10° Convegno Nazionale “L’ingegneria Sismica in Italia”, Potenza-Matera 9-13 settembre 2001
Differenti Tecniche Di Isolamento Alla Base: Il Sistema Misto
Scivolatori/Isolatori Elastomerici Della Struttura Sperimentale Di
Rapolla
F. Braga
Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica, Università degli Studi “La Sapienza” di Roma,
Italy
M. Laterza
Dipartimento di Strutture, Geotecnica, Geologia applicata all’ingegneria, Università della Basilicata,
Potenza, Italy
SOMMARIO: Viene presentata una sperimentazione effettuata su un edificio isolato dotato di
due differenti sistemi di isolamento tra loro intercambiabili. L'edificio isolato, realizzato nel
comune di Rapolla, ha permesso di effettuare prove di rilascio utilizzando una prima tecnica di
isolamento (sistema di progetto), largamente consolidata, con appoggi in elastomero ad elevato
smorzamento (HDRB), ed una seconda, di natura sperimentale, utilizzando appoggi scorrevoli
acciaio/teflon a basso attrito in accoppiata ad un sistema di richiamo elastico costituito da parte
degli stessi isolatori in elastomero appartenenti al primo sistema. La sperimentazione ha evidenziato le differenze comportamentali dei due sistemi ed ha permesso di verificare la fattibilità e la
convenienza di quello sperimentale.
ABSTRACT: An application of seismic isolation using slide bearings technique is presented.
Such technique has been applied to a residence building, built in Italy at Rapolla (PZ- Basilicata). To the system, designed by using elastomeric bearings it has been added a slide bearings
isolation system. The application has allowed to investigate, through a series of dynamic SnapBack tests, the behaviour of base isolated structure with only elastomeric bearings or with
mixed system (slide bearings and High Damping Rubber Bearings "HDRB"). The work deals
with two main problems: seismic protection level which can be attained, detailing and construction procedure using mixed system (slide bearings for isolation and steel rubber bearings to have
a recentering force).
1 INTRODUZIONE
Sono stati realizzati nel comune di Rapolla, commissionati dall'Azienda Territoriale per l'Edilizia Residenziale (ATER) di Potenza, due edifici dei quali uno a struttura portante in cemento
armato tradizionale (edificio B – fig. 1.1,1.2,1.3) ed uno isolato alla base (edificio A –
fig.1.1,1.4,1.5).
I due edifici, contigui e perfettamente identici nella struttura in elevazione, sono destinati ad
uso abitativo e situati in zona sismica di prima categoria (coefficiente di sismicità S = 12).
In ottemperanza a quanto prescritto dalla Prima Sezione del Consiglio Superiore dei Lavori
Pubblici, sono state eseguite, per l’edificio isolato alla base, le prove di “di caratterizzazione dinamica del sistema di isolamento atte a verificare, nei riguardi di azioni di tipo sismico, che le
caratteristiche della costruzione corrispondano a quelle attese”. Le prove sono consistite nel
traslare la struttura orizzontalmente, allontanandola di massimo 17 cm dalla posizione di equilibrio (spostamento di poco inferiore ai 18 cm di spostamento orizzontale da sisma di progetto), e
nel rilasciala improvvisamente, al fine di rilevarne le caratteristiche dinamiche durante le conseguenti oscillazioni libere.
Data la natura sperimentale dell’intervento progettato a Rapolla e grazie alla disponibilità
dell’ATER (Ente appaltante), è stato possibile sperimentare, in alternativa al sistema di isola-
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mento mediante appoggi in neoprene armato, un sistema misto che prevedeva l’utilizzo di appoggi scorrevoli a basso attrito (acciaio-teflon) in accoppiata ad un sistemi di richiamo elastico
costituito da parte degli appoggi elastomerici utilizzati nel sistema principale.
Fig.1.1: Carpenteria del piano tipo, comune ai due edifici (A – Isolato alla base; B - Tradizionale)
Fig.1.2: Sezione trasversale centrale (Edificio B - Tradizionale)
Fig.1.3: Pianta fondazioni (Edificio B - Tradizionale)
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Fig.1.4: Sezione trasversale centrale (Edificio A – Isolato alla base)
Fig 1.5: Pianta fondazioni (Edificio A – Isolato alla base)
Occorre rilevare che l'isolamento sismico con appoggi scorrevoli a basso attrito in accoppiata ad
isolatori elastomerici è stato in passato utilizzato in varie applicazioni caratterizzate da due differenti sistemi di accoppiamento, il primo in serie ed il secondo in parallelo.
Un esempio di sistema in serie è costituito da quello sviluppato dalla Electricitè de France
(Gueraud et al. 1985) per la protezione sismica di centrali nucleari realizzate in Francia, Sudafrica e Iran.
Numerosi sono gli esempi applicativi del sistema in parallelo tra cui si annovera, negli Stati
Uniti, un brevetto (U.S. patent no. 4,554,767, del 26 Novembre 1985) denominato ‘Alexisismon’ a nome Ikonomou.
Tra le principali applicazioni si trovano le seguenti:
• Mackay School of Mines, Reno, Nevada, adeguata sismicamente nel 1993.
• Long Beach V.A. Hospital, California, adeguato sismicamente nel 1995, 12 piani in c.a.,
110 isolatori con nucleo di piombo + 18 LDRB + 36 Slitte.
• Our Lady of the Angels Cathedral, Los Angeles, California, il cui completamento è previsto
per il 2002, 200 appoggi tra HDRB e Slitte.
• Public Safety building, Berkeley, California, 2000, 27 isolatori con nucleo di piombo + 5
Slitte.
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•
New Zealand National Museum, Wellingon, Nuova Zelanda, 1995, di 5 piani e 23m di altezza, 145 isolatori con nucleo di piombo + 230 LDRB + 42 Slitte.
• Los Angeles City Hall, Los Angeles, California, adeguata sismicamente nel 1999, di 28 piani, 475 HDRB + 58 Slitte + 58 dissipatori viscosi alla base + 12 dissipatori viscosi in elevazione.
• New Los Angeles Country Martin Luther King Hospital, in costruzione, 70 HDRB + 12
Slitte.
In generale va' peraltro evidenziato che il sistema misto (HDRB o LDRB + Slitte) in parallelo
permette di disaccoppiare rigidezza e dissipazione di energia altrimenti legati in un isolatore
elastomerico. Seppure, infatti, le mescole a base di elastomeri artificiali, additivate opportunamente, permettano, a differenza della gomma naturale, di progettare le caratteristiche di rigidezza, dissipazione e durabilità degli isolatori, ciò risulta estremamente complicato soprattutto nel
caso di elastomeri estremamente deformabili. Ne consegue che per edifici relativamente piccoli,
come nel caso dell'edificio di Rapolla, non si riesca facilmente a coniugare la bassa rigidezza
trasversale richiesta agli isolatori con una sufficiente dissipazione di energia a causa del peso
limitato della sovrastruttura. Allo stesso tempo, sempre a causa delle limitazioni tecnologiche
legate alla realizzazione dell'elastomero, non potendone diminuire oltremodo il modulo tangenziale si è costretti a ridurre la sezione degli appoggi incrementandone il rischio di instabilità
(Aiken et Al. 1989, Buckle et Al. 1994, Braga et Al. 2000).
Il sistema misto permette quindi, attraverso l'uso delle slitte (es. acciaio-teflon), di progettare
la forza minima di scivolamento necessaria a tenere fissa la struttura in caso di azioni di esercizio quali il vento, produce dissipazione aggiuntiva attraverso l'attrito, ed evita problemi di instabilità assegnando prevalentemente alle slitte il compito di portare i carichi verticali ed agli isolatori in elastomero il richiamo elastico ed eventualmente una parziale dissipazione di energia.
Alle qualità sopra esposte va aggiunta sicuramente la maggiore convenienza economica derivante dal minor costo delle slitte rispetto agli isolatori elastomerici oltre, soprattutto nel caso di
interventi di adeguamento, alla facilità di installazione ed al minore ingombro (pochi centimetri)
richiesto dalle slitte.
Nel seguito si riferirà degli aspetti peculiari (sperimentali e di progetto) riguardanti i sistemi di
isolamento sperimentati.
2 DATI DI PROGETTO
L’edificio tipo, il cui progetto risale al mese di Settembre del 1995, è costituito da tre impalcati
più la copertura, possiede una pianta di forma rettangolare di dimensioni 22.6x13.3 m con andamento regolare lungo l'elevazione ed un’altezza di interpiano costante e pari a 3.05 m.
Il corpo scala, collocato in posizione centrale, ha una struttura costituita da travi a ginocchio
40x50 cm con gradini a sbalzo. Gli elementi strutturali sono disposti secondo un reticolo planimetrico avente passo regolare di 3.30 m in direzione longitudinale e di 3.90 m in direzione trasversale. I solai sono realizzati mediante posa in opera di travetti prefabbricati e getto di calcestruzzo di completamento, alleggerito con elementi in laterizio. Lo spessore della soletta è di 5
cm. Le travi centrali sono a spessore, mentre quelle di bordo sono emergenti ed intradossate rispetto al solaio. Le travi a spessore sono tessute in direzione sia trasversale sia longitudinale ed
hanno dimensioni 80x25 cm e 100x25 cm, mentre quelle emergenti, hanno dimensioni 30x50
cm e 30x60 cm. Dei 28 pilastri, tutti a sezione costante in altezza, costituenti la struttura verticale portante, i 10 centrali sono a sezione rettangolare 40x60 cm ed i restanti 18 perimetrali a
sezione quadrata 40x40 cm.
Su uno dei due edifici gemelli (edificio A), in relazione alla localizzazione dell'edificio in zona sismica di prima categoria, si è voluto conseguire una protezione sismica superiore a quella
strettamente richiesta, attraverso l'adozione di un sistema di isolamento alla base, realizzato mediante isolatori elastomerici disposti al di sopra del piano di fondazione.
In particolare, gli isolatori sono interposti tra un grigliato inferiore di fondazione, di identica sezione per i due edifici, formato da travi rovesce 120x120x60x40 cm, ed un grigliato superiore,
formato da travi 70x80 cm, che costituisce una base flessionalmente rigida da cui spiccano i pilastri della struttura in elevazione. Per contenere gli spostamenti sono stati adottati isolatori ad
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alta dissipazione, capaci di fornire uno smorzamento equivalente, in corrispondenza dello spostamento di progetto, pari almeno al 10% dello smorzamento critico.
Intorno alle fondazioni dell’edificio isolato, al fine di creare un cunicolo per l’ispezione e la sostituzione degli isolatori, sono presenti opere di contenimento del terreno, realizzate mediante
muri in c.a. completamente separati dalla struttura in elevazione dell'edificio.
La progettazione sismica degli edifici è stata effettuata nel rispetto dell’allora vigente normativa (D.M. 24Gennaio 1986) e della relativa zonazione, tenuto conto del grado di sismicità S=12
(I categoria) dell'area in questione. La risposta alle azioni sismiche é stata calcolata, con il metodo dello spettro di risposta, mediante analisi dinamica effettuata considerando i modi di cui,
nelle seguenti tabelle, sono riportati i valori dei periodi e dei coefficienti di partecipazione in
presenza delle masse di esercizio.
Tab.2.1 Frequenze e periodi dei modi di vibrare dell'edificio tradizionale
MODO
AUTOVALORE
FREQUENZA
FREQUENZA
2
NUMERO
(RAD/SEC)
(RAD/SEC)
(CICLI/SEC)
1
.166138E+03
.128895E+02
2.051420
2
.254558E+03
.159549E+02
2.539295
3
.260163E+03
.161296E+02
2.567100
4
.197192E+04
.444063E+02
7.067484
5
.296503E+04
.544521E+02
8.666317
6
.297727E+04
.545644E+02
8.684193
PERIODO
(SEC)
.487467
.393810
.389545
.141493
.115389
.115152
Tab.2.2 Coefficiente di partecipazione delle masse - (percentuale) dell'edificio tradizionale
MODO
DIR-X
DIR-Y
DIR-Z
X-SOM
Y-SOM
1
87.091
.000
00.000
87.091
.000
2
.003
.000
00.000
87.094
.000
3
.000
84.596
00.000
87.094
84.596
4
10.426
.000
00.000
97.520
84.596
5
.010
.000
00.000
97.530
84.596
6
.000
12.362
00.000
97.530
96.959
Tab.2.3 Frequenze e periodi dei modi di vibrare dell'edificio isolato
MODO
AUTOVALORE
FREQUENZA
FREQUENZA
2
NUMERO
(RAD/SEC)
(RAD/SEC)
(CICLI/SEC)
1
.100351E+02
.316783E+01
.504175
2
.101896E+02
.319212E+01
.508042
3
.130578E+02
.361356E+01
.575115
4
.491679E+03
.221738E+02
3.529077
5
.694554E+03
.263544E+02
4.194433
Z-SOM
00.000
00.000
00.000
00.000
00.000
00.000
PERIODO
(SEC)
1.983437
1.968341
1.738782
.283360
.238411
Tab.2.4 Coefficiente di partecipazione delle masse - (percentuale) dell'edificio isolato
MODO
DIR-X
DIR-Y
DIR-Z
X-SOM
Y-SOM
1
99.916
.000
00.000
99.916
.000
2
.000
99.961
00.000
99.916
99.961
3
.000
.000
00.000
99.916
99.961
4
.082
.000
00.000
99.998
99.961
5
.000
.038
00.000
99.998
99.999
Z-SOM
00.000
00.000
00.000
00.000
00.000
3 CARATTERISTICHE DEI SISTEMI DI ISOLAMENTO SISMICO SPERIMENTATI
3.1 Criteri generali di progetto
L'adozione dell'isolamento alla base in uno dei due edifici gemelli (edificio A) è stata finalizzata
al conseguimento dei seguenti obbiettivi:
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•
incremento della sicurezza al collasso della struttura, rispetto a strutture tradizionali senza
isolamento progettate secondo norma;
• mantenimento della struttura in campo elastico per terremoti di intensità superiore (circa
doppia) a quella specificata dalla allora vigente normativa (D.M. 24 gennaio 1986,
"Norme tecniche per le costruzioni in zone sismiche");
• drastica riduzione dei danni prodotti dal sisma alle parti non strutturali.
Il sistema di isolamento di progetto è stato realizzato mediante l'uso di appoggi in neoprene
armato ad alto smorzamento (isolatori HDRB).
La riduzione degli effetti del sisma è stata conseguita attraverso l'incremento del periodo proprio e dello smorzamento del sistema strutturale. Le caratteristiche di rigidezza degli isolatori in
neoprene, infatti, sono tali da determinare, per i due primi modi traslazionali nelle due direzioni
principali, un periodo proprio To pari a circa 2 sec.
Rispetto alla struttura a base fissa che, nel caso in esame, ha periodi inferiori ad 1 secondo, si
ottiene un fattore di riduzione delle accelerazioni, e dunque delle forze d'inerzia agenti sulla
struttura, pari al rapporto tra le ordinate spettrali (2.0/0.8)2/3=1.84. Le capacità dissipative della
speciale mescola di gomma utilizzata per gli isolatori, in grado di fornire uno smorzamento
equivalente pari ad almeno il 10%, producono una ulteriore diminuzione della risposta, valutabile in un 20÷40%. Si giunge pertanto ad una riduzione complessiva che, assumendo per gli effetti dello smorzamento valori cautelativi, può essere assunta pari a 1.84*1.2=2.2.
Tale sensibile riduzione potrebbe essere sfruttata per conseguire un sostanziale risparmio
sulla struttura in elevazione, rispetto ad una struttura fissa alla base. Tuttavia, in accordo con gli
obbiettivi elencati in precedenza, essa è stata utilizzata esclusivamente per conseguire una maggiore sicurezza al collasso ed al danneggiamento. Infatti l'entità delle forze sismiche con cui le
strutture sono state progettate è all'incirca equivalente a quella che si è adottata per la struttura
fissa alla base (edificio B). Il dimensionamento della struttura in c.a. e delle relative armature è
risultato, pertanto, del tutto identico per le due strutture progettate.
Per i ragionamenti sopra esposti si può affermare che i livelli di sicurezza adottati nella progettazione della struttura isolata sono, in termini di forze di progetto, all'incirca doppi di quelli
correntemente prescritti dalla normativa per la struttura tradizionale. Inoltre, l'assunzione di tali
livelli di forze garantisce, anche nell'eventualità di mal funzionamenti del sistema di isolamento,
un livello di protezione almeno pari a quello richiesto alla struttura B tradizionale.
3.2 Criteri di progetto della struttura isolata con HDRB
Il sistema di isolamento di progetto è costituito da appoggi in neoprene armato ad alto smorzamento (HDRB), ossia appoggi formati da strati alterni di neoprene e acciaio tra loro efficacemente vincolati mediante vulcanizzazione e conformi alle istruzioni CNR-UNI 10018 per gli
apparecchi di appoggio. Le dimensioni dei 28 isolatori cilindrici progettati e posti in opera sono
riportati di seguito in tabella 3.2.
Tab.3.2 - Dimensioni degli isolatori.
Tipo Isol. Dg
Ds
Tg
Ng
Hg
Ts Te
Tc H
1500
500 480 4
34
136 2
20
35 242
Legenda:
Dg = diametro degli strati di gomma (mm)
Ds = diametro degli strati di acciaio (mm)
Tg = spessore del singolo strato di gomma (mm)
Ng = numero strati di gomma
Hg = altezza totale di gomma (mm)
Ts = spessore delle lamine di acciaio (mm)
Te = spessore delle piastre di acciaio di estremità (mm)
Tc = spessore delle contropiastre (mm)
H = altezza totale dell'isolatore escluse le contropiastre (mm)
La massima deformazione tangenziale di progetto della gomma, corrispondente al massimo
spostamento prodotto dal terremoto (circa 18 cm), è risultata pari al 134%.
La disposizione degli isolatori tra i due grigliati di travi, è tale da permettere l'accesso per
l'ispezione e per la sostituzione in qualsiasi momento. A tal proposito si evidenzia che il grigliato superiore di travi è stato dimensionato e verificato nella condizione, più gravosa, di sostituzione degli isolatori ipotizzando di disporre i martinetti, necessari ad assorbire il carico che
ravava sull'isolatore, ad una distanza massima dall'asse verticale degli appoggi pari ad 1 metro.
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Il calcolo della struttura in elevazione è stato effettuato adottando un modello di telaio tridimensionale in cui gli isolatori sono stati modellati con elementi elastici di rigidezza pari a quella
efficace (rigidezza secante in corrispondenza dello spostamento di progetto).
Si sono considerati isolatori di portata verticale massima pari a 1500 kN, le cui rigidezze di
progetto sono riportate nella tab.3.1.
Tab.3.1 - Rigidezze degli isolatori.
Car.vert. Max
Car.vert. min
kN
kN
1500
350
Rigid.orizzontale
kN/m
657
Rigid.verticale min.
kN/m
1900000
Come in precedenza evidenziato, per la progettazione sismica, si è adottato lo spettro di progetto
definito dalla normativa italiana per la prima categoria sismica (S=12), nella quale ricade il comune di Rapolla. Data la destinazione d'uso degli edifici si è assunto un coefficiente di importanza I=1.0. Per portare in conto gli effetti benefici dovuti alle capacità dissipative del sistema di
isolamento, in grado di assicurare uno smorzamento pari almeno al 10% dello smorzamento critico, si è assunto un coefficiente riduttivo dell'azione pari a 1/1.2. Complessivamente lo spettro
di progetto adottato risulta avere la massima ordinata spettrale pari a 0.083 g.
La presenza del sistema di isolamento determina notevoli spostamenti relativi alla base della
struttura in elevazione, che in generale necessitano di un'attenta valutazione, sia per dimensionare correttamente i giunti di separazione con strutture fisse o isolate adiacenti, che per progettare
gli isolatori e verificarne l'adeguatezza mediante prove sperimentali. Lo spostamento spettrale,
pari a 4.5 cm per l’edificio di Rapolla, è stato quindi moltiplicato, per giungere agli spostamenti
effettivi (spettro elastico), come richiesto dalle norme per φ=4, così ottenendo:
∆ = 4.5*4 = 18 cm
Per evitare contatti ed urti tra diverse parti della struttura, pericolosi sia per l'integrità delle
singole parti strutturali e non strutturali che per il comportamento d'insieme, si sono adottati
giunti strutturali rispetto a strutture non isolate (muri di contenimento perimetrali) di ampiezza
largamente esuberante (pari almeno a 30 cm) rispetto al valore di spostamento in precedenza
stimato. In questo modo ci si è garantiti nei confronti di un eventuale spostamento aggiuntivo
dovuto a moti torsionali non previsti in progetto, derivanti da distribuzioni irregolari dei carichi
accidentali o da mal funzionamenti di uno o più isolatori.
Come accennato, gli elementi in c.a. della struttura sono stati tutti progettati per resistere, nel
rispetto delle tensioni ammissibili, a sollecitazioni doppie di quelle ottenute con l'azione descritta dallo spettro di norma. In pratica, pertanto, essi sono in grado di sostenere delle forze sismiche generate da un'accelerazione sulle masse strutturali all'incirca pari a:
a= 2* [ 0.1*1.0/1.2*(0.8/2.0)2/3 ] g ≈ 0.09 g
di poco inferiore all'accelerazione da applicare alle masse dell’edificio fisso alla base.
La maggiorazione delle sollecitazioni di progetto garantisce il mantenimento in campo elastico
della struttura per terremoti largamente superiori al terremoto di progetto, ottenendo, pertanto,
un sensibile incremento della sicurezza nei confronti del danneggiamento strutturale.
3.3 Isolamento misto mediante appoggi scorrevoli e HDRB
Immediatamente al di sopra dei 28 isolatori elastomerici, posti alla base dell'edificio isolato "A"
di Rapolla, sono state montate in serie slitte a basso attrito (Acciaio/Teflon), in modo tale da
poter utilizzare alternativamente per ogni singolo appoggio o la parte elastomerica o la parte
scorrevole. Il passaggio dal primo sistema di isolamento (isolatore elastomerico HDRB) al secondo sistema di isolamento (appoggio scorrevole) si consegue agevolmente bloccando alla traslazione orizzontale, con controventi in acciaio, la parte elastomerica e sbloccando, attraverso lo
smontaggio di apposite boccole, la parte scorrevole (slitta) (fig. 3.1).
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Fig.3.1 Dispositivo di isolamento Isolatore+Slitta e vista della fondazione e del sistema di isolamento
(Appoggi in elastomero bloccati alla traslazione orizzontale)
I sistemi di isolamento che ne possono conseguire sono due, il primo costituito da soli isolatori HDRB ed il secondo costituito in parte da slitte sbloccate montate su HDRB bloccati ed in
parte da HDRB sbloccati con slitta bloccata che costituiscono il sistema di richiamo elastico.
In particolare, il sistema misto sperimentato consisteva di 12 HDRB per il richiamo elastico e
16 slitte sbloccate alla traslazione, configurazione questa stabilita per ottenere, nelle condizioni
di prova (massa dell’edificio isolato pari a circa il 60% della massa di progetto in esercizio), un
periodo isolato pari a circa 2 secondi, usato per il progetto della struttura in esercizio ed isolata
con soli HDRB, ed un coefficiente di smorzamento equivalente elevato dell'ordine del 30%.
Nell’applicazione effettuata il dispositivo misto ha permesso, pertanto, di scegliere il numero
di slitte da sbloccare dopo aver verificato la risposta del sistema con soli HDRB, che ,nelle condizioni di prova, ha evidenziato un periodo isolato pari a 1.47 secondi a fronte dei 2 sec di progetto, ed uno smorzamento equivalente pari a circa il 17% di quello critico a fronte del 10%
previsto in progetto.
Va evidenziato, quindi, che il dispositivo misto di figura 3.1, a fronte di un leggero incremento di costi, permetterebbe una più facile standardizzazione della produzione degli appoggi
in quanto renderebbe possibile, semplicemente bloccando o sbloccando le slitte, di coprire
un'ampia casistica di applicazioni (differenti richieste di rigidezza trasversale e dissipazione di
energia) con uno stesso tipo di appoggio.
4 PROVE DINAMICHE DI RILASCIO (SNAP-BACK) – EDIFICIO A (ISOLATO ALLA
BASE)
Le prove dinamiche di “snap-back”, ossia di rilascio istantaneo del sistema strutturale dalla configurazione deformata, sono state effettuate per verificare la rispondenza del comportamento del
sistema isolato al comportamento previsto in progetto. Prove di questo tipo sono state già effettuate in Italia sugli edifici TELECOM di Ancona (Bettinali et Al. 1991, Forni et Al. 1991),
anch’essi dotati di isolamento sismico alla base realizzato con isolatori in gomma. In quel caso
venne applicato uno spostamento dell’ordine dei 10 cm, attraverso un complesso sistema di
martinetti con cariche esplosive sincronizzate in modo da applicare il rilascio istantaneo contemporaneamente nei diversi punti di applicazione delle forze.
Per le prove sull’edificio di Rapolla, è stato utilizzato un sistema di applicazione dello spostamento in un solo punto, ed un rilascio basato su di un dispositivo meccanico senza uso di
esplosivo. Il dispositivo, già utilizzato per prove di rilascio dell’ordine di qualche centimetro su
uno degli edifici isolati alla base del nuovo complesso Universitario della Basilicata a Potenza
(Braga et Al. 2001), è stato assoggettato a sostanziali modifiche per renderlo adatto ad applicare
gli spostamenti dell’ordine dei 20 cm raggiunti durante le prove di Rapolla.
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4.1 Modalità di esecuzione delle prove
Le prove sono state effettuate imponendo uno spostamento iniziale alla struttura variabile da 40
a 170 mm; detti spostamenti sono stati imposti immediatamente al di sopra del piano di isolamento. In tabella 4.1 è riportato il prospetto delle principali prove eseguite con indicati gli spostamenti efficaci pari allo spostamento applicato a partire dalla posizione costruttiva meno il residuo rilevato alla fine delle oscillazioni.
Tabella 4.1 Prospetto dei principali tests effettuati
N. Test
Data
Sistema di Isolamento
1
27.07.2000
28 HDRB
2
28.07.2000
28 HDRB
3
29.08.2000
12 HDRB + 16 Slitte
4
30.08.2000
12 HDRB + 16 Slitte
5
30.08.2000
12 HDRB + 16 Slitte
6
01.09.2000
28 HDRB
Spostamento impresso (mm)
87
136
150
150
150
150
Fig.4.1: Punto di applicazione della forza atta ad imporre lo spostamento iniziale e schema di prova del
sistema misto HDRB+Slitte.
Il punto di applicazione della forza necessaria ad ottenere lo spostamento voluto è collocato al
centro del lato lungo del fabbricato, come riportato schematicamente in figura 4.1 nella quale
sono cerchiati i dispositivi sbloccati allo slittamento nel sistema misto.
Fig.4.2. Vista in pianta e in prospetto del dispositivo di spinta
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La spinta è stata applicata alla struttura mediante un dispositivo a rilascio istantaneo, riportato
nelle figg. 4.2 e 4.3. Il funzionamento del dispositivo, utilizzato per imprimere lo spostamento
iniziale all'edificio, si basa su due serie di bielle contrapposte, unite da un albero centrale che si
sposta verso il basso per l’azione di un martinetto idraulico collegato all’albero da quattro tiranti. In tal modo le bielle, contrastando contro una struttura fissa adiacente, spingono orizzontalmente l'edificio isolato. Raggiunto lo spostamento orizzontale desiderato, un ulteriore minimo
spostamento verso il basso determina l’istantaneo rilascio per effetto della condizione di equilibrio instabile raggiunta dalle bielle.
L’edificio, pertanto, viene spostato orizzontalmente attraverso una forza, applicata verticalmente, la cui risultante orizzontale Fh sulla struttura è data da:
Fh =
Fv
cotangα
2
dove Fv è la forza che il martinetto deve applicare in direzione verticale e α è l'angolo formato
dalle bielle con l'orizzontale.
T = Fv ⋅ cotangα T = Fv ⋅ cotangα T = Fv ⋅ cotangα
α
Fh
Fv
Fh =
Fv
cotang α
2
Fig. 4.3. Schema di funzionamento del dispositivo di spinta
Il dispositivo di spinta è stato frapposto tra la struttura ed un Muro di Reazione, appositamente progettato e realizzato (fig.4.4) per effettuare le prove di rilascio, del peso complessivo di
circa 500 tonnellate compresi i 5 pali φ1200mm infissi per 15m nel terreno su cui è fondato.
Fig.4.4: Vista in pianta e sezione del Muro di Reazione
La forza massima orizzontale agente sulla struttura, nel corso della prova n.6 con spostamento impresso pari a 170 mm, è stata di circa 3000 kN, mentre la forza massima richiesta al
martinetto verticale è stata pari a circa 1000 kN.
10° Convegno Nazionale “L’ingegneria Sismica in Italia”, Potenza-Matera 9-13 settembre 2001
3000
200
150
Forze Verticali ed Orizontali applicate (kN)
Lab Test
Test di rilascio
Forza di taglio (kN)
100
50
0
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
-50
-100
2500
Fh
2000
1500
Fv
1000
500
-150
0
0
-200
20
40
Spostamento (mm)
60
80
100
120
Spostamento Orizontale Applicato (mm)
140
160
Fig.4.5: Forze rilevate durante la fase di applicazione dello spostamento prima del rilascio
160
1800
140
1600
Forza Orizzontale (KN)
Spostamento Orizontale Applicato (mm)
In figura 4.5 sono diagrammati i valori delle forze applicate sia in verticale sul dispositivo di
spinta sia in orizzontale sulla struttura. Si noti sul primo grafico la perfetta corrispondenza tra il
comportamento dell’isolatore sperimentato in laboratorio e quello dell’isolatore posto in opera
(linea spessa).
Il dispositivo di spinta permette inoltre di effettuare test ciclici del sistema di isolamento aumentando e diminuendo ciclicamente la forza vericale senza raggiungere la condizione di rilascio. La figura 4.6 mostra la storia degli spostamenti applicati ed i cicli forza-spostamento dell'intero sistema di isolamento durante una prova ciclica effettuata sul sistema misto prima del
rilascio n.4, mentre la figura 4.7 mostra i cicli di oscillazione libera dopo il rilascio nei test n
3,4,5 e 6.
120
100
80
60
40
1400
1200
1000
800
600
400
20
200
0
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0
20
40
Tempo (sec)
60
80
100
120
140
160
Spostamento (mm)
Fig.4.6 Storia degli spostamenti ciclici applicati alla sovrastruttura prima del rilascio (test n.4) e cicli di
isteresi del sistema misto (12 HDRB + 16 Slitte) misurati.
200
Test n.3 (12 HDRB+16 Slitte)
150
Spostamento (mm)
Test n.4 (12 HDRB+16 Slitte)
Test n.5 (12 HDRB+16 Slitte)
100
Test n.6 (28 HDRB)
50
0
-50
-100
0
1
2
3
Tempo (sec)
4
5
6
Fig. 4.7. Oscillazioni libere dell'edificio - confronto tra i due sistemi di isolamento sperimentati.
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5 CONCLUSIONI
La sperimentazione presentata ha prodotto una notevole mole di dati sia in termini di accelerazioni misurate ai piani sia di spostamenti alla base. L'analisi di tali dati permetterà di effettuare
un confronto dettagliato della risposta dei due sistemi sperimentati, finalizzata ad una migliore
comprensione del comportamento in opera dei sistemi isolati, in particolare utilizzando il sistema misto proposto, ed al fine di ricavarne indicazioni normative di cui si constata la carenza
come nelle attuali Linee Guida Italiane per l'Isolamento Sismico. Di particolare interesse potrà
rivelarsi, inoltre, il futuro confronto della risposta, soprattutto in termini di danneggiamento non
strutturale, ad eventi naturali di bassa e media intensità dei due fabbricati ambedue protetti dal
sisma uno tradizionalmente (Edificio B a base fissa) l'altro con isolamento alla base (Edificio A
isolato con 28 HDRB).
6 RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
Guèraud R., Noel-Leroux J.-P., Livolant M., Michalopoulos A.P. 1985. Seismic Isolation Using Slidingelastomer Bearing Pads. Nuclear Engineering and Design 84 pp. 363-377
Tajirian F.F. 1998. Base Isolation Design for Civil Components and Civil Structures. Proceedings,
Structural Engineers World Congress, San Francisco, California, July 1998.
Ikonomou A.S. 1985. Alexisismon Isolation for Nuclear Power Plants. Nuclear Engineering and Design
85 pp. 201-216.
Aiken I. D., Kelly J. M., Tajirian F. F. 1989. Mechanics of Low Shape Factor Elastomeric Seismic
Isolation Bearings, Report No. UCB/EERC-89/13 1989.
M. Constantinou, A. Mokha, A. Reinhorn 1990. Teflon Bearings in Base Isolation I: Testing. Journal of
Structural Engineering vol. 116 no. 2 pp. 438-454
M. Constantinou, A. Mokha, A. Reinhorn 1990. Teflon Bearings in Base Isolation II: Modeling. Journal
of Structural Engineering vol. 116 no. 2 pp. 455-474
M. Constantinou, A. Mokha, A. Reinhorn 1991. Verification of Friction Model Under Triaxial
Conditions. Journal of Structural Engineering vol.119 no. 1 pp. 240-261
Buckle I.G., Liu H. 1994. Experimental Determination of Critical Loads of Elastomeric Isolators at High
Shear Strain, NCEER Bulletin, Vol. 8, N. 3, July 1994.
Braga F., Laterza M., Masi A. 2000. Valutazione numerica del carico critico di isolatori in elastomero
armato; Ingegneria Sismica Anno XVII – N.1/2000 – pagg. 17-26.
Braga F., Laterza M., Masi A. & Nigro D. 2000. Valutazione sperimentale del carico critico di isolatori
cilindrici in elastomero armato; Ingegneria Sismica Anno XVII – N.1/2000 – pagg. 27-39.
Bettinali F., Forni M., Indirli M., Martelli A., Masoni P., Bonacina G., Pucci G., Serino G., Venturuzzo,
M. & Giuliani G.C. 1991. On site dynamic tests of a large seismically isolated building, International
Meeting on Earthquake Protection of Buildings. Ancona
Forni M., Martelli A., Spadoni B., Casalini E., Bonacina G., Pucci G. & Serino G. 1991. Dynamic tests on
seismically isolated structure mock – ups and validation of numerical models. International Meet-ing
on Earthquake Protection of Buildings. Ancona.
Braga F., Nicoletti M., Bixio A. R., Dolce M., Nigro D. & Ponzo F. C. 2001. Repeatable Dynamic
Release Tests on a Base-Isolated Building. Journal of Earthquake Engineering, Vol. 5, No. 3 (2001).
Imperial College Press.
Onsay T. & Haddow A.G.1993. Comparison of STFT, Gabor, and Wavelet transforms in transient
vibration analysis of mechanical systems, ASA 125th Meeting. Ottawa.
