Isolamento sismico

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1.1. Isolamento sismico

 

L’obbiettivo dell’isolamento sismico è quello di, per l’appunto, isolare la struttura dai movimenti del terreno indotti dal sisma. Il principio generale è di disconnettere la costruzione dal terreno, visto che l’energia sismica è trasmessa alla struttura attraverso le fondazioni. L’isolamento sismico disaccoppia il movimento della costruzione da quello del terreno (usualmente solo nel piano orizzontale) “filtrando” le componenti orizzontali del terremoto che in genere sono quelle più pericolose. Questo è effettuato mediante l’inserimento -in genere alla base (Fig. 1.2) od in corrispondenza del piano più basso (Fig. 1.3) – di dispositivi, detti isolatori, estremamente flessibili nella direzione orizzontale. La struttura, sopra gli isolatori, si muove rigidamente nel piano orizzontale (se non è eccessivamente flessibile), con valori molto piccoli sia dell’accelerazione che degli spostamenti d’interpiano e, quindi, senza danneggiamento non solo delle parti strutturali, ma neppure di quelle non strutturali, contenuti compresi. Per la cosiddetta sovrastruttura (che è la parte della struttura sorretta dagli isolatori) si realizza una drastica riduzione sia dell’accelerazione e delle sue variazioni verticali, che delle deformazioni orizzontali e verticali, cosa impossibile per una costruzione fondata in maniera convenzionale. Infatti, il periodo proprio della costruzione aumenta considerevolmente e, pertanto, le accelerazioni della struttura decrescono fortemente; è vero che, in parallelo, crescono fortemente i suoi spostamenti trasversali, ma, nei casi in cui l’isolamento è applicato, queste
deformazioni sono praticamente tutte concentrate negli isolatori.

Fig. 1.2
Alcuni isolatori (HDRB) installati alla base di una scuola

Fig. 1.3
Alcuni isolatori (HDRB) installati alla sommità del primo piano di un edificio

L’isolamento sismico si può ottenere in termini pratici, in 2 modi:

  • Aumentando il periodo di oscillazione della sovrastruttura e portandolo nel cosiddetto campo dei grandi periodi (2-3 sec) dove le accelerazioni spettrali sono estremamente piccole;
  • Attraverso la dissipazione energetica che consente di ridurre le accelerazioni e gli spostamenti;

Nel primo caso l’isolatore “filtra” il cosiddetto contenuto in frequenza del terremoto, “lasciando passare” solamente l’energia associata alla frequenza della sovrastruttura isolata e tagliando tutte le altre frequenze e le quantità d’energia ad esse associate. Pertanto gran parte dell’energia portata dal terremoto non passa alla sovrastruttura. L’aumento del periodo di oscillazione comporta una forte riduzione delle accelerazioni ma contestualmente, per contro, un aumento degli spostamenti.

Nel secondo caso invece, l’isolatore ha il compito principale di dissipare l’energia del sisma che altrimenti verrebbe trasferita alla sovrastruttura. La dissipazione di energia viene solitamente ottenuta per isteresi (ovvero attraverso lo snervamento e la forte penetrazione in campo plastico di elementi di acciaio opportunamente studiati) o per mezzo dell’attrito viscoso solitamente ottenuto facendo scorrere fluidi viscosi, come ad es. l’olio, all’interno di adeguate celle collocate nel dissipatore. La dissipazione energetica consente di abbattere le accelerazioni trasmesse alla sovrastruttura e contestualmente
anche gli spostamenti.

Solitamente gli isolatori in commercio consentono sia di aumentare il periodo proprio strutturale che di garantire un sufficiente livello di dissipazione energetica; in tal modo riescono a ridurre in modo drastico le accelerazioni della sovrastruttura ma al tempo stesso si limitano gli spostamenti di progetto a valori accettabili (usualmente dai 100mm ai 400mm in Italia, fino ai 500-800mm tipici di aree di elevata pericolosità sismica come il Giappone o la California). In tal modo si ottiene una risposta sismica ottimale della struttura isolata.

Ovviamente, oltre ad essere caratterizzato dalle funzioni principali sopra menzionate, un sistema d’isolamento adeguato del tipo sopra accennato deve – o meglio – dovrebbe possedere:

  • una buona capacità ricentrante (cioè la capacità di riportare la struttura alla posizione iniziale una volta terminato il terremoto);
  • una vita utile sufficientemente lunga (almeno pari a quella delle usuali costruzioni, sebbene debba essere anche garantita la sostituibilità degli isolatori);
  • rigidezza crescente al diminuire del livello dell’eccitazione sismica (elevata per quelle di modesta entità, così da impedire continue vibrazioni, ad esempio, sotto l’azione del vento);
  • rigidezza e smorzamento poco sensibili agli effetti dell’invecchiamento e alle variazioni di temperatura
    , ecc.

L’isolamento sismico è usualmente applicato solo nel piano orizzontale, perché la componente verticale dei terremoti è normalmente meno violenta di quelle orizzontali, almeno al di fuori della zona epicentrale, e perché le strutture, dovendo già sostenere il loro peso, resistono assai meglio alle vibrazioni verticali che non a quelle orizzontali; inoltre, con l’isolamento tridirezionale (3D) è spesso arduo controllare i moti di beccheggio (sebbene particolari sistemi antibeccheggio siano stati recentemente sviluppati per gli impianti nucleari giapponesi). Quando è necessario proteggere apparecchiature o altri oggetti particolarmente delicati (ad esempio, computer, opere d’arte, o componenti degli impianti nucleari rilevanti ai fini della sicurezza) anche dalle vibrazioni verticali, è usualmente più agevole isolare orizzontalmente la base dell’edificio che
li contiene e verticalmente solo i piani d’interesse, o gli oggetti stessi, o, nel caso degli impianti nucleari, ad esempio, il solo blocco reattore (Sistemi d’isolamento 3D sono però già stati sviluppati ed applicati alla base di edifici civili, sia in Giappone che nella Repubblica Popolare Cinese, per proteggere edifici non solo dalle vibrazioni sismiche, ma anche da altre forti vibrazioni ambientali, indotte dal traffico stradale o da metropolitane.

L’isolamento è una tecnica di agevole applicazione nel caso di nuove costruzioni, dato che la sovrastruttura resta in campo elastico, ma può essere utilizzato (e lo è già stato sovente, dapprima in Nuova Zelanda e negli USA ed ora anche in Italia, oltre che in Giappone, in Armenia, nella Repubblica Popolare Cinese e, più recentemente, nella Federazione Russia ed in Turchia) anche per l’adeguamento (od il miglioramento) sismico di strutture esistenti: in questo caso esso è attuato, per gli edifici, mediante il taglio delle fondazioni o delle strutture portanti (pilastri e pareti) del piano più basso (Fig. 1.4), ovvero mediante la sottofondazione (Fig. 1.5).

Fig. 1.4
Isolatore inserito sotto le fondazioni di un edificio esistente

Fig. 1.5
Sottofondazione di un edificio

Per edifici che presentano notevoli asimmetrie in pianta e/o in alzato l’applicazione della tecnica suddetta è particolarmente vantaggiosa. Tali asimmetrie, infatti, risultano assai problematiche per gli edifici non isolati, in aree significativamente sismiche; in particolare, quelle in pianta generano pericolosi effetti torsionali. Ecco che allora, per evitare forti asimmetrie geometriche in pianta o in alzato, occorre spesso separare gli edifici fondati convenzionalmente in più corpi di fabbrica sufficientemente simmetrici; ciò, invece, non è usualmente necessario per costruzioni isolate, perché il movimento quasi rigido della sovrastruttura minimizza gli effetti negativi delle asimmetrie in alzato ed un’opportuna disposizione degli isolatori in genere consente di portare il centro di rigidezza del sistema d’isolamento a coincidere, o quasi, con la proiezione del
baricentro della costruzione sul piano dell’isolamento (condizione per evitare le deformazioni torsionali).

La nuova normativa sismica italiana, oltre ad aver liberalizzato l’uso delle moderne tecnologie antisismiche, lo ha reso più conveniente, permettendo, in particolare, nel caso di strutture isolate, di tener conto della riduzione delle forze sismiche agenti sulla sovrastruttura e sulle fondazioni, operata dal sistema d’isolamento, e di assumere, per la sovrastruttura, accelerazione costante (invece che crescente) dalla base alla sommità, coerentemente con il movimento di corpo rigido che essa presenta. I progetti predisposti basandosi sulla nuova normativa suddetta mostrano che queste semplificazioni annullano spesso i costi aggiuntivi dovuti al sistema d’isolamento, anche per le nuove costruzioni, in quanto questi costi sono compensati dai risparmi dovuti all’alleggerimento della sovrastruttura e delle fondazioni. Comunque, anche nel caso in cui i suddetti costi aggiuntivi di costruzione non risultino totalmente compensati, resta sempre a favore dell’isolamento sismico, oltre alla sicurezza nettamente maggiore, il bilancio economico complessivo, che tiene correttamente conto anche dei costi da affrontare dopo un terremoto (riparazione, demolizione, delocalizzazione degli abitanti, smaltimento delle macerie, ricostruzione, ecc.).

Da ultimo, è molto importante sottolineare che, nell’applicazione dell’isolamento sismico (e soprattutto nella fase costruttiva), merita particolare attenzione la corretta realizzazione:

  • dei “giunti strutturali” (gap) fra la sovrastruttura isolata e la sottostruttura od il terreno circostante (ovvero fra due sovrastrutture adiacenti isolate indipendentemente l’una dall’altra), cioè di quegli “spazi” che sono necessari a garantire il libero movimento della sovrastruttura almeno fino allo spostamento corrispondente al cosiddetto Stato Limite di Collasso (Fig. 1.6 e Fig. 1.7) (Mentre l’OPCM 3274/2003 e le sue successive modifiche ed integrazioni prevedevano, per la progettazione sismica, due Stati Limite (Stato Limite di Danno e Stato Limite Ultimo), le nuove norme tecniche ne prevedono quattro: Stato Limite di Operatività, Stato Limite di Danno, Stato Limite di Vita e Stato Limite di Collasso);
  • dei cosiddetti “elementi di interfaccia”, cioè di quei componenti e di quelle strutture che attraversano, orizzontalmente o verticalmente, il gap (interfaccia): passerelle d’accesso, coperture dei gap stessi, scale, ascensori, tubazioni di vario tipo, cavi, ecc (Fig. 1.8).

La corretta realizzazione dei gap e degli elementi d’interfaccia non è affatto difficoltosa, ma l’esperienza applicativa ha evidenziato che errori (commessi soprattutto durante la costruzione) sono poi spesso assai ardui da correggere e possono comportare notevoli costi aggiuntivi inattesi.

 





Fig. 1.6
Gap strutturale

Fig. 1.7
Gap strutturale

 



Fig. 1.8
Elementi di interfaccia

 

Nel proseguo della trattazione vengono esposte le caratteristiche delle più comuni tipologie di isolatori presenti sul mercato, in particolare quelli in gomma armata con lamine in acciaio (HDRB), con un nucleo in piombo (LRB), a scorrimento (Frictium pendulum) o a rotolamento di sfere (ricircolo di sfere).

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