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COSTRUZIONI (*) · Maria Gabriella Castellano Samuele Infanti (Ufficio Ricerca e Sviluppo, FIP Industriale S.p.A.) · · ABSTRACT · INTRODUZIONE · ISOLATORI
ELASTOMERICI · ISOLATORI
ELASTOMERICI CON NUCLEO IN PIOMBO · DISSIPATORI VISCOSI · DISSIPATORI
VISCOSI RICENTRANTI · DISSIPATORI
ISTERETICI IN ACCIAIO · DISSIPATORI
VISCOELASTICI ELASTOMERICI · DISPOSITIVI IN LEGA A MEMORIA DI FORMA · DISPOSITIVI DI VINCOLO DINAMICO · CONCLUSIONI
· BIBLIOGRAFIA (*) Pubblicato in: Atti Convegno Internazionale “Bioarchitettura e ingegneria
ambientale – Progetti di sviluppo e mobilità sostenibile sul territorio”,
Pistoia 3-5 ottobre 2007 ABSTRACT La protezione dagli effetti del terremoto è essenziale per la sicurezza
delle costruzioni, in un paese ad alto rischio sismico come l’Italia, in cui
nel XX secolo i terremoti hanno causato 120.000 vittime, e negli ultimi 25
anni sono stati spesi circa 75 miliardi di euro per il ripristino e la
ricostruzione post-sisma. Negli ultimi decenni all’approccio tradizionale
alla protezione sismica, basato sul garantire alle strutture un’elevata
duttilità che consenta loro di danneggiarsi in modo diffuso senza crollare,
si sono affiancate le tecniche innovative dell’isolamento sismico e della
dissipazione di energia. Queste sono tecniche sviluppatesi alla fine degli
anni Settanta, ed ormai utilizzate in tutto il mondo per la protezione
sismica di migliaia di strutture, grazie allo sviluppo di dispositivi
antisismici sempre più affidabili che consentono di implementarle. Per isolamento sismico o isolamento alla base di un edificio si intende
l’inserimento tra la struttura e le sue fondazioni di opportuni dispositivi
molto flessibili orizzontalmente, detti isolatori, che consentono di
aumentare il periodo proprio di vibrare della struttura e di conseguenza
ridurre le accelerazioni ad essa trasmesse dal moto del terreno. Ne consegue
la possibilità di evitare non solo il collasso delle strutture (che è
l’obiettivo di qualsiasi tipo di progettazione antisismica), ma anche
qualsiasi danno sia agli elementi strutturali e non strutturali, che al
contenuto degli edifici. Quest’ultimo aspetto è importantissimo per gli
edifici che devono rimanere operativi dopo un violento terremoto, ad esempio
gli ospedali o i centri per la gestione dell’emergenza (centri di protezione
civile, caserme, ecc.), o per gli impianti industriali altamente pericolosi
(centrali nucleari, impianti chimici, ecc.) oppure per tutti quegli edifici
il cui contenuto ha un valore molto superiore a quello degli edifici stessi
(musei, banche, centri di calcolo, ecc.). Per quello che concerne i sistemi di isolamento per ponti o viadotti,
dove il piano di isolamento si colloca tra l’impalcato e le pile, la
soluzione più efficace è quella che coniuga al sistema di isolamento un
elevato grado di dissipazione consentendo così la riduzione sia delle forze
sismiche che degli spostamenti dell’impalcato e la conseguente minimizzazione
dei costi di costruzione, oltre ad evitare il danneggiamento della struttura
e quindi a mantenere la funzionalità delle infrastrutture. Per questo vengono
utilizzati sistemi con un elevato grado di dissipazione (più del 30% di
smorzamento viscoso equivalente), in particolare dispositivi con un
comportamento altamente non lineare, ad esempio elasto-plastico o viscoso non
lineare. I dispositivi dissipatori di energia, oltre ad essere utilizzati come
componenti del sistema di isolamento insieme ai dispositivi isolatori, in
particolare nei ponti, possono essere utilizzati anche in assenza di
isolamento, inserendoli dovunque il sisma induca spostamenti significativi
tra differenti elementi strutturali. Un tipico esempio di utilizzo della
tecnica della dissipazione di energia indipendentemente dall’isolamento
sismico è quello dei “controventi dissipativi”, ovvero controventi dotati di dispositivi
dissipatori, che vengono utilizzati negli edifici intelaiati, sfruttandone
gli spostamenti d’interpiano per dissipare una porzione significativa
dell’energia introdotta dal sisma nella struttura. In tal modo si riduce la
richiesta di duttilità (ossia la necessità di dissipare energia) negli
elementi strutturali, riducendo così sensibilmente i danni indotti in essi
dal sisma. Ciò è particolarmente utile nell’adeguamento sismico di strutture
progettate senza nessuna attenzione alla duttilità. I dispositivi antisismici italiani sono stati utilizzati in tutto il
mondo. Tra le applicazioni recenti all’estero, sono sicuramente da citare
l’isolamento alla base dell’Ospedale “da Luz” di Lisbona in Portogallo, e
della Caserma dei Vigili del Fuoco di Basilea in Svizzera (adeguamento
sismico), così come l’uso di dissipatori viscosi nel grattacielo più alto del
mondo, il Taipei 101 a Taiwan, nelle Saint Francis Tower nelle Filippine, e –
in dimensioni mai costruite precedentemente – nel
ponte di Rion-Antirion in Grecia, situato in una zona ad altissima sismicità.
L’inserimento nella nuova normativa sismica (Ordinanza P.C.M. 3274 del
20/3/2003 e successive) di specifiche regole di progettazione per edifici e
ponti isolati sta favorendo anche in Italia un notevole sviluppo delle
applicazioni di queste tecnologie. Ad esempio, sono state recentemente
protette con isolamento sismico le scuole di Bojano e di San Giuliano di
Puglia, la Facoltà di Lettere a L’Aquila, l’Ospedale Gervasutta di Udine,
l’Ospedale del Mare di Napoli. Il Liceo Classico Perticari di Senigallia,
l’ITIS Porro di Pinerolo, e la scuola elementare di via dei Cappuccini a
Ramacca sono invece alcuni esempi di scuole adeguate sismicamente con
dissipatori isteretici assiali ad instabilità impedita (Buckling-Restrained
Axial Dampers - BRAD), dissipatori appositamente sviluppati per essere
utilizzati nei controventi dissipativi. In questa presentazione si descrivono le principali tipologie di
dispositivi antisismici per ponti ed edifici, con riferimento alle
applicazioni recenti più rilevanti. INTRODUZIONE Il controllo passivo della risposta strutturale attraverso l’utilizzo
dei sistemi di isolamento e/o di dissipazione dell’energia è divenuto negli ultimi
venticinque anni una tecnica consolidata per ridurre gli effetti degli eventi
sismici sulle strutture civili, in alternativa al consueto approccio
all’ingegneria sismica, basato sul capacity
design o gerarchia delle resistenze. La tecnica dell’isolamento sismico si basa principalmente
sull’introduzione, per gli edifici solitamente tra le fondazioni ed il primo
solaio, e per i ponti alla sommità delle pile e sulle spalle, di particolari
apparecchi denominati isolatori che, grazie alla loro modesta rigidezza
orizzontale, disaccoppiano il moto della struttura da quello del terreno: le
caratteristiche dinamiche della struttura vengono modificate così da spostare
il periodo fondamentale (aumentandolo) in un campo di periodi lontani da
quelli propri del sisma. In altre parole, la tecnica di isolamento sismico
riduce l’energia che il sisma trasmette alle strutture. Ciò permette una
sensibile riduzione delle accelerazioni orizzontali sulla struttura, e quindi
delle forze orizzontali; per gli edifici, risultano anche sensibilmente
ridotte le amplificazioni delle accelerazioni ai vari piani, e gli
spostamenti di interpiano, in quanto l’edificio si comporta sostanzialmente
come un corpo rigido al di sopra del piano di isolamento. In questo modo il
comportamento degli elementi strutturali può rimanere in fase elastica anche
durante terremoti di elevata intensità (che provocherebbero notevoli danni
nelle strutture convenzionali, progettate per evitare il collasso ma non i
danni allo stato limite ultimo - SLU). Inoltre, la funzionalità delle
strutture dotate di sistemi di isolamento è pienamente garantita, grazie alla
completa assenza di danni agli elementi non strutturali e agli impianti.
Tutto ciò rende la tecnica dell’isolamento sismico insostituibile per le strutture
che devono rimanere perfettamente integre e funzionanti anche dopo un sisma
violento, come ospedali, centri di protezione civile, ecc. {Dolce et al, 2006]. I notevoli spostamenti che nascono a livello del sistema di isolamento,
soprattutto per alcune tipologie di terreni, possono essere eventualmente
ridotti aumentando le capacità del sistema di isolamento di dissipare
energia. Le applicazioni dell’isolamento sismico con tecnologie simili a quelle
attualmente utilizzate iniziarono negli anni settanta, in particolare in
Nuova Zelanda (sia nei ponti che negli edifici), in Italia (soprattutto nei
ponti), negli Stati Uniti (specialmente negli edifici). La prima applicazione
in Italia fu l’isolamento sismico del Viadotto Somplago sull’Autostrada
Udine-Carnia, nella seconda metà degli anni Settanta. Una delle due vie di
corsa del viadotto era già completata quando avvenne il terremoto del Friuli
del 1976, ed il suo ottimo comportamento nonostante l’estrema vicinanza
all’epicentro fece sì che si moltiplicassero le ricerche su nuovi dispositivi
di protezione sismica. Ne seguirono numerose applicazioni, che portarono
l’Italia ad essere alla fine degli anni Ottanta leader mondiale per il numero
di ponti e viadotti protetti con sistemi di isolamento e/o dissipazione di
energia. Osservazioni e misurazioni in
situ durante recenti eventi sismici catastrofici (Northridge, California,
1994; Kobe, Giappone, 1995; Turchia, 1999) hanno confermato l’efficacia di
queste tecniche, precedentemente dimostrata da numerose ricerche teoriche e
sperimentali. A seguito del terremoto di Kobe le applicazioni dell’
isolamento in Giappone hanno avuto una vasta e rapida espansione: ad esempio,
prima del sima gli edifici dotati di isolamento alla base erano circa 80,
mentre tra il 1995 e il 1999 sono stati realizzati più di 700 edifici
isolati. Per quello che concerne i sistemi di isolamento per ponti o viadotti,
la soluzione più efficace è quella che coniuga al sistema di isolamento
(ossia aumento del periodo proprio) un elevato grado di dissipazione, e
consente quindi di ridurre sia le forze sismiche che gli spostamenti
dell’impalcato, minimizzando così i costi. Per questo sono stati progettati
sistemi con un elevato grado di dissipazione (più del 30 % di smorzamento
viscoso equivalente), in particolare dispositivi con un comportamento
altamente non lineare, ad esempio elasto-plastico o viscoso non lineare. I dispositivi dissipatori di energia, mentre nei ponti sono utilizzati
come componenti di un sistema di isolamento, negli edifici possono essere
utilizzati anche in assenza di isolamento, inserendoli dovunque il sisma
induca spostamenti significativi tra differenti elementi strutturali.
L’esempio più tipico è quello dell’utilizzo dei dissipatori per realizzare i
cosiddetti “controventi dissipativi”, che sfruttano gli spostamenti
d’interpiano di una struttura intelaiata – in c.a., c.a.p. o acciaio – per
dissipare energia. La dissipazione di energia in dispositivi progettati a
questo scopo (i dissipatori) riduce la richiesta di duttilità (ossia la
necessità di dissipare energia) negli elementi strutturali, riducendo così
sensibilmente i danni indotti dal sisma sugli elementi strutturali. Ciò è
particolarmente importante nell’adeguamento sismico di strutture progettate
senza nessuna attenzione alla duttilità. Inoltre i controventi contribuiscono
a stabilizzare la struttura allontanando il pericolo di meccanismi di
collasso. L’irrigidimento offerto dai controventi dissipativi risolve anche il
problema dell’elevata deformabilità di molte strutture intelaiate esistenti,
e del conseguente danneggiamento delle tamponature anche a fronte di
terremoti di modesta intensità (corrispondenti allo stato limite di danno).
Allo stesso tempo tuttavia i controventi dissipativi non presentano gli
svantaggi associati all’utilizzo di controventi metallici tradizionali, che
comportano un aumento del periodo proprio dell’edificio e di conseguenza
dell’energia trasmessa dal sisma alla struttura. Nel prosieguo saranno presentati i sistemi di isolamento e
dissipazione più utilizzati in Italia, con alcuni esempi di utilizzo sia
negli edifici che nei ponti. ISOLATORI ELASTOMERICI Gli isolatori elastomerici sono dispositivi d’appoggio in elastomero
armato, cioè costituiti da strati alterni di acciaio e di elastomero
collegati mediante vulcanizzazione. La presenza degli strati di acciaio
garantisce un’elevata rigidezza verticale, senza tuttavia modificare la
rigidezza orizzontale, che è legata solo alle caratteristiche geometriche e
meccaniche dell’elastomero, ed è sufficientemente bassa per garantire il
desiderato aumento del periodo proprio della struttura. Solitamente si
utilizzano mescole elastomeriche ad alto smorzamento, ossia capaci di
garantire un coefficiente di smorzamento viscoso equivalente x tra il 10 ed
il 15 %. Possono essere utilizzate anche mescole elastomeriche a basso
smorzamento (x»5 %) qualora gli isolatori siano impiegati in associazione a
dispositivi dissipatori, cosicché il sistema d’isolamento nel suo insieme
abbia sufficienti capacità dissipative. La Figura 1 mostra lo spaccato ed il
tipico legame costitutivo di un isolatore elastomerico ad alto smorzamento. Gli isolatori elastomerici, da soli o in
combinazione con gli isolatori elastomerici con nucleo in piombo descritti
nel paragrafo successivo, sono la tipologia di isolatori più utilizzata nel
mondo per l’isolamento alla base di edifici. Talora sono utilizzati anche in
combinazione con isolatori a scorrimento, ossia semplici apparecchi di
appoggio multidirezionali con superficie di scorrimento a basso attrito.
Questa combinazione è utile per raggiungere periodi della struttura isolata
molto alti, che sarebbe difficile o troppo costoso raggiungere con i soli
isolatori elastomerici, soprattutto nel caso di edifici con massa
relativamente bassa (ad esempio edifici con pochi piani).
Figura 1: Spaccato di
isolatore elastomerico ad alto smorzamento e tipici cicli d’isteresi ottenuti
in una prova di qualificazione dinamica ad ampiezza crescente Nei paragrafi
seguenti sono descritti alcuni esempi di ospedali europei isolati alla base.
Si noti che, nonostante l’uso dell’isolamento sismico sia insostituibile per
garantire la funzionalità degli edifici strategici anche a fronte di un sisma
di forte intensità, in Italia ed in Europa l’applicazione dell’isolamento
sismico a strutture ospedaliere di grandi dimensioni, è molto più recente che
in Giappone o negli USA. L’ospedale
“Da Luz” di Lisbona
Si tratta di un
complesso ospedaliero privato, costituito da due strutture indipendenti, una
destinata ad ospedale vero e proprio, e l’altra ad appartamenti per anziani,
entrambe in c.a. [Guerreiro et al., 2005; Prazeres Ferreira, 2006].
L’ospedale ha una base quasi quadrata, di 110m x 110m, di 6 piani, con due
blocchi rettangolari di 3 piani (23m x 100m) disposti alle due estremità
della base. Gli isolatori sono installati al di sotto del livello -1, con
qualche eccezione locale (ad esempio in corrispondenza degli ascensori). I 195
isolatori sono di 3 diverse tipologie, di diametro compreso tra 400 e 900 mm,
e con due tipi di mescola elastomerica diversi (modulo di taglio G=0,8 MPa,
smorzamento x=10 %, e G=1,4 MPa, x=15 %). L’edificio adibito a residenza per
anziani ha una base rettangolare (55m x 17,5m) di 4 piani, con due blocchi
rettangolari di 3 piani sui lati corti della base. In questo edificio gli
isolatori sono disposti subito sopra le fondazioni. I 120 isolatori anche in
questo caso hanno diametro compreso tra 400 e 900 mm, ma sono tutti
realizzati con la mescola più dura (G=1,4 MPa, x=15 %). Per entrambe le
strutture il periodo proprio è circa 2,5 s. Lo spostamento orizzontale di
progetto degli isolatori è risultato essere pari a 180 mm (incluso il
coefficiente “di affidabilità” pari ad 1,2 prescritto dall’Eurocodice 8).
L’edificio, inaugurato il 6 novembre 2006, è il primo isolato sismicamente in
Portogallo. L’ospedale del Mare di Napoli L’Ospedale del Mare
è situato a Ponticelli, nella zona periferica orientale di Napoli. Si tratta
di un ospedale di notevoli dimensioni, da 500 posti letto, con 15 sale
operatorie e due sale parto. La struttura è
notevolmente irregolare sia in pianta che in elevazione: ci sono due corpi di
fabbrica ad L, uno di 8 piani (altezza di 29 m) e l’altro di 3 piani (altezza
di 13 m), disposti a formare un quadrato di 144 m di lato. Il sistema
strutturale è quello del telaio spaziale in c.a.. La progettazione è stata
eseguita sulla base della nuova normativa sismica (OPCM 3431). Il sito è
caratterizzato da ag=0,25 g, suolo B; il coefficiente d’importanza
è 1,4; per la sovrastruttura è stato assunto un coefficiente di struttura
pari ad 1,5. I primi tre periodi della struttura isolata sono compresi tra
2,32 e 2,74 s, molto vicini al periodo obbiettivo che era di 2,5 s. E’ stato
stimato che l’uso dell’isolamento sismico ha consentito un risparmio del 40%
sulle armature della sovrastruttura [Di Sarno et al., 2006; Di Sarno et
al., 2007]. Il sistema di
isolamento scelto consiste in 327 isolatori di tre diverse tipologie, di
diametro compreso tra 600 mm ed 800 mm, con rigidezza orizzontale compresa
tra 1,51 e 4,89 kN/mm, e fattore di forma primario sempre superiore a 24. Le
mescole elastomeriche utilizzate sono due, entrambe con smorzamento viscoso
equivalente pari al 15 %: con G=0,8 MPa per gli isolatori di diametro 600mm,
con G=1,4 MPa per gli isolatori più grandi. Lo spostamento di progetto è 204
mm, incluso il coefficiente “di affidabilità” pari ad 1,2 richiesto dall’OPCM
3431, in analogia all’Eurocodice 8, per la progettazione degli isolatori. ISOLATORI
ELASTOMERICI CON NUCLEO IN PIOMBO Gli isolatori
elastomerici con nucleo in piombo sono analoghi agli isolatori elastomerici
descritti in precedenza, ma hanno anche un nucleo centrale in piombo, la cui
plasticizzazione durante gli spostamenti orizzontali indotti dal sisma
aumenta le capacità dissipative degli isolatori e di conseguenza della
struttura in cui sono installati. Ne risulta un ciclo isteretico
approssimativamente bilineare, mostrato in Figura 2, con uno smorzamento
viscoso equivalente che può arrivare al 30 %. Ciò risulta utile per ridurre
gli spostamenti, ad esempio nel caso di condizioni di sismicità e di tipo di
suolo particolarmente sfavorevoli, oppure per aumentare la resistenza al
vento.
Figura 2:
Spaccato di un isolatore elastomerico con nucleo in piombo (LRB) e tipico
diagramma isteretico ottenuto in una prova dinamica Recentemente a
tale tecnologia è stata affidata la protezione antisismica dell’Istituto
Tecnico G. Lombardo Radice di Bojano (CB): in tal modo la struttura risulta
integralmente protetta fino a terremoti di progetto aventi PGA=0.525g [Dusi,
Mezzi, 2007]. Non si possono comunque dimenticare le applicazioni relative ai
ponti dove trovano facile applicazione – come tutti gli isolatori
elastomerici –particolarmente quando i carichi verticali non superano i 10000
kN. DISSIPATORI
VISCOSI Un dispositivo
dissipatore viscoso è essenzialmente costituito da un cilindro riempito con
fluido siliconico e da un pistone che separa il cilindro in due camere,
libero di muoversi in entrambi i versi. Gli spostamenti indotti dal sisma tra
gli elementi strutturali a cui il dispositivo è connesso provocano la laminazione
del fluido siliconico attraverso un idoneo circuito idraulico che permette la
dissipazione di energia. Ne risulta una legge caratteristica Forza – Velocità
del tipo F=CVa dove a dipende dalla tecnologia produttiva; per i
dispositivi della FIP Industriale a»0.15, ossia il
comportamento è viscoso non lineare. Essendo l’esponente a vicino a 0, i
dispositivi reagiscono con una forza pressoché costante in un ampio intervallo
di velocità (Figura 3). La Figura 3 mostra anche che la tecnologia sviluppata
è molto stabile nei confronti della temperatura, presentando variazioni molto
contenute della reazione in un campo estremamente vasto di temperatura. La
Figura 4 mostra un tipico diagramma d’isteresi ottenuto sperimentalmente.
Figura 3: Diagramma forza-velocità
di un dissipatore viscoso con risultati sperimentali alle temperature estreme
(-25 °C, +40 °C)
Figura 4 - Diagramma
forza-spostamento di un dissipatore viscoso (spostamento imposto con legge
sinusoidale) Le prime
applicazioni strutturali di questi dispositivi in Italia risalgono ai primi
anni ottanta (viadotti dell’Autostrada Udine-Carnia). Da allora l’evoluzione
ed il miglioramento tecnologico del prodotto hanno portato FIP Industriale ad
ottenere nel 1996 la prequalificazione alla gara di fornitura per la
protezione del Golden Gate Bridge (California, USA), nel 2000 l’inclusione
nella lista dei fornitori prequalificati del Caltrans (California Department
of Transportation), e a forniture prestigiose quali il ponte di Rion-Antirion
in Grecia ed il grattacielo Taipei 101 nel 2004, brevemente descritte nei
paragrafi successivi. Attualmente sono in fase di fornitura anche i
dispositivi per le St. Francis Towers (due grattacieli gemelli nelle
Filippine) e per l’edificio Cascade Park a Bucarest in Romania. In Italia,
oltre che in numerosi ponti, i dissipatori viscosi sono stati installati
nella chiesa “Dives in Misericordia”, progettata da Richard Meier e costruita
nel quartiere periferico di Tor Tre Teste in occasione del Giubileo del 2000. Il
grattacielo Taipei 101, Taipei, Taiwan
Dal 2004 è
l’edificio più alto del mondo, con i suoi 508 m. Inizialmente denominato
Taipei Financial Center, attualmente è noto con il nome di Taipei 101, con
riferimento ai suoi 101 piani fuori terra. E’ dotato di uno
smorzatore a massa accordata (Tuned Mass Damper-TMD), progettato e realizzato
da Motioneering, capace di ridurre sensibilmente le oscillazioni indotte da
forti venti (Taipei è spesso soggetta a tifoni) o dal terremoto. Il TMD, che
è il più grande del mondo di tipo passivo, è realizzato da una massa di 660
tonnellate, sospesa mediante lunghi cavi, così da realizzare un pendolo la
cui lunghezza è pari all’altezza di 5 piani, e da 8 dissipatori viscosi che
collegano la massa alla struttura del piano sottostante (Figura 5). La
peculiarità di tali dissipatori è la capacità di reagire con leggi
costitutive diverse agli spostamenti indotti dal sisma o dal vento, che hanno
velocità diverse. La massa è stata realizzata con forma sferica, poiché il
TMD risulta visibile dal ristorante panoramico.
Figura 5: Smorzatore a
massa accordata installato nel grattacielo Taipei 101 (immagine gentilmente
fornita da Motioneering) Il TMD ha già
subito sia scosse di terremoto (marzo 2005) che molteplici tifoni con
ricorrenza stagionale. Il
Ponte Rion-Antirion
Il ponte
Rion-Antirion, che attraversa l’omonimo stretto in Grecia, sorge in una
regione soggetta a terremoti di forte intensità e a grandi movimenti
tettonici delle faglie locali, sismicamente attive. L’impalcato di questo
ponte strallato a più campate è continuo ed interamente sospeso (per una
lunghezza totale di 2.252 metri) su quattro piloni. I viadotti d’accesso al
corpo principale del ponte comprendono un impalcato continuo di 228 m
costituito da travi prefabbricate in calcestruzzo collegate in soletta, dalla
parte di Antirion, ed un impalcato di 990 m in struttura mista, dalla parte
di Rion. Le strutture sono progettate per sopportare eventi sismici
caratterizzati da un’accelerazione di picco al terreno di 0,48g
(corrispondente ad un periodo di ritorno di 2000 anni) e movimenti tettonici
tra due pile adiacenti di 2 metri in qualsiasi direzione. Il sistema di
protezione sismica del corpo principale del ponte è costituito da dissipatori
viscosi e ritegni fusibili disposti in parallelo, i quali collegano
l’impalcato ai piloni, in direzione trasversale (Figura 6). I ritegni
fusibili sono progettati per fungere da vincolo rigido sotto l’azione di
forti venti, fino ad un valore prestabilito di forza (10500 kN e 3400 kN in
funzione della posizione), leggermente superiore allo stato limite ultimo per
i carichi da vento; sotto l’azione del terremoto di progetto, invece, sono
concepiti per rompersi e lasciare i dissipatori viscosi (di capacità 3500 kN,
corsa ±1750 mm e ±2600 mm) liberi di dissipare l’energia trasmessa dal sisma
alla struttura. Le specifiche di
progetto per i dispositivi antisismici (dissipatori viscosi e fusibili) erano
estreme in termini di forza, velocità e corsa, e richiedevano dispositivi
dotati di dimensioni e peso mai considerati in precedenza. Di conseguenza, per verificare la
corrispondenza del comportamento effettivo con quello richiesto dal
progetto, è stata effettuata un’estesa
sperimentazione su prototipi di dimensioni reali presso l’Università di San
Diego, in California (USA), ed il Laboratorio Prove di FIP Industriale
[Infanti et al., 2004]. Anche i viadotti
di accesso sono protetti, con un sistema di isolamento costituito da isolatori
elastomerici e dissipatori viscosi installati sia in direzione longitudinale
che in direzione trasversale. La struttura, ormai
operativa dall’estate del 2004, ha già subito alcune scosse. Durante la
costruzione dell’opera, i dispositivi del viadotto di Antirion, ormai
completato e quindi già isolato, sono stati “collaudati” positivamente sul
campo da un terremoto caratterizzato da un’accelerazione di picco al suolo
pari a 0.22g.
Figura 6 – Dissipatori
viscosi e fusibile installati nel ponte Rion-Antirion in Grecia DISSIPATORI VISCOSI RICENTRANTI I dissipatori
viscosi ricentranti sono essenzialmente costituiti da un cilindro riempito
con fluido siliconico, dentro il quale si muovono uno o due pistoni tuffanti,
a seconda che il dispositivo sia a semplice o doppio effetto. I dissipatori
viscosi ricentranti di FIP Industriale hanno un legame costitutivo del tipo
(Figura 7):
dove: F0 è
l’eventuale forza di precarica K·x è la reazione
elastica del dispositivo allo spostamento
x C è la costante
di smorzamento v è la velocità a = 0.15 Si distinguono
quindi dai dissipatori viscosi soprattutto per la presenza di una componente
elastica della reazione, in parallelo con la componente viscosa; tale componente
elastica favorisce il ricentraggio dinamico della struttura. L’eventuale
precarica impedisce ogni spostamento per forze applicate inferiori alla forza
di precarica F0. Ciò può essere utile per evitare spostamenti a
fronte dei carichi orizzontali di servizio (ad es., in un ponte, frenate o
vento).
Figura 7: Cicli
isteretici teorici di un dissipatore viscoso ricentrante con e senza forza di
precarico Ponte
sul Rio Higuamo, Repubblica Dominicana
Un’applicazione
significativa dei dispositivi dissipatori viscosi ricentranti è quella al
ponte sul Rio Higuamo, situato in una zona altamente sismica. Lo schema statico dell’impalcato è a trave
continua su più appoggi, senza un vero e proprio vincolo fisso: infatti il
ponte è guidato longitudinalmente da ritegni trasversali in gomma/PTFE
disposti sulle spalle e sui piloni centrali e longitudinalmente è tenuto
centrato da dissipatori viscosi ricentranti longitudinali, opportunamente
precompressi, che realizzano la protezione sismica della struttura. I dissipatori
sono progettati per una forza massima di 4500 kN, una forza di precarica di
1515 kN, ed uno spostamento massimo di
±175 mm [Colato, 2002]. Duomo
di Siena
I dissipatori
viscosi ricentranti sono stati recentemente utilizzati nel Duomo di Siena,
per la protezione del timpano della facciata dal ribaltamento che potrebbe
essere indotto dal sisma. I dissipatori costituiscono il collegamento tra una
nuova struttura metallica addossata al lato posteriore del timpano e la
copertura. Nel caso di spostamenti relativi tra queste strutture indotti dal
terremoto, i dissipatori dissipano energia, limitando quindi le forze
trasmesse, e consentono di evitare spostamenti residui alla fine del
terremoto grazie alle loro caratteristiche ricentranti. DISSIPATORI
ISTERETICI IN ACCIAIO I dissipatori
isteretici in acciaio sono basati sulla plasticizzazione di elementi
dissipativi di varia forma, che possono essere deformati secondo vari
meccanismi prevalenti (flessione, taglio, torsione, trazione-compressione).
Gli elementi dissipativi isteretici più diffusi finora in Italia, ma adatti
soprattutto per applicazioni nei ponti a causa della rigidezza elastica
relativamente bassa, sono quelli che lavorano prevalentemente a flessione,
come gli elementi a piolo (Figura 8) o a falce di luna o a farfalla. Spesso
sono utilizzati come componenti di isolatori a scorrimento in acciaio/PTFE.
Figura 8:-
Cicli isteretici sperimentali di un elemento dissipativo a piolo Recentemente sono
stati sviluppati dissipatori isteretici particolarmente adatti ad essere
usati come controventi dissipativi, i dissipatori isteretici assiali ad
instabilità impedita (Buckling-Restrained Axial Dampers - BRAD), nei quali la
dissipazione avviene quando sono sottoposti a cicli alterni di trazione e
compressione. Questi dispositivi sono costituiti da un nucleo interno in
acciaio, una parte del quale è progettato per dissipare energia in campo
plastico, da un tubo esterno in acciaio e da un riempimento in calcestruzzo,
i quali evitano che il nucleo interno si instabilizzi quando soggetto a
compressione in campo plastico. Tra il calcestruzzo ed il nucleo interno è
interposto uno strato di speciale materiale distaccante, allo scopo di
impedire la trasmissione di tensioni tangenziali tra i due componenti e
permettere al nucleo interno di allungarsi o accorciarsi liberamente,
dissipando energia. Tali dissipatori sono caratterizzati da un’elevata
rigidezza elastica, e possono quindi essere vantaggiosamente utilizzati anche
nei casi in cui gli spostamenti massimi attesi sono molto piccoli, come
avviene negli edifici intelaiati in c.a. Il diagramma forza-spostamento
(Figura 9) è ovviamente elasto-plastico, con un’elevata efficienza
dissipativa.
Figura 9: Diagramma forza-spostamento di un
dissipatore isteretico assiale ad instabilità impedita Ferrovia
Caracas-Tuy Medio
La linea
ferroviaria Caracas – Tuy Medio, di 40 km complessivi, comprende 14,9 km di
gallerie e 7,8 km di viadotto. Tutti i 26 viadotti sono isolati sismicamente,
con più di 1100 isolatori sismici a
scorrimento con dissipatori isteretici a fuso e spine a rottura, installati dal
1999 al 2003 [Baldo, Tomaselli, 2003]. La presenza
all’interno degli isolatori di elementi sacrificali in acciaio, detti “spine a
rottura”, consente di ottenere in esercizio uno schema di vincolo
convenzionale, impedendo il movimento degli elementi dissipativi a fronte
delle azioni orizzontali di esercizio (frenate). In questo caso lo schema di
vincolo è di campata isostatica con un’estremità fissa e l’opposta mobile.
Quando, per effetto del sisma di progetto, i carichi orizzontali superano il
valore di soglia imposto, le spine a rottura si tranciano, così da non
costituire più una limitazione agli scorrimenti nella direzione precedentemente
bloccata. A questo punto i dissipatori isteretici sono attivati per dissipare
l’energia del sisma e controllare il movimento dell’impalcato nel piano. Oltre alle usuali
prove su tutte le tipologie di dissipatori ed elementi sacrificali, effettuate
nel Laboratorio Prove di FIP Industriale, l’insieme dissipatore-spina a
rottura è stato collaudato in scala 1:1 con prove su tavola vibrante presso i
Laboratori dell’ENEL HYDRO (ex ISMES) di Bergamo [Castellano et al., 2001]. Il
Santuario della Madonna delle Lacrime, Siracusa
Progettato dagli
architetti Michel Andrault e Pierre Parat e dal prof. Riccardo Morandi per le
strutture, fu inaugurato nel 1994 da Giovanni Paolo II. E’ costituito da una
imponente copertura a cupola di forma tronco-conica a pianta circolare, con
diametro di base di 71,40 m. La nuova normativa sismica (O.P.C.M. 3274 del
2003), che ha cambiato in modo sostanziale l’intensità delle azioni sismiche
di progetto, ha suggerito un intervento di isolamento sismico della copertura
[Serino et al., 2007]. Questo è stato realizzato introducendo, tra l’anello
di base della cupola e i pilastri che la sorreggono, dei nuovi isolatori
sismici a scorrimento con elementi dissipativi in acciaio, in sostituzione
dei 22 dispositivi di appoggio preesistenti. Si tratta della prima
applicazione ad un edificio di isolatori sismici di questo tipo, già
installati in numerosi ponti e viadotti sia in Italia che all’estero. La FIP
Industriale, oltre a fornire gli isolatori, si è occupata anche della loro
installazione, che ha richiesto il sollevamento della cupola (del peso di
circa 22000 tonnellate) mediante 114 martinetti azionati contemporaneamente,
la sostituzione degli appoggi con i nuovi isolatori, e l’abbassamento della
cupola mediante lo scarico contemporaneo di tutti i martinetti [Serino,
Castellano, 2006]. Il
nuovo Polo Didattico dell’Università di Ancona
L’edificio è a
pianta rettangolare di dimensioni 108,5m x 23,3m, con un piano interrato e
due piani fuori terra. Per necessità di rapidità di costruzione si è optato
per una struttura prefabbricata di c.a. per la parte adibita ad aule ed una
d’acciaio per il corpo distributivo (larghezza 6,0 m). La struttura
prefabbricata di c.a. è costituita da pilastri incastrati alla base, e travi
tessute secondo il lato più lungo e incernierate ai pilastri. Tale tipologia
costruttiva sarebbe esclusa dall’O.P.C.M. 3274, che prevede per le strutture
prefabbricate a più piani di c.a. la continuità del nodo trave pilastro, per
garantire una sufficiente duttilità. Per soddisfare lo spirito
dell’Ordinanza, cioè rendere duttile la struttura ed aumentarne
l’iperstaticità, il progettista strutturale, prof. ing. Rodolfo Antonucci, ha
introdotto 43 controventi dissipativi a comportamento isteretico, costituiti
da tubolari metallici, disposti a V o V rovescia, ciascuno munito
all’estremità di un dissipatore ad instabilità impedita [Antonucci et al.,
2006]. Si tratta della prima applicazione in Italia ed in Europa di
controventi dissipativi di questa tipologia. DISSIPATORI
VISCOELASTICI ELASTOMERICI I dissipatori
viscoelastici elastomerici sono dispositivi costituiti da uno o più strati in
elastomero naturale o sintetico, ciascuno dei quali è vulcanizzato a due piastre
in acciaio, attraverso le quali avviene il collegamento agli elementi
strutturali. La dissipazione
dell’energia sismica avviene mediante la deformazione a taglio
dell’elastomero, indotta dallo spostamento d’interpiano del telaio.
L’elastomero è ad alto smorzamento, solitamente con coefficiente di
smorzamento viscoso equivalente del 20%, e ne risulta quindi un legame
costitutivo modellabile come viscoelastico. La prima
installazione in Europa di dissipatori viscoelastici elastomerici per la
protezione sismica di un edificio è stata in Italia, nell’adeguamento sismico
della scuola media Gentile-Fermi di Fabriano, resa inagibile dal terremoto
Umbria-Marche del 1997 [Antonucci et al., 2001a; Antonucci et al., 2001b;]. DISPOSITIVI IN
LEGA A MEMORIA DI FORMA I dispositivi in
lega a memoria di forma sono dispositivi assiali di vincolo, utilizzati
soprattutto in edifici storici e monumentali come tiranti per il collegamento
tra gli orizzontamenti e le pareti, in sostituzione dei tradizionali tiranti
in acciaio o in serie con essi, al fine di evitare il collasso per
ribaltamento delle pareti fuori dal loro piano a causa delle azioni
orizzontali indotte dal sisma. Essi sono
caratterizzati da una curva forza-spostamento con uno o più “plateaux”,
ovvero tratti in cui la forza rimane pressoché costante all’aumentare dello
spostamento (Figura 10). Ciò consente ai dispositivi di limitare
sensibilmente il carico massimo trasmesso alla struttura a cui sono connessi.
A differenza dei tradizionali tiranti in acciaio, che costituiscono un
collegamento molto rigido, i dispositivi in lega a memoria di forma
consentono piccoli spostamenti relativi tra le due porzioni di struttura che
collegano (ad esempio facciata e copertura). Il particolare legame
costitutivo di questi dispositivi è ottenuto sfruttando le proprietà della
lega a memoria di forma di cui sono costituiti, utilizzata sotto forma di
fili di piccolo diametro. I dispositivi in
lega a memoria di forma sono stati applicati in diverse strutture
monumentali, tra cui la Basilica di San Francesco ad Assisi e la Cattedrale
di Foligno, entrambe danneggiate dal terremoto Umbria-Marche del 1997
[Castellano, Frighi, 2000; Castellano et al, 2000].
Figura 10: Dispositivo
in lega a memoria di forma e tipico ciclo isteretico sperimentale DISPOSITIVI DI VINCOLO DINAMICO I dispositivi di
vincolo dinamico, noti anche con il nome inglese di shock transmitters, sono
dispositivi di vincolo assiale che si attivano solo in condizioni dinamiche. Sono costituiti
da un cilindro riempito con fluido siliconico e da un pistone che crea due
camere, libero di muoversi in entrambi i versi. Nel caso di movimenti bruschi
derivanti dal sisma il dispositivo si blocca e blocca rigidamente tutta la
struttura a cui è collegato. Nel caso di movimenti lenti, dovuti a
dilatazione termica, creep, ritiro, cedimenti differenziali, il dispositivo
consente il travaso di fluido da una camera all’altra opponendo una minima
resistenza, normalmente inferiore al 10% della forza massima. I dispositivi di
vincolo dinamico trovano valida applicazione quando è richiesto che la
struttura cambi il suo schema statico sia in presenza di sisma che di altro
evento dinamico. Tali dispositivi, infatti, realizzano lo schema iperstatico
temporaneo in caso di azione dinamica, chiamando a collaborare tutta la
struttura, e mantengono invece lo schema isostatico in caso di normale
esercizio. A tale scopo sono usati da più di 30 anni nei ponti e viadotti;
sono anche spesso utilizzati negli impianti sportivi con coperture di grande
luce in acciaio o c.a.p., per collegare la copertura alle strutture di
supporto. Più recente è l’utilizzo nelle strutture intelaiate in c.a., sia
nuove che esistenti, in corrispondenza dei giunti termici. Sono stati anche
installati in edifici monumentali, ad esempio nella Basilica di San Francesco
ad Assisi [Castellano, Infanti, 2000]. Il
Marin County Civic Center, California, USA
Il Marin County
Civic Center, situato a San Rafael, circa 30 km a nord di San Francisco, fu uno
degli ultimi edifici progettati da Frank Lloyd Wright. Fu costruito nel 1957,
per ospitare diversi uffici pubblici. La porzione dell’edificio adibita a
Tribunale (Hall of Justice) è stata adeguata sismicamente nel 2000 mediante
controventi dissipativi e dispositivi di vincolo dinamico. Questi ultimi,
forniti dalla FIP Industriale, sono stati installati a cavallo dei giunti. In
tal modo i giunti rimangono funzionanti per le dilatazioni termiche, mentre
durante il sisma è come se non esistessero: l’edificio si comporta come un
blocco unico. L’Ospedale
di Mirano (VE)
L’utilizzo dei
dispositivi di vincolo dinamico nel complesso edilizio in ampliamento al
Monoblocco Ospedaliero esistente ha consentito l’adeguamento sismico
dell’opera - già in fase di realizzazione -all’Ordinanza del Presidente del
Consiglio dei Ministri 3274/03 [Breda, Castellano, 2007]. Il progetto
strutturale originario prevedeva la realizzazione di 4 corpi di fabbrica
distinti per la presenza di giunti tecnici in cui la continuità strutturale
era ottenuta, per i soli carichi statici, con la posa di collegamenti a
taglio in grado di trasferire i carichi della campata dei solai adiacenti al
giunto ai pilastri del vicino corpo di fabbrica, senza richiedere il
raddoppio delle strutture verticali. Per ridurre al
minimo le modifiche architettoniche, in particolare in prossimità dei giunti,
si è optato per il mantenimento dei giunti a taglio per la trasmissione dei
carichi verticali, e l’impiego di dispositivi di vincolo dinamico accoppiati
ed inclinati a 45° rispetto all’asse longitudinale dell’edificio. Le diverse forze
che i dispositivi devono trasmettere nei vari punti sono state ottenute
combinando opportunamente dispositivi di tre diverse tipologie, ossia
progettati per forze di 100, 200 e 350 kN. Lo spostamento di progetto è di ± 25 mm per tutte e tre le tipologie. In totale sono stati utilizzati
102 dispositivi di vincolo dinamico. Storebaelt East Bridge, Danimarca
Lo Storebaelt East
Bridge è, per lunghezza, il secondo ponte sospeso al mondo con una campata
principale di 1624 m e lunghezza complessiva di circa 7 km. Il movimento
longitudinale dell’impalcato principale indotto dal vento o dai normali
carichi di esercizio è controllato da 4 dispositivi di vincolo dinamico,
progettati per una forza idraulica massima di 5000 kN, una forza meccanica
massima di 15000 kN, ed uno spostamento di ± 1100 mm.
Sono state condotte diverse prove sperimentali per simulare le condizioni
ambientali estreme (da –35 °C a +60°C) a cui i dispositivi sono soggetti e
per assicurarne la costanza delle prestazioni, in quanto tutta la struttura è
stata progettata per mantenere funzionalità, sicurezza ed una buona
efficienza per almeno 100 anni. CONCLUSIONI La tecnologia del
controllo passivo della risposta strutturale mediante isolamento sismico e/o
dissipazione di energia è ormai matura, e sul mercato italiano sono
disponibili praticamente tutti i prodotti di isolamento e dissipazione
esistenti al mondo. Il progettista ha così la possibilità di scegliere i
dispositivi o la combinazione di dispositivi più adatti alle particolari
esigenze di ciascuna struttura, sia nuova che esistente. BIBLIOGRAFIA
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