Isolamento sismico

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Il sistema ricorda il meccanismo di piano soffice che siamo abituati a conoscere come meccanismo di piano pericoloso e da evitare, mentre in quel caso era pensato come un virtuosismo voluto per dissipare energia. Siamo al confine tra la dissipazione con plasticizzazioni e l’isolamento sismico, dato che il moto delle colonne simula il comportamento degli isolatori, ma quel moto può avvenire solo con plasticizzazione delle estremità dei pilastri al primo ordine.

Successivi sviluppi si ebbero con gli studi di Green (1935) e Jacobsen (1938), che portarono al “The Soft first Story Method”
che introduceva il concetto di assorbimento dell’energia mediante plasticizzazioni. Applicando questo concetto fu costruito l’ospedale Olive View di Los Angeles, ma il sistema si mostrò fortemente deficitario, subendo proprio il meccanismo di piano soffice, che doveva essere invece un virtuosismo della struttura, durante il terremoto San Fernando del 1971, poco dopo la fine dei lavori di costruzione.

Fig. 2.7
L’Olive View completamente collassato sul primo ordine di colonne

Fig. 2.8
Una delle colonne al primo ordine dell’Olive View

Questa esperienza portò all’evidente conclusione che non era possibile dissipare l’energia del sisma solo tramite un piano di colonne.

A tal proposito si cita il pensiero di Chopra espresso in: “Dynamics of Structures – Theory and Applications to Earthquake Engineering“:


Sebbene gli edifici con piani soffici sono ovviamente non appropriati per le regioni sismiche, la loro risposta durante i passati terremoti suggerisce la possibilità di ridurre il danno all’edificio mediante un sistema di isolamento alla base che agisca come una sorta di piano soffice

“.

Chopra, quindi, constata l’inefficacia di un isolamento che avvenga mediante le colonne al primo ordine, ma sottolinea il fatto che il concetto di disaccoppiare il moto del suolo dalla sovrastruttura è importante e va sicuramente sfruttato.

Quindi, si arriva inevitabilmente alla conclusione che ci si deve indirizzare o alle plasticizzazioni diffuse (trave debole in pilastro forte) oppure all’impiego di appositi dispositivi isolatori; il piano debole è, chiaramente, assolutamente da evitare.

Tornando al vero e proprio isolamento, le reali applicazioni, anche se con tecnologie ancora rudimentali, si possono trovare nel 1960 nell’ex-Unione Sovietica, ma è solo nel 1969 che si assiste alla prima, pioneristica, applicazione di
isolamento sismico, con la scuola elementare Johan Heinrich Pestalozzi di Skopje in Macedonia
ad opera di un gruppo di ingegneri svizzeri. Il sistema impiegato, denominato “Swiss Full Base Isolation 3D (FBI-3D)” consisteva in 5 semplici appoggi in gomma non armata, ottenuti da fogli di gomma larghi 70 cm e spessi 7cm. Il fatto che la gomma fosse non armata si ripercuoteva
sulla rigidezza verticale, paragonabile a quella orizzontale. L’elevata deformabilità della struttura in direzione verticale determinava un moto rotatorio con asse orizzontale (rocking) accoppiato al moto in direzione orizzontale.

Fig. 2.9
Gli isolatori in gomma non armata usati a Skopje (notare le forti deformazioni trasversali)

Fig. 2.10
Il problema del moto di rocking per isolatori in gomma non armata

L’adozione di questo sistema non risultò soddisfacente e si fu anche costretti ad inserire vincoli aggiuntivi ottenuti da blocchi di vetro per fronteggiare sollecitazioni di natura non sismica, come il vento.

Ma la strada era quella giusta e poco dopo, negli anni ’70 la Malaysian Rubber Producers’ Research Association (MRPRA) produsse in Inghilterra i primi dispositivi elastomerici in gomma armata, mediante un processo produttivo basato sulla vulcanizzazione di strati di gomma con lamierini di acciaio.

Fig. 2.11
La rigidezza verticale degli isolatori in gomma armata

In realtà era già da tempo che alcuni studiosi si stavano interessando di isolatori in gomma ed acciaio, come A. N. Gent e P. B. Lindley, i quali si occuparono del problema facendo molte ricerche dal 1958 al 1981. Il loro interesse era
rivolto alle principali caratteristiche della gomma mista a lamierini in acciaio e le sue proprietà in termini di tensioni, rottura, compressione pura, compressione e taglio.

L’inizio dell’era moderna dell’isolamento sismico si può far coincidere la produzione di questi sistemi, e sempre negli anni ’70, si può individuare anche la prima applicazione in Francia. Si tratta di un intervento atto a proteggere una serie di centrali nucleari da terremoti di intensità pari a 0.2g, con l’obbiettivo di evitare di apportare modifiche alle strutture esistenti. Furono impiegati isolatori in gomma (neoprene) armata e, successivamente, per aree a maggiore intensità sismica, una combinazione di isolatori in gomma armata e dispositivi a scorrimento, aventi un coefficiente di attrito pari al 20%.

Il sistema, denominato “Electricite-de-France system” era di questo tipo:

Fig. 2.12
Il sistema misto “Electricite-de-France”

In pratica, era una combinazione di sistema elastomerico e dispositivo a scorrimento; vi era il cuore in neoprene con lamine d’acciaio collegato a piatti di bronzo, a loro volta collegati a piatti d’acciaio inossidabile. Il neoprene aveva una capacità di spostamento limitata e, quando si superava tale limite, i piatti d’acciaio cominciavano a scorrere su quelli in bronzo, garantendo l’isolamento anche per grandi scorrimenti.

Il problema di questo sistema consisteva nell’assenza di un dispositivo di ricentraggio, se si esclude il contributo dato dal nucleo in neoprene in fase di scarico.

Sempre negli anni ’70 vi è un’altra applicazione di isolamento sismico moderno, questa volta per un ponte sul fiume Rangitikei, in Nuova Zelanda; il sistema si basava sull’accoppiamento di elementi flessibili ed elementi dissipativi, realizzati con barre d’acciaio sottoposte a torsione.

E’negli anni che vanno dal 1970 al 1980 che si ha una forte diffusione delle tecniche di isolamento sismico per ponti e viadotti,
con molte applicazioni in Giappone. Ma la fine degli anni ’70 vede anche l’ingresso in scena dell’Italia, che in breve acquisì la leadership mondiale nel settore.

Gli anni ’80 caratterizzano la definitiva consacrazione dell’isolamento sismico, con una vasta diffusione di applicazioni in tutto il mondo, soprattutto negli USA ed in Nuova Zelanda, grazie agliisolatori elastomerici ad elevato smorzamento basati sull’impiego di gomma ad alta dissipazione (HDRB) o coninserti in piombo (LRB). Non da meno è il Giappone, grazie al notevole impiego di dispositivi elastomerici a basso smorzamento (LDRB) accoppiati con dissipatori di tipo viscoso o isteretico.

In quegli anni ci furono molte campagne numerico-sperimentali sull’isolamento sismico e tutte evidenziavano l’ottima resa di questi sistemi, ma è verso la metà degli anni ’90 che arrivò la prova sul campo degli effettivi benefici di questi isolatori. Nel biennio 1994-1995, infatti, si ebbero due eventi sismici catastrofici: Northridge in California nel ’94 e Kobe in Giappone nel ’95. Nonostante la notevole intensità dei due eventi, però, le aree colpite presentavano alcune strutture sismicamente isolate che si comportarono particolarmente bene. Interessante è il confronto tra l’Olive View Hospital e l’University Teaching Hospital; il primo era l’ospedale severamente danneggiato nel 1971, che fu poi ricostruito ma con struttura di tipo convenzionale, mentre il secondo era un edificio sismicamente isolato. L’Olive View fu soggetto
ad un’accelerazione misurata al tetto di quasi 3 volte superiore a quella misurata in fondazione e, anche se non subì danni alla struttura, fu danneggiato nelle finiture e nelle attrezzature, dovendo bloccare ogni attività, mentre il secondo riuscì a restare completamente operativo ospitando addirittura i degenti del primo ospedale.

Ma non fu solo l’University Teaching Hospital a mostrare sul campo tutte le potenzialità dell’isolamento sismico, perché anche l’edificio del ministero delle telecomunicazioni della prefettura di Sanda City subì lo stesso sisma, senza però riportare nessun danno. Di seguito è riportata un’immagine che mostra le dimensioni della struttura (il più grande edificio isolato a quel tempo) e gli isolatori
utilizzati:

Fig. 2.13
Il ministero delle telecomunicazioni di Sanda City

Fig. 2.14
Gli isolatori impiegati a Sanda City

Le esperienze dell’University Teaching Hospital e del ministero di Sanda City colpirono a tal punto da far avere una crescita esponenziali di nuove applicazioni di isolamento sismico. Bisogna tenere ben presente, infatti, che il terremoto di Kobe fu estremamente catastrofico. Giusto per avere un’idea, le immagini che seguono sono estremamente esemplificative:

 

Fig. 2.15
Uno degli edifici crollati a seguito del terremoto in Giappone del 1995

Fig. 2.16
Le infrastrutture spazzate via dal Kobe

Fig. 2.17
Le macerie causate dal Kobe

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