Le Smart Structures: la nuova frontiera dell’isolamento sismico intelligente


Abbandoniamo per un momento la parentesi aperta sulle strutture offshore e torniamo all’isolamento sismico. L’immagine in testata ci facilità questo cambio di argomento: essa rappresenta una piattaforma offshore in costruzione in un’area caratterizzata da forte attività sismica. Il progetto prevede che la piattaforma sia isolata dai supporti.

Il tema dell’isolamento sismico l’ho già trattato nei seguenti articoli:

In questo articolo desidero focalizzarmi sull’isolamento sismico intelligente, impiegato mediante le cosiddette smart structures. Una nuova frontiera dell’isolamento sismico, infatti, consiste nell’impiego di dispositivi intelligenti che possano modificare la risposta in funzione dell’azione. Le cosiddette “smart structures”, strutture intelligenti, sono quelle che presentano attuatori, sensori ed uno o più mircroprocessori. Questi dispositivi vengono già impiegati in altri sistemi, come l’AMD o l’AVS (di cui si parla a parte), e si cerca ora di implementarli negli isolatori in modo da avere la risposta più adeguata in funzione delle esigenze del momento. Questi dispositivi analizzano i dati ricevuti dai sensori ed inviano istruzioni agli attuatori.

In generale, una struttura intelligente ha la capacità di rispondere in maniera differente in funzione di ciò che accade intorno, sia per quanto riguarda l’ambiente esterno (carichi) che per quello interno (danni e collassi locali).

Scendendo più nel dettaglio, una struttura intelligente incorpora, mediante gli attuatori, materiali intelligenti in grado di cambiare le proprie caratteristiche (come modulo di Young, viscosità, ecc.) quando soggetti ad un campo esterno (come quello elettrico, magnetico o termico).

Sono molte le tipologie di attuatori e sensori che cominciano a diffondersi nel campo delle costruzioni, come i materiali piezoelettrici, le leghe a memoria di forma, gli elettrostrittivi (ovvero che si deformano sotto l’azione di un campo elettrico), i magnetostrittivi (si deformano sotto l’azione di un campo magnetico), fluidi elettroreologici e fibre ottiche. Questi materiali possono essere integrati con la struttura senza dar luogo a nessun cambiamento significativo al sistema o alla rigidezza strutturale. Tra questi i piezoelettrici sono i più diffusi.

La piezoelettricità fu scoperta da Pierre e Jacques Curie nel 1880. Un materiale piezoelettrico, come detto, è soggetto a deformazioni quando viene applicato un campo elettrico nelle sue vicinanze; la deformazione dà luogo ad un potenziale e quindi il materiale può essere usato sia come attuatore che come sensore.

C’è da dire che sotto l’effetto del campo applicato, questi materiali generano deformazioni molto basse, ma possono coprire un ampia gamma di frequenze di attuazione. La tipologia più diffusa è la piezoceramica (in particolare il PZT) e si trova nella forma di fogli sottili.

Tra i materiali intelligenti, le leghe a memoria di forma (Shape Memory AlloysSMA) risultano particolarmente interessanti come attuatori grazie alla possibilità di ottenere elevate forze e spostamenti. Questi metalli subiscono una trasformazione di fase a specifiche temperature. In particolare, quando si deformano plasticamente a basse temperature, queste leghe ritornano alla loro condizione indeformata non appena la temperatura si discosta da quella alla quale avviene la trasformazione. Tale processo è ripetibile più volte.

Il materiale più diffuso è il Nitinol (leghe in nickel e titanio) ed è disponibile nella forma di cavi di vari diametri. Il riscaldamento può essere ottenuto sia internamente (usando resistenze elettriche) che esternamente (fornendo calore).

I materiali elettrostrittivi sopportano allungamenti in presenza di campi elettrici mostrando una capacità di deformazione leggermente migliore rispetto ai piezoelettrici, ma sono sensibili alla temperatura. La maggior parte delle applicazioni che fanno ricorso a questi materiali sono destinate ad ambiente sottomarino.

I materiali magnetostrittivi come il Terfenol-D si allungano quando esposti ad un campo magnetico. Questi materiali generano basse deformazioni e forze moderate su una vasta gamma di frequenze. Il problema di questi materiali risiede nelle elevate dimensioni necessarie per le applicazioni.

I fluidi elettroreologici e quelli magnetoreologici operano mediante sospensione di piccole particelle nel fluido e nel cambiamento delle loro caratteristiche (viscosità e rigidezza) rispettivamente sotto campo elettrico e campo magnetico. Questi fluidi sono usati in particolar modo per realizzare gli smorzatori.

Le fibre ottiche sono usate come sensori e possono facilmente essere inseriti in strutture composite con effetti trascurabili sull’integrità strutturale.

Una struttura intelligente incorpora una distribuzione di attuatori e sensori, così come integratori e circuiti elettronici. La figura seguente definisce i vari tipi di strutture:

Strutture adattive (A): sono quelle che presentano degli attuatori in modo da alterare le caratteristiche nella maniera prescritta. Possono non presentare sensori. Esempi tipici sono le ali degli aerei con i deflettori e gli alettoni, ed i rotori con i servo-deflettori.

Strutture sensoriali (B): sono quelle che presentano una distribuzione di sensori in modo da monitorare le caratteristiche della struttura (monitoraggio di stato). I sensori possono anche rilevare deformazioni, spostamenti, accelerazioni, temperatura, proprietà elettromagnetica e livello di danno.

Strutture controllate (C): sono un misto di strutture adattive e sensoriali. Queste presentano sia attuatori che sensori e hanno un sistema di controllo della risposta per controllare attivamente le caratteristiche della struttura.

Strutture attive (D): sono una sottocategoria delle strutture controllate. Gli attuatori integrati ed i sensori hanno capacità portante (funzioni strutturali).

Strutture intelligenti (E): sono una sottocategoria delle strutture attive. Presentano, integrato aggiuntivamente, un sistema di controllo di tipo logico ed una serie di dispositivi elettronici.

Come detto, le smart structures possono essere impiegate nelle costruzioni per ottenere quello che viene definito “isolamento sismico intelligente”. In alcune situazioni catastrofiche (come il terremoto di Northridge) si è visto che il base isolation, per quanto efficace possa essere, soffre i moti impulsivi generati da sismi con epicentro vicino (near-fault); questo ha fatto si che si adottassero misure più restrittive nelle normative in modo da cautelarsi nei confronti di questi eventi (si vedano le modifiche all’Uniform Building Code comparando la versione del 1994 con quella del 1997). I requisiti più severi hanno fatto si che aumentasse il costo dell’isolamento sismico, richiedendo maggiori spostamenti e la necessità di dispositivi di smorzamento supplementari.

L’aggiunta di smorzamento, però, non è una panacea. Osservando l’immagine seguente, ripresa dal “NEHRP Commentary on the Guidelines for Seismic Rehabilitation of Buildings”, si nota come uno smorzamento elevato porti la distribuzione dei taglianti di piano ad essere circa costante lungo l’altezza, anziché di tipo triangolare, aumentando di fatto le accelerazioni ai piani superiori.

Gli effetti dello smorzamento sul tagliante di piano.

Questo incremento di accelerazioni ai piani alti può comportare problemi al contenuto. Se anche la struttura riesce a superare il sisma indenne, infatti, le apparecchiature possono essere danneggiate al punto da rendere inservibile l’opera, quale può essere un ospedale. Ad esempio, alcune delle strutture isolate sismicamente durante l’evento di Northridge divennero non operative non per i danni strutturali, ma per l’allagamento causato dalla rottura delle tubazioni interne.

Le ricerche attuali, quindi, tendono ad un maggiore controllo della risposta, che possa unire una diminuzione del taglio alla base con basse accelerazioni di piano e che possano anche . In realtà i sistemi a controllo attivo della risposta sono già esistenti, ma comportano un notevole consumo di energia e la necessità di impiegare costosi sistemi di continuità in caso di black-out.

L’isolamento sismico intelligente, nato proprio dalle ricerche suddette, cerca di unire i benefici del controllo passivo (isolamento sismico) con quelli del controllo attivo, quindi mantenendo basse le richieste di energia. Nell’immagine alla pagina successiva sono riportati gli schemi di funzionamento di questi dispositivi. Lo schema (a) fa riferimento ad un sistema con controllo analogico, mentre lo schema (b) ad un sistema con controllo digitale. Nel primo caso i sensori posti sulla struttura rilevano le condizioni ambientali, dopodiché viene emesso un segnale ricevuto dal controllore analogico, il quale invia i dati all’attuatore che a sua volta modifica le caratteristiche del sistema per ottenere la migliore risposta possibile. Nel secondo schema il segnale viene prima convertito da analogico a digitale, poi viene ricevuto dal controllore, di tipo digitale, successivamente riconvertito in analogico e poi inviato agli attuatori.

Schemi di funzionamento dei dissipatori intelligenti.

E con questo chiudo e vi rimando al prossimo articolo.

Come al solito, per chiarimenti, segnalazioni o altro potete scrivere al sottoscritto alla seguente e-mail:

ofs@hotmail.it

Ing. Onorio Francesco Salvatore

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