Sistemi di isolamento sismico innovativi prodotti

Sistemi di isolamento sismico innovativi prodotti dalla Società ALGA
Dott. Ing. Agostino Marioni
1 - Introduzione
La Società ALGA opera da oltre 60 anni nel campo dell’ingegneria civile e da oltre 30 anche nello
specifico campo dei dispositivi antisismici. In questo breve articolo si vuole trattare il tema degli isolatori
antisismici, i quali rappresentano una particolare categoria di tutti i dispositivi sviluppati per la
protezione delle strutture dal terremoto. Quando applicabile, la tecnica dell’isolamento sismico è quella
che può garantire la massima protezione, non solo della struttura ma anche delle parti non strutturali e
del suo eventuale contenuto.
Questo articolo si propone altresì di fornire una guida al progettista per orientarsi nel campo della
normativa, sempre in evoluzione, e per scegliere la soluzione ottimale di isolamento sismico.
2 - Riferimenti normativi
Le normative di riferimento attualmente sono le seguenti:
Norme Tecniche per le Costruzioni 2008
Secondo le ultime disposizioni le Norme Tecniche saranno obbligatorie a partire dal 1 Luglio 2010.
Ordinanza 3274 con le modifiche apportate dall’Ordinanza 3431 del 03/05/05
Questo documento rimarrà utilizzabile fino all’entrata in vigore delle Norme Tecniche per le Costruzioni,
che peraltro praticamente lo conglobano con modifiche non sostanziali.
EN 1998 (Eurocodice 8)
Questa normativa Europea non è cogente in Italia ma è prevista dalle Norme Tecniche per le Costruzioni
come documento a cui si può fare riferimento.
prEN15129
Questa è una pre-norma Europea. Ciò vuol dire che è un documento normativo approvato dal comitato
tecnico che l‘ha redatta (CEN TC 340) e pertanto ufficialmente disponibile presso il CEN. Inoltre ha già
superato le previste fasi di inchiesta pubblica ed è prossimo l’inizio del processo di voto formale
dopodiché, se il voto sarà positivo, diventerà Norma Europea Armonizzata. Norma Europea Armonizzata
significa che i prodotti ivi descritti saranno marcati CE (in base alle procedure previste in sede europea)
e la norma sarà cogente in tutti gli stati CEN. La cogenza entrerà in vigore dopo 21 mesi di coesistenza
con le normative pre-esistenti a partire dalla pubblicazione sulla Gazzetta Europea (prevista nel
Novembre 2009). Anche allo stato di pre-norma, la prEN è perfettamente utilizzabile per i dispositivi
antisismici in quanto è espressamente citata dalla EN 1998 la quale a sua volta è citata come
documento utilizzabile dalle Norme Tecniche per le Costruzioni (anche dalle versioni precedenti a quella
del 27 luglio 2007 nel caso quest’ultima non dovesse venire approvata). In attesa che venga attuato il
regime di marcatura CE occorre presentare la documentazione al Servizio Tecnico del Ministero delle
Infrastrutture,
come
previsto
dalle
Norme
Tecniche
per
le
Costruzioni.
EN 1337
Questa norma riguarda gli appoggi strutturali. E’ una norma armonizzata e cogente. Cogente, oltre
all’obbligatorietà, significa che tutti gli appoggi devono essere marcati CE, essendo la norma
armonizzata. La conoscenza della norma 1337 è necessaria in generale per le applicazioni
dell’isolamento sismico: infatti un sistema di isolamento sismico in alcuni casi è costituito da un insieme
di dispositivi antisismici e di appoggi scorrevoli. In particolare la EN 1337 prescrive che tutti gli appoggi
debbano permettere almeno una rotazione: sono quindi espressamente proibiti appoggi scorrevoli
formati da una semplice slitta che non sia abbinata ad un dispositivo che consenta la rotazione. Queste
sono le normative applicabili in Italia ed in Europa.
3 - Strategie antisismiche e tipologie di dispositivi antisismici
Le strategie antisismiche fondamentali sono:
· Lo spostamento del periodo proprio
· La dissipazione di energia
Lo spostamento del periodo proprio, come risulta chiaro osservando uno spettro di risposta fornito dalla
normativa, provoca una riduzione dell’accelerazione che si trasferisce alla struttura, ma a scapito di un
incremento dello spostamento relativo fra la struttura e le fondazioni o fra le parti strutturali.
La dissipazione di energia, oltre a ridurre ulteriormente l’accelerazione, riduce anche lo spostamento
relativo.
I sistemi che aumentano il periodo proprio finora utilizzati si basano su due principi fisici:
· Sistemi elastici, che immagazzinano l’energia prodotta dallo spostamento sotto forma di energia
elastica.
· Sistemi a pendolo, che immagazzinano l’energia prodotta dallo spostamento sotto forma di energia
potenziale.
I sistemi utilizzati per dissipare energia possono ridursi ai seguenti principi fisici:
· Snervamento dei metalli
· Viscosità di fluidi o gomme
· Attrito
· Resistenza elettrica
Una classificazione dei dispositivi antisismici può essere basata su criteri prestazionali come fa la prEN
15129.
Ecco come essa classifica i dispositivi:
· Collegamenti rigidi
o Ritegni (Perni e Guide)
o Connettori Idraulici
· Dispositivi non dipendenti dalla velocità
o Dispositivi Lineari
o Dispositivi Non Lineari
· Dispositivi dipendenti dalla velocità
· Isolatori
o Dispositivi scorrevoli
o Appoggi in gomma (Alto o basso smorzamento)
o Pendoli
In questa classificazione i ritegni rigidi sono quelli che non influenzano lo spettro di risposta della
struttura ma che si limitano a reagire rigidamente (perni e guide) o a distribuire la reazione prodotta dal
sisma in alcuni punti predeterminati (connettori idraulici).
I dispositivi lineari hanno comportamento essenzialmente elastico e pertanto hanno l’effetto di
aumentare il periodo proprio della struttura senza però significativa dissipazione di energia.
I dispositivi non lineari possono produrre una significativa dissipazione di energia, come i dispositivi
isteretici. In tale caso producono sia un aumento del periodo proprio sia una diminuzione dello
spostamento e dell’accelerazione in virtù della loro capacità di smorzamento. Alcuni dispositivi non
lineari, come ad esempio quelli basati sull’impiego delle leghe a memoria di forma, non producono una
dissipazione di energia significativa ma limitano la massima forza che si può generare fra le parti
strutturali fra le quali sono inseriti. Essi da un lato assicurano migliori capacità ricentranti rispetto ai
dispositivi isteretici; d’altro lato pagano questo vantaggio con uno spostamento relativo maggiore in
caso di sisma.
I dispositivi dipendenti dalla velocità sono per lo più basati sull’impiego di cilindri oleodinamici che
permettono di ottenere risultati diversi in funzione del circuito idraulico adottato.
Nella prEN 15129 vengono definiti isolatori antisismici quei dispositivi (o combinazione di dispositivi) che
garantiscono le seguenti funzioni:
· Sopportare il peso delle strutture
· Consentire lo spostamento orizzontale
· Generare una forza di ricentraggio
· Dissipare energia
Una classificazione tipologica degli isolatori più comunemente impiegati è la seguente:
· Appoggi in gomma ad elevata dissipazione di energia (HDRB)
· Appoggi in gomma - piombo (LRB)
· Dispositivi non lineari isteretici (combinati con appoggi scorrevoli) (HY)
· Ammortizzatori viscosi (combinati con appoggi scorrevoli ed un sistema elastico)(VD)
· Isolatori a pendolo scorrevole (SP)
Degli isolatori tratteremo diffusamente al prossimo capitolo nel quale verrà fornita una breve descrizione
ed illustrazione di alcune applicazioni importanti per i primi, mentre agli isolatori a pendolo scorrevole,
attualmente il prodotto più innovativo sviluppato dalla Società ALGA, verrà riservata una trattazione più
esauriente nel capitolo successivo.
4 - Isolatori
4.1- Appoggi in gomma ad alta dissipazione di energia
Sono stati sviluppati nel 1985 dal Prof. Jim Kelley presso l’Università della California a Berkeley. In
Europa sono stati utilizzati per la prima volta da ALGA per il complesso degli edifici SIP di Ancona nel
1987, utilizzando la consulenza dello stesso Prof Kelly.
Essi sono simili ai comuni apparecchi d’appoggio elastomerici ma se ne differenziano per alcuni
importanti aspetti:
· La gomma utilizzata, grazie all’impiego di particolari additivi, dissipa energia se soggetta a
deformazioni.
· La gomma utilizzata presenta caratteristiche meccaniche decisamente superiori a quella utilizzata per
gli appoggi normali e può raggiungere deformazioni tangenziali oltre 3.
· L’ancoraggio degli appoggi alle strutture non può essere affidato all’attrito ma è realizzato mediante
zanche o altri sistemi di fissaggio meccanico.
ALGA ha sviluppato e sottoposto a numerosi collaudi 3 tipi di mescole con valori del modulo di elasticità
tangenziale da 0,4 a 1,4 MPa e con smorzamento viscoso equivalente fino al 16%.
Dal 1987 in poi sono stati impiegati in numerosissime applicazioni sia per ponti sia per edifici ed oggetti
museali.
L’esiguità dello spazio a disposizione non consente di elencarle tutte ma ci si limita a citarne due fra le
più significative:
Figura 1– Il ponte sul Tago a Santarem, Portogallo, isolato
con HDRB
Figura 2 - Il centro NATO AF SOUTH presso Napoli utilizza 399
isolatori di grandi dimensioni. E’ il più grande progetto di
isolamento sismico in Europa
Il ponte sul Tago a Santarem (Vedi fig. 1) che con i suoi 4 km di lunghezza è il più importante ponte al
mondo isolato con questa tecnologia, ed il complesso NATO AF SOUTH presso Napoli (Vedi fig. 2),
attualmente in costruzione, che, con i suoi 399 isolatori di grandi dimensioni è il più grande progetto di
isolamento sismico
con questa tecnologia in Europa.
4. 2 - Appoggi in gomma – piombo
Sono simili ai precedenti ma in essi la dissipazione di energia è affidata ad uno o più nuclei di piombo
sollecitati a taglio inseriti nell’appoggio. Il piombo ha la facoltà di subire deformazioni plastiche
dissipando energia senza danneggiarsi in maniera irreversibile. Dopo un ciclo di deformazioni plastiche
è capace di ricristallizzare ritornando alle condizioni iniziali. Sono stati sviluppati nel 1978 in Nuova
Zelanda ma si sono diffusi in Europa con un po’ di ritardo.
Rispetto agli appoggi in gomma ad elevata dissipazione di energia presentano alcuni vantaggi ed alcuni
svantaggi.
I vantaggi:
· Possono dissipare una maggior quantità di energia (28% e più di smorzamento viscoso equivalente)
rispetto agli appoggi in gomma ad alta dissipazione di energia.
· A parità di prestazioni sono più economici degli appoggi in gomma ad alta dissipazione di energia.
· Il nucleo di piombo può costituire un efficace ritegno fisso nelle condizioni di esercizio (vento, frenatura
dei veicoli ecc.)
Fra gli svantaggi si possono invece citare:
· Poiché la dissipazione di energia è concentrata nel nucleo, in certe condizioni si possono generare
innalzamenti termici che comportano un degrado irreversibile dell’isolatore.
· Il piombo è una sostanza tossica che richiede particolari precauzioni per l’impiego e lo smaltimento.
Attualmente la normativa italiana ed europea favorisce gli appoggi in gommapiombo, ignorandone
inspiegabilmente gli svantaggi, e pertanto le applicazioni sono in forte crescita.
Fra le varie applicazioni eseguite da ALGA si può citare la più importante e cioè l’adeguamento sismico
dell’aeroporto di Antalya in Turchia che è stato fatto segando i pilastri della struttura esistente ed
inserendo gli isolatori senza interrompere l’operatività dell’aeroporto.
4.3 - Isolatori isteretici
Questo tipo di isolatori sfrutta lo snervamento dei metalli, normalmente acciaio, per dissipare energia.
Per realizzare un isolatore il dispositivo isteretico dissipatore di energia è abbinato ad un appoggio
scorrevole che sostiene il peso della struttura e permette lo spostamento.
I primi isolatori isteretici sono stati sviluppati in Nuova Zelanda nel 1974, ma la prima applicazione
Europea è stata realizzata da ALGA nel 1980 per i ponti dell’Autostrada Udine – Tarvisio.
Successivamente la tecnologia impiegata per la prima applicazione è stata migliorata per ottenere un
maggior numero di cicli di resistenza alla fatica oligociclica dei dispositivi ed un comportamento il più
possibile simmetrico a trazione e compressione. Sono nati da queste ricerche dispositivi con geometrie
particolarmente idonee, ad E ed a C (brevettati dal Prof.
Vincenzo Ciampi nel 1979). La più importante applicazione di isolatori con dispositivi isteretici a livello
mondiale resta quella del viadotto Mortaiolo che misura oltre 10 km di lunghezza.
Figura 3 - Isolatori con dispositivi isteretici ed accoppiatori
idraulici utilizzati per svariate applicazioni tra le quali il Viadotto
Mortaiolo dell’Autostrada Livorno – Cecina: il più lungo viadotto
isolato del mondo
Figura 4 - Prove di omologazione dei dispositivi multi direzionali
isteretici per il viadotto di Bolu presso il laboratorio ALGA
In esso i dispositivi isteretici sono abbinati ad un appoggio mobile a disco elastomerico che sopporta i
carichi verticali del ponte permettendo gli spostamenti ed ad accoppiatori idraulici nella direzione
longitudinale per consentire i movimenti lenti della struttura e costituire un vincolo supplementare in
caso di terremoto (Vedi fig. 3).
L’utilizzazione degli elementi isteretici a C disposti a raggiera permette di realizzare dispositivi
multidirezionali con una grande uniformità di risposta nelle varie direzioni. E’ stato applicato,
congiuntamente ad appoggi mobili multidirezionali, per l’isolamento sismico del Viadotto di Bolu
sull’Autostrada Istanbul Ankara in Turchia. Tale viadotto è diventato famoso perché nel 1999 è stato
colpito da un terremoto di intensità 7,4 della scala Richter con epicentro prossimo al ponte ed
accelerazioni al suolo misurate più che doppie rispetto a quelle di progetto. Nonostante l’eccezionalità
del terremoto il ponte, pur riportando danni consistenti, grazie alla presenza degli isolatori isteretici non
è crollato.
Nella figura 4 è rappresentato un dispositivo simile a quelli utilizzati a Bolu soggetto a prove di qualifica
presso il laboratorio ALGA.
Una delle applicazioni più recenti di isolatori con dispositivi isteretici simili a quelli utilizzati per il
Viadotto Mortaiolo è il Viadotto Tauriano sul Torrente Meduna: un viadotto continuo della lunghezza di
900 metri senza giunti intermedi (Vedi fig. 5).
Figura 5 – Il Viadotto Tauriano sul torrente Meduna, ultimato nel
2007, utilizza dispositivi isteretici abbinati ad appoggi a disco
elastomerico ed accoppiatori idraulici
Figura 6 – Dispositivi idraulici per il Paksey Bridge in
Bangladesh
4.4 - Dispositivi Idraulici
Tali dispositivi hanno un comportamento segnatamente dipendente dalla velocità.
Essi possono svolgere funzioni diverse a seconda del loro circuito idraulico ma essenzialmente si
compongono sempre di un cilindro con un pistone che ne divide l’interno in due camere riempite di olio.
Il cilindro da un lato ed il pistone tramite un’asta dall’altro sono collegati mediante due snodi sferici a
due parti strutturali fra le quali si manifesta un movimento reciproco in caso di terremoto. Il movimento
costringe una parte dell’olio a passare da una camera all’altra attraverso un circuito idraulico che ne
caratterizza il comportamento.
Il loro comportamento, in via semplificata e senza tenere conto della loro deformazione elastica, può
essere rappresentato dall’equazione:
F = C ´V α
Dove:
F è la forza applicata all’asta del pistone
C è una costante dipendente dalle caratteristiche fisico-geometriche del dispositivo
α è un esponente che può variare da 0,1 a 2 a seconda del circuito idraulico impiegato.
Si utilizzano dispositivi con esponente 2 quando si vuole massimizzare la differenza di comportamento
degli stessi fra le basse velocità come quelle indotte da variazioni termiche, ritiro e fluage e le alte
velocità quali quelle indotte dal sisma. Questi dispositivi si chiamano generalmente accoppiatori
idraulici, appartengono alla categoria dei collegamenti rigidi secondo la classificazione della prEN15129
e non sono idonei alla dissipazione di quantità di energia rilevanti.
Quando lo scopo dei dispositivi idraulici è principalmente la dissipazione di energia allora si tende a
minimizzare l’esponente portandolo vicino a valori dell’ordine di 0,1. Ciò è possibile utilizzando circuiti
idraulici di una certa complessità. Questi dispositivi si chiamano generalmente ammortizzatori viscosi ed
appartengono alla categoria dei dispositivi dipendenti dalla velocità secondo la classificazione della
prEN15129.
Essi possono essere utilizzati in svariate applicazioni ma per essere integrati in un sistema di isolamento
sismico devono essere abbinati ad apparecchi che sostengano il peso della struttura e generino una
forza di ricentraggio. In taluni casi la forza di ricentraggio può essere generata dalla struttura stessa, ad
esempio sfruttando l’elasticità di una pila o di una struttura a telaio.
Esistono anche dispositivi idraulici con capacità ricentranti. Il loro comportamento è descritto dalla
prEN15129 e si indicano col nome di ammortizzatori viscoelastici.
Fra le svariate applicazioni di dispositivi idraulici effettuate da ALGA (la prima risale addirittura al 1974
per il Viadotto Fiumarella del Noce in Calabria) citiamo quella per il Paksey Bridge in Bangladesh,
notevole per la forza di progetto dei dispositivi (1800 kN) e la loro corsa (800 mm) (Vedi fig. 6).
5 - Isolatori a pendolo scorrevole
5.1 - Caratteristiche generali
Gli isolatori antisismici a pendolo scorrevole ALGAPEND sono il frutto della più aggiornata tecnologia.
Essi derivano da un’idea sviluppata negli USA negli anni ’80, rivisitata alla luce dei più recenti sviluppi
nel campo dei materiali sintetici di scorrimento a basso attrito e ad attrito controllato.
Sono caratterizzati dalle seguenti proprietà peculiari:
· Permettono lo spostamento relativo della struttura rispetto alle fondazioni secondo una o due superfici
sferiche.
· Il raggio di curvatura della o delle superfici sferiche determina il periodo proprio di vibrazione della
struttura.
· Il periodo proprio è indipendente dalla massa della struttura.
· L’attrito della superficie di scorrimento determina lo smorzamento viscoso equivalente.
· Sono auto-ricentranti dopo un evento sismico.
Essi si basano sull’impiego di una serie di materiali di scorrimento denominati XLIDE®, frutto di una
ricerca effettuata da ALGA col Politecnico di Milano e coperti da brevetto internazionale. I materiali di
scorrimento ad attrito controllato della serie XLIDE® presentano le seguenti caratteristiche fondamentali:
· Coefficiente d’attrito controllato significa che l’attrito effettivo corrisponde a quello specificato entro
una ristretta fascia di tolleranza. Esso inoltre non è influenzato dalla temperatura di utilizzazione dei
prodotti né dal loro invecchiamento.
· I prodotti della serie XLIDE® presentano un’eccezionale resistenza all’usura ed alle elevate
temperature. Queste caratteristiche ne consentono l’uso come elementi dissipatori di energia per effetto
di attrito con prestazioni
eccezionali.
· I prodotti della serie XLIDE® presentano una resistenza caratteristica a compressione molto elevata,
oltre doppia di quella del PTFE. Ciò permette di ridurre notevolmente le dimensioni dei dispositivi e di
abbattere notevolmente i costi.
Gli isolatori antisismici ALGAPEND possono essere essenzialmente di tre tipologie:
1. Con una superficie principale di scorrimento sferica che può essere superiore od inferiore, accoppiata
ad un’articolazione a calotta sferica (Vedi fig. 7).
2. Con due superfici principali di scorrimento sferiche tra le quali è posta un’articolazione a contatto
puntuale. Con questa disposizione è possibile minimizzare le dimensioni in pianta dell’isolatore e ridurre
l’eccentricità prodotta dallo spostamento orizzontale sulla struttura (Vedi fig. 8). (Tale soluzione è
coperta da brevetto internazionale).
3. Con due superfici cilindriche ortogonali, una superiore ed una inferiore tra le quali sono poste due
articolazioni a sella cilindrica ortogonali. Con tale soluzione, scegliendo opportunamente i materiali di
scorrimento, si può ottenere un comportamento del dispositivo differente nelle due direzioni (Vedi Fig. 9)
(Tale soluzione è coperta da brevetto internazionale).
Figura 7 – Isolatore a pendolo scorrevole
con una superficie di scorrimento
Figura 8 – Isolatore a pendolo scorrevole
con due superfici di scorrimento
Figura 9 – Isolatore a pendolo scorrevole
con due superfici di scorrimento cilindriche ortogonali
La scelta della tipologia di isolatore a pendolo scorrevole dipende dalle circostanze della struttura in
esame, dallo spostamento ammissibile della risultante e dall’ingombro disponibile.
Figura 10 – Spostamento della risultante con un isolatore a
pendolo scorrevole dotato di una superficie di scorrimento
Figura 11 – Spostamento della risultante con un isolatore a
pendolo scorrevole dotata di due superfici di scorrimento
Ad esempio un isolatore a pendolo scorrevole con una superficie di scorrimento nella disposizione
indicata in fig. 10 sarà idoneo per l’uso nei viadotti nei quali lo spostamento della risultante nei confronti
della sovrastruttura non genera problemi. Per l’impiego in edifici si preferirà di solito disporre l’isolatore
capovolto in modo da produrre lo spostamento della risultante in corrispondenza della fondazione e non
del pilastro sovrastante.
In taluni casi può essere più vantaggioso usare l’isolatore con due superfici di scorrimento che presenta
uno spostamento della risultante dimezzato sia nei confronti della sovrastrutture che dell’infrastruttura e
riduce le dimensioni globali del dispositivo (Vedi fig. 11).
L’utilizzazione del dispositivo con due superfici cilindriche ortogonali come rappresentato in figura 9 può
essere molto vantaggioso per l’impiego nei ponti, quando si voglia differenziare il comportamento della
struttura in caso di terremoto nelle due direzioni. Ad esempio si può volere aumentare la dissipazione di
energia in senso trasversale per limitare il movimento trasversale dei giunti, a scapito di una forza
orizzontale maggiore in caso di terremoto che peraltro può essere assorbita facilmente dalla geometria
delle pile.
5.2 - Modellazione matematica
Detti
• T Periodo proprio di vibrazione trascurando l’attrito
• Te f f Periodo effettivo
• g Accelerazione di gravità
• μ Coefficiente di attrito dinamico
• V Carico verticale
• R raggio di curvatura della o delle superfici di scorrimento
• D spostamento di progetto
• Ke f f rigidezza efficace
• x smorzamento viscoso equivalente
• h distanza fra il centro dell’articolazione e le superfici sferiche per gli isolatori a due superfici
Facendo riferimento alla figura 12 si ottengono le seguenti espressioni.
Figura 12 – Definizioni geometriche
Per gli isolatori ad una superficie di scorrimento:
Per gli isolatori a due superfici di scorrimento:
Le altre espressioni per gli isolatori a due superfici sono affini a quelle per l’isolatore ad una superficie
prendendo al posto di R l’espressione 2(R-h).
5.3 - Materiali di scorrimento XLIDE®
Il materiale XLIDE® è stato sviluppato in diverse versioni, con coefficienti d’attrito diversi per le varie
applicazioni: per gli appoggi a calotta sferica ALGA SFERON e per le articolazioni sferiche dei dispositivi
ALGAPEND viene utilizzato un materiale XLIDE® con coefficiente d’attrito bassissimo, inferiore a 0,02.
Per le applicazioni speciali come l’ALGAPEND vengono utilizzati materiali XLIDE® con attrito pari a 0,02,
0,06, 0,10 e 0,20 con una tolleranza rispetto ai valori specificati di ± 10%.
Poiché la dissipazione di energia genera calore, i materiali ad attrito controllato XLIDE® sono stati
studiati e sperimentati in modo da garantire un’adeguata resistenza al calore ed all’usura che si possono
verificare durante un evento sismico.
La quantità di calore generata durante un evento sismico è pari a Q=Cμ pvt dove:
• C è una costante dipendente dal materiale
• μ è il coefficiente d’attrito
• p è la pressione agente sul materiale
• v è la velocità
• t è la durata dell’evento sismico
Nella tabella seguente sono riportati per i vari materiali XLIDE® ad attrito controllato con valore
caratteristico dell’attrito μ le pressioni di progetto p consentite, considerando un evento sismico della
durata di 20 secondi e con una velocità media di 500 mm/s
μ
0,02
0,06
0,10
0,20
P (Mpa)
135
50
30
15
Inoltre occorre notare che XLIDE®:
· è amico dell’ambiente
· non è tossico
· è bio-compatibile
· è praticamente inattaccabile da agenti aggressivi o chimici
· è praticamente indistruttibile
5.4 – Normativa di riferimento
Gli isolatori ALGAPEND sono conformi alle prescrizioni della norma Europea EN 1998 (Eurocodice 8) e
della pre-norma prEN 15129 (Normativa Europea sui Dispositivi antisismici di prossima entrata in
vigore).
Essi sono anche conformi alle prescrizioni dell’Ordinanza 3274 e delle norme AASHTO.
5.5 – Prove di laboratorio
I materiali costitutivi degli isolatori ALGAPEND sono stati collaudati sia con prove statiche sia dinamiche
presso il Politecnico di Milano e presso i laboratori ALGA.
Prove dinamiche in scala reale sono state effettuate al laboratorio Eucentre presso l’università di Pavia
(Vedi fig. 13). Esse sono state condotte in conformità alle prescrizioni della prEN 15129. Le prove
dinamiche sugli isolatori a pendolo scorrevole sono alquanto complesse in quanto richiedono il controllo
dinamico del carico sia orizzontale che verticale, il che si traduce in una grande potenza necessaria. Per
il momento il laboratorio Eucentre è l’unico in Europa che può effettuare prove in scala reale su
dispositivi di questo tipo con dimensioni
significative.
Figura 13 – Prove dinamiche su di un isolatore a singola
superficie di scorrimento presso Eucentre - Pavia
Figura 14 – Termografia eseguita durante le prove
dinamiche su di un isolatore a doppia superficie di
scorrimento presso Eucentre - Pavia
Poiché il calore generato durante le prove è notevole è molto importante che esse siano effettuate su
prototipi in scala reale soggetti ai carichi ed alle velocità di progetto, per tutta la durata prevista per il
terremoto. Gli isolatori ALGAPEND sono stati soggetti a cicli di carico ben superiori ad un singolo evento
sismico senza riportare alcun danneggiamento. Durante alcune delle prove sono state eseguite anche
delle termografie per verificare l’andamento delle temperature (Vedi fig. 14)
Nel diagramma in figura 15 è riportato il risultato tipico di una prova dinamica
Figura 15 - Tipico diagramma forza orizzontale – deformazione ottenuto dalle prove dinamiche su di un isolatore a singola superficie
di scorrimento presso Eucentre - Pavia
5.6 - Accessori
Nel caso si debba garantire le fissità della struttura nelle condizioni di servizio, come avviene di regola
nei ponti ferroviari e stradali, o negli edifici soggetti ad un’intensa azione del vento, gli isolatori
antisismici ALGAPEND possono essere dotati di così detti fusibili meccanici. I fusibili sono collegamenti
rigidi che assicurano la fissità della struttura fino ad un valore predeterminato della forza orizzontale.
Raggiunto tale limite prestabilito essi si rompono consentendo alla struttura di muoversi ed agli isolatori
antisismici di espletare la loro funzione. I fusibili possono essere sia fissi sia unidirezionali. Questi ultimi
si adottano nei ponti, dove occorra consentire lo spostamento longitudinale delle travate per effetti
termici, di ritiro e deformazioni viscose.
5.7 - Applicazioni
La più grande applicazione attualmente in corso è l’isolamento sismico del Golden Ear Bridge. Si tratta
di un grande complesso di ponti comprendenti cinque campate strallate che oltrepassa il tratto di mare
detto Golden Ear presso Vancouver, in Canada. Nella figura 16 è rappresentata un’immagine artistica del
ponte che attualmente è in fase di costruzione. Nella figura 17 è rappresentata una fase costruttiva degli
isolatori per quest’opera.
Figura 16 – Rendering del Golden Ear Bridge attualmente in costruzione a
Vancouver
Figura 17 – Fasi costruttive per gli
isolatori a doppia superficie di
scorrimento per il Golden Ear
Bridge
6 – Procedimento di calcolo e verifica delle prestazioni di vari tipi di isolatori
6.1 Procedura di calcolo degli isolatori a pendolo scorrevole
In base alle prescrizioni sia dell’Ordinanza 3274 sia dell’Eurocodice 8 gli isolatori a pendolo scorrevole
possono essere modellati come lineari equivalenti se lo smorzamento viscoso equivalente è ≤ 30%.
Questa circostanza si verifica se l’attrito soddisfa la condizione:
Ad esempio: con D=300 mm, R=3979 mm si ottiene μ _0,067.
In altri termini il calcolo lineare può essere effettuato se l’attrito delle superfici di scorrimento non è
troppo elevato.
Gli altri requisiti dell’Ordinanza e dell’Eurocodice sono praticamente sempre soddisfatti.
In particolare il requisito della coincidenza fra baricentro delle masse e baricentro delle rigidezze è
sempre automaticamente soddisfatto poiché la rigidezza degli isolatori a pendolo è proporzionale al
peso e quindi alla massa.
Ovviamente il calcolo non lineare è sempre ammesso.
Per il calcolo di una struttura con isolatori a pendolo scorrevole si parte in generale fissando un raggio di
curvatura ed un valore del coefficiente d’attrito.
Per tali valori in genere ci si attiene a quelli proposti dal fabbricante. I coefficienti di attrito raccomandati
da ALGA sono riportati nella tabellina al paragrafo 5.3, mentre i raggi raccomandati da ALGA sono
riportati nella tabellina seguente e sono quelli che danno luogo a periodi di 3, 4 e 5 secondi trascurando
l’effetto dell’attrito.
Se si è nelle condizioni di effettuare l’analisi dinamica lineare si applicano le formule date al paragrafo
5.2 per calcolare i valori di rigidezza, periodo effettivo e smorzamento. Poiché questi valori dipendono
dallo spostamento di progetto D che non è noto inizialmente, si può operare attraverso un calcolo
iterativo, imponendo un valore di D di tentativo, calcolando in base ad esso rigidezza, periodo e
smorzamento. Si può così ottenere attraverso lo spettro di risposta un nuovo valore di D col quale si
ripete il calcolo fino a che il procedimento converga, la qual cosa avviene molto rapidamente.
Se non si è nelle condizioni di effettuare l’analisi dinamica lineare, i principali programmi di calcolo
esistenti sul mercato permettono di modellare gli isolatori a pendolo scorrevole direttamente attraverso i
loro parametri fondamentali.
6.2 - Raffronto fra le prestazioni di vari tipi di isolatori
Per questo raffronto vengono presi in considerazione appoggi in gomma ad alta dissipazione di energia,
isolatori a pendolo scorrevole ed isolatori con dispositivi isteretici. Non vengono considerati sistemi di
isolamento contenenti ammortizzatori viscosi la cui applicazione è soggetta a troppe variabili progettuali.
Assumiamo i seguenti dati di ingresso:
• Zona sismica di prima categoria
• Suolo tipo B
• Periodo della struttura isolata T=2,75 s
• Massa sovrastante un isolatore M=1000 t
• Smorzamento viscoso equivalente x=16%
Con un isolatore in gomma ad alta dissipazione di energia si ottiene subito il valore della rigidezza K
richiesta attraverso la formula seguente:
Attraverso lo spettro di risposta si ottengono subito in base al periodo ed allo smorzamento i valori di
accelerazione A e spostamento D. Risulta
• Accelerazione A= 0,979 m/s2 (0,1g)
• Spostamento (una componente) D= 188 mm
Lo spostamento così calcolato è quello relativo ad una componente orizzontale del sisma. Per ottenere
lo spostamento totale per gli isolatori occorre effettuare la composizione vettoriale dei sismi nelle due
direzioni ed amplificare il risultato per il coefficiente di comportamento 1,2. Si ottiene lo spostamento
totale:
L’isolatore idoneo, facendo riferimento al catalogo ALGA è il tipo HDH.E1000 che ha le seguenti
caratteristiche geometriche e fisiche:
• Diametro gomma 1000 mm
• Dimensioni delle piastre di ripartizione 1050 x 1050 mm
• Modulo elastico della gomma 1,4 MPa
• Spessore netto della gomma 210 mm
• Altezza totale 428 mm
Il calcolo dell’isolatore a pendolo equivalente è molto semplice e si può fare opportunamente in maniera
iterativa, come precedentemente mostrato. Assumendo:
• R=2,5 m
• μ =0,025
Si ottengono gli stessi valori di accelerazione, spostamento e smorzamento viscoso equivalente ottenuti
nel caso degli isolatori in gomma ad alta dissipazione di energia.
Si può usare un isolatore ad una o due superfici di scorrimento. Nel primo caso le dimensioni
d’ingombro risultano le seguenti:
· Diametro piastra inferiore 600 mm
· Diametro piastra superiore 950 mm
· Spessore 190 mm
Nel secondo caso le dimensioni d’ingombro risultano le seguenti:
· Diametro piastra inferiore e superiore 700 mm
· Spessore 240 mm
Utilizzando un isolatore con dispositivi isteretici, il confronto non è esattamente congruente in quanto lo
smorzamento viscoso equivalente in questo caso è sensibilmente superiore e vale circa il 40%, Di
conseguenza, se si vuole ottenere un’accelerazione pari ai casi precedenti lo spostamento si riduce
notevolmente a circa 150 mm. Si ha pertanto un isolatore con prestazioni superiori alle precedenti.
Figura 18 - Raffronto dimensionale fra isolatori aventi prestazioni analoghe
Un risultato analogo lo si otterrebbe utilizzando un isolatore con ammortizzatori viscosi.
Comunque, facendo riferimento al catalogo ALGA, l’isolatore isteretico che garantisce le prestazioni
sopra esposte è il tipo PND 10000/150/150-750. I quattro tipi di isolatori più sopra considerati sono
raffigurati in figura 18 nella medesima scala. Balza subito all’occhio come gli isolatori a pendolo
scorrevole siano molto più compatti di quelli di altri tipi con prestazioni analoghe
Va inoltre considerato che è molto difficile migliorare le prestazioni degli isolatori in gomma ad elevata
dissipazione di energia analizzati nell’esempio. Si potrebbe ad esempio aumentare lo smorzamento
utilizzando per dissipare l’energia un nucleo di piombo anziché la gomma dissipativa, ma per
incrementare il periodo occorrerebbe diminuire la rigidezza il che può essere ottenuto aumentando
l’altezza dell’isolatore con aggravio di spesa e con le limitazioni che possono derivare dall’insorgere
dell’instabilità. La diminuzione della rigidezza può essere ottenuta anche riducendo il modulo di
elasticità tangenziale della gomma ma in tal caso se ne riduce la capacità portante e di conseguenza
occorrerà probabilmente aumentare il diametro.
Negli isolatori a pendolo scorrevole invece le prestazioni rispetto all’esempio precedente possono essere
facilmente migliorate senza aggravio di spesa. Infatti per aumentare lo smorzamento è sufficiente
utilizzare un materiale con attrito maggiore e per aumentare il periodo è sufficiente aumentare il raggio
delle superfici sferiche. E’ da tener presente che, con gli spettri di risposta della normativa vigente, un
aumento del periodo oltre i 2,5 secondi non comporta un aumento dello spostamento.
Da tutte queste considerazioni si può desumere che gli appoggi a pendolo scorrevole possono avere un
rapporto prestazioni / costo molto interessante.
Le ridotte dimensioni degli isolatori a pendolo scorrevole non devono preoccupare per quanto riguarda le
pressioni sul calcestruzzo. La norma europea EN1992 (Eurocodice 2) prevede pressioni concentrate sul
calcestruzzo molto elevate purché le piastre di ripartizione del dispositivo siano sufficientemente
distanziate dai bordi e purché il calcestruzzo sia debitamente armato.
Nella tabella seguente viene tentato un confronto qualitativo dei costi e benefici dei vari tipi di isolatori
antisismici illustrati nella presente trattazione. Vengono dati in maniera qualitativa voti da 1 a 5. Il voto 5
rappresenta il valore massimo delle prestazioni ed anche il costo e gli oneri di manutenzione più
vantaggiosi,
cioè più bassi.
Vengono prese in esame tutte le prestazioni richieste ad un isolatore, con eccezione della capacità di
sopportare il carico verticale che è comune in ugual misura a tutti i sistemi ed inoltre il costo iniziale e
gli oneri di manutenzione. Viene usata la simbologia più comunemente utilizzata in letteratura e cioè
· HDRB (High Damping Rubber Bearings) Isolatori in gomma ad alta dissipazione di energia.
· LRB (Lead Rubber Bearings) Isolatori in gomma – piombo
· SP (Sliding Pendulum) Isolatori a pendolo scorrevole
· HY (HYsteretic dampers) Isolatori con dispositivi isteretici
· VD (Viscous Dampers) Isolatori con ammortizzatori viscosi
Dall’esame della tabellina si nota come l’energia dissipata cresce passando dagli HDRB ai VD. Gli
isolatori isteretici e viscosi sono quelli che assicurano la massima dissipazione di energia e sono
pertanto preferiti nei ponti o nelle zone di elevata sismicità dove si voglia contenere il più possibile lo
spostamento.
La capacità di spostare il periodo è proprietà comune a tutti gli isolatori ma con quelli a pendolo la cosa
è senz’altro più facile.
Una valutazione quantitativa della capacità di ricentraggio è sicuramente difficile: esistono delle
proposte di formule in varie normative, ivi compresa la EN1998 ma non c’è assolutamente accordo nella
comunità scientifica internazionale sulla loro validità. Quasi tutte le formule fin qui proposte utilizzano un
approccio statico al problema mentre il fenomeno del ricentraggio è ben più complesso ed ha risvolti
dinamici ed energetici.
Da un punto di vista qualitativo si può però affermare che le capacità di ricentraggio diminuiscono
all’aumentare dell’energia dissipata.
Nel caso degli appoggi a pendolo scorrevole però, data la curvatura della piastra di scorrimento, la
componente verticale del sisma gioca un ruolo fondamentale nel ricentraggio in quanto facilita
grandemente il raggiungimento del punto di energia potenziale minima, cioè il punto perfettamente
centrato, nelle fasi conclusive del sisma. Il fenomeno è stato messo bene in evidenza dallo studio
effettuato dagli ingegneri Zurlo e Zaccone nella loro tesi di laurea redatta nel 2007. Si può quindi
concludere che, a parità di energia dissipata, gli isolatori a pendolo scorrevole sono quelli che
garantiscono il migliore ricentraggio.
Per quanto riguarda il costo, in base alle considerazioni precedentemente fatte, gli appoggi a pendolo
scorrevole hanno senz’altro un punteggio favorevole. Per quanto riguarda la manutenzione gli isolatori in
gomma, gomma piombo ed a pendolo hanno oneri molto modesti, per lo più limitati alla protezione
anticorrosiva e non necessitano di particolari manutenzioni dopo un evento sismico. Isolatori isteretici e
viscosi hanno normalmente impegni di manutenzione più complessi, specialmente dopo un evento
sismico.
7– Conclusioni
E’ disponibile una grande varietà di dispositivi antisismici che hanno dimostrato la loro affidabilità ed
efficienza e possono soddisfare qualsiasi esigenza progettuale.
Alcuni dispositivi antisismici hanno anche dimostrato il loro ottimo funzionamento in presenza di
terremoti reali che, al di là di tutte le simulazioni matematiche e sperimentali possibili, è sicuramente la
prova più convincente del loro funzionamento.
La tecnica dell’isolamento sismico, che è una particolare applicazione dei dispositivi antisismici, quando
applicabile, è sicuramente quella che assicura la massima protezione, non solo delle strutture ma di
tutte le parti non strutturali e dell’eventuale contenuto della stessa.
ALGA è sempre stata all’avanguardia nel proporre dispositivi antisismici innovativi: ad essa si devono fra
l’altro le prime applicazioni in Europa di dispositivi isteretici ed in gomma ad alta dissipazione di energia.
Il frutto più aggiornato della ricerca costantemente condotta da ALGA in collaborazione coi principali
centri di ricerca europei – in questo caso il Politecnico di Milano – è oggi l’isolatore a pendolo scorrevole
che, come si è visto, presenta prestazioni sorprendenti con un costo interessante, senza richiedere
particolari oneri di manutenzione, nemmeno dopo un evento sismico.
In aggiunta a tutto ciò piace constatare che in Italia ed in Europa si ha attualmente a disposizione una
delle migliori normative antisismiche a livello mondiale.
Ci sono tutte le premesse perché le tecniche antisismiche in generale e l’isolamento sismico in
particolare prendano piede come sta già avvenendo in altre nazioni più all’avanguardia come il Giappone
e la Cina.
(Testo della conferenza tenuta a Roma il 12 Settembre 2007al Consiglio Nazionale
delle Ricerche dall’Ing. Agostino Marioni, con revisioni 2009)