Impiego dei dispositivi viscosi e viscoelastici nella progettazione sismica di sistemi strutturali

Nell’ambito del controllo strutturale si propone una metodologia di progettazione integrata del sistema strutturale principale e del sistema di controllo passivo di natura viscoelastica, basata su un approccio prestazionale. Come ampiamente discusso nel primo capitolo, infatti, le tecniche di controllo strutturale sono finalizzate alla riduzione della vulnerabilità delle strutture, esistenti o di nuova concezione, nelle zone di media ed alta pericolosità sismica. Diverse sono le applicazioni dei dispositivi di controllo passivo sviluppate negli ultimi due decenni, i relativi studi di letteratura hanno sempre evidenziato la loro efficacia nel ridurre la domanda sismica sulla struttura principale da proteggere con specifico riferimento alla valutazione di alcuni dei principali funzionali di danneggiamento sismico. Nel secondo capitolo viene descritto per ognuno dei principali dispositivi di dissipazione supplementare passiva di energia, dispositivi metallici o isteretici, dispositivi attritivi, dispositivi viscoelastici e dispositivi viscosi (lineari e non lineari), il corrispondente comportamento fisico-meccanico, le principali applicazioni, i relativi vantaggi e svantaggi e, soprattutto i modelli matematici più adeguati, con particolare riferimento ai dispositivi viscosi e viscoelastici, oggetto della metodologia di progettazione integrata sviluppata nei successivi capitoli. Nel terzo capitolo vengono forniti sinteticamente i principi fondamentali alla base della dinamica di sistemi lineari non smorzati e smorzati a uno o più gradi di libertà nel dominio del tempo sia secondo un approccio di meccanica classica che nello spazio degli stati. Viene in una prima fase descritta l’analisi della risposta dinamica di sistemi lineari semplici ad un grado di libertà nel dominio del tempo definendo le principali caratteristiche dinamiche del sistema e gli effetti dello smorzamento. Successivamente, viene descritto un metodo basato su un approccio energetico per la valutazione dello smorzamento in presenza di dispositivi viscosi e viscoelastici. Quanto analizzato per il sistema ad un grado di libertà, viene esteso a sistemi lineari a più gradi di libertà affrontando la problematica del disaccoppiamento modale e dello smorzamento proporzionale. Il tutto, poi, viene trattato nello spazio degli stati, essendo tale rappresentazione quella impiegata per le analisi svolte nel capitolo sesto. Nel quarto capitolo viene illustrata la modellazione del comportamento dinamico dei sistemi dissipativi viscoelastici, tenendo in conto che, in una generica maglia strutturale, il dispositivo viscoso o viscoelastico è sempre collegato in serie ad una diagonale avente una propria rigidezza, al fine di valutare la dipendenza dalla pulsazione. A valle dei primi quattro capitoli, nel quinto capitolo viene descritta in modo puntuale la metodologia di progettazione integrata del sistema strutturale principale elastico e del sistema dissipativo viscoelastico nel rispetto di un generico target prestazionale espresso in termini di spostamento. Vengono individuate le variabili di progetto che caratterizzano il problema progettuale, il loro campo di definizione e vengono illustrate e commentate in dettaglio le fasi della procedura proposta tenendo conto di quanto illustrato nei precedenti capitoli. Viene selezionato un set di sette registrazioni accelerometriche storiche non scalate da impiegare nelle analisi dinamiche da sviluppare su cui testare la metodologia di progettazione integrata proposta. Infine sulle variabili di progetto scelte viene definita una funzione di costo da minimizzare al fine di trovare l’ottimo progettuale in termini economici per ogni generica prestazione considerata. Nel sesto ed ultimo capitolo viene descritta un’applicazione della metodologia della progettazione integrata proposta considerando il set di registrazioni accelerometriche selezionato nel precedente capitolo. A partire dalla valutazione dello spettro medio, viene applicata la metodologia presentata e, successivamente, viene valutato il minimo della funzione di costo, riferito ad ogni gruppo di rapporti di costo preso in esame, e, quindi, si ottengono i valori ottimali delle variabili di progetto. Segue, poi, un confronto economico tra le soluzioni progettuali di controventamento elastico senza dissipatori e le soluzioni integrate ottime, per ogni generica prestazione considerata. Viene, successivamente, effettuata una validazione della procedura proposta progettando un sistema “ottimo” ad un grado di libertà e verificandone il rispetto della prestazione scelta. Infine è sviluppata l’estensione della suddetta metodologia ad un sistema reale a più gradi di libertà sia nel caso di rigidezza uniforme che variabile tra i vari livelli sulla base di specifiche ipotesi di equivalenza tra il sistema integrato ad un grado di libertà ed il corrispondente sistema strutturale integrato a più gradi di libertà evidenziando l’efficacia della metodologia di progettazione integrata proposta.