Progetto INGEGNERIA La community italiana dell'Ingegneria
Nel panorama delle tecnologie impiegate nell’ingegneria civile sta diventando sempre più comune l’impiego di sistemi attivi, quali l’utilizzo di sensoristica per il monitoraggio dinamico e/o statico delle strutture.
Tuttavia, l’uso di questi sistemi permette al più di tenere sotto osservazione dei fenomeni di degrado della struttura, ma non agiscono al fine di migliorarne le prestazioni.
I sistemi di controllo attivo della risposta sismica, invece, già adottati per grandi strutture in Asia, permettono in primis di migliorare le performance dinamiche della costruzione e monitorare h24 la struttura e lo stesso sistema di protezione sismica.
L’utilizzo di questi sistemi è già contemplato da normative internazionali, come la ISO 3010:2017, e indicato tra le tecnologie adottabili per il miglioramento della risposta sismica degli edifici di nuova costruzione o esistenti.
In questo articolo viene presentato in anteprima un nuovo sistema di controllo attivo della risposta sismica pensato per edifici di piccole e medie dimensioni. ISAAC, infatti, ha brevettato il sistema I-Pro 1, che si caratterizza per: bassa invasività, elevata precisione e alte prestazioni. Gli studi e le analisi, svolte applicando le diverse metodologie di calcolo prescritte dalla normativa italiana ed internazionale, permettono di comprenderne i benefici ottenibili in termini di:
- riduzione del taglio basale;
- riduzione degli spostamenti dei piani;
- riduzione delle derive interpiano;
- riduzione degli sforzi applicati agli elementi strutturali.
COME FUNZIONA IL SISTEMA DI CONTROLLO ATTIVO DELLA RISPOSTA SISMICA I-PRO 1?
Tutti i giorni, quando camminiamo, il nostro corpo è in grado di mantenere l’equilibrio grazie alla misurazione inconscia di alcuni parametri, quali l’inclinazione tramite il labirinto auricolare. Tutto questo è possibile grazie al cervello umano che misura dei parametri e comanda il movimento del corpo. Infatti, il corpo umano è il perfetto esempio di sistema di controllo attivo.
Un sistema di controllo attivo richiede l’utilizzo di attuatori per esercitare delle forze, sensori per misurare dei parametri e un controllore in cui possa essere implementato l’algoritmo di controllo, che è a tutti gli effetti assimilabile al cervello della macchina.
Allo stesso modo con cui il corpo umano permette di mantenere l’equilibrio, il sistema di controllo attivo della risposta sismica I-Pro 1richiede:
- l’installazione di attuatori sulla copertura dell’edificio, per esercitare le forze di controllo sulla costruzione;
- sensori posizionati in determinati punti, per misurare il movimento della struttura;
- il computer centrale di comando, dove viene implementato l’algoritmo di controllo per permettere il monitoraggio attivo dell’edificio.
Tutto questo permette di rendere un qualsiasi edificio esistente una smart structure, o struttura intelligente.
Durante l’evento sismico i sensori misurano il movimento della costruzione e il computer centrale di comando impone la generazione di forze da parte di ognuno dei dispositivi installati in copertura, al fine di minimizzare gli spostamenti dei piani, le derive interpiano e di conseguenza gli sforzi agli elementi strutturali.
CASO STUDIO: EFFETTI OTTENIBILI DALL’ APPLICAZIONE DELLA TECNOLOGIA I-PRO 1 DI ISAAC.
Analizzando nello specifico un edificio in cemento armato (costruito nei laboratori Ispra secondo criteri utilizzati negli anni ’60) e sfruttando i risultati delle prove sperimentali effettuate su di esso, è stato possibile definire e calibrare un accurato modello non lineare della struttura, con non-linearità riguardanti sia gli elementi strutturali (con cerniere a fibre) che le tamponature.
Sul modello FEM ottenuto sono state fatte diverse simulazioni di sisma, considerando la struttura, in un caso non equipaggiata del sistema di controllo attivo, e nell’altro dotata del sistema.
Questo è stato possibile solo grazie al co-simulatore realizzato ad hoc per poter simulare in tempo reale l’effetto del sistema di controllo attivo installato sulla costruzione e contemporaneamente l’effetto del comportamento non lineare dell’edificio.
La struttura è stata analizzata per il caso dello Stato Limite di Salvaguardia della Vita, per lo Stato Limite di Danno e ulteriori considerazioni sono state tratte in merito allo Stato Limite di Collasso. Tutti gli stati limite sono stati analizzati sia per il caso della struttura controllata sia per il caso di quella non controllata.
Figura 4 – Co-simulatore realizzato per poter simulare in tempo reale il sistema di controllo attivo e il comportamento non lineare della struttura
Come parametro riassuntivo del miglioramento per lo SLV, in Figura 5 viene riportato il confronto della deriva interpiano del primo piano tra il caso della struttura allo stato di fatto (blu) e quello della struttura equipaggiata con il sistema di controllo attivo (rosso).
L’effetto utile ottenuto è stata la riduzione delle derive interpiano e di conseguenza delle sollecitazioni agli elementi strutturali, istante per istante, oltre che nei massimi raggiunti durante tutta la storia temporale.
In Figura 5 sono mostrati a titolo di esempio il momento M3 e il taglio V2 istante per istante nella trave che controlla lo Stato Limite di Salvaguardia della Vita, sia per lo stato di fatto (blu) che per la struttura equipaggiata del sistema (rosso).
I RISULTATI
L’analisi del caso studio ha consentito di mettere in luce i risultati ottenibili dall’adozione del sistema di controllo attivo I-Pro 1. Questi sono stati ottenuti considerando e confrontando diverse metodologie:
- Analisi dinamica non lineare con integrazione al passo.
- Analisi dinamica lineare con integrazione al passo.
- Analisi dinamica lineare con spettro di risposta.
Le tabelle che seguono consentono di valutare in modo semplice e riepilogativa i risultati delle analisi svolte sul caso studio considerato (per le analisi di storia temporale sono riportati i risultati di inviluppo).
Viene così dimostrato, con diverse metodologie di analisi e in termini di aumento di fattore q e IS-V e di riduzione di taglio basale e derive interpiano, l’effettivo miglioramento sismico ottenibile grazie all’installazione del sistema di controllo attivo della risposta sismica I-Pro 1, senza l’introduzione di ulteriori rinforzi sulla costruzione.
Scarica il Report completo da questo link.
La redazione di Progetto INGEGNERIA, la community italiana per tutti gli amanti dell’Ingegneria