Torniamo a parlare di isolamento continuando un percorso iniziato con un excursus storico sul tema (“Isolamento sismico: le tappe storiche dal 1266 ad oggi“) ed una rassegna delle tipologie di controllo della risposta di una struttura (“Tipologie di difesa dalle azioni sismiche: controllo attivo, semi-attivo, passivo, ibrido“).

L’argomento riscuote sempre più interesse nel nostro paese ed aumentano sempre più le applicazioni basate su questi sistemi, vi è poi sempre maggiore interesse da parte della comunità scientifica e le riviste di sismica si soffermano sempre più su questi temi (“Consigli per gli acquisti: la nuova rivista “Progettazione Sismica” della IUSS Press“).

Nell’articolo che segue ci soffermiamo sul controllo passivo della risposta, in particolare sui vari dispositivi di isolamento sismico, suddivisi in due macro-categorie: elastomerici ed a scorrimento.

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Tipologie di dispositivi e sistemi di isolamento

Prima di passare in rassegna le varie tipologie di isolatori sismici oggi disponibili, vediamo quali sono le caratteristiche fondamentali che ogni sistema deve possedere:

• funzione di appoggio, ovvero capacità di sostenere i carichi verticali (sia in condizione non sismica che in condizione sismica);
• deformabilità elevata (o bassa resistenza) in direzione orizzontale sotto azione sismica;
• capacità dissipativa;
• adeguata resistenza nei confronti dei carichi orizzontali non sismici (vento, traffico, …);
• capacità di ricentraggio in seguito all’azione di un’azione orizzontale, in modo da avere spostamenti nulli al termine del ciclo.

Non meno importanti sono:

• costi contenuti;
• limitato ingombro;
• facilità di installazione, sia per edifici realizzati ex-novo che per interventi di adeguamento sismico;
• durabilità, per evitare che il degrado della gomma o del dispositivo in generale possa alterare la risposta della struttura.

La scelta del sistema di isolamento deve essere ponderata anche in funzione dell’obbiettivo prestazionale ricercato; possiamo individuare tre tipi:

• minimizzare il taglio alla base della struttura, realizzando un maggiore disaccoppiamento del moto, in modo da scaricare maggiormente la parte al di sopra dell’isolatore;
• minimizzare lo spostamento alla base della struttura, in quanto l’edificio da isolare può essere inserito in un contesto che potrebbe far temere martellamenti tra strutture;
• minimizzare le accelerazioni di piano ad alte frequenze; che è un requisito importante per la protezione del contenuto.

Come vedremo, alcuni sistemi riescono a soddisfare bene alcuni dei requisiti suddetti, mentre risultano deficitari in altri.

In generale possiamo individuare due gruppi di isolatori:

• elastomerici;
• a scorrimento.

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Isolatori elastomerici

Gli isolatori elastomerici basano il loro comportamento sulla deformazione della gomma impiegata. Sono caratterizzati dall’alternanza di strati di elastomero e lamierini di acciaio solidarizzati mediante processi di vulcanizzazione a caldo.

La presenza dei lamierini è fondamentale, in quanto consente di confinare l’elastomero limitandone la deformabilità verticale a pochi millimetri (1-3 mm). Gli spessori sono molto piccoli, in genere:

• strati di elastomeri: 5-20 mm;
• lamierini: 2-3 mm.

Figura 1.1 – Isolatore elastomerico

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Generalmente i lamierini sono più corti rispetto agli strati di gomma, in modo da risultare completamente inglobati in questi ultimi ed essere protetti dalla corrosione.

In realtà i primi isolatori erano di tipo non armato, privi quindi dei lamierini; questo dava luogo ad elevate deformabilità verticali che causavano lo spiacevole effetto rocking, cioè un moto rotatorio con asse orizzontale.

Molto importanti sono anche le caratteristiche della gomma impiegata; in base ad essa possiamo individuare due tipi di isolatori:

• isolatori elastomerici in gomma naturale;
• isolatori elastomerici in gomma sintetica.

Dal punto di vista della chimica la gomma è un idrocarburo descritto dalla formula (C₅H₈)_n. Il C4H8 è chiamato isoprene e la gomma naturale è costituita da sequenze regolari di isoprene disposte in maniera tale da configurare una catena con caratteristiche di elevata elasticità.

Nella gomma naturale ci sono pochi collegamenti tra le catene e quando vi è l’azione di una forza esterna tali catene si allungano fino a rompere i collegamenti. Macroscopicamente si ha che il materiale subisce deformazioni tali da poter sopportare grandi spostamenti, almeno fino alla rottura dei link suddetti. Con specifici trattamenti si possono creare ulteriori collegamenti.

Figura 1.2 – La formula di una molecola di isoprene (a sinistra) e la struttura di una catena di molecole (a destra)

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Gli isolatori elastomerici in gomma sintetica si basano invece sull’impiego di neoprene – anziché isoprene. Il neoprene è la denominazione commerciale scelta dall’azienda produttrice DuPont Performance Elastomers; inizialmente, infatti, il nome scelto era DuPrene (1932).

Rispetto alla gomma naturale il neoprene gode di svariati pregi, come le maggiori capacità ignifughe, impermeabilità ai gas, è inoltre meno incline all’invecchiamento, ecc.

Indipendentemente dalla gomma impiegata, naturale o sintetica, possiamo avere isolatori elastomerici con gomma a basso o elevato smorzamento. La gomma, infatti, sia essa naturale o sintetica, possiede capacità smorzanti non elevate che vanno quindi opportunamente incrementate. Possiamo allora avere:

• isolatori elastomerici a basso smorzamento (Low Damping Rubber Bearings – LDRB);
• isolatori elastomerici con inserto in piombo (Lead Rubber Bearings – LRB);
• isolatori elastomerici ad elevato smorzamento (High Damping Rubber Bearings – HDRB).

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Gli isolatori elastomerici a basso smorzamento, come detto, possono essere ottenuti sia con gomma naturale che con neoprene. Entrambi i tipi di gomma hanno proprietà molto stabili e non esibiscono il fenomeno di creep per carichi di lunga durata.

Il comportamento esibito è sostanzialmente elastico al crescere della deformazione e presentano uno smorzamento dell’ordine del 2-4%, motivo per il quale si parla di isolatori a basso smorzamento.

Questo tipo di isolatori presenta molti vantaggi, come ad esempio:

• produzione semplice;
• bassi costi di produzione;
• proprietà meccaniche indipendenti dalla temperatura e dall’invecchiamento.

L’unico svantaggio è rappresentato dal basso valore dello smorzamento ed i non piccoli spostamenti per carichi azioni orizzontali di esercizio (come il vento), motivo per il quale è opportuno aggiungere sistemi ausiliari.

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Gli isolatori elastomerici con inserto in piombo furono inventati in Nuova Zelanda nel 1975 e sono stati usati diffusamente in Nuova Zelanda, Giappone e Stati Uniti.

I dispositivi LRB sono simili ai LDRB, ma contengono uno o più inserti di piombo in un foro posto al centro dell’isolatore. La funzione dell’inserto è di dissipare energia mediante snervamento.

Figura 1.3 –Isolatore LRB

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Il legame costitutivo forza-spostamento è di tipo bilineare ed il comportamento è funzione della combinazione di gomma e nucleo, quindi combinazione, rispettivamente, di comportamento elastico lineare tipico degli appoggi elastomerici e comportamento elasto-plastico dovuto al nucleo in piombo.

Il regime deformativo cui è sottoposto l’inserto è di tipo tagliante grazie al confinamento dovuto alle piastre d’acciaio. Lo smorzamento viscoso equivalente associato ai cicli di isteresi del dispositivo è compreso tra il 15% ed il 35%. Dal confronto fra i cicli di isteresi fatti registrare per isolatori LRB e LDRB si nota come l’energia dissipata sia maggiore per il primo, il quale mostra anche maggiore rigidezza.

Figura 1.4 – Diagrammi forza-spostamento per LRB e LDRB

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La rigidezza e l’energia dissipata diminuiscono progressivamente al diminuire del numero di clici, fino a stabilizzarsi dopo 10-15 cicli. In genere, però, le proprietà vengono ripristinate velocemente già dopo qualche giorno. Il motivo risiede nel surriscaldamento del nucleo per cicli ripetuti a distanza di tempo ravvicinata.

Gli isolatori elastomerici ad elevato smorzamento consentono di avere smorzamento sufficiente ad eliminare la necessità di dispositivi ausiliari; gli HDRB, quindi, costituiscono un sistema completo.

L’elevato smorzamento si ottiene aggiungendo speciali cariche additive alla gomma, come il nerofumo (carbon black) ed il silicio, grazie alle ricerche fatte dalla Malaysian Rubber Producers’ Research Association (MRPRA).

L’impiego di cariche additive consente di raggiungere uno smorzamento variabile tra il 10% ed il 20% in corrispondenza di una deformazione del 100%.

Osservando un diagramma forza-spostamento notiamo una maggiore rigidezza iniziale, che consente di fronteggiare i carichi di esercizio (come il vento), una rigidezza minore e costante per un certo tratto ed un conseguente incremento della stessa per carichi elevati (in modo da evitare deformazioni eccessive).

Figura 1.5 – Diagramma forza-spostamento per HDRB

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Generalmente, quindi, viene esibito un comportamento non lineare con elevata rigidezza iniziale e smorzamento per deformazioni taglianti inferiori al 20%. Nel range 20-120% di deformazione a taglio il modulo si mantiene basso e costante. Per deformazioni elevate il modulo cresce grazie al processo di cristallizzazione della gomma, che si accompagna a dissipazione di energia.

Il comportamento esibito non è né linearmente viscoso né elasto-plastico. Nel primo caso, infatti, la dissipazione di energia è quadratica nello spostamento, mentre nel secondo caso è lineare nello spostamento. I diagrammi forza-spostamento, invece, mostrano che la dissipazione è proporzionale allo spostamento elevato a 1.5.

Inoltre, come dimostrato da una serie di test eseguiti da J. M. Kelly et al. nel 1985, l’elevato smorzamento consente di ridurre le vibrazioni ambientali; gli isolatori, infatti, fungono da filtro per le vibrazioni ad elevate frequenze dovute al traffico.

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Isolatori a scorrimento

Un sistema di isolamento basato sul puro scorrimento è la più semplice ed antica soluzione impiegabile. Le prime applicazioni risalgono alle civiltà greche, cinesi e peruviane, ma il primo vero dettagliato progetto di isolamento sismico viene attestato al dottore inglese Johannes Avetican Calantarients, nel 1908. Il suo sistema aveva infatti ogni elemento oggi ritenuto indispensabile per applicare isolare gli edifici.

Anzitutto gli isolatori a scorrimento possono essere di due tipi:

• unidirezionali, generalmente impiegati per i ponti;
• multi direzionali, generalmente impiegati per gli edifici.

Nella loro forma più semplice gli sliding devices (SD) sono costituiti da due dischi di diverso diametro che scorrono l’uno sull’altro. I materiali impiegati sono scelti in modo da poter sviluppare una bassa resistenza d’attrito.

I materiali più impiegati sono l’acciaio lucidato inossidabile ed il PTFE (Teflon).

Il coefficiente di attrito dinamico risulta essere compreso tra il 6% ed il 12%, ma si riduce all’1-2% in caso di lubrificazione. Tale coefficiente è però funzione di alcuni aspetti, come:

• pressione di contatto (variazione lineare del coefficiente con la pressione);
• velocità di scorrimento;
• temperatura;
• usura.

A causa della variabilità del coefficiente e delle incertezze sulle condizioni ambientali (temperatura, umidità, pulizia) si decide generalmente di trascurare la dissipazione di energia per attrito. Questa considerazione è importante in quanto si fa allora ricorso a dispositivi lubrificati, quindi si azzera quasi il coefficiente di attrito dinamico rinunciando all’azione resistente esplicata. In pratica, vengono lasciati liberi gli spostamenti.

Per i motivi appena esposti, i dispositivi a scorrimento non vengono mai impiegati da soli, a meno che non presentino elementi in grado di:

• aumentare la rigidezza iniziale e fornire capacità dissipative;
• fornire capacità di ricentraggio.

Gli unici isolatori a scorrimento che incorporano la funzione ricentrante e dissipativa, senza l’aggiunta di altri elementi, sono quelli con superfici di scorrimento curve.  Un noto sistema di questo tipo è quello che si basa sul pendolo ad attrito (Friction Pendulum System – FPS); alla forza laterale si oppone la forza di attrito dovuta ad una superficie che scorre sull’altra.

La funzione ricentrante è data ovviamente dalla superficie curva, la quale consente di far tornare in posizione il dispositivo quando cessa l’azione esterna. Il carico verticale, infatti, da luogo ad una componente nella direzione tangenziale alla superficie sferica consentendo al dispositivo di riaccentrarsi. La funzione dissipativa la si ha grazie ad una superficie non lubrificata, quindi ad un attrito non azzerato.

La scelta della curvatura non è casuale, perché ad essa è legata la rigidezza del dispositivo e, quindi, il periodo di vibrazione della struttura isolata (il periodo è inversamente proporzionale alla rigidezza). A tal proposito è importante notare come si riesca ad avere una rigidezza iniziale maggiore grazie all’attrito statico: la forza laterale necessaria per mettere in moto il dispositivo è maggiore di quella necessaria per far continuare il moto.

Figura 1.6 – Schema di un dispositivo ad attrito

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Un vantaggio di questi dispositivi risiede nella bassa manutenzione. Il Teflon protegge in maniera efficace la superficie dalla corrosione. Inoltre, considerato che lo scorrimento lo si ha solo durante un terremoto, il Teflon può durare per tutta la vita utile di progetto. Invecchiamento e variazioni di temperatura influenzano pochissimo le proprietà meccaniche.

Come detto, il periodo è legato al raggio di curvatura mediante la relazione:

Lo smorzamento viscoso equivalente x dipende dal coefficiente di attrito m, lo spostamento D, il raggio di curvatura R; nella condizione di massimo spostamento si ha:

Dalla relazione risulta evidente che lo smorzamento viscoso equivalente aumenta all’aumentare del periodo e del coefficiente di attrito, ma è anche importante che l’attrito non sia eccessivo, altrimenti il sistema si blocca prima di poter tornare al centro. E’ infatti necessario uno spostamento pari ad almeno mR. Alla luce di queste considerazioni, il massimo smorzamento che si può avere è intorno al 20%.

Un altro vantaggio di questo sistema risiede nella maggiore possibilità di poter scegliere lo smorzamento desiderato, grazie alla semplice variazione del coefficiente di attrito, oltre che all’ottimo controllo del periodo T.

Una recente variazione del pendolo ad attrito è costituita dal doppio pendolo ad attrito (Double Concave Friction Pendulum – DCFP). In questo caso si hanno due superfici di scorrimento anziché una, come si può vedere dall’immagine che segue:

Figura 1.7 – Schema di un dispositivo a doppio pendolo

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Il vantaggio del doppio pendolo risiede nel fatto che con la stessa azione laterale si può avere uno spostamento doppio. Nel caso in cui le superfici abbiano un coefficiente di attrito diverso il dispositivo comincia a scorrere sulla superficie che offre minore resistenza, per poi mettersi in moto anche sull’altra.

In seguito ad uno spostamento la forza ricentrante è data dalla relazione:

dove W è il carico verticale sul dispositivo, h₁ e h₂ sono le altezze parziali e u è lo spostamento totale.

La forza d’attrito è invece data da:

Nella maggior parte delle applicazioni di DCFP i raggi di curvatura delle due superfici sono uguali.

Figura 1.8 – Un doppio pendolo nel suo massimo spostamento

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Un terzo tipo di isolatori a scorrimento è costituito da quelli in acciaio-PTFE lubrificati a superficie piana. In questo caso manca la capacità ricentrante, quindi è necessario aggiungere un dispositivo ausiliario.

Molto diffuse sono anche le soluzioni in gomma, con dispositivi elastomerici che possono fungere sia da dispositivi ausiliari che da isolatori veri e propri. Nel caso in cui i dispositivi in gomma vengano impiegati come isolatori si ottengono delle soluzioni ibride elastomeri-scorrimento. I vantaggi consistono in bassa rigidezza (periodo lungo), con notevoli abbattimenti degli effetti del sisma – anche quando la massa strutturale competente a ciascun isolatore è limitata – e buone capacità ricentranti, senza l’utilizzazione di dispositivi ausiliari.

Nel caso in si adotti una soluzione mista isolatori in acciaio-isolatori elastomerici bisogna fare attenzione agli spostamenti differenziali verticali in corrispondenza dei vari isolatori, sia per carichi verticali non sismici che sismici. Il rimedio consiste nell’adottare dispositivi elastomerici con elevata rigidezza ai carichi verticali. Qualora si vogliano evitare questi problemi è possibile non assegnare carichi verticali agli isolatori in gomma ed impiegarli sono come dispositivi ausiliari.

Alternativamente alle soluzioni in gomma, è possibile adottare dispositivi basati sullo snervamento dell’acciaio, deformazione a taglio del piombo, con pistoni, ecc.

Di seguito è riportata una scheda riassunta con vantaggi e svantaggi dei vari sistemi trattati:

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Di seguito potete scaricare l’articolo completo in versione .PDF:

Tipologie di isolatori sismici

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Ing. Onorio Francesco Salvatore

ofs@hotmail.it