La progettazione eolica basata sulle prestazioni potrebbe migliorare gli edifici, dicono gli ingegneri

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Gli ingegneri strutturali che si stanno adoperando per migliorare l'efficienza, l'affidabilità e la resilienza degli edifici attraverso una progettazione eolica basata sulle prestazioni. E anche se potrebbe volerci un decennio o più perché PBWD diventi mainstream per i professionisti, gli autori dei primi due documenti PBWD, entrambi al debutto quest'anno, li chiamano "pietre miliari".

"PBWD offre l'opportunità di progettare sistemi strutturali unici per edifici con forme atipiche o caratteristiche aerodinamiche che non soddisfano i vincoli dei sistemi di resistenza alla forza del vento basati su codici prescrittivi", ha dichiarato Donald R. Scott, senior principal di PCS Structural Solutions, al Structures Congress 2019. La conferenza, organizzata dal Structural Engineering Institute (SEI) dell'American Society of Civil Engineers (ASCE) e tenutasi dal 24 al 27 aprile a Orlando, ha richiamato 1.058 iscritti.

Scott è il principale ricercatore alla guida del team di 14 esperti strutturali che hanno scritto il Prestandard for Performance-Based Wind Design, il primo documento mai prodotto per aiutare PBWD. Cinque revisori inter pares stanno attualmente esaminando la bozza finale. Il documento ASCE/SEI, sottoscritto da una sovvenzione di 150.000 USD della Charles Pankow Foundation, sarà disponibile sui siti web della fondazione Pankow e ASCE/SEI per il download gratuito entro la fine di luglio.

Seguendo rapidamente sulla scia del prestandard, il comitato di studio ASCE/SEI sulla progettazione e le prestazioni degli edifici alti per il vento sta scrivendo il proprio documento di consenso. Anche una prima nel suo genere, Design and Performance of Tall Buildings for Wind, scritto da otto esperti, assembla le migliori pratiche per la progettazione di grattacieli per raggiungere specifici obiettivi prestazionali in base alle esigenze del vento. Rappresenta un consenso tra gli studi di progettazione, gli ingegneri del vento e il mondo accademico.

La pubblicazione descrive aspetti della progettazione e delle prestazioni del vento che molti codici non specificano, secondo Preetam Biswas, direttore associato di Skidmore, Owings & Merrill e presidente del comitato di studio. Gli autori del manuale e del prestandard stanno coordinando il loro lavoro, ha detto.

Momentum è la costruzione di tutti i tipi di progettazione basata sulle prestazioni, che è un approccio ingegneristico sofisticato che si basa su metodi analitici e di progettazione avanzati per consentire agli ingegneri di prevedere in modo affidabile il comportamento di una struttura quando è soggetta a carichi definiti, siano essi eolici, sismici o incendi.

L'unico modo per ottenere l'approvazione di un PBWD è quello di passare attraverso la fornitura di mezzi e metodi alternativi del codice. Pochi vogliono farlo perché i funzionari edilizi, che non conoscono PBWD, sono riluttanti ad approvare i progetti. Inoltre, un PBWD richiederà una valutazione inter pares. Ciò si traduce in un processo di approvazione più lungo e potenzialmente più torbido, che fa sospendere molti proprietari di edifici.

PBD in qualsiasi forma "richiede competenze o conoscenze specialistiche", ha dichiarato Ronald O. Hamburger, senior principal di Simpson Gumpertz & Heger e padre dell'approccio ventennale di progettazione sismica basata sulle prestazioni (PBSD) per i retrofit di edifici. "Non è per tutti", ha aggiunto.

Gli ingegneri concordano sul fatto che, affinché PBWD proliferare, c'è molto lavoro da fare per educare non solo gli ingegneri, ma anche gli architetti, gli sviluppatori, gli altri soggetti interessati e soprattutto i responsabili del codice sui potenziali vantaggi e sui rischi associati all'approccio. Le linee guida hanno lo scopo di contribuire a stabilire mezzi di pratica prudenti e di fornire una certa protezione, in termini di responsabilità legale, per i risultati previsti, ha detto i soggetti coinvolti.

I benefici di PBWD sarà abbondantemente chiaro a molti professionisti e proprietari, ma altri potrebbero aver bisogno di essere convinti, hanno scelto gli autori di entrambi i documenti. Per cominciare, proprietari e progettisti devono essere istruiti sul fatto che le prestazioni dei progetti prodotti seguendo i requisiti prescrittivi del codice edilizio potrebbero non essere sufficienti, ha detto Scott

"Molti stakeholder di progetto ritengono che se il loro edificio è stato progettato utilizzando le disposizioni del codice edilizio, esso sopravviverà a tutti gli eventi eolici e rimarrà operativo; tuttavia, il codice edilizio si basa solo sui requisiti per la sicurezza della vita", ha aggiunto.

Educare gli stakeholder sui benefici di pagare un po' di più per gli edifici per ottenere le prestazioni desiderate e migliori negli eventi eolici - come il funzionamento continuo per evitare perdite di business dopo tempeste di vento e uragani - è simile agli ostacoli affrontati da coloro che hanno introdotto la progettazione sismica basata sulle prestazioni, che è ora la pratica di progettazione mainstream in tutto il mondo, ha detto Scott.

I documenti introducono l'uso di analisi dinamiche non lineari per la progettazione del vento, la non linearità limitata nei principali elementi del sistema di resistenza alla forza del vento, criteri di prestazione basati sul sistema e miglioramenti sostanziali dei requisiti di prestazione nell'involucro dell'edificio.

In particolare, il prestandard presenterà un'alternativa raccomandata alle procedure prescrittive contenute nella norma nazionale adottata, i carichi minimi di progettazione e i criteri associati per edifici e altre strutture (ASCE/SEI 7), e nel Codice Internazionale dell'Edilizia. Il pubblico a cui si rivolge il prestandard comprende ingegneri strutturali, architetti, progettisti e progettisti di componenti edilizi e rivestimenti, e funzionari edili impegnati nella progettazione e revisione degli edifici.

Correttamente implementato, il documento si tradurrà in edifici che sono in grado di raggiungere in modo affidabile gli obiettivi di prestazione del vento specificati da ASCE/SEI 7, e in molti casi, prestazioni superiori, hanno detto gli autori. "I singoli utenti che possiedono una conoscenza dell'ingegneria eolica possono adattare e modificare le disposizioni del prestandard per fungere da base per i progetti destinati a raggiungere obiettivi di prestazioni eoliche superiori a quelli specificamente previsti", afferma la bozza finale.

Scott ha detto che PBWD inoltre fornisce l'occasione ai progettisti dell'involucro dell'edificio per migliorare il rivestimento e altri progetti di sistemi di involucro dell'edificio per limitare significativamente i danni causati dalla pioggia e dalle infiltrazioni d'acqua dovute al vento. Ma l'uso di PBWD per i sistemi di involucro edilizio richiederà ai produttori di involucro edilizio di migliorare le prestazioni dei loro prodotti per soddisfare i criteri specificati, ha detto Scott.

Un ulteriore vantaggio, PBWD consente di risolvere i conflitti che possono verificarsi nella progettazione di edifici soggetti a molteplici pericoli. Per esempio, un conflitto può essere creato quando si utilizzano sia le disposizioni PBSD che le disposizioni prescrittive del vento basate su codici per la progettazione di edifici alti, ha detto Scott.

Gli effetti sismici controlleranno la progettazione dei livelli inferiori dell'edificio, mentre gli effetti del vento controlleranno i livelli superiori. Poiché le disposizioni relative al vento richiedono che tutti gli elementi della struttura rimangano elastici sotto i carichi del vento - e ritornino alle loro condizioni precaricate - i vantaggi delle disposizioni PBSD che consentono di rendere anelastici alcuni elementi selezionati, in rari eventi, e non di tornare indietro del 100% - non possono essere raggiunti. Questo conflitto riduce le prestazioni sismiche complessive dell'edificio.

Ci sono diversi aspetti del PBWD che devono essere ulteriormente sviluppati e testati sulla progettazione degli edifici prima di diventare disposizioni standard di ASCE 7, secondo Jennifer Goupil, Senior Manager of Engineering di ASCE/SEI. Il comitato operativo PBD del sottocomitato ASCE 7-22 Wind Load sta lavorando per sviluppare aspetti di questo tipo di progetti.

Il comitato sta studiando 16 edifici per determinare l'applicabilità delle disposizioni del prestandard e per sviluppare un obiettivo generale di affidabilità del sistema per gli edifici progettati con PBWD. Uno degli edifici è la Rainier Square Tower, alta 850 piedi, progettata da MKA e in costruzione a Seattle.

Nel frattempo, così come le linee guida PEER TBI per la progettazione sismica degli edifici alti basata sulle prestazioni è attualmente utilizzata e accettata da molti funzionari edilizi, l'obiettivo dei modellatori del prestandard è che l'approccio PBWD sarà discusso allo stesso modo con i proprietari e i funzionari edilizi, ha spiegato Goupil.

I metodi analitici e di progettazione avanzati necessari per implementare PBWD sfideranno gli ingegneri a crescere in capacità tecniche, hanno convinto gli autori. I consulenti eolici dovranno affrontare una sfida particolare con un carico di lavoro più ampio, poiché PBWD richiede prove in galleria del vento e l'intervento di un ingegnere del vento per le storie di carico simili a quelle dei sismologi che forniscono i dati di movimento a terra specifici del sito per PBSD.