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Cenni sugli isolatori sismici

Premessa

isolatore sismico a doppio pendolo

isolatore sismico a doppio pendolo

Con quest’articolo vorremmo dare alcuni brevi cenni sugli isolatori sismici, una tecnica di protezione sismica degli edifici che consente di contenere i danni dovuti alle forti sollecitazioni che può subire un fabbricato durante un sisma.

La sollecitazione sismica si può semplificare con un accelerazione (e quindi una forza) che viene trasmessa dal terreno al fabbricato che è vincolato al terreno. Più rigidamente è vincolato il fabbricato al terreno è meglio questa sollecitazione si trasmette al fabbricato provocando danni maggiori. Come possiamo ridurre questa trasmissione? Una soluzione ovvia sembra essere quella di isolare il fabbricato dal terreno sottostante. Come si può realizzare però questo isolamento?

L’isolamento sismico

l’isolamento sismico  come accennato, consiste nel progettare la struttura svincolata dalle vibrazioni del terreno analogamente a quanto si fa nel campo dell’ingegneria meccanica con le tecniche di isolamento delle vibrazioni dei motori. In tal modo l’azione sismica subita dall’edificio viene sensibilmente ridotta.

In inglese si definisce Base isolation perché è un isolamento effettuato in fondazione.

Storia

Si potrebbe pensare che la tecnica sia una novità degli ultimi anni, in realtà il concetto era stato compreso molti anni fa e la tecnica è antichissima. Già alcuni templi greci avevano interposto uno strato di terreno atto a far scivolare il tempio in caso di sisma, strato che ha fatto arrivare molti templi fino ai giorni nostri. Il più antico edificio isolato alla base conosciuto è la tomba di Ciro il grande che risale al 530 a.C.

Un forte impulso allo sviluppo di questa tecnologia avvenne dopo il terremoto di Kobe in Giappone, avvenuto nel 1995, in cui si osservo che gli edifici isolati non avevano avuto danni rilevanti.

Tipologie di isolatori sismici

isolatore sismico di tipo elestometrico utilizzato in un ponte in acciaio

isolatore sismico di tipo elestometrico utilizzato in un ponte in acciaio

I moderni isolatori sismici oggi si possono dividere in tre categorie di isolatori e diversi tipi per ogni categoria. I diversi dispositivi possono essere anche utilizzati in modo complementare nella stessa struttura:

  • Isolatori elastomerici. Hanno una elevata rigidezza verticale e una bassa rigidezza orizzontale che consente di portare il periodo proprio della struttura isolata fuori dal campo delle frequenze dei terremoti. Ne esistono di diversi tipi:
      • i più semplici e i più collaudati sono quelli realizzati in elastomero (a basso o ad alto smorzamento) armato con lamierini metallici;
      • esistono anche isolatori elastomerici che hanno inserito al loro interno un blocco di piombo che consente un’ulteriore capacità dissipativa di energia;
  • Isolatori a scorrimento. Consentono di limitare ad un valore prefissato (molto basso) la forza totale orizzontale di natura dinamica che sollecita la struttura durante il sisma (taglio totale alla base). Anche di questa famiglia ne esistono di diversi tipi:
    • Isolatori a scorrimento (acciaio-teflon) su superfici piane ad attrito radente con o senza lubrificazione; questi isolatori necessitano di un sistema elastico di ricentramento dopo il sisma e possono essere associati ad isolatori elastici elastomerici che assolvono tale funzione;
    • Isolatori a pendolo scorrevole, semplice, doppio o triplo, sempre a scorrimento (acciaio teflon) come i precedenti ma lo scorrimento avviene su superfici sferiche il che consente l’autocentramento della struttura dopo il sisma;
  • Isolatori metallici a rotolamento. Consentono di isolare anche strutture leggere e flessibili sfruttando il basso valore dell’attrito volvente. Esistono già numerose applicazioni in Giappone mediante isolatori metallici a ricircolo di sfere o su rulli.

Ulteriori Considerazioni

La tecnica dell’isolamento sismico comporta diversi accorgimenti progettuali. A livello impiantistico per esempio si devono prevedere gli spostamenti che si possono realizzare durante il sisma, dato che non abbiamo più un edificio vincolato rigidamente al terreno, prevedendo giunti simili ai giunti di dilatazione di tipo termico.

Il costo di un sistema di isolamento non è trascurabile, ma se consideriamo il costo di un intera palazzina che può essere di diversi milioni di euro, non incide che per qualche punto percentuale. Considerando poi che per la struttura isolata si considerano diverse sollecitazioni sismiche con conseguente calo del costo della struttura verticale, si può arrivare al pareggio dei costi se non ipotizzare addirittura una diminuzione. Considerando poi il vantaggio ottenuto dalla protezione sismica ottenuta e il calo del costo dei danni in caso di sisma, il sistema è senz’altro vantaggioso.

video su alcune tipologie di isolatori sismici

Biografia e approfondimenti

Tipologie di isolatori sismici

Le tappe storiche dell’isolamento sismico

http://www.iusspress.it/pc/viewPrd.asp?idcategory=10&idproduct=118

La casa antisismica for dummies

bunker

bunker

Con quest’articolo vorrei provare a spiegare ai non addetti ai lavori in modo elementare alcuni concetti in realtà ben più complessi che meriterebbero un maggior approfondimento. Non ha nessuna pretesa di essere un articolo scientifico. Il fatto è che mi sono accorto, dato il mio lavoro di tecnico che lavora nell’ambito dell’edilizia, che in generale le persone non hanno chiaro il concetto di cosa sia un edificio antisismico, a causa spesso dei fraintendimenti e delle erronee interpretazioni che danno i mezzi di comunicazione.

La casa antisismica

Dopo ogni terremoto di forte itensità la gente si stupisce del fatto che alcune case crollino, che ci siano purtroppo dei morti e parte la ricerca spasmodica dei colpevoli, ed è purtroppo diffusa la credenza fra chi non si occupa di ingegneria antisismica o di costruzioni in generale che una casa antisismica sia una sorta di bunker indistruttibile che quando viene un terremoto non mostra neanche una crepa.

In realtà purtroppo non è così.

Facendo un paragone con le auto proviamo a pensare ai crash test. Quando una moderna auto va contro un muro si deforma talmente tanto che la dobbiamo buttare, ma gli occupanti però si salvano la vita.

Una casa antisismica funziona più o meno allo stesso modo. E’ una casa fatta in modo da assorbire in modo intelligente l’azione sismica, è una casa che quindi si lesiona, anche parecchio a seguito dell’azione sismica, ma è una casa che non uccide gli occupanti. Questo deve essere un concetto chiaro. Se arriva un grande terremoto (e anche sulla definizione di che cosa sia un grande terremoto si potrebbe parlare per un bel pò di tempo) non c’è casa antisismica che tenga, avremo grandi danni, e perdita di funzionalità significativa, più difficilmente il crollo.

Cosa ha di particolare una casa antisismica rispetto a una casa non antisismica? Intanto bisogna chiarire cosa intendiamo per casa antisismica. Riferendoci all’ultima normativa in vigore in Italia, ovvero le NTC2008 e s.m.i., diciamo che una casa antisismica è un casa progettata nel rispetto di questa normativa.

la duttilità strutturale

Il criterio principale su cui si basa la moderna scienza del costruire è la “duttilità strutturale”. Una struttura che risponde a questo criteri è una  struttura che in seguito ad una grossa azione sismica si deforma, si plasticizza e infine si “rompe bene”, ovvero si comporta in modo duttile e in un modo che lo strutturista ha predeterminato grazie alla “gerarchia delle strutture”. La differenza fra una rottura fragile e una rottura duttile è in buona sostanza la velocità con cui un elemento strutturale si rompe. Se la rottura è fragile è pericolosa perché non ha segni di avvertimento chiaramente individuabili, se la rottura è duttile è una rottura preferibile perché si manifesta con dei segni premonitori e la struttura può ancora reggere i carichi statici prima di collassare definitivamente.

Tornando alla considerazione iniziale, a seconda dell’intensità del sisma e premesso il fatto che molte volte sono stati compiuti errori madornali, e progettazioni concettualmente sbagliate, se una struttura crolla potrebbe non esserci nessun colpevole, perché se la struttura si è comportata come previsto in fase di progettazione ha fatto tutto quello che doveva fare.

Ricordiamo inoltre che la moderna scienza delle costruzioni si basa sul metodo semiprobabilistico degli stati limite, si stima un certo tempo di ritorno per un dato evento e si progetta per quel tempo di ritorno, per esempio 475 anni.

Ma se madre natura decide di fregarsene di quello che crediamo di sapere e provoca un terremoto molto più forte di quello che noi avevamo previsto per quella data zona?

Gli isolatori sismici

Quanto detto fino ad ora vale per gli edifici convenzionali, così come progettati oggi in Italia, in realtà qualcosa di più in molti casi si può fare e un discorso a parte lo meritano gli isolatori sismici che sembrano oggi la migliore tecnologia disponibile per far resistere un edificio a un forte sisma senza danni tali da renderlo inutilizzabile.

Esperimenti con la tavola vibrante

Volevo condividere questo interessante filmato che mostra alcuni esperimenti didattici con la tavola vibrante, che è uno strumento che ci permette di simulare con approssimazione ingegneristica quello che avviene nelle strutture reali quando subiscono delle onde (il sisma è una sollecitazione ondulatoria, non così regolare naturalmente ne monodirezionale come in questo caso). In questo filmato della scuola Aldini Valeriani di Bologna vengono spiegati in modo semplice alcune interessantissime nozioni di sismica.

Per esempio è interessante scoprire in un terremoto che non sono gli edifici più alti a subire i danni peggiori come sarebbe logico pensare… ma dipende dal tipo di onda sismica e dal periodo proprio della struttura e dalla risonanza che si può creare.