L’ottimizzazione come strumento per la protezione sismica delle strutture

Rischio sismico: strumenti per mitigare i danni dei terremoti su strutture e infrastrutture

La ricerca scientifica nell’ambito delle tecniche di protezione sismica è ancora oggi un settore attuale e dinamico.

L’obiettivo principale della protezione sismica è quello di alleviare gli effetti degli eventi sismici sulle strutture e sulle infrastrutture civili per ridurre le perdite umane e gli impatti socio-economici nel medio e lungo termine.

Le tecniche di protezione sismica riguardano principalmente i sistemi di isolamento alla base di edifici o ponti e le soluzioni basate sulla dissipazione dell’energia con l’adozione di dispositivi speciali, ad esempio smorzatori isteretici in metallo, smorzatori viscosi e smorzatori ad attrito. Le procedure di ottimizzazione svolgono un ruolo fondamentale nell’identificazione dinamica parametrica di tali dispositivi.

Le attuali tendenze nel campo dell’ottimizzazione prevedono l’adozione di algoritmi meta-euristici, questi algoritmi sono ispirati dall’osservazione di fenomeni naturali che poi vengono tradotti in intelligenza computazionale utilizzando i concetti propri delle tecniche di intelligenza artificiale. In particolare, l’uso diffuso di tecniche meta-euristiche combinate con una corretta formulazione del problema di ottimizzazione della protezione sismica porta a soluzioni progettuali più economiche, performanti e innovative.

Nel presente studio, viene presentata una breve rassegna di alcune procedure di ottimizzazione per la realizzazione di interventi di protezione sismica.

Nell’ambito dell’ingegneria sismica, la protezione sismica si riferisce a tutte le procedure messe in atto per mitigare e diminuire gli effetti dannosi degli eventi sismici sulle strutture e le infrastrutture Ricerca svolta nell’ambito del progetto ADDOPTML).

Il principale obiettivo perseguito è quello di ridurre il più possibile le perdite, intese in primo luogo come perdite umane, ma anche considerando l’impatto sulla società a livello amministrativo e socio-economico, nel medio e lungo termine.

In letteratura, la terminologia più diffusa in questo ambito è "mitigazione del rischio sismico", anche se, a rigore, essa si riferisce più propriamente solo ad interventi di rinforzo delle strutture.

Le tecniche più diffuse per il miglioramento e/o l’adeguamento del comportamento sismico di una struttura, appartengono a due principali categorie:

• la prima è definita dai sistemi di isolamento,
• il secondo approccio prevede l’installazione di speciali dispositivi per l’assorbimento di energia derivante dall’azione sismica.

L’implementazione di sistemi di isolamento per proteggere le strutture civili dagli effetti dannosi delle azioni sismiche
è diventata molto frequente negli ultimi decenni.

Dal punto di vista pratico, i dispositivi di isolamento creano uno disaccoppiamento tra la fondazione (sottostruttura) e il sistema strutturale (sovrastruttura) che assicura che l’energia sismica in ingresso, e quindi gli effetti dannosi indotti dagli eventi sismici, non abbiano effetto sulla struttura da proteggere. A questo scopo, gli isolatori permettono movimenti relativi tra i sistemi strutturali e la sottostruttura, riducendo sostanzialmente le sollecitazioni sismiche trasmesse alla sovrastruttura e fornendo al contempo una rigidità verticale sufficiente a trasmettere efficacemente i carichi verticali nelle fondazioni.

Questi dispositivi generalmente sono composti da sottili piastre di acciaio di rinforzo intervallate da spessi cuscinetti di gomma neoprene.

Le prestazioni di un isolatore sismico dipendono da molti fattori, come la tipologia di gomma, la composizione, lo spessore e il processo di vulcanizzazione dei cuscinetti. Inoltre, per aumentare in modo sostanziale la capacità di dissipazione dell’energia degli isolatori, può anche essere presente un nucleo in piombo.

D’altra parte, la seconda tipologia di dispositivi basati sulla dissipazione dell’energia sismica consente di dissipare una parte dell’energia in ingresso proveniente dagli eventi sismici, con il vantaggio di impiegare dispositivi che possono essere facilmente sostituiti, se necessario, dopo il verificarsi di un evento. L’installazione di dispositivi per l’assorbimento di energia è estremamente conveniente sia in fase di progettazione di una nuova struttura, sia per aumentare la protezione sismica di strutture esistenti, agendo come intervento di retrofitting.

I dispositivi di questo tipo più diffusi appartengono principalmente a tre categorie:

• dissipatori ad isteresi metallica,
• dissipatori visco-elastici e
• fluido viscosi e dissipatori ad attrito.

Nella sezione seguente, si presenta una discussione introduttiva sui dispositivi di controllo delle vibrazioni strutturali, distinguendo tra tecniche attive, passive e semi-attive. In seguito, nella sezione 2 è introdotta la formalizzazione matematica del problema di ottimizzazione e viene fornita una breve panoramica degli algoritmi metaeuristici.

Infine, nella sezione 3 viene presentata una breve rassegna della letteratura relativa ad alcune applicazioni dell’ottimizzazione come strumento per la protezione sismica.

Strumenti di controllo attivi, passivi e semi-attivi

Poiché la protezione sismica mira principalmente a migliorare o isolare il comportamento dinamico delle strutture, i dispositivi di controllo strutturale sono stati uno dei principali argomenti di ricerca nel campo dell’ingegneria antisismica per molti decenni.

Sono stati proposti diversi tipi di dispositivi di controllo delle vibrazioni per ridurre le oscillazioni dovute alle sollecitazioni dinamiche. Grazie alla loro semplicità, efficienza e costi ridotti (rispetto ad altre strategie), sono oggi ampiamente utilizzati in molte applicazioni di ingegneria civile per ridurre le vibrazioni e quindi aumentare la protezione strutturale nei confronti di azioni come vento, terremoti ed eventi simili.

Il ruolo del controllo strutturale è quello di fornire un quadro di riferimento per determinare l’azione più efficace da applicare al fine di migliorare la sicurezza e il comportamento dinamico di una struttura, sulla base di alcuni parametri di controllo della risposta del sistema strutturale stesso. Sono stati sviluppati diversi approcci per gestire efficacemente i carichi dinamici indotti da eventi naturali, che possono essere classificati come strategie di smorzamento attive, passive, ibride e semi-attive.

Un sistema di controllo strutturale attivo consiste in un insieme di sensori e attuatori in grado di modificare attivamente la risposta della struttura.

I sensori sono posizionati sul sistema strutturale da proteggere per monitorare sia i livelli di sollecitazione esterna sia i corrispondenti parametri di risposta strutturale. Sulla base delle informazioni rilevate dai sensori, uno specifico algoritmo calcola la forza di controllo necessaria per modificare il comportamento dinamico della struttura e dissipare l’energia governando gli attuatori.

Gli attuatori richiedono solitamente una notevole fonte di energia esterna. Inoltre, l’alimentazione deve essere garantita agli attuatori per rimanere funzionali durante gli eventi sismici, ma ciò può risultare piuttosto complesso da attuare.

La strategia di controllo è riconosciuta come feedback control quando si misura solo la risposta strutturale, mentre è
denominata feed-forward control quando si misura solo l’eccitazione di ingresso. Un terzo caso è definito controllo feedback-feed-forward e sfrutta le misure sia della risposta che delle variabili della sollecitazione.

I principali vantaggi di un sistema di controllo attivo sono:

• un migliore controllo della risposta della struttura protetta;
• una minore sensibilità alle vibrazioni del terreno;
• l’attenuazione di molti altri azioni dinamiche naturali, ad esempio la sollecitazione dovuta al vento;
• la possibilità di trovare la migliore strategia di controllo considerando i costi sia computazionali che di implementazione.

Quest’ultimo punto può riferirsi anche al miglioramento del comfort delle persone rispetto al comportamento strutturale in alcune circostanze particolari. Ad esempio, i sistemi TMD (tuned mass dampers o smorzatori a massa risonante) possono essere progettati anche come sistemi di controllo attivo per ridurre al minimo l’effetto delle vibrazioni e per fornire uno smorzamento immediato delle vibrazioni.

Lo smorzamento attivo

Le strategie di smorzamento attivo delle strutture si basano sulle forze impartite da attuatori elettroidraulici o elettromeccanici progettati per influenzare diversi modi di vibrare del sistema. Pertanto, lo smorzamento attivo è più adatto a strutture con molti gradi di libertà ed è conveniente per un’ampia gamma di condizioni operative e
di strutture.

Ad ogni modo, i principali svantaggi dei sistemi di controllo attivo sono:

• gli elevati costi di implementazione;
  la necessità di un’alimentazione energetica consistente durante eventi naturali come un terremoto;
• la possibilità di destabilizzazione della struttura quando il sistema di controllo non è ben progettato o presenta un malfunzionamento.

Lo smorzamento passivo

Le strategie di smorzamento passivo non si avvalgono di attuatori e, quindi, non richiedono alcuna fonte di alimentazione esterna per il funzionamento, poiché questi dispositivi sfruttano il movimento della struttura per sviluppare le forze di controllo.

Le strategie di smorzamento passivo non si avvalgono di attuatori e, quindi, non richiedono alcuna fonte di alimentazione esterna per il funzionamento, poiché questi dispositivi sfruttano il movimento della struttura per sviluppare le forze di controllo. Sono utilizzate per aumentare la capacità di dissipazione dell’energia di una struttura attraverso dispositivi locali e discreti, che possono di conseguenza aumentare anche la rigidità e la resistenza della struttura protetta.

Le forze impartite dai dispositivi passivi si sviluppano come risposta al movimento della struttura. Le tecniche di controllo passivo delle vibrazioni per la protezione delle strutture dissipano l’energia sismica in ingresso trasformandola in energia cinetica e di deformazione del dispositivo passivo stesso, o addirittura in energia termica, ad esempio negli smorzatori viscoelastici.

Le prestazioni e l’efficienza dei dispositivi di controllo passivo dipendono fortemente da una progettazione ottimizzata sia dell’edificio che del dispositivo stesso, ad esempio dalla scelta dei materiali viscoelastici da utilizzare nell’edificio.

Il sistema ibrido: combinazione di controllo attivo e passivo

Il controllo ibrido delle vibrazioni si riferisce all’applicazione combinata di sistemi di controllo attivi e passivi.

Un sistema ibrido incorpora entrambe le tipologie di dispositivi, consentendo alla struttura di raggiungere i massimi livelli di prestazioni sfruttando le migliori caratteristiche di entrambe le strategie.

In particolare, anche in caso di improvvisa assenza di alimentazione, ad esempio durante un evento sismico, il sistema di controllo ibrido è in grado di rimanere operativo grazie ai suoi componenti meccanici. Le tecniche ibride sono utilizzate tipicamente in applicazioni di fascia molto alta, come grattacieli o viadotti, e incorporano sia attuatori collegati a una fonte di energia ad alta potenza sia dispositivi come gli isolatori.

Strategie di controllo con i dispositivi semi-attivi

Le strategie di controllo basate su dispositivi semi-attivi possono essere considerate come una categoria di sistemi di controllo attivi, definiti anche dispositivi passivi controllabili in, che, in generale, richiedono meno energia rispetto ai sistemi di controllo attivi.

Questi sistemi combinano le migliori caratteristiche dei sistemi di controllo passivi e attivi, ad esempio non sono influenzati da interruzioni dell’alimentazione poiché possono contare su batterie.

Un sistema semi-attivo sfrutta dispositivi passivi controllabili in grado di variare in tempo reale le loro proprietà meccaniche e i parametri caratteristici, come il coefficiente di smorzamento e/o la rigidità. La modifica di queste proprietà meccaniche si basa su un loop di controllo che calcola l’azione necessaria del dispositivo in funzione di alcuni parametri di controllo della risposta strutturale e/o del livello di sollecitazione in ingresso. Poiché in un sistema semi-attivo non vengono adottati attuatori, anche in questo caso, come nell’approccio passivo, per sviluppare le forze di controllo si sfrutta il moto della struttura. In particolare, un esempio significativo di dispositivi di controllo delle vibrazioni appartenenti a questa classe è rappresentato dai cosiddetti smorzatori magnetoreologici.

Questi smorzatori si basano su un liquido magnetoreologico che è in grado di sviluppare un aumento della viscosità quando l’intensità del campo magnetico indotto da un elettromagnete aumenta, influenzando fortemente le caratteristiche di smorzamento. Analogamente ai sistemi di controllo attivi, le strategie di controllo semi-attive disponibili si differenziano in base a ciò che i sensori sono preposti a monitorare. Pertanto, si parla di feedback, feed-forward o feedback-feed-forward se i sensori monitorano rispettivamente la risposta del sistema, la sollecitazione in ingresso o entrambi.

Il controllo semi-attivo, ibrido e attivo delle strutture sono considerati la naturale evoluzione delle tecniche di controllo passivo. Si basano su dispositivi in grado di elaborare i dati in tempo reale, per sviluppare azioni di controllo con il minor sfasamento possibile. Ciò consente di migliorare il comportamento strutturale e la sicurezza della struttura stessa.

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Testo tratto da una Memoria del Congresso ASSISi