Isolamento sismico

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1.1.1. Gli isolatori

Gli isolatori in gomma armata con lamine in acciaio (HDRB), con il nucleo in piombo (LRB), a scorrimento (fiction pendulum) o a rotolamento di sfere (ricircolo di sfere), rappresentato le comuni tipologie di isolatori presenti sul mercato.

Come già detto in precedenza essi hanno lo scopo principale di aumentare il periodo strutturale, shiftando cosi la risposta sismica della struttura nella zona delle basse accelerazioni spettrali. Queste ultime non vengono fissate a priori dal progettista nel senso che un valore accettabile delle accelerazioni della sovrastruttura isolata, dipende dalla zona sismica dove sorge l’opera ovvero dall’intensità dell’azioni sismica di progetto. Si può comunque affermare che un sistema d’isolamento affinché sia definito efficace, dovrebbe comportare delle accelerazioni per la sovrastruttura
nell’intorno del range 0.05g-0.15g.


Un metodo di progettazione dell’isolamento sismico, potrebbe essere quello di tarare gli isolatori in modo che il periodo proprio della struttura isolata sia almeno uguale al cosiddetto corner period

, ovvero il periodo spettrale che nelle norme è solitamente indicato con TD. Al di sopra di questo periodo, infatti, lo spostamento sismico rimane costante mentre le accelerazioni si riducono con una relazione che solitamente è quadratica in funzione del periodo. In altri termini, al di sopra di TD si ottengono solo benefici in quanto si riducono le accelerazioni ma non si aumentano gli spostamenti. Ovviamente non è opportuno progettare strutture con periodo troppo grande.

Questo per diversi motivi:

  1. Si otterrebbero delle accelerazioni e quindi dei tagli sismici talmente modesti che l’azione sismica non sarebbe più dimensionante per le sottostrutture, ma lo sarebbero altre azioni per esempio il vento;
  2. Nella maggior parte dei casi aumentare la flessibilità degli isolatori comporta un sovraccosto che non porterebbe, nei casi limite, alcun vantaggio per le sottostrutture;
  3. La struttura offrirebbe scarsa rigidezza alle altre azioni orizzontali, ad esempio il frenamento e la forza centrifuga nei ponti;
  4. La struttura potrebbe diventare sensibile ai fenomeni dinamici dovuti al vento.

1.1.2. Sistemi dissipativi

 

Una strategia costruttiva complementare a quella dell’isolamento è la dissipazione d’energia. Essa consiste nell’inserimento, in apposite posizioni della struttura (cioè sulle diagonali o, comunque, ove sono massimi gli spostamenti differenziali, (Fig. 1.1b) di dispositivi, detti dissipatori (damper), in grado di “attrarre” e concentrare su se stessi gran parte della dissipazione dell’energia trasmessa alla struttura dal sisma.

I sistemi dissipativi sono meno efficaci di quelli d’isolamento, perché lasciano entrare inalterata l’energia sismica nella struttura e perché, per attivarsi e funzionare, hanno la necessità che la struttura si deformi e non possono, quindi, ridurre gli spostamenti relativi interpiano nella stessa misura con cui riescono a farlo i sistemi d’isolamento (si confrontino le Fig. 1.1a e Fig. 1.1b). Inoltre, poiché non incrementano il periodo di vibrazione della struttura, non riescono a minimizzare il panico. Infine, rendono spesso necessaria l’installazione di numerosi elementi ingombranti e sovente antiestetici, come le aste di controvento (per riportare rigidamente, cioè senza modifiche, lo spostamento di ciascun piano alla quota di
quello superiore o inferiore) ed anche i dissipatori stessi (Fig. 1.9).

Questa tecnica, però, è particolarmente utile quando l’isolamento sismico non è applicabile, cioè, principalmente, o perché la
struttura considerata è un edificio troppo flessibile, o perché il terreno su cui poggia è troppo soffice, o perché occorre adeguare o migliorare sismicamente un edificio che non presenta (e non permette di realizzare) gap sufficientemente ampi, rispetto agli edifici adiacenti, tali da permettere i necessari spostamenti rigidi (che, come si è detto, possono raggiungere alcune decine di centimetri).

Figura 14

Fig. 1.9
Controventi dissipativi con dispositivi inseriti nel corso di un retrofit

I più comuni sistemi dissipativi sono quelli di tipo viscoso ed elastoplastico, oltre a quelli ad instabilità impedita, viscoelastico, ad attrito, od elettroinduttivo. Nel proseguo della trattazione vengono esposte le caratteristiche dei dissipatori elastoplastici e viscosi.

 

1.1.3. Dispositivi SMAD e STU

 

Oltre a quelli d’isolamento e dissipativi, i moderni sistemi antisismici includono:

  • le cosiddette Shock Transmitter Unit (STU), ritegni oleodinamici che lasciano la struttura libera di deformarsi nel caso di deformazioni lente, come quelle di origine termica, ma (analogamente alle cinture di sicurezza in un’auto) si bloccano, irrigidendo la struttura, nel caso di deformazioni rapide, come quelle indotte dal sisma (Fig. 1.10) o (nel caso dei ponti e dei viadotti) dalle frenate dei camion;
  • gli SMAD, dispositivi (Device) in leghe a memoria di forma (Shape Memory Alloy o SMA), che permettono di connettere, durante il sisma, elementi strutturali separati o soggetti a spostamenti relativi consistenti, limitando al massimo le variazioni dei carichi su di essi agenti al variare degli spostamenti relativi (Fig. 1.11).

Le prime e tuttora più numerose applicazioni delle STU riguardano i ponti e i viadotti (ove sono accoppiati ad altri dispositivi antisismici) ed alcuni edifici industriali, mentre gli SMAD (ancora di costo non trascurabile) sono stati sviluppati, nell’ambito di progetti comunitari, per la protezione del patrimonio culturale. Quanto alle SMA, si nota che con esse possono essere realizzati anche dissipatori ricentranti (un’applicazione di questo tipo ha già riguardato, in Italia, gli originali delle statue marmoree di Scilla e Nettuno, custoditi al Museo di Messina).

Figura 17

Figura 20


Fig. 1.10
Dispositivi STU

Fig. 1.11
Dispostivo SMAD

Figura 19

Fig. 1.12

Alcuni dei 47 SMAD installati nella Basilica Superiore di San Francesco in Assisi per connettere il tetto del transetto a ciascuno dei due timpani

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