Isolatori sismici

ISOLATORI SISMICI
Un’opportuna scelta delle caratteristiche meccaniche degli isolatori consente di “disaccoppiare” la
sovrastruttura dalla sottostruttura nelle oscillazioni che coinvolgono prevalentemente spostamenti
orizzontali. Il “disaccoppiamento” consiste nella diversificazione del comportamento dinamico delle
due suddette porzioni della costruzione: durante un moto oscillatorio, mentre la sottostruttura subisce
deformazioni di modesta entità, tanto più quanto maggiore è la sua rigidezza, la sovrastruttura compie
oscillazioni tanto più ampie quanto minore è la rigidezza e resistenza degli isolatori. Dette oscillazioni
sono dovute per la maggior parte alla deformazione degli isolatori collocati al di sotto della
sovrastruttura e solo in minor parte alle deformazioni della sovrastruttura stessa. Durante un
terremoto, generalmente, tanto più sono ampie queste oscillazioni tanto più sono modeste le
conseguenti accelerazioni, quindi le forze d’inerzia, che subisce la sovrastruttura.
ISOLATORI SISMICI
L’andamento dello spettro di risposta proposto dalle NTC ’08 dimostra
che le accelerazioni spettrali Se possono essere drasticamente ridotte
se si riesce ad aumentare notevolmente il periodo principale T della
struttura.
ISOLATORI SISMICI
Le strutture tradizionali, a base fissa, hanno periodo principale T
abbastanza bassi, che in genere ricadono nell’intervallo in cui
l’accelerazione spettrale Se viene notevolmente amplificata.
F0 ag
T
ISOLATORI SISMICI
Se alla base si interpone, tra fondazione e struttura, un elemento
molto deformabile in senso orizzontale il periodo cresce notevolmente
e conseguentemente l’accelerazione si riduce a valori molto più bassi.
F0 ag
Se
T
TI
ISOLATORI SISMICI
L’efficacia del sistema di isolamento è tanto maggiore quanto più alto
è il rapporto tra il periodo della struttura isolata e il periodo della
struttura a base fissa.
F0 ag
Se
T
TI
Si ottiene un buon “disaccoppiamento” quando risulta TIS ≥ 3·TNonIS. Essendo TIS il periodo della
struttura isolata e TNonIS quello della struttura non isolata. Maggiore è l’incremento di periodo
(generalmente TIS > 2,0 s) maggiore è la riduzione delle accelerazioni sulla sovrastruttura (spettro in
accelerazioni) e l’incremento degli spostamenti (spettro in spostamenti), che si concentrano
essenzialmente nel sistema di isolamento.
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI SISMICI
Nelle condizioni ordinarie (assenza di isolamento sismico), il coefficiente di smorzamento viscoso
equivalente è pari al 5%. Nel caso invece di edifici isolati, la normativa prevede uno smorzamento
massimo pari al 45%.
ISOLATORI SISMICI
Per ottenere i citati vantaggi in termini di riduzione delle accelerazioni
spettrali, i fattori di partecipazione modale dei modi superiori al primo
devono essere trascurabili, ovvero è necessario che le masse
partecipanti siano concentrate nei primi modi.
Struttura a base fissa
ISOLATORI SISMICI
- Strutture molto alte o dotate di massa modesta hanno periodo
elevato e di conseguenza non traggono grossi vantaggi
dall’isolamento in termini di riduzione dell’accelerazione spettrale.
- A fronte di una riduzione modesta dell’accelerazione spettrale, c’è il
problema degli spostamenti che, risulterebbero troppo elevati. Con
periodi superiori ai 3 secondi si potrebbero avere spostamenti tali da
rendere inagibile il fabbricato; inoltre, i collegamenti verticali, scale e
ascensori, condotte idriche, telefoniche, impianti in genere,
diventerebbero ingestibili per fabbricati ad uso civile.
ISOLATORI SISMICI
Per suoli soffici (categorie D - E) gli spettri presentano amplificazioni
particolarmente rilevanti per gli alti periodi. Come conseguenza per
questi terreni la riduzione di accelerazione, e quindi il beneficio
dell’isolamento, è molto minore.
2.00
1.60
D
1.20
E
C
0.80
B
A
0.40
0.00
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI ELASTOMERICI
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI A PENDOLO SCORREVOLE
(Friction Pendulum)
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI ELASTOMERICI
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI ELASTOMERICI
Isolatore in gomma
HDRB (High Dumping Rubber Bearings)
Isolatore in gomma e piombo
LRB (Lead core Rubber Bearings)
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI ELASTOMERICI
Isolatore in gomma e piombo
Isolatore in gomma
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI ELASTOMERICI
LRB
HDRB
MLRB
Lead core Rubber
Bearings
High Damping Rubber
Bearings
Multi layer Low damping
Rubber Bearings
Coeff. di smorzamento
viscoso equivalente
25 – 30%
10 – 16%
4%
Rigidezza orizzontale
Alta
Medio – Bassa
Medio - Bassa
Carico verticale
Alta
Alta
Alta
Oscillazione orizzontale
Medio - Alta
Alta
Media
Capacità di ricentraggio
Media
Alta
Alta
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI A PENDOLO SCORREVOLE
Sono costituiti da una coppia di superfici curve che scorrono l’una
sull’altra.
Isolatore a curvatura semplice
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI A PENDOLO SCORREVOLE
Sono costituiti da una coppia di superfici curve che scorrono l’una
sull’altra.
Isolatore a doppia curvatura
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI A PENDOLO SCORREVOLE
Sono costituiti da una coppia di superfici curve che scorrono l’una
sull’altra.
Isolatore a doppia curvatura
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI A PENDOLO SCORREVOLE
- Sfruttano la legge fisica del moto del pendolo per allungare il periodo
naturale della struttura isolata.
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI A PENDOLO SCORREVOLE
- Sfruttano la legge fisica del moto del pendolo per allungare il periodo
naturale della struttura isolata.
r
N

r
r
u
w
r
T  2
g
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI A PENDOLO SCORREVOLE
- Il periodo è indipendente dalla massa della struttura, con notevole
vantaggio nel caso di isolamento di edifici leggeri.
r
T  2
g
- La forza di richiamo, e quindi la rigidezza orizzontale, dipende
linearmente dallo sforzo assiale, e cioè dalla massa che compete al
singolo isolatore. Ne segue che i baricentri di massa e rigidezza di
piano risultano sempre coincidenti.
F
N
N
u   N sgn(u )  k (u )u
r

F
R
R
N
F
sgn(u ) 
1
k (u )  N   

r
u


ISOLATORI SISMICI
Isolatori elastomerici
- Sono costituiti da strati alterni di lamierini in acciaio e di elastomero, e
possono avere all’interno un nucleo in piombo.
- Sono caratterizzati da ridotta rigidezza orizzontale, per garantire
l'incremento del periodo proprio della struttura, ed elevata rigidezza
verticale, al fine di ridurre l'abbassamento sotto carico.
- Il nucleo in piombo ha lo scopo di limitare gli spostamenti elastici e
conferire un’adeguata capacità dissipativa per diminuire ulteriormente
l’energia in ingresso.
ISOLATORI SISMICI
Isolatori elastomerici
- Vanno utilizzati insieme ad elementi ad attrito (slitte) che garantiscono la
rigidità orizzontale sotto azioni orizzontali modeste (vento).
- Richiedono ispezioni periodiche per verificarne la funzionalità.
- Dopo un evento sismico possono risultare danneggiati e/o presentare
spostamenti residui. In questo caso è necessario la loro sostituzione ed il
ricentraggio dell’edificio.
- Sono relativamente costosi.
ISOLATORI SISMICI
Isolatori a pendolo scorrevole
- Sfruttano la legge fisica del moto del pendolo per allungare il periodo
naturale della struttura isolata.
- Hanno la duplice funzione di dissipare energia per attrito e di generare
la forza di richiamo per il ricentraggio della struttura attraverso l’azione
della gravità.
- Non richiedono ispezioni periodiche per verificarne la funzionalità.
- Sono meno costosi degli elastomerici.
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI CILINDRICI IN GOMMA SU TRAVI DI FONDAZIONE
ISOLATORI SISMICI
Messa in opera
Fase 1
Fase 2
Fase 3
Fase 4
Fase 5
ISOLATORI SISMICI
Occorre quindi prevedere la possibilità di sostituzione, e dunque predisporre la struttura in modo che
sia possibile trasferire temporaneamente alla sottostruttura, attraverso martinetti opportunamente
disposti, il carico gravante sul singolo isolatore e prevedere un adeguato spazio per le operazioni
necessarie alla rimozione e sostituzione.
Per ridurre o annullare gli spostamenti residui a seguito di un terremoto è inoltre necessario
verificare la presenza o prevedere appositi elementi strutturali di contrasto contro cui fare forza per
ricollocare la struttura nella sua posizione originaria.
ISOLATORI SISMICI
Deve essere garantita la rigidità strutturale nel piano orizzontale dei piani immediatamente al di
sotto e al di sopra del sistema di isolamento, al fine di garantire una distribuzione regolare degli sforzi
tra i diversi isolatori ed a distribuire correttamente le forze degli eventuali dispositivi ausiliari (che sono
in genere in numero limitato) tra gli elementi strutturali che debbono assorbirli.
ISOLATORI SISMICI
Il corretto funzionamento di una struttura con isolamento
sismico si realizza solo a condizione che la massa isolata,
ossia quella della sovrastruttura, possa muoversi liberamente in
tutte le direzioni orizzontali per spostamenti almeno pari a quelli
di progetto. Questa condizione deve essere continuamente
verificata in tutte le fasi progettuali, realizzative e di collaudo.
In particolare è importante controllare che elementi non
strutturali e/o impianti non riducano o annullino le possibilità
di movimento della struttura previste nella progettazione
strutturale. In tal senso è richiesta la massima sensibilizzazione
e la piena consapevolezza delle modalità di funzionamento di
una struttura con isolamento sismico, da parte di tutti i
progettisti, inclusi quelli architettonici e impiantistici.
Al riguardo occorre prestare molta attenzione ai dettagli delle
condutture, in corrispondenza dell’attraversamento dei giunti,
adottando delle giunzioni flessibili e comunque che possano
subire gli spostamenti relativi di progetto senza determinare
danni e perdite.
È inoltre importante controllare i coprigiunti e gli elementi di
attraversamento orizzontale (dispositivi di giunto) e verticale
(scale, ascensori), affinché siano concepiti e realizzati in modo
da non creare impedimento al libero movimento della
sovrastruttura.
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI CILINDRICI IN GOMMA TRA TRAVI DI
FONDAZIONE E TRAVI DI ELEVAZIONE
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI CILINDRICI IN GOMMA TRA
PILASTRI E IMPALCATO
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI CILINDRICI IN GOMMA
TRA PILASTRI E IMPALCATO
Nel caso di isolamento di edifici esistenti, la
deformazione massima della testa del pilastro su cui
si inserisce l’isolatore non deve essere superiore ad
1/20 di quella prevista per l’isolatore stesso.
ISOLATORI SISMICI
APPARECCHIO DI APPOGGIO A BASSO ATTRITO
(SLITTA)
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI SISMICI
Bisogna effettuare prove dinamiche sul 2% degli isolatori da utilizzare sul
fabbricato.
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI SISMICI
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ISOLATORI SISMICI
ISOLATORI SISMICI
Costo = € 1000/mq
(da moltiplicare per il
numero di implacati del
fabbricato)
ISOLATORI SISMICI
Il comportamento del sistema di isolamento può essere modellato come lineare
equivalente se sono soddisfatte tutte le seguenti condizioni:
a) la rigidezza equivalente del sistema d’isolamento è almeno pari al 50% della
rigidezza secante per cicli con spostamento pari al 20% dello spostamento di
riferimento;
b) lo smorzamento lineare equivalente del sistema di isolamento, come definito in
precedenza, è inferiore al 30%;
c) le caratteristiche forza-spostamento del sistema d’isolamento non variano di più del
10% per effetto di variazioni della velocità di deformazione, in un campo del ±30%
intorno al valore di progetto, e dell’azione verticale sui dispositivi, nel campo di
variabilità di progetto;
d) l’incremento della forza nel sistema d’isolamento per spostamenti tra 0,5ddc e ddc,
essendo ddc lo spostamento del centro di rigidezza dovuto all’azione sismica, è
almeno pari al 2,5% del peso totale della sovrastruttura.
Nel caso in cui si adotti un modello non lineare, il legame costitutivo dei singoli
dispositivi del sistema d’isolamento deve riprodurre adeguatamente il loro
comportamento nel campo di deformazioni e velocità che si verificano durante l’azione
sismica, anche in relazione alla corretta rappresentazione dell’energia dissipata nei
cicli di isteresi.