dissipazione sismica

dissipazione sismica

dissipazióne sìsmica locuz. sost. f. – Tecnica avanzata di progettazione antisismica. S’intende con questa espressione il processo di attenuazione dell’energia sismica che entra all’interno di una struttura durante un terremoto, per mezzo dell’utilizzo di particolari apparecchiature in grado di incrementare il livello di smorzamento già naturalmente in possesso di una struttura. Tali dispositivi vengono utilizzati per collegare punti della struttura principale soggetti a spostamenti relativi. Esistono sostanzialmente due categorie di dissipatori sismici, attivi (o semiattivi) e passivi, a seconda che venga immessa o meno energia dall’esterno per il loro funzionamento.

Dissipazione passiva. – Fra i dispositivi di dissipazione passiva, i principali sono: dissipatori metallici isterici in acciaio, quelli ad attrito, viscoelastici, a massa accordata, a liquido accordato. I dissipatori metallici isterici in acciaio rappresentano una fra le tecnologie più efficaci: essi consentono di sfruttare le proprietà di deformazione anelastica di elementi in acciaio. A questo fine si utilizzano dispositivi appositamente progettati, che possono essere inseriti in posizioni prefissate dell’organismo strutturale; in tal modo si concentra la dissipazione postelastica in questi elementi, che divengono veri e propri elementi a perdere, da sostituire dopo il terremoto. I dissipatori ad attrito esplicano la loro azione attraverso l’attrito che si sviluppa all’interfaccia di due superfici solide che scorrono l’una relativamente all’altra; il loro funzionamento si basa sul lavoro delle forze (non conservative) di attrito secondo la teoria di Coulomb. In realtà, tali dispositivi non sembrano avere sempre un comportamento stabile, a causa di diversi fattori, fra cui le condizioni ambientali e il trascorrere del tempo, che possono modificare le caratteristiche delle superfici a contatto e quindi le condizioni di attrito, oltre che la dipendenza di quest’ultimo dalle forze di compressione agenti sulle superfici stesse, potenzialmente variabili durante il sisma. Fra le possibili applicazioni nel caso degli edifici, lo smorzatore può essere inserito nel punto d’incrocio di diagonali di S. Andrea utilizzate come controventi. I dissipatori viscoelastici si avvalgono di materiali polimerici o vetrosi che dissipano energia per effetto delle deformazioni tangenziali. Tali dispositivi, una volta inseriti nella costruzione, dissipano energia quando le vibrazioni strutturali producono scorrimenti relativi fra i due elementi (generalmente piastre metalliche) fra i quali è stato inserito il materiale con comportamento viscoelastico. Le applicazioni di tali dissipatori in campo sismico presentano maggiori problemi, quali la difficoltà di dissipare le grandi quantità di energia normalmente presenti durante un sisma di rilevante entità e di adattarsi ad ampie bande spettrali. Dissipatori di tipo viscoelastico erano presenti nelle Twin towers del World trade center a New York, per limitare le vibrazioni indotte dal vento. Nel caso dei dissipatori viscosi, l’azione si esplica tramite l’utilizzo di un fluido viscoso, che viene fatto deformare e poi eventualmente passare attraverso un’apertura. Tali dispositivi dissipano energia secondo una legge proporzionale alla velocità di deformazione e presentano una bassa resistenza alla deformazione quando i carichi sono applicati in maniera molto lenta, ma tale resistenza aumenta all’aumentare della velocità di applicazione delle forze. Molto interessanti sono i dissipatori a massa accordata (TMD, Tuned mass dampers); la loro azione si basa sulla presenza di una massa che, oscillando in controfase rispetto al sistema principale, ne riduce l’ampiezza di oscillazione, contrastando quindi il moto indotto dal terremoto. Il modello dinamico a esso associato è rappresentato da una massa vincolata al sistema principale, per es. un oscillatore a uno o più gradi di libertà, da una molla di rigidezza k e da uno smorzatore c. Scegliendo accuratamente la grandezza della massa m, le proprietà della molla e dell’ammortizzatore, si ottiene un sistema che attenua rapidamente il moto della massa maggiore (la costruzione da proteggere), facendo in modo che l’energia di vibrazione della struttura venga assorbita dalla massa smorzante. Nel caso di strutture con capacità di smorzamento basse e con un modo dominante, come i grandi grattacieli, il TMD è particolarmente efficiente nel ridurre il picco di risposta e la risonanza. Il problema di questo sistema risiede nel fatto che l’efficacia del dispositivo è assicurata soltanto per un modo di vibrare, cioè quello dominante per cui è tarato il dispositivo. Una recente e rilevante applicazione di tale tecnologia si trova nella protezione contro i terremoti e i tifoni del grattacielo Taipei 101 (Taipei financial center, Taiwan) che, con i suoi 101 piani fuori terra e 508 m, è attualmente uno tra gli edifici più alti del mondo. In questo caso la massa accordata di 660 t è sospesa mediante lunghi cavi, così da realizzare un pendolo la cui lunghezza è pari all’altezza di 5 piani, e collegata alla struttura del piano sottostante da 8 dissipatori viscosi. Il TMD di Taipei è stato il primo progettato per essere visibile da un piano mezzanino, integrandolo all’architettura dell’edificio. La peculiarità degli smorzatori utilizzati è la loro capacità di reagire con leggi costitutive diverse agli spostamenti indotti dal sisma o dal vento, che hanno velocità differenti. Una variante del TMD è il dissipatore a liquido accordato (TLD, Tuned liquid camper) che, per smorzare, utilizza una massa di liquido: l’ondeggiare del liquido in un serbatoio consente di dissipare energia. Questo sistema ha alcuni vantaggi, quali il basso costo e la semplicità di installazione e di un'eventuale variazione della frequenza (in tal caso è sufficiente, per es., variare la massa del liquido), e si è diffuso principalmente in Giappone per il controllo delle vibrazioni indotte dal vento. Nonostante un’effettiva riduzione delle azioni agenti sulle costruzioni, che può arrivare fino al 70%, i TLD, tuttavia, non si sono dimostrati efficienti come i TMD.

Dissipazione attiva. – Fra i dispositivi a controllo attivo (o semiattivo) si possono citare: dispositivi a massa attiva (active mass dampers); dispositivi a rigidezza attiva variabile (active variable stiffness); dispositivi ad attrito attivo (o variabile). I dispositivi a massa attiva sono i più impiegati tra i dispositivi a controllo attivo e sono simili ai TMD, potendo essere considerati come una loro evoluzione. La differenza risiede nella presenza di un martinetto che viene impiegato per posizionare la massa istante per istante, in modo da aumentare il campo di utilizzo del dispositivo e quindi il suo effetto di smorzamento a un campo più ampio di frequenze. I dispositivi a rigidezza attiva variabile si basano sulla possibilità di modificare la rigidezza della struttura, e quindi la sua frequenza naturale, in modo da evitare condizioni di risonanza; possono essere installati nei controventi per aumentare o diminuire la rigidezza a seconda della necessità. Sono costituiti da un cilindro idraulico, un pistone e una valvola di controllo. La regolazione della rigidezza del sistema avviene agendo sulla valvola; quando la valvola è aperta il fluido scorre liberamente e disimpegna la connessione trave-controvento, riducendo quindi la rigidezza strutturale e, viceversa, chiudendo la valvola la rigidezza aumenta. I dispositivi ad attrito attivo (o variabile) si basano sull’impiego di un attuatore elettromagnetico per variare lo smorzamento dovuto all’attrito; l’attuatore regola lo sforzo normale da trasferire a un controvento collegato al dispositivo. Assunto che la forza di attrito è proporzionale allo sforzo normale, variando l’attrito viene variata la dissipazione.