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INTRODUZIONE
I numerosi e continui studi in materia antisismica hanno portato a definire sempre nuove
soluzioni che rendessero le strutture in grado di affrontare i fenomeni sismici. Tra queste
soluzioni, quella che sembra più adeguata è l‟isolamento delle strutture.
L‟isolamento sismico è una tecnica innovativa per la protezione delle strutture dai
terremoti molto diffusa all‟estero e in crescita in Italia. L‟Ordinanza del Presidente del
Consiglio dei Ministri n°3274 del marzo 2003 introduce l‟isolamento sismico degli edifici,
colmando un vuoto legislativo che ne ostacolava un efficace impiego nel nostro Paese.
Questo consiste in una tecnica di protezione sismica che consente di ridurre in maniera
notevole le sollecitazioni trasmesse alle strutture durante un evento tellurico. Il concetto
dell‟isolamento sismico semplicisticamente è quello di separare il movimento della
struttura da quello del terreno in caso di terremoto. La separazione pur non essendo
evidentemente totale diminuisce notevolmente l‟effetto del terremoto sulla struttura isolata.
L‟isolamento sismico offre numerosi vantaggi quali la protezione dal danno delle strutture
portanti, dei muri, degli impianti, di quanto contenuto e soprattutto degli esseri umani. In
caso di terremoto severo una struttura convenzionale antisismica resiste al terremoto
danneggiandosi notevolmente (come un‟automobile in caso di impatto), mentre una
struttura isolata limita notevolmente i danni preservando quindi l‟edificio ed il suo
contenuto e permettendone un‟immediata fruibilità.
La normativa italiana in materia ha subito, soprattutto negli ultimi anni, dei profondi
cambiamenti: prima si è affermato il concetto di duttilità, che porta a considerare nel
calcolo non solo la resistenza della struttura, ma anche le sue capacità deformative.
Successivamente si è avuto un cambiamento radicale passando dal DM ‟96 all‟OPCM
3274, non solo per una riclassificazione del territorio nazionale, ma anche per via di
un‟accuratezza nel calcolo molto maggiore che in precedenza. Infine, nel marzo del 2008
sono entrate in vigore le nuove “Norme Tecniche per le Costruzioni” (DM 14 gennaio
2008), che aumentano notevolmente l‟accuratezza nel calcolo e ulteriori innovazioni.
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Nel capitolo1 verranno introdotti alcuni concetti di ingegneria sismica al fine di descrivere
le caratteristiche del moto sismico e il concetto di pericolosità e rischio sismico ripreso dal
nuovo DM.
Nel capitolo 2,3,4 vengono introdotte, ai fini della progettazione, le nozioni fondamentali
della dinamica delle strutture a partire dallo studio di un sistema elementare, l‟oscillatore
ad un grado di libertà (SDOF), e di sistemi più complessi a molti gradi di libertà(MDOF)
che possono essere ricondotti a combinazioni lineari di SDOF. Inoltre vengono definiti gli
spettri di risposta (elastici e anelastici ) e il fattore di struttura secondo il DM 2008.
Nel capitolo 5 verranno trattati i sistemi di isolamento, in particolare verranno trattati gli
isolatori elastomerici, le loro caratteristiche, i criteri di applicazione, il funzionamento e gli
effetti attesi.
Nel capitolo 6 verranno esaminate le risposte sismiche di un edificio intelaiato in
cemento armato a base fissa progettato sulla base dei decreti attualmente in vigore.
L‟analisi di questo edificio sarà possibile mediante l‟utilizzo del SAP2000, un programma
per l‟analisi strutturale statica e dinamica, lineare e non lineare.
Il capitolo 7 riguarderà l‟applicazione dell‟ isolamento sismico a un edificio intelaiato in
cemento armato.
Il capitolo 8 proporrà il confronto tra il comportamento dei due edifici analizzati e infine il
capitolo 9 un commento critico dei risultati ottenuti. Si tracceranno inoltre alcune
valutazioni di tipo economico sulla convenienza o meno dell‟isolamento alla base.
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ABSTRACT
Several antiseismic studies have led us to define new solutions that make the
structures able safe against seismic events. Among these solutions, the most adequate is
structural isolation..
The seismic isolation is an innovative technique for protecting structures from earthquakes
widely used.
The Order of the President of the Council of Ministers N°3274 of March 2003 introduces
the seismic isolation of structures, filling a legislative gap that had limited wide use in our
country.
Isolation is a technique for seismic protection that allows to reduce the sismic forces.
The basic idea of seismic isolation is to separate the movement of the structure from that of
the ground during an earthquake. The separation is not total but significantly decreases the
effect of the earthquake on the isolated structure.
The seismic isolation has many advantages: protection from the damage of structures, of
walls, of plants, and especially of people. In case of severe earthquakes a conventional
antiseismic structure is stronger damaged, while an isolated structure limits its
damage, then preserving the edifice and permits an immediate accessibility.
The Italian legislation has been subjected, especially in the last years, to profound changes:
it was initially affirmed the concept of ductility, which leads us to consider in the
calculation not only the resistance of the structure, but also its capacity deformative.
Next there has been a radical change, through from the DM '96 to the OPCM 3274, not
only for a reclassification of the national territory, but also for a more accurate calculation
Finally, in March 2008 been approved new " Norme Tecniche per le Costruzioni " (DM 14
January 2008), which greatly increases the accuracy in the calculation.
In Chapter 1 will introduce some concepts of seismic engineering to describe the
characteristics of seismic motion and the concepts of hazard and seismic risk described by
the new DM.
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In Chapter 2,3,4 are introduced , the basics of structural dynamics, starting from the
study of anelementary system, the oscillator degree of freedom (SDOF), and more complex
systems with many degrees of freedom (MDOF). It is also define a response
spectra (elastic and inelastic) and the structure factor according to DM 2008.
In Chapter 5 it is describe a isolation systems, in particular elastomeric isolators,
their characteristics,usage patterns, and their operation.
In Chapter 6 it is examine a seismic response of a concrete fixed-base framed structure
designed on the basis of current decrees. The analysis of this building has been made with
structural analysis program the SAP2000 .
In the Chapter 7 has been exposed the application of seismic isolation to concrete framed
edifice.
In the Chapter 8 there is the comparison between the behavior of the two buildings and
finally, in Chapter 9 there is a critical commentary of the results produced. It also
tracks some of economic evaluations on the cost of insulation to the base.
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CAPITOLO 1
INTRODUZIONE ALL’INGEGNERIA SISMICA
1.1 IL PROBLEMA DELLA PROGETTAZIONE SISMICA
L' ingegneria sismica è una disciplina che studia la risposta delle strutture ai sismi e le
metodologie per progettare le nuove strutture con criteri antisismici, oppure adeguare
ad un grado di sicurezza sufficiente le strutture già esistenti. Lo sviluppo dell‟ingegneria
sismica come disciplina indipendente risale agli ultimi 40-50 anni. I principali motivi che
hanno contribuito a tale sviluppo sono:
- installazione in tutto il mondo di una densa rete di accelerografi
- le migliorate potenzialità dei mezzi e dei programmi di calcolo
- l‟ esecuzione di un gran numero di analisi sperimentali in laboratorio su sotto-strutture
o prototipi al vero
- la migliorata conoscenza dei materiali
- lo sviluppo di terremoti simulati per la verifica dei modelli
- la messa a punto e l‟utilizzo di tecniche di monitoraggio e prove sperimentali in situ
- la migliore conoscenza delle caratteristiche dei terreni
Con l‟aumentare delle conoscenze, è diventato chiaro come il problema della progettazione
sismica delle strutture sia in realtà collegato all‟energia e che quindi, affinché una struttura
non raggiunga il collasso, occorre che possa assorbire e dissipare l‟energia trasmessa
durante l‟eccitazione sismica.
La ricerca del bilancio tra energia trasmessa ed energia assorbita e dissipata è stata la
chiave dello sviluppo della moderna progettazione sismica, che ha seguito in generale tre
direzioni:
1. La progettazione di strutture con elementi capaci di dissipare in campo post-
elastico
2. L‟ isolamento sismico
3. L‟ utilizzo di dispositivi speciali preposti alla dissipazione dell‟ energia
Tutti questi sviluppi tecnologici e scientifici sono stati regolarmente assorbiti dalle
normative moderne di tutto il mondo. Tuttavia le perdite dovute a terremoti distruttivi, sia
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in termini di vite umane che di danni economici, rimangono alte; le cause vanno
essenzialmente ricercate nella crescente urbanizzazione delle città combinata spesso con la
costruzione non controllata e a volte illegale di nuovi edifici, nell‟esistenza di strutture
vecchie e inadeguate, nell‟utilizzo indiscriminato dei nuovi materiali che consentono la
realizzazione di luci ed altezze sempre maggiori e nel fatto che ogni terremoto fornisce
sempre nuove lezioni sul complicato problema della progettazione antisismica. Per questi
motivi è necessario prestare molta attenzione, oltre che alla progettazione di nuovi edifici
capaci di resistere efficacemente all‟azione sismica, anche alla
1. Verifica della sicurezza di strutture esistenti
2. Verifica della sicurezza di strutture esistenti danneggiate dal sisma
3. Sviluppo di tecnologie atte sia a riparare strutture danneggiate dal sisma in modo
tale da ripristinare le precedenti condizioni di sicurezza, sia ad adeguare strutture
esistenti ritenute non capaci di sostenere la relativa azione sismica di progetto.
1.2 IL MOTO SISMICO
I terremoti o sismi sono vibrazioni naturali del suolo provocate dall‟improvvisa rottura di
un equilibrio interno sprigionando enormi quantità di energia. Il luogo in profondità in cui
si scatena il terremoto e dal quale partono la vibrazioni, simili a onde sferiche, è detto
ipocentro ( o fuoco ) del terremoto. Dall‟ipocentro le onde sismiche si propagano in tutte le
direzioni; il punto della superficie terrestre che, per primo e con maggiore intensità,
avverte le scosse è detto epicentro ed è situato verticalmente sull‟ipocentro. Nell‟ epicentro
il sisma si avverte soprattutto come movimento verticale e si hanno quindi scosse
sussultorie, nelle aree circostanti invece come movimento essenzialmente orizzontale e si
generano pertanto scosse ondulatorie; quando i due tipi di scosse interferiscono, le scosse
si dicono rotatorie.
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Figura 1. Ipocentro ed epicentro
I meccanismi che determinano le scosse sismiche vengono descritti nella teoria del
rimbalzo elastico, formulata in seguito all‟osservazione degli effetti provocati dal terribile
terremoto di San Francisco avvenuto nel 1906. Secondo questa teoria, quando un blocco
crostale viene sottoposto a sforzo si comporta in modo elastico, cioè si deforma
lentamente, con modalità che dipendono dalle caratteristiche delle rocce interessate. Le
rocce, deformandosi, accumulano energia e la deformazione subita è proporzionale
all‟intensità e alla durata della forza applicata. Se la forza continua ad agire e la tensione
accumulata supera il limite di elasticità ( oltre il quale la roccia non può deformarsi
elasticamente ) il blocco roccioso si spacca improvvisamente nel punto più debole
producendo una faglia ovvero una frattura delle crosta terrestre. I blocchi rocciosi slittano
lungo i margini di tale frattura e liberano repentinamente l‟ energia che si era accumulata
nel corso della deformazione sotto forma di calore e di intense e rapide vibrazioni che si
propagano in tutte le direzioni. Il punto di rottura diventa quindi l‟ ipocentro del terremoto,
la cui intensità e durata dipenderanno dall‟energia accumulata. Il rimbalzo elastico delle
rocce prossime all‟ ipocentro causa la deformazione delle rocce circostanti e lo slittamento
si propaga lungo la faglia, finché l‟ energia dissipata e l‟attrito non esauriscono il
fenomeno.
I fenomeni sismici possono generalmente verificarsi in condizioni diverse a seconda della
profondità: i terremoti profondi possiedono una maggiore energia in origine, ma la
dissipazione ( dovuta al passaggio tra le diverse stratificazioni del terreno), è notevolmente
maggiore, cosicché i terremoti poco profondi, che possiedono energia relativamente
piccola, provocano spesso scosse più intense anche se su un territorio più limitato.
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L‟ energia liberata quando le rocce superano il limite di rottura si trasmette sotto forma di
onde elastiche che si propagano dall‟ ipocentro in tutte le direzioni dello spazio obbedendo
al principio del moto ondulatorio, ovvero non causano uno vero spostamento dei materiali
che attraversano, ma solo vibrazioni delle particelle che mantengono così una posizione
media costante. Nell‟ ipocentro di un terremoto si generano due tipi di onde, che si
propagano in modo del tutto indipendente: le onde longitudinali o primarie P e le onde
trasversali o secondarie S.
Le onde P sono responsabili della propagazione delle deformazioni di compressione-
estensione, ovvero la direzione del fronte d‟onda longitudinale coincide con la direzione di
spostamento delle particelle del terreno. Sono le onde più veloci e raggiungono per prime
le superficie terrestre. Le onde S invece sono responsabili delle variazioni di forma. La
direzione del movimento del fronte d‟onda è perpendicolare allo spostamento delle
particelle del terreno. Hanno una velocità inferiore rispetto alle onde P.
Quando le onde P e le onde S raggiungono gli strati superficiali della crosta terrestre, in
corrispondenza dell‟ epicentro, producono movimenti verticali che si manifestano come
onde sussultorie. Queste danno origine a un altro tipo di onde, le onde superficiali o onde
L. Le onde L sono caratterizzate da grandi periodi e si propagano soltanto nello strato
superficiale della terra provocando i maggiori spostamenti. Infatti l‟energia che trasportano
si disperde più lentamente con la distanza e, pertanto, sono quelle che nei terremoti
provocano maggiori danni anche a notevole distanza. Si distinguono due tipi di onde L:
onde di Love L ed onde di Rayleigh R. Nelle onde di Love le particelle si muovono
perpendicolarmente alla direzione di propagazione, le onde R si muovono invece nella
direzione di propagazione ed in senso verticale descrivendo un‟ellisse nel piano verticale.
Le onde L, in caso di terremoti di particolare entità, possono dar luogo a scosse rotatorie
anche vorticose e ampie, con conseguenze devastanti.
Figura 2. Onde sismiche
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Per la caratterizzazione della sismicità di una regione e dei movimenti sismici del terreno
durante i terremoti violenti è necessaria la misura del moto sismico del terreno in un punto.
In particolare la misura del moto sismico diventa necessaria per i seguenti motivi:
Localizzazione di eventi importanti, studi sismotettonici, di sismicità regionale, e di
predizione dei terremoti. Tipicamente basati sull‟impiego di reti sismiche, usano i
parametri focali e la distribuzione spazio-temporale dei terremoti per determinare le
zone sismogenetiche, o per seguire le variazioni di attività e proprietà fisiche nel
tempo a scopo di predizione.
Osservazioni sulla sismicità a breve termine, mediante strumentazione portatile o
temporanea, per lo studio di piccoli terremoti locali, l‟ identificazione di faglie
simicamente attive, o lo studio della sismicità indotta dal riempimento di invasi per
impianti idroelettrici.
Osservazioni di repliche di terremoti importanti, per valutare la natura della faglia
sismogenetica, il decadimento temporale dell‟energia rilasciata, gli effetti di sito.
Assumono particolare importanza per decisioni a breve termine nell‟ ambito della
protezione civile.
Registrazioni accelerografiche di scosse violente ( “strong-motion” ) generate da
terremoti moderati o forti, anche a distanza molto ravvicinata dalla sorgente, a fini
di progettazione antisismica della costruzioni o di studi sismologici della sorgente
stessa. Viene utilizzata anche strumentazione installata in edifici per misurare in
dettaglio il comportamento dinamico durante un terremoto.
Indagini geofisiche a piccola profondità, basate sull‟impiego di metodi della
sismica attiva e passiva, per determinare stratigrafia e proprietà dinamiche dei
terreni, variazioni laterali nella geologia di superficie, profondità di falda, ecc.
Gli strumenti di misura utilizzati per le registrazioni delle onde sismiche sono i sismografi
e gli accelerografi (analogici o digitali ) che misurano gli spostamenti del terreno in
funzione del tempo.
La Rete Accelerometrica Nazionale, denominata RAN, dal 1998 è divenuta proprietà del
Servizio Sismico Nazionale che sta gradualmente provvedendo a rinnovarla con
accelerografi digitali. Esistono tuttavia ancora molti accelerografi analogici, installati di
norma in cabine elettriche di trasformazione, che garantiscono condizioni abbastanza
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