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Isolamento sismico: come funzionano gli isolatori?

Il nostro focus tecnico dedicato al tema dell'isolamento sismico: dalle caratteristiche tecniche e le tipologie degli isolatori alle NTC2008

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L’isolamento sismico costituisce una strategia di protezione usualmente denominata “controllo passivo delle vibrazioni”e rappresenta ormai una soluzione progettuale adottata, oltre che in Italia, anche in Paesi come il Giappone, gli Stati Uniti e la Nuova Zelanda. La sua rilevanza la si coglie anche a livello legislativo: infatti, all’argomento è dedicato un capitolo delle NTC08.
La peculiarità dell’isolamento sismico è quello di essere uno strumento sia di adeguamento per le costruzioni esistenti sia costituente il progetto delle nuove costruzioni (§ 7.10 Costruzioni e ponti con isolamento e/o dissipazione, NTC08).

I principi della progettazione si basano sulla consueta e nota disequazione:

Rd ≥ Ed

dove Rd è la resistenza di progetto, mentre Ed è il valore di progetto dell’effetto delle azioni che investono la struttura.
La costruzione deve essere quindi dimensionata per garantire la sicurezza ai suoi occupanti durante e dopo il terremoto, ma al contempo, a seconda dell’importanza dell’edificio (ovvero la definizione sia della classe d’uso, CU, che della vita nominale della costruzione VN), ammettere il verificarsi di danni più o meno gravi (in seguito vi sarà la valutazione circa la riparabilità o meno della costruzione a favore dell’eventuale ricostruzione).

Convenzionalmente tale soglia di sicurezza è raggiunta incrementando la capacità resistente e la duttilità della sovrastruttura affinché questa contrasti adeguatamente l’azione sismica trasmessa dal suolo di fondazione alla sovrastruttura. Vi sono però situazioni esistenti in cui, l’intervento sulla costruzione in elevazione può essere limitata dalla presenza di vincoli e quindi è meglio privilegiare la condizione in cui non si verifichino danni, è il caso ad esempio di: infrastrutture di comunicazione di primaria importanza e ospedali.

Immagine di Somma Srl

L’isolatore sismico si pone quindi come intermediario tra suolo e struttura: anziché contrastare gli effetti del terremoto con opere di adeguamento sulla costruzione esistente, filtra all’origine l’azione sismica limitandone l’intensità. Crea quindi una sconnessione orizzontale tra la struttura in elevazione e il suolo di fondazione, limitando così la trasmissione degli spostamenti indotti.

La riduzione della risposta sismica orizzontale si può ottenere mediante una delle seguenti soluzioni:
a) incrementando il periodo fondamentale della costruzione per portarlo nel campo delle minori accelerazioni di risposta;
b) limitando la massima forza orizzontale trasmessa.
In entrambe le strategie le prestazioni dell’isolamento possono essere migliorate attraverso la dissipazione nel sistema di isolamento di una consistente aliquota dell’energia meccanica trasmessa dal terreno alla costruzione (§ 7.10.1, NTC08).

Immagine dello spettro accelerazione in funzione del periodo e del suolo

Immagine dello spettro accelerazione in funzione del periodo e del suolo

Figura 1 – Immagine dello spettro accelerazione in funzione del periodo e del suolo
Nella figura sottostante sono rappresentati gli elementi che compongono la costruzione, ovvero (con ordine dall’alto verso il basso):
– la sovrastruttura: parte strutturale che si trova al di sopra dell’isolamento sismico e che spesso coincide con la costruzione in elevazione;
– il sistema di isolamento sismico (Indicazioni progettuali (§ 7.10.4, NTC08));
– la sottostruttura coincide il più delle volte con il sistema fondale della costruzione.

Le NTC08 specificano, al § 7.10.2, che sia la sovrastruttura che la sottostruttura si devono mantenere in campo elastico. Un’affidabilità superiore è richiesta al sistema di isolamento, formato dall’insieme dei dispositivi d’isolamento, per il ruolo critico che esso svolge. Tale affidabilità si ritiene conseguita se il sistema d’isolamento è progettato e verificato sperimentalmente secondo quanto stabilito nel § 11.9.

Suddivisione tra sovrastruttura – isolatore – sottostruttura

Suddivisione tra sovrastruttura – isolatore – sottostruttura

m: massa della sovrastruttura esclusa la massa di base;
mb: massa del basamento vincolata agli isolatori;
ks: rigidezza sovrastruttura;
cs: smorzamento sovrastruttura;
kb: rigidezza basamento;
cb: smorzamento basamento;
us: spostamento sovrastruttura;
ub: spostamento basamento;
ug: spostamento terreno;
Funzioni del sistema di isolamento sismico (§ 7.10.2, NTC08)

La funzione principale che deve assolvere l’isolatore sismico è quella di consentire il disaccoppiamento della sovrastruttura dalla sottostruttura, ovvero nella diversificazione del comportamento dinamico delle due suddette porzioni della costruzione: durante il moto oscillatorio, mentre la sottostruttura subisce deformazioni di modesta entità, tanto più quanto maggiore è la sua rigidezza, la sovrastruttura compie oscillazioni tanto più ampie quanto minore è la sua rigidezza e la resistenza degli isolatori. Dette oscillazioni sono dovute per la maggior parte alla deformazione degli isolatori collocati al di sotto della sovrastruttura e solo una minor parte alle deformazioni della sovrastruttura stessa. Ne consegue che l’isolamento è tanto più efficace quanto minori sono le accelerazioni della sovrastruttura e ciò comporta i seguenti benefici:
-> diretti sulla sovrastruttura: sono contenute l’entità delle forze di inerzia di natura sismica direttamente agenti su di essa;
-> indiretti sulla sottostruttura: sono limitate le intensità delle forze di inerzia proveniente dalla sovrastruttura.

Per sfruttare pienamente i vantaggi dell’isolamento, deve essere essere possibile individuare una porzione rilevante della costruzione , in termini di massa rispetto alla massa complessiva, che possa facilmente essere separata dalla porzione sottostante, dalle costruzioni contigue e dal terreno circostante, ed abbia un basso rapporto tra massa e rigidezza orizzontale (ovvero basso periodo proprio dei modi naturali di vibrare della costruzione che interessano significativamente questa porzione) (Circolare 617/2009 §C7.10.1).

Le NTC08 individuano così le funzioni che deve assolvere un isolatore sismico:
– sostegno dei carichi verticali con elevata rigidezza in direzione verticale e bassa rigidezza o resistenza in direzione orizzontale, permettendo notevoli spostamenti orizzontali;
– dissipazione di energia, con meccanismi isteretici e/o viscosi;
– ricentraggio del sistema;
– vincolo laterale, con adeguata rigidezza, sotto carichi orizzontali di servizio (non sismici).

 

Caratteristiche di accettazione dei dispositivi (§§ 7.10.3 – 11.9, NTC08)

Le NTC08 individuano al § 11.9 le tipologie di dispositivi antisismici e le procedure utili alla loro qualificazione ed accettazione. Gli isolatori devono essere dispositivi in grado di sostenere elevati carichi verticali (elevata rigidezza verticale) ed avere una bassa rigidezza o resistenza in direzione orizzontale al fine di favorire notevoli spostamenti orizzontali.
In generale, al § 11.9.1 le NTC08 sono indicati i seguenti tipi di dispositivi:
a) Vincolo temporaneo
b) Dipendenti dallo spostamento
c) Dipendenti dalla velocità
d) Di Isolamento o “Isolatori” distinti tra :
–> Isolatori Elastomerici: costituiti da strati alternati di materiale elastomerico (gomma naturale o materiali artificiali idonei) e di acciaio, quest’ultimo con funzione di confinamento dell’elastomero, risultano fortemente deformabili per carichi paralleli alla giacitura degli strati (carichi orizzontali) – [specifiche § 11.9.7, NTC08].
–> Isolatori a scorrimento: costituiti da appoggi a scorrimento caratterizzati da bassi valori delle resistenze per attrito [specifiche § 11.9.8, NTC08].

 

Caratteristiche degli isolatori sismici

Molti degli isolatori attualmente in commercio, anche a comportamento sostanzialmente lineare, garantiscono rapporti di smorzamento del sistema di isolamento superiori al 5%.
Nel caso degli isolatori elastomerici questi devono avere le seguenti caratteristiche:

  • pianta con due assi di simmetria ortogonali, in modo da avere un comportamento il più possibile indipendente dalla direzione dell’azione orizzontale;
  • le piastre di acciaio devono avere:
    ->spessore minimo per le piastre interne pari a 2 mm;
    ->spessore minimo per le piastre esterne pari a 20 mm;
    -> allungamento minimo a rottura del 18%;
  • S1 fattore di forma primario, rapporto della superficie del singolo elastomero (A’) e la piastra d’ acciaio depurata dei fori (S1 = A’/L);
  • S2 fattore di forma secondario, rapporto tra la dimensione in pianta D della singola piastra in acciaio, parallelamente all’azione orizzontale agente, e lo spessore totale te degli strati di elastomero ossia S2 = D/te;
  • il comportamento meccanico è rappresentato mediante curve caratteristiche forza – spostamento, solitamente non lineari, funzione della rigidezza equivalente Ke e del coefficiente di smorzamento viscoso equivalente xe;
  • la rigidezza verticale, Kv, rappresenta il rapporto tra la forza verticale di progetto e lo spostamento verticale.

Infine gli isolatori a scorrimento devono essere in grado di sopportare almeno 10 cicli di carico – scarico; la condizione sarà ritenuta soddisfatta solo se il coefficiente di attrito, nei cicli successivi al primo, non varierà più del 25% rispetto alle caratteristiche rilevate al terzo ciclo e comunque dovrà essere inferiore al valore di progetto.

Fonti consultate
Norme Tecniche delle Costruzioni 2008
Circolare esplicativa delle Norme Tecniche delle Costruzioni n. 617/2009
M. Dolce, D. Cardone, F.C. Ponzo, A. Di Cesare: “Progetto di edifici con isolamento sismico”, Ed. IUSS Press

Un ringraziamento a Nicola Bruno.

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