Conseguenze pratiche di un sistema d’isolamento sismico

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

Per consentire una pratica percezione delle peculiarità inerenti il progetto di un sistema d’isolamento, ne sarà di seguito mostrato, per sommi capi, il progetto per un fabbricato dotato di isolamento sismico, in relazione al medesimo edificio costruito con una tecnica tradizionale, ovviamente entrambe nel rispetto delle NTC 2008. Per fare ciò, ci si è avvalsi del software FataE della Stacec (stacec.it), dotato del modulo di analisi degli isolatori sismici, applicato a una struttura regolare di quattro piani fuori terra (figura 1).

Le sezioni delle aste fuori terra hanno forma rettangolare (40 x 70 cm e 50 x 50 cm i pilastri, 30 x 60 cm le travi), mentre le travi di fondazione sono a “T” rovescia. Il q-factor è stato assunto posto pari a 4.09. Per sviluppare il progetto dell’isolamento sismico, iniziamo a determinare i principali modi di vibrare della struttura nelle due direzioni principali: per entrambe, i primi tre modi eccitano la massa stabilita dalla normativa. Le norme, giova ricordarlo, indicano come “adeguato” il numero di modi quanti sono sufficienti a eccitare almeno il 90% della massa totale del sistema. Analizzando le forme modali si può notare, che la prima forma modale è quella predominante: il progetto del sistema di isolamento quindi reso più semplice dall’assimilazione della struttura a un oscillatore semplice di massa M e rigidezza K.
La prima scelta riguarda il periodo della struttura isolata: è stato fissato come valore di progetto 2.0 s, che andrà verificato in funzione del massimo spostamento sopportabile dall’isolatore. La massa totale viene “letta” nel software, e in base al suo valore, con la formula descritta sopra, stimiamo la rigidezza orizzontale equivalente totale del sistema.
Ora, attingendo al catalogo del produttore di isolatori, si calcola il numero di isolatori da introdurre. Avendo assunto valori realistici per una pre-scelta degli isolatori tipo, nel nostro edificio, le analisi condotte ci portano all’adozione di un numero d’isolatori inferiore a quelle delle colonne. Decidiamo quindi di prevedere, sotto i pilastri senza isolatori, degli “scivolatori”, in grado di resistere ai carichi verticali senza introdurre significative variazioni nella rigidezza orizzontale equivalente. Svolta un’analisi dinamica lineare, il dato che ci colpisce per primo è che la presenza di isolatori ha condotto la struttura ad essere correttamente rappresentata già dal solo primo modo di vibrare, in grado di eccitare quasi il 90 % della massa, mentre la stessa non isolata veniva “descritta” dai primi tre modi. Una seconda considerazione riguarda gli spostamenti, pressoché uniformi per tutti i livelli della sovrastruttura, con ciò che questo determina in termini di assenza di apprezzabili danni alle parti strutturali e portate. Si vedano al riguardo la figura 2 e la figura 3. Un altro interessante confronto è relativo alle armature (figura 4).

Riprogettate le sezioni della struttura isolata con le armature necessarie, senza considerare i minimi di normativa, dal confronto risulta che l’armatura nella struttura isolata è inferiore circa del 20%. Va precisato invero che le richieste di rigidezza maggiore per le fondazioni vi incrementano, nell’edificio isolato, le incidenze di armatura. L’ultimo confronto svolto è quello relativo allo SLD. L’introduzione degli isolatori comporta, rispetto alla struttura non isolata, notevoli limitazioni (dal 70 all’85 %) degli spostamenti relativi tra impalcati, variabile che meglio di ogni altra esprime l’indice del danno patito (figura 5 e figura 6).

Le due strutture presentano, in sintesi, i seguenti dati caratteristici:
– i modi di vibrare superiori al primo non influenzano il comportamento della struttura isolata;
– la massima accelerazione orizzontale, con riferimento al primo modo di vibrare della struttura non isolata, è ridotta in entrambe le direzioni di circa il 30 %;
– gli spostamenti della struttura non isolata sono circa il quadruplo di quelli della struttura isolata.

Leggi anche
Sistemi di isolamento sismico, previsioni normative attuali;
Aspetti peculiari del progetto di un sistema di isolamento sismico

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

Bibliografia
MARTELLI A., SANNINO U., PARDUCCI A., BRAGA F., Moderni sistemi e tecnologie antisismici.
JAMES M. KELLY, I. D. AIKEN, Experimental studies of the seismic response of structures incorporating base isolation system.
CASTIGLIONI C.A., CICCHIELLO P., MAURI C., AGATINO M.R., Ductility assessment for multi-storey steel frames by linear elastic analyses and cumulative damage criteria, Proc. Of the 5th Int. Coll. On Stability and Ductility of Steel Structures, SDSS, Nagoya, July 1997, vol. 2, 917-924 


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