Recenti applicazioni dei sistemi di controllo passivo delle vibrazioni

Alessandro Martelli
ACS-PROTPREV – Sezione Prevenzione Rischi Naturali e Mitigazione Effetti, Dipartimento Ambiente,
Cambiamenti Globali e Sviluppo Sostenibile. Ente per le Nuove tecnologie, l’Energia e l’Ambiente (ENEA);
Facoltà di Architettura, Università di Ferrara; Anti-Seismic Systems International Society (ASSISi) e GLIS –
Isolamento ed altre Strategie di Progettazione Antisismica (GLIS). ENEA, Via Martiri di Monte Sole 4, 40135
Bologna.
ANIDIS2009BOLOGNA
Recenti applicazioni dei sistemi di controllo passivo delle vibrazioni
sismiche – Parte 1: Giappone, Cina, Federazione Russa e Stati Uniti
d’America
Massimo Forni
ACS-PROTPREV. ENEA; ASSISi e GLIS. ENEA, Via Martiri di Monte Sole 4, 40135 Bologna.
Keywords: Isolamento sismico; Dissipazione d’energia; Shock transmitter unit; Dispositivi in leghe a memoria di
forma.
ABSTRACT
Attualmente vi sono, nel mondo, già oltre 10·000 strutture protette da sistemi o dispositivi di controllo passivo delle
vibrazioni sismiche (sistemi d’isolamento o di dissipazione d’energia, “shock transmitter unit”, dispositivi in leghe
a memoria di forma, ecc.), situate in oltre 30 paesi. L’uso di questi sistemi e dispositivi è ovunque in continua
crescita e riguarda un numero sempre maggiore di paesi, ma è ovunque influenzato, in modo determinante, dalle
caratteristiche della normativa applicata. Un forte impulso alla loro affermazione si deve anche agli effetti di
terremoti violenti, con il crollo delle strutture costruite in modo convenzionale e, al contrario, l’ottimo
comportamento di importanti opere da essi protette (soprattutto, ma non solo, dall’isolamento sismico),
specialmente in Giappone. In questo articolo è riportato lo stato dell’arte delle applicazioni dei sistemi e dei
dispositivi antisismici appunto in Giappone, che è di gran lunga leader a livello mondiale per numero di tali
applicazioni, e nei tre paesi che attualmente lo seguono: la Repubblica Popolare Cinese, la Federazione Russa e gli
Stati Uniti d’America. Particolare attenzione è dedicata alle realizzazioni effettuate nell’ultimo biennio. Le
applicazioni in Italia e quelle negli altri paesi sono oggetto di due articoli separati.
1
INTRODUZIONE
Attualmente vi sono, nel mondo, già oltre
10·000 strutture, di nuova costruzione od anche
esistenti, situate in oltre 30 paesi, che sono
protette mediante sistemi e dispositivi di controllo
passivo delle vibrazioni sismiche, cioè da sistemi
d’isolamento sismico (fig. 1) o di dissipazione
d’energia, ovvero da dispositivi in leghe a
memoria di forma (Shape Memory Alloy Device o
SMAD) o ritegni oleodinamici di vincolo
provvisorio (Shock Transmitter Unit o STU).
Questi ultimi entrano in funzione, irrigidendo la
struttura, solo quando gli elementi da essi
connessi sono soggetti a movimenti relativi
rapidi, come accade durante un terremoto.
Le strutture suddette sono sia ponti o viadotti,
sia edifici di tutti i tipi (strategici, pubblici e
residenziali, anche privati), sia impianti e
componenti industriali (pure a rischio di incidente
rilevante, come quelli nucleari ed alcuni chimici),
sia opere afferenti al patrimonio culturale (edifici
monumentali, musei, coperture di scavi
archeologici, teche museali e singoli capolavori).
Figura 1. Numero totale degli edifici isolati sismicamente
completati in ottobre 2008 nei paesi che maggiormente
utilizzano i sistemi ed i dispositivi antisismici.
La prima moderna applicazione dei sistemi
antisismici fu, negli anni ’60, l’isolamento della
scuola Johan Heinrich Pestalozzi a Skopje,
costruita a seguito del violento terremoto che
aveva distrutto la città nel 1963 (Martelli e Forni,
2009a). Attualmente, l’uso dei sistemi e dei
dispositivi suddetti è ovunque in continua crescita
e riguarda un numero sempre maggiore di paesi,
ma è ovunque influenzato, in modo determinante,
dalle caratteristiche della normativa applicata.
Un forte impulso all’affermazione di tali
sistemi e dispositivi si deve tuttora anche agli
effetti di terremoti violenti, a seguito dei crolli
delle strutture costruite in modo convenzionale e,
al contrario, del costante ottimo comportamento
di importanti opere protette con i sistemi e dei
dispositivi suddetti (soprattutto, ma non solo,
d’isolamento): ciò si è riscontrato principalmente
(già in numerose occasioni, a partire dal
terremoto di Hyogo-ken Nanbu del 1995) in
Giappone, ma importanti esperienze riguardano
anche altri paesi, come l’Italia (terremoto del
Friuli del 1976), gli Stati Uniti d’America
(terremoti di Loma Prieta del 1989 e di
Northridge del 1994), la Federazione Russa
(terremoti di Sakhalin), la Turchia (terremoti di
Kokaeli e Duzce del 1999) e, in particolare
durante il disastroso terremoto di Wenchuan del
12 maggio 2008, la Repubblica Popolare Cinese.
Questo articolo riassume brevemente le più
recenti applicazioni dei sistemi e dei dispositivi
antisismici nei quattro paesi ove esse sono più
numerose (in ordine decrescente, Giappone,
Repubblica Popolare Cinese, Federazione Russa e
Stati Uniti d’America), sulla base dei dati forniti
dai soci delle associazioni ASSISi (Anti-Seismic
Systems International Society) e GLIS (GLIS –
Isolamento ed altre Strategie di Progettazione
Antisismica). Sono sottolineati i progressi fatti,
nei quattro succitati paesi, nell’ultimo biennio,
cioè rispetto alla situazione descritta nell’articolo
di Martelli e Forni (2007), presentato nella
passata edizione di Pisa dei convegni ANIDIS
“L’Ingegneria Sismica in Italia”, al quale si rinvia
per quanto attiene allo sviluppo dei sistemi e dei
dispositivi antisismici nei diversi paesi fino al
2007. Inoltre, maggiori dettagli sugli argomenti
oggetto di questo articolo ed una bibliografia più
completa sono reperibili nei libri di Martelli et al.
(2008) e Sannino et al. (2009), nonché
nell’articolo di Martelli (2009), mentre per le
applicazioni precedenti si rinvia, oltre che
all’articolo di Martelli e Forni (2007), ai libri di
Dolce et al. (2005 e 2006).
Le applicazioni in Italia e quelle negli altri
paesi sono oggetto di due articoli separati,
presentati da Martelli e Forni (2009b e 2009a) a
questo convegno.
Figura 2. Il grattacielo di 87,4 m di altezza (con periodo T
= 4 s), protetto a Tokyo nel 2000 da 30 isolatori
elastomerici a basso smorzamento (Low Damping Rubber
Bearing o LDRB) e 99 dissipatori elasto-plastici (ElasticPlastic Damper o EPD). Si tratta della prima applicazione
giapponese dell’isolamento sismico a grattacieli.
Figura 3. Uno degli isolatori LDRB del grattacielo di fig. 2,
dotati di un sistema antisollevamento (anti-uplift) .
Figura 4. Schema dell’isolatore di fig. 3.
ground) e, dall’altra, pure piccoli e leggeri edifici
privati (figg. 2-10).
Figura 5. L’Applause Building di Osaka (Giappone),
protetto da un sistema di controllo delle vibrazioni di tipo
ibrido, che sostiene un’elisuperficie.
2
Figura 6. Complesso di 21 edifici di 6÷14 piani, tutti eretti
su un’unica piastra di artificial ground a Sagamihara (area
di Tokyo), isolati con 48 isolatori gomma piombo (Lead
Rubber Bearing o LRB), 103 isolatori a scorrimento
(Sliding Device o SD) e 83 isolatori a sfere (Ball Bearing o
BB). L’isolamento sismico ha aumentato il periodo di
vibrazione della sovrastruttura (111,600 t) a T = 6,7 s, con
uno spostamento di progetto di 800 mm.
GIAPPONE
In base a quanto sottolineato nel Par. 1, non
meraviglia che, in conseguenza del terremoto di
Hyogo-ken Nanbu del 1995, dei numerosi
successivi violenti terremoti e del costante ottimo
comportamento degli edifici isolati sismicamente
o protetti da sistemi dissipativi durante tali eventi
ed anche grazie alla disponibilità di un’adeguata
specifica normativa dal 2000 ed alla
liberalizzazione dell’uso dell’isolamento sismico
dal 2001 (Martelli e Forni, 2007), il Giappone stia
sempre più consolidando la sua leadership a
livello mondiale, già da tempo acquisita, con gli
attuali oltre 5·000 edifici isolati (in aggiunta ad
altri 2·800 protetti con sistemi dissipativi e ad un
buon numero di ponti e viadotti isolati). In questo
paese, la tendenza è ora di isolare, da una parte,
anche grattacieli e gruppi di edifici sorretti da
un’unica grande struttura isolata (artificial
Figura 7. Vista laterale del grande garage situato sotto la
piastra di artificial ground di fig. 6, con gli isolatori protetti
dal fuoco.
Alla fine del 2008, infatti, i grattacieli isolati
erano già più di 120, in larga parte condomini
(Higashino e Kani, 2009), mentre fra gli edifici
summenzionati protetti da sistemi antisismici ben
3·000 erano le case private isolate (figg. 9 e 10) e
ben 2·000 quelle con dissipatori.
Recenti applicazioni giapponesi dei sistemi
antisismici di notevole interesse, mostrate nelle
figg. 11 e 12, riguardano l’installazione di
cosiddetti Active Damping Bridge (ADB) fra
grattacieli adiacenti, che dissipano energia grazie
al diverso comportamento vibratorio di tali
grattacieli, o di Green Mass Damper (GMD) alla
sommità di edifici di una certa altezza, che
fungono da dissipatori a masse accordate (Tuned
Mass Damper o TMD).
Un isolatore a
ricircolo di sfere.
Figura 10. Villetta giapponese protetta da isolatori a
ricircolo di sfere in acciaio, dissipatori viscosi (Viscous
Damper o VD) e dispositivi di ricentraggio.
Uno degli ADB.
Figura 11. Active Damping Bridge (ADB) fra due
grattacieli giapponesi.
Figura 8. Interno del grande garage situato sotto la piastra
di artificial ground di fig. 6, con gli isolatori protetti dal
fuoco.
Figura 12. Green Mass Damper (GMD), utilizzato come
dissipatore a masse accordate (Tuned Mass Damper o
TMD) per un edificio di 45 m di altezza nel complesso
residenziale di Keyaki-zaka, recentemente costruito
nell’area di Roppongi Hills a Tokyo (il giardino, di 1 m di
spessore, ha massa pari a 3·650 t, cioè all’8% della massa
totale dell’edificio, ed è sorretto da 46 isolatori elastomerici
(Rubber Bearing o RB) e 22 dissipatori viscoelastici
(Visco-Elastic Damper o VED).
Figura 9. Villetta giapponese protetta da 2 SD e 4 isolatori
elastomerici ad alto smorzamento (High Damping Rubber
Bearing o HDRB).
Figura 13. Retrofit con isolamento in sottofondazione del
monumento The Gates of Hell a Tokyo (1999).
In Giappone, infine, è iniziato l’uso di sistemi
d’isolamento tridirezionali (3D) e sono state
avviate importanti applicazioni dell’isolamento
sismico sia per la salvaguardia del patrimonio
culturale (figg. 13-15) che nel settore industriale.
In quest’ultimo settore le applicazioni riguardano,
in particolare, la protezione di strutture nucleari
(Martelli e Forni, 2007) e quella di stabilimenti
per la produzione di semiconduttori (figg. 16 e
17), che sono particolarmente vulnerabili anche a
fronte di piccole vibrazioni: di questi stabilimenti
3 sono state completati (Higashino e Kani, 2009).
Figura 17. Schema dello stabilimento di fig. 16.
Figura 14. Retrofit con isolamento in sottofondazione del
National Western Art Museum di Tokyo (progettato
dall’arch. Le Corbusier), situato in prossimità del
monumento The Gates of Hell di fig. 13.
Figura 18. L’edificio cinese isolato più alto (19 piani),
situato a Taiyuan City (Cina settentrionale).
Figura 15. Esempio di retrofit del patrimonio culturale
giapponese: il Daigokuden a Nara, iniziato nel 2001.
Figura 19. Un edificio cinese protetto da dissipatori VD.
3
Figura 16. Il primo stabilimento giapponese per la
fabbricazione di semiconduttori isolato simicamente
(altezza = 24,23 m, area calpestabile totale ≈ 27·000 m2).
REPUBBLICA POPOLARE CINESE
Al Giappone segue ora, per numero di
applicazioni dei sistemi e dei dispositivi
antisismici, la Repubblica Popolare Cinese, con
650 edifici isolati e decine di edifici protetti da
sistemi dissipativi (figg. 18 e 19), oltre a
numerosi ponti e viadotti isolati. Anche in questo
paese le nuove applicazioni delle tecnologie
suddette continuano a succedersi ad un ritmo
elevato, in particolare per gli edifici residenziali,
molti dei quali sono in muratura (Martelli e Forni,
2007), e proseguono grandi realizzazioni, come
quella riguardante i 50 edifici isolati del nuovo
centro residenziale di Pechino (Martelli e Forni,
2007). Di rilevo sono ora pure, come in
Giappone, l’uso di isolatori 3D negli edifici (figg.
20 e 21) e le prime applicazioni di artificial
ground (figg. 22 e 23), oltre all’isolamento
sismico di stadi, alla base o (se di grande luce) a
livello della copertura (figg. 24 e 25), a quello
alla base per la protezione degli impianti
industriali (ad esempio con le prime applicazioni
cinesi ai serbatoi di gas naturale liquefatto
mostrate da Martelli e Forni, 2007) ed alla
protezione sismica di edifici storici e di singoli
monumenti con dispositivi d’isolamento sismico
(fig. 26) o SMAD.
Figura 23. Edifici di fig. 22 durante la costruzione.
Figura 20. Nuovi edifici a Canton con isolatori elastomerici
3D per la protezione dalle vibrazioni sia sismiche che da
traffico. Applicazioni simili si trovano a Pechino.
Figura 24. Stadio cinese (23·000 m2) protetto da isolatori
RB e dissipatori VD (l’isolamento ha comportato la
riduzione della risposta sismica di un fattore 4,2).
Figura 21. Uno degli isolatori di fig. 20 e schema degli
isolatori (4 = elemento per l’isolamento verticale).
Dettaglio del
sistema
d’isolamento
della copertura.
Figura 25. Isolamento sismico della copertura del Centro
stampa e ristorante dell’Autodromo di F1 di Shanghai.
Figura 22. Gruppo di edifici dei quartieri generali della
China Earthquake Administration costruiti a Pechino su
un’unica piastra isolata di artificial ground.
Nella Repubblica Popolare Cinese, a seguito
dell’ottimo comportamento degli edifici isolati
durante il terremoto di Wenchuan del 12 maggio
2008, molto diversamente da quanto è accaduto
per quelli fondati convenzionalmente (figg. 2729), è prevedibile, nel prossimo futuro, un’ancora
più estesa utilizzazione dei sistemi e dei
dispositivi antisismici (a proposito dei suddetti
edifici isolati, si nota che, oltre a due in cemento
armato, ve ne era uno, di ben 6 piani, in muratura,
che risulta essere il primo edificio così costruito
ad aver superato indenne un sisma violento).
Figura 29. Assenza anche di danni non strutturali
nell’edificio isolato di fig. 28 durante il terremoto di
Wenchuan del 2008.
Figura 26. Esempio di isolamento sismico di monumenti
cinesi.
Figura 30. Retrofit con HDRB della scuola di Alexandrovsk
-Sakhalinsky (Federazione Russa).
Figura 27. Gravi danni riportati da un edificio cinese in
cemento armato fondato convenzionalmente durante il
terremoto di Wenchuan del 12 maggio 2008 (l’edificio era
stato progettato per resistere a sismi nettamente meno
violenti, cioè d’intensità IMMS = 7).
Figura 31. Nuovo complesso alberghiero a Sochi
(Federazione Russa), protetto da 156 LRB (27 piani, oltre a
2 interrati; altezza ≈ 93 m; area calpestabile = 40·000 m2).
4
Figura 28. Assenza di danni (nonostante la forte sottostima
della pericolosità sismica) in un edificio cinese in cemento
armato isolato simicamente durante il terremoto di
Wenchuan del 12 maggio 2008.
FEDERAZIONE RUSSA
I notevoli progressi nell’uso dei sistemi e dei
dispositivi antisismici nella Repubblica Popolare
Cinese hanno fatto recentemente retrocedere al
terzo posto (per numero di strutture protette con
tali sistemi e dispositivi) la Federazione Russa,
dove risultano esservi attualmente circa 600
edifici isolati: qui, infatti, le nuove applicazioni
delle moderne tecnologie antisismiche (che sono
principalmente d’isolamento) procedono con una
certa lentezza da diversi anni, sebbene ora
annoverino interessanti realizzazioni e progetti,
sia di adeguamento sismico (retrofit) di edifici
monumentali che per grattacieli di nuova
costruzione (vedi Martelli e Forni, 2007, e figg.
30-32). Queste realizzazioni e questi progetti
utilizzano finalmente sistemi d’isolamento “di
tipo occidentale”, nettamente più affidabili degli
isolatori in cemento armato a forma di fungo
rovesciato utilizzati fino a qualche anno fa nella
maggior parte dei paesi dell’ex-URSS (Armenia
esclusa). È da notare che, per alcuni dei
grattacieli russi isolati in costruzione a Sochi,
sono stai adottati isolatori di produzione italiana.
Figura 32 Nuovo centro commerciale a Sochi, con cinema,
parcheggio sotterraneo e uffici, protetto da 200 LRB (21
piani, oltre al piano terra ed a 2 piani interrati; altezza ≈ 100
m; area calpestabile = 50·000 m2).
Figura 34. Il Municipio di S. Francisco, distrutto dal sisma
del 1906 (vedi sopra), ricostruito nel 1912, danneggiato dal
sisma di Loma Prieta del 1989 ed adeguato nel 2000 con
530 LRB e 62 SD (costo del retrofit di 105 MUS$, con
risparmio, grazie all’isolamento sismico, di 11 MUS$).
Figura 35. Asian Art Museum, adeguato simicamente
dall’arch. Gae Aulenti con HDRB a San Francisco (USA).
5
Figura 33: Centro della protezione civile di San Francisco
(USA), progettato per sismi di magnitudo M = 8,3 e vista di
un suo RB e del fail-safe system (fine secolo scorso).
STATI UNITI D’AMERICA
Al quarto posto, per numero delle applicazioni
dei sistemi e dei dispositivi antisismici, restano
gli Stati Uniti d’America, dove, a causa della
normativa molto penalizzante in vigore per gli
edifici isolati sismicamente (nonostante l’ottimo
comportamento di alcuni di essi durante il sisma
di Northridge del 1994), il numero di nuove
realizzazione di questo tipo resta limitato
(Martelli e Forni, 2007). Infatti, gli edifici isolati
continuano a risultare tra 100 e 200, sebbene in
gran parte molto importanti e per la metà oggetto
di retrofit, e ad essere attuati soprattutto per
edifici strategici e pubblici (figg. 33-39).
Al contrario, l’uso dei sistemi e dei dispositivi
antisismici prosegue in modo soddisfacente per i
ponti ed i viadotti (con 600÷650 applicazioni
sparse in tutto il paese, vedi figg. 40-43) e, per la
dissipazione d’energia, anche per gli edifici.
Figura 37. Taglio delle fondazioni del Civic Centre di
Berkeley di fig. 36, per l’inserimento degli HDRB.
Figura 35. Taglio delle pareti portanti ed inserimento degli
HDRB durante il retrofit dell’Asian Art Museum di San
Francisco, mostrato nella fig. 34.
Figura 38. Corte d’Appello di San Francisco, adeguata
sisimicante con isolatori ”a pendolo scorrevole” (Friction
Pendulum System o FPS).
Figura 39. Kerkhoff Hall (USA), pure isolata sismicamente
(A=8·300 m2, 6 piani).
Figura 36. Retrofit con HDRB del Civic Centre di
Berkeley, California (USA).
Figura 40. Carquinez Bridge, California (USA): retrofit con
dispositivi STU di produzione italiana.
Figura 41. Un STU durante la sua installazione nel
Carquinez Bridge di fig. 40.
strutture protette con tali tecnologie nelle aree
epicentrali. Ciò spiega sia il successo dei sistemi
e dei dispositivi antisismici in Giappone e (pure
se in misura minore) nella Repubblica Popolare
Cinese e nella Federazione Russa, sia, invece, le
difficoltà di crescita del numero delle
applicazioni dell’isolamento sismico agli edifici
negli Stati Uniti d’America, a causa di una
normativa molto penalizzante e nonostante
l’ottimo comportamento degli edifici isolati
durante il terremoto di Northridge del 1994.
Le applicazioni dei sistemi e dei dispositivi
antisismici in Italia e negli altri paesi, con
particolare attenzione alle più recenti, sono
riportate negli articoli di Martelli e Forni (2009b
e 2009c), pure presentati a questo convegno.
BIBLIOGRAFIA
Figura 42. Marquam Bridge, Oregon (USA), adeguato
simicamente con RB ed EPD prodotti in Italia.
Figura 43. Dispositivi del sistema d’isolamento sismico del
Marquam Bridge di fig. 42.
6
CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE
Sono state citate, specialmente per gli edifici,
le più recenti applicazioni delle moderne
tecnologie antisismiche e le prospettive per il
futuro nei quattro paesi che di tali applicazioni ne
vantano il maggior numero, a livello mondiale: in
Giappone (che è di gran lunga il paese leader),
nella Repubblica Popolare Cinese (che pure vede
ora una forte crescita delle realizzazioni), nella
Federazione Russa e negli Stati Uniti d’America.
Si è sottolineato che, in ogni paese,
l’affermazione delle tecnologie in oggetto
dipende fortemente da tre fattori: la disponibilità
di una normativa specifica adeguata, la frequenza
di terremoti violenti od anche solo significativi e
l’esperienza maturata durante tali eventi, in
particolare (ma non solo) grazie alla presenza di
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