Isolamento sismico di edifici con dispositivi elastomerici LRB-HD: analisi di confronto delle risposte sismiche

Articolo tratto dagli Atti del XVI Convegno ANIDIS - www.anidis.it 

Nel caso di strutture sismicamente isolate è in genere richiesta la presenza di importanti capacità dissipative nei dispositivi di isolamento, al fine di controllarne la risposta in termini di spostamento. Tuttavia, secondo alcuni Autori, l’impiego di valori elevati del rapporto di smorzamento dei dispositivi può amplificare significativamente gli effetti sulla sovrastruttura.
Il presente lavoro affronta lo studio della risposta di strutture isolate alla base mediante dispositivi elastomerici LRB-HD con valori del rapporto di smorzamento ξ compresi nell’intervallo 0.2-0.3.
Con riferimento a sistemi MDOF corrispondenti ad organismi resistenti in cemento armato a 2,4,6,8 piani modellati con una matrice di smorzamento “completa” ed isolati alla base con dispositivi LRB-HD, sono state valutate in primo luogo le risposte strutturali mediante analisi time-history con integrazione frontale delle equazioni del moto, considerando per i dispositivi un legame di tipo bilineare. Sono stati a tal fine impiegati segnali accelerometrici artificiali e registrazioni di terremoti storici significativi. I risultati ottenuti dalle analisi time-history in campo non lineare mostrano, in molti casi, un incremento significativo dei parametri di risposta della sovrastruttura per valori di ξ superiori al 20%. Sono state infine condotte analisi di confronto tra le risposte di cui innanzi e quelle ottenute attraverso l’analisi modale con spettro assegnato. Tali analisi evidenziano come quest’ultima procedura conduce in generale a stime non accurate di tutti i parametri di risposta ed in particolare a stime non conservative dei parametri di risposta della sovrastruttura.

 INTRODUZIONE
Come è ben noto, la tecnica dell'isolamento alla base riveste un ruolo di primissimo piano tra le strategie di protezione antisismica di tipo passivo, anche a motivo dei notevoli avanzamenti intervenuti nei processi di produzione e di sperimentazione dei dispositivi. L'obiettivo principale di questa tecnica consiste nella massima riduzione della risposta della sovrastruttura (in termini di accelerazioni, spostamenti d’interpiano e caratteristiche della sollecitazione) col vincolo di limitare lo spostamento relativo tra suolo e piano di isolamento. Al riguardo va considerato che strutture isolate con bassi valori di smorzamento associati alla forma modale principale sono esposte alle componenti a bassa frequenza dell'eccitazione sismica, che possono essere causa di rilevanti deformazioni dei dispositivi. Tuttavia l'impiego di un elevato fattore di smorzamento riduce in genere l'effetto dell'isolamento nel campo delle più alte frequenze. Pertanto una maggiore dissipazione da parte degli organi di isolamento, se da un lato permette di controllare gli effetti di risonanza relativamente al primo modo, dall'altro comporta un peggioramento della risposta sismica della sovrastruttura.
A tal proposito, alcuni autori (Inaudi & Kelly, 1992; Ahmadi et al., 1993) hanno svolto indagini per determinare lo smorzamento “ottimo” da assegnare al sistema di isolamento. Un successivo studio di Kelly (1999) basato sull’analisi modale di un sistema lineare a due gradi di libertà ha in-vece mostrato, con una soluzione in forma chiusa, l’effetto negativo sulla risposta della sovrastruttura causato da elevati rapporti di smorzamento associati al sistema d’isolamento (già a partire da rapporti pari al 10%) a causa principalmente della presenza dei termini di accoppiamento nella matrice di smorzamento del sistema isolato. Di recente questo aspetto del problema è stato ripreso da Politopoulos (2008) con riferimento a sistemi isolati a pochi gradi di libertà integrati da dispositivi dissipativi di tipo viscoso e/o isteretico, senza portare in conto l’effetto dei termini di accoppiamento delle azioni smorzanti. I risultati hanno evidenziato, in questo caso, un incremento delle accelerazioni e delle azioni sulla sovrastruttura se i rapporti di smorzamento modale associati al primo modo risultano superiori al 35%. Infine ulteriori e recentissimi studi sperimentali (Wolff et al., 2015) hanno confermato come l’impiego di dispostivi viscosi aggiuntivi, a comportamento lineare e non lineare, nell’ambito di strutture isolate alla base può comportare in alcuni casi un incremento delle sollecitazioni nella sovrastruttura e di come sia necessario l’impiego di specifici strumenti di analisi per una valutazione accurata dei relativi parametri di risposta.
D’altra parte alcuni documenti tecnici sia in ambito nazionale che internazionale (NTC-2008, Eurocodice 8, FEMA-451) prevedono la possibilità di impiego di dispositivi di isolamento con rapporti di smorzamento ξ molto elevati, consentendo la valutazione della risposta strutturale an-che mediante analisi con spettro assegnato fino a valori di ξ pari a 0.3.
In tale contesto, il presente lavoro affronta lo studio della risposta di strutture isolate alla base mediante dispositivi elastomerici LRB-HD con valori del rapporto di smorzamento compresi nell’intervallo 0.2-0.3.
Con riferimento a sistemi MDOF corrispondenti ad organismi resistenti in cemento armato a 2,4,6,8 piani modellati con una matrice di smorzamento “completa” ed isolati alla base con dispositivi LRB-HD, sono state valutate in primo luogo le risposte strutturali mediante analisi time-history con integrazione frontale delle equazioni del moto, considerando per i dispositivi una schematizzazione di tipo bilineare. Sono stati a tal fine impiegati segnali accelerometrici artificiali e registrazioni di terremoti storici significativi. I risultati “esatti” ottenuti dalle analisi time-history in campo non lineare (NRHA) confermano che la presenza di dispositivi ad elevato smorzamento se consente, da un lato, di limitare l’entità degli spostamenti alla base, può determinare dall’altro, per molti dei casi esaminati e soprattutto per gli schemi più deformabili, un incremento dei parametri di risposta della sovra-struttura (accelerazioni di piano, spostamenti di interpiano rapportati all’altezza). Tali effetti di-pendono in sostanza dalla riduzione della funzione di filtro energetico svolta dal sistema di isolamento. Successivamente sono state condotte analisi in campo lineare schematizzando i dispositivi con un comportamento di tipo visco-elastico lineare equivalente. La definizione in tale ambito di opportuni coefficienti di trasmissibilità ha quindi permesso di identificare le frequenze proprie dei sistemi isolati e di condurre valutazioni dirette circa l’effetto dello smorzamento sui parametri di risposta strutturale (Alhan & Gavin, 2004). Sono state infine condotte valutazioni di confronto tra le risposte ottenute dalle analisi NRHA e quelle ricavate mediante l’analisi modale con spettro assegnato (RSA). Tali confronti evidenziano come quest’ultima procedura, prevista dalle norme NTC-2008, conduce in genere ad una stima conservativa ma poco accurata del valore di massimo spostamento dei dispositivi, tendendo tuttavia a sottostimare fortemente i parametri di risposta della sovrastruttura.