Prima di parlare di isolatori sismici è indispensabile ricordare che assicurare la salvaguardia della vita umana è un principio fondamentale della progettazione sismica e per perseguire questo obiettivo si può anche essere disposti a rinunciare alla funzionalità dell’edificio nel post-sisma.
Vi sono, però, alcune costruzioni strategiche, quali ospedali, edifici destinati alla protezione civile, ecc., in cui non è sufficiente garantire l’evacuazione degli occupanti in sicurezza.
Tali costruzioni, infatti, devono rimanere operative immediatamente dopo l’evento sismico (non si deve avere nemmeno danneggiamento delle componenti non strutturali come controsoffitti, tamponature, ecc.).
Per queste strutture sicuramente sarà indicato un intervento di isolamento alla base.
L’isolamento alla base prevede di disaccoppiare la sovrastruttura dal moto del terreno, cercando di far assorbire agli isolatori sismici la maggior parte della domanda sismica di deformazione. Inoltre, il sistema isolato risulta più flessibile e di conseguenza il periodo proprio della struttura trasla verso valori più elevati, il che si traduce (se il periodo finale del sistema si trova oltre TC, come solitamente accade) in una riduzione della domanda sismica in termini di accelerazioni di risposta (Fig.1).
Gli isolatori sismici, che come mostrato in Fig.2 si applicano alla base della struttura, sono caratterizzati da un’elevata rigidezza verticale mentre presentano una limitata rigidezza orizzontale. Il sistema di isolamento può essere integrato anche da smorzatori laterali (Fig.2 e Fig.3), i quali potranno attivarsi solo nel caso in cui alla struttura siano richiesti spostamenti eccessivi (oltre un prefissato valore soglia).
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Il progetto del sistema di isolamento può essere finalizzato all’assorbimento integrale della domanda sismica (consentendo alla struttura di rimanere in campo elastico) oppure solamente parziale.
Quali sono le principali tipologie di isolatori sismici?
Le principali tipologie di isolatori disponibili in commercio sono le seguenti:
- Isolatori elastomerici (rubber bearing);
- Isolatori elastomerici con nucleo in piombo (lead-rubber bearing);
- Isolatori a scorrimento a superficie piana (friction-based isolation system);
- Isolatori a pendolo scorrevole (friction pendulum system – FPS).
Gli isolatori elastomerici (Fig.4a), che possono essere a basso (LDRB) o alto (HDRB) smorzamento a seconda della mescola impiegata, sono composti da una serie di piatti di acciaio intervallati da strati di materiale elastomerico (gomma), solidarizzati tramite il processo di vulcanizzazione (il quale prevede alti livelli di pressione e temperatura). I piatti di acciaio forniscono un significativo contributo sia alla rigidezza verticale sia al confinamento dell’elastomero, evitando fenomeni di deformazione laterale. I parametri chiave di questi dispositivi in fase di progettazione sono rappresentati dal carico gravitazionale, dalla rigidezza orizzontale e dallo spostamento relativo orizzontale massimo accettabile tra le estremità inferiore e superiore (Fig.5).
Gli isolatori elastomerici con nucleo in piombo (Fig.4b) presentano le medesime caratteristiche di quelli elastomerici, ad eccezione del cilindro centrale, che garantisce un maggiore smorzamento dovuto alla deformazione a taglio dell’elemento in piombo. La scelta del materiale è legata principalmente al comportamento (a temperatura ambiente) approssimativamente elasto-plastico del metallo e a uno snervamento a taglio per azione modeste, pari a circa 10 MPa (Skinner et al., 1993). Il piombo, inoltre, presenta un ottimo comportamento a fatica, non degradando significativamente la sua rigidezza a sottoposto a carico ciclico.
Questo tipo di dispositivo presenta una rigidezza laterale maggiore, se comparata con il semplice isolatore elastomerico, finché sia il nucleo che la gomma si deformano in campo elastico; dopodiché, raggiunto lo snervamento della parte centrale in piombo, permane il contributo di rigidezza laterale offerto dall’elastomero.
La tipologia a pendolo scorrevole (FPS) si basa, invece, sul semplice principio dello scorrimento su superficie concava per raggiungere l’elongazione del periodo proprio di vibrazione della struttura. Il pendolo scorre su una superficie concava in modo da ottenere un effetto ricentrante (Fig.6).
L’evoluzione di questo sistema è rappresentata dall’isolatore a pendolo scorrevole con doppia curvatura, proposta da Constantinou, 2004 e schematizzata in Fig.7. Questo sistema non è altro che la combinazione di due dei precedenti pendoli scorrevoli, posti uno sopra l’altro e collegati reciprocamente tramite superficie sferica. A parità di dimensioni, questo dispositivo permette di raggiungere uno spostamento doppio rispetto a quello consentito dal sistema a scorrimento semplice. Risulta, quindi, particolarmente indicato quando si vogliono contenere le dimensioni del dispositivo in presenza di elevate domande in spostamento.
In aggiunta alle precedenti esistono anche altre tipologie di isolatori sismici, come, ad esempio, quelli a ricircolo di sfere di acciaio, elastici ad attrito (resilient friction base isolator), a scorrimento con elementi dissipativi in acciaio di diversa forma oppure gli isolatori elasto-plastici (ottenuti combinando gli isolatori a scorrimento con dei dissipatori isteretici in acciaio).
Il testo è tratto dal volume di Rui Pinho – Federica Bianchi – Roberto Nascimbene Valutazione sismica e tecniche di intervento per edifici esistenti in c.a.
Articolo originariamente pubblicato su Ingegneri.cc.
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Valutazione sismica e tecniche di intervento per edifici esistenti in c.a.
La seconda edizione di questo volume, rivisitata integralmente e arricchita con nuovi esempi pratici, fornisce agli ingegneri strutturisti e a tutti quei professionisti che, in generale, operano nell’ambito della valutazione sismica degli edifici esistenti in cemento armato, gli strumenti necessari per effettuare in modo ancora più consapevole le opportune verifiche di sicurezza sismica secondo la normativa vigente. A tal proposito sono discusse le più appropriate strategie di modellazione/analisi strutturale in ambito non lineare sia statico (pushover) che dinamico (time-history). Vengono inoltre trattate le più diffuse tecniche di intervento per la riabilitazione delle strutture esistenti in cemento armato gettate in opera e prefabbricate, ricorrendo anche ad esempi di modellazione numerica di alcuni interventi di adeguamento/miglioramento sismico. Nel testo si fa riferimento alla versione aggiornata delle Norme Tecniche per le Costruzioni – ossia le NTC 2018 – e alla relativa circolare esplicativa (Circolare 21 gennaio 2019 n. 7). Rui Pinho Ingegnere, professore ordinario presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Pavia, socio fondatore delle società Seismosoft e Mosayk, è autore di innumerevoli pubblicazioni scientifiche sul tema della valutazione del rischio sismico di strutture esistenti. Federica Bianchi Ingegnere, socio fondatore e CEO di Mosayk srl, svolge la libera professione con particolare attenzione alla valutazione della vulnerabilità sismica di edifici in cemento armato. Roberto Nascimbene Ingegnere, professore associato presso lo IUSS Pavia, socio fondatore di Mosayk srl, ha approfondito particolarmente le tematiche della modellazione numerica avanzata nel campo dell’ingegneria civile.
Rui Pinho, Federica Bianchi, Roberto Nascimbene | 2022 Maggioli Editore
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