L’isolamento alla base rappresenta una tecnica molto efficace sia per la protezione sismica di nuove costruzioni che per l’adeguamento antisismico di costruzioni esistenti (Mazza e Vulcano, 2004b). Può essere considerato una tecnologia relativamente giovane che oggi è in grande considerazione in quanto recepita dalle normative sismiche italiana (NTC08, 2008), europea (EC8, 2004), americana (AASHTO, 2010) e di altri paesi. L’isolamento è particolarmente adatto per edifici la cui operatività deve essere garantita durante e subito dopo un terremoto (per esempio, ospedali, centri di protezione civile, caserme dei vigili del fuoco, ecc.), per strutture particolarmente critiche per la sicurezza (per esempio, impianti chimici o nucleari) o il cui contenuto abbia un elevato valore storico-artistico (per esempio, musei).
L’isolamento alla base consiste nell’interposizione, tra la sovrastruttura e la struttura di fondazione, di speciali dispositivi, deformabili e/o scorrevoli, in grado di disaccoppiare il moto della struttura da quello del terreno (usualmente solo nel piano orizzontale) e, conseguentemente, di ridurre le azioni sismiche orizzontali trasmesse alla parte in elevazione, senza la necessità di incrementare le capacità della struttura in termini di rigidezza, resistenza e duttilità (Mezzina et al., 2011). L’isolamento sismico consente di ridurre contemporaneamente gli spostamenti di interpiano (eliminando o comunque limitando fortemente il danneggiamento degli elementi strutturali e di quelli non strutturali) e le accelerazioni di piano (limitando le forze d’inerzia e conseguentemente anche le sollecitazioni nella struttura evitando la perdita di funzionalità delle apparecchiature contenute all’interno dell’edificio).
La particolarità della progettazione di una struttura con isolamento sismico, che coinvolge non solo il progetto strutturale ma anche quello architettonico ed impiantistico, è legata ai grandi spostamenti orizzontali (con un ordine di grandezza di 20-30 cm) che la struttura in elevazione deve poter subire rispetto al terreno. Si noti che, sebbene la funzione principale degli isolatori sia quella di filtro dell’energia sismica, essi devono possedere anche una sufficiente capacità dissipativa (per esempio, un fattore di smorzamento viscoso equivalente dell’ordine del 10%), in modo da limitare gli spostamenti di progetto alla base della struttura, altrimenti condizionanti nei riguardi della progettazione degli impianti e/o dei giunti di separazione.
Quanto osservato può essere meglio chiarito considerando gli spettri di risposta (elastici) per la progettazione di strutture con isolamento sismico, rappresentati nel piano spostamento (SD) – accelerazione (Sa), per diversi valori del fattore di smorzamento
viscoso equivalente (ξ). A titolo di esempio, in Figura 1.3 è riportato lo spettro ottenuto, in accordo con le NTC08 (2008), nel caso di: suolo rigido (classe di sottosuolo A) e pianeggiante (parametro caratteristico del sottosuolo: S=1); stato limite di collasso (per esempio, PGA=0.35g). La rappresentazione di Figura 1.3 consente, una volta definito il periodo di vibrazione (rappresentato dalla pendenza del fascio di rette passanti per l’origine del sistema di assi) del sistema strutturale isolato alla base ed il coefficiente di smorzamento viscoso (associato a ciascuna curva), di valutare l’accelerazione cui è soggetta la massa della struttura e, di conseguenza, le forze sismiche di progetto e lo spostamento massimo del sistema di isolamento; la sottostruttura (in particolare, la
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fondazione), generalmente molto rigida, subisce all’incirca la stessa accelerazione del sottosuolo.
Figura 1.3 – Spettri di risposta elastici nel piano spostamento – accelerazione (ADRS).
Il comportamento sotto azioni sismiche di strutture a base fissa ed isolate alla base è diverso per via della concentrazione/diffusione delle deformazioni. Dalla Figura 1.4 è possibile notare che le strutture a base fissa presentano delle deformazioni diffuse in altezza, mentre le strutture a base isolata presentano delle deformazioni concentrate alla base. In tal caso la sovrastruttura è in grado di subire un moto di traslazione rigida rispetto al piano di isolamento spostandosi come un blocco; tuttavia uno degli effetti dell’isolamento sismico consiste proprio nella riduzione degli spostamenti di interpiano, garantendo così un maggior comfort per gli occupanti.
Le configurazioni strutturali ottimali per l’impiego dell’isolamento alla base sono quelle poco deformabili in direzione orizzontale, quali le costruzioni in c.a.; per esse diventa favorevole anche l’irrigidimento dovuto alla tamponatura. In particolare, l’isolamento è molto vantaggioso per strutture con periodo di vibrazione del modo principale nella direzione considerata inferiore a 1 s, cui corrisponde il maggiore livello di amplificazione degli spettri di risposta in termini di accelerazione della maggior parte dei terremoti. L’efficacia dell’isolamento si riduce al crescere dell’altezza degli edifici e, quindi, del periodo di vibrazione, e per gli edifici molto alti la progettazione è condizionata dall’azione del vento.
A prima vista, l’isolamento alla base conduce ad una configurazione strutturale simile a quella degli edifici con assenza di tamponatura al solo piano terra (noti come edifici su “pilotis”), il cui comportamento sismico è particolarmente sfavorevole avendo una concentrazione del danneggiamento in corrispondenza dei pilastri del piano debole. Ovviamente, le costruzioni isolate alla base non risentono di questo “effetto pilotis”, poiché gli elevati spostamenti orizzontali sono affidati a dispositivi di piccola altezza, realizzati con materiale molto deformabile, in grado di sopportare, sotto i carichi verticali di progetto, deformazioni orizzontali cicliche senza apprezzabile decadimento delle loro prestazioni.
(a) Struttura a base fissa. (b) Struttura a base isolata. Figura 1.4 – Risposta sismica di una struttura a base fissa (a) e di una a base isolata (b).
Nel progetto di una struttura isolata alla base un parametro molto importante è il grado di isolamento (αi), definito come il rapporto tra il periodo fondamentale di
vibrazione della struttura isolata (Ti), calcolato in prima istanza considerando la struttura
come un sistema infinitamente rigido, ed il periodo fondamentale della sovrastruttura (T0), nel caso in cui essa sia a base fissa. L’isolamento alla base è tanto più efficace
quanto maggiore risulta essere la differenza fra il periodo fondamentale della struttura isolata e quello della corrispondente struttura a base fissa; in pratica il grado di isolamento non dovrebbe essere inferiore a 3. Il periodo fondamentale di vibrazione di una struttura isolata deve essere sufficientemente grande (compreso nel range 2.0÷4.0 s) in modo tale da poter consentire la riduzione dell’energia in ingresso nella sovrastruttura. In Figura 1.5 vengono riportati gli effetti prodotti dall’applicazione della tecnica dell’isolamento sismico; in particolare, l’elongazione del periodo fondamentale di vibrazione in direzione orizzontale della struttura (ottenuta grazie alla notevole deformabilità del sistema di isolamento nella medesima direzione) porta la struttura in una zona dello spettro dove la risposta (in termini di forza) è minore. D’altra parte, si verifica un aumento dello spostamento, ma quest’ultimo è concentrato nel sistema di isolamento alla base. Il fattore di smorzamento viscoso è, invece, responsabile della dissipazione di energia che comporta la simultanea riduzione delle forze sismiche agenti e degli spostamenti subiti dalla sovrastruttura.
Un ulteriore aspetto da mettere in conto è rappresentato dalle caratteristiche del sottosuolo. Lo strato di terreno al di sotto della struttura si comporta come un filtro che modifica le caratteristiche del sisma, amplificando le armoniche vicine alla sua pulsazione fondamentale. Nel caso di sottosuolo rigido risultano dominanti le componenti armoniche ad alta frequenza e gli isolatori, che agiscono a loro volta come un filtro, trasmettono alla struttura in elevazione un movimento con contenuto in frequenza diverso da quello dominante del terreno. Nel caso di terremoti con frequenze basse, come nel caso di sottosuolo molto deformabile, il contenuto in frequenza del moto trasmesso dagli isolatori alla sovrastruttura può diventare critico. Inoltre, se viene raggiunta la soglia di plasticizzazione della sovrastruttura, si può verificare un’amplificazione della risposta
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strutturale, eventualmente esaltata dalla lunga durata dell’impulso associata ai terremoti near-fault.
Figura 1.5 – Effetti indotti dall’isolamento sismico.
Un sistema d’isolamento deve anche possedere una buona capacità ricentrante (cioè deve essere in grado di riportare la struttura alla posizione iniziale una volta terminato il terremoto), una vita utile sufficientemente lunga (almeno pari a quella della struttura), una rigidezza maggiore per bassi livelli di carico (così da limitare le vibrazioni sotto l’azione del vento e gli spostamenti laterali per effetto di terremoti di modesta intensità), nonché rigidezza e smorzamento poco sensibili agli effetti dovuti alle variazioni di temperatura e all’invecchiamento. L’alloggiamento dei dispositivi di isolamento ed il loro collegamento alla struttura devono essere concepiti in modo da assicurarne l’accesso, l’ispezionabilità e l’eventuale sostituzione. Se il sistema d’isolamento non è dotato di capacità ricentranti bisogna prevedere sistemi di contrasto, atti a consentire il ricentraggio dei dispositivi qualora, a seguito di un sisma, si abbiano spostamenti residui incompatibili con la funzionalità dell’edificio e/o con il comportamento del sistema d’isolamento. Infine, per minimizzare gli effetti torsionali a livello del sistema di isolamento, la proiezione del centro di massa dell’edificio sul piano degli isolatori ed il centro di rigidezza dei dispositivi di isolamento devono essere per quanto possibile coincidenti.
1.3.1 STRATEGIE D’ISOLAMENTO
L’isolamento sismico può essere realizzato applicando diverse strategie specifiche, le quali possono ricondursi essenzialmente all’incremento del periodo (senza o con dissipazione di energia) e alla limitazione della massima forza orizzontale trasmessa (senza o con dissipazione di energia). Nella prima strategia (incremento del periodo, Figura 1.6) si utilizzano dispositivi a comportamento quasi elastico per abbattere le accelerazioni sulla struttura. In un’interpretazione energetica del comportamento del sistema strutturale, la riduzione degli effetti sulla struttura è conseguita principalmente attraverso l’assorbimento nei dispositivi di gran parte dell’energia sismica in input, sotto forma di energia di deformazione, in buona parte dissipata per isteresi dai dispositivi
stessi al completamento di ogni ciclo di oscillazione. La dissipazione di energia del sistema di isolamento riduce sia gli spostamenti alla base, che, entro certi limiti, le forze trasmesse alla sovrastruttura. Nella seconda strategia (limitazione della massima forza orizzontale trasmessa, Figura 1.7) si utilizzano dispositivi a comportamento rigido o elastico-perfettamente plastico, o comunque fortemente non lineare, con un ramo pressoché orizzontale per grandi spostamenti (incrudimento quasi nullo). La riduzione degli effetti sulla struttura avviene attraverso la limitazione, da parte dei dispositivi, della forza trasmessa alla sovrastruttura (Mezzina et al., 2011).
Figura 1.6 – Strategia dell’incremento del periodo.
Figura 1.7 – Strategia della limitazione della massima forza orizzontale trasmessa.
La strategia basata sull’incremento del periodo è certamente la più frequentemente adottata nell’isolamento degli edifici, per ragioni diverse, tra cui, non secondarie, quelle legate ad aspetti tecnologici e realizzativi. Quella basata sulla limitazione della forza trova impiego soprattutto nei casi in cui il controllo delle forze indotte dal sisma sulla struttura rappresenta l’aspetto cruciale della progettazione (come può accadere nell’adeguamento sismico delle strutture esistenti), ed in linea di principio anche nei casi in cui la strategia ad incremento del periodo raggiunge i suoi limiti in termini di applicabilità e convenienza. Un aspetto positivo della strategia della limitazione della forza è la sostanziale indipendenza dell’efficacia dell’isolamento dalle caratteristiche del sisma (intensità e contenuto in frequenza), a condizione di poter accettare spostamenti anche molto ampi del sistema di isolamento. In entrambe le strategie le prestazioni
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dell’isolamento possono essere migliorate attraverso la dissipazione nel sistema d’isolamento di una consistente aliquota dell’energia meccanica trasmessa dal terreno alla costruzione (NTC08, 2008).