Dissipatori Fluido-Viscosi per l'Adeguamento Sismico degli Edifici

Principi fisici, modellazione, procedura di progetto e inquadramento normativo secondo NTC 2018 ed Eurocode 8

Ing. Alberto Pingitore — Cesarini Ingegneria StP s.r.l., Pescara | Strutturista

I dissipatori fluido-viscosi rappresentano oggi una delle tecnologie più efficaci per il controllo passivo della risposta sismica. A differenza dei tradizionali interventi di rinforzo strutturale, agiscono direttamente sull'energia dissipata dal sistema, riducendo le forze e gli spostamenti imposti alla struttura esistente senza aumentarne la rigidezza globale.

1. Il principio fisico: dissipazione per viscosità

Un dissipatore fluido-viscoso (DFV) è essenzialmente un cilindro contenente un fluido siliconico ad alta viscosità, attraverso cui è costretto a fluire per effetto del moto relativo tra le due estremità del dispositivo. L'energia meccanica del sisma viene convertita in calore per attrito viscoso interno, sottraendola alla struttura.

La forza resistente generata dal dissipatore segue una legge del tipo:

Legge forza-velocità del dissipatore (modello non lineare) Fd = C · |v|α · sgn(v)

dove C è il coefficiente di smorzamento viscoso [kN·(s/m)α], v è la velocità relativa tra le due estremità [m/s] e α è l'esponente di velocità, compreso tipicamente tra 0.3 e 1.0. Per α = 1 il comportamento è puramente lineare viscoso; per α < 1 si ha un dispositivo non lineare con forza massima limitata, utile per non sovraccaricare le connessioni strutturali.

Comportamento ciclico: confronto tra esponenti

α = 1 (lineare) ; α = 0.5 (non lineare) α → 0 (limite rigido) Cicli isteretici F–v

2. Vantaggi rispetto ad altre tecniche di adeguamento

Riduzione della risposta

Smorzamento efficace ξ fino al 20–30%: accelerazioni e spostamenti di piano ridotti del 40–60%.

Nessun aumento di rigidezza

Non modificano il periodo proprio T della struttura; le forze sismiche non aumentano.

Forza in quadratura

La forza del DFV è sfasata di 90° rispetto all'elastico: non si somma alle forze dell'edificio.

Intervento reversibile

I dispositivi sono sostituibili dopo un sisma; l'intervento è meno invasivo dei tradizionali rinforzi.

3. Inquadramento normativo

Le NTC 2018 (§ 7.10 e C7.10 della Circolare) e l'Eurocode 8 (EN 1998-1 § 10) disciplinano l'uso di sistemi di controllo passivo. I punti normativi fondamentali sono:

Aspetto NTC 2018 EC8 (EN 1998-1)
Modellazione dei dispositivi § 7.10.2 — modello lineare equivalente o non lineare § 10.1.2 — modello viscoelastico o non lineare
Analisi strutturale

Analisi non lineare preferita; lineare con ξeq ammessa Analisi modale con spettro modificato o time-history

Smorzamento equivalente Circolare § C7.10 — correzione spettrale con η § 3.2.2.2 — fattore η = √(10/(5+ξ))
Verifiche dei dispositivi Qualifica per prove in accordo a EN 15129 EN 15129:2018 — Anti-seismic Devices
Elementi di connessione Verifica allo SLV con Fmax del DFV amplificata di 1.3 Capacity design sui collegamenti

Nota normativa: la norma di prodotto di riferimento per la qualificazione e la marcatura CE dei dissipatori è la EN 15129:2018 "Anti-seismic devices". Il progettista deve richiedere al fornitore la documentazione completa di qualifica con il certificato di tipo e le curve caratteristiche F–v misurate.

4. Procedura di progetto

La progettazione dei DFV richiede un processo iterativo che si articola nelle seguenti fasi principali:

Caratterizzazione della struttura esistente. Rilievo geometrico e materiali, prove in situ (pacometria, carotaggi, prove di compressione su calcestruzzo), costruzione del modello FEM e analisi modale. Identificazione delle vulnerabilità: soft story, pilastri corti, deficit di duttilità.
Definizione dell'obiettivo prestazionale. In accordo con NTC 2018 § 3.2, si definisce il livello di adeguamento (SLV, SLC) e il target di riduzione del rischio. Si fissa lo smorzamento aggiuntivo richiesto Δξ.
Scelta della configurazione dei dissipatori. I DFV vengono tipicamente inseriti in controventi metallici a V rovescia, a K o diagonali. La posizione ottimale massimizza lo spostamento relativo di piano (drift) del dispositivo in corrispondenza degli impalcati con maggiore deformazione.
Stima preliminare del coefficiente C. Per un sistema a singolo grado di libertà equivalente, lo smorzamento aggiuntivo introdotto da n dissipatori è stimabile con l'energia dissipata in un ciclo armonico.
Modellazione FEM con i DFV. Inserimento dei link non lineari (elementi dashpot) nel modello; analisi time-history non lineare con accelerogrammi spettrocompatibili (minimo 7 set secondo NTC 2018) o analisi pushover multimodale con smorzamento equivalente.
Verifica degli elementi di connessione. I traversi, le diagonali dei controventi e i nodi devono essere verificati con la forza massima Fmax amplificata del fattore γRd = 1.3 (capacity design).
Ottimizzazione e iterazione. Si aggiusta C e α fino al soddisfacimento simultaneo delle verifiche allo SLV (resistenza, drift) e allo SLD (limitazione dei danni, comfort).

5. La stima dello smorzamento aggiuntivo

Per una valutazione preliminare in analisi lineare equivalente, lo smorzamento viscoso equivalente aggiunto dai dissipatori si calcola come rapporto tra l'energia dissipata in un ciclo e quella di deformazione elastica massima del sistema:

Smorzamento equivalente aggiunto (ciclo armonico, α = 1) ξadd = (Σ Ci · cos2θi) / (4π · Meq · ω)

dove θi è l'angolo del controvento rispetto all'orizzontale, Meq è la massa modale equivalente del modo considerato e ω la pulsazione propria. Lo smorzamento totale del sistema è quindi ξtot = ξstruttura + ξadd, e lo spettro di risposta viene ridotto mediante il fattore η = √(10/(5+ξtot)).

Schema tipico di inserimento in controvento DFV Configurazione diagonaleθ Configurazione a V rovescia

6. Analisi non lineare: il metodo time-history

Per edifici di classe d'uso III e IV, o nei casi in cui lo smorzamento aggiuntivo supera il 15%, l'analisi time-history non lineare (NLTHA) è il metodo più rigoroso e raccomandato. Si selezionano almeno 7 set di accelerogrammi spettrocompatibili con lo spettro elastico di sito al periodo di interesse (±10% sullo spettro medio nell'intervallo 0.2T–2T), generati con software dedicati (es. REXEL, SIMQKE) o selezionati da database (ESM, PEER-NGA).

Il modello non lineare include:

Cerniere plastiche concentrate (Mander per il calcestruzzo confinato, Menegotto-Pinto per l'acciaio)
Elementi link non lineari per i DFV, con legge F = C·|v|α
Smorzamento di Rayleigh αR, βR calibrato sui modi principali

I risultati si assumono come valore medio sui 7 set (o massimo su 3 set, se si adotta l'approccio conservativo). Si verificano spostamenti di interpiano, forze agli impalcati, deformazioni delle cerniere plastiche e la forza effettiva nei dispositivi.

7. Criticità progettuali e buone pratiche

Criticità Effetto Soluzione
Temperatura del fluido Variazione di C fino al ±15% Richiedere test a –20°C e +50°C;

verificare la robustezza del progetto
Velocità massima in sisma Forza di picco elevata Usare α < 1 per limitare Fmax;

verifica capacity-design sui nodi
Carico di vento e traffico Accumulo di fatica nei DFV Verificare la vita a fatica del fluido;

usare DFV con valvola di pressione
Connessioni alla struttura esistente Rischio di rottura fragile Rinforzare con piastre imbottite, carotaggi, ancoranti chimici qualificati ETA
Eccentricità in pianta Risposta torsionale amplificata Distribuire i DFV simmetricamente rispetto al centro di rigidezza

Conclusioni

I dissipatori fluido-viscosi offrono un paradigma progettuale alternativo alla logica della resistenza: anziché opporsi al sisma con più forza, lo si "assorbe" convertendo energia cinetica in calore. Per il patrimonio costruito italiano — caratterizzato da edifici in c.a. degli anni '50–'80, spesso irregolari e con basse doti di duttilità — questa tecnologia rappresenta una soluzione ingegneristicamente efficace, economicamente sostenibile e architettonicamente poco invasiva.