By Nel contesto della crescente attenzione alla sicurezza sismica del patrimonio edilizio esistente, la ricerca scientifica sta esplorando soluzioni sempre più efficaci, sostenibili e compatibili con le strutture prefabbricate in calcestruzzo armato, largamente diffuse nel panorama costruttivo italiano. In questa prospettiva si colloca la tesi di dottorato di Eleonora Grossi, sviluppata nell’ambito del 36° ciclo del corso di Dottorato in “Scienze dell’Ingegneria”, dal titolo “A novel 2D dissipative connection for the seismic retrofit of precast RC structures: conceptualization, prototyping, mechanical and numerical study”.
Il lavoro, che ha ricevuto una menzione speciale dalla Commissione dell’edizione 2024 degli ACI Italy Chapter – Federbeton Awards, si distingue per l’approccio innovativo alla progettazione di un dispositivo dissipativo ad attrito bidirezionale, pensato per migliorare il comportamento sismico delle strutture prefabbricate, prolungandone la vita utile e contribuendo alla loro resilienza. Un contributo determinante alla ricerca è stato fornito dai Relatori, Prof. Alessandra Aprile e Ing. Matteo Zerbin, il cui supporto scientifico è stato fondamentale per lo sviluppo metodologico e sperimentale dello studio. Inoltre, i Correlatori, Prof. Flavia De Luca e Ing. Raffaele De Risi, hanno offerto un’importante guida nell’analisi numerica e nell’inquadramento teorico e sperimentale del lavoro, arricchendo la ricerca con la loro esperienza nel campo dell’ingegneria sismica e del comportamento strutturale delle costruzioni in calcestruzzo.
Gli ACI Italy Chapter – Federbeton Awards, promossi congiuntamente dall’American Concrete Institute Italy Chapter e da Federbeton, rappresentano un riconoscimento autorevole per le migliori tesi di laurea magistrale e di dottorato nel campo dell’ingegneria strutturale e dei materiali a base cementizia. Il premio valorizza i contributi scientifici capaci di coniugare innovazione, applicabilità industriale e sostenibilità, promuovendo la ricerca italiana in un contesto internazionale.
Strutture prefabbricate e antisismica
Le strutture prefabbricate in calcestruzzo armato (RC), ampiamente utilizzate per edifici industriali e commerciali nei Paesi più sviluppati fin dagli anni ’60, sono composte da elementi modulari prodotti in serie che permettono di coprire ampie luci e sono facilmente installabili in cantiere. Tuttavia, quelle realizzate prima dell’introduzione delle normative antisismiche, hanno mostrato una vulnerabilità nei confronti delle azioni sismiche. Al pari di quanto accade per altre tipologie di strutture, infatti, le sequenze sismiche che hanno interessato il territorio italiano hanno confermato che la capacità degli edifici prefabbricati di resistere alle azioni sismiche dipende in modo prioritario dall’efficacia dei collegamenti tra gli elementi strutturali. Solo in seconda battuta entrano in gioco la resistenza meccanica delle travi, dei pilastri, delle fondazioni e dei pannelli di tamponamento. L’introduzione della classificazione sismica nazionale con l’OPCM 3274 del 2003 e la successiva revisione delle Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC) hanno profondamente modificato il quadro di riferimento, estendendo la classificazione a molte aree precedentemente non considerate sismiche. Questa riclassificazione ha evidenziato come numerosi edifici prefabbricati, realizzati tra gli anni ’50 e il 2000, siano stati progettati esclusivamente per i carichi gravitazionali e ambientali (neve, vento, ecc.), senza considerare le azioni sismiche. Di conseguenza, tali edifici mostrano oggi una marcata vulnerabilità strutturale in caso di terremoto.
«La vulnerabilità principale di queste strutture si concentra nei nodi trave-colonna, che spesso mancano di connessioni adeguate al trasferimento delle forze orizzontali indotte dal sisma. Questo rende tali sistemi particolarmente suscettibili a meccanismi di collasso prematuro. Il rapporto FIB del 2000 (Federation Internationale du Beton, 2003), che fornisce linee guida e raccomandazioni sul comportamento sismico del calcestruzzo, con particolare attenzione alla progettazione antisismica delle strutture in calcestruzzo armato e prefabbricate, evidenzia come la vulnerabilità sismica sia elevata in queste strutture, soprattutto in assenza di giunti efficienti e dettagli costruttivi adeguati, con il rischio di crolli prematuri e rotture fragili delle colonne. Al contrario, le strutture con giunti ben progettati, hanno mostrato buone prestazioni, sviluppando correttamente le cerniere plastiche», afferma Grossi.
Un esempio emblematico è il terremoto dell’Emilia del 2012, che ha colpito duramente un’area con numerose strutture prefabbricate in c.a. e c.a.p., causando vittime, danni economici e sociali, e generando ingenti perdite economiche, stimate in circa 13 miliardi di euro. A ciò si aggiunge l’impatto ambientale: la demolizione ha generato 700 m³ di macerie e il processo di ricostruzione ha incrementato le emissioni di CO₂ (UNEP, 2022).
«Le gravi conseguenze del sisma evidenziano la necessità urgente di strategie di adeguamento sismico per prolungare la vita utile delle strutture prefabbricate in c.a. e c.a.p. progettate senza criteri antisismici e ridurre le perdite causate dai terremoti. Questo tema, inoltre, è strettamente legato agli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell’Agenda 2030 delle Nazioni Unite, in particolare agli obiettivi 11 (città e comunità sostenibili), 12 (consumo e produzione responsabili) e 13 (lotta al cambiamento climatico) (UN, 2023). L’obiettivo di aumentare la resilienza, definita come “una combinazione tra capacità adattive, capacità di assorbimento e capacità di ripristino”, è cruciale in ambito edilizio. Migliorare la resilienza degli edifici, riducendo i danni strutturali e non strutturali, è un passo fondamentale per favorire una rapida ripresa dopo un evento sismico», dichiara Grossi.
In questo contesto, l’introduzione di dispositivi innovativi, efficienti e poco invasivi è fondamentale per una strategia di retrofit sismico, mirata a migliorare la sicurezza senza compromettere la funzionalità o la produttività degli edifici esistenti. La tesi si concentra sul prolungamento della vita utile e sulla mitigazione delle perdite sismiche di strutture prefabbricate in calcestruzzo armato (c.a.) e calcestruzzo armato precompresso (c.a.p.), progettate per soli carichi verticali e situate in aree sismiche. Gli obiettivi principali includono la concettualizzazione, prototipazione e definizione meccanica e numerica di una connessione dissipativa 2D, denominata Bidirectional Rotational Friction Damper (BRFD), che consente l’adeguamento sismico di queste strutture.
Nei paragrafi che seguono, saranno esplorati i dettagli tecnici della ricerca, dalla concezione del dispositivo alla sua sperimentazione meccanica e numerica, fino alle potenzialità di applicazione future, con l’obiettivo di fornire una panoramica completa su una proposta che integra ingegneria sismica, economia circolare e digitalizzazione dei processi di progettazione.
Le soluzioni per il miglioramento della risposta sismica
Le soluzioni più comuni per il miglioramento della risposta sismica delle strutture comprendono tecniche tradizionali e tecniche di controllo passivo basate sulla dissipazione dell’energia. Le tecniche tradizionali, come il rivestimento in calcestruzzo o acciaio e l’avvolgimento con materiali compositi (FRP), sono impiegate per aumentare la resistenza degli elementi, in particolare delle colonne. Spesso, inoltre, si utilizzano controventi in acciaio per incrementare la rigidezza globale e connessioni metalliche per migliorare la continuità strutturale. Tuttavia, questi interventi richiedono opere supplementari sulle fondazioni e, in caso di forti terremoti, non garantiscono l’integrità della struttura.
Le tecniche di controllo passivo, invece, sfruttano la deformazione plastica o l’attrito di materiali metallici per dissipare l’energia sismica. I dispositivi passivi di dissipazione energetica (Passive Energy Dissipation Devices, PEDDs) si sono rivelati soluzioni efficaci ed economicamente vantaggiose rispetto agli interventi tradizionali, contribuendo a evitare danni agli elementi strutturali e non strutturali. Questi dispositivi sono solitamente installati su controventi metallici, ma comportano modifiche significative al sistema strutturale esistente, richiedono elementi di supporto aggiuntivi e riducono la superficie utile a causa delle loro dimensioni. Inoltre, poiché i PEDDs agiscono generalmente lungo una sola direzione, per garantire una dissipazione isotropa è necessario installarli lungo tutte le direzioni principali, operazione non sempre possibile. Per esempio, negli edifici prefabbricati con telai disposti secondo un solo asse principale e travi ortogonali scarsamente connesse ai telai, l’installazione di dispositivi in tutte le direzioni non è fattibile. Ciò evidenzia la necessità di dispositivi capaci di migliorare la risposta sismica anche in assenza di una configurazione strutturale tridimensionale. Rispetto alle tecniche tradizionali, inoltre, le tecniche di controllo passivo hanno anche un impatto ambientale minore, soprattutto se i dispositivi utilizzati sono ripristinabili e resistono a più eventi sismici senza subire danni. Alcuni studi recenti evidenziano una significativa riduzione delle emissioni di CO₂ quando si utilizzano soluzioni innovative per l’adeguamento delle strutture prefabbricate rispetto a quelle tradizionali.
Obiettivi e metodologia
L’esigenza di migliorare le connessioni strutturali e di introdurre dispositivi di dissipazione energetica minimamente invasivi ha portato al concetto di giunti trave-colonna dissipativi, in grado di soddisfare entrambi i requisiti in un unico dispositivo. «Questa tesi è incentrata sulla concettualizzazione, prototipizzazione e definizione meccanica e numerica di un innovativo dissipatore rotazionale bidirezionale ad attrito (Bidirectional Rotational Friction Damper – BRFD), installato come giunto trave-colonna in strutture prefabbricate in calcestruzzo armato (RC) e in grado di sviluppare dissipazione bidirezionale mediante attrito», afferma Grossi. «I dissipatori ad attrito sono generalmente caratterizzati da un degrado limitato della capacità dissipativa anche dopo numerosi cicli isteretici. Inoltre, poiché la dissipazione energetica coinvolge solo un’area limitata del dispositivo, gli elementi principali rimangono intatti anche dopo molteplici eventi sismici. Un aspetto che riflette i principi dell’economia circolare, in base ai quali dovrebbero essere progettate le nuove soluzioni (EC, 2020)».
Com’è fatto e come funziona il dispositivo BRFD
Il layout del BRFD (Bidirectional Rotational Friction Damper) è concepito per offrire un comportamento dissipativo bidirezionale attraverso l’impiego di piastre in acciaio stratificate e componenti mobili (vedi Figure 1a e 1b). La disposizione geometrica del dispositivo, inclinata a 45° rispetto agli elementi strutturali principali, consente di intercettare efficacemente le forze sismiche agenti sia nella direzione longitudinale sia in quella trasversale. L’inserimento del BRFD nei nodi trave-colonna, con opportune guide di allineamento e connessioni incernierate, permette il controllo delle deformazioni e la dissipazione di energia tramite attrito. Quando il dispositivo si attiva, le estremità delle piastre ruotano attorno ai bulloni e i pattini di attrito, inseriti alle estremità di ciascuna piastra centrale, scorrono l’uno sull’altro, dissipando energia e assumendo la forma deformata mostrata in Figura 2.
Dal punto di vista strutturale, l’introduzione del BRFD comporta una modifica sostanziale del comportamento globale del telaio prefabbricato: le colonne, originariamente funzionanti come mensole incastrate alla base, assumono una configurazione doppiamente incastrata. Questo passaggio incrementa la rigidezza del sistema sia nel piano che fuori piano, migliorandone la risposta sismica. Inoltre, il dispositivo contribuisce a impedire scorrimenti relativi tra trave e colonna, riducendo la probabilità di meccanismi di collasso locale e aumentando la capacità di dissipazione energetica dell’intero sistema, senza compromettere l’integrità degli elementi in acciaio o calcestruzzo, che rimangono in campo elastico se il dispositivo è correttamente dimensionato.
Figura 1: BRFD – vista assonometrica (1a) e esempio di installazione come giunto trave-colonna (1b).
La fase di concettualizzazione e il modello analitico semplificato
Nella fase di concettualizzazione, primo step della ricerca, è stato sviluppato un modello analitico semplificato per descrivere il funzionamento del BRFD. Il modello mostra come il dispositivo possa essere scomposto in due componenti principali: una che agisce lungo la direzione longitudinale (asse x locale) e una lungo la direzione trasversale (asse y locale), ciascuna con una propria forza di attivazione e rigidezza iniziale. Il comportamento del BRFD può essere rappresentato tramite leggi bilineari indipendenti per ciascuna direzione, il che ne semplifica notevolmente l’implementazione nei modelli numerici: il dispositivo può infatti essere simulato come un collegamento (“link”) dotato di due leggi isteretiche separate.
«Per verificarne l’efficacia, abbiamo condotto uno studio su una struttura prefabbricata in calcestruzzo armato a un solo piano e una sola campata, priva di telai secondari. Sul caso studio sono state eseguite analisi quasi-statiche e analisi dinamiche non lineari (time history). L’inserimento del BRFD nei telai principali ha dimostrato un miglioramento significativo del comportamento sotto azioni quasi-statiche, senza modifica dello spostamento di sommità associato al collasso delle colonne e con un incremento contenuto del taglio alla base. In fase di attivazione, il dispositivo è in grado di ripristinare lo schema statico originale, permettendo alle colonne di comportarsi come mensole incastrate alla base. Grazie a un’analisi di sensitività e ad una valutazione con approccio multi-criterio (Multi-Criteria Decision-Making, MCDM), abbiamo individuato la configurazione ottimale del BRFD per il caso studio (cfr. Figura 3): i risultati hanno mostrato un miglioramento della risposta dinamica della struttura, con una riduzione notevole del drift d’interpiano (fino al 62%) e del taglio alla base (28%), il tutto senza alterare lo schema strutturale né causare danni agli elementi strutturali o alle finiture», dichiara Grossi. «È importante sottolineare che i risultati ottenuti sono strettamente legati al caso studio analizzato. Poiché le prestazioni dipendono sia dal layout strutturale che dal livello di pericolosità sismica locale, l’approccio MCDM si conferma un valido strumento di supporto per la progettazione e il dimensionamento dei sistemi BRFD. Tuttavia, sono necessari ulteriori studi per approfondirne e valorizzarne appieno il potenziale», aggiunge Grossi.
Figura 3: Miglioramento della risposta dinamica della struttura relativamente alla configurazione ottimale del BRFD per a) il caso studio. b) Risultati dell’analisi di sensibilità.
La prototipazione del dispositivo
Lo step successivo ha riguardato la prototipazione del dispositivo. «In questa fase, in collaborazione con il Gruppo di Metallurgia del Dipartimento di Ingegneria dell’Università di Ferrara, abbiamo condotto un’indagine sperimentale tramite test Pin-on-Disk (PoD), simulando le condizioni d’uso reali del dispositivo sotto l’azione di eventi sismici successivi. Queste prove si sono rivelate molto efficaci e ci hanno consentito di comprendere meglio gli aspetti tribologici coinvolti nel comportamento meccanico del dispositivo per i test in scala reale. Lo studio di prototipazione ha permesso di definire le superfici dell’interfaccia a frizione del nuovo dispositivo e di individuare e selezionare l’accoppiamento di materiali più adatto per sviluppare un coefficiente d’attrito (COF) affidabile e stabile», spiega Grossi.
La scelta del materiale delle superfici di scorrimento e dei processi di lavorazione tiene conto del corpo principale del dispositivo e della necessità di ridurre la componente abrasiva dell’attrito e la formazione di particelle d’usura durante lo scorrimento. I risultati principali, in termini di caratterizzazione delle superfici e prove di usura, hanno evidenziato come l’interazione tra acciaio e un metallo più morbido migliori la stabilità del COF senza danneggiare significativamente le superfici.
«Dato che il corpo principale del BRFD è in acciaio, abbiamo testato diverse superfici accoppiate, come acciaio, bronzo, ottone, acciaio pallinato, rivestimenti a base di nichel e zinco, e selezionato dei processi di lavorazione tradizionali a basso costo, come tornitura e fresatura, con l’obiettivo di individuare le coppie di materiali più promettenti in termini di comportamento complessivo del dispositivo», afferma Grossi. Questa fase ha rappresentato un passaggio fondamentale per tradurre un concetto innovativo in un’applicazione concreta e ripetibile, ponendo le basi per l’integrazione del BRFD nei sistemi strutturali esistenti.
Gli studi meccanici e numerici del dispositivo
Nel terzo step della tesi è stato effettuato lo studio meccanico. In questa fase, sono state eseguite delle prove meccaniche cicliche su un BRFD in scala reale, equipaggiato con le coppie di attrito più promettenti, per valutare il comportamento del dispositivo quando sottoposto a spostamenti mono- e bidirezionali e verificare che corrispondesse alla precedente modellazione semplificata.
«I test hanno previsto due interfacce: acciaio nichelato vs. acciaio nichelato (NN) e acciaio nichelato vs. bronzo (NB). Nella fase iniziale delle prove meccaniche, nonostante il suo potenziale bidirezionale, abbiamo analizzato il comportamento del BRFD esclusivamente nella direzione longitudinale, con l’obiettivo di studiare in dettaglio le prestazioni delle interfacce di attrito selezionate. I test sono stati eseguiti presso il Laboratorio di Integrità Strutturale del Dipartimento di Ingegneria dell’Università di Ferrara, utilizzando una macchina di prova servo-idraulica MTS. Successivamente, abbiamo eseguito un’ulteriore campagna di prove per la verifica in condizioni bidirezionali presso l’Heavy & Light Structure Laboratory della CADE School dell’Università di Bristol (UK) considerando entrambe le componenti di spostamento».
I test sperimentali sono stati eseguiti secondo le linee guida della norma EN 15129 per la certificazione dei dispositivi antisismici (CEN, 2018), utilizzando due attuatori ortogonali, ai quali sono stati imposti percorsi di input monodimensionali sinusoidali e triangolari, oltre a due percorsi orbitali bidimensionali (a quadrifoglio e a spirale), con ampiezza crescente e frequenze differenti. Inoltre, sono stati installati diversi sensori per misurare e monitorare la reale tensione assiale dei bulloni passanti durante le prove e valutare l’influenza effettiva del precarico.
«I risultati dei test hanno evidenziato un promettente comportamento bidirezionale del BRFD, sia in termini di regolarità dei cicli isteretici che di buona capacità dissipativa, in particolare per la configurazione acciaio nichelato – bronzo (NB), che ritenevamo la più performante. Infatti, nonostante lo sviluppo di coefficienti di attrito inferiori rispetto alla configurazione NN, la regolarità dei cicli isteretici rende questa configurazione più affidabile e quindi preferibile», afferma Grossi.
Alla luce dei risultati sperimentali positivi, è stato avviato uno studio numerico mirato a riprodurre con precisione il comportamento del BRFD, approfondendo l’analisi di diversi modelli costitutivi dell’attrito. Come spiega Grossi, «ho sviluppato una modellazione numerica avanzata, implementata in ambienti FEM, che riproduce fedelmente la geometria reale del dispositivo e simula il comportamento e le interazioni dei suoi principali componenti strutturali. In questo contesto, sono stati confrontati tre diversi modelli di attrito: il modello di Coulomb (CF), quello dipendente dalla velocità (VDF) e il modello multi-lineare dipendente dalla velocità (MLVDF)».
Il modello numerico è stato calibrato sulla base dei dati ottenuti dalle prove meccaniche ed è stato messo a confronto con il modello analitico semplificato sviluppato in precedenza. Tra i tre, il modello VDF si è dimostrato il più efficace, offrendo i risultati migliori sia nella riproduzione delle forze in gioco sia in termini di stabilità numerica, soprattutto per la configurazione NB, considerata la più promettente.
I risultati sperimentali, confrontati con le previsioni numeriche, hanno mostrato una buona corrispondenza, confermando l’affidabilità del dispositivo e aprendo la strada verso ulteriori campagne di prova su scala più ampia.
Il dispositivo BRFD, oggetto di questa ricerca, ha ottenuto il brevetto n. 102020000013738/2022 rilasciato dall’Ufficio Italiano Brevetti e Marchi (Ministero dello Sviluppo Economico), a conferma del suo carattere innovativo, ed è in corso di ottenimento della marcatura CE per la sua commercializzazione.
Figura 5: Cicli d’isteresi ottenuti per la configurazione NB (acciaio nichelato vs. bronzo) con il livello di serraggio T1 = 50 Nm, corrispondente ad una tensione assiale di 20 kN, e frequenza 0.50 Hz per il protocollo di test a) G1, b) G3 con percorso spiraliforme e c) G3 con percorso a quadrifoglio. I test G1 sono finalizzati a valutare il comportamento del BRFD in una condizione d’uso reale monodirezionale e sono condotti applicando separatamente nelle due direzioni una legge di spostamento sinusoidale. I test G3 mirano a valutare il comportamento del BRFD in una condizione d’uso reale quando è soggetto a spostamenti bidirezionali.
Conclusioni e prospettive future
Questo studio di ricerca ha messo in evidenza come il BRFD (Bidirectional Rotational Friction Damper) possa migliorare significativamente il comportamento sismico delle strutture prefabbricate in calcestruzzo armato, garantendo al contempo cicli isteretici stabili e affidabili. Inoltre, il modello numerico affinato basato sull’attrito può essere utilizzato come strumento di laboratorio virtuale per riprodurre il comportamento reale del BRFD all’interno di un setup sperimentale e l’interazione effettiva tra il dispositivo e il sistema strutturale. Nonostante i risultati promettenti, sono necessarie ulteriori ricerche per validare completamente la soluzione proposta.
«Le prospettive future per il BRFD includono diverse direzioni di ricerca. In primo luogo, sarà necessario validare la componente trasversale del dispositivo attraverso ulteriori prove meccaniche, così come ampliare gli studi numerici su telai prefabbricati esistenti per esplorare i benefici in diverse tipologie strutturali. Un altro passo importante sarà la realizzazione di prove su tavola vibrante per testare l’interazione tra il BRFD e strutture reali, un’attività che è parte di un progetto ERIES (Horizon) già finanziato, che si svolgerà presso la tavola vibrante AZALEE dell’EMSI-TAMARIS del CEA, nel centro di ricerca di Paris-Saclay (Francia), nella estate-autunno 2025. Inoltre, saranno condotti studi per applicare il BRFD a edifici esistenti, considerando diverse tipologie strutturali, come strutture in acciaio e in legno. Infine, la valutazione tramite studi di Life Cycle Assessment (LCA) potrà fornire un’analisi sulla resilienza e sostenibilità del BRFD in contesti sismici. Questi sviluppi permetteranno di consolidare e ottimizzare ulteriormente l’uso del BRFD in strutture prefabbricate in calcestruzzo armato, con impatti significativi sulla sicurezza e la durabilità degli edifici», conclude Grossi.
