Isolamento sismico

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3. Tipologie di isolatori

3.1. Isolatori elastomerici: HDRB (High Damping Rubber Bearing)

Gli isolatori in gomma ad alta dissipazione di energia (High Damping Rubber Bearings, HDRB) sono stati sviluppati nel 1985 in California dal prof. Jim Kelly dell’Università di Berkeley.

In Europa la ditta ALGA è stata la prima ad applicare questa tec­nologia nel 1987 per l’edificio Telecom di Ancona proget­tato dall’Ing. Giancarlo Giuliani, avvalendosi della consu­lenza dello stesso prof. Kelly.

Gli HDRB sono costituiti da una serie di strati di gomma vulcanizzati a lamiere in acciaio, in modo da ottenere un dispositivo in grado di sopportare elevati carichi verticali con minima compressione (elevata rigidezza verticale) e di consentire elevati spostamenti orizzontali sviluppando reazioni relativamente piccole (bassa rigidezza orizzontale). Infatti, caratteristica fondamentale della gomma è quella di dissipare energia deformandosi, in modo tale che, posti questi dispositivi al disotto di un edificio o di un impalcato da ponte, hanno l’effetto di aumentare il periodo proprio della struttura dissipando energia, riducendo così grandemen­te gli effetti di un’azione sismica.

La presenza dei lamierini è molto importante, in quanto consente di confinare l’elastomero limitandone la deformabilità verticale a pochi millimetri (1-3 mm). Gli spessori sono molto piccoli, in genere:

  • strati di elastomeri: 5-20 mm;
  • lamierini: 2-3 mm.

Generalmente i lamierini sono più corti rispetto agli strati di gomma, così da risultare completamente inglobati in questi ultimi e in tal modo essere protetti dalla corrosione.

http://www.fip-group.it/fip_ind/prodotti/dispositivi_antisismici/images/Dis_Isolatori_elastomerici.gif
Fig. 3.1 Schema di isolatore HDRB

Fig. 3.2 Isolatore HDRB con relativi ancoraggi

Gli HDRB sono imbullonati a piastre metalliche esterne che consentono il fissaggio alle strutture adiacenti me­diante zanche o bulloni.

In genere sono a pianta circolare, ma possono essere prodotti anche con sezione quadrata o rettangolare.

Fig. 3.3 Isolatori HDRB deformati

I tipi di mescola ad elevata dissipazione di energia disponibili per questi dispositivi sono quelli sotto elencati:

  • Mescola morbida (Soft) con modulo di elasticità G = 0,4N/mm2 e smorzamento viscoso equivalente del 10% (per alcuni produttori anche 15%)
  • Mescola intermedia (Normal) con modulo di elasticità G = 0,8N/mm2 e smorzamento viscoso equivalente del 10% (per alcuni produttori anche 15%)
  • Mescola dura (Hard) con modulo di elasticità G = 1,4N/mm2 e smorzamento viscoso equivalente del 10% (per alcuni produttori anche 15%; per altri il 16%)

Gli elastomeri che costituiscono gli isolatori sono composti da catene di polimeri fortemente allungabili a comportamento isteretico: esse sono collegate trasversalmente, il che consente il recupero pressoché completo delle deformazioni in un campo molto ampio. Le mescole elastomeriche ad alto smorzamento sono caratterizzate da una sensibile diminuzione del modulo di taglio all’aumentare della deformazione tagliante, in particolare per deformazioni al di sopra del 50 per cento. In questo modo si ottiene un elevato valore di rigidezza orizzontale degli isolatori e si evitano quindi spostamenti eccessivi, nel caso di eccitazioni dinamiche di bassa intensità, come quelle dovute al vento. Anche il coefficiente di smorzamento viscoso
equivalente è variabile in funzione della deformazione di taglio.

Il comportamento degli isolatori elastomerici, in termini di curve forza-spostamento, evidenzia caratteristici cicli isteretici, come rappresentato in Fig. 3.4.

Fig. 3.4
Curva forza-spostamento di un isolatore HDRB

Questi isolatori sono caratterizzati da ridotta rigidezza orizzontale, in modo tale che sia garantito il disaccoppiamento del moto orizzontale della struttura da quello del terreno, da elevata rigidezza verticale per sostenere i carichi verticali senza apprezzabili cedimenti e da opportune capacità dissipative per ridurre lo spostamento orizzontale della struttura. Grazie al comportamento pseudo-elastico che li caratterizza, questi dispositivi realizzano un effettivo allungamento del periodo proprio della struttura ed un’apprezzabile dissipazione di energia. La tecnologia dell’isolamento alla base con isolatori elastomerici, collaudata positivamente dai recenti terremoti giapponesi e americani, consente all’edificio di resistere a terremoti distruttivi di intensità Mercalli 9-10 senza alcun danno, né alle strutture, né alle finiture, con un conseguente azzeramento dei costi di
riparazione a seguito di tali eventi e, cosa fondamentale, con probabilità quasi nulla di perdita di vite umane. Gli isolatori riescono a equilibrare anche sforzi di trazione. Pertanto sono particolarmente adatti in tutte quelle situazioni dove si possono osservare reazioni di trazione agli appoggi durante l’evento sismico come ad esempio nel caso di viadotti con campate di riva molto corte rispetto alle campate correnti. La tensione massima di trazione a cui può essere soggetta la gomma è direttamente proporzionale alla rigidezza della mescola e si può assumere pari a 2G, dove G è il modulo elastico a taglio della gomma per deformazione tagliante g = 100%.

Per quanto concerne l’area efficace utile per la determinazione della resistenza ai carichi verticali, occorre precisare che:

  • nel caso di compressione l’area effettiva è una frazione dell’area totale della sezione trasversale in quanto si deve considerare la configurazione geometrica dell’appoggio nella situazione di massimo spostamento orizzontale (Fig. 3.5).
  • nel caso di trazione invece l’area effettiva coincide con l’area geometria dell’appoggio indeformato.

Fig.
3.5 Appoggio nella situazione di massimo spostamento

Il comportamento isteretico sotto carico ciclico degli isolatori che è stato descritto in precedenza (Fig. 3.4) può essere approssimato con quello di un oscillatore semplice lineare elastico smorzato soggetto a smorzamento di tipo viscoso la cui legge è graficata nella Fig. 3.6.

Fig.
3.6 Comportamento ciclico dell’oscillatore lineare elastico smorzato

Il coefficiente di smorzamento viscoso equivalente che si può assumere nelle analisi vale:

x = 10% o 15% nel caso di gomma a mescola morbida o normale;

x = 10% , 15% o 16% nel caso di gomma a mescola dura.

La progettazione del sistema d’isolamento e la determinazione della risposta strutturale può essere effettuata per mezzo di una analisi semplificata, ad esempio l’analisi modale elastica con spettro di risposta nella quale si utilizza uno spettro elastico ad elevato smorzamento (considerando il coefficiente di smorzamento viscoso degli isolatori) per T>=0.8TIS dove TIS è il periodo di isolamento della struttura nella direzione considerata, mentre per T<0.8TIS si assume lo spettro elastico con x pari a quello utilizzato per la struttura a base fissa (dipende dal materiale strutturale). In tal modo nell’analisi si considera uno smorzamento elevato solo per i modi di vibrare che comportano una
deformazione del sistema di isolamento, mentre per i modi che comportano una deformazione degli altri elementi strutturali (es. le pile da ponte) si considera lo smorzamento viscoso di tali elementi a comportamento sostanzialmente-lineare.

Tra i pregi di questi dispositivi si possono elencare i seguenti:

· Assenza di danni alla struttura che rimane in campo elastico se sottoposta a terremoti di intensità molto elevata senza interruzione di funzionamento. Quest’ultimo è un requisito primario per strutture strategiche (ospedali, centrali di controllo, ecc..);

· Tecnologia molto ben conosciuta e sperimentata in molte applicazioni sia per edifici che per ponti;

· Manutenzione molto semplice e principalmente limitata a periodiche ispezioni visuali per l’intera vita utile dei dispositivi;

· Capacità di dissipare l’energia sismica introdotta dal terremoto con conseguente semplificazione del progetto strutturale;

· Bassa rigidezza che permette di avere un periodo proprio della struttura isolata maggiore.

Per quanto riguarda i difetti si possono elencare i seguenti:

  • la durabilità della gomma;

· non elevati smorzamenti che comportano elevati spostamenti e quindi ad esempio nel caso di ponti giunti con corse elevate molto costosi;

· possono risultare economicamente poco convenienti in ponti i cui impalcati sono costituiti da 4, 5 o più travi. Infatti le norme moderne prevedono la certificazione di questi prodotti che comportano delle prove a rottura di alcuni esemplari in alcuni casi pari al 40% del numero di dispositivi da prevedere per l’opera.

Gli HDRB sono dotati di ottime proprietà di ricentraggio della struttura dopo l’evento sismico. Possono essere utilizzati per realizzare sistemi di isolamento sismico di qualsiasi tipologia di struttura. La moderata capacità dissipativa (in confronto ad altri tipi di isolatori) li rende particolarmente adatti all’isolamento di edifici.

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