Una delle migliori strategie di difesa da un evento sismico è senz’altro la messa in opera di dispositivi di isolamento sismico fra la fondazione del fabbricato e la sovrastruttura.

Se ti è mai capitato di approcciare la progettazione di un sistema di isolamento sismico avrai subito notato una stranezza che a primo impatto non è immediato spiegarsi. La prima differenza quando si approccia la progettazione e il calcolo di una struttura con isolamento sismico rispetto ad una struttura a base fissa consiste nella definizione dell’azione sismica, ovvero nella definizione dello spettro di progetto.

La differenza salterà subito all’occhio per i progettisti abituati a confrontarsi con il calcolo delle strutture in combinazione sismica. Lo spettro di progetto in presenza di isolamento sismico presenta una evidente discontinuità. In corrispondenza di un certo valore del periodo di vibrazione, si ha un vero e proprio salto fra due diversi valori dell’accelerazione sismica.

Spettro discontinuità per isolamento sismico

Ma perchè si ha questa discontinuità? A cosa è dovuta? E’ proprio l’oggetto del nuovo post di oggi. In quest’articolo ti spiego perchè una delle differenze fra un sistema a base fissa e un sistema isolato risiede nella definizione dello spettro di progetto. 

L’azione sismica in presenza di isolamento

Il primo step che un progettista strutturale si trova ad affrontare quando si approccia al calcolo di una struttura è la definizione dell’azione sismica e di conseguenza dello spettro di progetto

Per capire perchè lo spettro di progetto presenta la particolarità citata sopra, bisogna fare qualche passo indietro ritornando al famoso oscillatore semplice (era da diversi articoli che non lo chiamavamo in gioco 😀 ).

Gli spettri di progetto con cui valutiamo l’azione sismica sulle strutture sono stati valutati analizzando una famiglia di oscillatori semplici di periodo via via crescente e sottoposti ad una serie di accelerogrammi storici  rappresentativi di una certa probabilità di accadimento di un evento sismico. Lo smorzamento convenzionale attribuito a questi oscillatori è del 5% (valore convenzionale assunto per le strutture a base fissa e confermato da prove sperimentali).

Ma cosa succede se aumentiamo lo smorzamento degli oscillatori sottoposti agli accelerogrammi alla base? Se ricordi te ne ho parlato in un video pubblicato in passato. Per comodità te lo riporto in quest’articolo. Troverai la risposta esattamente al minuto 2:44 (il minuto di inizio è già impostato, devi solo cliccare PLAY).

 

Hai visto cosa succede? All’aumentare dello smorzamento dell’oscillatore semplice, diminuirà l’ampiezza massima della risposta dell’oscillatore semplice. Di conseguenza diminuirà l’entità dell’accelerazione sismica di progetto. Ti riporto di seguito il fotogramma del video che confronta le diverse ampiezze di oscillazione per i diversi valori dello smorzamento.

Riduzione ampiezza- smorzamento
Fotogramma del video: riduzione dell’ampiezza delle oscillazioni all’aumentare dello smorzamento del sistema

Ma come si collega questo concetto con l’azione sismica su un sistema isolato? I dispositivi di isolamento sismico sono dotati di un valore dello smorzamento molto più elevato rispetto allo smorzamento convenzionale delle strutture. Si può infatti arrivare a valori del 20%, quindi fino a 4 volte più elevati rispetto al 5% delle strutture a base fissa.

L’elevato smorzamento del sistema di isolamento influisce sulla risposta dinamica della struttura isolata solo per valori del periodo di vibrazione maggiori o uguali al periodo di vibrazione del sistema struttura+isolamento. Ecco perchè in corrispondenza di un dato valore del periodo di vibrazione si ha un abbattimento dell’accelerazione sismica di progetto. La Normativa Tecnica NTC2018 definisce nel modo seguente il campo dello spettro in cui l’accelerazione sismica va ridotta:

Lo spettro elastico definito in § 3.2.3.2 va ridotto per tutto il campo di periodi T ≥ 0,8 Tis, assumendo per il coefficiente riduttivo η il valore corrispondente al coefficiente di smorzamento viscoso equivalente ξesi del sistema di isolamento.

Tis = Periodo di vibrazione del sistema isolato

NTC2018 – par. 7.10.5.3.2

Come è fatto un isolatore sismico

Lo smorzamento è una misura della velocità con la quale l’ampiezza delle oscillazioni di un sistema vibrante si va riducendo se spostato dalla sua posizione di equilibrio e lasciato libero di oscillare. Più è elevato lo smorzamento, minore sarà l’intervallo di tempo necessario affinché il sistema smetta di oscillare e torni alla sua posizione di equilibrio.

L’elevato valore dello smorzamento per  un sistema di isolamento dipende dai materiali da cui è composto il singolo dispositivo. Gli isolatori si possono classificare in:

  • isolatori in  gomma a basso smorzamento: sono realizzati in gomma naturale o neoprene, ma hanno valori dello smorzamento molto bassi, del 2-3%; vanno pertanto accoppiati a sistemi dissipativi ausiliari;
  • isolatori in gomma ad alto smorzamento: utilizzano mescole ottenute dall’aggiunta di cariche additive quali silicio o nerofumo;
  • isolatori in gomma-piombo: presentano un nucleo in piombo a cui è preposta la funzione di dissipare energia mediante plasticizzazione; possono arrivare ad avere valori di smorzamento superiori al 30%.

Puoi vedere uno schema di un isolatore nella figura in basso.

Isolatori sismici elastomerici
Schema di un isolatore in gomma (sinistra) e di un isolatore in gomma con nucleo in piombo (destra)

Il doppio effetto dell’isolamento sismico

Da quanto abbiamo potuto vedere, l’isolamento sismico disaccoppia il moto del suolo dal moto della struttura. La sovrastruttura isolata subirà delle accelerazioni sismiche molto ridotte per due motivi:

  • l’incremento del periodo proprio di vibrazione del sistema isolato fa sì che le accelerazioni sismiche siano molto più basse rispetto al sistema a base fissa (figura a);
  • l’elevato valore dello smorzamento del sistema isolato riduce il valore delle accelerazioni sismiche rispetto al caso di smorzamento convenzionale pari al 5%. (figura b).
Spettro Aumento del periodo isolamento sismico
a) effetto dell’incremento del periodo di vibrazione per la presenza del sistema di isolamento
Spettro riduzione per smorzamento isolamento sismico
b) effetto dell’aumento dello smorzamento del sistema per la presenza del sistema di isolamento

 

Conclusioni

Senza dubbio l’isolamento sismico è la modalità più efficiente per proteggere una struttura da un evento sismico. L’approccio è totalmente diverso dal classico metodo del Capacity Design che utilizza il principio della Gerarchia delle Resistenze.

Nella metodologia del Capacity Design, la capacità di una struttura di resistere ad un evento sismico evitando il collasso risiede nella sua capacità di danneggiarsi. Durante un evento sismico di elevata intensità le strutture sono progettate per dissipare energia danneggiandosi in zone preposte allo scopo, ovvero le zone critiche delle travi nel caso di strutture in cemento armato. Il calcestruzzo si fessurerà e si fratturerà, l’acciaio delle armature si snerverà, entrando in campo plastico.

Il risultato è che dopo un evento sismico avremo senz’altro salvato la struttura dal collasso, ma sarà molto costoso ripristinarla. Nella maggior parte dei casi l’unica strada perseguibile sarà la demolizione e ricostruzione.

L’isolamento sismico è una strategia di difesa molto più smart. Durante un evento sismico di elevata intensità, la struttura resterà in campo elastico. Dopo un evento sismico la struttura sarà immediatamente agibile e i danni riportati saranno quasi inesistenti. Direi che i vantaggi sono notevoli.

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Ci rileggiamo lunedì prossimo.

Marco.

La discontinuità degli spettri: l’effetto dell’isolamento sismico
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