Posizionamento ottimale di controventi BRB nei grattacieli: un nuovo approccio sequenziale

Un metodo computazionalmente efficiente per ottimizzare l’installazione di outrigger con controventi antisismici (BRB) nei telai controventati degli edifici alti, riducendo drasticamente le analisi non lineari necessarie

L’adeguamento sismico degli edifici alti rappresenta una delle sfide più complesse per l’ingegneria strutturale contemporanea. In Italia, dove il 40% del patrimonio edilizio è concentrato in zone a media-alta pericolosità sismica (classificazione sismica OPCM 3274), la progettazione di soluzioni efficienti per i grattacieli – sempre più diffusi nei centri urbani come Milano, Napoli e Roma – richiede approcci innovativi che combinino rigidezza laterale e capacità dissipativa.

Lo studio pubblicato su CivilEng propone una metodologia sequenziale per il posizionamento ottimale degli outrigger dotati di controventi BRB (Buckling-Restrained Braces). Questi sistemi ibridi, che accoppiano travi di collegamento (outrigger) a controventi in grado di dissipare energia senza instabilizzarsi a compressione, rappresentano una delle soluzioni più promettenti per migliorare la risposta sismica degli edifici alti. Tuttavia, la scelta del numero, della posizione e della rigidezza di questi elementi rimane un problema computazionalmente oneroso, soprattutto quando si considerano le molteplici configurazioni possibili.

L’approccio sequenziale: meno analisi, stessi risultati

I ricercatori Nikzad e Yoshitomi hanno sviluppato un algoritmo incrementale che assegna progressivamente la rigidezza dei BRB alle posizioni candidate degli outrigger, selezionando ad ogni passo la configurazione che minimizza il massimo rapporto di deriva interpiano. Il metodo è stato validato su un modello benchmark a nove zone, sviluppato in MATLAB e basato su una configurazione strutturale già testata in precedenza, sottoponendolo all’accelerogramma del terremoto di El Centro 1940.

Il cuore dell’innovazione sta nell’efficienza computazionale: mentre un approccio combinatorio tradizionale richiederebbe di analizzare tutte le possibili combinazioni di posizioni e rigidezze – un numero che cresce esponenzialmente all’aumentare dei piani – il metodo sequenziale riduce drasticamente il numero di analisi non lineari necessarie. I risultati mostrano che l’algoritmo è in grado di riprodurre i pattern di posizionamento più efficaci identificati dalla ricerca combinatoria completa, con un risparmio significativo di risorse di calcolo.

Un aspetto particolarmente rilevante emerso dallo studio riguarda l’influenza dei limiti di rigidezza dei BRB: quando questi vengono vincolati, la distribuzione della rigidezza lungo l’altezza dell’edificio tende a diventare più graduale, promuovendo una riduzione più uniforme delle derive interpiano. Questo risultato ha implicazioni dirette sulla progettazione, suggerendo che non sempre la massima rigidezza possibile in pochi punti sia la scelta ottimale.

Dalla ricerca alla pratica progettuale

Per i progettisti strutturali italiani, questo studio offre un quadro metodologico concreto per affrontare il dimensionamento preliminare dei sistemi outrigger-BRB. Il metodo sequenziale si presta particolarmente bene a:

• Analisi parametriche rapide: variando i limiti di rigidezza e il numero di outrigger, il progettista può esplorare rapidamente lo spazio delle soluzioni
• Fasi di pre-dimensionamento: prima di affrontare analisi dettagliate con software FEM commerciali, l’algoritmo fornisce configurazioni di partenza ottimizzate
• Valutazione di alternative: confrontare diverse strategie di rinforzo per edifici esistenti, un tema caldo nel contesto dell’adeguamento sismico italiano

Lo studio si inserisce nel filone di ricerca più ampio dell’ottimizzazione strutturale, un campo che sta vivendo una rapida evoluzione grazie all’integrazione con tecniche di machine learning e algoritmi genetici. Tuttavia, gli autori riconoscono i limiti dell’indagine: il modello benchmark è relativamente semplice (nove zone) e l’analisi è stata condotta con un unico segnale sismico. Restano da esplorare le estensioni a multi-record e l’ottimizzazione multi-obiettivo, che consideri simultaneamente derivate, accelerazioni e costi.

Verso una progettazione più consapevole

Il valore aggiunto di questo lavoro risiede nella sua applicabilità pratica immediata. In un contesto normativo come quello italiano, dove le NTC 2018 richiedono verifiche agli stati limite sia per edifici nuovi che per adeguamenti, disporre di strumenti che riducano i tempi di calcolo senza compromettere l’accuratezza rappresenta un vantaggio competitivo significativo. Inoltre, la possibilità di integrare questo approccio nei flussi di lavoro BIM (Building Information Modeling) potrebbe accelerare ulteriormente l’adozione di soluzioni strutturali innovative nel panorama edilizio italiano.

Il futuro della ricerca, come suggeriscono gli autori, punta verso l’estensione del metodo a multiple registrazioni sismiche e all’integrazione di obiettivi multipli (costi, derivate, accelerazioni, duttilità). Un percorso che promette di rendere ancora più robusti e versatili gli strumenti a disposizione dei progettisti.

BOX TECNICO – DATI CHIAVE DELLO STUDIO

• Modello di validazione: struttura benchmark a 9 zone (piani) sviluppata in MATLAB
• Input sismico: accelerogramma El Centro 1940, componente NS
• Parametro di ottimizzazione: massimo rapporto di deriva interpiano (max inter-story drift ratio)
• Riduzione computazionale: numero di analisi non lineari drasticamente inferiore rispetto all’approccio combinatorio completo
• Vincolo esaminato: limiti di rigidezza dei BRB influenzano la distribuzione lungo l’altezza e la gradualità della riduzione delle derive

METADATA

• DOI originale: 10.3390/civileng7030042
• Autori: Hamid Nikzad, Shinta Yoshitomi
• Rivista: MDPI Civil Engineering, Vol. 7, Pages 42
• Data pubblicazione: 2026 (articolo pubblicato su CivilEng)
• Link al paper: https://www.mdpi.com/2673-4109/7/3/42