Progettazione di un edificio isolato sismicamente alla base con IperSpace
Caso studio realizzato con il software di calcolo strutturale IperSpace, di un edificio isolato sismicamente alla base ed i relativi benefici derivanti dall’utilizzo dei dispositivi elastomerici.
I vantaggi dell'isolamento sismico attraverso il confronto di risultati tra progettazione di un edificio a base fissa e isolata
L'obiettivo del presente focus è quello di valutare i benefici derivanti dalla progettazione di un edificio isolato sismicamente, confrontando i risultati ottenuti su una stessa struttura, dapprima progettata a base fissa e successivamente isolata, attraverso dispositivi elastomerici.
La modellazione e l'analisi strutturale di entrambi le tipologie strutturali sono state effettuate attraverso il software IperSpace BIM, una suite completa per il calcolo strutturale agli elementi finiti che consente il calcolo, la verifica e il disegno di strutture in calcestruzzo, acciaio e legno, isolate e non.
Nel presente lavoro si fa riferimento alle Norme Tecniche delle Costruzioni di cui al D.M. 17/01/2018, in particolare al Capitolo §7.10., all'interno del quale sono contenute tutte le indicazioni necessarie per la scelta, il dimensionamento, la verifica e il collaudo degli apparecchi di isolamento.
La descrizione dell'edificio oggetto della progettazione
L'edificio di partenza, a base fissa, è costituito da una struttura intelaia in cemento armato che si estende per 4 piani fuori terra. Poiché la struttura immediatamente al di sopra del piano di fondazione è costituita da pilastri e pareti, questa può considerarsi come una struttura scatolare rigida; pertanto, ai fini delle analisi sismiche, deve essere progettata con comportamento non dissipativo (Capitolo 7.2.1 NTC 2018) e la struttura in elevazione di riferimento è quella soprastante la scatolare.
Le dimensioni di tutti i pilastri della sovrastruttura sono pari a 30x50 cm e tutte le travi, escluse quelle del vano scala, hanno sezione rettangolare 30x50 cm; le altezze di interpiano sono di 3 metri ed è presente un vano ascensore costituito da pareti in calcestruzzo armato che si estendono per tutta l'altezza dell'edifico.
Nel caso di struttura a base fissa, la platea del vano ascensore è vincolata alla fondazione; al contrario, nel caso della struttura isolata, questa risulta essere sospesa, in modo da renderla indipendente dal sistema di isolamento.
Per il calcolo della forza sismica il fattore di comportamento è assunto pari a 3.12 considerando la struttura regolare in pianta e irregolare in altezza (KR=1).
I parametri sismici, valutati per un periodo di ritorno di 475 anni, utilizzati per la costruzione dello spettro sono i seguenti:
- accelerazione al bedrock: 0.26 g;
- massimo fattore di amplificazione orizzontale: 2.3;
- inizio del tratto a velocità costante dello spettro: 0.37;
- categoria di suolo: B;
- categoria topografica: T1.
Figura 1: Struttura non isolata
Nella tabella 1 si riportano i risultati dell'analisi dinamica; si noti che il valore del primo periodo di vibrazione è relativo all'asse y, a conferma che la struttura risulta essere più deformabile in tale direzione.
L'edificio, a causa della presenza del vano ascensore, è da considerarsi come irregolare: considerando i primi tre modi di vibrare, infatti, si raggiunge solo il 70% dell'intera massa partecipante.
Tabella 1: Risultati dell’analisi dinamica
Come si evince dalla tabella 2, la struttura, oltre ad essere più rigida in direzione x, è anche torsionalmente deformabile in quanto il rapporto r2/ls2 è per alcuni piani minore dell'unità.
r è il raggio torsionale, cioè il rapporto tra la rigidezza torsionale rispetto al centro di rigidezza laterale e la maggiore tra le rigidezze laterali; lsè, per ogni piano, il rapporto fra il momento d’inerzia polare della massa del piano rispetto ad un asse verticale passante per il centro di massa del piano e la massa stessa del piano.
Tabella 2: Rigidità della struttura e valutazione del rapporto r2/ls2
La scelta del sistema di isolamento
L'isolamento sismico consiste nello sconnettere l'edificio dal terreno attraverso l'introduzione di isolatori, caratterizzati da un’elevata deformabilità tagliante e un’elevata rigidezza in direzione verticale, tali da disaccoppiare il moto del terreno da quello della struttura.
Gli obiettivi dell'isolamento sono principalmente due:
- elongazione del periodo fondamentale della struttura, rendendola più deformabile e quindi soggetta ad accelerazioni sismiche minori;
- incremento dello smorzamento viscoso tale da ridurre gli spostamenti, che inevitabilmente aumentano all'aumentare del periodo proprio.
L'aumento dello smorzamento, a differenza dell'allungamento del periodo che diminuisce le accelerazioni ma fa aumentare gli spostamenti, ha un effetto di ridurre contemporaneamente i tagli alla base e i massimi spostamenti della struttura. Gli spostamenti maggiori, indotti dal sisma, sono concentrati nel sistema di isolatori data la loro ridotta rigidezza tagliante; la struttura, quindi, trasla rigidamente con essi riducendo al massimo gli spostamenti interpiano.
Ai fini della modellazione del comportamento di una struttura isolata si individuano due componenti: l'isolamento sismico direttamente vincolato alle fondazioni e la sovrastruttura. L'assunzione che gli spostamenti relativi di quest'ultima siano pressoché nulli, fa sì che nell'analisi dinamica possa essere considerata come una massa direttamente applicata al sistema di isolamento. Di conseguenza, il periodo di traslazione vale:
in cui M è la massa della sovrastruttura e Ksi la rigidezza equivalente del sistema di isolamento, che assumendo un modello lineare, è pari alla somma delle rigidezze dei singoli dispositivi.
Il sistema di isolamento è costituito da una superficie di separazione posta tra la sovrastruttura e la sottostruttura (scatola rigida) che include la fondazione ed è, quindi, rigidamente connessa al terreno.
Figura 2: Sovrastruttura e sottostruttura
La scelta degli isolatori avviene dopo avere determinato il valore di Ksi, nota la massa della struttura e fissato il periodo. Il valore di T viene fissato in modo tale che il rapporto di isolamento (Isolation Ratio IR, definito come il rapporto tra il periodo della struttura isolata e quello della struttura a base fissa) sia maggiore di 3.
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