Paolo Saluzzi

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Nuove tecnologie di difesa dai terremoti
(estratto dagli atti della giornata di lavoro organizzata il 29.11.97 a Perugia dall'Università degli studi di Perugia e dal GLIS(Gruppo di Lavoro Isolamento Sismico))

Normali costruzioni antisismiche
    La struttura di tali costruzioni è progettata per resistere, con danneggiamento, agli effetti dinamici a cui sono soggette le masse portate per effetto delle accelerazioni orizzontali del terreno; di fatto, con riferimento all'attuale normativa italiana le accelerazioni di progetto sono convenzionalmente assunte pari a circa 1/4 di quelle reali poiché, se le strutture hanno sufficiente duttilità (nel caso citato è necessario un fattore pari circa a 4), l'uscita dal comportamento elastico lineare (imposto per le verifiche), provoca fenomeni di plasticizzazione e danneggiamento locale che, in primo luogo, dissipano parte dell'energia cinetica ed in secondo, spostano le frequenze proprie verso un campo delle accelerazioni sismiche avente un minor contenuto energetico.
    Alla fine dell'evento sismico reale, le strutture risultano quindi danneggiate ma in genere riparabili, mentre tutti gli elementi rigidi non strutturali, quali i tavolati ed i rivestimenti risultano fortemente danneggiati o distrutti; per effetto della elevata rigidezza iniziale della struttura, le accelerazioni sismiche vengono fortemente amplificate ai piani superiori ed in numerosi casi superano 1g (g = 9.81m/s²), così che gli arredi e le attrezzature vengono proiettati violentemente contro le pareti, con conseguenze evidentemente disastrose per gli oggetti e per le persone.
    In sostanza, con la normale tecnologia, non esistono alternative:

Tecnologie alternative
    In alternativa ai metodi di difesa antisismica, in genere tutti basati sul rinforzo delle strutture, le attuali tecnologie sono orientate verso la mitigazione degli effetti dei terremoti; da un punto di vista applicativo si distinguono due categorie, entrambe aventi lo scopo di ridurre la vulnerabilità delle costruzione nelle aree a rischio sismico:

  1. la prima, basata sul controllo attivo della dinamica della struttura attuato mediante applicazione di forze contrarie a quelle inerziali, oppure con modifica di grandezze specifiche, quali ad esempio la rigidezza e lo smorzamento, è attualmente in fase di sperimentazione e richiede strumentazione e servomeccanismi attivi che devono essere soggetti a controllo permanente;
  2. la seconda è invece basata sul controllo passivo della dinamica della struttura, risulta efficace, economica e collaudata positivamente da prove effettuate sia in laboratorio che su edifici costruiti, nonché, recentemente, da terremoti reali; dal punto di vista applicativo tale tecnologia può essere realizzata secondo due sistemi e precisamente mediante:

Protezione passiva
    Entrambe le predette tecniche di protezione passiva (intrinsecamente sicure e non dipendenti dalla efficienza di servomeccanismi) consentono di ridurre fortemente le azioni sismiche a cui devono resistere le strutture e ne garantiscono l'integrità, salvaguardando inoltre gli altri elementi non strutturali (divisori, facciate, arredamento, etc), così che le costruzioni protette possono resistere indenni a terremoti di elevata magnitudo ed a reiterazione delle scosse di intensità significativa.
    La drastica riduzione o la assenza di danno, così ottenuta riveste grandissima importanza in particolare per alcune opere quali:

  1. edifici pubblici, in particolare quelli di importanza strategica per la protezione civile (ospedali, centri di comunicazione e distribuzione dell'energia elettrica, etc.);
  2. strutture contenenti componenti o materiali ad alto rischio (impianti nucleari, chimici, etc.);
  3. ponti e viadotti;
  4. musei, edifici storici e artistici;
  5. strutture contenenti apparecchiature di valore, o la cui integrità è essenziale per la continuità di produzione di beni e servizi (centri di calcolo, etc.);
  6. strutture strategiche per la difesa nazionale.

Isolamento sismico
    La tecnologia dell'isolamento prevede l'inserimento, normalmente tra la base della struttura e le fondazioni, di speciali dispositivi (isolatori) che, grazie alla limitata rigidezza orizzontale, traslano la frequenza fondamentale del sistema isolato nel parte del campo di accelerazioni sismiche caratterizzato da basso contenuto energetico.

    Alla riduzione delle accelerazioni corrisponde l'insorgere di significativi spostamenti relativi tra la base dell'edificio ed il terreno, che devono essere considerati sia nel progetto dei dispositivi che dei collegamenti (ingressi pedonabili e carrabili, impianti idrici, fognari , elettrici, condotte del gas, etc.).
    Rispetto ad un progetto tradizionale, quello per costruzione isolata è caratterizzato da:

  1. acquisizione preventiva dei parametri di accelerazione locali e delle caratteristiche geotecniche del suolo di fondazione;
  2. fondazioni con le predisposizioni di ancoraggio mediante bulloni degli isolatori e dei dispositivi di arresto dello spostamento orizzontale della sommità degli isolatori al valore massimo di progetto;
  3. sottostruttura, rigida nel piano orizzontale, avente la funzione di collegare tutte le strutture verticali poste al di sopra degli isolatori; tale piastra può essere costituita dal primo impalcato, opportunamente progettato per le operazioni riportate al punto (5);
  4. sconnessione totale del contorno dell'edificio dal terreno circostante e dagli edifici vicini;devono essere previsti giunti pedonali e carrabili bi-direzionali dotati di ampia escursione, nonché raccordi flessibili per gli impianti;
  5. necessità di consentire la sostituzione degli isolatori a causa dell'invecchiamento della gomma (previsioni attuali consentono di garantire l'efficienza degli isolatori per oltre 70 anni) o per eventuali danneggiamenti di questi a seguito di un evento sismico di magnitudo non prevedibile.

    Gli isolatori sono costituiti da strati alterni di elastomero e di lamierini in acciaio (aventi la funzione di contenimento delle deformazioni trasversali dovute al carico assiale), intimamente collegati mediante vulcanizzazione; si realizza in tal modo una elevata rigidezza assiale (necessaria per evitare fenomeni di rollio della costruzione) e la deisderata deformabilità orizzontale che agisce da filtro delle accelerazioni sismiche.
    La peculiarità di questi dispositivi sta nella capacità dissipativa della gomma, che limita lo spostamento della struttura, unita alla reazione di richiamo elastico necessaria per riportare la costruzione nella posizione originaria dopo l'evento sismico.
    Isolatori con varie portate verticali, per una vasta gamma di altezze e quindi di spostamenti orizzontali massimi, associati a varie rigidezze e ad elevati valori dello smorzamento viscoso equivalente, sono già compresi nei cataloghi dei costruttori italiani più qualificati e costruibili su commessa.
    Un edificio sismicamente isolato ha un costo di costruzione mediamente superiore del 3% rispetto ad uno convenzionale, senza quantificare i vantaggi descritti per l'assenza di danni garantita; in alcuni casi si sono ottenute anche riduzioni del costo totale.
    La comunità scientifica internazionale è concorde nel ritenere che questa tecnologia, basata principalmente sull'uso di isolatori in gomma ad elevato smorzamento, fornisca oggi soluzioni interessanti ed ampiamente affidabili in una vasta gamma di applicazioni.
    Gli eventi sismici di Northridge del 1995 e di Kobe del 1996 hanno dimostrato la validità del sistema consentendo inoltre il paragone diretto dei comportamenti di strutture convenzionali ed isolate poste alla stessa distanza dall'epicentro; si ricorda a titolo di esempio tra le prime, l'Olive View Ospital, che, apparentemente  indenne all'esterno, ha dovuto essere immediatamente evacuato per la distruzione dei servizi e delle attrezzature, mentre fra le seconde, l'USC-University Teaching Hospital che ha continuato il servizio senza interruzioni, ospitando anche i degenti del primo.
    L'isolamento costituisce inoltre una soluzione molto promettente per l'adeguamento sismico di strutture esistenti (ad esempio il municipio di Salt-Lake City è stato separato dalle fondazioni mediante isolatori in gomma-acciaio agenti su una sotto-struttura in acciaio solidale alle murature).

Normativa italiana
    Nonostante tale tecnologia sia stata impiegata in Italia sin dal 1980 nei ponti e dal 1988 negli edifici, la necessità di approvazioni preventive da parte del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici (rese obbligatorie dal 1996), connesse anche alla mancanza di normativa italiana ufficiale hanno di fatto limitato le applicazioni.
    Nel 1993 un gruppo di lavoro, composto da autorevoli membri del GLIS (Gruppo di Lavoro Isolamento Sismico) e dal Servizio Sismico Nazionale, ha preparato le linee guida di progetto per strutture isolate basate sia sulle vastissime ricerche teoriche e sperimentali sviluppate dagli enti fondatori sia sul confronto con quelle internazionali.
    Tali linee guida, revisionate da una apposita commissione, non sono ancora state pubblicate; per i progettisti manca quindi un riferimento preciso atto a velocizzare e rendere certo l'iter di approvazione previsto.

Classificazione sismica del territorio italiano ed ubicazione degli edifici a base isolata

 

Normativa europea
    In analogia con i metodi adottati in altre branche dello scibile (es. nella biologia), prima di definire la struttura della Norma, è stato fatto un tentativo di abbozzare una prima sistematica delle tipologie odierne, cioè di raggruppare i dispositivi esistenti in base alle loro funzioni, ai principi comuni di funzionamento, ai materiali utilizzati, ecc. Si è partiti quindi con operare le divisioni di carattere più generale, per passare poi a suddivisioni di maggior dettaglio.
    La prima suddivisione è stata stabilita tra i sistemi che trasmettono solo forze orizzontali e quelli che trasmettono anche carichi verticali. Questi ultimi sono detti isolatori mentre i primi si chiamano semplicemente dispositivi antisismici.
    L'esempio appena citato fornisce il pretesto per ricordare che uno dei compiti dell'SC1 (Sotto-Comitato CEN) è quello di definire un nuovo glossario dei termini corretti da utilizzare in questo nuovo settore dell'ingegneria. Va ricordato che in inglese, la lingua di lavoro dell'SC1, sussiste al presente un certo grado di confusione in questo settore. Si pensi ad esempio che gli shock-trasmitters (trasmettitori d'impulso) vengono indicati, talvolta persino nello stesso documento, anche con i termini snubbers, lock-up devices o hydraulic couplers.
    Sia gli isolatori che i dispositivi antisismici sono stati a loro volta suddivisi in quattro gruppi in base alle funzioni espletate e ai principi di funzionamento. La suddivisione dei dispositivi antisismici, in ordine crescente di capacità dissipativa, è la seguente:

    I connettori rigidi sono a loro volta suddivisi in:

    La suddivisione degli altri gruppi è stata operata con analoghi criteri. E' interessante notare il criterio adottato per distinguere i dispositivi lineari da quelli non lineari, che rappresenta anche un esempio di armonizzazione con l'EC8. Quest' ultimo fissa chiaramente i criteri (Parte2,par.7.3.3) da soddisfare per poter condurre un'analisi modale lineare, preferita per la sua semplicità alla più onerosa analisi passo-passo non lineare, e precisamente:

  1. la rigidezza effettiva del sistema di isolamento alla spostamento di progetto (dd) sia almeno pari al 50% della rigidezza effettiva a 0.2*dd
  2. la dissipazione effettiva del sistema di isolamento non superi il 10% di quella critica
  3. la caratteristica forza-spostamento del sistema di isolamento non dipenda sensibilmente dalla velocità di applicazione dei carichi verticali ed orizzontali
  4. il sistema di isolamento possieda un'adeguata capacità di ricentraggio, verificabile con il fatto che l'incremento di forza tra 0.5*dd e dd sia almeno pari allo 0.025 del carico gravitazionale totale che agisce sugli isolatori

    Gli stessi criteri sono stati adottati dall'SC1 per definire i dispositivi lineari, per cui questi ultimi sono i dispositivi usati nelle strutture progettate e verificate con analisi modale lineare.
    Particolare attenzione è stata riservata alla definizione dei vari tipi di dispositivo, anche nel rispetto delle regole CEN, che richiedono "definizioni chiare e il più possibile concise".

    Ecco un esempio:
"Dispositivi viscosi sono quei dispositivi la cui reazione dipende solo dalla velocità impressa, e non dallo spostamento, secondo l'equazione (legge costitutiva):

F = C*v**n

dove v = velocità, e l'esponente n varia da 0 ad 1 a seconda del tipo di dispositivo."

    La struttura della Norma Europea per i Dispositivi Antisismici ha subito varie modifiche. Nella versione definitiva è suddivisa in sei Parti:
Parte 1 - Regole e requisiti generali di progettazione
Parte 2 - Connettori rigidi
Parte 3 - Dispositivi lineari
Parte 4 - Dispositivi non lineari
Parte 5 - Dispositivi viscosi
Parte 6 - Isolatori
    Ogni Parte è suddivisa in capitoli, paragrafi, ecc. Vale la pena di elencare i capitoli della Parte1, cioè quelli che trattano argomenti di validità generale:

  1. Scopo
  2. Norme di riferimento
  3. Simboli, definizioni e abbreviazioni
  4. Regole generali di progettazione
  5. Uso degli appoggi strutturali in zone sismiche
  6. Combinazione di dispositivi antisismici
  7. Requisiti funzionali
  8. Protezione
  9. Valutazione di conformità
  10. Marchi ed echitettatura
  11. Trasporto, stoccaggio e installazione
  12. Manutenzione e sostituzione

    Qui di seguito si riportano alcuni commenti sui capitoli più importanti:

Scopo: E' obbligatorio riportarlo in modo chiaro all'inizio di ogni Norma CEN per definire l'oggetto e i vari suoi aspetti e per indicarne i limiti di applicazione. Nel nostro caso questo capitolo recita:
"La presente Norma Europea riguarda i requisiti di progettazione e di produzione dei dispositivi antisismici utilizzati in strutture erette in zone sismiche in conformità con l'EC8."

Regole generali di progettazione: Nel progetto dei dispositivi antisismici vengono adottati i metodi di calcolo agli stati limite (questa regola è comune a tutte le Norme Europee).
In considerazione del fatto che i terremoti sono fenomeni casuali, nella Norma i comportamenti imprevedibili vengono mitigati adottando in fase di progetto misure cautelative.

Uso di appoggi strutturali in zone sismiche: La Norma Europea sugli Appoggi Strutturali non tratta il loro uso in condizioni dinamiche. La Norma per Dispositivi Antisismici copre questa carenza fornendo i requisiti che devono essere soddisfatti per le applicazioni sismiche (es. l'aumento del coefficiente di attrito per gli appoggi a scorrimento).

Combinazioni di dispositivi antisismici: La combinazione di dispositivi antisismici consente di generare degli "ibridi" che, come in botanica, possono presentare delle caratteristiche interessanti, somma degli aspetti più positivi dei progenitori. Ma potrebbe accadere anche l'esatto contrario. La Norma stabilisce i criteri generali per evitare queste occorrenze.

Valutazione di conformità: Non va confusa con l'attestazione di conformità la cui differenza e la seguente:
la valutazione di conformità è la risposta al quesito: "Come si può assicurare la conformità?"
mentre
l'attestazione di conformità è la risposta al quesito: "Chi certificherà la conformità e con quali prerequisiti ed a quali condizioni?"
    In altre parole la valutazione di conformità è vista come una materia squisitamente tecnica, strettamente legata ad uno specifico prodotto, alle modalità di produzione, che possono essere normalizzate per favorire la confrontabilità.
    Il capitolo sulla valutazione di conformità sviluppa criteri da applicarsi per le prove di qualificazione, per il controllo della produzione e per i collaudi. Infatti la Norma distingue chiaramente tra:

    Si noti che, oltre a quanto sopra elencato, in altre Parti della Norma vengono precisati, per ogni tipo di dispositivo, i metodi di prova, le attrezzature e le procedure, nonchè i criteri di valutazione di conformità.

 

 

 

 

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