ISOLAMENTO SISMICO DEGLI EDIFICI - INTRODUZIONE ALL'ISOLAMENTO SISMICO

Ingegneria Sismica

· INTRODUZIONE ALL’ISOLAMENTO SISMICO

· STRATEGIE PROGETTUALI DELL’ISOALMENTO SISMICO

· Strategia della dissipazione

· Strategia dell’isolamento

· VANTAGGI DELL’ISOLAMENTO SISMICO

STRATEGIE PROGETTUALI DELL’ISOALMENTO SISMICO

Le costruzioni in zona sismica (edifici ed opere di ingegneria civile) devono essere progettate in modo tale da soddisfare tre obiettivi fondamentali in caso di evento tellurico:

1) la salvaguardia delle vite umane;

2) il contenimento dei danni alle strutture;

3) il mantenimento della funzionalità delle strutture essenziali per la Protezione Civile.

Per ottenere questi obiettivi è necessario conseguire un livello di protezione adeguata (nel senso precisato dalla normativa) nei confronti di due condizioni limite: uno Stato Limite Ultimo (SLU) e uno Stato Limite di Danno (SLD). Lo scopo è quello di soddisfare, con un adeguato margine di sicurezza, i seguenti due requisiti:

- requisito di non collasso strutturale (condizione di SLU)

- requisito di limitazione del danno (condizione di SLD)

Per conseguire questi risultati la progettazione sismica delle costruzioni, e degli edifici in particolare, può essere affrontata seguendo due metodologie con percorsi progettuali tra loro opposti:

(A) il livello di protezione sismica della costruzione è ottenuto aumentando adeguatamente la duttilità strutturale, in modo tale che la struttura entri in campo plastico

(B) il livello di protezione sismica della costruzione è ottenuto diminuendo adeguatamente l’intensità dell’azione tellurica, in modo tale che la struttura rimanga in campo elastico

Queste procedure rappresentano le due grandi metodologie progettuali che stanno alla base della progettazione in zona sismica. L’obiettivo indicato nella metodologia (A) è ottenuto con la strategia della dissipazione, mentre quello indicato dalla metodologia (B) è ottenuto mediante la strategia dell’isolamento.

Strategia della dissipazione

L’approccio progettuale offerto dalla metodologia (A) è quello normalmente utilizzato nella progettazione sismica delle costruzioni ordinarie. L’obiettivo delle prescrizioni della normativa è quello di realizzare strutture sismo-resistenti in modo tale che esse possiedano sufficienti riserve di resistenza, anche oltre il limite elastico, adottando una progettazione finalizzata ad ottenere un preciso meccanismo di plasticizzazione (Capacity Design). A tale scopo i propri elementi strutturali devono essere in grado di garantire sufficienti livelli di capacità di deformazione plastica, al fine di poter dissipare, attraverso la formazione di meccanismi, l’energia sismica tramite la duttilità delle loro sezioni.

La capacità dei sistemi strutturali di sopportare le azioni sismiche in campo non lineare permette, in generale, di progettarli per forze sollecitanti minori di quelle che si dovrebbero considerare nel caso si ipotizzasse una risposta puramente elastica. Per evitare di dover compiere analisi non lineari in fase di progetto, la capacità di dissipazione di energia di una struttura, essenzialmente mediante il comportamento duttile dei suoi elementi e/o altri meccanismi, è tenuta in conto svolgendo un’analisi lineare basata su uno spettro di risposta ridotto, detto spettro di progetto. Questa riduzione è ottenuta introducendo il fattore di struttura q. Esso rappresenta un’approssimazione del rapporto tra le forze sismiche che la struttura dovrebbe sopportare se la sua risposta fosse puramente elastica (con uno smorzamento viscoso del 5%) e le più piccole forze sismiche che potrebbero essere utilizzate in sede di progetto con un modello lineare convenzionale che ancora garantisce una risposta soddisfacente da parte della struttura.

Strategia dell’isolamento

L’isolamento sismico di un edificio costituisce l’altra alternativa nella progettazione sismica (metodologia (B)). Esso consiste nell’inserimento tra la struttura e le sue fondazioni di opportuni dispositivi in grado di aumentare il periodo proprio di vibrazione della struttura sovrastante al fine di allontanarlo dalla zona dello spettro di risposta con maggiori accelerazioni del suolo. Questi dispositivi, detti isolatori, realizzano una discontinuità nello sviluppo verticale della costruzione, e, fungendo da “filtro” rispetto alle tipiche frequenze sismiche, disaccoppiano il moto della sovrastruttura da quello del terreno, inducendo nella stessa minori sollecitazioni dovute all’azione sismica. Tipicamente gli isolatori sono dispositivi costituiti da strati di elastomero alternati a lamine di acciaio solidarizzati mediante vulcanizzazione, che conferiscono loro una bassa rigidezza nei confronti dagli spostamenti orizzontali e nello stesso tempo una deformabilità trascurabile in direzione verticale. Queste particolari proprietà meccaniche rendono il sistema fondazione-isolatori-struttura in grado di dissipare l’energia sismica del suolo: la dissipazione è concentrata quasi esclusivamente nei dispositivi di isolamento, i quali dissipano l’energia sismica trasmessa loro dalle fondazioni a spese di grandi deformazioni plastiche, mediante ampi cicli di isteresi. Ciò consente alla sovrastruttura di rimanere pressoché immobile rispetto al moto del terreno (funzionando praticamente in campo elastico), ottenendo di conseguenza una fortissima riduzione dei danni nelle finiture ed assenza di lesioni agli elementi strutturali. Il sistema di isolamento appena descritto costituisce una tecnica di protezione sismica di tipo passivo, detta anche isolamento alla base, ovvero base isolation.

VANTAGGI DELL’ISOLAMENTO SISMICO

I vantaggi offerti dall’isolamento sismico possono essere ricondotti essenzialmente a quelli di natura strutturale ed economica.

Vantaggi strutturali

Come detto, l’isolamento sismico di un edificio comporta una sensibile riduzione delle accelerazioni trasmesse dal sisma alla struttura, anche ai piani più alti. In conseguenza di questo si hanno i seguenti principali benefici effetti, rispetto ad un analogo edificio non dotato di isolamento alla base:

· minori forze sulla struttura che evitano, non solo il collasso dell’edificio, ma anche il danneggiamento degli elementi strutturali;

· minori accelerazioni di piano che consentono di evitare i danni a quanto è contenuto nell’edificio, e quindi di mantenere la funzionalità anche dopo un terremoto violento;

· riduzione degli spostamenti d’interpiano che consentono di evitare i danni, non solo agli elementi strutturali, ma anche agli elementi non strutturali (come le tamponature) e agli impianti tecnici (ascensori, impianti elettrici, impianti idraulici, impianti di riscaldamento, ecc) (danni che possono rendere inutilizzabile un edificio realizzato in modo tradizionale);

· minore percezione umana delle scosse sismiche, grazie all’effetto “filtro” degli isolatori.

La peculiarità più importante dell’isolamento alla base degli edifici è dunque la possibilità di eliminare completamente, o quantomeno ridurre significativamente, i danni strutturali e non. Questo aspetto ha una ripercussione importantissima nei seguenti casi:

· edifici che devono rimanere operativi anche dopo un sisma violento (ospedali, caserme dei VVFF, ecc);

· edifici il cui contenuto ha un valore (economico, artistico, culturale,ecc) molto superiore a quello degli edifici stessi (banche, musei, centri per le telecomunicazioni, biblioteche, ecc).

Vantaggi economici

Il confronto economico tra edifici con e senza isolamento sismico viene fatto solitamente valutando il costo aggiuntivo del sistema di isolamento (comprensivo degli isolatori veri e propri, della realizzazione delle opere strutturali aggiuntive e del giunto sismico intorno all’edificio per consentirne gli spostamenti orizzontali), senza considerare i possibili risparmi sulla struttura. Ipotizzando un livello di rischio corrispondente agli obiettivi b) e c) elencati all’inizio, tale costo aggiuntivo è solitamente il 5-10% del costo totale. E’ importante sottolineare che in alcuni casi l’uso dell’isolamento alla base, nonostante i costi aggiuntivi del sistema di isolamento, può consentire un risparmio dello stesso ordine di grandezza (5-10%), per esempio in quanto permette di utilizzare fondazioni dirette anziché su pali (dati pubblicati dalla FIP Industriale^®).

Dai vantaggi strutturali sopra elencati è utile fare un’altra considerazione: come già ricordato, lo scopo della progettazione sismica è quello di soddisfare gli obiettivi fondamentali a), b), c). Si fa notare che per soddisfare i requisiti b) e c), una costruzione non dotata di isolamento sismico dovrebbe essere progettata in modo tale che, qualora sia soggetta ad un sisma violento, la sua risposta rimanga in campo elastico (condizione per l’assenza di deformazioni e danni permanenti). Ne segue che essa costituirebbe una soluzione antieconomica rispetto al medesimo edificio dotato di isolamento alla base, poiché avrebbe un costo di costruzione certamente molto superiore. Si consideri poi che, a fronte di un costo di costruzione iniziale certo ed elevato (riferito alla struttura non isolata), potrebbe non corrispondere un effettivo “utilizzo” della struttura cosi’ realizzata, potendosi non verificare durante la vita di esercizio della stessa il sisma per il quale era stata progettata.