EDIFICI CON ISOLAMENTO SISMICO
La progettazione antisismica delle strutture è basata, come per altre
condizioni di carico, sul soddisfacimento della disequazione
CAPACITA' ≥ DOMANDA
domanda = moto del terreno
capacità = resistenza e deformabilità in campo non lineare della
struttura
La filosofia di progettazione basata sull'aumento della capacità
porta a:
•
aumentare la resistenza della struttura
•
aumentare la duttilità globale
Attualmente si stanno sviluppando tecniche di protezione sismica
passiva delle strutture, tese a ridurre la domanda
Tali tecniche sono essenzialmente basate su due principi:
•
forte dissipazione di energia, concentrata in particolari
dispositivi
•
isolamento sismico: abbatte drasticamente l'energia
trasmessa dal suolo alla struttura
L'isolamento sismico consiste nel disaccoppiare il moto del terreno
da quello della struttura, introducendo una sconnessione lungo
l'altezza della struttura
• alla base, negli edifici
• fra pile e impalcato,
nei ponti
La sottostruttura, rigidamente connessa al terreno, e la
sovrastruttura sono collegate attraverso particolari apparecchi
d'appoggio - ISOLATORI - dotati di:
•
notevole rigidezza in direzione verticale
•
elevata deformabilità e/o bassa resistenza al moto in
direzione orizzontale
Generalmente, il periodo proprio delle normali strutture cade
nell'intervallo 0.2-0.8 sec
In tale intervallo, gli spettri di risposta in termini di accelerazione
della maggior parte dei terremoti presentano il massimo
dell'amplificazione
Per gli edifici muniti di isolatori:
• la sottostruttura, generalmente è molto rigida, perciò subisce
all'incirca la stessa accelerazione del terreno
• la sovrastruttura, grazie alla presenza dei dispositivi di
isolamento, risulta molto più deformabile, quindi il periodo
proprio cade in una zona dello spettro a minore amplificazione
4
3,5
x=5%
3
2
riduzione forza
accelerazione spettrale/a
g,max
elongazione periodo
2,5
1,5
1
0,5
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
T [s]
3
Di conseguenza, le accelerazioni prodotte dal sisma sulla struttura
isolata risultano molto ridotte
la struttura può essere
progettata per resistere a terremoti violenti senza dover subire
danni alle parti strutturali (progettazione in campo elastico)
La sovrastruttura si comporta quasi come un corpo rigido, con
spostamenti di interpiano molto contenuti
si riducono o si
eliminano anche i danni agli elementi non strutturali
1,8
1,6
elongazione periodo
1,2
1
x=5%
aumento degli
spostamenti
spostamento relativo/x
g,max
1,4
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
T [s]
3
L'aumento del periodo comporta anche un incremento degli
spostamenti, che però si concentrano nel sistema di isolamento
1,8
x=5%
1,6
x=20%
1,4
spostamento relativo/xg,max
elongazione periodo
1,2
riduzione spostamenti
per incremento
smorzamento
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
T [s]
3
Per evitare eccessivi spostamenti del sistema di isolamento, che
risulterebbero condizionanti nella progettazione degli impianti a
terra o dei giunti di separazione, il sistema di isolamento può
essere dotato di elevata capacità dissipativa: rapporti di
smorzamento 10 – 30%
Vantaggi degli edifici isolati:
• abbattimento delle forze d'inerzia e quindi delle sollecitazioni
• riduzione degli spostamenti di interpiano
no danni agli
elementi non strutturali, piena funzionalità anche
successivamente al terremoto
• elevata protezione del contenuto
• bassa percezione del sisma da parte degli occupanti
Dal punto di vista economico, l'eventuale maggior costo (massimo
+10%), è compensato dall'annullarsi dei costi di riparazione
BASI TEORICHE DELL'ISOLAMENTO SISMICO
sistema strutturale: sistema elastico lineare
rigidezza e smorzamento
kb, cb dell'isolamento sismico
ks, cs della sovrastruttura
massa
mb del basamento della struttura, direttamente vincolata a terra attraverso il
sistema di isolamento
m della sovrastruttura (esclusa la massa di base)
modello a due gradi di libertà dinamici:
spostamenti orizzontali delle due masse us, ub
ug spostamento del terreno
si studia in termini di spostamenti relativi
degli isolatori vb
vb = ub - ug
d'interpiano vs
vs = us - ub
equazioni del moto del sistema:
m  mb   vb  m  vs  cb  vb  kb  vb = m  mb   ug


m  v  m  v  c  v  k  v = m  u
b
s
s
s
s
s
g

m
=
m  mb
rapporto di massa
T 
b2
kb  m
= 2 =
=  s 
 s m  mb   k s  Tb 
cb
m  mb 
cs
2  s  x s =
m
b =
2
rapporto delle pulsazioni
s =
2  b  x b =
rapporti critici di smorzamento
kb
m  mb
ks
m
equazioni del moto del sistema:
vb    vs  2  b  xb  vb  b2  vb = ug
vb  vs  2  s  x s  vs  2s  vs = ug
b, Tb, xb oscillatore semplice costituito dall'intera massa vincolata dal
s, Ts, xs
Tb
1
=
Ts

sistema di isolamento
oscillatore semplice costituito dalla sola sovrastruttura assunta
come fissa alla base
rapporto di isolamento
per la soluzione del sistema, si assume  << 1, cioè sovrastruttura molto più
rigida degli isolatori
risolvendo il problema agli autovalori, si ottiene:
12 = b2  1     
2s
 =
 1     
1   
2
2
forme modali:
1T = 1, 
 1

 = 1,  1  1     
 

T
2
determinati i modi di vibrare della struttura, la risposta del sistema si esprime
come combinazione lineare delle forme modali 1 e 2 attraverso due
coefficienti q1 e q2, funzione del tempo:
vb = q1  11  q2  12
vs = q1  21  q2  22
introdotte nelle equazioni del moto, consentono di disaccoppiare il sistema:
q1  2  1  x1  q1  12  q1 = 1ug
q2  2  2  x2  q2  22  q2 = 2  ug
1 = 1    
2 =   
coefficienti di partecipazione modale
rapporti di smorzamento associati ai due modi di vibrare
x1 = xb  1  1,5     
x s    xb       
x2 =
 1 

2 
1 

assumendo un generico spettro di risposta, in termini di spostamento, Sd(,x),
o accelerazione, Sa(,x), è possibile calcolare i massimi modali della risposta
della struttura:
q1max = 1  S d 1 , x1 
q2 max = 2  S d 2 , x 2 
utilizzando, ad es., la legge di combinazione SRSS, si ottiene il valore
massimo dello spostamento degli isolatori:
vb max =
q1max  11 2  q2 max  12 2
e il valore massimo del drift interpiano:
vs max =
q1max  21 2  q2 max  22 2
si possono scrivere:
vb max =
1    2  Sd 1 , x1 2   2   2  Sd 2 , x2 2
vs max =   1  2       S d 1 , x1   1  2  1       S d 2 , x 2 
2
2
2
2
per spettri di risposta usuali, risulta Sd(2,x) << Sd(1,x) ed il termine
 2  S d 2 , x 2 
può essere trascurato, per cui:
vb max = 1     Sd 1 , x1 
vs max =  
Sd 1 , x1 2  Sd 2 , x2 2
il coefficiente di taglio (valore dell'accelerazione che moltiplicato per la
massa dà il valore del taglio alla base della sovrastruttura):
k s  vs
Cs = max
= 2s  vs max
m
Cs =

b2 
  = 2 
s 

Sa 1 , x1 2   2  Sa 2 , x2 2
rapporto delle pulsazioni
avendo assunto che  << 1, si ha che:
1  b
1  1
x1  xb
vb max = S d b , xb 
vs max =   Sd b , xb 
Cs = Sa b , xb 
Per piccoli valori di  e per gli spettri di risposta usuali,
• il sistema di isolamento può essere progettato per uno spostamento
massimo pari a S d b , xb


• e la sovrastruttura per un coefficiente di taglio pari a
S a b , xb 
• lo spostamento interpiano risulta proporzionale ad  ed allo
spostamento massimo alla base S d b , xb
; pertanto si riduce al
diminuire del rapporto fra il periodo della struttura a base fissa e quella
isolata ed all'aumentare dello smorzamento del sistema di isolamento


Gli spettri di risposta possono essere utilizzati direttamente per la
progettazione sia della struttura che del sistema di isolamento.
Spettri della normativa per strutture isolate: sono identici a quelli delle
strutture non isolate, salvo che cambia il valore di TD: da 2,0 s a 2,5 s
Se = ag  S    2,5
4,00
Se/g
3,50
T 
S e = a g  S    2,5   C 
T 
T T 
S e = a g  S    2,5   C 2D 
 T 
3,00
2,50
D
2,00
BCE
1,50
A
0,18
1,00
Sd /g
D
0,16
0,50
0,14
0,00
0,00
0,25
0,50
0,75
1,00
1,25
1,50
1,75
2,00
2,25
2,50
2,75
3,00
3,25
3,50
3,75
T [s]
4,00
0,12
BCE
0,10
0,08
T 
S d = S e T    
 2 
2
A
0,06
0,04
0,02
0,00
0,00
0,25
0,50
0,75
1,00
1,25
1,50
1,75
2,00
2,25
2,50
2,75
3,00
3,25
3,50
3,75
T [s]
4,00
4,00
0,18
Se/g
Sd /g
D
0,16
3,50
0,14
3,00
0,12
2,50
BCE
D
0,10
2,00
0,08
BCE
A
1,50
A
0,06
1,00
0,04
0,50
0,02
0,00
0,00
0,25
0,50
0,75
1,00
1,25
1,50
1,75
2,00
2,25
2,50
2,75
3,00
3,25
3,50
3,75
T [s]
4,00
0,00
0,00
0,25
0,50
0,75
1,00
1,25
1,50
1,75
2,00
2,25
2,50
2,75
3,00
3,25
3,50
3,75
T [s]
4,00
Nell'intervallo fra TB e TC, in cui ricadono la
maggior parte delle strutture fisse alla base,
l'accelerazione è costante e lo spostamento cresce
con il quadrato del periodo.
T 
S d = a g  S    2,5   
 2 
Fra TC e TD, in cui ricadono la maggior parte delle
strutture isolate, l'accelerazione decresce con
l'inverso del periodo e lo spostamento è
proporzionale al periodo.
T 
S e = a g  S    2,5   C 
T 
T
S d = a g  S    2,5  C 2  T
2
Oltre TD, in cui ricadono le strutture con
isolamento molto spinto, lo spostamento è costante
e l'accelerazione decresce ancor più rapidamente.
T T 
S e = a g  S    2,5   C 2D 
 T 
TT
S d = a g  S    2,5  C D2
2
Se = ag  S    2,5
2
Riferimenti bibliografici
M. Dolce, D. Cardone, F.C. Ponzo, A. Di Cesare: "Progetto di edifici con
isolamento sismico", Ed. IUSS Press
Progetto del nuovo plesso scolastico, Comune di Gallicano
ISOLAMENTO SISMICO
APPLICAZIONE AL NUOVO PLESSO SCOLASTICO COMUNE DI GALLICANO - LUCCA
Prospetto lato ingresso
Prospetto lato auditorium
PROSPETTI
Progetto del nuovo plesso scolastico, Comune di Gallicano
CENTRALI
TECNOLOGICHE
CENTRALI
TECNOLOGICHE
AUDITORIUM
PIANTA PIANO
INTERRATO
Progetto del nuovo plesso scolastico, Comune di Gallicano
AULA
SALA INSEGNANTI
SERVIZI
AULA
AULA
AULA
AULA MECCANICA
TECNOLOGICA
AULA
AULA
PIANTA PIANO TERRA
AULA
SEGRETERIA AL
PUBBLICO
SERVIZI
AULA
Progetto di un nuovo complesso scolastico, Comune di Gallicano
VISTE 3D
Vista lato ingresso
CONTROVENTI DISSIPATIVI E LORO APPLICAZIONI
È UNA TECNICA DI PROTEZIONE PASSIVA CHE NASCE PER LE STRUTTURE
NUOVE MA SI ADATTA MOLTO BENE (FORSE MEGLIO) ALLE STRUTTURE
ESISTENTI .
CIÒ AVVIENE RACCOGLIENDO, ATTRAVERSO ELEMENTI DI RIGIDEZZA
PREVALENTE RISPETTO A QUELLA DELLA STRUTTURA (I CONTROVENTI)
L’ENERGIA SISMICA IN ECCESSO E INDIRIZZANDOLA SU APPOSITI
ELEMENTI DESTINATI A DISSIPARLA (I DISSIPATORI).
A DIFFERENZA DELL’ISOLAMENTO ALLA BASE, CHE PUNTA A
RIDURRE L’ENERGIA SISMICA CHE ENTRA NELLA STRUTTURA, I
CONTROVENTI DISSIPATIVI LASCIANO TALE ENERGIA IMMUTATA
(POSSONO ADDIRITTURA FARLA CRESCERE) MA PUNTANO AD
AUMENTARE IN MODO DRASTICO LA DISSIPAZIONE DI ENERGIA
LA DISSIPAZIONE DI ENERGIA NON È CONSEGUITA ATTRAVERSO IL
DANNEGGIAMENTO DELLA STRUTTURA (DUTTILITÀ) ANZI LA PRINCIPALE
FINALITÀCHE CI SI PONE È PROPRIO QUELLA DI PROTEGGERE LA STRUTTURA.
L’IDEA È DUNQUE DI FRENARE MANTENENDO ELASTICA LA
STRUTTURA (CHE SIA IN C.A. O ACCIAIO) “BRAKING RATHER THAN
BREAKING”