Isolamento sismico

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3.3. Isolatori a pendolo scorrevole: Friction pendulum

Gli isolatori antisismici a pendolo scorrevole sono così chiamati perché sfruttano la legge fisica del moto del pendolo per allungare il periodo naturale della struttura isolata; le prime applicazioni di questa idea risalgono alle civiltà greche, cinesi e peruviane.

Negli anni ’80 negli Stati Uniti questo concetto è stato riadattato alla luce dei più recenti sviluppi nel campo dei materiali sintetici di scorrimento a basso attrito e ad attrito controllato.

Questi dispositivi possono essere essenzialmente di tre tipologie:

  1. Con una superficie principale di scorrimento sferica che può essere superiore od inferiore, accoppiata ad un’articolazione a calotta sferica.
    (Fig. 3.11);
  2. Con due superfici principali di scorrimento sferiche tra le quali è posta un’articolazione a contatto puntuale. Con questa disposizione è possibile minimizzare le dimensioni in pianta dell’isolatore e ridurre l’eccentricità del carico verticale prodotta dallo spostamento orizzontale sulla struttura. (Fig. 3.12);
  3. Con due superfici cilindriche ortogonali, una superiore ed una inferiore tra le quali sono poste due articolazioni a sella cilindrica ortogonali. Con tale soluzione, scegliendo opportunamente i materiali di scorrimento, si può ottenere un comportamento del dispositivo differente nelle due
    direzioni. (Fig. 3.13).

Fig. 3.11
Isolatore a pendolo scorrevole con una superficie di scorrimento

Fig. 3.12

Isolatore a pendolo scorrevole

con due superfici di scorrimento


Fig. 3.13

Isolatore a pendolo scorrevole con due superfici di scorrimento cilindriche ortogonali

Fig. 3.14
Un doppio pendolo nel suo massimo spostamento

I materiali utilizzati in questi isolatori sono dei materiali di scorrimento ad attrito controllato. Essi sono caratterizzati da:

· Coefficiente d’attrito controllato: l’attrito effettivo corrisponde a quello specificato entro una ristretta fascia di tolleranza. Esso inoltre non è influenzato dalla temperatura di utilizzazione dei prodotti, né dal loro invecchiamento. I valori del coefficiente di attrito di questi materiali variano dal 2% fino al 20% con una tolleranza di +/- 10% (alcune case prevedono una tolleranza di +/- 20%) rispetto ai valori specificati. Inoltre, essendo la produzione di calore durante un evento sismico proporzionale alla pressione agente e al coefficiente di attrito, il valore di tale coefficiente che può essere utilizzato viene a dipendere dalla pressione di progetto sul dispositivo.

· Eccezionale resistenza all’usura ed alle elevate temperature. Queste caratteristiche ne consentono l’uso come elementi dissipatori di energia per effetto di attrito con prestazioni eccezionali.

· Resistenza caratteristica a compressione molto elevata, oltre doppia di quella del PTFE. Ciò permette di ridurre notevolmente le dimensioni dei dispositivi e di abbattere notevolmente i costi.

· Materiali bio-compatibili, praticamente inattaccabili da agenti aggressivi o chimici e indistruttibili.

Il tipico diagramma forza-spostamento di un isolatore a singola superficie viene di seguito rappresentato:

Fig. 3.15
Diagramma F-d di un isolatore a singola superficie

Alcune delle caratteristiche di questi dispositivi vengono di seguito elencate:

  • Permettono lo spostamento relativo della struttura rispetto alle fondazioni secondo una o due superfici sferiche;
  • Il periodo proprio di vibrazione della struttura è determinato dal raggio di curvatura della o delle superfici sferiche e dal coefficiente d’attrito (per aumentare il periodo è sufficiente aumentare il raggio delle superfici sferiche);
  • La massa della struttura non influisce in alcun modo nel periodo proprio (quindi indipendentemente dal peso della sovrastruttura il periodo di oscillazione della sovrastruttura è sempre lo stesso).
  • Lo smorzamento viscoso equivalente è determinato dall’attrito della superficie di scorrimento;
  • Sono autoricentranti dopo un evento sismico;
  • Possono essere dotati di così detti fusibili meccanici nel caso si debba garantire le fissità della struttura nelle condizioni di servizio, come avviene di regola nei ponti ferroviari e stradali, o negli edifici soggetti ad un’intensa azione del vento. I fusibili sono collegamenti rigidi che assicurano la fissità della struttura fino ad un valore predeterminato della forza orizzontale. Raggiunto tale limite prestabilito essi si rompono consentendo alla struttura di muoversi ed agli isolatori antisismici di svolgere la loro funzione. I fusibili possono essere sia fissi che unidirezionali. Questi ultimi si adottano nei ponti, dove occorra consentire lo spostamento longitudinale delle travate per effetti termici, di ritiro e deformazioni viscose. Il tipico diagramma forza-spostamento di questi elementi cosiddetti sacrificali è rappresentato di seguito:

Fig. 3.16
Curva forza-spostamento di un fusibile meccanico

 

Nel caso in cui l’attrito delle superfici di scorrimento non sia troppo elevato, in particolare nel caso in cui l’attrito sia inferiore al valore limite:

µLIM = 0.89D/R

D: diametro dell’isolatore;

R: raggio di curvatura dell’isolatore

può essere effettuato il calcolo lineare in quanto lo smorzamento viscoso equivalente risulta inferiore al 30%.

Chiaramente calcolo non lineare è sempre ammesso.

La scelta delle caratteristiche del pendolo, ovvero la scelta del raggio e del coefficiente d’attrito, deve essere fatta perseguendo questi criteri:

  • si deve scegliere tra valori che usualmente sono forniti dalle case produttrici;
  • bassi coefficienti d’attrito minimizzano i tagli trasmessi alla sottostruttura, per contro danno bassi smorzamenti e comportano pertanto elevati
    spostamenti

I coefficienti di attrito raccomandati sono riportati nella Tabella sotto. Accanto si riporta il valore delle pressioni di progetto p consentite, onde evitare danneggiamenti ai materiali in seguito al calore e all’usura che si verificano durante un evento sismico (considerando un evento sismico della durata di 20 secondi e con una velocità media di 500 mm/s).

m

p (MPa)

0,02

135

0,06

50

0,10

30

0,20

15

Nel caso in cui possa essere effettuata l’analisi dinamica lineare si applicano le formule seguenti per il calcolo dei valori di rigidezza, periodo effettivo e smorzamento.

  • Isolatore ad una superficie di scorrimento:

In cui:

T: periodo proprio di vibrazione trascurando l’attrito

Teff: periodo effettivo

g: accelerazione di gravità

m: coefficiente di attrito dinamico

P: carico verticale

R: raggio di curvatura

D: spostamento di progetto

Keff: rigidezza efficace

x: smorzamento viscoso equivalente

h: distanza tra il centro dell’articolazione e le superfici sferiche per gli isolatori a due superfici

Poiché questi valori dipendono dallo spostamento di progetto D che non è noto inizialmente, si può operare attraverso un calcolo iterativo, imponendo un valore D di tentativo, calcolando in base a questo rigidezza, periodo e smorzamento. Si può così ottenere attraverso lo spettro di risposta un nuovo valore di D con il quale si ripete il calcolo fino a che si ottiene la convergenza (in genere rapida). Se non si è nelle condizioni di effettuare l’analisi dinamica lineare, i principali programmi di calcolo esistenti sul mercato permettono di modellare gli isolatori a pendolo scorrevole direttamente attraverso i loro parametri fondamentali.

Alcuni dei pregi di questi dispositivi vengono di seguito elencati:

  • Grande traslazione del periodo proprio della struttura.
  • Costi modesti (quando gli spostamenti sono contenuti).
  • Rapporto prestazioni/costo molto buono.
  • Bassi oneri di manutenzione.

· Dimensioni ridotte rispetto ad altri isolatori a parità di prestazioni (le ridotte dimensioni di questi isolatori non devono preoccupare per quanto riguarda le pressioni sul calcestruzzo in quanto la norma europea prevede pressioni concentrate sul calcestruzzo molto elevate purchè le piastre di ripartizione del dispositivo siano sufficientemente distanziate dai bordi e purchè il calcestruzzo sia debitamente armato).

  • il baricentro delle masse e il baricentro delle rigidezze sono sempre coincidenti poiché la rigidezza di questi isolatori è proporzionale al peso e quindi alla massa. (vedi espressione di Keff)

Come già sottolineato questi dispositivi sono auto-ricentranti dopo un evento sismico. Infatti la componente verticale del sisma gioca un ruolo fondamentale nel ricentraggio, in quanto facilita fortemente il raggiungimento del punto di energia potenziale minima, ovvero il punto perfettamente centrato, nelle fasi conclusive del sisma.

La scelta della tipologia di isolatore a pendolo scorrevole dipende dalle circostanze della struttura in esame, dallo spostamento ammissibile della risultante e dall’ingombro disponibile.

Fig. 3.17

Spostamento della risultante con un isolatore a pendolo scorrevole dotato di una superficie di scorrimento

Fig. 3.18

Spostamento della risultante con un isolatore a pendolo scorrevole dotata di due superfici di scorrimento

Ad esempio nei viadotti, nei quali lo spostamento della risultante nei confronti della sovrastruttura non genera problemi, sarà idoneo l’utilizzo di un isolatore a pendolo scorrevole con una superficie di scorrimento.

Tale isolatore capovolto, in modo da produrre lo spostamento della risultante in corrispondenza della fondazione e non del pilastro sovrastante, può essere utilizzato negli edifici.

In altri casi può essere più vantaggioso usare l’isolatore con due superfici di scorrimento che presenta uno spostamento della risultante dimezzato sia nei confronti della sovrastruttura che dell’infrastruttura e riduce le dimensioni globali del dispositivo.

Nei ponti, quando si voglia differenziare il comportamento della struttura in caso di terremoto nelle due direzioni può essere molto vantaggioso l’utilizzazione del dispositivo con due superfici cilindriche ortogonali (Fig. 3.13). Ad esempio si può volere aumentare la dissipazione di energia in senso trasversale per limitare il movimento trasversale dei giunti, a scapito di una forza orizzontale maggiore in caso di terremoto che peraltro può
essere assorbita facilmente dalla geometria delle pile.

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