ISOLATORI SISMICI disaccoppiare

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2 Un opportuna scelta delle caratteristiche meccaniche degli isolatori consente di disaccoppiare la sovrastruttura dalla sottostruttura nelle oscillazioni che coinvolgono prevalentemente spostamenti orizzontali. Il disaccoppiamento consiste nella diversificazione del comportamento dinamico delle due suddette porzioni della costruzione: durante un moto oscillatorio, mentre la sottostruttura subisce deformazioni di modesta entità, tanto più quanto maggiore è la sua rigidezza, la sovrastruttura compie oscillazioni tanto più ampie quanto minore è la rigidezza e resistenza degli isolatori. Dette oscillazioni sono dovute per la maggior parte alla deformazione degli isolatori collocati al di sotto della sovrastruttura e solo in minor parte alle deformazioni della sovrastruttura stessa. Durante un terremoto, generalmente, tanto più sono ampie queste oscillazioni tanto più sono modeste le conseguenti accelerazioni, quindi le forze d inerzia, che subisce la sovrastruttura.

3 L andamento dello spettro di risposta proposto dalle NTC 08 dimostra che le accelerazioni spettrali S e possono essere drasticamente ridotte se si riesce ad aumentare notevolmente il periodo principale T della struttura.

4 Le strutture tradizionali, a base fissa, hanno periodo principale T abbastanza bassi, che in genere ricadono nell intervallo in cui l accelerazione spettrale S e viene notevolmente amplificata. F 0 a g T

5 Se alla base si interpone, tra fondazione e struttura, un elemento molto deformabile in senso orizzontale il periodo cresce notevolmente e conseguentemente l accelerazione si riduce a valori molto più bassi. F 0 a g S e T T I

6 L efficacia del sistema di isolamento è tanto maggiore quanto più alto è il rapporto tra il periodo della struttura isolata e il periodo della struttura a base fissa. F 0 a g S e T T I Si ottiene un buon disaccoppiamento quando risulta T IS 3 T NonIS. Essendo T IS il periodo della struttura isolata e T NonIS quello della struttura non isolata. Maggiore è l incremento di periodo (generalmente T IS > 2,0 s) maggiore è la riduzione delle accelerazioni sulla sovrastruttura (spettro in accelerazioni) e l incremento degli spostamenti (spettro in spostamenti), che si concentrano essenzialmente nel sistema di isolamento.

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8 Nelle condizioni ordinarie (assenza di isolamento sismico), il coefficiente di smorzamento viscoso equivalente è pari al 5%. Nel caso invece di edifici isolati, la normativa prevede uno smorzamento massimo pari al 45%.

9 Per ottenere i citati vantaggi in termini di riduzione delle accelerazioni spettrali, i fattori di partecipazione modale dei modi superiori al primo devono essere trascurabili, ovvero è necessario che le masse partecipanti siano concentrate nei primi modi. Struttura a base fissa

10 - Strutture molto alte o dotate di massa modesta hanno periodo elevato e di conseguenza non traggono grossi vantaggi dall isolamento in termini di riduzione dell accelerazione spettrale. - A fronte di una riduzione modesta dell accelerazione spettrale, c è il problema degli spostamenti che, risulterebbero troppo elevati. Con periodi superiori ai 3 secondi si potrebbero avere spostamenti tali da rendere inagibile il fabbricato; inoltre, i collegamenti verticali, scale e ascensori, condotte idriche, telefoniche, impianti in genere, diventerebbero ingestibili per fabbricati ad uso civile.

11 Per suoli soffici (categorie D - E) gli spettri presentano amplificazioni particolarmente rilevanti per gli alti periodi. Come conseguenza per questi terreni la riduzione di accelerazione, e quindi il beneficio dell isolamento, è molto minore D 1.20 C E A B

12 ISOLATORI ELASTOMERICI

13 ISOLATORI A PENDOLO SCORREVOLE (Friction Pendulum)

14 ISOLATORI ELASTOMERICI

15 ISOLATORI ELASTOMERICI Isolatore in gomma HDRB (High Dumping Rubber Bearings) Isolatore in gomma e piombo LRB (Lead core Rubber Bearings)

16 ISOLATORI ELASTOMERICI Isolatore in gomma e piombo Isolatore in gomma

17 ISOLATORI ELASTOMERICI LRB Lead core Rubber Bearings HDRB High Damping Rubber Bearings MLRB Multi layer Low damping Rubber Bearings Coeff. di smorzamento viscoso equivalente 25 30% 10 16% 4% Rigidezza orizzontale Alta Medio Bassa Medio - Bassa Carico verticale Alta Alta Alta Oscillazione orizzontale Medio - Alta Alta Media Capacità di ricentraggio Media Alta Alta

18 ISOLATORI A PENDOLO SCORREVOLE Sono costituiti da una coppia di superfici curve che scorrono l una sull altra. Isolatore a curvatura semplice

19 ISOLATORI A PENDOLO SCORREVOLE Sono costituiti da una coppia di superfici curve che scorrono l una sull altra. Isolatore a doppia curvatura

20 ISOLATORI A PENDOLO SCORREVOLE Sono costituiti da una coppia di superfici curve che scorrono l una sull altra. Isolatore a doppia curvatura

21 ISOLATORI A PENDOLO SCORREVOLE - Sfruttano la legge fisica del moto del pendolo per allungare il periodo naturale della struttura isolata.

22 ISOLATORI A PENDOLO SCORREVOLE - Sfruttano la legge fisica del moto del pendolo per allungare il periodo naturale della struttura isolata. r N r T 2 r r g u w

23 ISOLATORI A PENDOLO SCORREVOLE - Il periodo è indipendente dalla massa della struttura, con notevole vantaggio nel caso di isolamento di edifici leggeri. T 2 - La forza di richiamo, e quindi la rigidezza orizzontale, dipende linearmente dallo sforzo assiale, e cioè dalla massa che compete al singolo isolatore. Ne segue che i baricentri di massa e rigidezza di piano risultano sempre coincidenti. N r g N 1 sgn( u) F u N sgn( u) k( u) u k( u) N r r u R F R F N

24 Isolatori elastomerici - Sono costituiti da strati alterni di lamierini in acciaio e di elastomero, e possono avere all interno un nucleo in piombo. - Sono caratterizzati da ridotta rigidezza orizzontale, per garantire l'incremento del periodo proprio della struttura, ed elevata rigidezza verticale, al fine di ridurre l'abbassamento sotto carico. - Il nucleo in piombo ha lo scopo di limitare gli spostamenti elastici e conferire un adeguata capacità dissipativa per diminuire ulteriormente l energia in ingresso.

25 - Vanno utilizzati insieme ad elementi ad attrito (slitte) che garantiscono la rigidità orizzontale sotto azioni orizzontali modeste (vento). - Richiedono ispezioni periodiche per verificarne la funzionalità. - Dopo un evento sismico possono risultare danneggiati e/o presentare spostamenti residui. In questo caso è necessario la loro sostituzione ed il ricentraggio dell edificio. - Sono relativamente costosi. Isolatori elastomerici

26 Isolatori a pendolo scorrevole - Sfruttano la legge fisica del moto del pendolo per allungare il periodo naturale della struttura isolata. - Hanno la duplice funzione di dissipare energia per attrito e di generare la forza di richiamo per il ricentraggio della struttura attraverso l azione della gravità. - Non richiedono ispezioni periodiche per verificarne la funzionalità. - Sono meno costosi degli elastomerici.

27 ISOLATORI CILINDRICI IN GOMMA SU TRAVI DI FONDAZIONE

28 Messa in opera Fase 1 Fase 4 Fase 2 Fase 5 Fase 3

29 Occorre quindi prevedere la possibilità di sostituzione, e dunque predisporre la struttura in modo che sia possibile trasferire temporaneamente alla sottostruttura, attraverso martinetti opportunamente disposti, il carico gravante sul singolo isolatore e prevedere un adeguato spazio per le operazioni necessarie alla rimozione e sostituzione. Per ridurre o annullare gli spostamenti residui a seguito di un terremoto è inoltre necessario verificare la presenza o prevedere appositi elementi strutturali di contrasto contro cui fare forza per ricollocare la struttura nella sua posizione originaria.

30 Deve essere garantita la rigidità strutturale nel piano orizzontale dei piani immediatamente al di sotto e al di sopra del sistema di isolamento, al fine di garantire una distribuzione regolare degli sforzi tra i diversi isolatori ed a distribuire correttamente le forze degli eventuali dispositivi ausiliari (che sono in genere in numero limitato) tra gli elementi strutturali che debbono assorbirli.

31 Il corretto funzionamento di una struttura con isolamento sismico si realizza solo a condizione che la massa isolata, ossia quella della sovrastruttura, possa muoversi liberamente in tutte le direzioni orizzontali per spostamenti almeno pari a quelli di progetto. Questa condizione deve essere continuamente verificata in tutte le fasi progettuali, realizzative e di collaudo. In particolare è importante controllare che elementi non strutturali e/o impianti non riducano o annullino le possibilità di movimento della struttura previste nella progettazione strutturale. In tal senso è richiesta la massima sensibilizzazione e la piena consapevolezza delle modalità di funzionamento di una struttura con isolamento sismico, da parte di tutti i progettisti, inclusi quelli architettonici e impiantistici. Al riguardo occorre prestare molta attenzione ai dettagli delle condutture, in corrispondenza dell attraversamento dei giunti, adottando delle giunzioni flessibili e comunque che possano subire gli spostamenti relativi di progetto senza determinare danni e perdite. È inoltre importante controllare i coprigiunti e gli elementi di attraversamento orizzontale (dispositivi di giunto) e verticale (scale, ascensori), affinché siano concepiti e realizzati in modo da non creare impedimento al libero movimento della sovrastruttura.

32 ISOLATORI CILINDRICI IN GOMMA TRA TRAVI DI FONDAZIONE E TRAVI DI ELEVAZIONE

33 ISOLATORI CILINDRICI IN GOMMA TRA PILASTRI E IMPALCATO

34 ISOLATORI CILINDRICI IN GOMMA TRA PILASTRI E IMPALCATO Nel caso di isolamento di edifici esistenti, la deformazione massima della testa del pilastro su cui si inserisce l isolatore non deve essere superiore ad 1/20 di quella prevista per l isolatore stesso.

35 APPARECCHIO DI APPOGGIO A BASSO ATTRITO (SLITTA)

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50 Bisogna effettuare prove dinamiche sul 2% degli isolatori da utilizzare sul fabbricato.

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56 Costo = 1000/mq (da moltiplicare per il numero di implacati del fabbricato)

57 Il comportamento del sistema di isolamento può essere modellato come lineare equivalente se sono soddisfatte tutte le seguenti condizioni: a) la rigidezza equivalente del sistema d isolamento è almeno pari al 50% della rigidezza secante per cicli con spostamento pari al 20% dello spostamento di riferimento; b) lo smorzamento lineare equivalente del sistema di isolamento, come definito in precedenza, è inferiore al 30%; c) le caratteristiche forza-spostamento del sistema d isolamento non variano di più del 10% per effetto di variazioni della velocità di deformazione, in un campo del ±30% intorno al valore di progetto, e dell azione verticale sui dispositivi, nel campo di variabilità di progetto; d) l incremento della forza nel sistema d isolamento per spostamenti tra 0,5ddc e ddc, essendo ddc lo spostamento del centro di rigidezza dovuto all azione sismica, è almeno pari al 2,5% del peso totale della sovrastruttura. Nel caso in cui si adotti un modello non lineare, il legame costitutivo dei singoli dispositivi del sistema d isolamento deve riprodurre adeguatamente il loro comportamento nel campo di deformazioni e velocità che si verificano durante l azione sismica, anche in relazione alla corretta rappresentazione dell energia dissipata nei cicli di isteresi.

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