Isolatori sismici: tipologie e caratteristiche dei dispositivi antisismici

Isolatori sismici: tipologie e caratteristiche dei dispositivi antisismici

Isolatori sismici

Prima di parlare di isolatori sismici è indispensabile ricordare che assicurare la salvaguardia della vita umana è un principio fondamentale della progettazione sismica e per perseguire questo obiettivo si può anche essere disposti a rinunciare alla funzionalità dell’edificio nel post-sisma.

Vi sono, però, alcune costruzioni strategiche, quali ospedali, edifici destinati alla protezione civile, ecc., in cui non è sufficiente garantire l’evacuazione degli occupanti in sicurezza.

Tali costruzioni, infatti, devono rimanere operative immediatamente dopo l’evento sismico (non si deve avere nemmeno danneggiamento delle componenti non strutturali come controsoffitti, tam­ponature, ecc.).

Per queste strutture sicuramente sarà indicato un intervento di isolamento alla base.

L’isolamento alla base prevede di disaccoppiare la sovrastruttura dal moto del terreno, cercando di far assorbire agli isolatori sismici la maggior parte della domanda sismica di deformazione. Inoltre, il sistema isolato risulta più flessibile e di conseguenza il periodo proprio della struttura trasla verso valori più elevati, il che si traduce (se il periodo finale del sistema si trova oltre TC, come solitamente accade) in una riduzione della domanda sismica in termini di accelerazioni di risposta (Fig.1).

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Fig.1_Effetto dell’allungamento del periodo fondamentale della struttura in termini di accelerazione di risposta ©Valutazione sismica e tecniche di intervento per edifici esistenti in c.a_Maggioli Editore

Gli isolatori sismici, che come mostrato in Fig.2 si applicano alla base della struttura, sono caratterizzati da un’elevata rigidezza verticale mentre presentano una limitata rigidezza orizzontale. Il sistema di isolamento può essere integrato anche da smorzatori laterali (Fig.2 e Fig.3), i quali potranno attivarsi solo nel caso in cui alla struttura siano richiesti spostamenti eccessivi (oltre un prefissato valore soglia).

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Il progetto del sistema di isolamento può essere finalizzato all’assorbi­mento integrale della domanda sismica (consentendo alla struttura di rimanere in campo elastico) oppure solamente parziale.

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Fig.2_Isolamento alla base ©Valutazione sismica e tecniche di intervento per edifici esistenti in c.a_Maggioli Editore

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Fig.3_Esempio di applicazione combinata di intervento di isolamento alla base con smorzatori orizzontali (gentile concessione Studio Calvi, Pavia) ©Valutazione sismica e tecniche di intervento per edifici esistenti in c.a_Maggioli Editore

Quali sono le principali tipologie di isolatori sismici?

Le principali tipologie di isolatori disponibili in commercio sono le seguenti:

  • Isolatori elastomerici (rubber bearing);
  • Isolatori elastomerici con nucleo in piombo (lead-rubber bearing);
  • Isolatori a scorrimento a superficie piana (friction-based isolation system);
  • Isolatori a pendolo scorrevole (friction pendulum system – FPS).

Gli isolatori elastomerici (Fig.4a), che possono essere a basso (LDRB) o alto (HDRB) smorzamento a seconda della mescola impiegata, sono composti da una serie di piatti di acciaio intervallati da strati di materiale elastomerico (gomma), solidarizzati tramite il processo di vulcaniz­zazione (il quale prevede alti livelli di pressione e temperatura). I piatti di acciaio forniscono un significativo contributo sia alla rigidezza verticale sia al confinamento dell’elastomero, evitando fenomeni di deformazione laterale. I parametri chiave di questi dispositivi in fase di progettazione sono rappresentati dal carico gravitazionale, dalla rigidezza orizzontale e dallo spostamento relativo orizzontale massimo accettabile tra le estremità inferiore e superiore (Fig.5).

Gli isolatori elastomerici con nucleo in piombo (Fig.4b) presentano le medesime caratteristiche di quelli elastomerici, ad eccezione del cilindro centrale, che garantisce un maggiore smorzamento dovuto alla deformazione a taglio dell’elemento in piombo. La scelta del materiale è legata principalmente al comportamento (a temperatura ambiente) approssimativamente elasto-plastico del metallo e a uno snervamento a taglio per azione modeste, pari a circa 10 MPa (Skinner et al., 1993). Il piombo, inoltre, presenta un ottimo comportamento a fatica, non degradando significativamente la sua rigidezza a sottoposto a carico ciclico.

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Fig.4_Confronto tra isolatori (a) elastomerici (rubber bearing) e (b) con nucleo in piombo (lead-rubber bearing) ©Valutazione sismica e tecniche di intervento per edifici esistenti in c.a_Maggioli Editore

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Fig.5_Deformazione cui è soggetto un isolatore elastomerico ©Valutazione sismica e tecniche di intervento per edifici esistenti in c.a_Maggioli Editore

Questo tipo di dispositivo presenta una rigidezza laterale maggiore, se comparata con il semplice isolatore elastomerico, finché sia il nucleo che la gomma si deformano in campo elastico; dopodiché, raggiunto lo snervamento della parte centrale in piombo, permane il contributo di rigidezza laterale offerto dall’elastomero.

La tipologia a pendolo scorrevole (FPS) si basa, invece, sul semplice principio dello scorrimento su superficie concava per raggiungere l’elongazione del periodo proprio di vibrazione della struttura. Il pendolo scorre su una superficie concava in modo da ottenere un effetto ricentrante (Fig.6).

Fig.6_ Schematizzazione di un isolatore a scorrimento a superficie curva ©Valutazione sismica e tecniche di intervento per edifici esistenti in c.a_Maggioli Editore

L’evoluzione di questo sistema è rappresentata dall’isolatore a pendolo scorrevole con doppia curvatura, proposta da Constantinou, 2004 e sche­matizzata in Fig.7. Questo sistema non è altro che la combinazione di due dei precedenti pendoli scorrevoli, posti uno sopra l’altro e collegati reciprocamente tramite superficie sferica. A parità di dimensioni, questo dispositivo permette di raggiungere uno spostamento doppio rispetto a quello consentito dal sistema a scorrimento semplice. Risulta, quindi, particolarmente indicato quando si vogliono contenere le dimensioni del dispositivo in presenza di elevate domande in spostamento.

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Fig.7_Schematizzazione dello scorrimento di un dispositivo a pendolo a doppia curvatura ©Valutazione sismica e tecniche di intervento per edifici esistenti in c.a_Maggioli Editore

In aggiunta alle precedenti esistono anche altre tipologie di isolatori sismici, come, ad esempio, quelli a ricircolo di sfere di acciaio, elastici ad attrito (resilient friction base isolator), a scorrimento con elementi dissipativi in acciaio di diversa forma oppure gli isolatori elasto-plastici (ottenuti combinando gli isolatori a scorrimento con dei dissipatori isteretici in acciaio).

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