Isolamento sismico

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5. Dispositivi SMAD e STU

5.1. Dispositivi in lega a memoria di forma – (SMAD = Shape Memory Alloy Devices)

I dispositivi in lega a memoria di forma sono dispositivi assiali di vincolo costituiti da fili di piccolo diametro composti da una lega Nichel – Titanio (Nitinol). Tale lega fa parte di una classe di materiali che hanno come caratteristica principale quella di essere in grado di recuperare una forma macroscopica preimpostata per effetto del semplice cambiamento della temperatura o dello stato di sollecitazione applicato. Infatti in questi materiali è presente una trasformazione di fase a stato solido (cioè in cui sia la fase di partenza che quella di arrivo sono strutture solide, ma con arrangiamenti cristallografici differenti) che prende il nome di trasformazione martensitica termoelastica. Una delle numerose proprietà di
questa trasformazione è quella legata alla particolare struttura cristallina della fase prodotta (detta appunto martensite) che consiste in una fitta disposizione di piani cristallini specularmene disposti l’uno rispetto all’altro e dotati di un’elevatissima mobilità relativa. Per una migliore comprensione si pensi alla struttura del mantice di una fisarmonica. Il ruolo di questi piani è il seguente: quando il materiale viene deformato da una forza esterna, invece di rompere legami cristallografici e danneggiare la propria struttura più intima, esso dispiega progressivamente i piani reticolari accomodando la deformazione complessiva senza realizzare spostamenti atomici significativi. Di nuovo si pensi all’atto di allungare una fisarmonica, malgrado la singola piega del mantice si muova di poco l’intera struttura si dispiega per una lunghezza molto maggiore. Poiché nel corso di questo meccanismo i singoli atomi si sono spostati solo di poco dalle loro posizioni originali, quando esse, per effetto di un riscaldamento imposto, devono muoversi per ripristinare la struttura cristallina di partenza, possono recuperare molto facilmente la loro posizione iniziale prima della deformazione e promuovere quindi il recupero della forma macroscopica di partenza. La trasformazione in esame può avvenire anche mediante l’applicazione di un opportuno stato di sollecitazione in condizioni adeguate di temperatura. In pratica è possibile che la struttura “a fisarmonica” si formi nel materiale all’atto stesso dell’applicazione di una forza esterna. Nel corso della deformazione imposta il materiale forma progressivamente la struttura martensitica e questa istantaneamente si deforma permettendo di nuovo di accomodare grandi deformazioni senza danneggiare in maniera permanente la struttura cristallografica del materiale. Poiché però tale procedura viene condotta in un intervallo di temperature in cui la martensite formatasi non potrebbe esistere (in quanto a quella temperatura la fase stabile dovrebbe essere quella ad alta temperatura detta austenite) nel momento in cui la forza esterna viene rimossa essa si trova in una condizione di instabilità termodinamica e tende a ritrasformarsi istantaneamente promuovendo un immediato recupero di forma prescindendo quindi dalla fase di riscaldamento. Il materiale recupera immediatamente la forma iniziale esibendo una notevole elasticità (pseudo elasticità) con deformazioni del 6-8%.

Tale lega è caratterizzata da un’altissima resistenza alla corrosione, superiore all’acciaio inox. Le altre parti metalliche del dispositivo sono tutte in acciaio inox; per cui i dispositivi nella loro totalità sono tutti caratterizzati da elevata resistenza alla corrosione.

Foto_SMAD

Fig. 5.1
Dispositivi in lega a memoria di forma

La curva forza-spostamento di questi dispositivi è caratterizzata dalla presenza di uno o più “plateau”, ossia tratti in cui la forza rimane pressoché costante all’aumentare dello spostamento. In questo modo tali dispositivi sono in grado di limitare sensibilmente il carico massimo trasmesso alla struttura a cui sono connessi. La curva forza-spostamento è inoltre caratterizzata da un ramo di scarico inferiore a quello di carico, ovvero da un ciclo pseudo-isteretico, per cui sotto un’azione sismica sono in grado di dissipare parte dell’energia ad essi trasmessa.

Fig. 5.2
Curva forza – spostamento di un dispositivo in lega a memoria di forma

In particolare nella fase di carico si osserva un punto di pseudo snervamento, coincidente con l’inizio della deformazione martensitica che, procedendo all’aumentare della deformazione, giustifica la presenza del tratto di deformazione a sforzo costante. L’ampia deformazione imposta viene recuperata immediatamente nella fase di scarico in cui si osserva un’ulteriore regione di deformazione a sforzo costante associata con la trasformazione inversa da martensite ad austenite.

Questi dispositivi vengono utilizzati soprattutto come tiranti negli edifici, in particolare per il collegamento tra gli orizzontamenti e le pareti di un edificio in muratura, in sostituzione dei tradizionali tiranti in acciaio o in alcuni casi in serie con essi. Lo scopo è quello di evitare il collasso per ribaltamento delle pareti fuori del loro piano a causa delle azioni orizzontali causate dal sisma.

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