Massimo Forni (forni@bologna.enea.it)

 

LE NUOVE RICERCHE NEL CAMPO DELL’INGEGNERIA SISMICA:

IL CONTROLLO ATTIVO E SEMIATTIVO DELLE VIBRAZIONI

 

Attualmente l’ingegneria sismica può contare su due moderne tecniche, ormai pienamente affermate ed estremamente efficaci: l’isolamento sismico e la dissipazione energetica. Il principio su cui si basa l’isolamento sismico è sostanzialmente quello delle sospensioni delle automobili: gli edifici, o i manufatti da isolare, vengono posti su dispositivi, chiamati isolatori sismici, costituiti da strati alternati di gomma e acciaio che conferiscono al sistema di appoggio un’elevata rigidezza verticale (per sostenere il peso della struttura) ed una bassa rigidezza orizzontale, che assorbe e riduce significativamente le accelerazioni imposte dal terremoto (Figura 1) con conseguenti benefici non solo alla struttura, ma anche ai suoi contenuti. La dissipazione energetica invece aiuta la struttura a smaltire l’energia introdotta dal terremoto grazie a particolari dispositivi, detti dissipatori energetici, installati fra due punti della struttura soggetti a spostamenti relativi; ciò può essere fatto per esempio collegando ‘pavimento’ e ‘soffitto’ tramite appositi controventi, che possono essere disposti in diagonale o in altre configurazioni. La dissipazione dell’energia può avvenire nei modi più svariati a seconda del tipo di dispositivo (viscoso, elastoplastico, viscoelastico) e del materiale usato (olio, acciaio. gomma). In  Figura 2 è mostrato un dissipatore viscoelastico costituito da due strati di gomma ad elevato smorzamento.

 

Figura 1. Isolatore sismico in gomma ad elevato smorzamento armata con piastre d’acciaio, sottoposto a carico verticale (peso della struttura) e deformazione di taglio (azione del terremoto); andamento della forza di reazione dell’isolatore in funzione della sua deformazione.

 

Figura 2. Dissipatore viscoelastico sviluppato nell’ambito del Progetto Europeo REEDS [1] ed installato sulla scuola Gentile Fermi di Fabriano, danneggiata dal terremoto Umbro-marchigiano del 1997; andamento della forza di reazione in funzione della deformazione del dispositivo (l’area inclusa dal ciclo è la misura dell’energia dissipata).

 

In Italia, sono già 25 gli edifici isolati alla base, e ben altri 36 sono in avanzata fase di progettazione o realizzazione. Nel mondo gli edifici isolati sono più di 3000; anche le applicazioni della dissipazione energetica sono in costante aumento (vedi GLISnews n° 1-03, [2]).

L’isolamento sismico è una tecnica ormai matura e pronta per una vasta applicazione in campo civile ed industriale; su di essa, la ricerca non ha più molto da dire e l’industria è perfettamente in grado di garantirne un corretto e costante sviluppo, come succede per ogni altra tecnica entrata nell’uso comune. Anche la dissipazione energetica è una tecnologia matura e pronta per una vasta applicazione; in questo campo però, data la grande disponibilità di materiali da utilizzare per dissipare energia, la ricerca è ancora in grado di apportare significativi miglioramenti, come per esempio nel caso delle leghe a memoria di forma (vedi GLISnews n° 1-03, [3]).

Attualmente la ricerca, sia in Italia che negli altri paesi ad elevato rischio sismico, è volta a sviluppare sistemi molto più avanzati, in grado di interagire attivamente ed in tempo reale con la struttura, durante il sisma o altre azioni a carattere dinamico come il vento e le vibrazioni ambientali, modificandone il comportamento a seconda del tipo di eccitazione e del risultato che si vuole ottenere (riduzione delle accelerazioni, delle deformazioni o delle forze).

Ovviamente, ciò non può essere fatto con gli isolatori sismici e con i dissipatori energetici, che sono dispositivi tipicamente ‘passivi’. Le loro caratteristiche infatti, pur essendo altamente non-lineari (vedi grafici riportati nelle Figure 1 e 2), sono stabilite in fase di progetto e rimangono tali per tutta la vita della struttura (gli effetti dell’invecchiamento dei materiali sono in genere trascurabili). In pratica, i dispositivi passivi vengono dimensionati per funzionare al meglio durante la fase di massima intensità del terremoto di progetto. In realtà, per terremoti di intensità minore (o eventualmente anche maggiore, in caso si verifichi un evento inatteso) il loro funzionamento non è ottimale. Va subito chiarito che ciò è praticamente ininfluente nella maggior parte delle applicazioni, soprattutto nel campo delle abitazioni civili. Esistono però edifici, come per esempio gli ospedali, i musei, le sale controllo ed elaborazione dati, i cui contenuti hanno un valore superiore a quello dell’intera struttura che li contiene. In questi casi è indispensabile fornire la massima protezione possibile a fronte di ogni evento. Questo non sarebbe possibile, per esempio, per edifici dotati di isolatori sismici passivi e costruiti in zone a sismicità estremamente elevata, come il Giappone, la California e la Turchia. In questi casi, per far fronte al terremoto massimo di riferimento, sarebbe necessario costruire isolatori così grossi che poi, in caso di sismi di minore intensità (ma pur sempre gravosi e sicuramente più frequenti) non fornirebbero un’ottimale protezione all’edificio e, soprattutto, ai suoi contenuti.

A questo punto è utile distinguere fra due diverse ‘filosofie’ per il controllo delle caratteristiche fisiche e meccaniche dei dispositivi antisismici durante un evento dinamico: il controllo ‘attivo’ ed il controllo ‘semiattivo’. Il controllo attivo viene in genere effettuato con attuatori idraulici e richiede l’utilizzo di forze o punti di appoggio esterni (es. masse inerziali) e di una notevole potenza: in caso di malfunzionamento del sistema, la struttura si trova in condizioni non protette. Il controllo semiattivo invece utilizza forze che si generano all’interno della struttura durante il sisma, richiede una bassissima potenza e, in caso di malfunzionamento, garantisce comunque un certo livello di protezione ‘passiva’. Inutile dire che il controllo semiattivo costituisce al momento la filosofia più promettente. Nonostante ciò, le prime ricerche e applicazioni, condotte in Giappone nei primi anni ’90, hanno riguardato il controllo attivo. Lo scopo era quello di ridurre gli effetti dell’azione del vento su edifici alti e flessibili, al fine non tanto di aumentarne la sicurezza, ma il comfort degli occupanti. La Figura 3 riporta l’esempio del Kyobashi Seiwa Building di Tokyo. Questo edificio è estremamente peculiare. Largo appena 4 metri per una lunghezza di 12 (lo spazio che in Italia sarebbe occupato da un’edicola), è alto ben 11 piani. Pertanto, si comporta come un grattacielo vero e proprio ed oscilla vistosamente sotto l’azione del vento, creando qualcosa di molto simile al mal di mare ai poveri impiegati che lavorano al suo interno. Per evitare ciò, sul tetto dell’edificio è stato installato un sistema di attuatori idraulici che spostano masse sostenute da rulli, creando forze d’inerzia che si oppongono alle oscillazioni prodotte dal vento. Il tutto è controllato da un computer e da sensori opportunamente collocati sull’edificio.

 

 

Figura 3. Il Kyobashi Seiwa Building, Tokyo, è dotato di un sistema attivo per il controllo delle oscillazioni indotte dal vento, basato sulla movimentazioni, tramite attuatori idraulici, di masse disposte su rulli. 

 

In Giappone esistono numerosi altri casi analoghi a questo, anche su edifici molto più importanti, che fanno uso dei più strani e complicati sistemi, costituiti in genere da masse inerziali e grossi pendoli. Lo scopo di questi sistemi di controllo delle vibrazioni è in pratica quello di dotare l’edificio di ‘senso dell’equilibrio’, cercando di simulare il comportamento del corpo umano, nel quale il cervello elabora i dati trasmessi dai sensi e, tramite il movimento dei muscoli, si adatta agli spostamenti imposti dal terreno (Figura 4). Ciò non può essere ovviamente fatto con i dispositivi passivi, i quali si oppongono sempre e comunque alla deformazione della struttura e alle forze inerziali create dal terremoto. Invece, durante un sisma, ci sono istanti in cui, paradossalmente, il terremoto lavora ‘a favore’ della struttura, come mostrato in Figura 5. Durante tali limitatissimi periodi di tempo, è controproducente opporsi al terremoto e dissipare la sua energia: sarebbe più opportuno che i dispositivi non agissero, o perlomeno, che diventassero meno rigidi. Individuare gli istanti di tempo più opportuni per l’attivazione o meno dei dispositivi è compito dell’algoritmo di controllo, un criterio fisico-matematico che ha lo scopo di ottimizzare la risposta della struttura alle sollecitazioni dinamiche. Nel corpo umano questo ‘algoritmo di controllo’ è un fatto istintivo che ci porta automaticamente a spostare braccia e gambe per cercare l’equilibrio quando il terreno si sposta sotto i nostri piedi (per esempio in autobus, durante frenate o accelerazioni).

Il limite dei sistemi attivi descritti in precedenza è dato dalla loro lentezza. Attivare attuatori idraulici, aprire e chiudere servovalvole e spostare pesanti masse inerziali richiede potenza e, soprattutto, tempo. Se ciò può essere fatto con successo nel caso dell’azione del vento (tutto sommato abbastanza lenta), risulta assolutamente impossibile seguire le repentine accelerazioni di un terremoto. Questo problema è stato superato con la filosofia del controllo semiattivo, in cui le forze richieste vengono messe a disposizione dal terremoto stesso grazie alla deformazione di opportuni controventi d’acciaio installati fra punti della struttura naturalmente sottoposti a spostamento relativo, e da una nuova generazione di dissipatori energetici in grado di cambiare le proprie caratteristiche in modo pressoché istantaneo. Un tale sistema per il controllo semiattivo delle vibrazioni delle strutture è stato messo a punto con successo nell’ambito del Progetto Europeo SPACE [4], attualmente in fase di completamento. Tale sistema è basato su dispositivi oleodinamici contenenti un fluido magnetoreologico (MR), in grado cioè di variare le proprie caratteristiche meccaniche (in particolare la viscosità) al variare del campo magnetico in cui si trova immerso. A sua volta, il campo magnetico può essere agevolmente modificato controllando una corrente di bassa potenza che passa in circuiti elettrici opportunamente collocati attorno al dispositivo: con un semplice ‘click’ è possibile, in pochi millisecondi, aumentare anche di 50 volte la rigidezza del dispositivo, esattamente come il nostro cervello ordina ai muscoli di tendersi o allungarsi per mantenere il corpo in equilibrio. I dispositivi MR vengono in genere posti fra ‘pavimento’ e ‘soffitto’ di una struttura tramite un controvento flessibile (Figura 6). Quando viene fatta passare corrente nel circuito, i dispositivi diventano rigidi (condizione detta MR ‘on’) ed il controvento elastico viene deformato ed accumula energia. Interrompendo il flusso di corrente, il dispositivo diventa meno rigido (MR ‘off’) ed il controvento ritorna nella sua posizione iniziale, dissipando l’energia precedentemente accumulata. Gli istanti in cui ciò deve accadere sono stabiliti da un opportuno algoritmo di controllo, inserito in un computer collegato ad una rete di sensori opportunamente distribuiti sulla struttura.

 

Figura 4. Lo scopo dei sistemi attivi e semiattivi per il controllo delle vibrazioni è di dotare l’edificio di ‘senso dell’equilibrio’, cercando di simulare il comportamento del corpo umano.

Figura 5. A: l’eccitazione sismica provoca la deformazione della struttura; B: il terremoto aiuta la struttura a ritornare nella posizione iniziale.

 

 


 

Figura 6. Principio di funzionamento dei dispositivi MR con un sistema di controllo semiattivo: quando la velocità di deformazione della struttura e la forza sul controvento hanno lo stesso segno, il dispositivo diventa rigido (MR ‘on’) ed il controvento si deforma immagazzinando energia elastica (2, 4, 5); quando la velocità della struttura si inverte, il dispositivo diventa ’istantaneamente’ meno rigido (MR ‘off’) e permette al controvento di ritornare alla posizione iniziale, dissipando all’interno del dispositivo stesso, l’energia elastica precedentemente  immagazzinata (3, 6).

 

Il sistema è stato convalidato da prove sperimentali effettuate su tavola vibrante su di un modello di edificio in scala ridotta del peso di 25 t. I risultati sono stati talmente soddisfacenti da spingere i partner del progetto SPACE ad effettuare la prima realizzazione europea di tale tecnologia. L’oggetto è un ponte pedonale costruito a Forchheim, nei pressi di Norimberga, in Germania (Figura 7). Queste strutture sono in genere estremamente flessibili, dato che non devono sopportare pesi eccessivi. Pertanto, entrano facilmente in vibrazione non solo sotto l’azione del sisma, ma anche del vento e delle vibrazioni causate dal transito pedonale. I pedoni possono essere molto diversi in numero (e quindi in peso); inoltre possono camminare, correre, oppure addirittura saltare volutamente, generando così input vibratori difficili da controllare efficacemente con un unico dispositivo passivo. Nel caso del ponte di Forchheim ad esempio, inizialmente era stato installato un dispositivo passivo per controllare le vibrazioni causate dal normale transito pedonale. Si è poi scoperto che un gruppo di persone, anche piccolo, che attraversano la struttura correndo (il ponte si trova in un parco dove molti fanno jogging) può causare pericolose oscillazioni (naturalmente, c’è sempre qualche buontempone che lo fa addirittura apposta). In questo caso, solo un sistema semiattivo è in grado di proteggere efficacemente la struttura da eccitazioni ti tipo così diverso; altrimenti, occorrerebbero due o più gruppi di dispositivi passivi con diverse caratteristiche, con conseguente aumento del costo.

Nel campo dell’isolamento sismico, contrariamente a quanto è accaduto per la dissipazione energetica, la ricerca di dispositivi ‘controllabili’, è ancora agli inizi. L’impiego di isolatori sismici a rigidezza variabile risulta particolarmente importante per quelle strutture che variano grandemente la loro massa nel corso del normale funzionamento, come ad esempio i serbatoi per lo stoccaggio di prodotti petrolchimici (Figura 8). Di questo problema si sta occupando il Progetto Europeo INDEPTH [5] che, più in generale, si occupa della protezione sismica di impianti chimici, i cosiddetti impianti a rischio di incidente rilevante (un modo per dire che, in caso di terremoto, potrebbe verificarsi una catastrofe ambientale di proporzioni enormi). Questi impianti sono molto diffusi sulle sponde del Mediterraneo (Italia, Grecia, Spagna, Turchia), purtroppo anche in zone ad elevato rischio sismico, come la Sicilia.

Infine, nel campo della ricerca più avanzata, è da ricordare il Progetto Europeo VAST-IMAGE [6], il cui obiettivo è lo sviluppo di isolatori sismici realizzati in elastomero magnetoreologico. Analogamente ai dissipatori sviluppati nell’ambito del Progetto SPACE, anche la rigidezza di questi dispositivi può essere rapidamente variata grazie all’azione di un campo magnetico esterno. Lo scopo è quello di garantire sempre il più corretto valore di rigidezza del sistema di isolamento sismico, indipendentemente dal livello del terremoto, al fine di garantire la massima protezione ai contenuti. Il progetto è infatti particolarmente rivolto agli edifici critici come musei, ospedali, sale di controllo e di elaborazione dati. Come detto in precedenza, per tali strutture, non è sufficiente evitare il crollo dell’edificio, ma è necessario salvaguardare i contenuti. Con un sistema passivo, ciò può essere fatto in maniera ottimale solo nei confronti di un ben determinato terremoto di riferimento.

 

Figura 7: il ponte pedonale di Forchheim (D) su cui sono installati dispositivi magnetoreologici a controllo semiattivo sviluppati nell’ambito del Progetto SPACE.

Figura 8: impianto petrolchimico di Aspropyrgos (GR) i cui serbatoi per lo stoccaggio di idrocarburi sono oggetto di studio del Progetto INDEPTH.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RIFERIMENTI

[1] ENEL, ALGA, BOUYGUES, ENEA, FIP Industriale, GA, ISMES, IST, LIN, JRC, TARRC, 1996, “REEDS: Optimization of Energy Dissipation Devices, Rolling Systems and Hydraulic Couplers for Reducing Seismic Risk to Structures and Industrial Facilities,” EC Contract BRPR-CT96-0141.

[2] M. Forni, “Applicazioni dell’isolamento sismico nel mondo”, GLISnews n°1-2003.

[3] M. Dolce, D. Cardone, R. Marnetto, D. Nigro, F.C. Ponzo, G. Santarsiero, “Progetto ILVA-IDEM: sperimentazione in situ dell’adeguamento sismico mediante controventi ricentranti con leghe a memoria di forma”, GLISnews n°1-2003.

[4] Maurer Söhne, Bilfinger+Berger, ENEA, ENEL.Hydro, TARRC, Thales Underwater Systems, University of “Roma Tre”, and University of Stockholm, 1999, “SPACE – Semi-Active and Passive Control of the Dynamic Behaviour of Structures Subjected to Earthquakes, Wind and Vibrations”, EC Contract  EVG1-CT-1999-00016.

[5] ENEL.Hydro, Institute of Structural Engineering, ENEA, FIP Industriale, Principia Ingegneros Consultores, GeoSyntec Consultants Ltd, University of Patras, Hellenic Petroleum, IWKA Balg und Kompensatoren, 2001, “INDEPTH: Development of INnovative DEvices for Seismic Protection of PeTrocHemical Facilities”, EC Contract EVG1-CT-2002-00065.

[6] Maurer Söhne, Kungli Tekniska Högskolan, University of Ljubljana, IFW Dresden, ENEL.Hydro, ENEA, TARRC, Construçiones Bikani, 2001, “VAST-IMAGE: Development of VAriable STiffness Seismic Isolators and Vibration Mitigation Dampers Based on MAGnetically Controlled Elastomer”,  EC Contract EVG1-CT-2002-00063.