Effetti di invecchiamento sui dispositivi di isolamento sismico: applicazione ad un viadotto ferroviario

SOMMARIO
Il presente studio considera gli effetti dell'invecchiamento sugli isolatori di tipo elastomerico (Elastomeric Rubber Bearing - ERB) e di tipo a pendolo attritivo (Friction Pendulum System -FPS), due dei più comuni isolatori sismici utilizzati per costruzioni civili, dai ponti agli edifici: in particolare, vengono studiati i fenomeni di deterioramento che potrebbero nel tempo manifestarsi nell’elastomero dell’ERB e sulle superfici di scorrimento dell’FPS, modificandone il comportamento meccanico o compromettendone l'operatività. Obiettivo del lavoro è indagare su come evolvono nel tempo le caratteristiche meccaniche dei dispositivi di isolamento e successivamente valutare l'influenza di questi cambiamenti sulla sovrastruttura da essi sostenuta. Partendo dallo studio delle formulazioni sperimentali e teoriche presenti in letteratura e nei testi normativi, esse sono state qui raccolte e implementate in modellazioni a elementi finiti per valutare gli effetti in termini di risposta strutturale. I diversi modelli di invecchiamento sono stati validati e confrontati partendo da modellazioni semplici del singolo isolatore, fino ad arrivare ad una applicazione finale di viadotto ferroviario esistente.

1. INTRODUZIONE
Tra le possibili scelte progettuali mirate ad incrementare la capacità di una struttura di resistere alla azione sismica, l'utilizzo di dispositivi di isolamento risulta essere ad oggi una delle soluzioni più adottata, soprattutto in caso di strutture strategiche come i ponti. Nel presente lavoro sono indagate due delle classi di dispositivi di isolamento più diffuse nella pratica professionale, ossia gli isolatori di tipo elastomerico (Elastomeric Rubber Bearing - ERB), che si avvalgono della dissipazione fornita dalla gomma, e di tipo a pendolo attritivo (Friction Pendulum System - FPS), che utilizzano la dissipazione fornita dall'attrito tra le superfici di scorrimento.
Quando si parla di dispositivi di isolamento e delle strutture isolate, uno degli aspetti critici più importanti è rappresentato dalla durabilità. Essa consiste nella “capacità che una struttura (o in questo caso un elemento strutturale) ha di mantenere invariato, al trascorrere del tempo o dell’utilizzo, il margine di sicurezza nei confronti degli stati limite considerati in fase di progetto, nell’ipotesi che venga posto in opera il previsto piano di manutenzione” (Bontempi, 2006).

La corretta previsione delle proprietà meccaniche di tutti gli elementi che influenzano la risposta sismica della struttura nella sua vita utile è dunque fondamentale per una progettazione adeguata, ed alcuni testi normativi forniscono metodi per tenere in considerazione gli effetti dell’invecchiamento, in inglese "ageing".
Nel caso degli isolatori, essi sono spesso esposti ad agenti esterni chimici, come l'anidride carbonica e i solfati, e fisici, come la variazione di temperatura. Riguardo gli ERB, diversi studi hanno mostrato che nel tempo si verifica una degradazione dei polimeri con una progressione spesso non uniforme all’interno della gomma in quanto lo strato invecchiato più esterno impedisce il deterioramento della gomma interna. Per gli FPS invece potrebbe avvenire un degrado delle superfici di scorrimento a causa degli agenti ambientali compromettendo la corretta funzionalità dell'apparecchio.
Nel campo della ricerca in questo settore è possibile trovare diversi contributi sul tema della degradazione della gomma, mentre si è notata la scarsità di lavori riguardanti l’ageing degli FPS (Higashino et al. 2003; McVitty & Constantinou, 2015). Per tale ragione si sono studiati quindi i fenomeni di degradazione dei materiali che compongono il sistema di isolamento ed in particolare l'interfaccia di attrito dell’isolatore, attraverso l'utilizzo di modelli teorici-sperimentali e modellazioni a elementi finiti.

2. DISPOSITIVI ADOTTATI: CARATTERISTICHE GENERALI
2.1 ERB
Questo dispositivo di isolamento è costituito da strati alternati di laminati d'acciaio e gomma vulcanizzata a caldo (neoprene o gomma naturale). Questi cuscinetti sono solitamente di forma circolare, ma possono essere realizzati anche di forma quadrata o rettangolare. La capacità di smorzamento degli isolatori è determinata dal tipo di mescola elastomerica, che di solito è di alto livello. Nelle figure 2-1 e 2-2 sono mostrati un tipico isolatore elastomerico ed i relativi cicli sperimentali di forza-spostamento. 

L’elevata rigidezza verticale assicura il sostenimento del peso della struttura, mentre la flessibilità orizzontale converte scuotimento orizzontale distruttivo in movimento delicato. In funzione della capacità di smorzamento, è possibile prevedere il comportamento isteretico dell'isolatore.

2.2 FPS
Il secondo isolatore oggetto del presente studio è un dispositivo a scorrimento. Il funzionamento consiste nel limitare il trasferimento della forza di taglio attraverso la dissipazione dell’energia mediante l’attrito tra le superfici di scorrimento. Nelle seguenti figure 2-3 e 2-4 è possibile vedere il funzionamento del suddetto dispositivo assieme ad un tipico ciclo isteretico sperimentale.

Le caratteristiche principali sono le seguenti:
• permettono lo spostamento relativo della struttura rispetto alle fondazioni seguendo una o due superfici sferiche;
• il raggio delle superfici sferiche determina il periodo naturale della struttura;
• il periodo naturale è indipendente dalla massa della struttura quindi non c'è nessuna torsione intorno all'asse verticale durante un sisma, poiché il centro di massa ed il centro di rigidezza sono coincidenti;
• il coefficiente di attrito della superficie di scorrimento determina lo smorzamento viscoso equivalente;
• sono auto-ricentranti dopo un evento sismico.

I materiali costituenti la superficie di attrito sono di solito UHMWPE o PTFE. Questi hanno una resistenza caratteristica a compressione molto elevata e, di conseguenza, è possibile ridurre notevolmente le dimensioni dei dispositivi con una notevole riduzione dei costi di progettazione.

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5. CASO APPLICATIVO: VIADOTTO FERROVIARIO
La struttura selezionata come caso studio è un viadotto ferroviario di circa 500 m di lunghezza, costituito da 4 pile in calcestruzzo armato, dai 50 ai 130 m di altezza ed un impalcato reticolare in acciaio con sezione rettangolare di 6 m di larghezza e 12 m di altezza. Dal punto di vista statico l'impalcato può essere considerato un elemento continuo poggiato sulla testa delle pile.

Ipotizzando l'adozione di dispositivi di isolamento interposti tra l'impalcato e la testa di tutte le pile come intervento di adeguamento sismico, questa sezione vuol mostrare gli effetti del tempo sulla risposta strutturale del ponte attraverso l’implementazione delle curve di deterioramento degli isolatori viste nei capitoli precedenti. Per questa applicazione si è scelto di utilizzare i dispositivi ERB e di adottare il metodo 1.

L'APPROFONDIMENTO CONTINUA NELL'ARTICOLO INTEGRALE.

ALL'INTERNO:

• MODELLAZIONE E VALIDAZIONE
• EFFETTI DI INVECCHIAMENTO SUGLI ISOLATORI
• CASO APPLICATIVO: VIADOTTO FERROVIARIO