Differenze chiave tra isolatori elastomerici e scorrevoli nella protezione sismica

L'isolamento sismico è una strategia fondamentale per proteggere le strutture dai danni indotti dai terremoti, riducendo la trasmissione del moto del terreno all'edificio. Due principali tipologie di isolatori ampiamente utilizzati nei sistemi di isolamento sismico sono gli isolatori elastomerici e quelli scorrevoli. Sebbene entrambi servano a minimizzare le forze sismiche, differiscono sostanzialmente per materiali, meccanica, caratteristiche progettuali e prestazioni.

1. Composizione e struttura
Gli isolatori elastomerici sono composti principalmente da strati di materiali elastomerici come gomma naturale o sintetica, alternati a sottili piastre di acciaio incollate insieme per formare un cuscinetto laminato. Questi elastomeri forniscono flessibilità laterale, mentre le piastre di acciaio contribuiscono a una significativa rigidità verticale e prevengono il rigonfiamento laterale della gomma sotto carico. Tra le varianti figurano i cuscinetti in gomma ad alto smorzamento (HDRB) e i cuscinetti in gomma-piombo (LRB), questi ultimi contenenti un nucleo di piombo per una maggiore dissipazione di energia attraverso la deformazione del piombo.

Al contrario, gli isolatori scorrevoli funzionano attraverso un'interfaccia di scorrimento ad attrito tra la struttura e le sue fondamenta. Spesso incorporano superfici di appoggio in acciaio o acciaio inossidabile rivestite con materiali a basso attrito come il Teflon o compositi simili. Tra i tipi più comuni vi sono i cursori piani e i cursori a superficie curva come i sistemi a pendolo a frizione (FPS). Questi isolatori sfruttano il movimento di scorrimento controllato durante gli eventi sismici per disaccoppiare la struttura dal moto del terreno.

2. Portata e rigidità
Gli isolatori elastomerici offrono un'elevata capacità di carico verticale e sono rigidi sotto compressione verticale, consentendo loro di supportare pesi edilizi considerevoli con una deformazione verticale minima. La loro flessibilità in direzione orizzontale si traduce in una significativa capacità di spostamento laterale e consente la dissipazione di energia tramite isteresi del materiale, soprattutto nei cuscinetti in gomma-piombo.

Gli isolatori scorrevoli gestiscono i carichi verticali attraverso una combinazione di interfaccia scorrevole e spesso di un meccanismo di ripristino ausiliario come molle o cuscinetti laminati. La loro rigidezza verticale è generalmente inferiore rispetto ai cuscinetti elastomerici, ma possono sopportare spostamenti orizzontali maggiori, talvolta fino a +/- 1000 mm, il che li rende adatti a strutture che richiedono un'elevata capacità di movimento in presenza di forti sollecitazioni sismiche.

3. Meccanismi di dissipazione dell'energia
La dissipazione di energia negli isolatori elastomerici avviene principalmente attraverso le caratteristiche di smorzamento intrinseche degli strati di gomma e, nei cuscinetti in gomma-piombo, attraverso la deformazione plastica del nucleo di piombo. Il rapporto di smorzamento per questi dispositivi può variare tipicamente da circa il 20% (HDRB) al 30% (LRB).

Gli isolatori scorrevoli dissipano l'energia tramite l'attrito generato tra le superfici di scorrimento durante il moto relativo. Ad esempio, i sistemi a pendolo a frizione dissipano l'energia tramite l'azione di scorrimento di un cursore su una superficie concava curva, combinata con una forza di richiamo creata dall'effetto pendolo del peso della struttura. Il fattore di smorzamento per attrito in questi sistemi può superare il 30%, rendendoli altamente efficaci nell'attenuazione dell'energia sismica.

4. Caratteristiche del movimento e ripristino
Gli isolatori elastomerici mostrano flessibilità laterale ma non presentano una separazione fisica significativa tra la struttura e la fondazione. Il movimento è principalmente dovuto a deformazione all'interno degli strati elastomerici. Le proprietà di rigidezza dell'isolatore regolano lo spostamento laterale e la sua capacità di tornare alla posizione originale è elastica.

Gli isolatori scorrevoli consentono uno spostamento relativo effettivo consentendo il movimento sulla superficie di scorrimento. Il ripristino della posizione di equilibrio si ottiene tramite meccanismi come molle ad alta tensione o la geometria di cursori curvi. Gli isolatori scorrevoli possono causare un leggero spostamento verticale (sollevamento) della struttura a causa della curvatura nei sistemi a pendolo, che dovrebbe essere considerato nelle integrazioni progettuali.

5. Applicazioni tipiche e idoneità
Gli isolatori elastomerici sono comunemente utilizzati in edifici e ponti che richiedono un supporto di carichi verticali da moderati ad elevati e spostamenti laterali moderati. La loro compattezza, le prestazioni comprovate e la facilità di produzione li rendono diffusi in molti progetti di isolamento sismico.

Gli isolatori scorrevoli sono spesso preferiti nei casi in cui gli spostamenti sismici previsti sono molto grandi o quando la struttura e le sue connessioni possono assorbire grandi movimenti relativi. Sono ampiamente utilizzati nelle infrastrutture critiche, nell'isolamento di macchinari pesanti e in strutture in cui sono necessarie un'elevata dissipazione di energia e una lunga capacità di spostamento.

6. Limitazioni e considerazioni
Gli isolatori elastomerici possono perdere parte della loro capacità di carico verticale in caso di spostamenti laterali molto ampi a causa di effetti di rigonfiamento. Inoltre, la loro capacità di dissipazione di energia, sebbene significativa, può in alcuni casi essere inferiore a quella dei sistemi basati sull'attrito.

Gli isolatori scorrevoli richiedono un'attenta progettazione dei coefficienti di attrito, dei meccanismi di ripristino e dei limiti di spostamento per prevenire movimenti relativi eccessivi che potrebbero danneggiare i sistemi collegati. Generalmente non si combinano bene con cuscinetti elastomerici nella stessa struttura perché l'effetto di sollevamento nei punti di scorrimento può causare movimenti differenziali.

In sintesi, gli isolatori elastomerici sono dispositivi laminati in gomma e acciaio che offrono rigidezza verticale e flessibilità laterale con dissipazione di energia tramite smorzamento del materiale, ideali per applicazioni con carichi da moderati ad elevati con spostamenti controllati. Gli isolatori scorrevoli si basano su superfici di scorrimento ad attrito e meccanismi di ripristino per assorbire grandi spostamenti sismici con elevata dissipazione di energia, adatti a scenari che richiedono un'elevata capacità di movimento e maggiori effetti di smorzamento. La scelta tra questi isolatori dipende dai requisiti strutturali, dalle condizioni di carico, dal moto sismico previsto e da specifici criteri prestazionali.

Queste distinzioni sono ben documentate nella letteratura ingegneristica e nelle revisioni della tecnologia di isolamento sismico.[1][2][3]

[1]https://www.extrica.com/article/18455
[2]https://avestia.com/CSEE2019_Proceedings/files/paper/ICSECT/ICSECT_151.pdf
[3]https://www.mageba-group.com/in/en/1078/223329/What-you-should-know-about-sismic-isolation-solutions.htm