Sicurezza degli elementi non strutturali: il simulatore sismico multi-assiale

Negli ultimi anni, nell’ambito della ricerca numerica e sperimentale legata alla sicurezza degli edifici, è stata dedicata un’attenzione sempre crescente a tutti quei componenti che possono essere definiti “non strutturali”.

Gli elementi non strutturali non fanno parte dell’ossatura portante dell’edificio, ma sono comunque inevitabilmente soggetti a sollecitazioni dinamiche per effetto di un sisma. Elementi architettonici, strumentazioni elettriche e meccaniche, controsoffitti, pavimenti galleggianti, arredo, elementi per il sostegno delle tubazioni di impianti (solo per citare alcuni esempi) devono essere progettati per sostenere le oscillazioni strutturali derivanti dalla risposta sismica dell’edificio che li contiene, al fine di preservare l’operatività post-evento dell’edificio, ma anche la vita degli utenti.

È stato osservato che i costi correlati ai danneggiamenti di elementi non strutturali, conseguentemente ad eventi sismici del passato, sono stati spesso estremamente superiori ai costi sostenuti per il reintegro e la riparazione delle strutture. Nel caso di uffici, hotel e ospedali, il costo delle componenti non strutturali ha generalmente un impatto per circa il 90% dei costi totali. È inoltre doveroso sottolineare che, come conseguenza di una scarsa conoscenza (non solo sperimentale) del comportamento di queste componenti in relazione alla risposta sismica dell’edificio, le parti non strutturali tendono ad avere significativi danneggiamenti anche per azioni sismiche di limitata intensità.

Citano alcuni casi concreti:

• in corrispondenza del terremoto di Northridge (Stati Uniti, 1994) sono state registrate spese pari a 6.3 miliardi di dollari unicamente per la riparazione o la ricostruzione di edifici non-residenziali, con la particolarità che solamente il 17% (1.1 miliardi) sono stati attribuiti al danneggiamento degli elementi strutturali (Kircher, 2003).
• la maggior parte delle perdite economiche (circa 2 miliardi di dollari) dovute all’evento che nel 2001 ha colpito lo Stato di Washington (Nisqually Earthquake) sono da ricondurre al danneggiamento di elementi non strutturali (Filiatrault et al., 2001).
• in seguito al terremoto che nel 2010 ha colpito la regione del Maule (Cile), pur in presenza di un danneggiamento relativamente contenuto alle strutture, le scarse prestazioni degli elementi non-strutturali hanno provocato perdite di circa 30 miliardi di dollari.

Le perdite economiche non sono il solo aspetto rilevante. Come evidenziato da Villaverde (2004) e Charleson (2007), il collasso degli elementi non-strutturali, come per esempio l’espulsione fuori piano, anche parziale, dei tamponamenti, oppure la caduta delle scaffalature nei capannoni, costituisce un’ulteriore causa di pericolo per la sicurezza degli occupanti e di intralcio sia per il deflusso durante la fase di evacuazione, sia per il lavoro dei soccorritori, che seguono il flusso opposto.

Senza dilungarci oltre, accenniamo solo a due ulteriori aspetti che meriterebbero un serio approfondimento. Il primo riguarda la riduzione delle prestazioni del “sistema edificio” (compresa la limitazione della funzionalità di edifici importanti come le strutture ospedaliere), riscontrata in tutti i terremoti recenti, dovuta alla vulnerabilità degli elementi non strutturali. Il secondo è legato al contesto delle normative tecniche di progettazione per le costruzioni basate su approcci prestazionali, dove la necessità di armonizzare i livelli prestazionali fra elementi strutturali e componenti non-strutturali riveste un’importanza primaria.

Una nuova struttura sperimentale: la tavola vibrante multi-assiale

In conseguenza all’acquisizione di diversi progetti di ricerca con importanti risvolti sperimentali, nel 2016 Fondazione Eucentre* ha deciso per un investimento strategico, totalmente privato, su un importante ampliamento delle proprie capacità sperimentali, finanziando l’installazione di una nuova tavola vibrante multi-assiale. Il progetto esecutivo è stato terminato nella primavera 2016, il cantiere è stato aperto nell’autunno 2016 e i lavori si sono conclusi, con il collaudo finale, nel mese di agosto 2017.

La nuova struttura di prova sarà destinata alla sperimentazione in particolare nel campo dei componenti non strutturali e impiantistici in generale. Il sistema di prova è costituito da una piastra in acciaio con struttura tridimensionale, estremamente rigida, al fine di evitare interferenze nel campo di frequenze utilizzato per i test.

La parte rigida è guidata da un sistema di 12 attuatori che ne gestiscono i vari gradi di libertà sulla base di un preciso schema cinematico. In una prima fase il sistema è equipaggiato per il movimento secondo 4 gradi di libertà: i) longitudinale; ii) verticale; iii) rotazione di rollio; iv) rotazione di beccheggio.

Il progetto esecutivo ha considerato la possibilità di un futuro ampliamento con l’aggiunta di due ulteriori attuatori al fine di ottenere un sistema a 6 gradi di libertà, con l’aggiunta dell’asse di controllo trasversale e della rotazione di imbardata.

Gli attuatori che gestiscono i vari movimenti del sistema sono di tipo idraulico servo-controllati e sono quindi alimentati da un impianto di pompaggio ad essi collegato mediante tubazioni rigide e flessibili dimensionate per grandi velocità di trasferimento e alte pressioni. Le richieste di picco, in caso di necessità, sono compensate dalla presenza di una serie di gruppi di accumulo precaricati con azoto.

Il sistema è gestito da un PLC, da un’elettronica ed un software di ultima generazione che rappresentano lo stato dell’arte nello sviluppo di sistemi per la riproduzione degli effetti del terremoto.

Nel seguito sono riportate alcune immagini riguardanti l’installazione della tavola vibrante a impianti ultimati e una breve prova dimostrativa eseguita durante l’inaugurazione del nuovo laboratorio.

* La Fondazione Eucentre

La Fondazione Eucentre, con sede a Pavia, è un ente senza fine di lucro che promuove e sviluppa la ricerca e la formazione nel campo della riduzione del rischio, in particolare sismico. La sua creazione è avvenuta nel 2003 su iniziativa dei seguenti soci fondatori: Dipartimento della Protezione Civile Nazionale, Università degli Studi di Pavia, Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV), Istituto Universitario di Studi Superiori di Pavia (IUSS).

Le attività svolte al suo interno riguardano principalmente la ricerca applicata nell’ambito dell’ingegneria sismica finalizzata al conseguimento di molteplici obiettivi: la valutazione e la riduzione della vulnerabilità e del rischio; il supporto per la definizione di specifiche linee di azione pubblica, di atti di indirizzo, di linee guida e di documenti a carattere normativo, anche in riferimento allo stato dell’arte internazionale; la consulenza scientifica e tecnologica a livello nazionale ed internazionale; la formazione di operatori esperti in campo scientifico e professionale.

Filippo Dacarro, autore dell’articolo, è responsabile e direttore tecnico dei Laboratori Eucentre, ndr.

Riferimenti bibliografici

Charleson A. (2007) – Architectural Design for Earthquakes – A guide to the design of non-structural elements, Published by the New Zealand Society for Earthquake Engineering (NZSEE), 2^nd edition.

Filiatrault A., Uang C.M., Folz B., Christopoulos C., Gatto K. (2001) Reconnaissance report of the February 28, 2001 Niqually (Seattle-Olympia) Earthquake, Report No. SSRP-2001/02, Department of Structural Engineering, University of California, San Diego, La Jolla, CA.

Kircher, C.A. (2003) Near-real-time loss estimation using hazus and shakemap data, SMIP03 Seminar Proceedings, pages. 59-65

Taghavi S., Miranda E. (2003) – Response assessment of nonstructural building elements, Report PEER 2003/05, Pacific Earthquake Engineering Research Center, Richmond, CA.

Villaverde R. (2004) Seismic analysis and design of non-structural elements, in Earthquake engineering from engineering seismology to performance-based design, (Eds) Y. Bozorgnia, V.V. Bertero, CRC Press, pages.19-48.