Controventare per resistere alla forza del sisma

Controventi dissipativi in strutture multipiano prefabbricate: l’esempio del Nuovo Polo Didattico dell’Università Politecnica delle Marche ad Ancona

da FIP-Industriale

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Il Nuovo Polo Didattico dell’Università Politecnica delle Marche, sito in località Montedago ad Ancona, costituisce la prima applicazione in Italia di controventi dissipativi ad una struttura multipiano prefabbricata in c.a. di nuova costruzione. I controventi dissipativi utilizzano i dissipatori isteretici assiali ad instabilità impedita (Buckling-Restrained Axial Dampers –BRAD).
La facoltà d’Ingegneria dell’Università Politecnica delle Marche si è trovata nella necessità di costruire un nuovo edificio – il nuovo Polo Didattico in località Montedago ad Ancona – per aumentare il numero delle aule a disposizione della didattica. L’esigenza primaria era quella della rapidità di costruzione: si richiedeva il completamento dell’edificio entro un anno, per l’utilizzo a partire dall’anno accademico 2005/2006, oltre che il contenimento dei costi entro un budget prestabilito. Queste due esigenze hanno indirizzato la progettazione verso un ampio uso della prefabbricazione sia per la struttura che per il tamponamento. Per quanto riguarda l’organismo strutturale la scelta è caduta su una struttura prefabbricata di c.a. per il blocco aule, mentre per il blocco d’ingresso e di distribuzione alle aule si è optato per l’acciaio per esigenze architettoniche. Il problema che è sorto, considerando che l’edificio è multipiano, è che le strutture prefabbricate a travi e pilastri hanno in prevalenza uno schema statico dove i pilastri sono incastrati al piede e sono collegati da travi incernierate ad essi.A prescindere dalle considerazioni sulla scarsa duttilità di uno schema statico di questo tipo, l’avvento dell’Ordinanza P.C.M. n° 3274, e successive modifiche, rende in sostanza inapplicabile questo tipo di prefabbricazione. Per risolvere il problema si è deciso di dotare l’organismo strutturale di controventi dissipativi che, oltre al compito di incrementarne l’iperstaticità, hanno quello di aumentarne la duttilità vista la loro capacità dissipativa.
L’edificio è a pianta rettangolare, di dimensioni complessive 108,5 x 23,3 m, con un piano interrato destinato ad autorimessa e due piani fuori terra adibiti ad aule. Un giunto sismico separa l’edificio in due corpi che differiscono in lunghezza di una campata. L’altezza di interpiano è 3,30 m nell’interrato, e 4,25 m nei due piani fuori terra.
La struttura prefabbricata di c.a. è costituita da pilastri di sezione costante per tutta l’altezza (50cm x 50cm), che formano una maglia di 8,40 m x 7,20 m, incastrati alla base (i pilastri giungono anche al piano interrato), e travi tessute secondo il lato più lungo e incernierate ai pilastri. I solai sono tutti di cemento precompresso tipo alveolato. Il piano interrato, anch’esso in prefabbricato, è stato irrigidito tramite una serie di setti di c.a. opportunamente disposti e ancorati ai pilastri. La struttura d’acciaio è impostata sulle strutture del primo solaio e quelle di copertura ed è formata da telai a due campate e dall’orizzontamento di copertura.
I controventi dissipativi sono stati inseriti solo nei due piani fuori terra.
I controventi dissipativi sono costituiti da tubolari metallici, aventi diametro 23 cm, disposti a V o V rovescia, ciascuno munito all’estremità di un dissipatore isteretico assiale ad instabilità impedita (Buckling - Restrained Axial Damper - BRAD). Si tratta della prima applicazione in Italia ed in Europa di controventi dissipativi di questa tipologia, già ampiamente utilizzati, con alcune varianti, in Giappone e negli USA.
Il progetto dei controventi dissipativi è stato effettuato con due metodologie, una semplificata, in fase di predimensionamento, ed una più accurata. La metodologia semplificata è consistita nel modellare il telaio considerando tutti i pilastri incernierati alla base, ed introducendo per ciascun piano un singolo controvento a V rovescia che evita la labilità della struttura ed assorbe tutte le forze di taglio con comportamento elastico. Questa modellazione rappresenta il telaio al limite di collasso, con le cerniere plastiche formatesi alla base di tutti i pilastri, e quindi in condizioni tali che la stabilità è affidata solo ai controventi. Tale modellazione fornisce un limite superiore della rigidezza complessiva dei controventi. Successivamente è stata eseguita una progettazione più accurata, che tiene conto dell’effettivo legame costitutivo elasto-plastico dei controventi dissipativi. Infine le verifiche sono state effettuate con analisi dinamiche non lineari, che hanno evidenziato il consistente contributo dei controventi dissipativi alla dissipazione di energia (più del 50% dell’energia di ingresso allo SLU).In totale sono stati inseriti 43 controventi dissipativi di 7 diversi tipi, 23 al piano terra e 20 al primo piano. Ogni controvento dissipativo comprende due dissipatori tipo BRAD, quindi in totale sono stati installati 86 dissipatori di due sole tipologie, che si distinguono per la forza massima di progetto (140 o 190 kN), mentre lo spostamento di progetto è ± 15mm. I 7 tipi di controvento si differenziano non solo per la tipologia di dissipatore, ma anche per la forma (V o V rovescia) e per la lunghezza del tubo in acciaio che costituisce la parte non dissipativa del controvento, e quindi per la rigidezza elastica complessiva del controvento dissipativo.

Riferimenti bibliografici:
Antonucci R., Balducci F., Castellano M.G., Donà F., (2006) Pre-casted RC buildings with buckling restrained braces: the example of the new building of the faculty of engineering in Ancona, Proc. of 2nd International fib Congress, Napoli.
Kasai K., Fu Y., Watanabe A. Passive Control Systems for Seismic Damage Mitigation. Journal of Structural Engineering, May 1998.