Ottimizzazione di un sistema di protezione sismica dissipativo e ricentrante: approccio energetico multilivello

Questi sistemi tuttavia, a differenza dei sistemi passivi, richiedono costi maggiori e condizioni di utilizzo che potrebbero non essere garantite durante un evento sismico. Di contro il comportamento dei sistemi passivi non presenta capacità adattive ma viene pre-determinato in fase progettuale: questo aspetto risulta limitante, ad esempio, nel caso degli edifici industriali in cui è previsto lo stoccaggio di materiale (e.g. serbatoi, silos, etc.) in quanto le masse di esercizio risultano fortemente aleatorie e pertanto occorrerebbe ottimizzare la progettazione tenendo conto di un maggior numero di livelli di azione rispetto a quelli indicati dalla normativa.

In questo studio è proposta una procedura di ottimizzazione dell’efficienza energetica di un sistema di protezione passiva composto da dispositivi dissipativi e ricentranti (DDR) per un edificio monopiano ad uso industriale. L’ uso di due dispositivi che lavorano in parallelo e progettati per avere efficienza energetica massima per intensità sismiche differenti ha permesso di ottenere un sistema che, complessivamente, presenta una efficienza energetica elevata e che si mantiene costante al variare dell’ intensità sismica.

Sismica, come agiscono i sistemi di tipo passivo

I sistemi di protezione sismica di tipo passivo possono essere impiegati per migliorare comportamento degli edifici esistenti. In generale essi agiscono sulla struttura in termini di risposta e capacità di smorzamento permettendo la riduzione del danno complessivo o concentrandolo su degli elementi di protezione progettati per venire facilmente sostituiti. Numerosi studi si sono interessati al problema dell’ ottimizzazione dei sistemi di protezione di tipo passivo, considerando la combinazione di diverse tipologie di dispositivi (Lee et al. 2018, Belleri et al. 2017) o del loro posizionamento all’ interno della struttura (Amouzegar et al. 2012, Wu et al. 1997, Ontiveros-pérez et al. 2003).

Altri studi, focalizzandosi sull’ impiego di un solo tipo di dispositivo, hanno proposto la loro ottimizzazione in funzione di diversi ambiti prestazionali quali la riduzione delle accelerazioni (Lin 2015), del danneggiamento strutturale (Hejazi et al. 2013,Belleri et al. 2017, Aguirre and Almazán 2015), degli spostamenti massimi (Ontiveros-pérez 2003, Laflamme 2018) o degli spostamenti residui (Lin 2015, Basu e Reddy 2016, Braconi et al. 2012, Morelli et al. 2017a, Morelli et al. 2019).

Nel presente studio si sono considerati i dispositivi di tipo dissipativo-ricentrante (DDR) le cui caratteristiche meccaniche consentono un valido compromesso tra i sistemi semplicemente dissipativi e quelli solamente ricentranti (Christopoulos and Filiatrault 2006). Il loro comportamento ciclico è approssimabile a quello schematicamente descritto in Figura 1. il quale prevede due fasi di comportamento: la prima di tipo elastico con rigidezza k₀ fino allo sforzo F_y e la seconda di tipo dissipativa con rigidezza k_h=αk₀. Il fattore di ricentraggio β è proporzionale all’ ampiezza dell’ area di isteresi e per valori maggiori di 1 il dispositivo perde la capacità di ricentraggio accumulando deformazioni residue (Figura 1 destra).

Il grado di protezione che questi sistemi offrono alle strutture entro cui vengono inseriti può essere descritto dal rapporto tra l’ energia da loro dissipata e quella totale in ingresso durante un evento sismico (E_D/E_I), definibile come efficienza energetica del sistema di protezione.

IMMAGINE 1: Legame costitutivo per i sistemi dissipativi e ricentranti

E’ stato osservato (Morelli et al. 2017a) come questa vari in relazione ai diversi parametri sopracitati nel modo in cui viene sinteticamente riportato in Figura 2.

IMMAGINE 2: Variazione della curva di efficienza energetica al variare dei parametri secondo (Morelli et al. 2017a)

Quest’ultimo studio ha inoltre evidenziato come questi dispositivi siano in grado di contribuire al miglioramento della struttura in termini di ricentraggio ma l’efficienza energetica varia fortemente in base al livello di intensità sismica considerato. In molto casi questo risulta un aspetto limitante alla loro applicazione, come nel caso delle strutture industriali di stoccaggio (silos, serbatoi o magazzini), in cui la variazione delle masse di esercizio rende difficoltosa individuazione della condizione progettuale entro la quale ottimizzare i dispositivi.

Per queste tipologie di edifici risultano ideali i sistemi di tipo attivo o semi-attivo in quanto garantiscono una risposta adattiva grazie ad un continuo rilevamento dello stato di azione; questi tuttavia richiedono costi maggiori e presentano maggiori vulnerabilità rispetto ai sistemi passivi.

In questo studio viene descritta una procedura di ottimizzazione per un sistema di dispositivi dissipativi e ricentranti (DDR): a fronte delle problematiche sopracitate si ricerca una soluzione in grado di avere una efficienza energetica elevata e costante al variare dell’ intensità sismica, ad imitazione dei sistemi di protezione di tipo adattivo.

Nei paragrafi seguenti viene descritta la procedura di ottimizzazione (Paragrafo 2), dunque essa viene applicata al miglioramento sismico di un edificio industriale monopiano costituito da un gruppo di silos per i quali si sono valutati diversi scenari di riempimento. L’ edificio viene dapprima analizzato nel suo stato di fatto mediante Analisi Dinamica Incrementale (Vamvatsikos e Cornell 2002) (Paragrafo 3), dunque l’ analisi viene ripetuta a seguito dell’ inserimento dei dispositivi, i quali vengono ottimizzati secondo la procedura (Paragrafo 4). Considerazioni finali e indicazioni sui futuri sviluppi vengono esposti a seguire (Paragrafo 5).

Procedura di ottimizzazione

Nell’ambito di uno studio di natura numerica con analisi non-lineari i dispositivi DDR possono essere interamente descritti dai quattro parametri presentati in Figura 1. Considerando un certo numero di dispositivi l’ obiettivo è pertanto quello di determinare la combinazione parametrica con cui l’ efficienza energetica si mantiene elevata indipendentemente dall’ intensità sismica (IS).

In presenza di strutture il cui comportamento oscillatorio è approssimabile con quello di un sistema ad un solo grado di libertà, come per diverse tipologie presenti in ambito industriale, è possibile porre in parallelo due gruppi di dispositivi DDR (Figura 3) progettati per raggiungere la massima efficienza per livelli diversi di intensità sismica (DDR-A – alta DDR-B– bassa). In questo modo infatti la curva di efficienza del sistema complessivo (DDR-A + DDR-B), data dalla somma delle prime due, risulterà fortemente migliorata in funzione degli obiettivi preposti (Figura 4).

IMMAGINE 3: Schema di una struttura monopiano con dispositivi diversificati lavoranti in parallelo.

IMMAGINE 4: Concezione dell’ ottimizzazione del sistema secondo le curve di efficienza energetica.

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Articolo tratto dagli atti del XVIII Convegno ANIDIS - Ascoli Piceno 2019