei parametri
principali del
sistema viene
fatta derivando
l’energia dal
moto della
struttura stessa.
ISOLAMENTO
SISMICO
DISSIPAZIONE
DI ENERGIA
TECNICHE PER LA PROTEZIONE SISMICA DEGLI EDIFICI
Figura 1.1: Classificazione delle tecniche per la protezione sismica delle strutture.
CAPITOLO I: Tecniche per la protezione sismica degli edifici
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Nell’ultimo decennio la ricerca di strategie "non convenzionali" di
protezione sismica delle strutture ha fatto registrare straordinari avanzamenti.
La prima e seconda Conferenza Mondiale sul Controllo Strutturale nel 1994 e
nel 1998, sono state frequentate da oltre 700 partecipanti provenienti da 17
paesi e hanno dimostrato il generale interesse sul controllo strutturale.
E’ possibile riconoscere una comune linea di pensiero dei diversi approcci
innovativi proposti, che si potrebbe definire del “Controllo delle vibrazioni”,
in quanto la sua filosofia consiste principalmente nell’intento di regolare
"artificialmente", e cioè con organi non propriamente strutturali, la risposta
dinamica delle costruzioni, al fine di ridurre le vibrazioni indotte dal vento o
dal sisma.
Attualmente la ricerca, sia in Italia che negli altri paesi ad elevato rischio
sismico, è volta a sviluppare sistemi avanzati, in grado di interagire
attivamente e in tempo reale con la struttura durante il sisma o altre azioni a
carattere dinamico, come il vento e le vibrazioni ambientali, modificandone il
comportamento a seconda del tipo di eccitazione e del risultato che si vuole
ottenere (riduzione delle accelerazioni, delle deformazioni o delle forze).
Una struttura convenzionale ha un comportamento del tipo di figura 1.2.
Figura 1.2: Comportamento di una struttura convenzionale.
Il vasto filone del Controllo delle Vibrazioni contiene quattro approcci
distinti:
- il controllo passivo,
- il controllo attivo,
- il controllo ibrido,
- il controllo semiattivo.
Struttura
Eccitazione
Risposta
CAPITOLO I: Tecniche per la protezione sismica degli edifici
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1.1.1 Controllo passivo
Comprende l’insieme dei sistemi le cui caratteristiche, pur essendo altamente
non lineari, sono stabilite in fase di progetto e rimangono tali per tutta la vita
della struttura.
Sono sistemi passivi:
- L’Isolamento Sismico,
- la Dissipazione Supplementare di Energia,
- lo Smorzamento di Massa.
Una struttura dotata di controllo passivo è dotata di energia di dissipazione
passiva (PED: passive energy dissipation) come mostrato in figura 1.3.
Figura 1.3: Comportamento di una struttura dotata di controllo passivo.
In pratica, i dispositivi passivi vengono dimensionati per funzionare al meglio
durante la fase di massima intensità del terremoto di progetto.
In realtà, per terremoti di intensità minore (o eventualmente anche maggiore,
in caso si verifichi un evento inatteso), il loro funzionamento non è ottimale.
Ciò è praticamente ininfluente nella maggior parte delle applicazioni,
soprattutto nel campo delle abitazioni civili.
Esistono però edifici, come per esempio gli ospedali, i musei, le sale di
controllo ed elaborazione dati, i cui contenuti hanno un valore superiore a
quello dell’intera struttura che li contiene.
In questi casi è indispensabile fornire la massima protezione possibile a
fronte di ogni evento.
Questo non sarebbe possibile, per esempio, per edifici dotati di isolatori
sismici passivi e costruiti in zone a sismicità estremamente elevata, come il
Giappone, la California e la Turchia.
In questi casi è necessario prevedere altri tipi di controlli.
Struttura
Eccitazione
Risposta
P E D
CAPITOLO I: Tecniche per la protezione sismica degli edifici
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1.1.2 Controllo attivo
Il controllo attivo comprende, invece, l'insieme di quei sistemi che
intervengono nel processo dinamico mediante apporto di potenze meccaniche
esterne in funzione dello stato istantaneo generato dall'insieme delle azioni
applicate al sistema, in modo da regolarne piø favorevolmente il processo
dinamico. Pertanto, le caratteristiche dei dispositivi sono aggiornate in
funzione di un rilievo in tempo reale di specifiche caratteristiche della
risposta strutturale.
La Dissipazione Supplementare di Energia può essere anche un sistema attivo.
Una struttura dotata di controllo attivo ha una configurazione di base
mostrata nella figura 1.4.
ed è composta da:
- sensori localizzati sulla struttura per misurare le piø alte eccitazioni
esterne;
- dispositivi utili per elaborare le informazioni e per calcolare le forze di
controllo necessarie, utilizzando un certo algoritmo di controllo;
Struttura
Eccitazione
Risposta
Attuatori di
controllo
Sensori
Computer
Sensori
Figura 1.4: Configurazione di una struttura dotata di controllo attivo.
CAPITOLO I: Tecniche per la protezione sismica degli edifici
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- attuatori per produrre la forza richiesta, usualmente attivati da risorse
esterne.
Individuare gli istanti di tempo piø opportuni per l’attivazione o meno dei
dispositivi è compito dell’algoritmo di controllo, un criterio fisico-
matematico che ha lo scopo di ottimizzare la risposta della struttura alle
sollecitazioni dinamiche.
Lo scopo dei dispositivi attivi è in pratica quello di dotare l’edificio di ‘senso
dell’equilibrio’, cercando di simulare il comportamento del corpo umano, nel
quale il cervello elabora i dati trasmessi dai sensi e, tramite il movimento dei
muscoli, si adatta agli spostamenti imposti dal terreno. Nel corpo umano
questo ‘algoritmo di controllo’ è un fatto istintivo che porta automaticamente
a spostare braccia e gambe per cercare l’equilibrio quando il terreno si sposta
sotto i piedi (per esempio in autobus, durante frenate o accelerazioni), vedi
figura 1.5.
Figura 1.5: Lo scopo dei sistemi attivi e semiattivi
per il controllo delle vibrazioni è di dotare l’edificio
di ‘senso dell’equilibrio’ cercando di simulare il
comportamento del corpo umano.
Ciò non può essere ovviamente fatto con i dispositivi passivi, i quali si
oppongono sempre e comunque alla deformazione della struttura e alle forze
inerziali create dal terremoto.
Durante un sisma, ci sono istanti in cui, paradossalmente, il terremoto lavora
‘a favore’ della struttura, come mostrato in figura 1.6.
CAPITOLO I: Tecniche per la protezione sismica degli edifici
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Figura 1.6: Nel caso A l’eccitazione sismica
provoca la deformazione della struttura; nel caso
B, il terremoto aiuta la struttura a ritornare nella
posizione iniziale.
Attivare attuatori idraulici, aprire e chiudere servovalvole e spostare pesanti
masse inerziali richiede potenza e, soprattutto, tempo. Se ciò può essere fatto
con successo nel caso dell’azione del vento (tutto sommato abbastanza lenta),
risulta estremamente difficoltoso seguire le repentine accelerazioni di un
terremoto, anche se alcuni sistemi lo fanno.
1.1.3 Controllo ibrido
Tale controllo consiste nell'applicazione di un sistema di regolazione attivo
ad un sistema già dotato di controllo passivo.
Il vantaggio è che, a parità di prestazioni, forze ed energie di regolazione
sono generalmente piø ridotte di quelle necessarie alla regolazione di un
sistema privo di controllo passivo.
Una struttura dotata di controllo ibrido ha una configurazione di base
mostrata in figura 1.7.
CAPITOLO I: Tecniche per la protezione sismica degli edifici
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1.1.4 Controllo semiattivo
¨ stato introdotto piø recentemente e consiste nel regolare i parametri
principali del sistema in tempo reale senza introdurre nel sistema ulteriori
energie per il controllo. Con tale approccio le azioni di controllo sono
generate derivando l’energia necessaria direttamente dal moto della struttura,
non sono quindi necessarie ulteriori energie oltre quelle che servono a
regolare appositi dispositivi capaci di variare le grandezze fisiche della
struttura da controllare. Una struttura dotata di controllo semiattivo ha una
configurazione di base mostrata in figura 1.8.
Il controllo semiattivo richiede una bassissima potenza e, in caso di
malfunzionamento, garantisce comunque un certo livello di protezione
‘passiva’.
Struttura
Eccitazione
Risposta
Attuatori di
controllo
Sensori
Computer
Sensori
PED
Figura 1.7: Configurazione di base di una struttura dotata di controllo ibrido.
CAPITOLO I: Tecniche per la protezione sismica degli edifici
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Inutile dire che il controllo semiattivo costituisce al momento la filosofia piø
promettente. Nonostante ciò, le prime ricerche e applicazioni, condotte in
Giappone nei primi anni ’90, hanno riguardato il controllo attivo. Lo scopo di
queste sperimentazioni è stato quello di ridurre gli effetti dell’azione del
vento su edifici alti e flessibili, al fine non tanto di aumentarne la sicurezza,
ma il comfort.
1.2 Dispositivi per il controllo delle vibrazioni
1.2.1 Gli isolatori
L'isolamento sismico consiste nell'interposizione, tra le fondazioni e la
sovrastruttura, di elementi con elevata deformabilità orizzontale ed elevata
Struttura
Eccitazione
Risposta
Attuatori di
controllo
Sensori
Computer
Sensori
PED
Figura 1.8: Configurazione di base di una struttura dotata di controllo semiattivo.
CAPITOLO I: Tecniche per la protezione sismica degli edifici
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rigidezza assiale (verticale), che disaccoppiano il moto della struttura da
quello del terreno, così da ridurre la trasmissione, alla sovrastruttura, della
energia cinetica fornita dall’azione sismica.
Questo metodo si basa su un’intuizione di circa 2.500 anni fa. Nell’Historia
Naturalis Plinio il Vecchio racconta che il Tempio di Diana ad Efeso (Figura
1.9) era scampato alle piø violente scosse telluriche perchØ le sue fondamenta
erano protette da “uno strato di frammenti di carbone e da un altro di velli di
lana”. Quando arrivarono le scosse l’edificio sacro non ondeggiava
paurosamente, ma scivolava dolcemente sul terreno, e rimaneva indenne.
Figura 1.9: Tempio di Diana in Efeso
dedicato dai greci nel sec. XI a. c. ad
Artemide.
Anche in Cina, nella provincia di Sanxi nel 313 d.c., con tecniche analoghe,
era stato costruito un monastero che ha sfidato un terremoto di grado 8,2
della scala Richter.
Pur se di epoca piø recente altri esempi hanno dimostrano la bontà del metodo:
- il ponte Zhauzhou, costruito nel 581 nella provincia cinese di Herbei è
ancora in ottimo stato, pur avendo subito tre violenti terremoti.
- il Viadotto Somplago in Friuli fu il solo a restare in piedi dopo il
tremendo sisma del 1976.
Tutte queste strutture avevano in comune il principio dell’isolamento sismico
alla base.
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