Energy-based plastic design and seismic evaluation of doubly buckling-restrained knee-braced frames

I terremoti non si limitano a scuotere il terreno; essi riversano un enorme, invisibile fiume di energia negli edifici che vi sorgono sopra. Affinché una struttura possa sopravvivere, deve essere in grado di assorbire questa energia senza crollare, proprio come un ammortizzatore su un'auto smorza una guida accidentata. Gli ingegneri cercano da tempo modi per progettare edifici che possano piegarsi e torcersi, dissipando questa forza distruttiva attraverso il danno controllato di parti specifiche e sostituibili, mantenendo intatto lo scheletro principale. Questo approccio, noto come progettazione basata sulle prestazioni, si allontana dal semplice rendere gli edifici più forti e si concentra invece sul controllo del loro modo di deformarsi. Una sfida chiave in questo campo è trovare un sistema che offra un'elevata resistenza e flessibilità senza sacrificare gli spazi aperti che l'architettura moderna richiede. I sistemi di controventatura tradizionali spesso richiedono travi diagonali spesse che tagliano le stanze, ma un concetto più recente chiamato telaio a ginocchio controventato (knee-braced frame) posiziona queste controventature più vicino ai giunti dove le travi incontrano le colonne, preservando lo spazio aperto. I ricercatori stanno ora esplorando una versione raffinata di questo sistema, che utilizza speciali controventature progettate per resistere all'instabilità (buckling), garantendo che possano allungarsi e comprimersi ripetutamente senza cedere.

In uno studio recente, un team di ingegneri della Cambogia e della Thailandia ha investigato quanto bene si comporti un tipo specifico di questi telai, chiamato telai a ginocchio con controventatura a doppia resistenza all'instabilità (doubly buckling-restrained knee-braced frames), sotto lo stress di grandi terremoti. Si sono concentrati su un metodo di progettazione che calcola la resistenza necessaria di un edificio bilanciando l'energia che un terremoto fornisce rispetto all'energia che l'edificio può assorbire in sicurezza attraverso la deformazione plastica. I ricercatori hanno applicato questo metodo a quattro diversi modelli di edifici, che vanno da tre a dodici piani di altezza, e li hanno testati contro due livelli di rischio sismico: un terremoto di livello di progetto, che si prevede avvenga occasionalmente, e un terremoto di livello massimo, che rappresenta un evento raro e catastrofico. Per vedere come si comporterebbero realmente queste strutture, il team non si è limitato a calcoli teorici; ha eseguito sofisticate simulazioni al computer che imitavano lo scuotimento del terreno, osservando come i componenti in acciaio cedessero, dove si concentrasse il danno e quanto oscillassero i piani.

Lo studio è iniziato progettando i quattro modelli di edifici per soddisfare specifici obiettivi di sicurezza. Per il terremoto frequente, di livello di progetto, l'obiettivo era limitare l'oscillazione dell'edificio a un drift del due percento, mentre per l'evento raro, di livello massimo, il limite era fissato al tre percento. Il metodo di progettazione ha garantito che le speciali controventature e le basi delle colonne fossero le parti destinate a cedere e assorbire energia, mentre le travi e le parti superiori delle colonne rimanessero rigide ed elastiche. I ricercatori hanno poi sottoposto i modelli a una serie di test. Per prima cosa, hanno spinto gli edifici lateralmente con un movimento lento e costante per vedere come rispondevano a una forza crescente. Successivamente, hanno sottoposto i modelli a ventidue diverse coppie di movimenti del terreno registrati, scalati per corrispondere all'intensità dei livelli di rischio di progetto e massimo. Questo test dinamico ha permesso loro di vedere come gli edifici si comportassero sotto lo scuotimento complesso e rapido di un vero terremoto, piuttosto che solo sotto una spinta lenta.

I risultati hanno mostrato che il metodo di progettazione ha funzionato molto bene per gli edifici più bassi. I telai a tre e sei piani si sono comportati esattamente come previsto dagli ingegneri. Durante le simulazioni, le speciali controventature e le basi delle colonne hanno iniziato a cedere e ad assorbire energia nei momenti corretti, mentre il resto della struttura è rimasto forte. Gli edifici hanno oscillato entro i limiti di sicurezza e il danno si è concentrato nelle parti progettate per riceverlo, confermando che l'approccio basato sull'energia ha controllato con successo la risposta dell'edificio per le strutture a bassa e media altezza. Le simulazioni hanno rivelato che le colonne in questi edifici più bassi hanno subito la snervatura alla base come previsto, creando un meccanismo stabile che ha impedito il crollo dell'edificio.

Tuttove, la storia cambia per gli edifici più alti. Quando i ricercatori hanno esaminato i modelli a nove e dodici piani, le simulazioni hanno mostrato che il pattern di danno previsto non si era sviluppato completamente. Sebbene le speciali controventature avessero ceduto come previsto, le basi delle colonne in queste strutture più alte non avevano subito la snervatura entro i limiti di oscillazione stabiliti. I ricercatori hanno scoperto che gli edifici più alti erano influenzati dagli effetti dei modi superiori, un fenomeno in cui i piani superiori oscillano in modo diverso rispetto ai piani inferiori, complicando il modo in cui l'energia viene distribuita. Nei test di pushover, le basi delle colonne dei telai a nove e dodici piani sono rimaste elastiche anche quando l'edificio ha raggiunto il target di drift, il che significa che il pieno meccanismo di assorbimento dell'energia non era stato attivato. Nonostante ciò, l'analisi dinamica della storia temporale, che utilizzava le registrazioni reali del terremoto, ha mostrato che gli edifici più alti si erano comunque comportati in modo sicuro. Le controventature e le basi delle colonne hanno infine subito la snervatura durante lo scuotimento e l'oscillazione complessiva è rimasta entro i limiti di sicurezza, suggerendo che gli edifici sarebbero sopravvissuti, anche se il pattern di danno era leggermente diverso dal design ideale.

Lo studio conclude che il metodo di progettazione plastica basato sull'energia è uno strumento affidabile per creare telai a ginocchio sicuri e resilienti, particolarmente per edifici fino a sei piani. Per queste strutture, il metodo assicura con successo che l'edificio ceda in modo controllato, proteggendo la struttura complessiva da un fallimento catastrofico. Per gli edifici più alti, il metodo garantisce comunque una progettazione sicura, ma gli ingegneri osservano che il comportamento è più complesso. Le basi delle colonne nei telai più alti non hanno subito la snervatura come previsto nella fase di progettazione iniziale, indicando che l'influenza dei modi di vibrazione superiori deve essere presa in considerazione più attentamente nelle progettazioni future di strutture alte. I ricercatori suggeriscono che, sebbene l'approccio attuale funzioni, sono necessari ulteriori studi per perfezionare la progettazione degli edifici alti al fine di garantire che il meccanismo di dissipazione dell'energia previsto si attivi pienamente nelle condizioni sismiche più severe. Il lavoro dimostra che, bilanciando attentamente l'energia in ingresso e la capacità della struttura di assorbirla, gli ingegneri possono creare edifici che restino saldi contro le forze della natura, proteggendo sia la struttura che le persone all'interno.