Isolamento sismico alla base per una social house: dalla progettazione al controllo dei dispositivi

Idea progettuale e procedure di accettazione: il caso di un edificio realizzato a Parma

Il caso è relativo ad un intervento di edilizia in social house, nel quale le esigenze connesse alle specifiche regole di distribuzione interna richiedono di ridurre al minimo le interferenze tra le componenti architettoniche, strutturali ed impiantistiche.
L’adozione del sistema portante puntuale su isolatori sismici è in grado di soddisfare il requisito posto alla base della concezione architettonica dell’opera perché consente di adottare “maglie strutturali” non sempre regolari in relazioni alla distribuzione degli spazi interni e interrati.
Sono analizzati gli aspetti connessi all’ideazione progettuale che rappresenta la fase iniziale della concezione strutturale dell’opera e consente di controllare a posteriori le analisi condotte a garanzia del comportamento atteso in presenza di azioni sismiche.
Nell’ultima parte sono richiamate le procedure di accettazione secondo una sequenza organizzata di fasi, attuata dalla direzione dei lavori delle strutture, individuando le responsabilità dei soggetti coinvolti.

Il comportamento dei dispositivi antisisimici in presenza di azioni sismiche

I concetti di base dell'isolamento sismico

Vengono richiamati i concetti di base dell’isolamento sismico con riferimento alle disposizioni del DM 17.01.2018 (§11.9).

Per dispositivi antisismici e di controllo delle vibrazioni si intendono gli elementi che contribuiscono a modificare la risposta sismica, o in generale dinamica, di una struttura, ad esempio incrementandone il periodo fondamentale, modificando la forma dei modi di vibrare fondamentali, incrementando la dissipazione di energia, limitando la forza trasmessa alla struttura e/o introducendo vincoli permanenti o temporanei che migliorano la risposta sismica o dinamica.

Deve pertanto essere garantito che sia soddisfatta la seguente disequazione:

Domanda: D ≤ Capacità: C

ovvero:

dove:

• E_i è l’energia in ingresso, che rappresenta il lavoro compiuto dalla forza di inerzia agente sulla struttura (=taglio alla base) a causa dello spostamento del suo punto di applicazione
• E_E è l’energia di deformazione elastica
• E_K è l’energia cinetica
• E_d è l’energia dissipata (attraverso distinti meccanismi, ad es. isteretico E_H e viscoso E_V)

L’isolamento alla base consente di disaccoppiare il moto della struttura da quello del terreno per ridurre l’energia in ingresso E_i sulla costruzione a parità di capacità C.
L’isolamento sismico di un edificio comporta una sensibile riduzione delle accelerazioni trasmesse dal sisma alla struttura, anche ai piani più alti.

Le prime applicazioni (in Italia) a partire dagli anni ’80 prevedevano la collocazione dei dispositivi direttamente sulle fondazioni (A); per garantire le operazioni di manutenzione ordinaria e straordinaria, i dispositivi devono essere ispezionabili e quindi è necessario l’accesso diretto; questo comportava la necessità di creare appositi locali interrati.
La tendenza attuale, ormai consolidata, è quella di collocare i dispositivi nella zona interrata (B), in cui normalmente sono presenti i locali pertinenziali (autorimesse, cantine, locali tecnologici, ecc. ..), consentendo l’ispezione diretta (e la loro sostituzione all’occorrenza) dei dispositivi posti ad intradosso del solaio di piano terra, (Figura 1).

 

Figura 1- tipologie di collocazione dei dispositivi

Per approfondire eggi anche "L'evoluzione storica dei sistemi di isolamento sismico ad attrito: il funzionamento, i materiali, le applicazioni"

La scelta degli isolatori elastomerici

Nel caso specifico sono stati impiegati isolatori elastomerici, per i quali possono essere individuati alcuni requisiti per la progettazione che fondamentalmente si basano sull’obiettivo di riduzione della domanda (D) mediante l’aumento del periodo proprio, inserendo un piano di isolamento a bassa rigidezza orizzontale tra l’edificio e la sua base, (Figura 2).
Il sistema deve rispettare alcuni requisiti, fondamentalmente però devono essere evitati gli effetti di amplificazione del moto (diasaccoppiamento) e gli effetti rotazionali conseguenti alle azioni orizzontali.

Figura 2 - ideazione progettuale

La progettazione di Parma Social House con l'isolamento alla base

Nell’ambito del progetto Parma Social house, l’intervento è relativo all’area A04, lotto A19 (edifico A04-A19).
La costruzione nel suo complesso è composta da 5 corpi di fabbrica destinati a civile abitazione, denominati: scala A, scala B-C, scala D, scala E e scala F-G, (Figura 3).

La superficie di sedime dell’intervento è pari a 8’000 m², di cui 4200 m² di porzione solo interrata e 3200 m² dei corpi di fabbrica con 600 m² di area cortilizia interna. Gli edifici si estendono per 5 piani fuori terra (scala C, D, E ed G) e 6 piani fuori terra (scala A, B ed F)

Figura 3 - schema dell’intervento

Il numero di isolatori è tale da garantire il campo degli spostamenti previsti (rigidezza adeguata) ed è stato ottimizzato in modo da minimizzare l’eccentricità tra baricentro delle masse (della sovrastruttura) e delle rigidezze (derivante dalla collocazione in pianta dei dispositivi).
Pertanto non sono mai stati collocati degli isolatori su tutti i pilastri, ma solo nel numero e nella posizione necessaria per soddisfare i requisiti posti alla base della progettazione.
Nelle altre zone sono stati collocati dispositivi di appoggio scorrevoli (multidirezionali) per garantire gli spostamenti previsti dal sistema di isolamento, (Figura 4 - Figura 5).

Figura 4 - schema dei dispositivi

Figura 5 – dispositivi

Normativa e analisi semplificate

Le analisi sono state preventivamente condotte determinando la posizione delle centro delle rigidezze e delle masse con l’impiego delle formulazioni reperibili sulla letteratura tecnica.

Per minimizzare gli effetti torsionali e garantire adeguata regolarità strutturale, si è fatto coincidere (in pianta) il baricentro delle masse con il baricentro delle rigidezze degli isolatori, con uno scostamento massimo del 3% della dimensione della sovrastruttura trasversale alla direzione orizzontale considerata. Inoltre, sempre per minimizzare gli effetti torsionali, tali dispositivi sono stati posizionati per quanto possibile perimetralmente.

Il dimensionamento dei pilastri

Il dimensionamento dei pilastri della zona interrata (sottostruttura) è stato condotto in modo tale da garantire una rigidezza che consenta il disaccoppiamento del moto tra la sovrastruttura e la sottostruttura stessa.

Con riferimento alle indicazioni delle Norme Tecniche, è necessario garantire che lo spostamento in sommità al pilastro sia inferiore ad 1/20 dello spostamento relativo del sistema di isolamento; inoltre il periodo proprio della sottostruttura deve essere inferiore a 0,05 secondi.
La prima condizione, che risulta quella dimensionante, stabilisce di fatto che la rigidezza della sottostruttura deve essere superiore a 20 volte la rigidezza del sistema di isolamento; tale rigidezza deve essere valutata con riferimento a sezioni fessurate, al fine di garantire un buon comportamento del sistema nel corso della vita utile della struttura.

Le Norme Tecniche stabiliscono che la rigidezza flessionale può essere ridotta fino al 50% della rigidezza dei corrispondenti elementi non fessurati; analogamente l’EC8 al punto 4.3.1 (7) permette di considerare rigidezze fessurate sempre pari alla metà di quelle relative agli elementi integri.

Al fine di determinare il valore della rigidezza fessurata si può fare riferimento a quanto previsto da altre normative nazionali e internazionali (indicata come percentuale della rigidezza della sezione di solo calcestruzzo non fessurata):

IBC e ACI-318-08 (10.10.4 e R10.10.4):  70%

FEMA 356:  (50÷70)% (valore medio 60%)

NZS31101-1995: (60÷80)% (valore medio 70%)

Dalle valutazioni di cui sopra, si ottiene che mediamente è possibile assumere cautelativamente una rigidezza della sezione fessurata pari al 60% di quella riferita alla sezione di solo calcestruzzo.

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All'interno dell'articolo si segnala un paragrafo molto interessante relativo alla modellazione degli isolatori elastomerici e ad alcuni aspetti che possono comportare errori grossolani. L'articolo poi continua con la trattazione degli aspetti specifici connessi all'azione del fuoco, e con alcune importanti indicazioni sulle procedure e controlli prima della mesa in opera dei dispositivi.