I vantaggi di un sistema isolato sismicamente
Breve approfondiemnto dei sistemi di isolamento sismico
La protezione dagli effetti del terremoto è essenziale per la sicurezza delle costruzioni, in un paese ad alto rischio sismico come l’Italia, in cui nel XX secolo i terremoti hanno causato 120.000 vittime, e negli ultimi 25 anni sono stati spesi circa 75 miliardi di euro per il ripristino e la ricostruzione post-sisma. Negli ultimi decenni all’approccio progettuale tradizionale, basato sul garantire alle strutture un’elevata duttilità che consenta loro di danneggiarsi in modo diffuso senza crollare, si sono affiancate le tecniche innovative dell’isolamento sismico e della dissipazione di energia.
La tecnica dell’isolamento sismico si basa principalmente sull’introduzione, per gli edifici solitamente tra le fondazioni ed il primo solaio, di particolari apparecchi denominati isolatori che, grazie alla loro modesta rigidezza orizzontale, disaccoppiano il moto della struttura da quello del terreno.
Le caratteristiche dinamiche della struttura vengono modificate così da spostare il periodo fondamentale in un campo di periodi lontani da quelli a cui sono associate le amplificazioni maggiori. In particolare un miglioramento del comportamento della struttura si ottiene quando l’isolamento alla base produce uno di questi effetti:
- l’incremento del periodo grazie all’adozione di dispositivi con comportamento d’insieme approssimativamente lineare. Maggiore è l’incremento di periodo (generalmente Tis >2,0 s) maggiore è la riduzione delle accelerazioni sulla sovrastruttura e l’incremento degli spostamenti che si concentrano essenzialmente nel sistema di isolamento;
Figura 1 - Incremento del periodo e limitazione della forza
- la limitazione della forza trasmessa alla sottostruttura, grazie all’adozione di dispositivi con comportamento d’insieme non lineare caratterizzato da basso incrudimento ovvero incrementi minimi della forza per grandi spostamenti. In questo modo di limitano le forze d’inerzia, quindi l’accelerazione, sulla sovrastruttura, ancora a scapito di un sensibile incremento degli spostamenti del sistema di isolamento.
CARATTERISTICHE EDIFICI ISOLATI SISMICAMENTE
Gli edifici isolati hanno due fondamentali caratteristiche:
− il primo modo è configurato quasi come quello di un corpo rigido che si muove lentamente sopra un letto di dispositivi deformabili, con accelerazioni molto basse, con scorrimenti di piano modesti e con una partecipazione delle masse superiore al 90%. Questo modo identifica in maniera quasi totale la risposta della struttura in fase di sisma;
− la partecipazione dei modi superiori, che maggiormente solleciterebbero le strutture, è molto ridotta e poco efficace per quanto riguarda sia le deformazioni interne che le accelerazioni trasmesse.
Figura 2 - Prima forma modale degli edifici a base fissa e isolata
Queste caratteristiche rendono gli edifici isolati alla base molto efficienti, soprattutto rendono più affidabili le analisi numeriche sulle quali si basa il progetto delle strutture.
Poiché il primo modo riproduce quasi totalmente la risposta della costruzione, i modelli numerici usati in fase di progetto sono più aderenti alla realtà di quanto lo siano quelli per i quali si debbano combinare più modi significativi secondo criteri aleatori (SRSS, CQC). La presenza di un primo modo quasi rigido rende anche più significativa la valutazione degli effetti dissipativi da attribuire ai vari modi, risultando questi attribuibili quasi per intero alla capacità dissipativa dei dispositivi posti alla base del fabbricato.
Gli effetti dell’isolamento su una struttura possono essere descritti facendo riferimento alle forme tipiche degli spettri di risposta elastici normalizzati in accelerazioni e in spostamenti. In Figura 3 si può comprendere come sia possibile pervenire a significative riduzioni dell’accelerazione spettrale aumentando il periodo naturale del sistema.
Figura 3 - Effetti dell’isolamento sismico sulla risposta in accelerazione
Risulta necessario osservare che a questo vantaggio è associato anche l’aumento degli spostamenti orizzontali. Per fare in modo che quest’ultimi non siano incompatibili con il normale utilizzo della struttura, è necessario definire in maniera opportuna la rigidezza del sistema di isolamento, mediando il bisogno di incrementare il periodo con la necessità di contenere gli spostamenti. In tal senso, un altro parametro su cui agire è la capacità dissipativa degli isolatori, aumentando la quale si riducono gli spostamenti.
Figura 4 - Riduzione degli spostamenti per effetto di una maggiore capacità dissipativa
La capacità dissipativa degli isolatori è particolarmente utile in siti caratterizzati da elevata sismicità e/o nel caso di sottosuoli con caratteristiche meccaniche scadenti (tipo C, D, E) cioè nei casi in cui gli spettri di risposta possono presentare spostamenti elevati ed accelerazioni significative anche su periodi di oscillazioni elevati.
Questa proprietà dello smorzamento è stata recepita anche dal punto di vista normativo, per quel che riguarda la definizione dell’input sismico e al paragrafo 7.10.5.3.2 si permette la riduzione dello spettro di risposta elastico in accelerazione per tutto il campo di periodi T >0,8 Tis, assumendo per il coefficiente riduttivo η il valore corrispondente al valore di coefficiente di smorzamento viscoso equivalente ξesi del sistema di isolamento. Tale proprietà è illustrata in Figura 5, in cui è riportato lo spettro di risposta elastico in accelerazione per una struttura isolata alla base avente primo periodo di vibrazione Tis = 2 s e caratterizzata da un coefficiente di smorzamento viscoso equivalente del sistema di isolamento ξesi pari al 10%.
Figura 5 - Spettro di risposta edificio isolato alla base
Tali meccanismi dissipativi, pur interpretando una funzione importante nella risposta delle strutture isolate soggette a sisma, hanno un ruolo secondario nei confronti del vero meccanismo protagonista: il disaccoppiamento dinamico tra sottostruttura e sovrastruttura. Quest’ultimo però, per poter innescarsi, necessita che la sovrastruttura abbia una rigidezza laterale molto più grande della rigidezza del sistema di isolamento. Di conseguenza, è opportuno evitare che la sovrastruttura, in seguito alla formazione delle cerniere plastiche, possa acquisire una pulsazione prossima a quella del sistema di isolamento. Il progetto deve essere effettuato in modo da far sì che la sovrastruttura si mantenga in campo sostanzialmente elastico, senza plasticizzazione degli elementi strutturali. E’ questo il motivo per cui le norme sismiche impongono di assumere un valore del fattore di struttura q molto basso: la normativa italiana nel punto 7.10.6.2.1 assume q=1,5.
Poiché le richieste di duttilità per gli elementi strutturali sono molto limitate, è possibile progettare i dettagli costruttivi adottando una classe di duttilità bassa. La normativa al punto 7.10.2 dice espressamente che sovrastruttura e sottostruttura si devono mantenere sostanzialmente in campo elastico e per questo la struttura può essere progettata con riferimento ai particolari costruttivi della zona 4, con deroga, per le strutture in c.a., a quanto previsto al punto 7.4.6 nel quale si enunciano le stringenti limitazioni geometriche e di armatura legate al rispetto del principio della gerarchia delle resistenze.
La riduzione delle forze sismiche di progetto, dovuta all’incremento di periodo e di smorzamento, può risultare dello stesso ordine di grandezza della riduzione che, nelle strutture a base fissa, è imputabile ad un elevato valore del fattore di struttura. Ma tale differenza tra i due valori del fattore di struttura stanno ad indicare che, a parità di azione sismica, le strutture simsicamente isolate sono meno (o per niente) affette da danneggiamenti, anche con riferimento agli elementi non strutturali, ed hanno quindi un grado di protezione sismica notevolmente maggiore con almeno due conseguenti significativi vantaggi:
− minori costi di riparazione attesi;
− nessuna interruzione d’uso della struttura.
A questi vantaggi si aggiungono anche quelli relativi alla risoluzione di problematiche connesse alla progettazione architettonica: mancanza di regolarità in pianta o in altezza.
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