Il sistema innovativo di protezione sismica a torri dissipative. Funzionamento ed applicazioni

Viene descritto il sistema innovativo di protezione sismica a “torri dissipative” concepito per la messa in sicurezza degli edifici esistenti che prevede la realizzazione di torri equipaggiate con dispositivi di dissipazione di energia, da disporre in modo opportuno all’esterno degli edifici stessi, senza interferire con gli spazi interni e senza interromperne la funzionalità.

È pertanto particolarmente adatto, ad esempio, per complessi scolastici ed ospedalieri costruiti con struttura a telaio c.a.. L’efficacia è garantita dalla notevole dissipazione di energia fornita dalle torri dissipative a cui consegue una sensibile riduzione della domanda negli elementi strutturali.

Oltre alla descrizione della funzionalità del sistema, vengono sinteticamente illustrate delle applicazioni significative soprattutto riferite a complessi ospedalieri, dove la non interruzione della funzionalità è di primaria importanza. Il sistema è coperto dal brevetto dell’Ing. Alessandro Balducci (Structural protection system for buildings - Patent application n. WO2010EP62748 20100831 – Classification International E04H9/02 concessione italiana n.0001395591 class. E04H) e presentato alla 41° edizione del Salone delle Invenzioni di Ginevra (Aprile 2013) è stato pluripremiato con medaglia d’oro e riconoscimento di merito della Giuria Internazionale.

Il sistema di protezione sismica con “torri dissipative”

Il sistema consiste nell’affiancare agli edifici esistenti torri sismo-resistenti dissipative, equipaggiate con dispositivi di dissipazione dell’energia, collocate in maniera opportuna all’esterno degli edifici medesimi e connesse agli stessi a livello di piano. Le torri sono collegate con pendoli rigidi agli impalcati di piano dell’edificio e vincolate alla base su un appoggio centrale a cerniera sferica e su dispositivi di dissipazione di energia perimetrali.

Al fine di esaltarne l’efficacia i dissipatori sono montati su manovellismi di amplificazione degli spostamenti e disposti radialmente in modo da risultare attivi in tutte le direzioni, per ogni movimento oscillatorio della torre. Il rientramento del sistema torre-edificio è garantito dalla forza di richiamo che l’edificio esistente può trasmettere grazie all’energia potenziale elastica immagazzinata. La capacità dissipativa complessiva del sistema “edificio – torri” è tale da garantire un livello di protezione sismica atto al conseguimento del pieno adeguamento del complesso con prestazioni ben superiori agli attuali standard di sicurezza previsti dalle normative vigenti, grazie allo sfruttamento ottimale dei dispositivi dissipativi posizionati alla base delle torri stesse.

Il sistema è nato proprio per rispondere alle esigenze di adeguare complessi edilizi di pubblica utilità, quali scuole o ospedali, eliminando i costi connessi all’interruzione ed al trasferimento delle attività in altre sedi e richiesti dai sistemi di protezione sismica tradizionali. La volumetria delle torri va inoltre ad aggiungersi a quella esistente e, quando possibile, può essere sfruttata per la realizzazione di scale, ascensori, cavedi per il passaggio degli impianti o nuovi spazi da adibire ad uffici, consentendo la rivalutazione del patrimonio.

Il sistema consente di sfruttare al massimo la capacità dei dispositivi di dissipazione; grazie alla loro collocazione alla base delle torri, i dissipatori non lavorano in funzione degli spostamenti relativi d’interpiano, come in un classico sistema a controventi dissipativi posti all’interno delle maglie dei telai, bensì in funzione dello spo- stamento assoluto che si manifesta all’ultima elevazione.

Per evidenziare la maggiore efficienza in termini di energia dissipata si riporta un confronto tra un sistema classico di controventi dissipativi disposti nelle maglie dei telai ed il sistema a torri dissipative. Nella figura seguente è riportato il caso di un edificio a quattro piani con dissipatori inseriti all’interno del telaio. Nell’ipotesi semplificativa di deformata trasversale lineare, l’energia dissipata vale:

IMMAGINE 1 – Controventi dissipativi all’interno delle maglie dei telai

Nell’immagine successiva è riportato il caso di protezione sismica con torri dissi- pative. Nell’ipotesi di torri infinitamente rigide, lo spostamento, che si manifesta sul dissipatore viscoso è funzione dello spostamento di sommità e del rapporto B/H, dove B ed H sono rispettivamente la base e l’altezza della torre. Come mostrato in figura l’energia dissipata è pari a:

IMMAGINE 2: Torri dissipative

Nel caso in cui i dispositivi fossero disposti all’interno delle maglie delle torri l’efficienza dell’intervento risulterebbe inferiore e pari a quella valutata per i controventi interni ai telai. Dal confronto dei due sistemi di protezione sismica degli edifici, emer- ge che il sistema a torri, per un edificio di quattro piani, ha un’efficienza, in termini di energia dissipata e quindi di protezione sismica, 2,5 volte superiore rispetto a quella di un sistema tradizionale.

L’efficienza del sistema proposto è garantita non solo dalla rigidezza delle torri, ma anche dal manovellismo utilizzato alla base delle torri per il collegamento delle stesse ai dissipatori.

IMMAGINE 3: Il manovellismo alla base delle torri

Il sistema meccanico di manovellismo introdotto alla base di ogni torre ha la funzione di amplificare gli spostamenti, così da ottenere un miglioramento generalizzato dell’efficienza dell’intervento con torri dissipative.

A parità di spostamento in sommità, con il sistema di manovellismo si ottiene uno spostamento sul dispositivo di gran lunga superiore a quello ottenuto in assenza di manovellismo. I dispositivi sono attivi sia a trazione che a compressione.

L’organizzazione planimetrica dei dispositivi è studiata in modo da garantire la mas- sima efficienza al sistema. Per ottenere il massimo valore di spostamento gli smorzatori vengono disposti in senso radiale sul perimetro esterno della torre, in modo da risultare efficaci per ogni movimento oscillatorio della torre.

Il ricentramento del sistema torre-edificio è garantito dalla forza di richiamo che l’edificio esistente può trasmettere grazie all’energia potenziale elastica immagaz- zinata.

I vantaggi del sistema

L’applicazione del sistema a torri dissipative sismo-resistenti presenta numerosi vantaggi rispetto alle tecniche convenzionali di adeguamento sismico, quali:

• Incremento sostanziale della capacità delle strutture esistenti nei confronti delle azioni sismiche, che si traduce in un notevole abbattimento sia degli spostamenti che delle accelerazioni, preservando così non solo la struttura, ma anche i componenti non strutturali (murature, infissi, controsoffitti, impianti, ecc.) e le attrezzature, sensibili sia agli spostamenti che alle accelerazioni;
• Contenimento degli spostamenti orizzontali fino a pervenire a soluzioni strutturali in grado di fronteggiare i terremoti previsti dalle norme allo stato limite di salvaguardia della vita (SLV) mantenendo la struttura in campo elastico e quindi senza importanti danneggiamenti ed interruzioni d’uso;
• La disposizione ottimale delle torri in pianta consente di regolarizzare il comporta- mento delle strutture in situazione sismica, prevenendo il manifestarsi di pericolosi accoppiamenti torsionali; le torri sono inoltre dotate di rigidezza tale da favorire la regolarizzazione della deformata trasversale degli edifici;
• La creazione alla base di ciascuna torre, di una zona completamente dedicata alla dissipazione di energia, permette di massimizzare l’efficienza dei dispositivi (nello specifico di tipo viscoso), nonché la loro facile ispezione e manutenzione rispetto alle consuete applicazioni all’interno delle maglie strutturali di edifici esistenti;
• La piena rispondenza ai criteri di reversibilità dell’intervento, poiché intervenendo in esterno è possibile rimuovere le torri senza interferire con le strutture esistenti;
• Sensibile riduzione dei costi rispetto alle tradizionali tecniche di protezione sismica; operando esclusivamente dall’esterno si consegue l’abbattimento dei costi indiretti connessi alla sistemazione degli spazi interni e all’interruzione e/o delocalizzazione delle attività.

[...] l'articolo continua con le diverse applicazioni.

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Il presente articolo fa parte degli ATTI DEL CONGRESSO NAZIONALE 2019 DELL’ASSOCIAZIONE MASTER