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 applicabil e, 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. 1
•
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 proibi ti 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 2
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 pre determinati (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 dissipa zione 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’impie go di cilindri oleodinamici che permettono di ottenere risultati diversi in funzione del circuito idraulico adottato. Nella prEN 15129 vengono definiti isolatori antisismici quei disposi tivi (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 4, 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 3
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:
Fig. 1 – Il ponte sul Tago a Santarem, Portogallo, isolato con HDRB
Fig. 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 – pi ombo
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.
4
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 fa tto 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 d ispositivo 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.
5
Fig. 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
Fig. 4 - Prove di omologazione dei dispositivi multidirezionali 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 per mette 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 Torren te Meduna: un viadotto continuo della lunghezza di 900 metri senza giunti intermedi (Vedi fig. 5).
6
Fig. 5 - Il Viadotto Tauriano sul torrente Meduna, ultimato nel 2007, utilizza dispositivi isteretici abbinati ad appoggi a disco elastomerico ed accoppiatori idraulici
Fig. 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 came ra all’altra attraverso un circuito idraulico che ne caratterizza il comportamento. Il loro comportamento, in via semplificata e senza tenere conto d ella 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 fisi co-geometriche del dispositivo è un esponente che può variare da 0,1 a 2 a seconda del circuito id raulico impiegato. Si utilizzano dispositivi con esponente 2 quando si vuole mass imizzare 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
7
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 visc oelastici. 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: 8
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).
Fig. 7 – Isolatore a pendolo scorrevole con una superficie di scorrimento
Fig. 8 – Isolatore a pendolo scorrevole con due superfici di scorrimento
Fig. 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. e=D/2
e=D V
V
V
V
e=D/2
Fig. 10 – Spostamento della risultante con un isolatore a pendolo scorrevole dotato di una superficie di scorrimento
Fig. 11 – Spostamento della risultante con un isolatore a pendolo scorrevole dotato 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 9
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 T e 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 K e f f rigidezza efficace ξ 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.
R h R
h R
Fig. 12 – Definizioni geometriche Per gli isolatori ad una superficie di scorrimento: K eff =
V µ V R
T = 2π
T eff = 2π
+
D
R g V K eff g
10
µ 2 ξ = D π µ + R Per gli isolatori a due superfici di scorrimento: T = 2π
2( R − h) g
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 ALGAPEN D 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=Cµpvt 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 11
•
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 s ui 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 pend olo 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.
Fig. 13 - Prove dinamiche su di un isolatore a singola superficie di scorrimento presso Eucentre - Pavia
Fig. 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
12
150
100
50
) N k (
e c r o -100 F
0 -80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
-50
-100
-150
Disp (mm)
Fig. 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 p er 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 fa se costruttiva degli isolatori per quest’opera.
13
Fig. 16 – Rendering del Golden Ear Bridge attualmente in costruzione a Vancouver
Fig. 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 l o smorzamento viscoso equivalente è 30%. Questa circostanza si verifica se l’attrito soddisfa la condizione:
µ ≤ 0,89 D / R 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 1 µ K eff = W ( + ) R D 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
14
seguente e sono quelli che danno luogo a periodi di 3, 4 e 5 secondi trascurando l’effetto dell’attrito. R(m) 2,238 3,979 6,218
T(s) 3 4 5
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, p eriodo 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 ξ =16% Con un isolatore in gomma ad alta dissipazione di energia si ottiene subito il valore della rigidezza K richiesta attraverso la formula seguente: K =
4π 2 M
4 × π 2 × 1000
= = 5240 kN / m T 2 2,75 2 Attraverso lo spettro di risposta si ottengono subito in base al periodo ed allo smorzamento i valori di accelerazione A e spostamento D. Risulta 2 • Accelerazione A= 0,979 m/s (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: 2 Dtot = 1,2 D + 0,3 D = 257mm
15
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 fa re 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 d i 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. 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
16
Fig. 18 – Raffronto dimensionale fra isolatori aventi prestazioni analoghe Va inoltre considerato che è molto difficile migliorare le presta zioni 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 risp osta 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 EN199 2 (Eurocodice 2) prevede pressioni concentrate sul calcestruzzo molto ele vate purché le piastre di ripartizione del dispositivo siano sufficientemente distanziate dai bordi e purché il calcestruzzo sia debitamente armato.
17
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
Energia dissipata Spostamento periodo Capacità ricentranti Costo iniziale Oneri manutenzione
HDRB 1 3 5 3 5
LRB 3 3 3 4 5
SP 3 5 4 5 5
HY 5 3 2 2 4
VD 5 3 1 1 3
Dall’esame della tabellina si nota come l’energia dissipata cresce passando dagli HDRB ai VD. Gli isolatori isteretici e viscosi sono quelli che assicur ano 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 lim itati alla protezione anticorrosiva e non necessitano di particolari manutenzioni dopo un evento 18
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 con vincente del loro funzionamento. La tecnica dell’isolamento sismico, che è una particolare applica zione 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)
19
