Isolamento sismico

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3.2. Isolatori elastomerici con nucleo al piombo: LRB Lead Rubber Bearings

Gli isolatori in gomma – piombo (Lead Rubber Bearings LRB) sono stati sviluppati per la prima volta in Nuova Ze­landa nel 1974 ma sono stati introdotti in Europa succes­sivamente agli HDRB.

Gli LRB sono costituiti da una serie di strati di gomma vulcanizzati a lamiere in acciaio, con uno o più nuclei in piombo, 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 con reazioni relativamente piccole (bassa rigidezza orizzontale). La dissipazione di energia avviene non solo attraverso la deformazione della gomma, ma anche attraverso la plasticizzazione del nucleo in piombo, il quale ha la proprietà di deformarsi plasticamente dissipando energia e ricristallizzando dopo un ciclo di de­formazione plastica. In tal modo esso può sopportare un numero indefinito di cicli di isteresi.

http://www.fip-group.it/fip_ind/prodotti/dispositivi_antisismici/images/Dis_Isolatori_elastomerici_NP.gif

Fig. 3.7 Schema di isolatore LRB

Fig.
3
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8

Isolatore LRB con relativi ancoraggi

La presenza dei lamierini è fondamentale, 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, in modo da risultare completamente inglobati in questi ultimi ed essere protetti dalla corrosione.

I dispositivi sono in genere a pianta circolare, ma possono essere realizzati anche con sezione quadrata, eventualmente con più di un nucleo in piombo. Il fissaggio alle strutture adiacenti avviene mediante zanche o bulloni collegati a piastre metalliche alle quali sono imbullonati i dispositivi.

Per questi dispositivi sono disponibili due tipi di mescola a seconda delle applicazioni:

  • mescola morbida (Soft) con modulo di elasticità G = 0,4N/mm2 e smorzamento viscoso equivalente del 10%, la stessa utilizzata per gli HDRB.
  • mescola normale (Normal) con modulo di elastici­tà G = 0,9N/mm2 e smorzamento viscoso equivalente del 4%.

Inoltre alcuni produttori forniscono su richiesta anche mescole elastomeriche con valori superiori del modulo G, fino a 1.4 N/mm2.

Gli elastomeri che costituiscono gli isolatori sono composti da catene polimeriche fortemente allungabili a comportamento isteretico: esse sono collegate trasversalmente, fatto 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, in seguito ad eccitazioni dinamiche di bassa intensità, come quelle dovute al vento. Anche il coefficiente di smorzamento viscoso equivalente varia in funzione della deformazione di taglio. Il piombo utilizzato in questi dispositivi è di elevata purezza, superiore al
99,85%.

Il comportamento degli isolatori elastomerici evidenzia, in termini di curve forza-spostamento, caratteristici cicli isteretici, come quello mostrato in Fig. 3.9.

Fig. 3.9
Curva forza-spostamento di un isolatore LRB

Questi dispositivi sono caratterizzati da ridotta rigidezza orizzontale, in modo tale che sia garantito il disaccoppiamento del moto orizzontale della struttura da quello del terreno, elevata rigidezza verticale in modo da sostenere i carichi verticali senza grossi cedimenti e opportune capacità dissipative per ridurre lo spostamento orizzontale della struttura. Essi permettono di isolare la struttura mediante un’opportuna selezione della rigidezza orizzontale e possono dissipare energia fino al 30% di smorzamento e anche di più (il doppio di quello ottenibile con gli isolatori HDRB) grazie alla grande dissipazione del nucleo centrale in piombo. Il valore di smorzamento 30% è il limite massimo di smorzamento per consentire la modellazione
lineare dei dispositivi in accordo alle normative internazionali di progettazione.

Nella progettazione si possono usare modelli non lineari o lineari equivalenti a seconda delle prescrizioni normative.

Il comportamento isteretico sotto carico ciclico degli isolatori che è stato descritto in precedenza (Fig. 3.9) 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. 3.10.

Fig. 3.10

Comportamento ciclico dell’oscillatore lineare elastico smorzato

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 di un 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 ridurre l’energia sismica introdotta dal terremoto con conseguente semplificazione del progetto strutturale;
  • Comportamento rigido plastico grazie al nucleo in piombo posto al suo interno per cui si hanno spostamenti trascurabili per carichi non elevati come vento e frenatura;
  • Grande capacità di smorzamento (anche oltre il 30%).

Per quanto riguarda i difetti si possono elencare i seguenti:

  • la durabilità della gomma;

· 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.

Il ricentraggio di questi dispositivi è fornito dalla parte elastomerica dell’isolatore. La loro capacità di ricentraggio è sicuramente inferiore rispetto a quella di un isolatore HDRB per la presenza del nucleo in piombo che elasticizza rimanendo deformato

Questi dispositivi possono essere utilizzati per realizzare sistemi di isolamento sismico di qualsiasi tipologia di struttura, sia da soli che accoppiati ad altri isolatori o dissipatori. Grazie alla media capacità dissipativa sono in particolare adatti all’isolamento sia di ponti di medie dimensioni che di edifici, in quest’ultimo caso spesso vengono accoppiati ad isolatori elastomerici HDRB.

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