Una sintesi dei dispositivi di dissipazione passiva di più diffuso utilizzo è presentata in Figura 2.6.1, nella quale sono mostrati lo schema del dispositivo reale, le caratteristiche costruttive, la risposta isteretica ideale, il modello fisico associato e i principali vantaggi e svantaggi.
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Figura 2.6.1 Sintesi delle caratteristiche di costruzione, comportamento isteretico, modello fisico, vantaggi e svantaggi dei dispositivi di dissipazione passiva per applicazioni di protezione sismica
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I dissipatori ad attrito sono caratterizzati da elevata capacità dissipativa e insensitività a variazioni di temperatura, ma hanno un comportamento fortemente non lineare e lo studio richiede analisi non lineari. Le condizioni dell’interfaccia sono molto variabili nel tempo e tali dispositivi subiscono spostamenti permanenti a causa della mancanza di una forza di ricentramento. Anche i dispositivi metallici hanno un comportamento non lineare ma caratterizzato da isteresi stabile. Non sono sensibili a variazioni di condizioni ambientali e devono essere sostituiti a causa del danneggiamento al termine di un evento. Per quanto riguarda i dissipatori viscoelastici essi sono ricentranti e hanno un comportamento lineare facilmente modellabile, ma hanno proprietà dipendenti dalla frequenza dell’eccitazione e dalla temperatura. Inoltre hanno limitate capacità deformative. Tra i vantaggi dei dispositivi viscosi ricordiamo l’attivazione a basse soglie di spostamento, possiedono una forza ricentrante e hanno proprietà meccaniche indipendenti dalla frequenza e dalla temperatura. Per tali dissipatori lineari la modellazione può essere, in una prima fase, semplificata nell’ipotesi di non considerare la flessibilità del sistema di controventamento e delle connessioni.
Per illustrare le differenze nell’efficienza d’uso di tali dispositivi si riporta sinteticamente uno studio (Tehrani and Maalek 2006), nel quale sono stati implementati numericamente differenti metodi di riabilitazione per migliorare le prestazioni sismiche di una struttura esistente utilizzando analisi dinamiche non lineari. La struttura oggetto di studio è una costruzione di acciaio di nove livelli situata in Tehran (Iran). In Figura 2.6.2 è presentata la pianta della struttura, per maggiori dettagli si rimanda a (Tehrani and Maalek 2006).
Figura 2.6.2 Pianta del piano tipo della struttura esistente
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Figura 2.6.3 Controventatura della struttura in direzione X e in direzione Y
Numerose analisi non lineari sono state condotte sul modello 3-D della struttura, esse mostrano che le cerniere plastiche si formano nelle travi e evidenziano la rottura lato calcestruzzo delle pareti in direzione y. La notevole perdita di resistenza è visibile nella curva di capacità con conseguente aumento dello spostamento target della struttura. Gli spettri di domanda per i livelli di performance LS e CP insieme alla curva capacità sono mostrati nelle Figure 2.6.4 e 2.6.5.
Figura 2.6.4 Spettro di capacità-domanda della struttura esistente in direzione Y per i livelli di performance CP e LS
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Figura 2.6.5 Spettri di capacità- domanda per la struttura esistente in direzione X per i livelli di performance CP e LS
Lo spostamento target è molto lontano dagli spostamenti ammissibili e le deformazioni plastiche di molte connessioni eccedono i limiti di accettabilità prescritti nel codice FEMA 356 (ATC 2000). La struttura, in accordo con le linee guida FEMA 356 (ATC 2000), è non verificata ed ha bisogno di essere adeguata. Per conseguire tale obiettivo due gruppi di metodi di rinforzo sono stati considerati: il primo gruppo è relativo ai metodi moderni basati su dispositivi di controllo passivo che includono dissipatori metallici, ad attrito, viscosi e viscoelastici. Di contro sono stati investigati i metodi convenzionali di rinforzo come la controventatura e le pareti resistenti a taglio. Per ciascuno schema di rinforzo della struttura sono state condotte numerose analisi dinamiche non lineari sui modelli, usando sette registrazioni di sismi abbinate allo spettro considerato: Naghan (Iran 1977), Tabas (Iran 1978), Abhar (Iran 1991), Elcentro (1940), Parkfield (1966), Taft (Kern County 1952), e San Fernando (1971).
Nei diagrammi delle Figure 2.6.6 e 2.6.7 vengono presentati i tagli alla base della struttura a seconda dell’uso dei vari dispositivi.
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Figura 2.6.6 Raffronto tra i tagli massimi alla base in funzione dell’impiego dei vari dispositivi o dei metodi convenzionali di rinforzo (direzione X)
Figura 2.6.7 Raffronto tra i tagli massimi alla base in funzione dell’impiego dei vari dispositivi o dei metodi convenzionali di rinforzo (direzione Y)
Per quanto riguarda i dispositivi TADAS (added damping and stiffness) sono state fatte variare alcune caratteristiche come i parametri SR ed U che rappresentano rispettivamente la resistenza relativa e la rigidezza del dissipatore. I dissipatori viscosi e viscoelastici sono stati investigati con differenti percentuali di smorzamento mentre
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quelli ad attrito con differenti carichi di scorrimento (carico per il quale il dispositivo inizia a scorrere). Per quanto riguarda i sistemi tradizionali è stato ipotizzato l’uso di una o due pareti e diverse eccentricità per i controventi. Comparando i risultati dei grafici si scopre che la variazione degli sforzi di taglio alla base è più elevata in direzione x che in direzione y, ciò a causa dell’esistenza delle pareti rigide in questa direzione che diminuiscono l’effetto dei dissipatori nel ridurre il taglio alla base della struttura. Comunque si nota che con l’applicazione dei dissipatori passivi il taglio alla base è ridotto particolarmente in direzione x. I grafici delle Figure 2.6.8 e 2.6.9 mostrano la percentuale media di energia dissipata negli elementi strutturali in risposta alle sette registrazioni.
Figura 2.6.8 Energia media dissipata in ciascun elemento in funzione dell’impiego dei vari dispositivi o dei metodi convenzionali di rinforzo (direzione X)
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Figura 2.6.9 Energia media dissipata in ciascun elemento in funzione dell’impiego dei vari dispositivi o dei metodi convenzionali di rinforzo (direzione Y)
E’ evidente che la quantità di energia dissipata dai dissipatori viscoelastici con il 30% di smorzamento è massima in direzione x, mentre gli elementi strutturali rimangono in campo elastico e soprattutto le colonne subiscono un danno minimo. In aggiunta l’utilizzo di dispositivi ad attrito con carico di scorrimento di 300 KN conduce agli stessi risultati.
In direzione y invece il massimo livello di energia dissipata è raggiunto nei dissipatori viscosi con smorzamento pari al 20% di quello critico. Il danno nelle colonne e nelle connessioni è minimo, ciò a causa del fatto che i dissipatori viscosi esercitano il loro massimo sforzo fuori fase rispetto allo spostamento, in tal modo quando la struttura subisce la sua massima deformazione, nessuna forza viene esercitata dal dissipatore viscoso sulla struttura. Questa è una caratteristica favorevole sfruttabile specialmente nel caso di strutture esistenti che potrebbero non avere abbastanza capacità di sopportare le forze esercitate dai dissipatori.