PROGETTO DI EDIFICI CON ISOLAMENTO SISMICO

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3 COLLANA DI MANUALI DI PROGETTAZIONE ANTISISMICA VOLUME 5 PROGETTO DI EDIFICI CON ISOLAMENTO SISMICO M. Dolce, D. Cardone, F. C. Ponzo, A. Di Cesare

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5 INDICE CAPITOLO 1: Introduzione all isolamento sismico delle strutture Introduzione Basi teoriche dell isolamento sismico Dispositivi e sistemi di isolamento Sistemi basati su isolatori elastomerici Sistemi basati su isolatori a scorrimento Effetti dell isolamento sismico sugli edifici Sviluppo dell isolamento sismico in Italia e nel Mondo Recenti applicazioni ad edifici e ponti Applicazioni a ponti e viadotti Applicazioni ad edifici Aspetti normativi...47 CAPITOLO : Commentario alle Norme Scopo (punto 10.1) Definizioni e simboli (punto 10.) Requisiti generali e criteri per il loro soddisfacimento (punto 10.3) Sicurezza nei confronti della stabilità (Stato Limite Ultimo SLU) Protezione nei confronti del danno (Stato Limite di Danno SLD) Caratteristiche e criteri di accettazione dei dispositivi (punto 10.4) Isolatori elastomerici (punto ) Isolatori a scorrimento (punto 10.4.) Dispositivi ausiliari a comportamento non lineare (punto ) Dispositivi ausiliari a comportamento viscoso (punto ) Dispositivi ausiliari a comportamento lineare o quasi lineare (punto ) Indicazioni progettuali (punto 10.5) Indicazioni riguardanti i dispositivi (punto ) Controllo di movimenti indesiderati (punto 10.5.) Controllo degli spostamenti sismici differenziali del terreno (punto ) Controllo degli spostamenti relativi al terreno e alle costruzioni circostanti (punto ) Azione sismica (punto 10.6) Spettri di progetto (punto ) Impiego di accelerogrammi (punto 10.6.)... 84

6 iv Progetto di Edifici con Isolamento Sismico.7 Modellazione e analisi strutturale (punto 10.7) Proprietà del sistema di isolamento (punto ) Modellazione (punto 10.7.) Metodi di analisi (punto ) Analisi statica lineare (punto ) Analisi dinamica lineare (punto ) Analisi dinamica non lineare (punto )... 9 Si riporta, per comodità di lettura, il punto delle norme: Analisi dinamica non lineare Verifiche (punto 10.8) Stato limite di danno - SLD (punto ) Stato limite ultimo - SLU (punto 10.8.) Aspetti costruttivi, manutenzione, sostituibilità (punto 10.9) Collaudo (punto 10.10)...99 CAPITOLO 3: Esempi di applicazione Progettazione di una nuova struttura isolata alla base Geometria (BLOCCO 1) Materiali e dettagli costruttivi (BLOCCO ) Caratteristiche dei materiali Dettagli costruttivi Carichi ed azioni (BLOCCO 3) Analisi dei carichi Azione sismica Predimensionamento (BLOCCO 4) Vano scala Pilastri Travi Sottostruttura Configurazione strutturale finale Combinazione dell azione sismica con le altre azioni Masse e azione sismica Sistema d isolamento Modellazione e analisi della struttura a base fissa (BLOCCO 5) Verifiche Verifiche della struttura (BLOCCO 6) Verifiche dei dispositivi (BLOCCO 7) Giunti e connessioni non strutturali (BLOCCO 8) Modellazione e analisi dinamica della struttura a base isolata Adeguamento antisismico di una struttura esistente mediante isolamento sismico Geometria (BLOCCO 1)

7 3.. Materiali e dettagli costruttivi (BLOCCO ) Caratteristiche dei materiali Dettagli costruttivi Carichi ed azioni (BLOCCO 3) Analisi dei carichi Combinazione dell azione sismica con le altre azioni Masse e azione sismica Valutazione della resistenza alle azioni orizzontali (BLOCCO 4) Modellazione e analisi della struttura a base fissa Determinazione di S e Progetto del sistema di isolamento (BLOCCO 5) Caratteristiche globali del sistema di isolamento Distribuzione delle rigidezze degli isolatori Dimensionamento di massima degli isolatori Verifiche Modellazione e analisi dinamica della struttura a base isolata Verifica della struttura (BLOCCO 6) Verifica dei dispositivi d isolamento (BLOCCO 7) Giunti e connessioni non strutturali (BLOCCO 8) Realizzazione dell intervento RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI... 44

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9 CAPITOLO 1: INTRODUZIONE ALL ISOLAMENTO SISMICO DELLE STRUTTURE 1.1 INTRODUZIONE La moderna progettazione antisismica realizza i suoi obiettivi fondamentali, ossia evitare il collasso delle strutture per terremoti di forte intensità e il danneggiamento delle parti non strutturali per terremoti di media intensità, mediante criteri per la scelta ottimale dei parametri fondamentali, quali rigidezza, resistenza e, soprattutto, duttilità e regole progettuali che consentono di ottenere un buon controllo del comportamento dinamico delle costruzioni in campo non lineare[petrini et al. 004]. La progettazione antisismica delle strutture è, come per altre condizioni di carico (gravità, vento, ecc.), basata sul soddisfacimento della disequazione: CAPACITÀ DOMANDA in cui la domanda è determinata dal moto del terreno sottostante la struttura. Un evento sismico genera, nella struttura, delle forze d inerzia proporzionali al prodotto delle sue masse per le accelerazioni indotte dal terreno. Per evitare danni strutturali durante un sisma all aumentare della sua intensità attesa, sarebbe necessario aumentare proporzionalmente la resistenza della struttura. Il danno strutturale, tuttavia, non corrisponde alla condizione di collasso che si vuole evitare, avendo la struttura ancora importanti riserve di sopravvivenza grazie alla sua duttilità, ossia alla capacità dei suoi elementi strutturali di sostenere escursioni in campo plastico, mantenendo pressoché costante la loro portanza. Per di più non è economicamente conveniente aumentare indefinitamente la resistenza della struttura, vista la ridotta, ma non trascurabile, probabilità di accadimento di eventi sismici alle massime intensità, durante i quali l accelerazione di picco orizzontale del terreno (PGA) può, in zone ad elevata sismicità, raggiungere e anche superare l accelerazione di gravità. Di conseguenza, i codici sismici moderni consentono di far ricorso alla duttilità strutturale per soddisfare la disequazione Capacità Domanda, che diviene condizione sulla duttilità, o sulle deformazioni e le grandezze ad esse correlate, e non più sulla resistenza. L accettazione di elevate richieste di duttilità, tuttavia, implica l accettazione di danni agli elementi strutturali, a seguito di eventi sismici di moderata-alta intensità, e dei relativi costi di riparazione e di interruzione del servizio. Un filosofia di progettazione basata sull aumento della capacità porta quindi alla scelta fra due possibili alternative: (i) aumentare la resistenza della struttura, sopportando costi di realizzazione più elevati ed accettando maggiori accelerazioni sulla struttura, (ii)

10 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico aumentare la duttilità della struttura, con una progettazione finalizzata a sviluppare meccanismi di plasticizzazione favorevoli ( capacity design o criterio della gerarchia delle resistenze) e ad ottenere elevate capacità duttili locali mediante accurati dettagli costruttivi. Questa seconda alternativa è quella cui le normative moderne si ispirano, applicando i criteri del capacity design per ridurre la domanda sugli elementi strutturali e sui meccanismi di funzionamento sfavorevoli allo sviluppo di una buona duttilità d insieme. Il progetto è poi completato con il controllo degli spostamenti interpiano per terremoti di media intensità, così da limitare i danni alle parti non strutturali. Alcune moderne tecniche di protezione sismica passiva delle strutture (v. Fig. 1.1) utilizzano appositi dispositivi per ridurre la domanda e/o concentrare in essi, anziché in zone dissipative della struttura, l assorbimento e la dissipazione di energia. Fig. 1.1 Esempi di introduzione dei controventi dissipativi negli edifici intelaiati Una tecnica molto efficace è quella della dissipazione d energia, generalmente basata sull uso di controventi inseriti nelle maglie strutturali di edifici con struttura intelaiata e dotati di speciali dispositivi, che dissipano l energia trasmessa dal terremoto nella struttura, riducendo sensibilmente gli spostamenti della struttura, e, dunque, le richieste di duttilità (v. Fig. 1.1). Se la dissipazione è di tipo viscoso, non si determinano particolari variazioni al comportamento della struttura nel suo insieme, se la dissipazione è di tipo isteretico, in particolare realizzata attraverso un comportamento elasto-plastico, il limite di forza dei dispositivi rappresenta il parametro di progetto degli elementi strutturali connessi, nella logica del capacity design. Se la riduzione delle accelerazioni è notevole e/o se la struttura vera e propria è sufficientemente deformabile in campo elastico, la dissipazione di energia avviene solamente nei dispositivi aggiuntivi senza alcun danno alla struttura. Ancor più efficace è l isolamento sismico [Skinner et al. 1993], perché realizza la strategia di riduzione della domanda in maniera globale, abbattendo drasticamente l energia trasmessa dal suolo all intera struttura.

11 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento 3 (a) (b) Fig. 1. Introduzione dei sistemi di isolamento in (a) edifici e (b) ponti L isolamento sismico consiste essenzialmente nel disaccoppiare il moto del terreno da quello della struttura, introducendo una sconnessione lungo l altezza della struttura stessa (generalmente alla base, nel caso degli edifici, fra la pila e l impalcato, nei ponti, come è illustrato in Fig. 1.), che risulta quindi suddivisa in due parti: la sottostruttura, rigidamente connessa al terreno, e la sovrastruttura. La continuità strutturale, e con essa la trasmissione dei carichi verticali al terreno, è garantita attraverso l introduzione, fra sovrastruttura e sottostruttura, di particolari apparecchi di appoggio, detti isolatori, caratterizzati da un elevata deformabilità e/o da una bassa resistenza al moto in direzione orizzontale e, normalmente, da una notevole rigidezza in direzione verticale. La sottostruttura, generalmente molto rigida, subisce all incirca la stessa accelerazione del terreno, mentre la sovrastruttura fruisce dei benefici derivanti dall aumento di deformabilità conseguente all introduzione degli isolatori. Gli spettri di risposta in termini di accelerazioni della maggior parte dei terremoti, infatti, presentano una forte amplificazione nell intervallo sec, dove cade il periodo proprio di vibrazione di molte delle usuali strutture fisse alla base. Assumendo, per semplicità, che i dispositivi d isolamento abbiano un comportamento di tipo elastico o ad esso assimilabile, l aumento di deformabilità conseguente all introduzione degli isolatori porta il periodo proprio del sistema strutturale (sottostruttura-isolamento-sovrastruttura) in una zona dello spettro a più bassa accelerazione. Di conseguenza, le accelerazioni prodotte dal sisma sulla struttura isolata risultano drasticamente minori rispetto a quelle prodotte nella configurazione a base fissa (v. Fig. 1.3(a)), a tal punto che la struttura può essere agevolmente progettata per resistere a terremoti violenti senza dover subire danni alle parti strutturali. Naturalmente l aumento di periodo si traduce anche in un incremento di spostamenti (v. Fig. 1.3(b), che però si concentrano negli isolatori, dove viene assorbita e dissipata gran parte dell energia immessa dal terremoto nel sistema strutturale. La sovrastruttura si comporta quasi come un corpo rigido, subendo spostamenti relativi interpiano molto contenuti. Di conseguenza si riducono drasticamente o si eliminano totalmente anche i danni alle parti non strutturali. Per evitare eccessivi spostamenti del sistema d isolamento, che risulterebbero condizionanti nella progettazione degli impianti a terra o dei giunti di separazione con strutture adiacenti, il sistema di isolamento nel suo insieme può essere

12 4 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico dotato di un elevata capacità dissipativa, corrispondente a rapporti di smorzamento dell ordine del 10 30%. Accelerazione spettrale (m/sec) Base Fissa 0% Elongazione periodo ξ = % 10% Base Isolata Riduzione forza Periodo (sec) Spostamento spettrale (m) Elongazione periodo 10% 0% ξ = % Riduzione spostamento per incremento smorzamento Incremento Periodo (sec) spostamento per elongazione periodo Fig. 1.3 Effetti dell isolamento sismico su forze e spostamenti per un sisma con periodo dominante di 0.5s L isolamento sismico può realizzarsi secondo diverse strategie [Dolce 1994], che possono ricondursi essenzialmente a due (v. Fig. 1.4): (i) incremento del periodo, senza o con dissipazione di energia, (ii) limitazione della forza, senza o con dissipazione di energia. Accelerazione Incremento del periodo Incremento dello smorzamento Spostamento Incremento del periodo Incremento dello smorzamento Accelerazione Spostamento Dissipazione di energia Periodo Periodo Periodo Periodo a) Incremento del periodo (e smorzamento) b) Limitazione della forza (e dissipazione) Fig. 1.4 Strategie di riduzione della domanda mediante isolamento sismico Nella strategia dell incremento del periodo si utilizzano dispositivi a comportamento quasi-elastico per abbattere le accelerazioni sulla struttura secondo i principi appena esposti e sintetizzati nella Fig 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 elastica di deformazione, in parte dissipata al completamento del ciclo.

13 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento 5 La dissipazione d energia del sistema d isolamento è sfruttata sia per ridurre gli spostamenti alla base, che, entro certi limiti, le forze trasmesse alla sovrastruttura. Nella strategia della limitazione della forza 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 (in quanto insita nella forma stessa del loro ciclo di isteresi), della forza trasmessa alla sovrastruttura. L imposizione di un limite massimo alla forza trasmessa può essere anche vista come un applicazione del capacity design a livello di sistema strutturale, nel quale viene stabilita una gerarchia tra la resistenza globale della struttura e la resistenza del sistema di isolamento. La dissipazione d energia del sistema d isolamento è sfruttata essenzialmente per contenere gli spostamenti alla base. Ciò si traduce anche in una riduzione della forza trasmessa nel caso d incrudimento non trascurabile. Le variazioni brusche di rigidezza tipiche di alcuni legami fortemente non lineari possono comportare maggiori valori delle accelerazioni nella parte alta della sovrastruttura. 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 di applicabilità e convenienza (ad esempio in presenza di strutture deformabili o di terremoti attesi con elevato contenuto energetico alle basse frequenze) [Dolce 1994]. Un aspetto positivo della strategia a limitazione della forza è la sostanziale indipendenza dell efficacia dell isolamento dalle caratteristiche del sisma (intensità e contenuto in frequenze), a condizione di poter accettare spostamenti anche molto ampi del sistema di isolamento [Constantinou 1988]. I benefici derivanti dall adozione dell isolamento sismico sono molteplici. La sensibile riduzione delle accelerazioni sulla struttura, rispetto alla configurazione a base fissa, determina infatti: a. un forte abbattimento delle forze di inerzia (e quindi delle sollecitazioni) prodotte dal sisma sulla struttura, tale da evitare il danneggiamento degli elementi strutturali (travi, pilastri, ecc.) anche sotto terremoti violenti, b. una drastica riduzione degli spostamenti interpiano, tale da eliminare il danno agli elementi non strutturali (tamponature, tramezzi, ecc.), così da garantire la piena funzionalità dell edificio anche a seguito di un terremoto violento, c. un elevata protezione del contenuto strutturale, d. una percezione molto minore delle scosse sismiche da parte degli occupanti. Quanto detto si traduce, in primo luogo, in una drastica riduzione o nel totale azzeramento dei costi di riparazione dell edificio a seguito di un evento sismico di elevata intensità. Tutto ciò a fronte di un costo iniziale leggermente superiore (dell ordine del 10% del costo strutturale [Kelly 001]), o anche inferiore, rispetto ad una normale struttura antisismica, essendo funzione di numerosi parametri, quali:

14 6 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico le dimensioni e, soprattutto, il numero di piani, la configurazione dell edificio, in relazione alla facilità di sistemare il piano di isolamento, la maglia strutturale, in relazione al numero di dispositivi necessari per realizzare il sistema di isolamento; il contenuto in frequenze dell azione di progetto, in relazione all entità dell abbattimento dell azione; la presenza di edifici in adiacenza, in relazione alla realizzazione di giunti di separazione e alle relative problematiche architettoniche e impiantistiche; il tipo di dispositivi del sistema di isolamento. In particolare il numero di piani può risultare sfavorevole se troppo piccolo o troppo grande. Nel primo caso l incidenza è ovviamente maggiore, in quanto il costo dei dispositivi e delle maggiori lavorazioni sulla struttura nel piano d isolamento si ripartisce su un numero limitato di piani, nel secondo caso il periodo della struttura, considerata a base fissa, può risultare elevato e tale da limitare i vantaggi dell isolamento in termini di riduzione delle forze sismiche. I vantaggi di tipo socio-economico dell isolamento sismico si apprezzano appieno soprattutto per gli edifici che, per la funzione ivi svolta, devono rimanere operativi dopo un terremoto violento, ad esempio gli ospedali o i centri operativi per la gestione dell emergenza (centri di protezione civile, caserme dell Esercito e dei Vigili del Fuoco, ecc.), oppure per le strutture il cui contenuto ha un valore di gran lunga superiore a quello della struttura stessa (scuole, musei, banche, centri di calcolo, ecc.) o per quelle ad alto rischio (centrali nucleari o chimiche, ecc.) [Dolce 1994]. 1. BASI TEORICHE DELL ISOLAMENTO SISMICO Per semplificare al massimo l interpretazione del comportamento di un edificio isolato alla base, si individuano due componenti fondamentali nella deformabilità complessiva del sistema strutturale: l isolamento sismico e la sovrastruttura, e due componenti inerziali, la massa del basamento della struttura, direttamente vincolata a terra attraverso il sistema di isolamento e la massa della sovrastruttura, esclusa la massa di base, che si muove rispetto a quest ultima, essendo ad essa collegata dalla sovrastruttura stessa. Per illustrare i concetti fondamentali dell isolamento sismico si fa riferimento ad un sistema elastico lineare a masse concentrate, come quello illustrato in Fig. 1.5 [Naeim and Kelly 1999], che rappresenta la semplificazione estrema del sistema strutturale detto, nel quale masse, rigidezze e dissipazione di energia della sovrastruttura sono distribuiti lungo l altezza dell edificio. In esso, m rappresenta la massa della sovrastruttura, ad esclusione del piano di base, e m b la massa del piano di base al di sopra degli isolatori. La rigidezza e lo smorzamento della sovrastruttura e del sistema d isolamento (pensato a comportamento elastico) sono indicati con k s e c s, e con k b e c b, rispettivamente. Il modello è caratterizzato da due gradi di libertà dinamici, corrispondenti agli spostamenti

15 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento 7 orizzontali delle due masse, denotati in Fig. 1.5 con u s e u b, mentre u g rappresenta lo spostamento del terreno. m u s k s, c s m b u b k b, c b Fig. 1.5 Modello a due gradi di libertà di una struttura isolata alla base u g Ai fini di una più semplice e diretta interpretazione del comportamento del sistema, conviene svolgere la trattazione in termini di spostamenti relativi v b e v s, ossia, rispettivamente, lo spostamento degli isolatori e lo spostamento interpiano: v b = u b u g (1.1) v s = u s u b (1.) Le equazioni del moto del sistema a due gradi di libertà mostrato in Fig. 1.5 si scrivono (applicando il principio di D Alembert): ( m + m ) & v + m && v + c v& + k v = ( m + m ) u& (1.3) b b s b s s s b s b s b b m & v + m && v + c v& + k v = m u& (1.4) g b g Definito il rapporto di massa: m γ = (1.5) m + m b ed il rapporto delle pulsazioni:

16 8 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico ω kb m T b s ε = = = s ( m mb ) k s T (1.6) ω + b ed introdotti i rapporti critici di smorzamento viscoso, ξ b e ξ s, legati alle precedenti grandezze dalle note relazioni: cb ω b ξb = ( m + m c m s ω s ξs = b ) (1.7) è possibile riscrivere le equazioni del moto del sistema nel seguente modo: & v b + γ && v + ω ξ v& + ω v = u& (1.8) s b b b b b g & v b + && v + ω ξ v& + ω v = u& (1.9) s s s s s s g Si noti come le grandezze ω b, T b, ξ b e ω s, T s, ξ s sono la pulsazione, il periodo e il rapporto di smorzamento rispettivamente di due oscillatori elementari, l uno costituito dall intera massa del sistema vincolata dal sistema di isolamento, l altro dalla sola sovrastruttura assunta fissa alla base. Accanto al rapporto delle pulsazioni può essere introdotto il rapporto d isolamento, pari al rapporto tra i periodi T b /T s, e dunque pari alla radice quadrata dell inverso di ε. La risoluzione del problema agli autovalori ed autovettori porta alla definizione dei due modi di vibrare della struttura. Assumendo ε << 1, cioè sovrastruttura molto più rigida degli isolatori, è possibile semplificare notevolmente la trattazione. Le espressioni approssimate delle due pulsazioni modali si riducono a: ω = ω (1 γ ) (1.1) 1 b ε ωs ω = (1+ γ ε ) (1.13) (1 γ ) Analogamente, le forme modali assumono le seguenti semplici espressioni approssimate: { 1 } T φ =,ε (1.14) 1

17 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento 9 T 1 φ = 1, ) ε γ [ 1 (1 γ ] (1.15) Determinati i modi di vibrare della struttura, la risposta del sistema si esprime come combinazione lineare delle forme modali φ 1 e φ attraverso due coefficienti (q 1 e q ) funzione del tempo: v v b s = q φ + q φ (1.16) = q φ + q φ (1.17) L introduzione dei modi di vibrare consente di disaccoppiare le equazioni del moto, che si riscrivono quindi: q & & ξ1 q& 1 + ω1 q1 = π1 u& g ω (1.18) q & + ξ q& + ω q = π u& g ω (1.19) in cui π 1 e π rappresentano i coefficienti di partecipazione modale, che, nelle ipotesi fatte, assumono le seguenti espressioni: π1 =1 γ ε (1.0) π = γ ε (1.1) Analogamente è possibile esprimere in forma compatta i rapporti di smorzamento associati ai due modi di vibrare della struttura: ξ = ξ ( 1 3 γ ) (1.) 1 b ε ξs + γ ξb ε γ ε ξ = 1 (1.3) 1 γ Assumendo un generico spettro di risposta di riferimento, in termini di spostamento S d (ω,ξ) o (pseudo)accelerazione S a (ω,ξ), è possibile calcolare i massimi modali della risposta della struttura:

18 10 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico q1 max 1 d 1 ξ1 = π S ( ω, ) (1.4) q max d ξ = π S ( ω, ) (1.5) e quindi, ricorrendo ad un opportuna legge di combinazione (ad esempio la SRSS), il valore massimo dello spostamento degli isolatori: v b max ( q φ ) + ( q φ ) = (1.6) 1max 11 max 1 ed il valore massimo del drift interpiano: v s max ( q φ ) + ( q φ ) = (1.7) 1max 1 max Sfruttando le Eq.(1.0), Eq.(1.1), Eq.(1.4) e Eq.(1.5) essi si riscrivono: v v ( 1 γ ε ) [ S ( ω, ξ )] + γ ε [ S ( ω ξ ] = (1.8) b max d 1 1 d, ( 1 γ ε ) [ S ( ω, ξ )] + [ 1 ( 1 γ ) ε ] [ S ( ω, ξ ] s max ε d 1 1 d ) = (1.9) Per spettri di risposta usuali risulta S d (ω,ξ)<<s d (ω 1,ξ). In tal caso il termine ε ( ω, ξ ) può essere trascurato e pertanto le Eq.(1.8) e Eq.(1.9) si riducono a: Sd ( 1 γ ε ) [ S ( ω, ξ )] vb max d 1 1 v = (1.30) [ S ( ω, ξ )] [ S ( ω, ξ ] s max ε d d ) = (1.31) Analogamente, il coefficiente di taglio, ovvero il valore dell accelerazione che moltiplicato per la massa dà il valore del taglio, alla base della sovrastruttura: C s k v m s s = max = ω s vs max (1.3) si può esprimere come:

19 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento 11 C [ S ( ω, ξ )] + ε [ S ( ω, ξ ] = (1.33) s a 1 1 a ) Avendo assunto che ε<<1 e quindi, dalle Eq.(1.1), Eq.(1.0) e Eq.(1.), che: ω 1 ω b, π 1 1, ξ 1 ξ b (1.34) e trascurando i termini con S d (ω,ξ ) nelle Eq.(1.8) e Eq.(1.9), essendo normalmente S d (ω, ξ ) << S d (ω 1, ξ 1 ), si ottengono delle espressioni approssimate della risposta massima della struttura particolarmente compatte e significative: v v b max s max = S ( ω, ξ ) (1.35) d b b = ε S ( ω, ξ ) (1.36) d b b C s = S ( ω, ξ ) (1.37) a b b Le espressioni precedenti possono essere lette nel seguente modo: per piccoli valori di ε e per gli spettri di risposta usuali, il sistema di isolamento può essere progettato per uno spostamento massimo pari a Sd( ωb, ξb ) e la sovrastruttura per un coefficiente di taglio pari a Sa( ω b, ξb ). Questi due valori si sarebbero potuti ottenere riferendosi all oscillatore elementare, di cui si è detto in precedenza, con massa pari alla massa totale della sovrastruttura, ossia quella al di sopra del sistema di isolamento m+m b nello schema di Fig. 1.5, e con rigidezza e smorzamento pari alle corrispondenti grandezze del sistema di isolamento k b e ξ b. Lo spostamento interpiano, direttamente legato al danno prodotto dal sisma negli elementi strutturali e non, risulta proporzionale al rapporto delle pulsazioni ε ed allo spostamento massimo alla base Sd( ω b, ξb ). Lo spostamento interpiano, pertanto, si riduce al diminuire del rapporto fra il periodo della struttura a base fissa e quella isolata ed all aumentare dello smorzamento del sistema di isolamento. Lo stesso spostamento è ottenibile come rapporto tra la forza sismica, calcolata moltiplicando il coefficiente di taglio C s per la massa m, e la rigidezza della sovrastruttura k s. Data l ottima approssimazione ottenibile dal modello ad un grado di libertà, è evidente che, quando il comportamento della struttura è assimilabile ad elastico, gli spettri di risposta costituiscono degli strumenti progettuali diretti, che forniscono immediatamente il massimo spostamento, Sd( Tb, ξ b ), e il massimo taglio, ( mb + ms ) Sa( Tb, ξb ), del sistema di isolamento. Il modo migliore per quantizzare gli effetti dell isolamento sismico è fare riferimento a spettri di risposta elastici di caratteristiche medie, come quelli forniti dalle norme per diversi tipi di terreno (da molto rigidi a poco addensati e/o consistenti). Si ricorda che gli spettri elastici di normativa forniscono la risposta massima (o meglio un

20 1 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico determinato frattile superiore della distribuzione dei massimi) di oscillatori elementari di diverso periodo (in ascissa) e smorzamento viscoso (curve a diverso ξ), per effetto di una serie di eventi sismici aventi lo stesso periodo di ritorno [Chopra 1995]. La tipica forma di questi spettri è data dalle seguenti equazioni: T 0 T < T B S = + (,5 1) e( T ) a g S 1 η (1.38) TB T T < S ( T ) = a S η, 5 (1.39) B T C e g TC T C T < T D Se( T ) = a g S η,5 (1.40) T T D T TC TD Se( T ) = a g S η,5 (1.41) T nelle quali: S fattore che tiene conto del profilo stratigrafico del suolo di fondazione (vedi punto 3.1); η fattore che tiene conto di un coefficiente di smorzamento viscoso equivalente ξ, espresso in punti percentuali (η=1 per ξ=5); T periodo di vibrazione dell oscillatore semplice; T B T C T D periodi che separano i diversi rami dello spettro, dipendenti dal profilo stratigrafico del suolo di fondazione. Sa (m/sec) Suolo A Suolo B-C-E Suolo D Sd (m) Suolo A Suolo B-C-E Suolo D Periodo (sec) Periodo (sec) Fig. 1.6 Spettri di risposta elastici di (pseudo)accelerazioni e di spostamenti per smorzamento viscoso 5%, normalizzati ad a g =1, per la progettazione delle strutture isolate secondo le norme italiane per diverse categorie di suolo Nelle norme contenute nell Ordinanza 374/003 i valori dei suddetti parametri per gli spettri da utilizzare nella progettazione delle strutture isolate sono riassunti in tabella

21 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento ed il fattore riduttivo che tiene conto dello smorzamento è dato dall espressione η = 10 /( 5 + ξ ) 0,55. I corrispondenti spettri di pseudoaccelerazione e spostamento, quest ultimo facilmente ottenibile dal primo moltiplicando le ordinate spettrali per T /(π), sono rappresentati nei diagrammi di Fig Tabella 1.1 Parametri che descrivono gli spettri di risposta elastici per la progettazione con isolamento sismico nella norma italiana Categoria suolo S T B T C T D A 1,0 0,15 0,40,5 B, C, E 1,5 0,15 0,50,5 D 1,35 0,0 0,80,5 Come si può vedere, questi spettri presentano tre tratti d interesse per gli usuali valori del periodo delle strutture fisse alla base e isolate. Nell intervallo compreso tra T B (= sec.) e T C (= sec.), in cui ricadono la gran parte delle strutture a base fissa, l accelerazione è costante e lo spostamento crescente con il quadrato del periodo. Nell intervallo successivo tra T C (= sec.) e T D (=.50 sec.), in cui ricadono la gran parte delle strutture isolate, l accelerazione decresce con l inverso del periodo e lo spostamento è proporzionale al periodo stesso, mentre la (pseudo)velocità rimane costante. Nel terzo intervallo (T>T D ) in cui ricadono le strutture con isolamento molto spinto, lo spostamento è costante e l accelerazione decresce ancor più rapidamente. Indicando con C sa il coefficiente di taglio relativo al tratto dello spettro ad accelerazione costante e con C sv il coefficiente di taglio relativo al tratto dello spettro a velocità costante, si può scrivere: C sa C sv = T (1.4) C sa T vb max = 4 π (1.43) da cui si ricava: C ( C π ) sv vb max = sa (1.44) Le equazioni (1.4) e (1.43) mettono in luce come raddoppiando il periodo proprio di vibrazione della struttura isolata, si raddoppia lo spostamento alla base e si dimezza il taglio. Nell intervallo considerato, il prodotto fra il coefficiente di taglio massimo C sv e lo spostamento massimo alla base v bmax risulta costante, una volta fissato il tipo di terreno ed il livello di sismicità del sito (v. Eq.(1.44)). Ciò mette chiaramente in evidenza come nella progettazione di un sistema di isolamento, occorra raggiungere un compromesso fra taglio massimo e spostamento massimo alla base. E interessante, anche, osservare che

22 14 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico incrementando il periodo della struttura isolata nel terzo intervallo (T>T D ) si ottengono ulteriori riduzioni del taglio alla base senza incrementi dello spostamento, almeno, per quanto riguarda le norme italiane, fino al raggiungimento di un periodo di 4 sec. Nelle considerazioni fatte finora si è volutamente trascurata la capacità dissipativa del sistema d isolamento, espressa dal rapporto critico di smorzamento ξ b. Mentre l incremento del periodo determina effetti opposti sull accelerazione e sullo spostamento, l aumento dello smorzamento (dal 7% della struttura a base fissa in campo elastico al 10 30% della struttura isolata) produce una riduzione sia del taglio che dello spostamento massimo alla base. Le norme permettono di tener conto dell abbattimento della risposta massima conseguente ad uno smorzamento ξ superiore al 5%, assunto come valore di riferimento, mediante il coefficiente riduttivo η, valutabile con la semplice espressione riportata in precedenza. La riduzione delle accelerazioni nella risposta sismica delle strutture isolate, ottenuta incrementando il periodo e lo smorzamento, è generalmente superiore alla riduzione dello spettro di risposta elastico nella traduzione in spettro di progetto delle strutture a base fissa, effettuata con il fattore di struttura, in funzione della loro duttilità. Facendo riferimento alle strutture in c.a., le norme italiane prevedono valori del fattore di struttura compresi tra circa e circa 6 in relazione alla tipologia strutturale, alle caratteristiche di regolarità, alla classe di duttilità adottata nella progettazione, alle caratteristiche di sovraresistenza della struttura. Considerando una struttura con periodo, nella condizione di base fissa, T=0.4 sec., isolata con periodo T= 4 sec. e smorzamento del 10 0%, e considerando diversi tipi di suolo (A, B-C-E, D) l accelerazione spettrale può essere ridotta, rispetto a quella della struttura a base fissa in campo elastico, di un fattore compreso tra circa 3 (suolo D, T= sec., ξ=10%) e circa 5 (suolo A, T=4 sec., ξ=0%). L efficacia dell isolamento sismico si riduce nelle strutture con periodo a base fissa elevato. In generale è chiaro che le strutture con isolamento sismico non debbono far affidamento sulle loro capacità di deformazione inelastica per sopravvivere a terremoti violenti e che il concetto di isolamento integrale (ossia di assenza di deformazione inelastiche in tutta la struttura) può essere economicamente applicato nella gran parte delle situazioni progettuali. D altra parte i vantaggi che una strategia d isolamento parziale, ossia l accettazione d importanti escursioni in campo anelastico, sarebbero ridotti da un punto di vista economico. Per di più la progettazione con analisi lineari effettuata con uno spettro ridotto attraverso un fattore di struttura non garantisce una completo controllo sul comportamento reale della struttura [Vestroni et al. 199, Dolce e Quinto 1994]. Particolarmente utile è la rappresentazione ADRS (Acceleration-Displacement Response Spectrum) dello spettro elastico. Tale rappresentazione, alternativa a quella più usuale nel piano periodo (o frequenza) pseudoaccelerazione (o spostamento), vede lo spostamento massimo in ascissa e la (pseudo)accelerazione massima in ordinata. Le rette per l origine risultano inclinate di un angolo θ legato al periodo di vibrazione attraverso la seguente espressione:

23 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento 15 Sa (m/s ) Sa (m/s ) Sa (m/s ) ξ = 5% ξ = 10% ξ = 0% ξ 8% TC=0,4 s Spettro normalizzato a g = 1 - suolo A Sd (m) ξ = 5% ξ = 10% ξ = 0% ξ 8% TC=0,5 s (a) Suolo A Spettro normalizzato ag = 1 - Suolo B,C, E T=1,0 s Sd (m) ξ = 5% ξ = 10% ξ = 0% ξ 8% TC=0,8 s (b) Suolo B-C-E Spettro normalizzato a g = 1 - Suolo D T=1,0 s Sd (m) T=1,0 s T=1,5 s T=,0 s T=,5 s T=3,0 s T=3,5 s T=4,0 s T=1,5 s T=,0 s T=,5 s T=3,0 s T=3,5 s T=4,0 s T=1,5 s T=,0 s T=,5 s T=3,0 s T=3,5 s T=4,0 s (c) Suolo D Fig Rappresentazione in formato ADRS degli spettri elastici normalizzati ad a g =1 per le diverse categorie di suolo.

24 16 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico tg( S 4π ) = (1.45) S T a θ = d Il formato ADRS, normalmente utilizzato nell applicazione dei metodi di analisi statica non lineare [ATC 1996], permette di identificare immediatamente, su un unico grafico, le grandezze fondamentali per la progettazione di una struttura isolata. Nella Fig. 1.7 sono riportati gli spettri in tale formato per le diverse tipologie di suolo di fondazione. In ciascun diagramma sono riportate le curve degli spettri normalizzati ad a g =1 per diversi valori dello smorzamento. La loro utilizzazione è immediata, una volta identificata la categoria del suolo di fondazione (A, B-C-E o D) e la zona di classificazione sismica del sito in esame e, conseguentemente, il valore a g competente a tale zona. Infatti, noto il periodo della struttura isolata, ci si posiziona sulla retta inclinata ad esso relativa (eventualmente ottenuta per interpolazione), in corrispondenza della curva relativa allo smorzamento considerato. È allora immediato leggere il massimo spostamento in ascissa e la massima accelerazione in ordinata, che andranno moltiplicate per il valore di a g competente alla zona sismica in considerazione. Negli stessi spettri è possibile riconoscere i diversi intervalli di periodo nei quali si collocano le strutture a base fissa e le strutture isolate. In particolare s individua l intervallo T C -T D (=.5 sec.), nel quale si collocano molte applicazioni dell isolamento sismico, e l intervallo successivo (.5-4 sec.) nel quale lo spostamento si mantiene costante mentre continua a diminuire l accelerazione. Il confronto tra gli spettri di norma relativi a diverse condizioni del suolo di fondazione evidenzia le notevoli differenze che queste possono comportare nella risposta delle strutture isolate, sia in termini di accelerazione sulla sovrastruttura che di spostamento del sistema di isolamento. L applicabilità e l efficienza dell isolamento sismico in funzione delle caratteristiche sismiche del sito è argomento al quanto delicato e complesso. Ogni terremoto genera un sistema di onde sismiche che attraversano la crosta terrestre fino a raggiungere la superficie, con diversi percorsi e subendo differenti fenomeni di rifrazione, riflessione e filtrazione. Per uno dato evento sismico, le caratteristiche delle scosse prodotte nei diversi siti (più o meno lontani dalla sorgente, su roccia, su terreno deformabile, su cresta o su pendio ecc.) presentano differenze sostanziali fra di loro. In alcuni casi le scosse presentano tali peculiarità da renderle sostanzialmente diverse dai terremoti di progetto di norma. Situazioni che richiedono particolare attenzione sono quelle generate da scosse registrate in vicinanza della faglia sorgente ( near fault ) di terremoti di elevata magnitudo e/o quelle in siti caratterizzati da spessi strati di molte decine o centinaia di metri di terreno deformabile e/o con sorgente molto profonda (più di un centinaio di km) [Kelly 001]. Le prime (ad esempio la scossa registrata a Imperial Valley nel 1969) sono spesso caratterizzate da singole pulsazioni a bassa frequenza con elevate velocità del terreno. Tali effetti sono chiaramente visibili negli spettri di risposta e si traducono in un picco della risposta sugli alti periodi (anche oltre i secondi) e, conseguentemente, in notevoli spostamenti (anche oltre 1 metro) per i valori del periodo normalmente adottati per

25 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento 17 l isolamento. Si riscontrano spesso anche elevate accelerazioni verticali che possono indurre condizioni di trazione nei dispositivi d isolamento. Le seconde (di cui è un esempio il terremoto di Mexico City del 1985) generano un moto del terreno caratterizzato da una serie di pulsazioni a basse frequenze di notevole intensità e durata. Il picco degli spettri di risposta si situa su valori alti del periodo (intorno ai secondi per il terremoto citato). È evidente che tali terremoti hanno un potenziale distruttivo molto elevato per un ampia classe di strutture, convenzionali e con isolamento sismico. In tali situazioni occorre ben valutare se l isolamento sismico è effettivamente la scelta ottimale per la protezione sismica delle strutture in esame. In ogni caso occorre ben calibrare le caratteristiche del sistema stesso, sulla base di attenti studi sismologici, eventualmente forzando sensibilmente il periodo d isolamento su valori elevati (dell ordine dei 4-5 sec.) o adottando strategie non più basate sull incremento del periodo ma, piuttosto, sulla limitazione della forza. In ogni caso i dispositivi d isolamento dovranno essere in grado di sopportare ampi spostamenti, ben superiori a quelli previsti usualmente dalle norme. Tornando ai diagrammi di Fig. 1.7, si osserva che l incremento dello smorzamento del sistema d isolamento risulta, apparentemente, sempre benefico, sia in termini di accelerazioni che di spostamenti. Occorre tener presente, tuttavia, che il confronto è fra grandezze legate al primo modo di vibrare della struttura, nella configurazione a base fissa ed isolata, con un approccio semplificato nel quale si assume la completa disaccoppiabilità dei modi. Elevati valori di smorzamento nel sistema d isolamento possono, invece, produrre un incremento delle accelerazioni legate ai modi superiori, con conseguenze negative soprattutto nei riguardi del contenuto non strutturale [Naeim and Kelly 1999, Kelly 001]. Ciò è vero, in particolare, quando lo smorzamento è di natura isteretica, cioè legato al comportamento non lineare del sistema di isolamento, funzione dello spostamento. In tal caso, infatti, ogni passaggio del sistema d isolamento per la sua fase elastica, all atto dell inversione della direzione del moto, determina una ridistribuzione dell energia fra i modi di vibrare della struttura, con un aumento del contributo dei modi superiori. Accelerazioni ad alte frequenze possono modificare la distribuzione delle forze lungo l altezza della struttura (e conseguentemente anche i drift interpiano) e produrre effetti più gravosi sugli oggetti portati. 1.3 DISPOSITIVI E SISTEMI DI ISOLAMENTO Un sistema d isolamento deve in generale possedere le seguenti caratteristiche: (i) capacità di sostenere i carichi gravitazionali in condizioni di riposo e in condizioni sismiche (funzione di appoggio), (ii) elevata deformabilità (o bassa resistenza) in direzione orizzontale sotto azioni sismiche, (iii) buona capacità dissipativa, (iv) adeguata resistenza ai carichi orizzontali non sismici (vento, traffico, ecc.),

26 18 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico Un requisito addizionale è la capacità di ricentraggio, che permette di avere spostamenti residui nulli o trascurabili al termine del sisma. Altre caratteristiche quali: durabilità, facilità di installazione, costi contenuti, ingombro limitato, ecc., possono influenzare la scelta del dispositivo o del sistema di isolamento, ma non le sue prestazioni meccaniche in condizioni di installazione e manutenzione corrette. Un sistema d isolamento è costituito da un insieme di dispositivi che tra loro combinati permettono di ottenere il comportamento richiesto. I dispositivi possono essere tutti dello stesso tipo o di tipo diverso (generalmente non più di due), e sono opportunamente disposti per collegare la sottostruttura con la sovrastruttura in corrispondenza del piano d isolamento. Diversi dispositivi e sistemi di isolamento sono stati proposti e sviluppati negli ultimi 0 anni [Housner et al 1998, Bucale and Mayes 1990]. Alcuni di essi hanno trovato vasta applicazione e diffusione in tutto il mondo. I componenti di un sistema di isolamento si possono distinguere in isolatori e dispositivi ausiliari. Gli isolatori sono dispositivi che svolgono la funzione di sostegno dei carichi gravitazionali, sono dunque dei particolari apparecchi di appoggio generalmente bidirezionali, con elevata rigidezza in direzione verticale ed elevata deformabilità (ovvero bassa resistenza) in direzione orizzontale. A tale funzione possono essere associate o meno quelle di dissipazione di energia, di vincolo laterale sotto carichi orizzontali di servizio non sismici (vento, ecc.), di ricentraggio della struttura al termine del sisma. In figura 1.8 è mostrato il loro comportamento meccanico ideale attraverso curve caratteristiche schematiche forza-spostamento. Gli isolatori attualmente in uso possono essere distinti in due principali categorie: (a) isolatori in materiale elastomerico ed acciaio, basati sull elevata deformabilità elastica della gomma, e (b) isolatori a scorrimento, basati sulla bassa resistenza d attrito che si sviluppa tra superfici di alcuni materiali opportunamente trattati. a) b) Figura 1.8. Diagrammi schematici forza-spostamento di dispositivi isolatori (a) in materiale elastomerico e acciaio e (b) a scorrimento I dispositivi ausiliari svolgono la funzione di dissipazione di energia e/o di ricentraggio del sistema e/o di vincolo laterale sotto carichi orizzontali di servizio non sismici (vento, ecc.). In figura 1.9 è mostrato il comportamento meccanico schematico di alcuni dispositivi ausiliari in termini di diagramma forza-spostamento. Tra di essi si distinguono:

27 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento 19 dispositivi a comportamento non lineare, indipendente dalla velocità di deformazione, basati sull isteresi di alcuni metalli, quali l acciaio e il piombo (curve a in Fig. 1.9), sull attrito fra superfici opportunamente trattate (curva b) o sulle proprietà superelastiche di particolari leghe metalliche, quali le leghe a memoria di forma [Duerig et al 1990, Cardone and Dolce 00], sfruttate per ottenere ottime capacità di ricentraggio (curva c); dispositivi a comportamento viscoso (curva d), dipendente dalla velocità di deformazione, basati sull estrusione di fluidi altamente viscosi all interno di un cilindro con pistone dotato di orifizi di opportune dimensioni; dispositivi a comportamento lineare, o quasi lineare (curva e), assimilabile a viscoelastico, basati sulla deformazione a taglio di speciali polimeri. a) b) c) d) e) Fig. 1.9 Tipici diagrammi forza-spostamento di dispositivi ausiliari a comportamento non lineare basati: (a) sull isteresi di alcuni metalli, (b) sull attrito e (c) sulle proprietà superelastiche delle leghe a memoria di forma; (d) dispositivi ausiliari a comportamento viscoso e (e) dispositivi a comportamento quasi lineare Un sistema di isolamento può essere costituito unicamente da isolatori elastomerici, eventualmente realizzati con elastomeri ad alta dissipazione o comprendenti inserti di materiali dissipativi (ad es. piombo, fluidi viscosi), oppure unicamente da isolatori a scorrimento (o rotolamento), che inglobano funzioni dissipative e/o ricentranti, per la presenza di elementi capaci di svolgere tali funzioni, oppure da un opportuna combinazione di isolatori e dispositivi ausiliari, questi ultimi con funzione dissipativa, ricentrante e/o di vincolo.

28 0 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico Sistemi basati su isolatori elastomerici Gli isolatori in gomma armata sono i componenti fondamentali di questi sistemi di isolamento. Essi sono realizzati alternando strati di elastomero dello spessore di 5-0 mm con lamierini in acciaio dello spessore di -3 mm (v. Fig. 1.11). Questi ultimi esplicano un azione di confinamento sull elastomero, che ne limita la deformabilità verticale (così da contenere in 1-3 mm l abbassamento del dispositivo sotto i carichi di esercizio), incrementandone sensibilmente la portanza ai carichi verticali, senza influenzare significativamente la deformabilità a taglio dell isolatore in direzione orizzontale. Per le proprietà di resistenza a fatica e di elasticità della gomma, gli isolatori elastomerici sono in grado di soddisfare molti dei requisiti di un sistema di isolamento. Alcune varianti, ottenute attraverso l uso di speciali mescole additivate o di inserti atti ad aumentarne le capacità dissipative e a variarne in maniera favorevole la rigidezza, permettono di conseguire in pieno tali requisiti e di realizzare sistemi di isolamento costituiti unicamente da isolatori elastomerici, senza altri dispositivi ausiliari. Alcune problematiche sono comuni a tutti i dispositivi di isolamento in gomma. Fra di esse si ricordano: (i) la stabilità del dispositivo sotto compressione e taglio, (ii) l aumento di deformazione sotto carico costante (creep) della gomma, (iii) l efficacia dell aderenza gomma-acciaio ad elevati spostamenti e (iv) le variazioni di comportamento meccanico dell elastomero con la temperatura, la frequenza di oscillazione e l invecchiamento. Ciascuno di tali aspetti va valutato attentamente in fase sperimentale (vedi prove di qualificazione sui dispositivi) e portato debitamente in conto in fase di progettazione e verifica della struttura isolata. Molte normative prescrivono l esecuzione della cosiddetta Upper and Lower Bound Analysis, prendendo in considerazione i valori minimi e massimi dei parametri di comportamento raggiungibili durante la vita utile del dispositivo nelle diverse condizioni di lavoro, con particolare riferimento agli effetti della temperatura e dell invecchiamento [Morgan and Whittaker 001], per determinare i parametri della risposta del sistema strutturale. Caratteristica comune a tutti gli isolatori in gomma è la riduzione della loro capacità portante verticale al crescere dello spostamento orizzontale applicato, sia per la deformazione a taglio indotta che per la riduzione dell area di impronta effettiva [Kelly 001]. Ciò è chiaramente messo in luce dalla Fig. 1.10, che mostra la capacità portante di alcuni isolatori in gomma di diverso diametro, per tre diverse condizioni di carico: (i) in presenza di soli carichi gravitazionali, (ii) in presenza di una deformazione a taglio γ del 150%, corrispondente ad un area di impronta effettiva (Ar) pari al 50% di quella lorda (Ag) e (iii) in presenza di una deformazione a taglio γ del 50%, corrispondente ad un area di impronta effettiva (Ar) pari al 5% di quella lorda (Ag). Come si può vedere, la capacità portante verticale dei dispositivi elastomerici si riduce rapidamente al crescere dello spostamento orizzontale applicato. Ciò può rendere abbastanza problematico il dimensionamento di tali dispositivi in zone ad elevata sismicità, ove sono previsti spostamenti considerevoli, soprattutto se la struttura è affetta da significative variazioni del carico assiale negli isolatori [Kelly 001].

29 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento Carico verticale (kn) Carico verticale γ = 150%, Ar = 0.5 Ag γ = 50%, Ar = 0.5 Ag Diametro (mm) Fig Capacità portante di isolatori in gomma armata al variare della deformazione a taglio applicata Esistono sostanzialmente tre tipi di isolatori elastomerici attualmente in commercio, classificabili in relazione alle caratteristiche dissipative dell elastomero e all eventuale presenza di inserti (v. Fig. 1.11): (i) in gomma armata a basso smorzamento, (ii) in gomma armata ad elevato smorzamento (iii) in gomma armata con nucleo in piombo o altro materiale dissipativo. Gli isolatori in gomma armata a basso smorzamento [Kelly and Quiroz 199, Taylor et al. 199] presentano un comportamento meccanico sostanzialmente elastico (rigidezza quasi costante) al crescere della deformazione ed un rapporto di smorzamento molto basso, dell ordine del -4% (v. Fig. 1.11(a)). Sono semplici da realizzare, facili da modellare ed il loro comportamento meccanico risulta sostanzialmente indipendente dalla frequenza di oscillazione e poco sensibile alla temperatura. Per contro, un sistema di isolamento realizzato con tali isolatori richiede opportuni dispositivi ausiliari, per incrementarne la capacità dissipativa sotto sisma ed evitare movimenti eccessivi della struttura per effetto delle azioni orizzontali di esercizio (vento, ecc.). Gli appoggi in gomma armata ad elevato smorzamento [Kelly 1991, Derham et al. 1985] sono ottenuti aggiungendo alla mescola della gomma opportuni additivi (resine, oli, ecc.) che consentono di raggiungere valori di smorzamento compresi fra il 10% ed il 0%, per deformazioni a taglio dell ordine del 100%. La natura della dissipazione di energia è in parte viscosa, ossia quadratica con lo spostamento, ed in parte isteretica, ossia lineare con lo spostamento (v. Fig. 1.11(b)) [Naeim and Kelly 1999]. Ciò implica una certa dipendenza di comportamento meccanico dalla frequenza di oscillazione, cui si aggiunge anche un influenza non trascurabile della temperatura.

30 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico Fori di fissaggio Gomma naturale Lamierini in acciaio Ricoprimento in gomma Sforzo di taglio (P) Flange Spostamento trasversale (X) (a) Fori di fissaggio Gomma ad alto smorzamento Lamierini in acciaio Ricoprimento in gomma Sforzo di taglio (P) Flange Spostamento trasversale (X) (b) Fori di fissaggio Nucleo in piombo Gomma naturale Lamierini in acciaio Ricoprimento in gomma Sforzo di taglio (P) Flange Spostamento trasversale (X) (c) Fig Configurazione e comportamento meccanico schematico di isolatori elastomeri (a) a basso smorzamento, (b) ad elevato smorzamento e (c) con nucleo in piombo Sia il modulo a taglio che lo smorzamento dipendono in modo significativo dalla deformazione a taglio (γ) applicata. A bassi livelli di deformazione (γ< 10%) il modulo di taglio risulta piuttosto elevato, anche di 5-10 volte maggiore di quello relativo ai livelli di deformazione raggiunti nelle condizioni sismiche di progetto. All aumentare della

31 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento 3 deformazione oltre tali livelli, il modulo di taglio torna a crescere, a causa del processo di cristallizzazione della gomma. Gli isolatori in gomma ad elevato smorzamento possono da soli realizzare un sistema di isolamento completo, che soddisfa i requisiti fondamentali precedentemente espressi. L elevata capacità dissipativa assicura un buon controllo degli spostamenti indotti dal sisma. L elevata rigidezza iniziale limita gli spostamenti sotto i carichi orizzontali non sismici. Il comportamento quasi-elastico garantisce ottime capacità di ricentraggio. Inoltre l incrudimento della gomma, a deformazioni maggiori di quelle associate al terremoto di progetto, può risultare utile nel limitare gli spostamenti nel caso di eventi sismici di anomali per intensità o per contenuto in frequenza. Le proprietà meccaniche degli isolatori ad elevato smorzamento variano in modo significativo durante i primi cicli di deformazione, a causa del fenomeno noto come scragging [Morgan and Whittaker 001], che corrisponde ad un cambiamento di struttura molecolare della gomma. Dopo i primi -3 cicli di carico il comportamento meccanico del dispositivi risulta stabile e ripetitivo per deformazioni minori o uguali a quelle di scragging (v. Fig. 1.1). All atto dello scarico si ha un parziale recupero delle proprietà iniziali. E importante osservare a riguardo che le specifiche sulle caratteristiche del dispositivo indicate in fase di progetto andrebbero comunque riferite al - 3 ciclo di carico allo spostamento di progetto. Test4-Cop3-4-P1 τ (MPa) γ (%) G (MPa) No. cicli γ = 100% γ = 00% Fig. 1.1 Tipico comportamento sperimentale di isolatori elastomerici ad alta dissipazione (prove eseguite presso l Università della Basilicata).

32 4 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico Gli isolatori in gomma armata con nucleo in piombo [Robinson 198, Kelly 199] utilizzano uno o più inserti cilindrici in piombo disposti verticalmente nell isolatore in gomma armata, per ottenere la necessaria rigidezza ai carichi orizzontali di servizio (vento, forze di frenatura nei ponti, ecc.) unitamente ad un elevata capacità dissipativa sotto sisma. Il comportamento meccanico di tali dispositivi (vedi Fig. 1.11(c)) risulta sostanzialmente combinazione di quello elastico lineare degli appoggi elastomerici a basso smorzamento con quello elasto-plastico del nucleo in piombo sottoposto ad un regime deformativo di tipo tagliante. La deformazione a taglio del nucleo è assicurata dall azione di confinamento delle piastre d acciaio del dispositivo in gomma. Lo smorzamento viscoso equivalente, associato ai cicli di isteresi descritti, risulta tipicamente compreso fra il 15% ed il 35%, a seconda dello spostamento imposto e della dimensione dell inserto in piombo [Naeim and Kelly 1999]. Test4-Cop3-4-P1 (KN) (mm) (KN/mm) 3 Rigidezza secante (%) 30 0 Smorzamento equivalente (%) (%) (a) (b) Fig Tipico comportamento sperimentale di isolatori con nucleo (a) in piombo [Skinner et al. 1993] (b) in materiale ad elevata viscosità La rigidezza secante e lo smorzamento viscoso equivalente risultano funzione del numero di cicli applicato. Sia la rigidezza che l energia dissipata diminuiscono progressivamente al crescere del numero di cicli, tendendo a stabilizzarsi dopo cicli di carico, con un fenomeno analogo allo scragging nella gomma, ma con effetti più marcati. Questo comportamento è evidenziato dal grafico inferiore della Fig. 1.13(a), nel quale sono riportati i valori della forza registrati in diverse serie di cicli consecutivi in corrispondenza dello spostamento nullo e dello spostamento massimo. La ripetizione delle serie a distanza di 5 minuti e di 1 giorni dimostra il recupero delle caratteristiche iniziale. All origine di tale fenomeno c è il surriscaldamento del nucleo in piombo,

33 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento 5 prodotto dai ripetuti cicli di oscillazione ad alta frequenza [Kelly 001]. L entità della diminuzione di rigidezza e smorzamento al crescere del numero di cicli applicato è funzione delle dimensioni del dispositivo in gomma e del nucleo in piombo. Elevate capacità dissipative ma con un aliquota viscosa decisamente più elevata ed un comportamento più stabile, possono essere ottenute utilizzando nuclei di materiali polimerici ad elevata viscosità, come per i dispositivi proposti in [Dolce at al. 003a], di cui in Fig. 1.13(b) si riporta un diagramma sperimentale forza-spostamento, ottenuto effettuando serie consecutive con spostamento massimo crescente e corrispondente, nelle singole serie, ad una deformazione di taglio della gomma pari al 5%, 30%, 50%, 70%, 100%. In basso, nella stessa figura, sono riportati i valori della rigidezza secante e dello smorzamento equivalente valutati al terzo ciclo delle singole serie, che evidenziano valori della rigidezza decrescenti al crescere dell ampiezza del ciclo, con un rapporto di circa 3 tra la rigidezza per deformazione al 100% e la rigidezza per deformazione al 5%, e valori pressoché costanti, dell ordine del 5%, dello smorzamento equivalente Sistemi basati su isolatori a scorrimento Gli isolatori a scorrimento possono essere unidirezionali e multidirezionali, permettendo spostamenti in una sola direzione e in tutte le direzioni del piano orizzontale, rispettivamente. I primi hanno trovato e possono trovare applicazione nell isolamento sismico dei ponti, essendo questi caratterizzati da un comportamento totalmente diverso nelle due direzioni e necessitando, talvolta, di un sistema d isolamento efficace in una sola direzione (spesso quella longitudinale). Negli edifici, ovviamente, si tende ad ottenere un comportamento isotropo (nel piano orizzontale) del sistema d isolamento nel suo complesso e si preferiscono gli isolatori multidirezionali. Questi ultimi sono costituiti da due dischi di diverso diametro che scorrono l uno sull altro, costituiti da materiali particolari che sviluppano una bassa resistenza d attrito tra le superfici a contatto. Le superfici di scorrimento più utilizzate, e ampiamente sperimentate nella tecnologia degli appoggi per ponti, sono di acciaio inossidabile lucidato e PTFE (Teflon). Il coefficiente di attrito dinamico risulta, in tal caso, compreso fra il 6% ed il 1%, riducendosi all 1 % in caso di lubrificazione delle superfici [Constantinou et al. 1988, Tyler 1977], ed è funzione (i) della pressione di contatto, (ii) della velocità di scorrimento e (iii) della temperatura [Bondonet and Filiatrault 1997, Constantinou et al. 1987]. Anche il numero di cicli, o più precisamente la distanza totale percorsa dalle superfici a contatto nello scorrimento relativo, influenza in modo non trascurabile il coefficiente d attrito dinamico [Hwang et al. 1990]. In Fig sono mostrati i risultati più significativi di una vasta sperimentazione [Dolce et al. 003] per la determinazione della legge di variazione del coefficiente di attrito dinamico di appoggi scorrevoli acciaio-ptfe, in funzione dello stato di lubrificazione delle superfici a contatto, della pressione di contatto, della velocità di scorrimento e della temperatura dell aria. Dall esame di Fig emergono le seguenti caratteristiche di comportamento del coefficiente d attrito:

34 6 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico (%) (%) (%) C_NL x 0 C_NL 50 C_NL -10 C_L + 0 C_L 50 C_L P = 9.36 MPa (mm/sec) P = 18.7 MPa (mm/sec) P = 8.1 MPa (mm/sec) (KN) (KN) (mm) (KN) (mm) Lubrificato Lubrificato Lubrificato Non lubrificato Non lubrificato Non lubrificato P = 9.36 MPa T = 0 C v = 316 mm/sec P = 9.36 MPa T = 0 C v = 316 mm/sec P = 9.36 MPa T = 0 C v = 316 mm/sec (mm) -4 Fig (A sinistra) Variazioni del coefficiente di attrito di appoggi scorrevoli acciaio-teflon con la velocità di scorrimento, la temperatura dell aria, la pressione di contatto e lo stato di lubrificazione delle superfici a contatto. (A destra) Tipici diagrammi forza-

35 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento 7 aumenta rapidamente al crescere della velocità, da 0 fino a mm/sec, mantenendosi, però, pressoché costante nell intervallo di velocità tipicamente raggiunte in condizioni sismiche ( mm/sec), si riduce all incirca linearmente al crescere della pressione di contatto, diminuisce al crescere della temperatura, è fortemente influenzato dallo stato di lubrificazione delle superfici a contatto, con differenze di un ordine di grandezza in condizioni limite (superfici perfettamente lubrificate al confronto con superfici non lubrificate, ad elevate velocità di scorrimento). Nella pratica, si rinuncia quasi sempre a sfruttare la dissipazione di energia per attrito degli isolatori a scorrimento, per l eccessiva variabilità del coefficiente d attrito, nel tempo e a causa delle diverse condizioni ambientali (temperatura, umidità) e di pulizia nelle quali l isolatore può svolgere la sua funzione antisismica. Si utilizzano, perciò, isolatori lubrificati, con l unica funzione di sostegno dei carichi verticali, lasciando praticamente liberi gli spostamenti orizzontali. Per questo gli appoggi scorrevoli in acciaio-ptfe non sono utilizzati quasi mai come unico componente del sistema di isolamento, a meno che non incorporino elementi atti ad aumentarne la rigidezza iniziale e la capacità dissipativa e/o fornire capacità di ricentraggio. L unico dispositivo d isolamento a scorrimento che incorpora in sé la funzione ricentrante e dissipativa senza l aggiunta di altri elementi sono quelli con superfici di scorrimento curve. Tra questi il più noto è il Friction Pendulum System (FPS) [Al Hussaini et al. 1994], la cui capacità di ricentraggio deriva dall impiego di una superficie di scorrimento di tipo sferico non lubrificata, e perciò in grado anche di dissipare energia. Al raggio di curvatura di tale superficie sferica è legata la rigidezza effettiva del dispositivo e quindi il periodo di vibrazione della struttura isolata. I problemi principali del FPS sono legati alle sue notevoli dimensioni, ai movimenti verticali che inevitabilmente accompagnano gli spostamenti orizzontali, che possono produrre effetti parassiti sulla struttura, all affidabilità nel tempo dell attrito tra le superfici di contatto, ai costi. Gli isolatori in acciaio-ptfe lubrificati a superficie piana devono, invece, essere utilizzati congiuntamente a dispositivi ausiliari aventi funzione ricentrante e/o dissipativa. Frequente è l utilizzazione di dispositivi in gomma [Naeim and Kelly 1999], sia come dispositivi ausiliari, quindi senza funzione di appoggio, che come isolatori veri e propri. In questo ultimo caso si realizzano dei sistemi di isolamento ibridi, in cui coesistono isolatori elastomerici ed isolatori a scorrimento. Questa configurazione presenta interessanti vantaggi sia tecnici che economici. Essa permette di ottenere sistemi a bassa rigidezza (lungo periodo), con notevoli abbattimenti degli effetti del sisma, anche quando la massa strutturale competente a ciascun isolatore è limitata, e buone capacità ricentranti, senza l utilizzazione di dispositivi ausiliari. La principale controindicazione è legata alla differente deformabilità verticale, sia istantanea, sia differita nel tempo (creep), che può determinare spostamenti differenziali verticali in corrispondenza dei diversi isolatori, sia in condizioni statiche, sia sismiche. In tali casi è importante limitare al massimo tali differenze (ad esempio adottando isolatori elastomerici molto rigidi verticalmente) e

36 8 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico valutare attentamente le conseguenze degli spostamenti differenziali sulla struttura. Qualora sussistano dubbi su tali conseguenze, è comunque possibile utilizzare gli isolatori in gomma, nelle diverse versioni viste in precedenza, unicamente come dispositivi ausiliari multidirezionali a comportamento quasi-elastico. In tal caso, ovviamente, decadendo la funzione di sostegno dei carichi verticali, il loro dimensionamento non sarà più condizionato dalla rigidezza e dalla portanza ai carichi verticali, ma unicamente dalle proprietà di rigidezza e dissipazione rispetto ai movimenti orizzontali che si vogliono conseguire. Fra i dispositivi ausiliari per il completamento di un sistema basato su isolatori a scorrimento, si ricordano [Soong and Dargush 1997, Hanson et al. 1993, Constantinou et al. 1998] i dispositivi a comportamento non lineare fortemente dissipativi basati sullo snervamento dell acciaio, che sfruttano elementi opportunamente conformati deformati in regime di flessione e/o torsione, e i dispositivi basati su elementi in piombo sollecitati a taglio oppure in cui il piombo è estruso all interno di un cilindro da un pistone ( Lead Extrusion Damper ). Per ottenere una perfetta capacità ricentrante dell intero sisma, tenuto anche conto della resistenza d attrito che si sviluppa negli isolatori, una soluzione proposta di recente [Dolce et al. 000, Dolce et al. 001a] prevede l utilizzo di dispositivi ausiliari basati su leghe a memoria di forma (LMF), ancora a comportamento fortemente non lineare. Una funzione esclusivamente dissipativa è svolta, invece, dai dissipatori viscosi, basati sull estrusione di un fluido altamente viscoso all interno di un cilindro con pistone dotato di un orifizio di opportune dimensioni. In generale questi dispositivi svolgono, oltre alla funzione dissipativa e/o ricentrante sotto azioni sismiche, anche quella di vincolo laterale sotto carichi orizzontali non sismici (vento, ecc.). Una questione molto discussa è la necessità di dotare il sistema d isolamento di capacità ricentranti. Mancando queste ultime, la risposta del sistema mostrerebbe una deriva in una certa direzione ed un elevato spostamento residuo al termine dell evento sismico. Questo fenomeno può risultare particolarmente accentuato in presenza di terremoti di elevata intensità in vicinanza della sorgente sismica ( Near Fault ). Il problema si pone innanzitutto rispetto alle condizioni di utilizzabilità della struttura dopo l evento (eccessivi spostamenti residui potrebbero non essere compatibili con le condizioni di utilizzazione) e quindi rispetto alle condizioni di sicurezza nei confronti di scosse successive ( aftershocks ) che potrebbero fare assumere al fenomeno dimensioni eccessive. Per questo molte normative accettano l utilizzo di sistemi di isolamento privi di capacità ricentrante, a patto di far riferimento ad uno spostamento superiore, addirittura pari a tre volte in [ICBO 1997], allo spostamento massimo di progetto del sistema di isolamento, per la verifica di giunti, impianti, ecc.. In generale il problema del riposizionamento della struttura nella sua configurazione originaria non presenta particolari difficoltà di soluzione se già nel progetto si prevedono elementi di contrasto da cui spingere la struttura, avendo disconnesso i dispositivi ausiliari dissipativi così da limitare la forza necessaria allo spostamento alla sola reazione di attrito negli isolatori a scorrimento.

37 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento EFFETTI DELL ISOLAMENTO SISMICO SUGLI EDIFICI Le considerazioni di carattere teorico e su modelli semplificati svolte nel par. 1. hanno evidenziato come l introduzione di un sistema di isolamento alla base in un edificio determini una drastica riduzione delle forze di inerzia e, di conseguenza, una netta diminuzione dei tagli di piano e degli associati spostamenti interpiano normalizzati rispetto all altezza di piano. Nel presente capitolo verranno approfonditi alcuni importanti aspetti del comportamento degli edifici con isolamento sismico, attraverso l esame dei risultati di indagini sperimentali e numeriche relative a strutture multipiano protette con diversi sistemi di isolamento. Numerosi studi di carattere sperimentale, su modelli strutturali in scala ridotta ed al vero, sono stati compiuti a partire dagli anni 80, al fine di valutare l efficacia dell isolamento sismico nella protezione sismica delle costruzioni. Le tecniche di prova adoperate allo scopo sono essenzialmente due: (i) prove su tavola vibrante e (ii) prove pseudodinamiche. Nelle prove su tavola vibrante, il modello strutturale, generalmente in scala ridotta, poggia su una piattaforma di opportune dimensioni e massa, azionata da una serie di attuatori dinamici, che riproducono la storia degli spostamenti del terreno relativa ad un prefissato accelerogramma. La durata della prova risulta in genere di qualche decina di secondi, essendo pari alla durata del terremoto diviso la radice quadrata della scala del modello. Nella prova pseudodinamica [Shing and Mahin 1984] le forze d inerzia di piano che nascerebbero sulla struttura sottoposta al sisma vengono calcolate mediante una simulazione numerica che aggiorna le caratteristiche del modello istante per istante e vengono applicate alla struttura di prova tramite degli attuatori fissati ad una parete di contrasto di opportune dimensioni. Completano l apparato di prova una serie di sensori, fra cui le celle di carico ed i trasduttori di spostamento dei martinetti, interfacciati ad un computer dotato di un software specifico per questo tipo di prova. Le forze di inerzia da applicare, istante per istante, ai piani del modello sono ottenute risolvendo le equazioni del moto del sistema ad N gradi di libertà che schematizza il comportamento dinamico della struttura, aggiornando la matrice di rigidezza, per portare in conto eventuali non linearità della struttura. I tempi di una prova pseudodinamica sono ovviamente molto maggiori di quelli di una prova dinamica, essendo funzione dell efficienza del sistema di controllo, dell intervallo di integrazione scelto, della risposta (in campo elastico o meno) della struttura, oltre che naturalmente della durata dell accelerogramma. Fra le diverse tipologie strutturali testate, maggiore attenzione è stata rivolta finora alle strutture intelaiate in c.a., data la loro vasta diffusione, e in acciaio, data la maggiore semplicità di messa a punto del modello sperimentale. Le prove di simulazione sismica sono state condotte in prevalenza su modelli in scala ridotta, sia piani che tridimensionali, tamponati e non, progettati come strutture fisse alla base per resistere ad azioni sismiche decisamente minori di quelle applicate nelle prove o ai soli carichi verticali. Per adeguare la struttura alle forze sismiche di progetto si sono adottati diversi sistemi d isolamento, sia a comportamento (quasi-)elastico che a comportamento fortemente non lineare. Per

38 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico verificare l efficacia dei diversi sistemi d isolamento, si è sempre cercato di confrontare la risposta sismica dei modelli isolati alla base con quella di uguali modelli a base fissa Celle di carico Celle di carico Celle di carico Celle di carico Tavola vibrante Tavola Vibrante Tavola vibrante Vibrante Fig Modello di telaio piano in c.a., in scala 1:3.3, testato su tavola vibrante nell ambito del progetto MANSIDE Nell ambito del progetto MANSIDE ( Memory Alloys for New Seismic Isolation Devices ) [Proc. MANSIDE project 1999, Dolce et al. 001], sono stati realizzati sette modelli identici, di cui tre dotati di tamponature in mattoni, utilizzando tre diverse tecniche di protezione sismica: (i) convenzionale, affidando alla duttilità la capacità di sostenere il terremoto, (ii) isolamento alla base e (iii) dissipazione di energia. In Fig è mostrato lo schema del modello a telaio piano in c.a., in scala 1:3.3, progettato con riferimento all Eurocodice 8 [CEN 1994] per strutture a bassa duttilità (q =.5) in zone a bassa sismicità (PGA = 0.15g) e terreno tipo B. Diversi dispositivi d isolamento e di dissipazione sono stati utilizzati nelle prove, basati sia su tecnologie correnti (isolatori in gomma armata ed elementi dissipativi in acciaio) che su materiali avanzati come le leghe a memoria di forma [Dolce and Cardone 001c,d]. Il modello è stato testato sulla tavola vibrante dell Università Tecnica di Atene, assumendo come input sismico un accelerogramma artificiale, coerente con lo spettro di risposta elastico dell EC8 [CEN 1994] per suolo tipo B (caratteristiche intermedie), incrementandone l intensità (espressa in PGA) prova dopo prova, fino al collasso della struttura (per i modelli convenzionali) ovvero fino al raggiungimento dei limiti operativi della tavola e/o dei dispositivi di protezione sismica. In Fig è confrontata la risposta massima del modello convenzionale a base fissa (FB) con quella del modello dotato di isolatori in gomma (BI). Il confronto è effettuato in

39 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento 31 termini di: (a) accelerazioni di piano, (b) tagli di piano, (c) spostamenti assoluti di piano, (d) spostamenti relativi (drift) interpiano, per due diversi livelli d intensità sismica, corrispondenti ad un accelerazione della tavola pari a 0.15g e 0.5g circa. La struttura a base fissa ha raggiunto le condizioni di collasso a 0.5g, per la formazione di un meccanismo di piano, come testimonia il drift massimo dell 8% circa del primo piano. Al contrario, il drift massimo registrato dalla struttura isolata per la stessa intensità sismica si attesta intorno allo 0.6%, valore corrispondente allo sviluppo delle prime deformazioni plastiche negli elementi strutturali in c.a. [Dolce et al. 001a]. Ad intensità sismiche minori (0.15g), la presenza dell isolamento alla base garantisce comunque un livello di protezione nettamente maggiore, rispetto alla struttura a base fissa, sia nei confronti degli elementi non strutturali (v. drift interpiano) che del contenuto strutturale (v. accelerazioni di piano). In aggiunta, l isolamento sismico, in questo caso a comportamento lineare, determina una netta riduzione sia del taglio alla base che del momento ribaltante (vedi andamento lungo l altezza delle accelerazioni di piano), con conseguenti riduzioni delle sollecitazioni in fondazione. BI_0.13g FB_0.14g BI_0.5g FB_0.48g % (m/sec) (KN) (mm) (%) (a) (b) (c) (d) Fig Confronto fra le risposte massime del modello fisso alla base (FB) e del modello con isolatori in gomma a basso smorzamento (BI) del progetto MANSIDE, per due diversi livelli di intensità sismica: (a) accelerazioni di piano, (b) tagli di piano, (c) spostamenti assoluti di piano, (d) drift interpiano. La tecnica dell isolamento alla base può essere molto efficace anche nell adeguamento sismico delle strutture esistenti, ossia di quelle strutture che, anche se dotate di una resistenza alle forze laterali, certamente non soddisfano tutti quei requisiti (colonne forti e travi deboli, adeguato quantitativo di staffe e legature nei nodi e nelle zone terminali di travi e pilastri, etc.) indispensabili per sostenere significative escursioni inelastiche e/o che hanno rigidezza insufficiente per limitare o evitare danni alle parti non 7.8 %

40 3 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico strutturali. L isolamento sismico può essere efficace anche nel caso dei telai in c.a. progettati per soli carichi verticali, ma dotati anch essi, per sovradimensionamenti nella progettazione, di una minima resistenza alle azioni laterali. L efficacia dell isolamento sismico nel caso delle strutture intelaiate esistenti è conseguente al drastico abbattimento delle accelerazioni agenti sulle masse strutturali, e dunque delle forze sismiche, fino a riportarle al di sotto della resistenza laterale della struttura. Il mantenimento della struttura in campo sostanzialmente elastico elimina o limita sensibilmente la necessità d interventi di rafforzamento molto costosi ed invasivi sulla struttura in elevazione, con il conseguente rifacimento di molte parti non strutturali, e in fondazione. L adozione dell isolamento può essere risolutiva anche per quelle strutture suscettibili di un cattivo comportamento sotto sisma a causa di irregolarità (geometriche, nella distribuzione delle masse, nella distribuzione delle rigidezze) in pianta e/o in elevazione, che ne limitano notevolmente la duttilità. Fig Modello di telaio in c.a., in scala 1:4, testato su tavola vibrante nell ambito del progetto TREMA Finalizzate alla valutazione dell efficacia di diversi sistemi d isolamento sismico per l adeguamento delle strutture intelaiate progettate per soli carichi verticali, le prove su tavola vibrante svolte nell ambito del progetto TREMA (Tecnologie per la Riduzione degli Effetti sismici sui Manufatti Architettonici in muratura e in c.a.) [Cardone et al. 003] presso il Laboratorio dell ENEA-Casaccia hanno riguardato il modello di telaio tridimensionale in c.a. in scala 1:4, mostrato in Fig La struttura è stata progettata per

41 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento 33 soli carichi verticali, secondo la normativa vigente in Italia prima del 1971 (anno di emanazione della L. 1086). I sistemi d isolamento sono stati realizzati con appoggi scorrevoli acciaio-ptfe a basso attrito ( %) e tre tipi di dispositivi ausiliari, dissipativi e/o ricentranti, basati sulle proprietà: (i) elastiche della gomma, (ii) isteretiche di elementi di acciaio opportunamente conformati e (iii) superelastiche di fili in lega a memoria di forma Ni-Ti. Il modello testato era dotato di tamponature in mattoni di calcestruzzo alleggerito (siporflex), disposte come mostrato in Fig Come input sismico della tavola vibrante, si sono adottate le due componenti orizzontali (Est-Ovest e Nord-Sud) della registrazione di Colfiorito del terremoto Umbro-Marchigiano del Le suddette componenti sono state applicate contemporaneamente alla tavola, secondo le due direzioni principali del modello (v. Fig. 1.17). L accelerazione di picco della tavola, in entrambe le direzioni, è stata aumentata progressivamente nel corso delle prove, fino al raggiungimento dei limiti operativi dei dispositivi (per il modello isolato) ovvero fino al collasso della struttura (per il modello non protetto). Fig Disposizione delle tamponature nei telai secondo X e secondo Y del modello testato nell ambito del progetto TREMA Per la progettazione dei dispositivi d isolamento, si è fatto riferimento alla resistenza laterale del telaio in c.a., considerato privo di tamponature, determinata tramite analisi di spinta ( push-over ) [ATC 1996] su modelli numerici a fibre [Prakash et al. 1994]. Durante le prove sul modello isolato si sono raggiunte accelerazioni della tavola molto alte, fino a g, registrando danni trascurabili, e solo sulle parti non strutturali. Il modello a base fissa è riuscito a sostenere accelerazioni della tavola fino a 1g, valore per il quale si registravano condizioni di collasso. Tutto ciò appare evidente dall esame della Fig. 1.19, in cui sono riportati i massimi drift registrati nei due telai secondo Y del modello, fisso alla base e isolato con dispositivi in gomma, nel corso di alcune prove a diversa intensità sismica (PGA). I massimi drift interpiano nella struttura isolata si sono mantenuti al di sotto dello 0.5%, fino ad intensità sismiche pari a circa g, assicurando, così, un elevato livello di protezione anche alle parti non strutturali sotto terremoti molto violenti. Si ricorda a tal proposito che il limite posto dalla nuova normativa allo spostamento

42 34 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico d interpiano, per il contenimento dei danni delle parti non strutturali, è pari proprio allo 0.5% dell altezza di piano. (%) Telaio 1Y _ Piano 3 (%) Telaio Y _ Piano BI_gomma 3.0 BI_gomma.5 FB.5 FB PGA (g) PGA (g) (%) Telaio 1Y _ Piano (%) Telaio Y _ Piano 3.0 BI_gomma 3.0 BI_gomma.5 FB.5 FB PGA (g) PGA (g) (%) Telaio 1Y _ Piano 1 (%) Telaio Y _ Piano BI_gomma FB BI_gomma FB PGA (g) PGA (g) Fig Confronto fra i drift massimi interpiano nei due telai secondo Y della struttura fissa alla base e quelli della struttura con isolamento in gomma, al variare della accelerazione di picco della tavola Nella struttura a base fissa, si nota che i massimi drift interpiano crescono più che linearmente al crescere dell intensità sismica, passando da valori dell ordine dello 0.% a basse intensità sismiche (0.15g) a valori compresi fra lo 0.5% e l 1.% ad intensità sismiche più elevate (0.75g). Da notare, sempre con riferimento alla struttura a base fissa, il brusco incremento del drift del terzo interpiano, per intensità dell ordine di 1g, a causa del crollo delle tamponature e per la contemporanea rottura di alcuni nodi d angolo. Gli

43 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento 35 elevati livelli di accelerazione alla base sostenuti sia nelle condizioni fisse che in quelle isolate, rispetto alla sperimentazione illustrata in precedenza, sono giustificati, da una parte, dalla presenza delle tamponature, distribuite in maniera regolare, e quindi in grado di contribuire significativamente alla resistenza globale del modello, dall altro, al contenuto di energia decisamente inferiore dell input sismico naturale (Colfiorito 97) rispetto a quelli artificiali utilizzati in altre sperimentazioni. Slitte acciaio-teflon Isolatore elastomerico Isolatore in LMF Isolatore con elementi i acciaio (a) (b) Fig. 1.0 (a) Modello in c.a., in scala 1:.5, isolato alla base, testato con la tecnica pseudodinamica, (b) sistemi di isolamento testati alternativamente Alla medesima conclusione si arriva se si analizzano i risultati di una campagna di prove pseudodinamiche svolte presso l Università della Basilicata, nell ambito di una convenzione con il Dipartimento della Protezione Civile - Servizio Sismico Nazionale [Dolce et al. 003c]. Le prove in questione sono state effettuate su un telaio tridimensionale in c.a., di quattro piani, in scala 1:.5, progettato per soli carichi verticali, secondo la normativa vigente in Italia prima del 1971 (v. Fig. 1.0(a)). Anche in questo caso, durante le prove, si sono alternati tre diversi sistemi d isolamento, tutti basati sull accoppiamento d isolatori acciaio-ptfe a basso attrito ( %) con dispositivi dissipativi e/o ricentranti, rispettivamente, in gomma, acciaio e lega a memoria di forma (v. Fig. 1.0(b)). Le prove sono state svolte con due diversi accelerogrammi: (i) la componente Est- Ovest della già citata registrazione di Colfiorito del 1997 e (ii) un accelerogramma artificiale, generato a partire dallo spettro elastico dell EC8 [CEN 1994] per terreno tipo B. Le prove pseudodinamiche sul modello in questione sono state effettuate, inizialmente, nella configurazione a base isolata e, successivamente, in quella a base fissa, giungendo fino a 0.35g di accelerazione di picco al suolo in entrambi i casi. L apparato di prova era costituito da quattro attuatori, per l applicazione delle forze di piano, e quattro trasduttori, per la lettura degli spostamenti di piano, come schematizzato in Fig. 1.1.

44 36 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico Fig. 1.1 Apparato per prove pseudodinamiche In Fig. 1. sono confrontati i massimi drift interpiano registrati dal modello nella configurazione a base fissa (FB) ed in quella con isolamento in gomma (BI_gomma), per effetto dell accelerogramma artificiale a diverse intensità (PGA). Le prove sulla struttura a base fissa sono state condotte assumendo uno smorzamento del 4% e dell 1%, per tener conto di dissipazioni d energia aggiuntive a quelle isteretiche direttamente presenti nel modello, e legate alla maggior velocità di esecuzione della prova. A basse intensità sismiche (0.1g), i massimi drift interpiano registrati sul modello a base isolata risultano da 1. a 3.4 volte (a seconda del piano considerato) minori rispetto al modello a base fissa. In entrambi i casi, i drift maggiori si hanno al terzo piano, in conseguenza della riduzione di sezione ed armatura delle colonne centrali del modello. Ad elevate intensità sismiche (0.35g), il fattore di riduzione dei massimi drift interpiano risulta pari a circa 5.5 al terzo e quarto piano, riducendosi a 3.5 al secondo piano ed, infine, a circa al primo piano. Le richieste di deformazione registrate dal modello a base fissa tendono a concentrarsi al terzo livello, mentre quelle relative al modello a base isolata risultano distribuite abbastanza uniformemente lungo l altezza della struttura. In pratica, nel modello a base fissa si verifica la formazione di un meccanismo di piano, fenomeno osservato in molti edifici a struttura intelaiata a seguito di recenti eventi sismici [ASCE 1998], realizzati senza alcuna regola di progettazione antisismica. Per di più, la rastremazione delle colonne centrali al terzo piano, e la corrispondente diminuzione d armatura, rende la struttura in esame irregolare in altezza ai sensi delle moderne norme sismiche. Tale irregolarità, accentuando gli effetti dei modi superiori, produce la formazione di un piano soffice. Riducendo il rapporto critico di smorzamento del telaio in c.a. dal 4% all 1%, valore che appare più plausibile, il drift massimo del terzo interpiano raggiunge valori dell ordine del 5.4% già a 0.3g, corrispondenti ad una condizione di collasso incipiente della struttura. Anche in questo caso, nonostante la struttura a base fissa avesse un periodo piuttosto elevato, e, conseguentemente, le condizioni dell isolamento non fossero ottimali (basso rapporto d isolamento e quindi elevato valore di ε, come definito dall Eq.(1.6)), l isolamento sismico si è rivelato estremamente efficace nel ridurre i danni alla struttura e alle parti non strutturali, abbattendo i valori raggiunti dal drift.

45 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento (%) Fig. 1. Massimi drift interpiano registrati dal modello nelle configurazioni a base fissa (FB) e con isolamento in gomma (BI_gomma), per effetto dell accelerogramma artificiale EC8 a diverse intensità (PGA) Nei precedenti confronti fra la risposta strutturale nella configurazione a base fissa e nella configurazione a base isolata si è fatto esplicito riferimento ai sistemi di isolamento in gomma, in quanto essi rappresentano i sistemi di isolamento sismico da più tempo studiati ed attualmente i più diffusi in Italia e nel mondo per le applicazioni agli edifici. Come accennato in precedenza, però, nelle sperimentazioni effettuate si sono testati anche altri sistemi d isolamento, che hanno fornito prestazioni altrettanto buone e convincenti. Nel mostrare i risultati delle prove sperimentali, si è concentrata l attenzione prevalentemente su aspetti riguardanti il potenziale danneggiamento della struttura e delle parti non strutturali solidali con la struttura (tamponature e tramezzature), esaminando gli spostamenti d interpiano come parametro della risposta. Come detto in precedenza, in talune applicazioni è importante anche valutare i possibili effetti sugli oggetti portati dalla struttura stessa, particolarmente quando tali oggetti hanno valore molto elevato dal punto di vista artistico, strategico, sociale e/o economico. Uno strumento molto utile per giudicare l entità di tali effetti sono gli spettri di risposta delle accelerazioni di piano [Suarez and Singh 1987]. Assimilando gli oggetti presenti all interno della struttura ad oscillatori elementari di massa trascurabile (rispetto a quella della struttura) ed a basso smorzamento viscoso (tipicamente pari al %), gli spettri di piano permettono di

46 38 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico conoscere le accelerazioni cui tali oggetti sono sottoposti per effetto del terremoto che colpisce la struttura che li contiene. Gli spettri di piano possono essere ottenuti sia numericamente, mediante simulazioni numeriche del comportamento sismico delle strutture, sia sperimentalmente, registrando, durante una prova su modello strutturale, le accelerazioni di ciascun piano. È, però, più interessante esaminare i risultati sperimentali, essendo quelli numerici troppo condizionati da alcuni dettagli di modellazione che influiscono sensibilmente sulle accelerazioni di piano. In Fig. 1.3 sono mostrati gli spettri di risposta delle accelerazioni registrate sulla sommità del telaio piano in c.a. della Fig. 1.15, testato nell ambito del progetto MANSIDE. I sistemi d isolamento considerati sono costituiti da: (i) isolatori in gomma con smorzamento pari all 8% circa, (ii) isolatori acciaio-ptfe a basso attrito (3% circa del peso della struttura) con dispositivi basati su leghe a memoria di forma (LMF) a comportamento non lineare fortemente ricentrante (smorzamento viscoso equivalente del sistema allo spostamento massimo pari circa al 0%) e (iii) isolatori acciaio-ptfe a basso attrito con componenti dissipativi in acciaio a comportamento elasto-plastico (smorzamento viscoso equivalente del sistema allo spostamento massimo pari circa al 30%). In Fig. 1.3, gli spettri di piano valutati all ultimo piano della struttura con i diversi sistemi di isolamento (BI-) sono confrontati con quello della struttura a base fissa (BF) [Dolce and Cardone 003d], avendo adimensionalizzato le accelerazioni spettrali rispetto alla PGA. Quest ultima era pari a circa 0.3g in tutte le prove prese in considerazione. Sa/PGA Frequenza (Hz) BF BI_acciaio BI_lmf BI_gomma Fig. 1.3 Spettri di risposta delle accelerazioni registrate sulla sommità di un struttura a base fissa (BF) o isolata (BI) con diversi sistemi di isolamento L esame del diagramma evidenzia come lo spettro di piano della struttura a base fissa presenti tre picchi, uno per ogni modo di vibrare della struttura, a frequenze via via crescenti, con amplificazione spettrale pari a circa 15, in corrispondenza del primo modo, e con un livello di amplificazione molto elevato in un esteso range di frequenze che

47 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento 39 interessano ampie categorie di oggetti (da 1 a 5 Hz). Con il sistema di isolamento a comportamento (quasi)-elastico (BI-gomma) si rilevano due picchi, concentrati attorno alle frequenze dei primi due modi di vibrare della struttura, mentre con il sistema elastoplastico (BI-acciaio) si individua un solo picco in corrispondenza del secondo modo di vibrare e con il sistema elastico fortemente ricentrante (BI-sma) si individuano due picchi in corrispondenza del secondo e del terzo modo. Per le altre frequenze, le accelerazioni spettrali risultano piuttosto piccole e prossime alla PGA. In definitiva tutti i sistemi d isolamento considerati, risultano in grado di eliminare il picco di risonanza in corrispondenza del periodo fondamentale di vibrazione della struttura a base fissa, migliorando sensibilmente la protezione degli oggetti contenuti. Tuttavia, i sistemi di isolamento a comportamento non lineare determinano amplificazioni su precisi valori delle alte frequenze, tanto maggiori quanto maggiore è il carattere di non linearità del sistema d isolamento. Come si è potuto vedere dai pochi diagrammi riportati in questo testo, l isolamento sismico è estremamente efficace nel ridurre la risposta sismica delle strutture, in particolare degli edifici. È immediato verificare, confrontando la risposta di una struttura isolata con quella della stessa struttura non isolata, che la riduzione può essere di un ordine di grandezza. Ciò significa che per terremoti che normalmente causano gravi danni o addirittura il collasso di strutture convenzionali (drift interpiano dell ordine del -4% per PGA dell ordine di g) non si hanno praticamente danni agli edifici con isolamento sismico (drift dell ordine dello %). Per di più, anche per terremoti decisamente più violenti di quelli usualmente assunti come terremoti di progetto, si registrano solo lievi danni agli elementi strutturali e non strutturali (drift dell ordine di 0.51% per terremoti con PGA di 1g ed oltre). In nessun test sperimentale è stato possibile raggiungere la condizione di collasso della struttura isolata. Le differenti tecnologie, che fanno uso di isolatori in gomma o in acciaio-ptfe e dispositivi ausiliari basati sulla gomma, sull acciaio, sulle leghe a memoria di forma, possono fornire, se adeguatamente progettate, prestazioni tra loro paragonabili in termini di effetti sulla struttura. La scelta del tipo d isolamento da adottare appare in principio non scontata, dipendendo fortemente dal tipo di applicazione da effettuare (realizzazione di una costruzione nuova o adeguamento di una esistente, importanza strategica dell edificio nel dopo sisma, caratteristiche dell input sismico in termini di contenuto in frequenze e spostamenti attesi, valore del contenuto strutturale, costo e affidabilità dei dispositivi, loro collocazione nella struttura, ecc.). Non secondaria è la capacità del progettista e del direttore dei lavori di comprendere appieno il funzionamento dei dispositivi e di governare il processo progettuale e realizzativo, che può implicare l uso di analisi non lineari, la sperimentazione e la posa in opera di dispositivi di nuova concezione, etc.. Anche la progettazione del sistema d isolamento implica necessariamente un compromesso fra un certo numero di fattori. Ad esempio, una riduzione del taglio massimo alla base comporta, generalmente, un aumento dello spostamento massimo del sistema d isolamento e/o, in relazione al tipo di isolamento scelto, la comparsa di significative accelerazioni ad alte frequenze. Queste ultime possono influenzare in modo

48 40 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico sensibile la distribuzione delle forze d inerzia lungo l altezza dell edificio e, di conseguenza, l andamento dei tagli di piano e drift d interpiano, producendo, inoltre, spettri di risposta di piano molto più penalizzanti. La selezione del sistema d isolamento più appropriato per una particolare applicazione dipende, quindi, da quale dei parametri di risposta della struttura risulta maggiormente critico in fase di progettazione. Facendo sempre riferimento ad un edificio multipiano isolato alla base, è possibile individuare, sostanzialmente, tre diversi obiettivi prestazionali: (i) minimizzare il taglio alla base della struttura; (ii) minimizzare lo spostamento alla base della struttura; (iii) minimizzare le accelerazioni di piano ad alte frequenze (> Hz). Le accelerazioni di piano ad alte frequenze sono importanti quando la protezione del contenuto rappresenta un punto critico della progettazione. In tal caso, l adozione di sistemi a comportamento (quasi-)lineare (come ad esempio i dispositivi in gomma a basso smorzamento o, sotto certe ipotesi, i dispositivi elastomerici ad elevato smorzamento) rappresenta una scelta ottimale. L introduzione di una certa non linearità nel sistema d isolamento si traduce generalmente in una riduzione del taglio massimo e/o dello spostamento massimo alla base. I sistemi d isolamento a scorrimento di tipo tradizionale (cioè a superficie di scorrimento piana), dotati o meno di dispositivi dissipativi ausiliari basati sull isteresi di elementi in acciaio e piombo, sono quelli che assicurano il miglior controllo della forza trasmessa alla sovrastruttura (ossia del taglio massimo alla base), soprattutto in presenza di terremoti inattesi per intensità o contenuto in frequenza. Ciò, tuttavia, avviene a prezzo di elevati spostamenti residui al termine del sisma e di un incremento dello spostamento massimo calcolato, per portare in conto possibili derive della risposta. I sistemi di isolamento a comportamento elasto-plastico (ad esempio i dispositivi elastomerici con nucleo in piombo o i sistemi a scorrimento denominati Friction Pendulum Systems ) garantiscono di solito i valori minori dello spostamento alla base, a prezzo però di tagli alla base ed accelerazioni di piano relativamente elevate. Le osservazioni fatte finora sono il frutto di numerosi studi sia di carattere numerico che sperimentale, a cui si rimanda per un approfondimento dell argomento [Skinner and al. 1993, Naeim and Kelly 1999, Constantinou et al. 1988, Kelly JM 1999, Kelly TE 001, Dolce et al. 001e, Cardone and Dolce 1999], evidenziando, tuttavia, che la scelta ottimale da un punto di vista tecnico assoluto (miglior compromesso in relazione ai tre obiettivi prestazionali sopra riportati) non necessariamente risulta ottimale dal punto di vista economico e realizzativo. Altri parametri altrettanto importanti sono la costanza di comportamento nel tempo e nelle varie condizioni di lavoro, nonché la vita utile dei dispositivi. Infine non è da trascurare, tra i parametri che possono e debbono influenzare tale scelta, la confidenza del progettista e della direzione dei lavori verso il sistema scelto, confidenza intesa nel doppio significato di conoscenza del sistema, e dunque capacità di governare il processo progettuale e realizzativo, e di fiducia nella sua efficacia.

49 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento SVILUPPO DELL ISOLAMENTO SISMICO IN ITALIA E NEL MONDO L idea che una struttura possa essere protetta dal terremoto, ossia dal moto del terreno, disconnettendola dal terreno stesso non può ritenersi nuova né applicata solo negli ultimi 40 anni. In realtà si ritrovano concrete prove dell applicazione del concetto di isolamento sismico presso le antiche civiltà, in Cina, Grecia, Perù, Italia [Dolce et al. 004a], disponendo strati di materiali (carbone, velli di lana, sabbia) in fondazione, per favorire lo scorrimento della struttura rispetto al terreno stesso. La sopravvivenza di alcuni monumenti o parti di essi a terremoti disastrosi è anche dovuta a queste precauzioni costruttive. Anche agli inizi del secolo appena concluso l isolamento sismico è stato più volte proposto, compatibilmente con la tecnologia all epoca disponibile, ma raramente applicato in maniera sistematica e pienamente consapevole. Solo negli anni 60 si è iniziato ad applicare l isolamento sismico nell ex-unione Sovietica, con tecnologie ancora rudimentali, fino ad arrivare, nel 1969, alla prima, pionieristica, applicazione dell isolamento sismico con isolatori in gomma nella scuola elementare Pestalozzi di Skopje (Macedonia), ad opera di un gruppo di ingegneri svizzeri. Il sistema di isolamento impiegato, denominato Swiss Full Base Isolation 3D (FBI-3D) [Staudacher et al. 1970], consisteva in semplici appoggi in gomma (non armata), con rigidezza in direzione verticale paragonabile a quella in direzione orizzontale. L adozione di tali dispositivi si rivelò in seguito non del tutto soddisfacente, determinando un forte accoppiamento fra il moto orizzontale della struttura e quello verticale legato ad effetti di rocking. Tra l altro la bassa rigidezza orizzontale costrinse ad utilizzare in seguito dei vincoli aggiuntivi (realizzati con dei blocchi di vetro) per far fronte alle sollecitazioni di servizio di natura non sismica (tipo il vento, ecc.). L isolamento sismico è diventato una realtà negli anni settanta allorché, in Inghilterra, vennero prodotti i primi appoggi elastomerici armati ad opera della MRPRA (Malaysian Rubber Producers Research Association), che per prima nel mondo mise a punto un processo per la vulcanizzazione di strati di gomma con lamierini di acciaio. La prima applicazione dell era moderna dell isolamento sismico è stata effettuata in Francia, nei primi anni 70, allo scopo di proteggere una serie di centrali nucleari ed i relativi impianti (reattori dell acqua pressurizzata, depositi dei combustibili esausti, ecc.), da terremoti di intensità di progetto pari a 0.g, senza apportare modifiche alle strutture esistenti. La soluzione trovata consisteva nell applicazione di isolatori in gomma (neoprene) armata ed in seguito, per aree a maggiore intensità sismica, in una combinazione in serie di isolatori in gomma armata con dispositivi a scorrimento caratterizzati da un coefficiente di attrito del 0% (Electricité de France System). Altri studiosi fanno risalire l era moderna dell isolamento sismico alla metà degli anni 70, con la costruzione di un ponte isolato sul fiume Rangitikei in Nuova Zelanda, che sfruttava un sistema basato sull accoppiamento di elementi flessibili con elementi dissipativi, realizzati con barre d acciaio sottoposte a torsione. Alla fine degli anni 70, il concetto di isolamento sismico fu introdotto anche in Italia, dove fu applicato diffusamente a ponti e viadotti, proprio in un periodo di notevole

50 4 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico sviluppo della rete autostradale. Fu così che l Italia acquisì a quell epoca una leadership mondiale nel settore. Negli anni 80 la tecnica dell isolamento sismico si diffuse in tutto il mondo con importanti applicazioni a ponti ed edifici strategici, soprattutto negli Usa, in Giappone ed in Nuova Zelanda. Vasto impiego trovarono, negli USA ed in Nuova Zelanda, gli isolatori elastomerici ad elevato smorzamento, utilizzando gomma ad alta dissipazione (HDRB) o isolatori con inserti in piombo (LRB) [Tarics et al. 1984, Anderson 1989, Charlerson 1987, Reaveley et al. 1988], mentre in Giappone la soluzione inizialmente più adottata prevedeva l utilizzo di dispositivi elastomerici a basso smorzamento (LDRB) con l aggiunta di dissipatori di tipo viscoso o isteretico [Kelly JM 1988]. Una notevole spinta all applicazione dell isolamento sismico è venuta poi dai risultati dei numerosi studi e progetti di ricerca, sia di carattere numerico che sperimentale, svolti a partire dagli anni 80, in diverse parti del mondo, ricerche che confermarono in pieno l efficacia dell isolamento sismico nel proteggere le parti strutturali e non (compreso il contenuto strutturale) dal danneggiamento in presenza di terremoti violenti. Un impulso ancora maggiore venne, alla metà degli anni 90, quando due eventi sismici catastrofici, il terremoto di Northridge del 1994 e il terremoto di Kobe del 1995, colpirono, rispettivamente, la California (USA) ed il Giappone, in due aree dove erano già presenti alcune strutture isolate. L ottimo comportamento sul campo di tali strutture, paragonato a quello di strutture simili realizzate nelle immediate vicinanze, dimostrò in maniera lampante le enormi potenzialità dell isolamento sismico. A tal riguardo, emblematico è il caso dei due ospedali realizzati, nelle immediate vicinanze l uno dell altro, nei pressi di Los Angeles, e colpiti dal terremoto di Northridge del L uno (l Olive View Hospital) di tipo convenzionale fu evacuato al termine del sisma, per il danneggiamento delle finiture e delle attrezzature, mentre il secondo (l University Teaching Hospital), isolato alla base, mantenne in pieno la sua funzionalità, ospitando anche i degenti del primo ospedale [Asher et al. 1995]. Altro caso emblematico è rappresentato dal grandissimo complesso del ministero delle Telecomunicazioni della prefettura di Sanda City, nei pressi di Kobe a 30 km dall epicentro del terremoto del 1995, il più grande edificio isolato all epoca, che non riportò il minimo danno. Dopo tali eventi si è assistito, soprattutto in Giappone (anche grazie ad una normativa più agile e flessibile), ad un crescita di tipo esponenziale delle applicazioni dell isolamento sismico a ponti ed edifici, non solo di carattere strategico ma anche di ordinaria importanza. Notevole è anche l interesse per le applicazioni sulle strutture esistenti, nelle quali l isolamento sismico consente di raggiungere livelli di sicurezza nettamente superiori a quelli ottenibili attraverso interventi d adeguamento di tipo tradizionale, evitando costosi (e spesso tecnicamente problematici) interventi sulla struttura esistente. Negli USA i primi esempi di adeguamento sismico di edifici esistenti tramite isolamento alla base risalgono alla metà degli anni 90. Le strutture interessate dall intervento furono quelle di grandi edifici dei primi del 900, quali le City Hall di Oakland [Walters et al. 1995], San Francisco [Naaseh 1995] e Los Angeles [Youssef 1995], che, negli USA, hanno anche un notevole valore storico-artistico. In tutti e tre i casi furono impiegati dispositivi in gomma con inserto in piombo o ad elevato smorzamento (LRB o HDRB). L inserimento dei

51 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento 43 dispositivi avvenne previo il taglio delle colonne al primo piano, con l ausilio temporaneo di martinetti idraulici. Recentemente sono da annoverare, sempre negli USA, importanti interventi di adeguamento basati sull impiego d isolatori a scorrimento con superficie curva del tipo FPS [Amin and Mokha 1995] o piana, con l aggiunta di dispositivi ausiliari di ricentraggio in gomma [Way and Howard 1990]. La storia dell isolamento sismico in Italia ha vissuto fasi alterne. L inizio è da far risalire all indomani del terremoto del Friuli (1976), allorché ci si accorse che il viadotto Somplago, protetto con un sistema di isolamento sismico relativamente semplice ma efficace, era l unica opera, tra quelle in costruzione nel tronco autostradale Udine-Carnia, a non aver subito danni. Ciò convinse la Società Autostrade a prescrivere l adozione dell isolamento sismico, ovviamente con tecnologie più sofisticate [Dolce and Ducci 1990], per tutti i ponti e viadotti del successivo tronco Carnia-Tarvisio, e ad emettere nel 1990 le Istruzioni per la progettazione antisismica dei ponti con l'impiego di dispositivi isolatori/dissipatori [Dolce and Ducci 1991], tra le prime al mondo. Nel decennio dal 1983 al 1993 l isolamento sismico fu così largamente utilizzato in Italia per la protezione di ponti e viadotti autostradali. Fra le nuove realizzazioni e l adeguamento di quelle esistenti, nel decennio in questione furono effettuate più di 150 applicazioni, per un totale di metri lineari di impalcato [Medeot 1991]. Nello stesso decennio, però, nonostante un significativo numero di proposte progettuali, piuttosto limitate (appena 15) furono le applicazioni agli edifici, soprattutto a causa della mancanza di una normativa di riferimento e per il lungo e complesso iter necessario per ottenere l approvazione dei progetti da parte del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici. Si ricorda che le prime Linee Guida per il progetto di edifici con isolamento sismico furono emanate solo nel 1993 ad opera del Servizio Sismico Nazionale (SSN) [Berardi et al. 1993], seguite solo nel 1998 dalle Linee Guida per la Progettazione, l Esecuzione ed il Collaudo delle opere isolate dal sisma emesse dal Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici [C.S.LL.PP, 1998]. Negli ultimi dieci anni, importanti programmi di ricerca, a carattere sia nazionale che internazionale, hanno coinvolto imprese, enti di ricerca ed università italiane, con la finalità di verificare l efficacia dell isolamento sismico e di altre tecniche innovative di protezione, di mettere a punto e sperimentare nuove tecnologie per dispositivi e sistemi di isolamento, di mettere a punto criteri e metodi di calcolo e verifica della sicurezza. L attenzione è stata rivolta non solo agli edifici moderni e alle strutture da ponte, ma anche ad edifici monumentali e a piccoli oggetti di particolare valore storico-artistico (statue, etc.), a strutture di vitale importanza nei sistemi infrastrutturali a rete (serbatoi idrici, trasformatori elettrici, etc.), a contenitori di materiali pericolosi per l ambiente, ed altro ancora [Melkumyan 003]. Le ricerche sperimentali hanno riguardato lo studio dell isolamento sismico a diversi livelli e su diversi oggetti : dall esecuzione di prove dinamiche su isolatori singoli in scala ridotta [Kelly and Quiroz 199] ed al vero [Braga et al. 1997], all esecuzione di prove dinamiche con tavola vibrante su modelli in scala ridotta di strutture isolate [Dolce et al. 001a, Cardone et al. 003], dall esecuzione di prove pseudodinamiche con parete di contrasto su strutture in scala ridotta [Dolce et al. 003c] ed al vero [Molina et al. 1996], all esecuzione di prove di rilascio in situ, su edifici reali,

52 44 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico come quelli facenti parte del complesso Telecom di Ancona [Giuliani 003], della nuova sede dell Università della Basilicata [Bixio et al. 000] e l edificio ATER di Rapolla (PZ) [Braga et al. 001, Dolce et al. 001f]. Alla diffusione in Italia dell isolamento sismico e di altre tecnologie innovative hanno dato un forte impulso le ampie collaborazioni che sono state attivate dal Gruppo di Lavoro Isolamento Sismico (GLIS), costituito nel 1989 e da diversi anni aderente all Associazione Nazionale Italiana di Ingegneria Sismica (ANIDIS). Nel 00 il GLIS stesso ha poi promosso, avvalendosi delle collaborazioni internazionali sviluppate negli anni con partner stranieri, europei ed extraeuropei, la fondazione dell Anti-Seismic Systems International Society (ASSISi), che organizza ogni due anni un convegno mondiale sulle applicazioni e gli sviluppi della ricerca nel settore delle tecniche innovative di protezione sismica delle strutture. Il primo evento ufficiale di ASSISi è stato l 8 Seminario mondiale tenutosi a Yerevan (Armenia) nell ottobre 003 [Melkumyan ed. 003]. 1.6 RECENTI APPLICAZIONI AD EDIFICI E PONTI Recentemente, si sono verificati considerevoli progressi sia nello sviluppo di nuovi dispositivi che nell applicazione di quelli disponibili, a strutture nuove o esistenti, che, infine, nella stesura di normative specifiche riguardanti l isolamento sismico, come testimoniano i lavori presentati agli ultimi convegni e seminari scientifici sul tema [1WCEE 000, 5JBSS 001, 7ISIED 001, 1ECEE 00, 8ISIED 003]. L adozione, in molti paesi, di regole specifiche per il progetto di strutture isolate ha convinto progettisti e costruttori a guardare con maggior interesse l isolamento sismico. Tali regole, tuttavia, nonché l iter approvativo ad esse connesso, sono ancora profondamente diverse da paese a paese. La conseguenza di ciò è che in alcune parti del mondo, dove l uso dell isolamento sismico è agevolato o quantomeno non ostacolato (ad esempio in Giappone, nella Repubblica Popolare Cinese ed a Taiwan), il numero di strutture isolate dal sisma continua ad essere, o è attualmente, in forte crescita, mentre in altri paesi (ad esempio gli USA), dove la normativa in materia è penalizzante, il numero di nuove applicazioni è più limitato. In Italia si è ad un punto di svolta. L entrata in vigore della nuova normativa sismica [Ordinanza No. 374], avvenuta l 8 maggio del 003, infatti, liberalizza e semplifica l uso dell isolamento sismico, ponendo le premesse per un rapido recupero del terreno perduto, tenuto anche conto che l Italia è uno dei leader mondiali nella ricerca, sviluppo e produzione di dispositivi antisismici. Regole di progettazione differenti da paese a paese, portano, inevitabilmente, a costi alquanto diversi per le strutture isolate. Nella Repubblica Popolare Cinese (RPC), ad esempio, l adozione dell isolamento sismico porta a costruzioni complessivamente meno costose, così da far aumentare notevolmente il numero di applicazioni, che per i soli edifici sono passate, nel giro di un paio di anni, da 160 (agosto 1999) a 458 (fine 00), riguardando sia edifici strategici che ad uso residenziale. Il Giappone, poi, si è dotato di

53 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento 45 una normativa molto avanzata che consente, ad esempio, sforzi di trazione negli isolatori elastomerici, rendendo possibile l adozione dell isolamento sismico in edifici molto alti. Negli USA, al contrario, i costi di realizzazione di edifici di piccole/medie dimensioni dotati di isolamento alla base risultano maggiori di quelli delle costruzioni convenzionali, e ciò ha ovviamente limitato l applicazione dell isolamento sismico ad edifici di grandi dimensioni e strategici Applicazioni a ponti e viadotti Negli ultimi anni, le applicazioni a ponti e viadotti, sia di nuova costruzione che esistenti, sono considerevolmente aumentate sia in Europa che nel resto del mondo, ed in particolare negli USA (dove la normativa per i ponti ed i viadotti isolati sismicamente non è penalizzante come quella riguardante gli edifici), in Cile, in Giappone, nella RPC a Taiwan (in conseguenza del terremoto del 1999) ed in Corea. In Giappone, ad esempio, più di 000 ponti e viadotti isolati sono stati realizzati negli ultimi 10 anni [Kawashima 001]. Un significativo cambio di rotta si nota, tuttavia, a partire dal 1995, anno del terremoto di Kobe: mentre prima, infatti, la tendenza era quella di adottare dispositivi di isolamento e dissipazione di energia di tipo elasto-plastico (in pratica dispositivi basati sullo snervamento di elementi in acciaio), in seguito la maggior parte delle applicazioni ha visto l utilizzo di dispositivi elastomerici ad elevato smorzamento (HDRB o LRB). Per quanto riguarda l Europa, risultano circa 00 le nuove applicazioni di sistemi di isolamento sismico e dissipazione di energia a ponti e viadotti (autostradali, stradali e ferroviari), effettuate a partire dal 000 [Martelli & Forni 004]. Circa la metà di esse ha riguardato l Italia, che si conferma quindi leader del mondo nel settore. Fra i sistemi d isolamento e dissipazione di energia più spesso utilizzati, occorre ricordare: (i) gli appoggi in gomma ad elevato smorzamento e (ii) gli appoggi scorrevoli acciaio-ptfe accoppiati con dispositivi dissipativi ausiliari, che sfruttano le proprietà isteretiche di acciaio e piombo, ovvero, le proprietà viscose di fluidi speciali. Sempre in Europa, sono state di recente proposte nuove tecnologie per l isolamento sismico dei ponti, che sfruttano la proprietà di materiali avanzati, come le leghe a memoria di forma [Dolce et al. 004b] o particolari oli siliconici [Dolce et al. 003a] Applicazioni ad edifici Alla fine del 00 il numero totale di edifici isolati aveva superato, nel mondo, quota 700, di cui ben 1600 nel solo Giappone [Martelli & Forni 004]. Nel 003 il numero complessivo di edifici isolati è significativamente cresciuto, soprattutto in Giappone, ma l esatta entità di tale crescita risulta al momento difficilmente quantificabile. Fra le numerose nuove applicazioni, le prime da citare sono quelle agli edifici strategici (in particolare, ai centri di gestione dell emergenza e agli ospedali), per i quali l integrità assoluta e la piena funzionalità al termine del terremoto sono requisiti essenziali. Numerose sono state anche le nuove applicazioni a scuole e ad altri grandi edifici

54 46 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico pubblici, soprattutto in chiave di adeguamento o miglioramento sismico. La vera novità sta nel crescente uso dell isolamento sismico negli edifici residenziali, soprattutto in Giappone ed in Cina. Alla fine del 003, il numero complessivo di applicazioni in Italia era di 5 edifici isolati. Con l entrata in vigore della nuova normativa sismica e con la riclassificazione sismica del territorio nazionale (che ha aumentato la percentuale del territorio considerato sismico, dal precedente 43% all attuale 70% circa, oltre alla introduzione di requisiti sismici minimi anche per le restanti zone), si è assistito ultimamente ad un vero boom di nuove progettazioni, il cui numero è in continua evoluzione e difficile da fissare. Le applicazioni riguardano non solo edifici strategici (ospedali, caserme dei vigili del fuoco, etc.) e ad elevato valore del contenuto (scuole, contenitori museali, etc.), ma anche edifici di civile abitazione. Importanti e impegnativi dal punto di vista progettuale, per la varietà di soluzioni proposte, sono anche gli interventi di adeguamento sismico su edifici esistenti [Martelli & Forni 004]. Infine numerose sono le proposte in via di progettazione e realizzazione di nel settore della protezione del patrimonio storico-artistico, in cui l Italia è all avanguardia. Oggetto degli interventi sono non solo edifici monumentali, ma anche statue, reperti archeologici, oggetti museali, etc.. La situazione nel resto del mondo appare, come detto in precedenza, piuttosto variegata. Nei paesi dotati di normative sismiche che incoraggiano l uso dell isolamento, il numero delle applicazioni è in costante crescita. Nei paesi dotati di norme più penalizzanti, in relazione alle forze sismiche da adottare e ai margini di sicurezza da assumere nella progettazione dei dispositivi, si sta assistendo ad un periodo di relativa stasi. Emblematici appaiono a riguardo i casi di Giappone e RPC, da un lato, e degli USA, dall altro. In Giappone, le applicazioni dell isolamento sismico negli otto mesi successivi al terremoto di Kobe del 1995 furono ben 60 (contro le precedenti 79 realizzazioni) e l anno dopo più di 00, con ulteriori incrementi negli anni successivi. Oggi è difficile fornire un numero di applicazioni in Giappone, che sono, comunque, dell ordine delle migliaia [Martelli & Forni 004]. Molti di questi edifici sono privati e ad uso residenziale, ma diverse sono le applicazioni su opere di notevole impegno. Per quanto riguarda le più recenti realizzazioni, c è da osservare innanzitutto un inversione di tendenza nella scelta dei sistemi d isolamento adottati. Ai dispositivi elastomerici ad alto smorzamento si preferiscono sempre più sistemi misti ottenuti accoppiando appoggi scorrevoli o a rotolamento a dispositivi ausiliari ricentranti e/o dissipativi, generalmente basati su materiali elastomerici [Fujita 003]. Spesso si punta ad ottenere periodi di vibrazione dell ordine di 4 6 secondi, particolarmente nelle applicazioni più impegnative, così da estendere il campo di applicazione a strutture più alte e migliorare la protezione del contenuto. Di particolare interesse sono le recenti applicazioni dell isolamento sismico ad edifici di notevole altezza, rese possibili dall adozione dei suddetti sistemi di isolamento e dalla contemporanea accettazione (da parte delle norme) di sforzi di trazione nei dispositivi. Si ricorda, a tal proposito, che a Tokyo è stato da poco completato un edificio isolato alto 87m ed uno ancor più alto (130 m) è attualmente in fase di realizzazione ad Osaka [Fujita 003]. Infine, vale la pena citare un avveniristica realizzazione in corso a

55 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento 47 Tokyo, con la costruzione di un enorme piastrone in c.a., di 1349 mq di superficie, poggiato su isolatori sismici, su cui sorgeranno 1 edifici residenziali alti dai 6 ai 14 piani. Il piastrone, al di sotto del quale è stato ricavato un grande parcheggio, è sorretto da 4 isolatori che determinano un periodo di 6.7 secondi ed uno spostamento di progetto di ben 800 mm [Fujita 003]. Il sistema di isolamento è costituito da una combinazione di isolatori scorrevoli, a rotolamento e in gomma ad elevato smorzamento (LRB). Anche nella RPC, dove la comparsa dell isolamento sismico è relativamente recente (primi anni 90), ma il numero di edifici isolati (in molti casi residenziali) è in forte crescita, avendo sicuramente superato quota 460 [Zhou et al. 003]. Basta citare l ultima importante realizzazione prevista a Pechino [Zhou et al. 003], dove stanno per essere costruiti 50 edifici isolati alla base, di 7 9 piani di altezza. La peculiarità di questa realizzazione è che tutti gli edifici sorgono su di un unica enorme sottostruttura a piani, di 3 kmq di superficie(1500 m x 000 m), che contiene tutti i servizi e le infrastrutture, inclusi treni e metropolitane. La soluzione adottata ha consentito un risparmio del 5% sul costo di costruzione totale. Ben diversa appare la situazione negli USA, dove a causa di una normativa sismica piuttosto penalizzante, gli edifici isolati alla base sono soltanto un centinaio e principalmente pubblici, trattandosi, nel 45% dei casi circa, di adeguamenti sismici di strutture esistenti. 1.7 ASPETTI NORMATIVI Il crescente numero applicazioni dell isolamento sismico ad edifici e ponti e la diversificazione delle tecnologie disponibili, in aggiunta ai risultati dei recenti studi, a carattere numerico e sperimentale, su dispositivi di isolamento e strutture isolate in scala ridotta ed al vero, hanno portato i paesi a più elevata sismicità a dotarsi di (nuove) norme per la progettazione di strutture isolate dal sisma, al passo con l attuale tecnologia ed in linea con i progressi tecnico-scientifici al riguardo [Martelli and Forni 003, Dolce e Santarsiero 004c]. L Eurocodice 8, nelle parti 1 e [CEN , CEN ], relative rispettivamente agli edifici (e alle strutture in generale) e ai ponti, trattano la progettazione delle strutture dotate d isolamento sismico in specifici capitoli. Nell ambito dello stesso CEN è in corso di sviluppo una normativa, armonizzata con l EC8, per i dispositivi da inserire nelle strutture con lo scopo di modificarne la risposta alle azioni sismiche [CEN-TC ]. In tale normativa vengono specificati i requisiti funzionali e le regole generali di progettazione, le caratteristiche dei materiali, i requisiti di produzione e verifica sperimentale, i criteri di accettazione, installazione e manutenzione. Anche le nuove norme sismiche italiane contengono due specifici capitoli, nelle parti relative rispettivamente agli edifici e ai ponti, che permettono di eseguire una progettazione delle strutture con isolamento sismico pienamente coerente con i criteri e gli obiettivi generali delle norme. Infatti, le peculiarità di comportamento delle strutture isolate e il ruolo cruciale svolto dai dispositivi d isolamento richiedono la trattazione specifica, in relazione alla peculiarità degli obiettivi del progetto rispetto ad una struttura a

56 48 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico base fissa, alla particolarità del comportamento delle strutture isolate (metodi di analisi), al progetto e al controllo sperimentale dei dispositivi di isolamento. Rispetto alle Linee guida del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici (LL.PP.), riferimento per i progettisti di edifici dotati dei moderni sistemi antisismici descritti nel Cap. 5 prima dell entrata in vigore dell Ordinanza, e il cui rispetto comunque non esimeva da sottoporre il progetto dall iter di approvazione dello stesso Consiglio, le nuove norme conseguono i seguenti obiettivi: semplificazione delle procedure di analisi: chiara definizione del ruolo dei diversi dispositivi di isolamento e delle modalità di verifica sperimentale; congruenza con le altre parti della norma. Nel confronto con l EC8, di cui ereditano i criteri e gran parte dei contenuti, le nuove norme italiane sono più attente ad una serie di aspetti riguardanti sia i diversi metodi di analisi e la relativa applicabilità. Inoltre, a differenza dell EC8, sono trattati in dettaglio sia i diversi tipi di dispositivi che formano un sistema d isolamento che le relative procedure di accettazione e qualificazione, così da rendere le norme sismiche immediatamente e pienamente operative, in mancanza di una specifica normativa sui dispositivi. Gli obiettivi generali della progettazione antisismica sono riferiti a due livelli prestazionali, denominati stato limite di danno (SLD) e stato limite ultimo (SLU). Nel caso di strutture con isolamento sismico, per l evento SLU, gli elementi della sovrastruttura (porzione della struttura al di sopra dell interfaccia di isolamento), devono essere verificati riducendo le sollecitazioni di un fattore di struttura q il cui valore è molto vicino all unità. Infatti, per le strutture intelaiate in c.a. a più piani e più campate esso vale tipicamente 1.5. Ciò si traduce nella sostanziale assenza di danno strutturale, anche sotto terremoti molto violenti, conseguibile grazie al drastico abbattimento delle accelerazioni sulla struttura. Per la verifica allo SLD è richiesta la sola limitazione degli spostamenti interpiano, ai fini del danneggiamento delle parti non strutturali, e la verifica degli spostamenti all interfaccia d isolamento. L azione sismica è definita ancora attraverso lo spettro di risposta elastico, che subisce lievi modificazioni rispetto a quello di riferimento per le strutture convenzionali, così da ottenere una valutazione più cautelativa delle accelerazione e degli spostamenti nel campo degli alti periodi (T > s), nel quale operano le strutture con isolamento sismico. Tali spettri, riportati in due diversi formati nelle Fig. 1.6 e 1.7, sono stati già discussi, valutandone le peculiarità rispetto alla progettazione della struttura. Le ampie potenzialità d applicazione dell isolamento sismico, determinate dall abbattimento delle accelerazioni sulla struttura, sono riassunte nei grafici della Figura 1.5 [Dolce and Santarsiero 004d]. Essi mostrano il rapporto tra le accelerazioni di progetto spettrali allo SLU e allo SLD di strutture in c.a. irregolari e a bassa duttilità, progettate senza e con isolamento sismico. Nel caso di isolamento sismico le accelerazioni sono ridotte di un fattore di struttura q=1.5, mentre nel caso di struttura fissa alla base è stato applicato, oltre al fattore di struttura q = 3.3, un ulteriore fattore riduttivo λ=0.85, per tener conto della partecipazione modale del primo modo, così come previsto nelle norme per l esecuzione dell analisi statica lineare. Tali rapporti sono

57 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento 49 interpretabili anche come rapporti tra le risultanti delle forze sismiche di progetto, e, pertanto, forniscono una misura dei possibili risparmi ottenibili nella costruzione della struttura e delle fondazioni con l adozione dell isolamento sismico. È ovvio che tali risparmi andranno a compensare, in parte o in tutto, i maggiori costi di costruzione determinati dai dispositivi di isolamento, dai giunti, dalle strutture aggiuntive e da altri dettagli strutturali necessari all introduzione dell isolamento sismico, senza escludere la possibilità che in situazioni favorevoli si possa determinare un risparmio complessivo sui costi dell opera. Nei diagrammi della Fig. 1.5, T f è il periodo della struttura fissa alla base e T is è il periodo della struttura isolata. S ipotizza che l isolamento abbia un comportamento quasi elastico (isolatori in gomma), con smorzamento pari al 10%, e che il suolo abbia caratteristiche di media deformabilità (spettro tipo B-C-E). Rapp. Accelerazioni spettrali Tf=0.5s Tf=0.7s Tf=1.0s Tf=1.5s Periodo Isolamento Tis (s) Rapp. Accelerazioni spettrali Tf=0.5s Tf=0.7s Tf=1.0s Tf=1.5s Periodo d'isolamento Tis (s) Fig. 1.5 Rapporti delle accelerazioni spettrali per il calcolo delle forze sismiche allo SLU e allo SLD. I due diagrammi evidenziano le notevoli riduzioni delle forze sismiche di progetto conseguibili con l adozione dell isolamento. Facendo riferimento agli usuali valori dei periodi di una struttura isolata, dell ordine di.5 s, e di una struttura a base fissa, dell ordine di 0.5 s, si rileva che le forze sismiche di una struttura isolata sono circa la metà per la progettazione allo SLU e circa 5 6 volte più basse per la progettazione allo SLD. Il vantaggio dell isolamento sismico, però, deve essere giudicato soprattutto rispetto agli effetti dei terremoti più violenti, come è anche risultato chiaro dall esame svolto in precedenza di alcune prove sperimentali. Essi, infatti, producono danni anche gravi, al limite del collasso, in una struttura a base fissa progettata secondo le norme, come evidenzia l entità del fattore di struttura, mentre in una struttura isolata gli stessi terremoti non producono danni sostanziali, nemmeno alle parti non strutturali. Le nuove norme lasciano ampio margine all innovazione, sia progettuale che tecnologica, prendendo in esame e fornendo gli strumenti per il progetto con le diverse strategie d isolamento sismico, incremento del periodo o limitazione della forza (v. Fig. 1.4), realizzate mediante dispositivi con diversi comportamenti (isolatori in gomma e a scorrimento, dispositivi ausiliari a comportamento lineare, non lineare e viscoso).

58 50 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico Per tutti i dispositivi d isolamento le norme forniscono le prescrizioni per la loro sperimentazione ai fini della qualificazione dei prototipi e dell accettazione dei dispositivi da mettere in opera, così da garantirne la massima affidabilità, in relazione al ruolo critico da essi svolto nella protezione sismica della struttura. Riguardo alle modalità di calcolo e di progettazione, non v è dubbio che il mantenimento in campo sostanzialmente elastico della struttura semplifica e rende più affidabile l intera procedura di progettazione, grazie alla migliore aderenza del modello di calcolo al reale comportamento della struttura sotto terremoti violenti. Le norme recepiscono tali vantaggi, consentendo l esecuzione di analisi semplificate, di tipo statico, e permettendo la progettazione senza l adozione di particolari regole per la determinazione delle sollecitazioni di progetto, contrariamente a quanto avviene nell applicazione delle regole di gerarchia delle resistenze per le strutture ad alta duttilità. Non è, inoltre, richiesto né il rispetto di prescrizioni geometriche molto restrittive, sebbene sia sempre consigliabile tenerle in conto nell impostazione e nel dimensionamento della struttura, né l esecuzione di dettagli costruttivi, a volte molto complicati e di difficile realizzazione nelle strutture in c.a.. Quest ultimo aspetto ha dei riflessi positivi anche sulla realizzazione della struttura. La semplificazione dei dettagli costruttivi, oltre a ridurre i costi, aumenta l affidabilità delle fasi costruttive, talvolta cruciali ai fini delle buone prestazioni sismiche di una struttura. La semplificazione del calcolo è direttamente legata alla semplicità di funzionamento di una struttura isolata, ampiamente discussa e verificata in un precedente paragrafo. Ciò rende estremamente affidabile la valutazione degli effetti mediante analisi semplificate (statiche equivalenti), anche quando il sistema di isolamento ha un comportamento marcatamente non lineare. Per questo la normativa le consente, pur mantenendo un atteggiamento ancora cautelativo nel conservare alcuni dei limiti di applicazione validi per le strutture convenzionali. La normativa dedica una particolare attenzione alla corretta impostazione del progetto dell opera, cruciale per il buon funzionamento dell isolamento sismico, fornendo importanti indicazioni progettuali riguardanti i dispositivi e il sistema strutturale nel suo insieme. Le prime sono volte ad evitare malfunzionamenti dei dispositivi per difetti propri o di montaggio e a rendere possibile in ogni momento la loro ispezione, manutenzione e, eventualmente, sostituzione. Le seconde sono volte ad ottenere un comportamento corretto e ottimale del sistema d isolamento, assicurando innanzitutto il libero movimento della porzione dell opera isolata (sovrastruttura) rispetto: al resto dell opera (sottostruttura), a strutture circostanti, al terreno. Particolare attenzione è rivolta alla limitazione degli effetti torsionali e di sollecitazioni anomale su singoli dispositivi e alla limitazione di spostamenti differenziali tra le diverse parti della struttura. Nelle verifiche di sicurezza, oltre all usuale controllo delle resistenze degli elementi strutturali e del corretto comportamento dei dispositivi, per spostamenti cautelativamente maggiorati rispetto a quelli di progetto, sono prescritti i controlli di compatibilità dei giunti di separazione e, soprattutto, dei collegamenti impiantistici con gli spostamenti che essi debbono sostenere sotto sisma in relazione al funzionamento del sistema di isolamento.

59 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento 51 A garanzia dell affidabilità del sistema d isolamento, è richiesto sistematicamente il collaudo in corso d opera, nel quale particolare attenzione dovrà essere rivolta alla corretta realizzazione dei dispositivi e delle fasi più delicate della loro messa in opera. È prevista, inoltre, la possibilità di effettuare prove di collaudo mediante spostamento e rilascio della struttura. È interessante valutare lo stato delle normative in altri paesi, particolarmente in quelli in cui l isolamento sismico ha una storia più lunga e/o la cui applicazione negli ultimi tempi è stata numericamente rilevante, quali Giappone, USA, Cina, Nuova Zelanda, Francia, Cile, Russia, Armenia. Le normative o linee guida di questi paesi sono raccolte in [Martelli and Forni 003]. Per quanto riguarda le tipologie di sistemi e dispositivi d isolamento, la maggior parte delle norme esaminate trattano sistemi composti da dispositivi diversi, che possono essere distinti in isolatorie dispositivi ausiliari. La norma italiana, come detto, fornisce specifiche indicazioni progettuali per sistemi d isolamento costituiti da isolatori elastomerici, isolatori a scorrimento, dispositivi ausiliari a comportamento viscoso, quasi lineare o non lineare. Anche la norma giapponese prevede contributi viscosi, isteretici ed elastici alla forza totale portata dal sistema di isolamento [Kani 001]. Riguardo alle tipologie strutturali, in tutti i paesi in questione le norme trattano edifici, ponti e strutture industriali, genericamente indicate come altro. In Armenia, le norme (o linee guida) sull isolamento sismico sono dirette alla progettazione di strutture in genere, ma unicamente dotate di dispositivi in elastomero naturale armato ad alto smorzamento, con l obiettivo principale di allungare il periodo proprio di vibrazione della struttura. In Russia, e negli altri stati delle ex Unione sovietica, le norme trattano sistemi d isolamento cosiddetti adattanti all azione sismica, che utilizzano elementi di riserva ovvero fusibili. Tipicamente, tali sistemi d isolamento sono realizzati al piano terra della struttura, e sono costituiti da elementi in c.a. flessibili (ad es. colonne snelle oppure colonne tozze ad estremità ellittiche) che portano il carico verticale, e da pareti rigide o elementi di controvento collegati alla struttura portante per mezzo di dispositivi sacrificali (elementi di riserva), che cessano di fornire contributi di forza e rigidezza in corrispondenza di diversi e predeterminati livelli di spostamento [Eisemberg et al. 1997]. Quindi, il sistema d isolamento varia le proprie caratteristiche in funzione dell intensità sismica. Le norme in questione riguardano solo gli edifici, limitatamente a quelli con non più di 1 piani. Passando ai metodi di analisi per strutture isolate, va detto che la maggior parte delle norme o linee guida mondiali consentono di seguire tre strade diverse: (i) analisi statica lineare, (ii) analisi dinamica lineare e (iii) analisi dinamica non lineare, differenziandone sensibilmente i limiti di applicabilità. Tutte le normative più avanzate sono concordi nella possibilità di effettuare analisi semplificate (come l analisi statica lineare), stante l affidabilità offerta dai dispositivi di isolamento e la semplicità di comportamento dinamico delle strutture isolate, a patto che siano soddisfatte una serie di condizioni riguardanti: (A) le caratteristiche meccaniche del

60 5 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico sistema di isolamento e (B) le caratteristiche meccaniche e geometriche della sovrastruttura, più un altra serie di limitazioni sul terreno di fondazione e la sismicità del sito. Le condizioni sulle caratteristiche meccaniche del sistema di isolamento riguardano nello specifico: A1. la variazione di rigidezza del sistema di isolamento nel range di spostamenti d interesse, A. il rapporto critico di smorzamento viscoso equivalente, A3. la capacità ricentrante del sistema di isolamento, A4. la dipendenza del comportamento meccanico del sistema di isolamento dalla velocità di deformazione e dai carichi verticali applicati. Le condizioni sulle caratteristiche meccaniche e geometriche della sovrastruttura riguardano nello specifico: B1. la regolarità in pianta ed in elevazione della sovrastruttura, B. l altezza della sovrastruttura e/o il suo numero di piani, B3. il periodo T is dell oscillatore semplice, che modella il comportamento dinamico della struttura isolata, B4. le dimensioni in pianta della struttura, B5. il rapporto tra le rigidezze in direzione verticale ed orizzontale del sistema di isolamento K v /K h e/o il valore del periodo della struttura in direzione verticale T v. B6. eventuali sforzi di trazione (o sollevamenti) nel sistema di isolamento, B7. eventuali eccentricità tra centro di massa della sovrastruttura e centro di rigidezza del sistema di isolamento. Ulteriori limitazioni riguardano: C1. la presenza di strati di terreno deformabile in fondazione, C. la vicinanza della struttura a faglie attive. La norma italiana impone delle limitazioni su tutte le condizioni appena elencate, tranne la C1 e la C, inoltre della B1 viene richiesta solo la regolarità in pianta. La norma armena impone che T f (primo periodo di vibrazione della struttura a base fissa) sia < 0.6sec, condizione quest ultima equivalente alla limitazione del numero di piani secondo la norma italiana (5 piani). Inoltre, è specificato uno smorzamento massimo del 10% (A) rispetto al 8% circa previsto in Italia. In Armenia, le condizioni di tipo B sono richieste sostanzialmente tutte, tranne quella riguardante le massime dimensioni in pianta (B). Anche la norma statunitense contiene gran parte delle condizioni sopra elencate, senza però porre limiti allo smorzamento posseduto dal sistema di isolamento (A), al rapporto K v /K h (B5), alle dimensioni in pianta (B4) ed all eccentricità fra centro di massa e di rigidezza (B7). È consentita trazione e/o sollevamenti nei singoli dispositivi (B6), a patto che questo non crei condizioni d instabilità o sollecitazioni non compatibili. E, inoltre, aggiunta una condizione che limita la sismicità del sito, a prescindere dalla presenza di faglie in vicinanza. In Giappone lo smorzamento massimo che si può portare in conto nel calcolo dell accelerazione spettrale è pari circa al 8%, come in Italia. Viene prescritto un valore minimo del periodo della struttura isolata, il quale però non dipende dal periodo della

61 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento 53 corrispondente struttura a base fissa, come invece accade nelle altre normative. Non viene fissato, inoltre, un valore massimo del periodo della struttura isolata, mentre l altezza massima della sovrastruttura (B) è posta pari a 60 m (contro i 0m previsti in Italia, Armenia e USA). L eccentricità fra centro di massa e di rigidezza (B7) è limitata al 3% del giratore di inerzia del sistema di isolamento (e non della dimensione trasversale della struttura come in Italia). La presenza della componente sismica verticale non deve determinare trazione negli isolatori. Sono, inoltre, imposte limitazioni al tipo di suolo in fondazione e viene esclusa la possibilità di adottare l isolamento sismico sui terreni suscettibili di fenomeni di liquefazione. La norma francese prevede quasi tutte le condizioni di tipo A, B e C con le seguenti eccezioni: nessun limite all altezza e al numero di piani della sovrastruttura (B), nessun riferimento alla vicinanza di una faglia attiva (C), ogni dispositivo d isolamento, inoltre, deve essere posto al di sotto di elementi strutturali che portino carico verticale. La norma russa non consente alcun metodo semplificato di progettazione, in cui la struttura isolata venga assimilata ad un sistema ad un solo grado di libertà a massa concentrata, essendo prescritta di norma l analisi modale. La norma cinese prevede l uso di metodi semplificati con limitazioni in parziale accordo con quelle di tipo A, B e C precedentemente elencate, con le seguenti precisazioni: la limitazione dell altezza dell edificio è riportata in termini di periodo di vibrazione della struttura fissa T f 1.0 sec., il che corrisponde tipicamente ad edifici di 10-1 piani (in Italia è 5 piani, in USA 4 piani, in Giappone 60 m). Il periodo massimo della struttura isolata è il minimo tra sec e 5 volte T g, periodo caratteristico del terreno di fondazione che segna la fine del tratto orizzontale dello spettro elastico, equivalente al periodo T C della norma italiana. E esplicitamente richiesta la regolarità in elevazione e la differenza tra i periodi dei modi di vibrazione fondamentali della struttura isolata, nelle due direzioni in pianta, deve essere inferiore al 30% [Mezzi 003]. Infine, sono previste limitazioni sulle classi di terreno di fondazione. Inoltre, la valutazione degli spostamenti del sistema di isolamento è affetta da coefficienti amplificativi, che dipendono dalla distanza dalla faglia attiva. I metodi d analisi semplificati, quando applicabili, forniscono il taglio totale alla base della struttura, da distribuire lungo l altezza della stessa secondo leggi coerenti con le limitazioni assunte per l applicabilità dei metodi semplificati. La norma italiana e quella francese, ad esempio, prevedono distribuzioni di forza proporzionali alla massa, nell ipotesi di accelerazioni di piano costanti lungo l altezza della struttura. La norma statunitense, invece, prevede una distribuzione delle accelerazioni di piano linearmente crescente lungo l altezza della struttura. La norma cinese adotta, in generale, una distribuzione lineare delle forze di piano, anche se, per edifici sufficientemente rigidi (ad esempio quelli in muratura), consente una distribuzione costante. Da segnalare, infine, la complessa distribuzione di forze previste dalla norma giapponese, che consente l analisi statica su edifici di altezza fino a 60 m, dipendente dai contributi al taglio totale alla base dato dai dispositivi lineari, viscosi ed isteretici. L analisi dinamica lineare si rende necessaria quando le condizioni di tipo B non sono verificate, implicando che la sovrastruttura non sia assimilabile ad una massa rigida.

62 54 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico Trattandosi di un analisi lineare, le condizioni di tipo A risultano comunque necessarie e, nella norma italiana, sono anche sufficienti. Negli USA, invece, risulta necessario anche il rispetto delle condizioni C, sul tipo di suolo e sulla sismicità del sito. Inoltre, l esecuzione dell analisi statica è comunque obbligatoria (in aggiunta all analisi dinamica), per avere dei valori minimi da assumere come taglio e spostamento di progetto (pari rispettivamente allo 80% ed al 90% dei valori ottenuti dall analisi statica). La norma giapponese impone di passare direttamente all analisi dinamica non lineare, qualora non siano soddisfatte le condizioni per l analisi statica. La norma russa, infine, prevede l utilizzo di un analisi dinamica lineare con spettro di risposta per ogni stadio del sistema di isolamento adattante, di cui il primo corrispondente alla situazione di base fissa (fusibili integri) ed i successivi alla situazione di base isolata (fusibili rotti). L analisi dinamica non lineare è sempre applicabile e prevede l impiego di accelerogrammi coerenti con le caratteristiche spettrali dei terremoti che possono verificarsi nel sito in esame. L analisi dinamica non lineare consente di portare in conto le non linearità di comportamento del sistema di isolamento e, ove necessario, della sovrastruttura. Da segnalare che la norma italiana, a differenza delle altre normative, consente di modellare in maniera semplificata le strutture che soddisfano le condizioni di tipo B (ma non quelle di tipo A), assimilando la sovrastruttura ad una massa rigida collegata a terra tramite isolatori di cui, invece, viene richiesto un accurato modello numerico non lineare. Il sistema di isolamento svolge un ruolo cruciale all interno di una struttura isolata. Ad esso, infatti, è completamente affidato il vincolo, sia verticale che orizzontale, della sovrastruttura. Per tale motivo, tutte le norme sismiche sono concordi nel richiedere un livello di sicurezza superiore rispetto alle altre parti della struttura, ovvero a definire un ulteriore stato limite per la verifica del sistema di isolamento, il cui terremoto di riferimento ha un periodo di ritorno maggiore. L approccio della norme francese ed armena è basato sull incremento dello spostamento di progetto di una percentuale opportuna. Nella norma italiana questo approccio è valido solo per i sistemi a comportamento quasi elastico, con incremento pari al 0%, mentre per i sistemi non lineari lo spostamento deve essere calcolato con analisi non lineari effettuate con azioni sismiche incrementate del 0%. Sotto lo spostamento così calcolato, ogni dispositivo costituente il sistema d isolamento deve mantenere la sua piena funzionalità. La norma giapponese richiede invece che il massimo spostamento del sistema di isolamento non superi il minore degli spostamenti ultimi dei singoli dispositivi, minorati di un certo coefficiente di sicurezza, funzione del fatto che il dispositivo porti o meno carico verticale e del rischio di instabilità (0.8 per appoggi in gomma, 0.9 per appoggi ad attrito, 1.0 per dispositivi ausiliari dissipativi). L approccio della normativa statunitense e cinese risulta (ma solo formalmente) diverso. Entrambe le norme, infatti, definiscono uno stato limite apposito per la verifica di stabilità e resistenza dei dispositivi costituenti il sistema di isolamento, stato limite che fa riferimento ad un terremoto con periodo di ritorno di 500 anni (contro i 500anni previsti allo SLU). Le prestazioni del sistema di isolamento non sono costanti ma possono variare in funzione di una serie di fattori meccanici, ambientali e temporali di cui si deve tenere

63 Capitolo 1. Introduzione all Isolamento 55 conto durante la progettazione sia dei dispositivi d isolamento che degli elementi della sovra- e sotto- struttura (variabilità all interno di una stessa fornitura, velocità di deformazione, entità dei carichi verticali, deformazioni simultanee nelle due direzioni, temperatura, invecchiamento). A tal riguardo, la norma italiana impone di considerare le proprietà meccaniche più sfavorevoli che emergono dalle prove di qualificazione dei dispositivi, sia per il calcolo delle sollecitazioni che degli spostamenti, definendo un preciso range di velocità di deformazione entro cui indagare le caratteristiche meccaniche dei dispositivi (±30% del valore di progetto). Per gli edifici di minore importanza (ad esempio quelli per civile abitazione) la norma italiana consente di far riferimento ai valori medi delle caratteristiche meccaniche dei dispositivi, a patto che i relativi massimi e minimi non differiscano di più del 0% rispetto ai valori medi. Per edifici di maggiore importanza (ad esempio quelli strategici) la norma italiana impone di effettuare più analisi, assumendo i valori più sfavorevoli contemporaneamente presenti. Anche l approccio delle norme statunitensi, francesi ed armene è basato sulla determinazione dei valori più sfavorevoli delle caratteristiche meccaniche dei dispositivi (in termini di rigidezze, smorzamento ed attrito), ai fini della verifica di spostamenti e sollecitazioni. Nella norma giapponese, invece, l incertezza legata alla variabilità delle caratteristiche meccaniche dei dispositivi viene portata in conto direttamente attraverso un coefficiente maggiorativo del taglio totale alla base. Tale coefficiente maggiorativo risulta funzione della dipendenza del comportamento meccanico del sistema di isolamento dalle variazioni di temperatura, dall invecchiamento e dalla variabilità nell ambito della singola fornitura. La norma cinese, infine, non richiede (almeno esplicitamente) di considerare, ai fini delle verifiche, i valori più sfavorevoli delle caratteristiche meccaniche dei dispositivi di isolamento. Per quanto riguarda la caratterizzazione e la verifica dei dispositivi, la norma italiana appare la più completa, fornendo indicazioni precise sulle modalità di prova e sulla determinazione dei parametri sperimentali dei singoli dispositivi. La norma Armena è, anch essa, molto dettagliata ma è rivolta ai soli isolatori elastomerici. Le altre norme danno solo indicazioni di carattere generale sulle prove di qualificazione da effettuare senza specifiche sulle procedure di test per i diversi tipi di dispositivi che possono concorrere a comporre un sistema di isolamento, eventualmente rimandando a specifiche norme sui dispositivi. Nella norma russa, data la particolare natura del sistema di isolamento considerato e tenuto conto degli innumerevoli modi in cui può essere realizzato, non è riportata nessuna specifica sulle prove di qualificazione dei dispositivi, semplicemente raccomandando la massima qualità. È evidente che le differenze tra le diverse normative scaturiscono dalle diversità delle esperienze e delle tradizioni progettuali e costruttive, dal livello di avanzamento tecnologico, dal tipo di sismicità delle diverse aree, dall atteggiamento più o meno prudenziale dei normatori, essendo peraltro impensabile che si possa avere una perfetta uniformità di approccio in paesi dalle caratteristiche molto diverse, come quelli presi in considerazione. Una conclusione può però trarsi. Le differenze osservate fanno ritenere che l atteggiamento molto prudenziale presente nelle norme di cinque o dieci anni fa si sta attenuando progressivamente, man mano che le conoscenze migliorano e le esperienze dei terremoti confermano l efficacia e la robustezza concettuale e sostanziale

64 56 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico dell isolamento sismico. In questo quadro, la norma italiana si pone in una posizione di apertura alle nuove tecnologie, ma anche di rigoroso controllo, e di abbandono di alcuni pregiudizi che hanno ostacolato l applicazione dell isolamento. Essa tenta di valorizzarne i vantaggi, senza penalizzazioni derivanti dal conseguimento di obiettivi nettamente superiori a quelli richiesti per le costruzioni convenzionali.

65 CAPITOLO : COMMENTARIO ALLE NORME Nel presente capitolo vengono forniti, in forma di commentario, alcune note e delucidazioni sulle norme per l isolamento sismico degli edifici contenute nel Capitolo 10 ( Edifici con isolamento sismico ) dell Allegato dell Ordinanza 374 e successive modificazioni. Di seguito viene, pertanto, riportato il testo della norma nella sua forma completa, evidenziato nei riquadri, integrato con specifiche note di chiarimento. Sebbene, in alcuni casi, le note ripetano dei concetti già espressi nel precedente capitolo e applicati nel successivo, si è ritenuto comunque utile riproporli in affiancamento al testo della norma per una migliore e più immediata interpretazione della stessa. Nel testo che segue, la numerazione delle formule è mantenuta invariata rispetto a quella dell Ordinanza SCOPO (punto 10.1) Il presente capitolo fornisce criteri e regole per il progetto degli edifici nuovi e dell adeguamento di quelli esistenti, nei quali un sistema d'isolamento sismico è posto al disotto della costruzione medesima, o sotto una sua porzione rilevante, allo scopo di migliorarne la risposta nei confronti delle azioni sismiche orizzontali. L isolamento sismico rientra tra le strategie di protezione sismica delle strutture usualmente raggruppate sotto la denominazione di controllo passivo delle vibrazioni. Di queste, quelle più comunemente utilizzate negli edifici sono l isolamento sismico e la dissipazione d energia. La prima è essenzialmente finalizzata a limitare l energia che entra nella struttura, la seconda consente di dissipare l energia in entrata attraverso meccanismi di dissipazione controllati in appositi dispositivi distribuiti nella struttura. Per realizzare l isolamento sismico, occorre creare una sorta di discontinuità strutturale lungo l altezza della costruzione (interfaccia d isolamento), spesso alla base tra la fondazione e l elevazione (isolamento alla base) o immediatamente al di sopra di un piano scantinato. La trasmissione dell energia di movimento alla sovrastruttura viene limitata grazie alla disposizione tra la sottostruttura e la sovrastruttura di speciali apparecchi di appoggio ( isolatori ) ed eventualmente altri dispositivi ausiliari, che permettono ampi spostamenti con basse resistenze ai movimenti orizzontali. La maggior parte dell energia in entrata viene così immagazzinata e dissipata nei dispositivi, grazie agli ampi spostamenti che essi sono in grado di compiere senza danneggiarsi o con un danneggiamento controllato. I criteri e le regole di progettazione e verifica riportate nel presente capitolo valgono anche per gli interventi di adeguamento degli edifici esistenti trattati nel cap. 11, che rinvia

66 58 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico al presente capitolo nei casi in cui la protezione sismica è ottenuta mediante l isolamento (punto 11..8). La riduzione della risposta sismica orizzontale, qualunque siano la tipologia e i materiali strutturali dell edificio, può essere ottenuta mediante una delle seguenti strategie d'isolamento, o mediante una loro appropriata combinazione: a) incrementando il periodo fondamentale della costruzione per portarlo nel campo delle minori accelerazioni di risposta; b) limitando la massima forza orizzontale trasmessa. In entrambe le strategie le prestazioni dell isolamento possono essere migliorate attraverso la dissipazione di una consistente aliquota dell'energia meccanica trasmessa dal terreno alla costruzione. Il comportamento di un sistema d isolamento può essere ben interpretato facendo riferimento alle forme tipiche degli spettri di risposta elastici delle accelerazioni e degli spostamenti, riferiti a diversi rapporti di smorzamento. Considerando una struttura che ha un periodo fondamentale dell ordine di sec., l inserimento di un sistema di isolamento può produrre i seguenti effetti: a) l incremento del periodo fino ed oltre i.0 sec. determina una sensibile riduzione dell accelerazione sulla struttura (spettro delle accelerazioni) ed un notevole incremento degli spostamenti, essenzialmente concentrati nel sistema di isolamento; b) la limitazione della forza trasmessa, grazie all adozione di dispositivi a comportamento elasto-plastico o elastico non lineare, limita l accelerazione sulla struttura, ancora a scapito di un sensibile incremento degli spostamenti nel sistema di isolamento; c) la dissipazione di energia, associata al comportamento a) o b) o ad un comportamento intermedio (elasto-plastico con incrudimento) determina una considerevole riduzione degli spostamenti nel sistema di isolamento Le prescrizioni del presente capitolo non si applicano ai sistemi di protezione sismica basati sull'impiego di elementi dissipativi distribuiti a vari livelli, all'interno della costruzione. Le peculiarità di comportamento delle strutture con isolamento sismico e i diversi e più elevati livelli di sicurezza conseguibili richiedono una trattazione specifica, che non è strettamente necessaria per i sistemi di protezione basati sulla dissipazione di energia diffusa su tutta la struttura, per i quali si possono utilizzare i criteri generali e i metodi di analisi previsti per le costruzioni usuali, adottando opportuni valori del coefficiente di smorzamento, del fattore di struttura q o assegnando le corrette caratteristiche meccaniche (in termini di relazioni forza-spostamento) a seconda del tipo funzionamento dei dispositivi dissipativi e del tipo di analisi che, conseguentemente, si adotta. Occorre peraltro evidenziare che le tecnologie dei dispositivi per l isolamento e per la dissipazione di energia sono le stesse, o molto simili, e che gran parte dei requisiti e delle tecniche di sperimentazione presentano forti analogie. La differenzia sostanziale, infatti, risiede nell entità degli spostamenti, dell ordine della o delle decine di centimetri nei

67 Capitolo. Commentario alle Norme 59 dispositivi per l isolamento sismico e della o delle decine di mm nei dispositivi per la dissipazione di enegia.. DEFINIZIONI E SIMBOLI (punto 10.) Centro di rigidezza equivalente: Centro delle rigidezze equivalenti dei dispositivi che costituiscono il sistema di isolamento e della sottostruttura. Il contributo di quest ultima è generalmente trascurabile negli edifici. Ciclo bilineare teorico: Ciclo di comportamento meccanico forza-spostamento, definito convenzionalmente per identificare le principali caratteristiche meccaniche di un dispositivo a comportamento non lineare, mediante i valori di rigidezza di due rami definiti dai seguenti parametri: d el = spostamento nel primo ramo di carico in una prova sperimentale entro il quale il comportamento è sostanzialmente lineare. In generale può assumersi un valore pari a d /0; F el = d 1 = F 1 = Forza corrispondente a d el, nel ramo di carico iniziale sperimentale. ascissa del punto d intersezione della linea retta congiungente l origine con il punto (d el, F el ) e la linea retta congiungente i punti (d /4, F(d /4)) e (d, F ) nel terzo ciclo della prova sperimentale; ordinata del punto d intersezione della linea retta congiungente l origine con il punto (d el, F el ) e la linea retta congiungente i punti (d /4, F(d /4)) and (d, F ) nel terzo ciclo della prova sperimentale; d = Spostamento massimo di progetto in un dispositivo d isolamento, corrispondente allo SLU; F = forza corrispondente allo spostamento d, ottenuta al terzo ciclo sperimentale. Coefficiente viscoso equivalente: Coefficiente viscoso ξ che dissipa la stessa quantità di energia meccanica del sistema d isolamento durante un ciclo di ampiezza assegnata, tipicamente pari a quella di progetto. Dispositivi d'isolamento: Componenti del sistema d'isolamento, ciascuno dei quali fornisce una singola o una combinazione delle seguenti funzioni: di sostegno dei carichi verticali con elevata rigidezza in direzione verticale e bassa rigidezza o resistenza in direzione orizzontale, permettendo notevoli spostamenti orizzontali; di dissipazione di energia, con meccanismi isteretici e/o viscosi; di ricentraggio del sistema; di vincolo laterale, con adeguata rigidezza elastica, sotto carichi orizzontali di servizio (non sismici). Elementi base: elementi e/o meccanismi facenti parte di dispositivi di isolamento, che ne determinano le caratteristiche meccaniche fondamentali ai fini della loro utilizzazione nell ambito di un sistema di isolamento sismico. Energia dissipata: Energia dissipata da un dispositivo d'isolamento quando ad esso siano imposte deformazioni orizzontali. Interfaccia d'isolamento: Superficie di separazione nella quale è attivo il sistema d'isolamento, interposto fra la sovrastruttura isolata e la sottostruttura soggetta direttamente agli spostamenti imposti dal movimento sismico del terreno. Isolatore: Dispositivo di isolamento che svolge la funzione di sostegno dei carichi verticali con elevata rigidezza in direzione verticale e bassa rigidezza e/o resistenza in direzione orizzontale,

68 60 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico permettendo notevoli spostamenti orizzontali. A tale funzione possono essere associate o no quelle di dissipazione di energia, di ricentraggio del sistema, di vincolo laterale sotto carichi orizzontali di servizio (non sismici). Periodo equivalente: Periodo naturale d'oscillazione orizzontale della costruzione assimilata ad un oscillatore a un grado di libertà, con la massa della sovrastruttura e la rigidezza uguale alla rigidezza equivalente del sistema d isolamento, per uno spostamento di ampiezza uguale allo spostamento di progetto. Rigidezza equivalente: Rigidezza secante di un dispositivo d'isolamento o di un sistema d'isolamento, valutata su un ciclo forza-spostamento con spostamento massimo assegnato, tipicamente pari a quello di progetto. Sistema d'isolamento: Sistema formato da un insieme di dispositivi d'isolamento, disposti nell interfaccia d isolamento, al di sotto della sovrastruttura, determinandone l isolamento sismico. Fanno parte integrante del sistema d'isolamento gli elementi di connessione, nonché eventuali vincoli supplementari disposti per limitare gli spostamenti orizzontali dovuti ad azioni non sismiche (ad es. vento). SLD: Sigla che indica lo Stato Limite di Danno di progetto. SLU: Sigla che indica uno Stato Limite Ultimo di progetto. Sottostruttura: parte della struttura posta al di sotto dell interfaccia di isolamento. Essa include le fondazioni e la sua deformabilità orizzontale è in genere trascurabile. Sovrastruttura: parte della struttura posta al di sopra dell interfaccia di isolamento, e che risulta, perciò, isolata. Spostamento di progetto del sistema d isolamento in una direzione principale: massimo spostamento relativo orizzontale in corrispondenza del centro di rigidezza equivalente tra l estradosso della sottostruttura e l intradosso della sovrastruttura, prodotto dall azione sismica di progetto. Spostamento di progetto totale di un dispositivo d isolamento in una direzione principale: massimo spostamento orizzontale in corrispondenza del dispositivo, ottenuto dalla combinazione dello spostamento di progetto del sistema di isolamento e quello aggiuntivo determinato dalla torsione intorno all asse verticale. a =(α x b x + α y b y ) : Dimensione equivalente, usata per valutare la deformazione di taglio per rotazione in un isolatore rettangolare di dimensioni b x, b y e rotazioni α x, α y ; a = 3 α D /4 : Dimensione equivalente, utilizzata per valutare la deformazione di taglio per rotazione in un isolatore circolare; A : Area della superficie del singolo strato di elastomero depurata degli eventuali fori (se non riempiti successivamente); A : Area della superficie comune alla singola piastra d acciaio e allo strato di elastomero depurata degli eventuali fori (se non riempiti successivamente); Ar : Area ridotta efficace dell isolatore, valutata come Ar = Min [(bx drftx dex) (by drfty 0,3dEy), (bx drftx 0,3dEx) (by drfty dey)], per isolatori rettangolari di lati bx e by, Ar = (ϕ - sinϕ)d/4 con ϕ= arccos(ded/d) per isolatori circolari di diametro D; b x,b y : Dimensioni in pianta, secondo x ed y, della singola piastra di acciaio di un isolatore elastomerico rettangolare ; b min = min (b x,b y )

69 Capitolo. Commentario alle Norme 61 d : Spostamento massimo raggiunto dal dispositivo d isolamento in un ciclo di carico; d 1 : Spostamento corrispondente al limite elastico nel ciclo teorico bilineare di un dispositivo d isolamento non lineare; d : Spostamento massimo di progetto in un dispositivo d isolamento, corrispondente allo SLU; d dc : Spostamento massimo di progetto del centro di rigidezza del sistema d isolamento, corrispondente allo SLU; d el = spostamento nel primo ramo di carico in una prova sperimentale entro il quale il comportamento è sostanzialmente lineare. In generale può assumersi un valore pari a d /0; d Ex,d Ey : Spostamenti relativi tra le due facce (superiore e inferiore) di un isolatore, o tra le estremità di un dispositivo, prodotti dalla azione sismica agente nelle direzioni x e y; d rftx,d rfty : Spostamenti relativi tra le due facce (superiore e inferiore) degli isolatori, o tra le estremità di un dispositivo, prodotto dalle azioni di ritiro, fluage, e termiche (ridotte al 50%), ove rilevanti; d E = Max{ [(d Ex +d rftx ) + (0,3d Ey +d rfty ) ] 1/, [(0,3d Ex +d rftx ) + (d Ey +d rfty ) ] 1/ } = d D : Diametro della singola piastra di acciaio negli isolatori circolari o dimensione in pianta, misurata parallelamente all azione orizzontale agente, della singola piastra di acciaio; E b : Modulo di compressibilità volumetrica della gomma, da assumere pari a 000 MPa in assenza di determinazione diretta; E c : Modulo di compressibilità assiale valutato (in MPa) come E c = (1/(6G din S 1 )+4/(3E b )) -1 ; F : Forza massima raggiunta dal dispositivo d isolamento in un ciclo di carico; F 1 : Forza corrispondente al limite elastico nel ciclo teorico bilineare di un dispositivo d isolamento non lineare; F : Forza corrispondente allo spostamento massimo di progetto allo SLU in un dispositivo d isolamento; F el = Forza corrispondente a d el, nel ramo di carico iniziale sperimentale di un dispositivo non lineare; G : Modulo di taglio, convenzionalmente definito come il modulo secante tra le deformazioni di taglio corrispondenti agli spostamenti 0,7te e 0,58te; Gdin : Modulo dinamico equivalente a taglio, valutato come Gdin =Fte/(Ad) in corrispondenza di uno spostamento d=te; Ke = F/d = Gdin A/te : Rigidezza equivalente di un dispositivo d isolamento in un singolo ciclo di carico; Kesi = Σ j (Kej ) : Rigidezza totale equivalente del sistema di isolamento; Kv = Σ j (Kvj ) : Rigidezza totale verticale del sistema di isolamento; K 1 = F 1 /d 1 : Rigidezza elastica (del primo ramo) del ciclo bilineare teorico di un dispositivo di isolamento a comportamento non lineare; K = F /d : Rigidezza post-elastica (del secondo ramo) del ciclo teorico di un dispositivo di isolamento non lineare; L : Superficie laterale libera del singolo strato di elastomero di un isolatore elastomerico maggiorata della superficie laterale degli eventuali fori (se non riempiti successivamente); M : Massa totale della sovrastruttura; m j : Massa del piano j-esimo della sovrastruttura; S 1 = A /L : Fattore di forma primario di un isolatore elastomerico;

70 6 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico S = D/te : Fattore di forma secondario di un isolatore elastomerico, nella direzione in esame; Smin = b min /te : Fattore di forma secondario minimo di un isolatore elastomerico rettangolare; t i : Spessore del singolo strato di elastomero; te : Somma degli spessori dei singoli strati di elastomero valutata maggiorando lo spessore dei due strati esterni, se maggiore di 3 mm, del fattore 1,4; t1, t : Spessore dei due strati di elastomero direttamente a contatto con la piastra considerata; ts : Spessore della piastra generica; T : Periodo generico; T bf : primo periodo proprio della struttura a base fissa; T is : primo periodo proprio della struttura isolata ; T v : periodo di vibrazione in direzione verticale della struttura isolata ; V : Carico verticale di progetto agente sull isolatore in presenza di sisma ; Vmax : Valore massimo di progetto di V; Vmin : Valore minimo di progetto di V; Wd : Energia dissipata da un dispositivo d isolamento in un ciclo completo di carico; α x,α y : Rotazioni relative tra le facce superiore e inferiore di un isolatore elastomerico rispettivamente attorno alle direzioni x ed y; α = (α x + α y ) 1/ ; γ : Deformazione di taglio generica; γc = 1,5V/(S 1 G din A r ) : Deformazione di taglio dell elastomero prodotta dalla compressione assiale; γs = d E /te : Deformazione di taglio dell elastomero prodotta dallo spostamento sismico totale, inclusi gli effetti torsionali; γα = a /t i te : Deformazione di taglio dell elastomero dovuta alla rotazione angolare; γt = γc+γs+γα : Deformazione totale di taglio; ξ e = Wd / (πfd)= Wd / (πked ) : coefficiente di smorzamento viscoso equivalente in un singolo ciclo di carico di un dispositivo d isolamento; ξ esi = Σ j (Wdj) / (πkesid ) : coefficiente di smorzamento viscoso equivalente del sistema d isolamento..3 REQUISITI GENERALI E CRITERI PER IL LORO SODDISFACIMENTO (punto 10.3) Gli edifici con isolamento sismico debbono soddisfare i requisiti generali di sicurezza e i criteri di verifica riportati nel capitolo di queste norme. In particolare valgono integralmente le prescrizioni riguardanti la sicurezza nei confronti della stabilità (SLU), della limitazione dei danni (SLD), i terreni di fondazione. Per comodità di lettura si riporta di seguito l enunciato dei punti.1 e.:

71 Capitolo. Commentario alle Norme 63.1 Sicurezza nei confronti della stabilità (stato limite ultimo SLU) Sotto l'effetto della azione sismica di progetto definita al successivo punto 3, le strutture degli edifici, ivi compresi gli eventuali dispositivi antisismici di isolamento e/o dissipazione, pur subendo danni di grave entità agli elementi strutturali e non strutturali, devono mantenere una residua resistenza e rigidezza nei confronti delle azioni orizzontali e l intera capacità portante nei confronti dei carichi verticali.. Protezione nei confronti del danno (stato limite di danno SLD) Le costruzioni nel loro complesso, includendo gli elementi strutturali e quelli non strutturali, ivi comprese le apparecchiature rilevanti alla funzione dell edificio, non devono subire danni gravi ed interruzioni d'uso in conseguenza di eventi sismici che abbiano una probabilità di occorrenza più elevata di quella della azione sismica di progetto. Per particolari categorie di costruzioni, in relazione alla necessità di mantenerle pienamente funzionali anche dopo terremoti violenti, si possono adottare valori maggiorati delle azioni, facendo riferimento a probabilità di occorrenza simili o più vicine a quelle adottate per la sicurezza nei confronti del collasso. Il soddisfacimento è assicurato dal rispetto delle condizioni espresse in.3, salvo condizioni particolari specifiche degli edifici con isolamento sismico, per i quali vale, in aggiunta o in sostituzione, quanto contenuto nei successivi paragrafi. Per comodità di lettura si riporta di seguito l enunciato del punto.3 richiamato: Il requisito enunciato al punto.1 si considera soddisfatto se vengono seguite le disposizioni contenute nelle presenti norme, con riferimento particolare a: la scelta della azione sismica di progetto in relazione alla zonazione sismica ed alle categorie di suolo di fondazione di cui al punto 3.1; l'adozione di un modello meccanico della struttura in grado di descriverne con accuratezza la risposta sotto azione dinamica, secondo quanto indicato al punto 4.4; la scelta di un metodo di analisi adeguato alle caratteristiche della struttura, secondo quanto indicato al punto 4.5; l'esecuzione con esito positivo delle verifiche di resistenza e di compatibilità degli spostamenti l'adozione di tutte le regole di dettaglio volte ad assicurare caratteristiche di duttilità agli elementi strutturali ed alla costruzione nel suo insieme, secondo quanto indicato nei capitoli relativi a strutture realizzate con i diversi materiali. Il requisito enunciato al punto. si considera soddisfatto se vengono seguite le disposizioni contenute nelle presenti norme, con particolare riferimento ai punti 3..6 e ed ai dettagli costruttivi contenuti nei capitoli relativi a strutture realizzate con i diversi materiali. La sovrastruttura e la sottostruttura si devono mantenere sostanzialmente in campo elastico. Per questo la struttura potrà essere progettata con riferimento ai particolari costruttivi della zona 4, con deroga, per le strutture in c.a., a quanto previsto al par Il comportamento di una struttura con isolamento sismico risulta ben prevedibile se i suoi elementi strutturali non subiscono grandi escursioni in campo plastico. Studi numerici

72 64 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico hanno dimostrato che la completa plasticizzazione della struttura in elevazione può condurre, sotto certe condizioni (strutture con uno o due piani, con alti periodi di isolamento, scarsa ridondanza e basso incrudimento post-elastico), a notevoli richieste di duttilità, difficilmente controllabili con un calcolo elastico. Da ciò nasce questa prescrizione, che, automaticamente, implica un livello di danneggiamento della struttura isolata allo SLU molto più limitato, praticamente nullo, di quello di una struttura antisismica convenzionale, nella quale lo SLU è caratterizzato da notevoli richieste di duttilità. Essendo nulle o molto limitate le richieste di duttilità agli elementi strutturali, l adozione di una progettazione in alta duttilità comporterebbe degli inutili aggravi di costo senza sostanziali vantaggi. Pertanto per i dettagli costruttivi (e solo per questi) si fa riferimento alle regole delle strutture da realizzare in zona 4, per le quali non si richiedono particolari capacità dissipative, ma solo un adeguata resistenza laterale. In particolare, per le strutture in c.a., non è necessario rispettare il punto , che recita: La larghezza della trave, b, non deve essere minore di 0 cm e, per le travi basse comunemente denominate "a spessore", non maggiore della larghezza del pilastro, aumentata da ogni lato di metà dell altezza della sezione trasversale del pilastro stesso. Il rapporto b/h non deve essere minore di 0,5. Non valgono pertanto le limitazioni dimensionali delle travi degli edifici convenzionali. Un affidabilità superiore è richiesta al sistema di isolamento per il ruolo critico che esso svolge. Tale affidabilità si ritiene conseguita se il sistema di isolamento è progettato e verificato sperimentalmente secondo quanto stabilito nel punto 10.8 e negli allegati 10.A, 10.B. In particolare nel punto 10.8 è richiesto che il raggiungimento dello SLU nei dispositivi avvenga per terremoti d intensità del 0% superiore a quella di riferimento per lo SLU della struttura. Per i dispositivi costituenti il sistema di isolamento valgono, inoltre, le condizioni seguenti: I dispositivi saranno accompagnati da una relazione che illustri il comportamento meccanico sia di insieme che dei singoli componenti, così da minimizzare la possibilità del verificarsi di comportamenti non previsti. La relazione deve soprattutto chiarire la funzione dei singoli componenti ed il modo in cui ciascuno di essi deve assolverla. Si eviteranno in tal modo variazioni o manomissioni nel tempo che possano compromettere il corretto comportamento del dispositivo. La definizione del comportamento meccanico del dispositivo sotto azioni orizzontali (sisma, vento, ecc.), sia ai fini della risposta del sistema strutturale che lo contiene che ai fini del dimensionamento del dispositivo stesso, sarà basata su un modello strutturale sufficientemente realistico (ove necessario non lineare, dipendente dallo sforzo assiale, ecc.) e su prove di laboratorio effettuate in condizioni più

73 Capitolo. Commentario alle Norme 65 aderenti possibile alle condizioni reali in termini di accelerazione, velocità, spostamento e sollecitazione. Eventuali modifiche di tale comportamento, sia in fase di costruzione che di messa in opera e nella successiva vita utile del dispositivo, possono essere ammesse solo con adeguate giustificazioni e verifiche, incluso il controllo che non siano state introdotte sfavorevoli sovraresistenze e sovrarigidezze rispetto alle richieste di progetto. I modelli analitici o numerici del dispositivo per la sua progettazione e per il suo dimensionamento potranno differire dai modelli utilizzati ai fini dell analisi della struttura nel suo insieme. Per queste ultime si adotteranno modellazioni semplificate secondo quanto previsto in Differenze di resistenza e/o di rigidezza del singolo dipositivo rispetto a quelle previste in progetto determinano malfunzionamenti del sistema d isolamento nel suo insieme. Esse possono portare a forze eccessive nella struttura o a spostamenti eccessivi del sistema stesso, se le differenze sono presenti in tutti i dispositivi in egual misura, o a effetti torsionali imprevisti, se sono diverse da dispositivo a dispositivo. L adozione di un modello corretto ai fini del dimensionamento del dispositivo e l esecuzione di idonee prove di laboratorio contribuiranno ad evitare che si verifichino tali malfunzionamenti Nell ambito del progetto si dovrà redigere un piano di qualità riguardante sia la progettazione del dispositivo, che la costruzione, la messa in opera, la manutenzione e le relative verifiche analitiche e sperimentali. I documenti di progetto indicheranno i dettagli, le dimensioni e le prescrizioni sulla qualità, come pure eventuali dispositivi di tipo speciale e le tolleranze concernenti la messa in opera. Elementi di elevata importanza, che richiedano particolari controlli durante le fasi di costruzione e messa in opera, saranno indicati negli elaborati grafici di progetto, insieme alle procedure di controllo da adottare. Saranno, in generale, da considerare elementi di particolare importanza quelli che determinano il comportamento (lineare, viscoso, non lineare) che caratterizza il dispositivo, ai fini della protezione sismica della struttura. Per essi è importante che, come detto al punto precedente, il comportamento reale corrisponda a quello teorico previsto nei limiti di tolleranza ammessi. Per le altre parti (organi di attacco e parti strutturali del dispositivo) è, invece, fondamentale che non si abbiano variazioni in difetto delle resistenze e delle rigidezze. Tutte le condutture degli impianti che attraversano i giunti intorno alla struttura isolata dovranno non subire danni e rimanere funzionanti per i valori di spostamento corrispondenti allo SLD. Quelle del gas e di altri impianti pericolosi che attraversano i giunti di separazione dovranno essere progettati per consentire gli spostamenti relativi della sovrastruttura isolata corrispondenti allo SLU, con lo stesso livello di sicurezza adottato per il progetto del sistema di isolamento.

74 66 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico Essendo i giunti soggetti a spostamenti dell ordine di qualche centimetro anche per il terremoto di progetto allo SLD, occorre prestare particolare attenzione ai dettagli degli impianti, soprattutto delle condutture, in corrispondenza dell attraversamento dei giunti. Per queste ultime occorre adottare delle giunzioni flessibili e comunque che permettano di subire spostamenti dell entità detta, senza determinare danni e perdite. Si raccomanda di valutare, di caso in caso, se nell economia generale del progetto può valere la pena elevare la protezione degli impianti, riferendola al terremoto di progetto allo SLU o comunque a un azione di intensità superiore a quella dello SLD. Per gli impianti pericolosi, in particolare per le condutture del gas, la verifica va obbligatoriamente riferita alle condizioni di SLU, in relazione all alto rischio che essi implicano e che, in caso di rottura, può portare allo SLU la struttura o creare condizioni di pericolo per la vita umana..4 CARATTERISTICHE E CRITERI DI ACCETTAZIONE DEI DISPOSITIVI (punto 10.4) Ai fini delle presenti disposizioni, i dispositivi facenti parte di un sistema d isolamento si distinguono in isolatori e dispositivi ausiliari. Sono state proposte numerose classificazioni dei dispositivi per l isolamento sismico. In quella adottata si fa la distinzione tra i dispositivi che sostengono il carico verticale (isolatori), dunque fondamentali e sempre presenti, da quelli che forniscono proprietà aggiuntive al sistema di isolamento (dispositivi ausiliari). Gli isolatori sono dispositivi che svolgono fondamentalmente la funzione di sostegno dei carichi verticali, con elevata rigidezza in direzione verticale e bassa rigidezza o resistenza in direzione orizzontale, permettendo notevoli spostamenti orizzontali. A tale funzione possono essere associate o no quelle di dissipazione di energia, di ricentraggio del sistema, di vincolo laterale sotto carichi orizzontali di servizio (non sismici). Essendo fondamentalmente degli apparecchi di appoggio, essi debbono rispettare le relative norme per garantire la loro piena funzionalità rispetto alle azioni di servizio. Tra gli isolatori si individuano: isolatori in materiale elastomerico ed acciaio, isolatori a scorrimento. L applicazione dell isolamento sismico delle costruzioni è fondamentalmente rivolta alla riduzione degli effetti prodotti dalle azioni orizzontali. Le azioni verticali, infatti, sono di entità generalmente inferiore ed incrementano l effetto dei carichi verticali rispetto ai quali le usuali strutture sono già naturalmente concepite per resistere. L efficacia di un sistema d isolamento in una data direzione è legata alla sua capacità di permettere grandi spostamenti nella direzione considerata opponendo una minima resistenza, garantendo comunque le condizioni di vincolo richieste sotto le azioni di servizio.

75 Capitolo. Commentario alle Norme 67 Le tipologie d isolatori prese in considerazione sono quelle più usuali, affidabili ed economiche, oltre che largamente collaudate anche in applicazioni di tipo diverso dall isolamento (in particolare come apparecchi d appoggio per ponti). I dispositivi ausiliari svolgono fondamentalmente la funzione di dissipazione di energia e/o di ricentraggio del sistema e/o di vincolo laterale sotto carichi orizzontali di servizio (non sismici), rispetto alle azioni orizzontali. Tra di essi si distinguono dispositivi a comportamento non lineare, indipendente dalla velocità di deformazione, dispositivi a comportamento viscoso, dipendente dalla velocità di deformazione, dispositivi a comportamento lineare o quasi lineare. La classificazione proposta fa unicamente riferimento al tipo di comportamento del dispositivo, e non al tipo di materiale o meccanismo utilizzato. I singoli comportamenti sono, infatti, realizzabili con materiali e meccanismi diversi. Nell effettuazione delle analisi può essere ammessa una modellazione diversa dal comportamento in relazione al quale il dispositivo è stato classificato, se il sistema di isolamento, nel suo insieme, soddisfa i requisiti per una modellazione più semplice. Ad esempio un dispositivo ausiliario a comportamento non lineare, dissipativo, può far parte di un sistema d isolamento che, nel suo insieme, può essere modellato come lineare, se soddisfa i requisiti di cui al punto Un sistema di isolamento può essere costituito unicamente da isolatori elastomerici, eventualmente realizzati con elastomeri ad alta dissipazione o comprendenti inserti di materiali dissipativi (ad es. piombo), oppure unicamente da isolatori a scorrimento o rotolamento, che inglobano funzioni dissipative o ricentranti per la presenza di elementi capaci di svolgere tali funzioni, oppure da un opportuna combinazione di isolatori e dispositivi ausiliari, questi ultimi generalmente con funzione dissipativa, ricentrante e/o di vincolo. Gli isolatori elastomerici, dato il loro comportamento quasi elastico, la loro elevata rigidezza verticale ed essendo dotati di discrete capacità dissipative (in relazione al tipo di mescola e additivi utilizzati), sono in grado di svolgere tutte le funzioni essenziali di un sistema di isolamento. Salvo condizioni particolari o l adozione di gomme a bassa dissipazione, essi non necessitano di dispositivi ausiliari e possono da soli realizzare sistemi di isolamento completi. Nei casi in cui sia necessaria una maggiore dissipazione di energia, soprattutto ai fini di un contenimento degli spostamenti, si possono adottare isolatori con speciali inserti di materiali dissipativi, spesso inseriti in fori circolari verticali. Gli isolatori a scorrimento, generalmente realizzati con apparecchi uni o bi-direzionali in acciaio-teflon, permettono ampi spostamenti, senza sostanziali limitazioni, sfruttando la bassa resistenza d attrito tra le superfici di acciaio inossidabile lucidato ed il teflon (PTFE), eventualmente lubrificate (l attrito è dell ordine di qualche percento). Le capacità

76 68 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico dissipative sono legate alla resistenza d attrito nel movimento, soggetta però a notevole variabilità relativa, e perciò poco affidabile. Essi necessitano di elementi di completamento interni o dispositivi ausiliari esterni, capaci di fornire proprietà dissipative e, se necessario, ricentranti al sistema di isolamento. I dispositivi di isolamento possono essere basati su materiali e meccanismi diversi, dai quali dipendono le loro proprietà meccaniche. Le proprietà di un sistema di isolamento, nel suo complesso, e la loro costanza scaturiscono dalla combinazione delle proprietà dei dispositivi e degli isolatori che lo costituiscono. Tutte le parti strutturali dei dispositivi, non direttamente impegnate nella funzione d isolamento, devono essere capaci di sopportare le massime sollecitazioni di progetto rimanendo in campo elastico, con un adeguato coefficiente di sicurezza. Le modalità di verifica sono precisate nel punto Particolare attenzione va rivolta agli elementi di connessione tra i dispositivi e la struttura. È assolutamente necessario che si realizzino condizioni di vincolo perfetto, affinché la funzione del dispositivo non sia vanificata o fortemente compromessa. L idoneità all impiego deve essere accertata mediante le prove sui materiali e sui dispositivi descritte nell allegato 10.B eseguite e certificate da laboratori ufficiali, ai sensi dell art. 0 della legge 1086/71, dotati delle necessarie attrezzature e della specifica competenza. In generale saranno richieste, qualunque sia la tipologia di dispositivo, prove di accettazione dei materiali, prove di qualificazione dei dispositivi e prove di accettazione dei dispositivi. In particolare le seconde sono finalizzate ad accertare che i dispositivi siano effettivamente in grado di svolgere correttamente e nelle diverse condizioni di lavoro tutte le funzioni ad essi richieste nelle condizioni di esercizio e del terremoto di progetto allo SLD e, soprattutto, allo SLU..4.1 Isolatori elastomerici (punto ) Gli isolatori elastomerici sono costituiti da strati di materiale elastomerico (gomma naturale o materiali artificiali idonei) alternati a piastre di acciaio, aventi prevalente funzione di confinamento dell elastomero, e vengono disposti nella struttura in modo da sopportare le azioni e deformazioni orizzontali di progetto trasmesse (sisma, vento, dilatazioni termiche, viscosita, ecc.) mediante azioni parallele alla giacitura degli strati di elastomero ed i carichi permanenti ed accidentali verticali mediante azioni perpendicolari agli strati stessi. Gli isolatori elastomerici sono costituiti da strati di gomma alternati a lamierini di acciaio solidarizzati in un processo di vulcanizzazione.

77 Capitolo. Commentario alle Norme 69 Le piastre di acciaio saranno conformi a quanto previsto nelle norme per gli apparecchi di appoggio con un allungamento minimo a rottura del 18% e spessore minimo pari a mm per le piastre interne e a 0 mm per le piastre esterne. Gli isolatori debbono avere pianta con due assi di simmetria ortogonali, così da presentare un comportamento il più possibile indipendente dalla direzione della azione orizzontale agente. Ai fini della determinazione degli effetti di azioni perpendicolari agli strati, le loro dimensioni utili debbono essere riferite alle dimensioni delle piastre in acciaio, mentre per gli effetti delle azioni parallele alla giacitura degli strati si considererà la sezione intera dello strato di gomma. Si definiscono due fattori di forma: S1, fattore di forma primario, rapporto tra la superficie A comune al singolo strato di elastomero ed alla singola piastra d acciaio, depurata degli eventuali fori (se non riempiti successivamente), e la superficie laterale libera L del singolo strato di elastomero, maggiorata della superficie laterale degli eventuali fori (se non riempiti successivamente) ossia S1=A /L; S, fattore di forma secondario, rapporto tra la dimensione in pianta D della singola piastra in acciaio, parallelamente all azione orizzontale agente, e lo spessore totale te degli strati di elastomero (te è ottenuto come somma dello spessore dei singoli strati, maggiorando lo spessore dei due strati esterni, se maggiore di 3 mm, del fattore 1,4) ossia S = D/te. I due fattori di forma S1 e S sono due parametri fondamentali nella progettazione degli isolatori elastomerici armati. Il fattore primario S1 condiziona principalmente la rigidezza verticale dell isolatore, nonché le deformazioni tangenziali della gomma e le tensioni di trazione nei lamierini di acciaio prodotte dal carico verticale, grazie all azione di confinamento svolta dai lamierini di acciaio sui singoli strati di gomma tra di essi compresi. La sostanziale trascurabilità dello strato laterale esterno di gomma non confinato ai fini della portanza per carichi verticali giustifica l adozione dell area del lamierino A nella valutazione di S1, piuttosto che di quella totale dell intero strato di gomma A. Il fattore secondario S condiziona principalmente la portanza degli isolatori elastomerici in relazione ai fenomeni di instabilità, tenuto anche conto che la portanza del carico verticale deve essere garantita anche nelle condizioni di massima deformazione sotto sisma. Nell allegato 10.A sono fornite le modalità di verifica rispetto alle problematiche citate (verifica della gomma per deformazioni tangenziali, dell acciaio a trazione, dell isolatore per instabilità), nelle quali entrano i due fattori di forma. In termini generali si può affermare che valori elevati (superiori a 10) di S1 garantiscono un miglior funzionamento dell isolatore nella portanza dei carichi verticali, in termini di rigidezza e resistenza, mentre l assunzione di valori di S superiori a 4 danno buone garanzie sulla verifica di sicurezza all instabilità.

78 70 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico Gli isolatori in materiale elastomerico ed acciaio sono individuati attraverso le loro curve caratteristiche forza - spostamento, generalmente non lineari, tramite i due parametri sintetici: la rigidezza equivalente Ke, il coefficiente di smorzamento viscoso equivalente ξ e. La rigidezza equivalente Ke, relativa ad un ciclo di carico, è definita come rapporto tra la forza F corrispondente allo spostamento massimo d raggiunto in quel ciclo e lo stesso spostamento (Ke = F/d) e si valuta come prodotto del modulo dinamico equivalente a taglio Gdin per A/te. Il coefficiente di smorzamento viscoso equivalente ξ e si definisce come rapporto tra l energia dissipata in un ciclo completo di carico Wd e πfd, ossia ξ e = Wd/(π Fd). La rigidezza equivalente K e ed il coefficiente di smorzamento viscoso equivalente ξ e oltre a definire in maniera sintetica il comportamento di un isolatore elastomerico sono anche i parametri fondamentali nella modellazione degli isolatori e del sistema di isolamento quando si esegue l analisi lineare (statica o dinamica) della struttura. In particolare l espressione di ξ e scaturisce dall imposizione dell equivalenza dell energia effettivamente dissipata dall isolatore in un ciclo e quella che verrebbe dissipata da un dissipatore viscoso lineare nello stesso ciclo. Data l effettiva non linearità di comportamento degli isolatori elastomerici, questi due parametri sono comunque funzione dell ampiezza massima dello spostamento raggiunto nel ciclo di carico considerato, percorso alla frequenza propria del sistema strutturale. Le caratteristiche meccaniche (K e e ξ e ) dei dispositivi reali, valutate in corrispondenza dello spostamento massimo di progetto d, dovranno avere variazioni limitate come segue: nell ambito di tutta la fornitura per la singola opera i valori medi delle suddette caratteristiche non possono differire di più del ± 10% rispetto ai corrispondenti valori di progetto, e le differenze, rispetto ai valori medi, non possono superare il ± 10%; le variazioni legate all invecchiamento dell elastomero, valutate come indicato nel seguito, non dovranno superare il 0% del valore iniziale; le variazioni dovute a fattori ambientali (temperatura), valutate per le condizioni estreme di progetto dei fattori stessi e con riferimento al valore misurato in condizioni medie di tali fattori, non dovranno superare il ± 0%; le variazioni dovute al carico verticale, valutate come differenza tra i valori corrispondenti al carico verticale massimo ed a quello minimo, non dovranno superare il 15% del valore di progetto; le variazioni dovute alla velocità di deformazione (frequenza), valutate in un intervallo di ±30% del valore massimo, non dovranno superare il ± 10%;

79 Capitolo. Commentario alle Norme 71 Gli isolatori elastomerici devono inoltre essere in grado di sostenere almeno 10 cicli con spostamento massimo impresso pari a 1, d. I cicli si intendono favorevolmente sostenuti se saranno soddisfatte le seguenti condizioni: i diagrammi forza-spostamento mostreranno sempre un incremento di carico al crescere dello spostamento; le caratteristiche meccaniche dei dispositivi (Ke e ξ e ), nei cicli successivi al primo, non varieranno di più del 15% rispetto alle caratteristiche riscontrate durante il terzo ciclo, ossia K e(i) -K e(3) /K e(3) < 0,15 e ξ e(i) -ξ e(3) /ξ e(3) < 0,15, avendo contrassegnato con il pedice (i) le caratteristiche valutate all i-esimo ciclo e con il pedice (3) le caratteristiche valutate al terzo ciclo..4. Isolatori a scorrimento (punto 10.4.) Gli isolatori a scorrimento sono costituiti da appoggi a scorrimento (acciaio-ptfe) caratterizzati da bassi valori delle resistenze per attrito. Le superfici di scorrimento in acciaio e PTFE devono essere conformi alla normativa vigente per gli apparecchi di appoggio. Gli isolatori a scorrimento dovranno avere un coefficiente d attrito in tutte le condizioni di lavoro del sistema di isolamento sismico compreso tra 0 e 4 %, ossia tenuto conto di: differenze nell ambito della singola fornitura rispetto al valore di progetto; variazioni legate all invecchiamento; variazioni dovute a fattori ambientali (temperatura), valutate per condizioni estreme dei fattori stessi e con riferimento al valore misurato in condizioni medie di tali fattori; variazioni dovute al carico verticale, valutate come differenza tra i valori corrispondenti al carico verticale massimo ed a quello minimo; variazioni dovute alla velocità (frequenza), valutate in un intervallo di ±30% del valore massimo; Gli isolatori a scorrimento devono inoltre essere in grado di sopportare, sotto spostamento massimo impresso pari a 1, d, almeno 10 cicli di carico e scarico. I cicli si riterranno favorevolmente sopportati se il coefficiente d attrito (f), nei cicli successivi al primo, non varierà di più del 15% rispetto alle caratteristiche riscontrate durante il terzo ciclo, ossia f (i) -f (3) /f (3) < 0,15, avendo contrassegnato con il pedice (i) le caratteristiche valutate all i-esimo ciclo e con il pedice (3) le caratteristiche valutate al terzo ciclo. Qualora l incremento della forza nel sistema di isolamento per spostamenti tra 0,5d dc e d dc sia inferiore all 1,5% del peso totale della sovrastruttura, gli isolatori a scorrimento debbono essere in grado di garantire la loro funzione di appoggio fino a spostamenti pari ad 1,5 d. L ultimo capoverso richiede che sia garantita il contatto tra superfici a basso attrito per spostamenti incrementati del 50%, qualora il sistema d isolamento nel suo complesso abbia un comportamento poco incrudente, e quindi scarse capacità di ricentraggio dinamico. Lo stesso requisito non è richiesto agli eventuali elementi dissipativi presenti

80 7 Progetto di Edifici con Isolamento Sismico nel dispositivo, che debbono invece garantire il loro corretto funzionamento fino a spostamenti pari a 1, d, come per tutti gli altri dispositivi..4.3 Dispositivi ausiliari a comportamento non lineare (punto ) I dispositivi ausiliari a comportamento non lineare trasmettono, in generale, soltanto azioni orizzontali ed hanno rigidezza trascurabile rispetto alle azioni verticali. Essi possono realizzare comportamenti meccanici diversi, ad elevata o bassa dissipazione di energia, con riduzione o incremento della rigidezza al crescere dello spostamento, con o senza spostamenti residui all azzeramento della forza. Nel seguito si tratteranno essenzialmente dispositivi caratterizzati da una riduzione della rigidezza, ma con forza sempre crescente, al crescere dello spostamento, i cui diagrammi forza-spostamento sono sostanzialmente indipendenti dalla velocità di percorrenza e possono essere schematizzati come nella figura I dispositivi a comportamento non lineare sono costituiti da elementi base che ne determinano le caratteristiche meccaniche fondamentali ai fini della loro utilizzazione nell ambito di un sistema di isolamento sismico. Ove necessario tali elementi potranno essere sottoposti singolarmente a prove sperimentali di qualificazione e accettazione. I dispositivi di isolamento non lineari sono individuati dalla curva caratteristica che lega la forza trasmessa dal dispositivo al corrispondente spostamento; tali curve caratteristiche sono, in generale, schematizzabili con delle bilineari, definite dalle coordinate (F 1, d 1 ), corrispondenti al limite teorico del comportamento elastico lineare del dispositivo, e dalle coordinate (F, d ) corrispondenti al valore di progetto allo SLU dello spostamento. Figura 10.1 Diagrammi forza spostamento per dispositivi non lineari Il ciclo bilineare teorico è definito dai seguenti parametri: d el = spostamento nel primo ramo di carico in una prova sperimentale entro il quale il comportamento è sostanzialmente lineare. In generale può assumersi un valore pari a d /0; F el = Forza corrispondente a d el, nel ramo di carico iniziale sperimentale. d 1 = ascissa del punto d intersezione della linea retta congiungente l origine con il punto (d el, F el ) e la linea retta congiungente i punti (d /4, F(d/4)) and (d, F ) nel terzo ciclo della prova sperimentale;