Progettazione di un simulatore sismico per uso didattico

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INTRODUZIONE 
 
 
Il recente evento sismico che ha sconvolto il territorio aquilano, ha determinato un 
improvviso incremento di attenzione alla sicurezza e alla prevenzione antisismica, sia nelle 
zone maggiormente colpite, sia in quelle circostanti, caratterizzate anch‟esse da un livello di 
rischio sismico elevato.  
Da un punto di vista tecnico, nell‟ambito della Facoltà di Ingegneria sono state 
numerose le iniziative volte alla formazione, ma anche all‟informazione su questi eventi, al 
fine di contribuire alla migliore conoscenza e alla creazione di un atteggiamento diffuso di 
sensibilità al fenomeno, che nel tempo dovrebbe migliorare la prevenzione e la capacità della 
popolazione di affrontare eventi simili, cercando di limitarne i danni materiali e l‟impatto 
psicologico.   
In tale contesto si inseriscono iniziative congiunte delle istituzioni locali e fra queste, 
recentemente, è stato avviato uno studio di fattibilità per creare un laboratorio didattico 
divulgativo, nell‟ambito del quale fosse possibile simulare alcuni dei fenomeni caratteris tici 
dell‟attività sismica, sia dal punto di vista geotecnico, sia per quanto riguarda l‟interazione fra 
il suolo e le costruzioni.  
In tale contesto, al settore dell‟Ingegneria Meccanica della Facoltà è stata richiesta la 
progettazione di una piattaforma sismica per uso prevalentemente didattico, sulla quale 
possano essere installati modelli in scala ridotta di edifici o altre tipologie di costruzione, sulle 
quali evidenziare il manifestarsi e le conseguenze di eventi sismici, mediante la 
movimentazione della base di appoggio. 
L‟attività della presente tesi è stata inserita in tale contesto, perseguendo l‟obiettivo di 
sviluppare la progettazione di una piattaforma dotata di movimento a due gradi di libertà, 
adatta a movimentare modelli di costruzioni nel piano orizzontale, con leggi di moto 
programmabili mediante azionamenti elettrici. Essa pertanto potrebbe essere impiegata per 
sottoporre agli effetti di un terremoto, edifici o strutture di qualsiasi altro genere, ridotte in 
scala fino a contenerne la base entro lo spazio di circa un metro quadrato, con una massa 
dell‟ordine di circa cento chilogrammi, in dipendenza del tipo di sollecitazione (frequenza, 
accelerazione massima,…) che si intende applicare. 
Le attività fondamentali del progetto sono state la realizzazione di un modello 3D, lo 
sviluppo delle verifiche strutturali degli elementi più critici e il dimensionamento dei sistemi
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di movimentazione dei due assi lineari, i quali costituiscono gli elementi fondamentali per la 
funzionalità dell‟apparecchiatu ra. 
La presente relazione dell‟attività di tesi descrive gli aspetti fondamentali del lavoro 
svolto, secondo la strutturazione seguente. 
Nella prima parte viene analizzato un quadro sintetico di riferimento, riguardante la 
simulazione sismica di laboratorio, con le varie tecniche e tecnologie che nel tempo sono state 
sviluppate, ricercando anche elementi e spunti di riflessione per le scelte del caso in 
argomento.  
Successivamente viene descritto il progetto vero e proprio, a partire dalla 
identificazione delle modalità di movimento necessarie per la simulazione dell‟evento 
sismico, che sono state tradotte in specifiche di progettazione del sistema meccanico. Il 
progetto meccanico si è sviluppato con l‟identificazione delle soluzioni funzionali e le scelte 
costruttive di tutti i componenti necessari, quindi con la scelta a catalogo dei componenti 
commerciali necessari, nell‟ambito di una modellazione 3D. 
Infine qualche considerazione è stata svolta riguardo la sicurezza di esercizio, anche se 
essa dovrà essere ulteriormente affrontata in sede di approfondimento delle problematiche di 
controllo del movimento e di gestione delle fasi di impiego.
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CAPITOLO 1: SIMULAZIONE 
SISMICA 
 
 
1.1 CENNI STORICI 
 
Anche se i tentativi di applicare carichi da terremoto su strutture sono stati registrati 
fin dalla fine del secolo scorso, si è dovuto attendere gli anni 60-70 affinché si diffondessero 
le prime prove con sistemi vibranti. Questo è stato diretta conseguenza della crescita 
tecnologica in ambito servo-idraulico, informatico e della strumentazione per il controllo e 
l‟acquisizione dei dati. Negli Stati Uniti d‟America verso la fine gli anni sessanta, 
all'Università dell‟Illinois in Urbana, sono stati messi a punto i primi test dinamici. Da allora 
le prove con tavole vibranti sono state ampiamente adottate in tutti gli istituti mondiali di 
ricerca antisismica essendo il metodo più autentico per riprodurre gli effetti dinamici che un 
terremoto induce sulle strutture. Le prime prove strutturali su modelli eccitati in maniera 
dinamica risalgono agli inizi del secolo scorso. Nel 1906 il prof. William Rogers sviluppò 
all‟Università di Stanford i primi strumenti per analizzare sperimentalmente gli effetti sul 
terreno del moto sismico. In quegli anni, egli analizza la risposta dinamica dei terreni ai 
grandi spostamenti attraverso l‟ausilio della prima tavola vibrante. Alla domanda dell‟ allora 
vice presidente dell‟Università egli rispose: “ gli esperimenti con la macchina vibrante sono 
stati intrapresi con lo scopo di proporre alcune spiegazioni, basate direttamente sulla 
sperimentazione, degli eventi sismici più distruttivi avvenuti nel nostro paese dove le 
fondazioni delle strutture poggiano su un terreno più o meno soffice rispetto ai luoghi in cui 
le fondazioni si attestano su solida roccia”. Nel 1925 il dr. Bailey Willis sempre 
all‟Università di Stanford fece costruire, grazie a fondi pubblici un intero laboratorio per 
simulare le vibrazioni e una tavola vibrante ne era parte integrante (Fig1.1).
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Figura 1.1. Foto storica della prima tavola vibrante costruita all‟Università 
di Stanford  
 
 
 
La tavola aveva una base di 10 x 12 piedi (304,8 x 365,7 cm) ed era costruita con 
profilati di acciaio di 8 inch (203,2 mm) a forma di H, bullonati e saldati insieme, per un peso 
complessivo di 6000 pounds (circa 3 ton). Le caratteristiche dinamiche della tavola erano 
state adattate ad un ampio campo di frequenze ed accelerazioni. Come detto, dobbiamo però 
attendere, gli inizi degli anni ‟70 per vedere effettivamente prove con tavola vibrante e questo, 
soprattutto grazie agli sviluppi delle servo-attrezzature elettroidrauliche, al miglioramento 
degli hardware e degli strumenti per il controllo e l‟acquisizione dei dati che si hanno in 
quegli anni. Da quegli anni, una quantità considerevole di fondi è stata stanziata, in tutto il 
mondo, per la costruzione di tavole vibranti.
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1.2  MODALITA’ DI SIMULAZIONE SISMICA 
 
Ci sono attualmente due tecniche sperimentali complementari per simulare gli effetti 
di un terremoto sulle strutture: uno è basato sulla tavola vibrante e l‟altro sul muro di 
reazione. Una tavola vibrante è una piattaforma che mima un prefissato terremoto 
riproducendone le vibrazioni in una, due o tre direzioni. L‟edificio da provare – di solito un 
modello in scala ridotta – viene posto sulla tavola vibrante e sottoposto ad un “terremoto” 
osservandone gli effetti. L‟edificio crolla? Si aprono delle crepe nei muri? Come si sviluppa il 
quadro del danneggiamento? Quanto a lungo l‟edificio resiste al sisma? Uno svantaggio di 
questo tipo di simulazioni è che non è possibile interrompere l‟esperimento nel bel mezzo del 
„terremoto‟, ma è necessario attendere la fine della prova per poter analizzare i risultati. 
Il sistema muro di reazione a pavimento rigido, a differenza del precedente, permette 
di provare edifici in scala reale. La costruzione viene fissata al pavimento e attaccata al muro 
di reazione mediante bracci idraulici che esercitano una spinta sull‟edificio simulando il 
terremoto. Il sisma è riprodotto a velocità rallentata – un terremoto reale della durata di 
qualche secondo può durare anche alcune ore. Questo permette di monitorare da vicino 
l‟evoluzione del danno; la prova può essere momentaneamente interrotta di tanto in tanto per 
permettere agli ingegneri di esaminare l‟edificio più da v icino od impedirne il crollo. Appositi 
sensori, come per esempio sensori di deformazione, di sforzo, di inclinazione e di forza, 
registrano gli effetti del terremoto sulla costruzione. Il muro di reazione è più adatto quindi a 
prove di laboratorio tipiche dell‟ingegneria strutturale. Allo scopo divulgativo e accademico, 
si presta meglio la simulazione mediante tavola vibrante.
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1.3   TAVOLE VIBRANTI  
 
La tavola vibrante è in grado di simulare, in scala più o meno grande un evento 
sismico. Per simulare un terremoto il più possibile adiacente alla realtà, una tavola sismica 
dovrebbe essere in grado di muoversi lungo tre direzioni dello spazio in maniera tale da poter 
simulare movimenti sia ondulatori che sussultori. Le tavole vibranti si distinguono quindi 
soprattutto per il numero di gradi di libertà rispetto ai quali riescono a generare movimento. 
L‟altro parametro che distingue le tavole è la dimensione. Esistono tavole vibranti di svariate 
misure, da quelle per provini in scala utilizzate in laboratorio, fino a quelle utilizzate per 
testare strutture a grandezza reale, alcune delle quali rappresentano pezzi unici al mondo 
(fig.1.2). Infine le tavole si distinguono per il sistema di movimentazione. I movimenti della 
tavola sismica possono essere realizzati sostanzialmente attraverso 2 sistemi : elettrodinamico 
o idraulico. 
Entrambi presentano vantaggi e svantaggi e vengono preferiti l‟uno all‟altro a seconda 
delle esigenze e delle disponibilità economiche. 
 
 
 
Figura 1.2   La tavola sismica più grande del mondo
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Spesso infatti, tavole sismiche idrauliche come quella rappresentata in figura, vengono 
realizzate in maniera tale che poi attorno ad esse nasca un laboratorio con il conseguente 
notevole investimento economico. Questo può rappresentare contemporaneamente un 
vantaggio ma anche un limite; poiché se da un lato potrebbe riprodurre più fedelmente la 
realtà, operando in scala maggiore, dall‟ altro potrebbe essere non adatto a prove sperimentali 
le quali potrebbero essere realizzate più comodamente in un laboratorio con conseguente 
riduzione del costo. 
Tavole sismiche di questo tipo risultano infatti molto costose e richiedono una 
notevole scienza ed esperienza sia nella progettazione che nell‟utilizzo. Le tavole sismiche 
elettrodinamiche invece, risultano più adeguate a contesti più piccoli, un laboratorio appunto, 
mantenendo comunque la veridicità della simulazione, anche riducendo notevolmente la 
scala. L‟unico limite delle tavole sismiche elettrodinamiche è che spesso sono al m assimo bi-
assiali o monoassiali; è raro trovare tavole sismiche elettrodinamiche che esercitano 
movimenti sia ondulatori che sussultori. 
 
 
1.4 CAMPI DI APPLICAZIONE 
 
Una tavola vibrante è un dispositivo di ampio e versatile utilizzo che consente di 
sottoporre i manufatti che vengano posti sulla tavola a dei cicli di vibrazione, opportunamente 
programmati. Con tale dispositivo è possibile, ad esempio, simulare, in maniera accurata, 
l‟azione sismica su strutture, infrastrutture, opere stradali, ponti, viadotti, sottopassi, opere 
marittime, opere portuali, dighe, opere geotecniche, rilevati, muri di sostegno, serbatoi, 
acquedotti, simulare le fasi di infissione di pali e palancole, replicare l‟effetto del traffico 
stradale o ferroviario su edifici prossimali, stimare l'effetto del sisma sulla instabilità dei suoli 
e sulle opere su questi realizzate. Le tavole vibranti attuali si distinguono in relazione alla 
natura dei test che compiono e dunque, nel complesso, si può affermare che le diverse tavole 
sono rivolte a differenti campi di applicazione (aerospaziale, componentistica meccanica e 
veicolare, sociale ed educativo, etc.). 
Il campo di applicazione a cui è rivolto l‟utilizzo della tavola vibrante progettata è  di 
tipo didattico; la piattaforma risulterà utile sia come sistema mediante il quale gente comune 
può rendersi conto degli effetti di un terremoto su una struttura, prendendone visione diretta, 
sia come strumento da utilizzare a livello di formazione accademica nel campo 
dell‟ingegneria civile.
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CAPITOLO 2:   SVILUPPO DEL 
PROGETTO MECCANICO 
 
 
2.1 CARATTERIZZAZIONE DELLA FORZANTE 
SISMICA 
 
Il terremoto può essere definito come un moto al suolo variabile nel tempo. Per  
simulare  un terremoto è innanzitutto necessaria la conoscenza delle caratteristiche fisiche con 
cui avviene il movimento del terreno durante un evento sismico. I parametri dello scuotimento 
del terreno che governano il potenziale di danno alle strutture e alle persone sono: 
l‟accelerazione, la velocità, l‟ampiezza, la frequenza e la durata delle sollecitazioni. 
L‟accelerazione massima del suolo è una misura di primaria importanza per gli studiosi di 
ingegneria sismica poiché in base ad essa si stabiliscono i movimenti del terreno sopportabili 
da una struttura. Il valore generalmente considerato sufficiente per produrre danni ordinari a 
costruzioni poco resistenti è di 0,1 g. Per dare un‟idea del range di valori di accelerazione 
provocabili da un terremoto, si ricorda la misurazione fatta da un accelerografo posto in 
prossimità della diga di Pacoima in California; nel corso del terremoto di San Fernando nel 
1971, lo strumento registrò un‟accelerazione di picco di 1,5g, ad oggi la più alta mai 
registrata. Anche la velocità, come l‟accelerazione, fa riferimento ai movimenti orizzontali di 
un punto fisso del terreno. Con terremoti medi e forti normalmente il modello di velocità 
ricavato riflette la geometria della frattura: le velocità più alte si manifestano nelle vicinanze 
della frattura e nella direzione di propagazione. Così come per l‟accelerazione la natura 
geologica del sottosuolo ha una forte influenza sulla velocità, ma in questo caso in misura 
minore. Di regola forti danni a strutture elastiche sono correlati con alte velocità. Sempre per 
avere un‟idea quantitativa, il picco di velocità più alto osservato è di 183 cm/s. Il meccanismo 
con cui invece contribuisce l‟ampiezza delle vibrazioni è evidente: al suo aumentare 
aumentano i carichi indotti nelle strutture e quindi le caratteristiche di resistenza che esse 
devono mobilitare. La frequenza del moto diventa molto importante quando essa è prossima a 
quella propria delle strutture interessate:  quando si verifica questa condizione esse vibrano in 
risonanza con ampiezza crescente a ogni ciclo di carico fino al collasso. La frequenza 
predominante di un edificio dipende dalla sua forma e dalle sue dimensioni: in generale
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strutture molto alte hanno basse frequenze proprie, mentre costruzioni a uno o due piani sono 
caratterizzate da alte frequenze di vibrazione. La vibrazioni del suolo coinvolgono frequenze 
molto basse. Per frequenze si intende il numero di oscillazioni che un corpo compie rispetto 
ad un punto stabile (ideale) di osservazione riferendole all'unità di tempo standard: il secondo. 
Il numero di oscillazioni compiute da un corpo (o da una grandezza) in un secondo vengono 
qualificate con l'unità di misura detta HERTZ (Hz).  In sismologia le frequenze in gioco 
variano di solito da zero fino a circa 30Hz. Comunque è molto rara anche la necessità di 
osservare frequenze sismiche al di sopra dei 10 Hz . La durata infine è importante perché i 
meccanismi secondo i quali collassano le strutture sono governati dal numero cumulativo di 
cicli di sforzi indotti; anche per frequenze vicine a quelle proprie, infatti, il collasso avviene 
solo dopo un certo numero di cicli e tale numero dipende ovviamente dalla frequenza delle 
oscillazioni e dalla loro durata. Tutte queste caratteristiche del moto, vengono riassunte in 
sismogrammi (fig.2.1); grafici che possono rappresentare lo spostamento, la velocità o 
l‟accelerazione del su olo in funzione del tempo, durante un terremoto. 
 
Figura 2.1 
 
 
 
La simulazione sismica deve pertanto rispettare per quanto possibile, in termini di 
velocità, accelerazione e spostamento, le caratteristiche appena descritte.