Analisi del funzionamento dei dispositivi di isolamento sismico e applicazione progettuale ad un edificio in cemento armato. Confronto con la soluzione a base fissa

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 progettuale tradizionale, 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. La tecnica dell’isolamento sismico si basa principalmente sull’introduzione, per gli edifici solitamente tra le fondazioni ed il primo solaio, 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 in un campo di periodi lontani da quelli a cui sono associate le amplificazioni maggiori. Questo implica una notevole riduzione dell’energia in ingresso alla struttura, permettendo una sensibile diminuzione delle accelerazioni orizzontali, e quindi delle forze, che agiscono in corrispondenza dei vari impalcati dell’edifico. Il comportamento dinamico degli edifici isolati alla base si differenzia in maniera netta da quello degli edifici a base fissa. La stragrande maggioranza della massa partecipante dell’edificio isolato viene eccitata dal primo modo di vibrare che determina una deformata modale descrivibile come lo spostamento di un corpo rigido sul piano di isolamento. Tale comportamento porta con sé un abbattimento degli spostamenti di interpiano. 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), o per gli impianti industriali altamente pericolosi (centrali nucleari, impianti chimici) oppure per tutti quegli edifici il cui contenuto ha un valore molto superiore a quello degli edifici stessi (musei, banche, centri di calcolo). A questi vantaggi si aggiunge un’ulteriore aspetto positivo: le strutture isolate sono capaci di ridurre l’importanza degli effetti negativi di molte irregolarità strutturali, consentendo ai progettisti maggiori scelte compositive. Questo ed altri aspetti verranno approfonditamente trattati nel seguente elaborato, il quale si orienta sulla ottimizzazione dell’isolamento sismico alla base con isolatori in gomma e acciaio per una struttura ospedaliera in cemento armato. Il presente elaborato è finalizzato alla ricerca dei vantaggi e degli svantaggi connessi all’impiego dell’isolamento sismico quale strategia di difesa contro gli eventi di natura sismo-tettonica, nello specifico quelli di entità particolarmente severa. A tale scopo, è stata effettuata la progettazione in parallelo di due strutture, realizzate in c.a. gettato in opera, avendo come dato di input il solo progetto architettonico: la prima, realizzata con una struttura a telaio di tipo tradizionale, la seconda, realizzata invece su isolatori. Occorre pertanto fissare a priori le linee guida della progettazione ed i parametri sui quali il raffronto debba essere esperito, assicurando, in questo modo, che le valutazioni finali non siano viziate da assunzioni in tutto o in parte errate. Nel caso specifico, il primo passo è stato quello di progettare due strutture il più possibile simili tra loro, alle quali garantire lo stesso livello prestazionale nel soddisfacimento dei requisiti imposti dalla normativa vigente in materia di costruzioni e protezione antisismica; pertanto le verifiche effettuate riguardano lo stato limite ultimo e la situazione accidentale sismica, nella doppia verifica allo stato limite ultimo e allo stato limite di danno. La strategia tradizionalmente impiegata nel nostro paese si basa sul Capacity Design o “gerarchia delle resistenze”: sostanzialmente lo scopo è quello di evitare danni strutturali in presenza di sismi di media intensità, mentre per terremoti di entità severa si ritiene sufficiente scongiurare la perdita di vite umane, evitando il collasso strutturale anche se l’edificio si rivela non più agibile e/o destinato alla demolizione. Il lavoro si può dividere in quattro parti. Una fase introduttiva in cui, partendo da cenni di dinamica delle strutture, si comprende il comportamento convenzione degli edifici a base fissa, per arrivare a una valutazione del rischio simico analizzando le strategie per prevenirlo e mitigarlo. Una fase descrittiva dei dispositivi di isolamento, con particolare attenzione agli isolatori elastomerici, descrivendone la meccanica del comportamento tenso-deformativo per carichi verticali e orizzontali. Una fase progettuale, suddivisa in due parti. Nella prima parte si propone il dimensionamento statico dell’edificio che sarà successivamente sottoposto ad un intervento di isolamento sismico, effettuando poi un’analisi dinamica della struttura, con il fine di evidenziare i modi di vibrare ritenuti significativi nelle due direzioni principali dell’edificio. Nella seconda parte si effettua un dimensionamento del sistema d’isolamento e successivamente si procede alla verifica degli elementi strutturali. Attraverso l’utilizzo di software di calcolo quali Midas Gen si dimensiona e verifica il sistema di isolamento composto da isolatori elastomerici HDRB. In seguito vengono svolte le verifiche prescritte dal D.M. 14/01/2008, prima nei confronti dello stato limite ultimo per gli elementi resistenti in cemento armato, poi allo stato limite di esercizio controllando gli spostamenti d’interpiano. Una fase conclusiva in cui si svolge un confronto tra le due strutture, sottolineando i vantaggi dell’isolamento sismico, che possono essere così sintetizzati:  abbattimento delle forze d’inerzia e quindi delle sollecitazioni nelle struttura;  riduzione degli spostamenti di interpiano e conseguente eliminazione dei danni agli elementi non strutturali, con mantenimento della piena funzionalità anche succesivamente al terremoto;  elevata protezione del contenito;  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. Lo spirito di questo lavoro di tesi è che, come si è capito da questa breve premessa, nonostante l’isolamento alla base degli edifici in C.A. sia una tecnica di protezione sismica applicata in tutto il mondo, essendo negli edifici civili in gioco la sicurezza persone, è necessario che essa sia continuamente testata ed ottimizzata.