Isolamento sismico

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4. Sistemi dissipativi

4.1. Dissipatori elastoplastici

Gli isolatori elastoplastici sono costituiti dalla combinazione di un apparecchio di appoggio scorrevole e di elementi dissipativi isteretici in acciaio (dissipatori isteretici) di svariate forme, in genere disposti attorno all’appoggio. In questo modo, dunque, con un unico dispositivo si ottengono diversi obbiettivi: si trasferisce il carico verticale, si consentono le rotazioni e gli spostamenti orizzontali in una o più direzioni, si dissipa energia in caso di eventi sismici. In alcuni casi, specie in ponti e viadotti, per ottenere una prestazione differenziata tra la condizione di esercizio e quella sismica, questi dispositivi possono essere dotati di uno o più dispositivi di vincolo dinamico (Shock-Transmitter) che in condizioni di esercizio consentono i movimenti lenti senza attivare gli elementi dissipativi, mentre in caso di sisma si bloccano, trasmettendo le forze orizzontali agli elementi dissipativi.

Gli apparecchi di appoggio sono dispositivi che realizzano i vincoli strutturali quali “cerniera” e “carrello” come connessione tra due parti diverse di una struttura. Il loro scopo è trasmettere i carichi verticali e resistere alle spinte orizzontali, consentendo allo stesso tempo scorrimenti e rotazioni mutue fra le parti. Vengono in particolare utilizzati nei ponti e nei viadotti come interfaccia tra impalcato e sottostrutture ma anche come sostegno di grandi coperture o in edifici; in tutti questi casi rappresentano una componente importante per il corretto funzionamento delle strutture.

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Fig. 4.1

Isolatore elastoplastico

Fig. 4.2

Isolatore elastoplastico

A seconda della funzione di vincolo gli apparecchi di appoggio si classificano come:

  • FISSI se si oppongono agli spostamenti trasferendo le spinte in tutte le direzioni del piano orizzontale;
  • UNIDIREZIONALI se consentono lo scorrimento in un’unica direzione del piano orizzontale, trasferendo le spinte nella direzione ortogonale;
  • MULTIDIREZIONALI se consentono lo scorrimento in tutte le direzioni del piano orizzontale.

Nelle due tipologie mobili, per ridurre al minimo la resistenza allo scorrimento, vengono utilizzati fogli di PTFE (politetrafluoroetilene: materiale dalle ottime caratteristiche di antiaderenza e di scorrevolezza) a contatto con lastre in acciaio inox lucidato.

I tipi di appoggi prodotti dalle varie aziende sono svariati; in particolare per sviluppare questo tipo di isolatore alcuni produttori utilizzano l’appoggio a disco elastomerico che trasferisce le azioni verticali tramite un disco in elastomero confinato fra un basamento ed un pistone in acciaio. Il materiale utilizzato per l’elastomero sottoposto a compressione si comporta come un fluido incomprimibile risultando quindi molto efficace nella trasmissione di sforzi verticali senza cedimenti e allo stesso tempo permette rotazioni attorno ad un qualsiasi asse orizzontale grazie alla sua deformabilità.

Gli elementi dissipativi in acciaio (dissipatori isteretici) hanno svariate forme, opportunamente studiate per garantire una distribuzione uniforme delle deformazioni in campo plastico, in modo da massimizzare la capacità dissipativa e allo stesso tempo garantire cicli isteretici stabili.
La deformazione può avvenire secondo vari meccanismi prevalenti: flessione, torsione, trazione, compressione, ecc.

In particolare nei ponti si utilizzano dissipatori isteretici che dissipano per flessione, come ad esempio quelli a piolo, a falce di luna, a farfalla, ad E o ad U.

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Fig. 4.3

Dissipatore a piolo

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Fig. 4.4
Dissipatore a falce di luna in prova

Fig. 4.5
Sezione e pianta di un isolatore elastoplastico (tipo fisso: PND) con dissipatore ad E

Fig. 4.6
Sezione e pianta di un isolatore elastoplastico (tipo mobile: PNUD) con dissipatore ad E

Fig. 4.7

Appoggio elastoplastico con dissipatore ad U

Fig. 4.8

Dissipatori ad U: si deformano sia nel piano della U che fuori dal piano

Nel caso di controventi dissipativi per edifici, in cui gli spostamenti sono solitamente molto piccoli, è conveniente utilizzare come meccanismo di plasticizzazione la torsione o la trazione-compressione, in quanto si ottengono valori di rigidezza elastica più elevati che con il meccanismo a flessione. Ad esempio i dissipatori isteretici assiali ad instabilità impedita (Buckling-Restrained Axial Dampers: BRAD
) sono specifici per l’utilizzo nei controventi dissipativi per edifici intelaiati in acciaio, in c.a. o in c.a.p.

Sono costituiti da un nucleo interno in acciaio, una parte del quale dissipa energia plasticizzandosi, da un tubo in acciaio e da un riempimento in calcestruzzo, i quali evitano che i nucleo interno instabilizzi. Tra il calcestruzzo e il nucleo interno è interposto uno strato di speciale materiale distaccante, allo scopo di impedire la trasmissione di tensioni tangenziali tra i due componenti e permettere al nucleo interno di allungarsi o accorciarsi liberamente, dissipando energia.

Fig. 4.9
Dissipatore isteretico assiale

Fig. 4.10
Dissipatore isteretico assiale

Questi dispositivi vengono utilizzati in sostituzione di un’intera asta di controvento. In alternativa, in particolare nel caso di spostamenti di progetto particolarmente piccoli e di rigidezze particolarmente elevate, essi possono assumere la configurazione di elementi di lunghezza ridotta, inseriti in serie ad un’asta di controvento.

Fig. 4.11

Possibili applicazioni di un dissipatore assiale: in serie ad un’asta di controvento o in completa sostituzione della stessa

Tra i dispositivi in esame possiamo annoverare anche i ritegni elastoplastici che sono dispositivi di vincolo unidirezionale o bidirezionale a risposta elastoplastica ad altissima dissipazione (in pratica costituiti dai soli dissipatori elastoplastici). In Fig. 4.12 è rappresentato un ritegno che utilizza gli elementi ad E, ma in commercio esistono anche quelli che sfruttano la dissipazione di elementi ad U. Questi dispositivi assorbono unicamente gli sforzi orizzontali dovuti al sisma. L’articolazione strutturale è tale da consentire poi la loro eventuale sostituzione, post evento sismico, senza necessità di rimozione dell’intero dispositivo.

Fig. 4.12
Ritegno elastoplastico

I vari elementi dissipativi sono generalmente realizzati in acciaio inossidabile. In questo modo vengono garantite sia le prestazioni meccaniche che l’affidabilità nel tempo, legata all’inalterabilità del materiale.

La curva forza-spostamento di questi isolatori con dissipatori elastoplastici è schematizzabile come bilineare, come per i soli dissipatori isteretici, in quanto l’attrito del dispositivo di appoggio non influisce molto sul comportamento globale. Nella

Fig. 4.13 è rappresentato l’andamento del ciclico isteretico di questi dissipatori.

Fig. 4.13
Ciclo isteretico di un dissipatore elastoplastico

Fig. 4.14
Ciclo isteretico di un dissipatore elastoplastico tipo BRAD

Le caratteristiche principali degli isolatori elastoplastici possono essere di seguito riassunte:

  • Trasmettono il carico verticale dovuto alle azioni permanenti ed accidentali.
  • Consentono le rotazioni tra la sovrastruttura e la sottostruttura (fino a 0.01 rad).
  • Permettono, se accoppiati a degli shock transmitter, i movimenti lenti dovuti a ritiro, fluage e variazioni termiche fornendo una reazione modesta.
  • Trasmettono le forze orizzontali in condizioni di esercizio rimanendo in campo elastico e con modesti movimenti.
  • Limitano la forza orizzontale trasmessa e dissipano energia con una risposta elasto-plastica in caso di sisma di elevata intensità.
  • In caso di sisma garantiscono una curva di risposta stabile senza alcun degrado del ciclo di isteresi.

Nel caso in cui si utilizzino isolatori elastoplastici con dissipatori ad E (PND e PNUD) alcuni consigli per la progettazione sono di seguito esposti:

  • Per ogni serie di campate (comprese tra due giunti) è necessario installare almeno un appoggio PND sulla pila centrale o su di una pila vicina al centro.
  • La forza totale di snervamento Fy degli appoggi PND dovrà essere uguale o più grande di 1.5 volte il carico orizzontale di progetto (vento, frenature, attrito differenziale degli appoggi) escluso il terremoto.
  • Su tutte le altre pile si installeranno appoggi tipo PNUD ed eventualmente altri appoggi mobili multidirezionali.
  • La forza totale di snervamento Fy di tutti gli appoggi PND e PNUD dovrà essere approssimativamente uguale alla frazione di peso proprio della sovrastruttura come suggerito nella tabella Tab. 4.1 in funzione del grado di sismicità della zona.
  • Appoggi PND e PNUD per alta e bassa sismicità e appoggi multidirezionali si possono combinare, per ottenere il valore Fy richiesto.
  • Il valore totale di Fy per ogni pila definisce anche il massimo effetto orizzontale del terremoto che sarà uguale a Fu = 1.15 Fy (resistenza ultima del dispositivo).
  • La struttura dovrà comunque sempre essere verificata con analisi dinamica non lineare visto l’elevato comportamento non-lineare dei dispositivi.

VALORI RACCOMANDATI DI Fy(g)

Accelerazione al suolo secondo le AASHTO (g)

0,09

0,19

0,29

> 0,29

Rapporto Fy/peso proprio raccomandato

0,05

0,07

0,10

0,12

Tab.
4.1 Rapporti tra il taglio sismico e il peso sismico al variare dell’accelerazione al suolo

Fig. 4.15
Diagramma carico-spostamento

Fig. 4.16
Differenza della curva forza-spostamento per azione sismica e per azioni lente

Tra i pregi di questi dispositivi possiamo elencare i seguenti:

· Manutenzione molto semplice in quanto tutte le parti strutturali sono in acciaio.

· Possibilità di controllare la forza orizzontale che si trasmette dalla sovrastruttura alla sottostruttura.

· Curva di risposta molto semplice (bilineare), stabile, non sensibile alla temperatura.

· Sostituzione dei soli dissipatori in acciaio i quali durante il sisma assorbono energia plasticizzandosi, mentre tutti gli altri componenti sono progettati per non subire danni.

Tra i difetti di questi dispositivi possiamo in particolare annoverare il grosso problema relativo al ricentraggio. Infatti dopo un evento sismico questi dispositivi non consentono alla struttura di tornare nella sua posizione originaria e sono necessari quindi opportuni interventi. Un altro problema non trascurabile è rappresentato dall’elevato costo di tali dispositivi rispetto ad altri sistemi d’isolamento.

Come già sopra menzionato i dissipatori in esame vengono utilizzati in ponti e viadotti; negli edifici i dissipatori elastoplastici vengono utilizzati nei controventi dissipativi.

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