L'evoluzione storica dei sistemi di isolamento sismico ad attrito: il funzionamento, i materiali, le applicazioni

Sviluppo storico dei sistemi di isolamento sismico ad attrito con particolare riferimento a quelli utilizzati in Europa

L’isolamento alla base si è dimostrato essere una delle più efficaci tecnologie per proteggere le infrastrutture dagli effetti dell’azione sismica. Questa rassegna scientifica tratta lo sviluppo dei sistemi di isolamento sismico ad attrito, focalizzandosi maggiormente sui sistemi che sono stati sviluppati con maggior successo e che sono stati utilizzati come misure di protezione sismica per le strutture situate in Europa. La concezione e l’implementazione del sistema Friction Pendulum, lo sviluppo dei materiali a basso attrito, gli effetti della temperatura, della pressione di contatto e della velocita, vengono discussi alla luce delle passate e recenti evidenze numeriche e sperimentali. Si discutono inoltre i pregi dei dispositivi con superfici di scorrimento multiple, quali i Friction Pendulum a doppia curvatura e i tripli Friction Pendulum, insieme alle attuali conoscenze e lacune della ricerca riguardo la loro caratterizzazione. Vengono, inoltre, presentati due casi studio europei, il viadotto di Bolu e il Progetto C.A.S.E., al fine di mostrare come gli isolatori a scorrimento possano essere impiegati per raggiungere obiettivi di progettazione altrimenti inarrivabili. Infine vengono analizzate problematiche relative all’impiego di queste tipologie di dispositivi, quali la risposta ad alte accelerazioni verticali, la potenziale perdita d’appoggio e l’importanza dello spostamento residuo.

Nel contesto attuale “basato sui livelli di prestazione”, un metodo efficace per proteggere le strutture e ottenere la performance desiderata è mitigare la domanda indotta dal sisma sul sistema stesso. A tal fine, una delle soluzioni più promettenti identificate negli ultimi decenni, consiste nell’installazione di dispositivi a bassa rigidezza laterale, indicati come isolatori alla base, al di sotto di punti chiave di supporto della struttura. L’isolamento alla base è risultato essere una delle strategie high-tech più efficaci per proteggere le infrastrutture dagli effetti dell’azione sismica sia nel campo delle nuove costruzioni che in quello dell’adeguamento di strutture esistenti.

L’obiettivo dell’isolamento alla base è di prevenire il danneggiamento delle strutture, spostando il periodo fondamentale della struttura verso il range dei periodi alti e assorbendo l’intera domanda di spostamento indotta dal moto sismico a livello del sistema di isolamento. L’isolamento di una struttura si traduce in una risposta strutturale controllata con una riduzione delle accelerazioni e delle forze laterali trasmesse alla struttura.

La ridotta domanda sismica consente alla sovrastruttura di rimanere in fase elastica, o quasi elastica, in seguito ad un evento di intensità prossima a quella di progetto. Inoltre, l’isolamento di una struttura contribuisce a ridurre la probabilità di danneggiamento delle apparecchiature sensibili agli spostamenti e alle accelerazioni, degli elementi non strutturali e al contenuto.

Numerose ricerche sono state condotte sul tema dell’isolamento alla base negli ultimi decenni e il volume di informazioni disponibili in letteratura è cresciuto significativamente, particolarmente negli ultimi 15-20 anni. Numerosi scritti eccellenti sugli sviluppi, le teorie e le applicazioni di questa tecnologia sono disponibili in letteratura fra gli altri ad esempio (Kelly, 1986; Buckle e Mayes, 1990; Soong e Constantinou, 1994; Kunde e Jangid, 2003; Symans et al., 2003 e Warn e Ryan, 2012).

Tuttavia, data la grande disponibilità di ricerche riguardo all’isolamento alla base, un singolo articolo non può fornire una disamina esaustiva della letteratura scientifica in merito. Cosi, gli autori si sono visti costretti a scegliere fra discutere in generale l’argomento, al costo di fornire dettagli limitati, e approfondire l’argomento, focalizzandosi solamente su determinati aspetti. Inoltre, vi è da considerare che vi è una produzione in costante aumento di nuova letteratura sia in ambito numerico che sperimentale, sull’argomento a seguito del sempre crescente interesse per il tema.

In questo contesto, questa rassegna scientifica si concentra sullo sviluppo storico dei sistemi di isolamento sismico ad attrito, ed in particolare sui sistemi impiegati ed utilizzati con successo come dispositivi di sicurezza antisismica su strutture situate in Europa.

Anche se il concetto di isolamento sismico ha più di cento anni (e.g. Barucci, 1990 e Touaillon, 1870), i moderni isolatori a scorrimento e ad attrito sono stati sviluppati verso la fine degli anni 80 e ad oggi in Europa sono relativamente poche le strutture isolate alla base.

Sebbene il concetto di sistema di isolamento ad attrito fosse semplice e allettante, la mancanza di una forza di ricentramento adeguata ha ritardato l’impiego dei sistemi a scorrimento. Alcuni tentativi sono stati fatti usando una combinazione di appoggi scorrevoli piatti e “sistemi a molla” che fungessero da elementi di ricentramento. Un esempio di questi tentativi può essere trovato nel lavoro di Kelly, Chalhoub (1990), che ha testato un sistema di isolamento realizzato utilizzando una combinazione di appoggi elastomerici e appoggi scorrevoli piatti.

Solo dopo lo sviluppo del concetto dei moderni Friction Pendulum (Zayas et al., 1987) gli isolatori a base scorrevole sono diventati una valida alternativa (e eventualmente un sostituto) delle soluzioni più tradizionali di isolamento.

Questo articolo comincia analizzando un rudimentale sistema a pendolo proposto nel 1909 (vedi Barucci, 1990) per evidenziare come l’idea di isolare alla base le strutture sia stata concepita oltre 100 anni fa, ma che risultò irraggiungibile a causa delle limitazioni tecnologiche del tempo.

Viene poi introdotto il moderno Friction Pendulum, focalizzandosi su come le diverse problematiche riscontrate nel suo sviluppo siano state gradualmente superate.

Si discuteranno ampiamente le problematiche associate alle performance dei materiali di scorrimento a basso attrito, e agli effetti del surriscaldamento, della pressione di contatto e della velocità di scorrimento alla luce delle più recenti evidenze sperimentali.

Saranno quindi introdotti il Double Concave Friction Pendulum e il Triple Friction Pendulum. Si analizzeranno le loro proprietà e i loro benefici e se ne delineeranno le potenziali limitazioni prestazionali e le attuali lacune conoscitive.

Per illustrare l’utilizzo degli isolatori a base scorrevole come soluzioni antisismiche, vengono analizzati due importanti casi studio molto diversi ma al contempo molto stimolanti, quali il viadotto Bolu (Turchia) e il Progetto C.A.S.E. (Italia).

In fine verranno trattati problemi ancora esistenti nell’applicazione dei dispositivi di isolamento scorrevole quali, la risposta alle alte accelerazioni verticali, il potenziale sollevamento dell’appoggio e l’importanza degli spostamenti residui.

All'interno dell'articolo i seguenti paragrafi:

2. Il “pendolo Viscardini” (1909)
3. Il sistema del friction pendulum (1980)
4. Sviluppo di materiali a basso attrito
4.1 PTFE, Materiali a base di polietilene e poliammide
4.2 Pressione di contatto tipica
4.3 Variazione del coefficiente di attrito
4.4 Effetti della pressione di contatto, velocità e temperatura
5. Sviluppi di dispositivi multi-superficie
5.1 Friction pendulum a doppia curvatura
5.2 Triple Friction Pendulum
5.3 Limitazioni delle prestazioni dei dispositivi ad attrito
6. Due casi studio Europei
6.1 Il viadotto Bolu
6.2 Il Progetto C.A.S.E.
7. Problematiche aperte e sviluppi attuali
7.1 Risposta alle azioni verticali
7.2 Sollevamento
7.3 Capacità di assorbimento della trazione
7.4 Spostamento residuo 

Articolo tratto da Progettazione Sismica – Vol. 10, N.3, Anno 2018. Si ringrazia Eucentre per la gentile collaborazione