ng. Leonardo Bandini
Consigliere CTA
Quando si parla di risposta dinamica delle strutture, la prima immagine che viene alla mente, familiare a ogni ingegnere, è spesso quella dell’oscillatore elementare: una massa, una rigidezza, una frequenza propria. Il periodo fondamentale viene ricondotto alla nota relazione con la pulsazione naturale, e questa, a sua volta, al rapporto tra rigidezza e massa. È una rappresentazione essenziale, semplice e importante. Ma, proprio perché così essenziale, rischia talvolta di lasciare in secondo piano un terzo ingrediente, forse meno appariscente nella pratica corrente dell’ingegnere strutturista, ma altrettanto decisivo per la fisica del problema: lo smorzamento.
Rigidezza, massa e smorzamento non sono tre dettagli separati, ma tre modi diversi di governare la risposta. Intervenire sulla massa è raramente praticabile. Intervenire sulla rigidezza può essere possibile, ma non sempre è conveniente, né sufficiente, né scevro di effetti collaterali, a meno che non ci si stia riferendo al caso di isolamento sismico. Intervenire sullo smorzamento, invece, significa percorrere una strada diversa: non impedire alla struttura di muoversi, ma fare in modo che l’energia immessa dall’azione dinamica venga dissipata in modo controllato, prevedibile e, soprattutto, senza affidare tale dissipazione al danneggiamento degli elementi strutturali e non strutturali che la compongono.
È questo il senso della dissipazione supplementare di energia: affiancare alla capacità propria della struttura una quota di dissipazione affidata a dispositivi dedicati. Nella progettazione convenzionale, parte dell’energia introdotta dall’azione sismica viene spesso assorbita attraverso deformazioni inelastiche, con formazione di cerniere plastiche o danneggiamento controllato di zone critiche. Con i dispositivi di dissipazione supplementare, una parte di questa domanda può essere trasferita a componenti progettati specificamente per dissipare energia. La monografia Passive Energy Dissipation Systems for Structural Design and Retrofit di Constantinou, Soong e Dargush, pubblicata da MCEER nel 1998 [1], chiarisce bene questo cambio di paradigma: nei sistemi tradizionali l’energia viene dissipata attraverso deformazioni inelastiche della struttura, mentre nei sistemi con dispositivi passivi (o semi-attivi) una parte dell’energia in ingresso viene assorbita da dispositivi supplementari, riducendo o azzerando la domanda dissipativa sugli elementi strutturali principali.
Questa idea, oggi relativamente familiare a chi si occupa di protezione sismica avanzata, ha conseguenze progettuali importanti. Nella progettazione convenzionale, infatti, si accetta che, per eventi sismici severi, una struttura possa entrare in campo inelastico, purché il collasso sia evitato e la sicurezza delle persone sia garantita. È un’impostazione solida, che ha consentito enormi progressi. Ma non è l’unica possibile. Vi sono edifici, infrastrutture, impianti industriali e opere strategiche per le quali il danneggiamento non rappresenta un esito accettabile oppure comporta un costo funzionale, economico e sociale troppo elevato. In questi casi, la possibilità di collocare una parte della dissipazione in elementi dedicati, esterni al sistema resistente principale, diventa progettualmente rilevante.
La dissipazione supplementare, inoltre, non appartiene soltanto al “dominio” sismico. È uno degli aspetti che più spesso merita di essere ricordato. Le strutture vibrano per molte ragioni: vento, traffico, macchinari, attività umane, azioni ambientali, eventi impulsivi. I dispositivi di dissipazione possono essere efficaci non solo nei confronti delle azioni sismiche, ma anche delle azioni da vento e di altri carichi di servizio, proprio perché il problema generale è quello del controllo del moto. In questa accezione più ampia, isolamento e dissipazione supplementare non sono semplici “accessori” del progetto strutturale, ma strumenti efficaci per governare il modo in cui la struttura riceve, trasforma e dissipa energia.
In questa prospettiva, un episodio storico conserva un valore quasi emblematico nello scrivente. Nel 1969, le torri del World Trade Center furono interessate da un intervento di miglioramento dinamico mediante l’installazione di dispositivi viscoelastici. Non si trattava di protezione sismica, ma di comfort sotto vento. A New York, su due edifici simbolo dell’ingegneria del Novecento, il problema non era “resistere” nel senso più tradizionale del termine, ma limitare la risposta dinamica percepita dagli occupanti. La soluzione non fu aumentare la rigidezza o modificare la massa, ma introdurre smorzamento. Agire sul terzo ingrediente.
I dispositivi viscoelastici installati nelle torri erano circa 10.000 per ciascuna torre, distribuiti dal 10° al 110° piano, e collocati tra i correnti inferiori delle travature orizzontali e le colonne della parete esterna. La loro funzione era assistere il telaio tubolare in acciaio nel contenimento delle vibrazioni indotte dal vento entro livelli inferiori alla percezione umana. [2], [3].
Per un giovane studente di ingegneria dei primi anni Duemila, imbattersi in quel “caso” significava scoprire che il controllo della risposta dinamica non era un tema futuribile, ma una pratica già applicata da decenni su opere di assoluto rilievo. Erano passati circa trent’anni da quell’intervento, eppure il tema appariva ancora moderno, quasi anticipatore. La domanda veniva spontanea: se una tecnologia era già stata applicata con tale visione trent’anni prima, perché non farne oggetto di studio, approfondimento e applicazione sistematica? Da quella domanda può nascere un percorso professionale intero, perché la dissipazione supplementare non è un artificio tecnicistico, ma un modo diverso di guardare alle strutture: non più soltanto come sistemi resistenti e statici, ma come sistemi dinamici da controllare.
Nel percorso professionale di chi scrive, quella domanda è rimasta aperta e viva. Dalla tesi di laurea dedicata alla dissipazione supplementare di energia nelle strutture in acciaio, il tema si è progressivamente trasformato da curiosità scientifica a chiave di lettura progettuale, applicata o discussa in numerosi interventi su strutture civili, industriali e infrastrutturali, spesso in combinazione con tecniche di isolamento sismico. È proprio questa continuità tra studio, progetto e applicazione che ne conferma l’attualità.
In molti settori dell’ingegneria: dall’automotive, alla meccanica ferroviaria, all’aeronautica, la dissipazione dell’energia non è considerata una soluzione accessoria, ma una componente ordinaria del progetto. Lo stesso vale, e sempre più deve valere, per l’ingegneria strutturale. Non si tratta di importare una moda tecnologica da altri ambiti, ma di riconoscere una realtà già presente: molte opere civili, infrastrutturali e strategiche sono oggi protette mediante dispositivi di isolamento e dissipazione e molte altre potrebbero esserlo con maggiore consapevolezza progettuale. Per l’ingegnere strutturista la dissipazione supplementare non è quindi un tema futuribile, ma uno strumento già maturo, da conoscere, governare e integrare nel progetto con la stessa naturalezza con cui si ragiona di rigidezza, resistenza e duttilità.
Nel caso delle costruzioni in acciaio, il tema assume un significato ancora più interessante. L’acciaio è, giustamente, considerato un materiale “nobile”: resistente, duttile, facilmente controllabile, capace di grandi prestazioni e di importanti riserve plastiche. Non a caso, molti dispositivi di dissipazione supplementare sfruttano proprio il comportamento di elementi metallici dedicati: dispositivi isteretici, controventi ad instabilità impedita — BRB, Buckling Restrained Braces — o dispositivi ADAS, Added Damping and Stiffness. Proprio per questo, qualcuno potrebbe chiedersi perché introdurre dissipazione supplementare in strutture che possiedono già una naturale capacità dissipativa. La risposta sta nell’aggettivo “supplementare”. Non si tratta di negare la duttilità dell’acciaio né di sostituirla. Si tratta di preservarla, quando possibile, evitando che la dissipazione principale coincida necessariamente con il danneggiamento degli elementi portanti.
Questo punto è particolarmente rilevante nella pratica progettuale. Non di rado le strutture in acciaio vengono concepite per rimanere sostanzialmente elastiche anche sotto azione sismica, rinunciando quindi a sfruttare in modo significativo la capacità dissipativa del materiale e del sistema strutturale. Ma questo porta inevitabilmente ad uno spreco di materiale e ad un incremento di rigidezza che inevitabilmente conduce ad un incremento delle accelerazioni di risposta, che la struttura ed il suo contenuto “percepiscono” durante l’atto di moto sismico. In altri casi si adotta invece una progettazione dissipativa tradizionale, accettando la formazione di meccanismi plastici controllati. La dissipazione supplementare introduce una terza possibilità: concentrare una parte della domanda dissipativa in dispositivi dedicati, ispezionabili e, se necessario, sostituibili.
L’acciaio si presta in modo particolarmente efficace a questa filosofia. La naturale deformabilità propria delle strutture in acciaio, la possibilità di integrare controventi, collegamenti, dispositivi isteretici, viscosi, viscoelastici o sistemi combinati, rendono le strutture metalliche un terreno ideale per soluzioni avanzate di controllo della risposta dinamica basate sulla dissipazione. I dispositivi possono essere pensati come componenti facilmente ispezionabili e se occorre sostituibili, progettati con una funzione meccanica chiara. La struttura primaria conserva il proprio ruolo resistente; il sistema di dissipazione assume il compito di ridurre domanda di spostamento, accelerazioni, sollecitazioni cicliche o livelli di comfort vibrazionali.
L’aggiunta di dissipazione supplementare modifica il comportamento globale della struttura e deve essere progettata con attenzione. Introduce azioni negli elementi di collegamento, nei controventi che ospitano i dispositivi e nelle colonne adiacenti. Tuttavia, questa modifica non è equivalente a quella prodotta da un rinforzo tradizionale basato sul solo incremento di rigidezza e resistenza laterale. Un controvento tradizionale tende a concentrare su di sé una parte rilevante dell’azione orizzontale, modificando in modo marcato i percorsi di carico e aumentando spesso la domanda su collegamenti, fondazioni ed elementi adiacenti.
Un sistema dissipativo, invece, lavora su un principio diverso: non mira semplicemente ad aumentare la forza resistente, ma a ridurre la domanda dinamica attraverso la dissipazione di energia. Le forze nei dispositivi e negli elementi che li ospitano devono naturalmente essere valutate, ma sono parte di una risposta globale attenuata, nella quale spostamenti, domanda ciclica e danneggiamento potenziale possono risultare sensibilmente ridotti. È questa differenza tra aumentare la capacità e ridurre la domanda che rende la dissipazione supplementare particolarmente interessante, soprattutto negli interventi di retrofit.
È qui che il tema diventa pienamente culturale. Saper governare la risposta dinamica significa superare la visione della struttura come oggetto statico, o quasi statico, e riconoscerla come sistema energetico. Durante un evento dinamico, l’energia entra nella struttura, si trasforma in energia cinetica, energia elastica, energia dissipata dalla struttura e, se presenti, energia dissipata dai dispositivi supplementari. Nella progettazione si esprime questo concetto attraverso una relazione di bilancio energetico [4] in cui compare esplicitamente il contributo dei dispositivi di smorzamento supplementare. È una formulazione semplice, ma cambia il modo di ragionare: non si progetta solo per resistere a forze, ma per gestire energia.
Oggi, in un contesto in cui si parla sempre più di resilienza, continuità operativa, sostenibilità, durabilità e riduzione del danno, la dissipazione supplementare di energia merita un posto centrale nel dibattito progettuale. Non è una tecnologia “speciale” riservata a pochi casi eccezionali, ma una famiglia di strategie mature, articolate e in continua evoluzione. Strategie che possono trovare applicazione nel nuovo e nell’esistente, negli edifici civili e industriali, nelle infrastrutture, negli impianti, nelle opere strategiche e in tutte quelle situazioni in cui la risposta dinamica non può essere lasciata al solo comportamento intrinseco della struttura.
L’ingegneria strutturale ha spesso progredito quando ha imparato a controllare meglio fenomeni che prima subiva. La dissipazione supplementare appartiene a questa storia. Non elimina la complessità della dinamica strutturale, ma offre al progettista un grado di libertà in più. E quel grado di libertà è, in fondo, lo smorzamento: il terzo ingrediente, troppo spesso dimenticato, della risposta dinamica.
Bibliografia
[1] Constantinou, M. C., Soong, T. T., Dargush, G. F., Passive Energy Dissipation Systems for Structural Design and Retrofit, MCEER Monograph No. 1, Multidisciplinary Center for Earthquake Engineering Research, University at Buffalo, State University of New York, Buffalo, 1998.
[2] Mahmoodi, P. “Structural Dampers.” Journal of the Structural Division, ASCE, 1969.
[3] Mahmoodi, P., Robertson, L. E., Yontar, M., Moy, C., Feld, I. “Performance of Viscoelastic Dampers in World Trade Center Towers.” 1987.
[4] Uang, C. M., Bertero, V. V., “Use of Energy as a Design Criterion in Earthquake-Resistant Design.” 1988.