Dissipazione sismica: diverse tecnologie, un solo obiettivo
I dispositivi antisismici sono utilizzati per il miglioramento e l’adeguamento sismico di edifici e infrastrutture esistenti o per conferire prestazioni sismiche più elevate a nuove strutture.
La dissipazione di energia è uno dei meccanismi più efficaci per migliorare il comportamento delle strutture soggette a terremoto. L’obiettivo di questi dispositivi è assorbire una parte significativa dell’energia trasmessa dal sisma, trasformandola in calore, riducendo le sollecitazioni negli gli elementi strutturali.
Non tutti i dissipatori, però, funzionano allo stesso modo. Alcuni sfruttano la deformazione plastica dell’acciaio, altri l’attrito tra superfici, altri ancora la resistenza viscosa di un fluido. Per questo motivo è utile distinguere con chiarezza tra dissipatori isteretici (a plasticizzazione), dissipatori ad attrito e dissipatori fluido-viscosi: tecnologie diverse, ciascuna con uno specifico campo di efficacia.
Si possono individuare diverse tipologie di dispositivi in funzione del loro funzionamento e del loro comportamento in caso di sisma.
Dissipatori isteretici: energia dissipata attraverso la deformazione plastica di elementi metallici
I dissipatori isteretici sfruttano la deformazione plastica di elementi in acciaio o l’attrito tra superfici a contatto. Il loro comportamento è descritto da un legame forza-spostamento non lineare, stabile per i cicli richiesti e sostanzialmente indipendente dalla velocità. Dal punto di vista meccanico, il ciclo isteretico di questi dispositivi può essere descritto come bilineare di tipo elasto-plastico. A una prima fase elastica, contraddistinta da una rigidezza iniziale, segue una fase plastica nella quale avviene la dissipazione dell’energia. Proprio questo comportamento ciclico consente ai dissipatori isteretici di fornire alla struttura un’elevata capacità di smorzamento.
Dissipatori ad instabilità impedita: energia dissipata tramite plasticizzazione del materiale per sollecitazione assiale
I dispositivi antisismici ad instabilità impedita sono una particolare categoria di dispositivi isteretici, con cui generalmente si realizzano dei controventi. Presentano un nucleo di acciaio confinato all’interno di un tubo riempito di malta cementizia per satabilizzare il nucleo. Il materiale dissipativo e quello di confinamento sono separati da una superficie volta a ridurne al minimo l’attrito.
Questi dispositivi trovano impiego generalmente in controventi inseriti in strutture in cui è richiesta una significativa rigidezza iniziale. I controventi possono avere lunghezza pari all’interasse tra i punti collegati (BRB Buckling Restrained Braces) oppure realizzati mediante l’accoppiamento di un elemento rigido con un elemento dissipativo BRAD (Buckling Restrained Axial Damper).
In questi sistemi la dissipazione avviene attraverso cicli di trazione e compressione di un elemento metallico, mentre la configurazione del dispositivo impedisce i fenomeni di instabilità.
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Dissipatori rotazionali ad attrito: dissipazione mediante frizione controllata
I dissipatori ad attrito dissipano l’energia sismica attraverso l’attrito tra superfici a contatto.
Nella configurazione più diffusa l’attrito avviene per rotazione reciproca di superfici a stretto contatto. Sono formati da piastre collegate con bulloni; il serraggio genera la forza normale necessaria allo sviluppo della forza di attrito.
Le piastre metalliche poste a contatto tra loro sono precaricate attraverso dei bulloni, mediante serraggio che genera la forza normale grazie alla quale si sviluppa l’attrito. I dissipatori rotazionali ad attrito non subiscono degrado del ciclo di isteresi anche per il ripetersi di azioni sismiche nel tempo e mantengono inalterata la propria capacità dissipativa. Il funzionamento del dispositivo è innescato una volta raggiunto un momento di scorrimento e non una forza.
Rispetto ad un tradizionale dispositivo a snervamento i cicli di dissipazione risultano stabili anche a fronte di un numero molto elevato di ripetizioni.
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Dissipatori viscosi: smorzamento delle vibrazioni attraverso un fluido senza irrigidire la struttura
I dissipatori fluido-viscosi sono cilindri idraulici che dissipano energia trasformandola in calore attraverso il passaggio di un fluido viscoso in fori calibrati o valvole. Generano una forza resistente proporzionale alla velocità dello spostamento e in controfase rispetto al moto.
Il loro vantaggio principale è che riescono a ridurre spostamenti e accelerazioni senza modificare in modo significativo la rigidezza della struttura.
Sono particolarmente efficaci nelle strutture molto flessibili, dove consentono di aumentare la dissipazione senza alterare il periodo proprio strutturale.
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Dispositivi di vincolo temporaneo: collegamento rigido per azioni impulsive
Questi dispositivi sono costituiti da un cilindro idraulico riempito di fluido ad alta viscosità; per movimenti lenti (variazioni termiche), il fluido fluisce attraverso apposite valvole offrendo una resistenza trascurabile allo spostamento. Per effetto di movimenti impulsivi, il fluido “blocca” il pistone, rendendo il dispositivo un collegamento rigido.
Trova applicazione negli edifici in presenza di giunti per collegare diversi corpi strutturali in caso di sisma, anche in ponti e viadotti.
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Tabella comparativa tra le differenti tipologie di dispositivi di dissipazione
| Tipologia Dissipatori | Principio fisico | Dipendenza della dissipazione | Vantaggi | Limiti |
|---|---|---|---|---|
| Isteretici | Deformazione plastica di elementi metallici | Spostamento | Affidabilità nel tempo, alto smorzamento | Assenza di ritorno elastico, possibile sostituzione post-sisma |
| Ad instabilità impedita | Deformazione plastica per sollecitazione assiale di un elemento in acciaio vincolato all’instabilità | Spostamento | Stabilità nel tempo | Irrigidimento della struttura, possibile sostituzione post-sisma |
| Rotazionali ad attrito | Attrito tra superfici compresse | Spostamento | Economici, affidabilità nel tempo, alto smorzamento, non necessitano di sostituzione dopo il sisma | Assenza di ritorno elastico, sensibilità a temperature estreme |
| Fluido-Viscosi | Resistenza di un fluido viscoso in un cilindro con fori calibrati | Velocità | Riduzione di accelerazioni e spostamenti senza aumentare sensibilmente la rigidezza | Costo più elevato, manutenzione, sensibilità alla temperatura |
Principali vantaggi dei dispositivi antisismici
L’applicazione dei dispositivi consente, in caso di terremoto, di ridurre drasticamente i danni all’edificio concentrando sui dispositivi stessi il danno provocato dai terremoti preservando la struttura oltre, naturalmente, a garantire la sicurezza delle persone.
Il loro utilizzo sul patrimonio esistente, riduce l’invasività delle opere (ad esempio evitando interventi sulle fondazioni), e permette di limitare sensibilmente i casi in cui è necessario interrompere l’attività lavorativa durante l’esecuzione degli interventi.
In quali casi sono utili
Questi dispositivi vengono generalmente installati in tutti i punti della struttura che subiscono spostamenti relativi, ad esempio per realizzare controventi dissipativi. Grazie alla loro flessibilità progettuale e alle elevate performance in termini di smorzamento, sono spesso utilizzati negli interventi di miglioramento sismico di strutture esistenti in cemento armato, come:
- scuole
- ospedali
- edifici multipiano
- edifici direzionali
- complessi commerciali
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