Aspetti peculiari del progetto di un sistema d’isolamento sismico

Continuiamo la trattazione del tema dell’isolamento sismico. Dopo avere illustrato le previsioni normative attuali (leggi articolo), l’ingegner Pierpaolo Cicchiello si concentra sugli aspetti peculiari del progetto di un sistema di isolamento sismico.

La definizione delle caratteristiche dei dispositivi di isolamento (rigidezza, smorzamento, resistenza) è il primo passo per la progettazione di una struttura isolata.

Le deformazioni cui la struttura sarà sottoposta durante un sisma vengono concentrate in modo quasi completo alla base della sovrastruttura, nell’isolatore, ove dissipare l’energia apportata dal sisma. A tale proposito un parametro di progetto fondamentale è costituito dallo spostamento alla base della struttura isolata. Bisogna cercare di contenere il valore massimo di spostamento alla base entro 20-25 cm, oltre i quali crescono molto i costi per i giunti tecnici. L’ottimizzazione di un sistema d’isolamento si ottiene limitando il periodo principale della struttura isolata tra 1.5 e 3 sec. La progettazione di un sistema isolato inizia con un valore di spostamento di progetto, sulla base di indicazioni fornite dalle normative, relazionato alla sismicità del sito, in funzione sia del periodo che si vuole assegnare al complesso strutturale isolato che dello smorzamento dell’elastomero. Stabilito il periodo della struttura isolata, viene determinata la rigidezza orizzontale equivalente del sistema, onde poter scegliere una famiglia di isolatore, all’interno della quale individuare le caratteristiche di rigidezza proprie del singolo isolatore. Per quanto riguarda le dimensioni degli isolatori, queste sono da adottare con alcune limitazioni, che derivano dalla massima deformazione orizzontale compatibile con l’elastomero e dalla tensione verticale di lavoro dello stesso.

Per garantire la sicurezza nei riguardi dei fenomeni di instabilità e ribaltamento, vanno da ultimo rispettate limitazioni nel rapporto larghezza/altezza dell’isolatore. Un dato fondamentale per progettare il sistema di isolamento alla base è rappresentato dallo smorzamento equivalente, per il quale si dovrebbe tendere verso un valore ottimale, come reperibile in letteratura tecnica, compreso tra il 10 % e il 15%. Valori maggiori comportano spostamenti di interpiano non tollerabili ai fini del danneggiamento della struttura e delle componenti non strutturali. Oltre a ciò, considerando che i dispositivi di appoggio elastomerici sono caratterizzati da uno smorzamento equivalente compreso tra il 7 e il 18%, per ottenere valori più elevati è necessario fare ricorso anche altri sistemi appositamente previsti per la funzione di smorzamento.

La progettazione del sistema di isolamento di una struttura richiede che si determinino i parametri:
– periodo di isolamento Tis;
– spostamento di progetto db;
– smorzamento ξ;
– tensione di lavoro σV;
– fattore di sicurezza per l’instabilità dell’isolatore (dipende dal carico totale agente sul dispositivo);
– fattore di sicurezza al ribaltamento (dipende dal minimo carico agente).

Per definire il periodo di isolamento Tis, compreso tra 1,5 s e 3 s, deve essere svolta un’analisi dinamica, per determinare i primi modi di vibrare della struttura e i relativi periodi. Definito il periodo principale di vibrazione del sistema isolato, scelto lo spettro di progetto, in funzione del tipo di sottosuolo, risulta stabilito il valore del massimo spostamento alla base db. La rigidezza totale orizzontale, nel caso in cui il periodo della struttura isolata Tis sia almeno pari a 2 Tnon-is, viene determinata, assimilando il sistema a un oscillatore semplice avente massa M e rigidezza k0,tot, assunto che: Tis = 2 π √ (M/ k0,tot), da cui si ricava k0,tot = 4 π2M/Tis2.

Determinata la rigidezza equivalente orizzontale totale, si può calcolare il numero di isolatori di rigidezza nota.Qualora sia determinato, per ragioni architettoniche, il numero di isolatori che si possono inserire, se ne determina, in alternativa, la rigidezza unitaria. Rimangono ora da definire le dimensioni geometriche, da stabilire sulla scorta del carico verticale massimo sopportabile dal singolo isolatore, indicato dal produttore, come viene altresì indicato anche il modulo di elasticità tangenziale G. Per stimare l’altezza totale di strati elastomerici, si ha hr = G Aiso/k0-iso. Per verificare sommariamente la scelta operata per quanto attiene l’instabilità, si valuta se il “fattore di forma primario sia compreso tra i valori 3 e 5, tenendo presente che a valori maggiori di “fattore di forma primario” corrispondono isolatori più tozzi.

Continua …

Leggi anche:
Sistemi di isolamento sismico: previsioni normative attuali;
Conseguenze pratiche di un sistema di isolamento sismico

Nella foto di apertura isolatori sismici in un edificio residenziale

Articolo dell’Ing. Pierpaolo Cicchiello, Strutturista, Collaboratore del Politecnico di Milano. L’articolo integrale è stato pubblicato sul numero di marzo 2010 del tabloid Ingegneri


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