Renzo Medeot (medeot@iol.it)

 

Il progetto cooperativo europeo VAST-IMAGE

 

Il Progetto VAST-IMAGE (Development of VAriable STiffness Seismic Isolators and Vibration Mitigation Dampers Based on MAGnetically Controlled Elastomer) rappresenta il risultato dell’iniziativa di otto organizzazioni da sei differenti paesi europei (vedi elenco alla fine dell’articolo).

Le tecnologie messe a punto durante l’ultimo quarto del secolo scorso nell’ambito dell’isolamento sismico e della dissipazione di energia hanno raggiunto indubitabilmente un alto livello di maturità ed affidabilità.

I dispositivi strutturali associati a dette tecnologie sono essenzialmente del tipo passivo e, pur offrendo prestazioni prossime a quelle teoriche e con elevata affidabilità, hanno anche evidenziato i propri limiti.

Infatti, proprio perché passivi, essi sono inadatti ad adeguarsi alla variabilità intrinseca dei fenomeni naturali che con il loro uso si intende controllare (ad es. i terremoti).

In altri termini il loro dimensionamento non può che essere il risultato di un compromesso tra esigenze diverse, spesso tra di loro contrastanti.

Si pensi infatti ai molti sistemi d’isolamento installati in tutto il mondo e realizzati mediante  High Damping Rubber Bearings (HDRBs). Questi ultimi devono essere dimensionati per resistere al terremoto di progetto, solitamente di elevata intensità, e pertanto sono caratterizzati da un’alta rigidezza sul piano orizzontale.

Di conseguenza il grado di isolamento che possono assicurare in presenza terremoti di media o bassa intensità, che sono i più frequenti, è sostanzialmente inferiore a quello di progetto.

Ne consegue una risposta inadeguata per certi tipi di strutture strategiche, quali centri per la gestione delle emergenze, ospedali ecc., che contengono attrezzature sensibili alle vibrazioni.

Inoltre ci sono altri tipi di strutture che hanno masse variabili (ad es. i serbatoi) e che quindi richiedono un sistema di isolamento a rigidezza variabile.

A quanto sopra va aggiunto il fatto che negli anni i progettisti hanno alzato il tiro e concepiscono costruzioni sempre più ardite, ma che devo al tempo stesso essere anche più sicure.

La risposta a questi problemi non può essere nient’altro che lo sviluppo di sistemi “intelligenti”, capaci cioè di adattarsi alle mutevoli situazioni, modificando in maniera continua ed automatica le proprie caratteristiche durante l’evoluzione del fenomeno che si intende controllare.

In questo quadro si colloca l’obiettivo principale del progetto VAST-IMAGE, che è quello di assicurare alle strutture il grado di protezione specificato indipendentemente dal livello del terremoto o in presenza di variazioni dei parametri critici della struttura isolata.

Obiettivo secondario è quello di mitigare gli effetti delle tempeste di vento e delle vibrazioni indotte da cause diverse, superando quindi i limiti degli attuali dispositivi visco-elastici di tipo passivo.

Si intende conseguire i suddetti obiettivi attraverso lo sviluppo di:

  1. un elastomero “intelligente”, capace di modificare il suo modulo G sotto l’effetto di un campo magnetico;
  2. un isolatore sismico del tipo semi-attivo;
  3. un ammortizzatore di vibrazioni, sempre del tipo semi-attivo.

Ovviamente ambedue i tipi di dispositivo utilizzano il suddetto nuovo elastomero.

Le limitate dimensioni di questo articolo non consentono di entrare nei dettagli del programma di ricerca, per cui ci si limita a citare solo i titoli dei nove Work Packages che lo compongono: 1) Definizione delle strutture  adatte all’impiego dei nuovi dispositivi, specifiche dei materiali, dei dispositivi e del sistema di controllo semi-attivo; 2) Sviluppo dell’elastomero “intelligente”; 3) Sviluppo del sistema di controllo semi-attivo; 4) Sviluppo e progetto dei circuiti magnetici; 5) Progetto e costruzione degli isolatori e degli ammortizzatori; 6) Modelli numerici e algoritmo di controllo; 7) Prove di laboratorio sui dispositivi ed i mock-ups; 8) Analisi tecnico-economica e valutazione del ciclo di vita dei nuovi dispositivi; 9) Gestione del progetto.

Il materiale “intelligente” è stato denominato Magnetically Controllable Elastomer (MCE) e consiste in una dispersione di particelle magnetiche dentro una matrice di elastomero.

Pertanto esso appartiene alla classe dei cosiddetti materiali “compositi polimerici” (combinazione di metalli, ceramiche e polimeri), la cui domanda sta rapidamente crescendo per applicazioni nelle industrie aerospaziale, automobilistica, medica e delle costruzioni.

Le proprietà fisiche dell’MCE possono essere modificate con continuità, reversibilmente e rapidamente (millisecondi) sotto l’effetto di un campo magnetico relativamente poco intenso (inferiore ad 1 Tesla).

Il progetto VAST-IMAGE ha superato da poco la metà del suo percorso. Al presente (maggio 2004) i risultati conseguiti con l’MCE sono molto incoraggianti, in quanto si sono ottenute variazioni del modulo G superiori al 100% rispetto al valore misurato in assenza di campo magnetico.

Gli studi sui modelli matematici delle strutture sono terminati e sono in corso quelli sui mock-ups ed i nuovi dispositivi.

È stato messo a punto l’algoritmo e sono state allestite le apparecchiature del sistema elettronico di controllo.

Il progetto dell’isolatore sismico è in fase di completamento ed alcune parti sono anzi in costruzione. È importante osservare che questo dispositivo è stato concepito con il criterio del fail-safe.

Infatti, in caso di mancato funzionamento del sistema di controllo o in assenza di alimentazione elettrica, l’isolatore semi-attivo in MCE si comporta come un tradizionale isolatore elastomerico di tipo passivo dimensionato per il terremoto di progetto.

Infine è stato progettato e costruito il primo prototipo di ammortizzatore semi-attivo (vedi figure  qui sotto).

Le prove preliminari di laboratorio hanno confermato le previsioni di progetto.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Prototipo di ammortizzatore semi-attivo ed attrezzatura per le prove preliminari

 

 

Partners del progetto VAST-IMAGE:

1) Maurer Söhne – Coordinatore - Germania;  2) Royal Institute of Technology (KTH) - Svezia;  3) Università di Lubiana - Slovenia;  4) IFW Dresden – Germania;  5) ENEL Hydro – Italia; 6)  ENEA – Italia;  7) TARRC – Gran Bretagna;  8) BIKANI - Spagna