Tecnologia ISAAC: come protegge la struttura su cui è installata?

Per capire in che modo la tecnologia ISAAC protegge le strutture durante un terremoto, bisogna innanzitutto descrivere brevemente il comportamento di un edificio sottoposto ad un evento sismico.

Se si escludono le azioni del vento, o le masse mobili che possono trovarsi all’interno della struttura, durante il normale esercizio una costruzione è solitamente sottoposta a carichi statici e verticali. Il sisma, imponendo degli spostamenti alle fondazioni, va a movimentare le masse in gioco nella struttura che scaricano la propria inerzia sugli elementi strutturali sotto forma di azioni orizzontali. Maggiori saranno gli spostamenti delle masse, maggiori saranno le accelerazioni e, di conseguenza, le sollecitazioni per la struttura. Se si vuole vedere il sistema da un punto di vista energetico, si può dire che il sisma introduce dell’energia all’interno dell’edificio sotto forma di energia cinetica dovuta agli spostamenti dello stesso. Questa energia è dissipata per isteresi e danneggiamento degli elementi strutturali e non strutturali.

Da quanto appena visto, si può intuire il principio fondamentale su cui si basa il

funzionamento di un Active Mass Damper: riducendo le oscillazioni dell’edificio si riducono le forze orizzontali scaricate sugli elementi strutturali e non strutturali preservandone l’integrità e la capacità portante. Per ridurre gli spostamenti l’Active Mass Damper utilizza una massa mobile che viene movimentata secondo una logica di controllo in contrapposizione al sisma. Esattamente come le masse dell’edificio messe in movimento dal terremoto si tramutano in sollecitazioni orizzontali per la struttura, la massa mobile genera delle forze che vanno a contrapporsi a quelle del sisma. In questo modo la struttura controllata dalla tecnologia ISAAC subirà degli spostamenti inferiori rispetto alla stessa struttura sprovvista di sistema di controllo.

Protezione degli elementi strutturali

Gli elementi strutturali come travi e colonne dissipano l’energia proveniente dagli spostamenti imposti dal sisma tramite il processo d’isteresi. Se si vuole descrivere il comportamento de

ll’elemento su un grafico con gli spostamenti in ascissa e la forza in ordinata, si otterrà un grafico simile a quello riportato in Figura 1. Si può vedere come la curva rossa, inizialmente elastica e lineare, con l’aumentare delle sollecitazioni inizi ad allargarsi e a racchiudere un’area via via più grande. L’area sottesa dalla curva rappresenta l’energia dissipata dallo specifico elemento e i vari cicli che compie sono detti cicli d’isteresi.

Figura 1 – Isteresi e danneggiamento del nodo trave-colonna

La dissipazione di energia avviene tramite danneggiamento dell’elemento strutturale con conseguente perdita di capacità portante. Con l’istallazione dell’Active Mass Damper abbiamo visto che si possono ridurre significativamente gli spostamenti della struttura. Andando quindi a vedere il grafico d’isteresi dei singoli nodi strutturali otterremmo una curva molto più stretta con minore dissipazione di energia e minor danneggiamento degli elementi. In questo modo si preserva la capacità portante degli elementi e l’integrità strutturale della costruzione.

Protezione degli elementi non strutturali

Gli elementi non strutturali come tamponature o infissi non ricoprono un ruolo portante all’interno dell’edificio. Anche se la loro integrità fornisce una rigidezza aggiuntiva alla struttura e di conseguenza ne migliora il comportamento dinamico, il loro collasso non costituisce una perdita di capacità portante. Il danneggiamento degli elementi non strutturali non è tuttavia da trascurare, in quanto può essere un’importante fonte di pericolo per gli occupanti dell’edificio e causare ingenti danni economici. Per il loro comportamento in caso di evento sismico, è possibile fare un discorso analogo a quello fatto per i nodi strutturali. Anche le tamponature hanno un comportamento isteretico, caratterizzato da una maggiore fragilità rispetto a travi e colonne, che gli permette di dissipare energia. Il movimento dei nodi e i drift d’interpiano creano all’interno del pannello murario un puntone compresso che può portare al collasso della muratura (Figura 2). L’utilizzo dell’Active Mass Damper riducendo gli spostamenti strutturali, riduce il livello di compressione raggiunto nella tamponatura e permette di preservarne l’integrità.

Figura 2 – Comportamento delle tamponature durante il sisma

Ricapitolando, i benefici della tecnologia Isaac si possono vedere innanzitutto confrontando gli spostamenti, specialmente in copertura dove si avranno in generale le oscillazioni più ampie, tra lo stato di fatto e la struttura controllata. Un altro aspetto molto importante riguarda la diminuzione dell’area d’isteresi nei nodi trave-colonna che implica un minore danneggiamento degli stessi.

Anche in termini energetici i benefici sono molto evidenti. Andando a descrivere il bilancio energetico della struttura durante il sisma in un grafico con in ascissa il tempo e in ordinata il valore percentuale dell’energia dissipata (Figura 3), avremo che per la struttura allo stato di fatto tutta la dissipazione è affidata al damping strutturale con tutti i fenomeni di danneggiamento e isteresi che abbiamo visto in precedenza; per la struttura controllata dalla tecnologia Isaac si avrà, oltre al damping strutturale un ulteriore contributo fornito dalle macchine che comporta una notevole diminuzione della dissipazione di energia affidata alla struttura.