ISOLATORI SISMICI - ISOLATORI ELASTOMERICI

Ingegneria Sismica

· ISOLATORI ELASTOMERICI

· Marco Bozza

· INTRODUZIONE

· CARATTERISTICHE DEGLI ELASTOMERI

· COMPORTAMENTO A “FILTRO”

· MODELLI COSTITUTIVI PER GLI ISOLATORI

· STRUTTURE DOTATE DI ISOLAMENTO ALLA BASE

SOMMARIO

Si presenta in questo articolo una breve introduzione agli isolatori elastomerici, con particolare riferimento alle proprietà meccaniche dei materiali costitutivi e ai benefici derivanti dal loro comportamento in esercizio in caso di evento sismico.

INTRODUZIONE

Dal punto di vista tecnico gli isolatori svolgono la funzione di limitare le accelerazioni trasmesse alla struttura mediante l’innalzamento del periodo proprio di oscillazione, riducendo in tal modo le forze inerziali trasferite alla struttura stessa, grazie al comportamento fortemente isteretico del materiale elastomerico (gomma naturale, neoprene o materiali artificiali). Si tratta di dispositivi di appoggio in elastomero armato, costituiti cioè da strati alterni di acciaio ed elastomero (isolatori elastomerici armati) connessi mediante processi di vulcanizzazione (Figura 1a e Figura 1b). Essi sono anche detti HDRB (High Damping Rubber Bearing).

Figura 1a Figura 1b

Per assolvere a tale funzione gli isolatori elastomerici sono normalmente interposti tra le fondazioni e la sovrastruttura (Figura 2). In questa configurazione essi realizzano quello che comunemente viene definito isolamento alla base, ovvero Base Isolation (Figura 2a, Figura 2b). Il tipico sistema di ancoraggio è mostrato in Figura 3a e Figura 3b.

Figura 2a Figura 2b

Figura 3a Figura 3b

Essi sono caratterizzati da ridotta rigidezza orizzontale, affinché sia garantito il disaccoppiamento del moto orizzontale della struttura da quello del terreno, elevata rigidezza verticale per sostenere i carichi verticali senza apprezzabili cedimenti e opportune capacità dissipative per ridurre lo spostamento orizzontale della struttura. Questo tipo di isolatori realizza, attraverso il comportamento pseudo-elastico che li caratterizza, un effettivo allungamento del periodo proprio ed un’apprezzabile dissipazione di energia. La tecnologia dell’isolamento alla base con isolatori elastomerici, collaudata positivamente dai recenti terremoti giapponesi e americani, mette l’edificio in grado di resistere a terremoti distruttivi di intensità Mercalli 9-10 senza alcun danno né alle strutture né alle finiture, con un conseguente annullamento dei costi di riparazione a seguito di tali eventi e, cosa fondamentale, con probabilità di perdita di vite umane quasi nulla.

CARATTERISTICHE DEGLI ELASTOMERI

Gli strati in gomma manifestano una bassa rigidezza nei confronti degli spostamenti orizzontali: perciò l’isolatore è paragonabile ad una trave fortemente deformabile a taglio di rigidezza:

(1)

dove G è il modulo di taglio, S è la superficie di base e t è l’altezza complessiva degli strati di elastomero. Le caratteristiche geometriche degli isolatori e le proprietà meccaniche dell’elastomero sono i parametri progettuali fondamentali nella determinazione delle rigidezze verticale e orizzontale. Il tipo di mescola elastomerica, caratterizzata da costante di smorzamento viscoso equivalente ξ compreso tra 0,1 e 0,16 e il modulo di elasticità tangenziale G compreso tra 0,4 MPa e 1,4 MPa, determinano invece le capacità dissipative dell’elastomero. Gli elastomeri che costituiscono gli isolatori sono composti da catene polimeriche fortemente allungabili a comportamento isteretico: esse sono collegate trasversalmente, fatto che consente il recupero pressoché completo delle deformazioni in un campo molto ampio. Le mescole elastomeriche ad alto smorzamento sono caratterizzate da una sensibile diminuzione del modulo di taglio all’aumentare della deformazione tagliante, in particolare per deformazioni al di sotto del 50 per cento. Ciò consente di ottenere un elevato valore di rigidezza orizzontale degli isolatori ed evitare quindi spostamenti eccessivi, a fronte di eccitazioni dinamiche di bassa intensità, come quelle dovute al vento. Anche il coefficiente di smorzamento viscoso equivalente varia in funzione della deformazione di taglio.

COMPORTAMENTO A “FILTRO”

Quando un oscillatore è sollecitato da una forzante armonica di frequenza w, a regime manifesta un moto oscillante caratterizzato dallo stesso periodo. In particolare se w si avvicina alla frequenza naturale dell’oscillatore, questo va incontro a risonanza, e in assenza di smorzamento gli spostamenti crescono indefinitamente. Anche se la sollecitazione presenta un contenuto ricco in frequenza, nell’ipotesi di smorzamento sufficientemente basso l’azione di una banda ristretta di frequenze, centrata su quella di risonanza, predomina su tutti gli altri contributi. Per questo motivo si afferma che gli isolatori funzionano da filtro, rendendo apprezzabile solo l’effetto della componente della forzante di frequenza w_B. Normalmente l’area del ciclo isteretico non varia con la frequenza della forzante, e dipende solo dal percorso deformativo.

Il raggiungimento di un grado di isolamento è molto difficoltoso se la flessibilità del manufatto è elevata, perché si rendono necessari isolatori di rigidezza esigua, cioè di notevoli dimensioni. Inoltre la flessibilità aumenta l’importanza dei modi superiori, difficilmente controllabili. Queste osservazioni rendono poco efficace l’utilizzo dell’isolamento sismico su strutture alte e snelle.

MODELLI COSTITUTIVI PER GLI ISOLATORI

Per la progettazione strutturale degli isolatori sismici elastomerici si utilizzano modelli 3D agli elementi finiti. La Figura 4 mostra un modello FEM di isolatore elastomerico sottoposto a carichi di compressione e taglio.

Figura 4

Il comportamento degli isolatori elastomerici evidenzia, in termini di curve forza-spostamento, caratteristici cicli isteretici, come quelli mostrati in Figura 5a e Figura 5b.

Figura 5a Figura 5b

Modelli costitutivi semplificati

Per poter modellare analiticamente il comportamento in esercizio degli isolatori si ricorre normalmente a diagrammi forza-spostamento semplificati, normalmente di tipo bilineare (Figura 6). I cicli forza-spostamento degli isolatori riproducono il comportamento bilineare degli elastomeri e sono perfettamente noti quando lo siano il carico di snervamento ed il corrispondente spostamento, nonché i valori limite di forza e spostamento.

Figura 6

Di norma lo spostamento limite corrisponde ad uno scorrimento vicino al 200%, oltre il quale il materiale subisce un brusco incrudimento. Potrebbe sembrare un fattore positivo l’aumento di rigidezza in condizioni limite, perché conterrebbe ulteriori incrementi di deformazione. In realtà questo comporta un aggravio delle sollecitazioni sulla sovrastruttura, a causa dell’aumento di importanza dei modi superiori. Per questo motivo il tratto incrudente non viene preso in considerazione nella progettazione. Quella bilineare è una modellazione che rispecchia in modo coerente il comportamento degli isolatori, ma per questo richiede per l’analisi strutturale l’adozione di tecniche di integrazione al passo.

STRUTTURE DOTATE DI ISOLAMENTO ALLA BASE

In riferimento al modello semplificato della Figura 6 si può adottare una rigidezza equivalente K_B data da:

(2)

a cui corrisponde una frequenza equivalente:

(3)

essendo M è la massa che grava sull’isolatore. In corrispondenza di tale frequenza la massa M oscilla con un periodo T pari a:

(4)

ovvero anche:

(5)

Se la deformabilità degli isolatori è sufficientemente elevata rispetto a quella della sovrastruttura (e questo lo si può ritenere soddisfatto quando il periodo della struttura isolata è maggiore di almeno due volte del periodo della struttura non isolata), con buona approssimazione il sistema si comporta come una massa rigida vincolata elasticamente agli isolatori, riducendo così l’analisi al moto di un oscillatore semplice di rigidezza K_B e massa M. La relazione (5) esprime analiticamente il disaccoppiamento del moto della struttura da quello del terreno, così da ridurre la trasmissione, alla sovrastruttura, dell’energia cinetica fornita dall’azione sismica. La struttura, dunque, per effetto dell’azione sismica oscilla quasi come un corpo rigido, mentre i dispositivi di isolamento si deformano dissipando energia.