Campanile in muratura: i dispositivi AMD di ISAAC riducono il rischio sismico

L’ambizioso progetto di valutazione della risposta sismica ante e post intervento di consolidamento su strutture storiche come campanili e celle campanarie ha raggiunto un primo importante traguardo. Ne avevamo parlato anche in un precedente articolo.

I test sperimentali condotti da ISAAC su un campanile in muratura costruito in scala reale presso i laboratori EUCENTRE di Pavia hanno prodotto risultati significativi.

L’uso combinato del sistema Active Mass Damper (AMD) di ISAAC e delle tecnologie di consolidamento Mapei è stato studiato per proteggere queste strutture fragili dai danni causati dai terremoti, preservandone il valore storico e culturale.

Le prove su tavola vibrante, che hanno simulato eventi sismici come i terremoti dell’Emilia (2012, magnitudo 5.9) e del Montenegro (1979, magnitudo 6.9), hanno evidenziato l’efficacia del sistema AMD. In particolare, i risultati mostrano una riduzione degli spostamenti massimi del campanile pari al 70% nel caso di scosse moderate (50% del terremoto dell’Emilia) e al 60% per scosse di intensità maggiore (100% del terremoto del Montenegro).

Oltre alla significativa riduzione degli spostamenti, l’AMD ha dimostrato di limitare il fenomeno del “rocking”, ovvero il comportamento oscillante della struttura che si verifica quando perde aderenza alla base. Con il sistema AMD attivo, il rocking si manifesta solo in condizioni di sisma estreme e, anche in tali scenari, l’ampiezza e la durata delle oscillazioni risultano drasticamente ridotte rispetto ai test senza il dispositivo.

Ma vediamo i risultati nel dettaglio.

La prova sperimentale su un campanile in muratura in scala reale

ISAAC ha condotto una campagna di prove sperimentali su un campanile in muratura, costruito in scala reale appositamente per l’occasione, con la collaborazione di Mapei.

È stata studiata una soluzione combinata che comprende l’innovativo Active Mass Damper di ISAAC, unito ai sistemi avanzati di MAPEI per la protezione sismica. Queste due tecnologie all’avanguardia sono state applicate alla struttura del campanile, che è stato posizionato su una tavola vibrante e sottoposto a una serie di scosse sismiche di varia intensità.  

Che cosa è un ACTIVE MASS DAMPER (AMD)
Un AMD (dall’acronimo inglese Active Mass Damper) è uno smorzatore attivo di vibrazioni, un dispositivo che nasce proprio dall’esigenza di eliminare, o ridurre, le oscillazioni a cui le strutture si trovano soggette. Si tratta di una massa oscillante, libera di muoversi in una o più direzioni, azionata da un attuatore meccanico in grado di generare forze elevate, installata su una struttura al fine di ridurne le oscillazioni in presenza di un’oscillazione indotta, per esempio, dall’azione sismica.
La forza generata dall’AMD dipende dalla lettura in tempo reale dei sensori accelerometrici installati in punti significativi della struttura e segue una legge di controllo definita in fase di progetto, che permette il raggiungimento delle performance di riduzione delle vibrazioni desiderate.

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 I test sono stati condotti presso i prestigiosi laboratori EUCENTRE di Pavia, riconosciuti a livello europeo come un centro di eccellenza per la ricerca in ambito sismico.

I terremoti presi in esame, che abbiamo scelto di riprodurre ad intensità crescente, sono stati quello dell’Emilia del 2012 (magnitudo 5,9) e quello del Montenegro del 1979 (magnitudo 6,9).

L’obiettivo dei test condotti da ISAAC e Mapei

Questa attività sperimentale mira a dimostrare l’efficacia delle soluzioni proposte nella protezione delle strutture storiche dai danni causati dai terremoti, contribuendo così a preservare il patrimonio culturale con tecnologie di ultima generazione.
I test appena svolti sono infatti il punto di partenza di un percorso finalizzato a proteggere il nostro passato e a costruire un futuro più sicuro.

 In che modo l’Active Mass Damper di ISAAC è migliorativo?

I primi risultati delle prove

A seguito delle prove sperimentali in oggetto, possiamo apprezzare i primi risultati emersi dai test.

La riduzione dello spostamento della struttura

L'azione dell'AMD permette in primis di ridurre significativamente gli spostamenti della struttura del campanile mantenendone la risposta in campo lineare.

Come si evince dai grafici di confronto (sotto) è possibile osservare una significativa riduzione dello spostamento del campanile. Nei due sismi mostrati ad esempio sotto si può osservare una riduzione sugli spostamenti massimi in sommità pari al 70% per il terremoto dell’Emilia al 50% di intensità e al 60% con terremoto del Montenegro al 100% di intensità.

Il fenomeno del “rocking”

Un parametro che si utilizza tipicamente per effettuare una rapida valutazione dello stato di danneggiamento di una struttura è la frequenza di risonanza della struttura stessa, detta frequenza propria. La frequenza propria dipende dalla rigidezza degli elementi strutturali e si abbassa quando questi si degradano.

Durante i test la frequenza propria del campanile è stata misurata in seguito a ogni sisma imponendo alla tavola vibrante un’eccitazione random (“White Noise”) e misurandone la frequenza principale di risposta.

Si è osservata una riduzione lieve di questo valore, più accentuata durante i test con AMD OFF, che ha portato la struttura da un valore di partenza di 4 Hz a un valore alla fine della fase di test di 3.3 Hz.

Questo dato, per quanto utile, non è sufficiente a caratterizzare il comportamento di una struttura in muratura durante un sisma. Il limite di questo tipo di analisi si osserva quando intervengono sulla struttura fenomeni non lineari, quali quelli del “rocking”, che si verificano solo per terremoti che superano una certa intensità.

Il fenomeno del «rocking» accade quando la struttura si «stacca» dal piano di appoggio e si comporta come un corpo rigido.

L'AMD elimina o limita significativamente l'insorgere del fenomeno di «rocking» della struttura.

Il fenomeno di «rocking» che si è innestato durante i test fa sì che durante il sisma la frequenza di risposta della struttura sia più bassa di quella identificata per piccole sollecitazioni durante l’identificazione dinamica con White Noise.

Mentre, per la struttura non controllata, l’insorgenza significativa del rocking avviene per intensità di sismi dal 40% o superiori, con l’AMD la si osserva solo a partire dal 70% di intensità (come dimostrato dal confronto al 50% di intensità dove non si osserva l’insorgere del fenomeno con AMD ON mentre si osserva l’oscillazione a bassa frequenza con AMD OFF).

Per livelli di intensità maggiori di sisma (es. al 100% del terremoto dell’Emilia, in figura sotto).

Il fenomeno di rocking si verifica anche con AMD ON seppur con ampiezza inferiore e soprattutto per una durata molto inferiore rispetto al caso di AMD OFF, in quanto viene smorzato dopo appena un paio di oscillazioni riportando la struttura in campo lineare ben prima di quanto avvenga naturalmente con AMD OFF (confronto in figura sotto).

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Conclusioni

Riconoscendo l’importanza di proteggere i campanili e altre strutture storiche in muratura, simboli di cultura, e consapevoli del potenziale impatto positivo della nostra tecnologia, l’impegno di ISAAC va oltre, mirando alla diffusione di una cultura di prevenzione sismica all’avanguardia.

Quella di ISAAC, non è solo una semplice ricerca di soluzioni innovative nella mitigazione del rischio sismico per edifici e strutture di valore storico e culturale, ma un vero e proprio passo avanti in direzione della prevenzione sismica.