Test distruttivi sugli isolatori elastomerici: una guida completa ai test sulle proprietà definitive GB/T 20688.1
1. Introduzione
Gli isolatori elastomerici - noti anche come isolatori sismici elastomerici - sono componenti critici nella protezione sismica di edifici e ponti. Supportano carichi verticali pesanti consentendo al tempo stesso un movimento orizzontale controllato, isolando le strutture dagli effetti dannosi dei terremoti. Ma come fanno gli ingegneri a dimostrare che un cuscinetto resisterà a carichi estremi senza cedimenti catastrofici?
La risposta sta nelle prove distruttive: il processo di caricamento deliberato di un cuscinetto finché non si rompe, si deforma o si ribalta. In Cina, questo è regolato dallo standard nazionale GB/T 20688.1-2007, Isolatore elastomerico - Parte 1: Metodi di prova degli isolatori di protezione sismica, un'adozione modificata della norma ISO 22762-1. In Europa requisiti equivalenti sono fissati dalla norma EN 15129:2018, Dispositivi Antisismici. Questo articolo spiega cosa comporta il test distruttivo degli isolatori elastomerici, perché è importante e come GB/T 20688.1 struttura queste procedure e le confronta con EN 15129.
2. Cos'è un cuscinetto in gomma?
Un cuscinetto in gomma è un dispositivo laminato costituito da strati alternati di gomma e sottili piastre di acciaio, legati insieme durante la vulcanizzazione. Le piastre in acciaio confinano la gomma lateralmente, conferendo al cuscinetto un'elevata rigidità verticale mantenendo bassa la rigidità orizzontale. I tipi comuni coperti dallo standard includono:
LNR (cuscinetto lineare in gomma naturale): fornisce elasticità senza smorzamento significativo.
LRB (Lead Rubber Bearing) - contiene un nucleo di piombo verticale che dissipa l'energia sismica.
HDR (cuscinetto in gomma ad alto smorzamento): utilizza una gomma appositamente composta per assorbire l'energia.
Questi appoggi vengono utilizzati sia per l'isolamento sismico di edifici che di ponti.
3. Cosa conta come test "distruttivo"?
Secondo GB/T 20688.1, un cuscinetto raggiunge le sue proprietà finali quando sperimenta uno dei tre stati di cedimento:
Rottura - frattura del cuscinetto causata dalla combinazione di compressione (o tensione) e carico di taglio.
Instabilità: perdita di stabilità sotto compressione e taglio combinati.
Roll-out - instabilità di ribaltamento o rotolamento che può verificarsi nei cuscinetti collegati a tasselli o scanalature durante lo spostamento orizzontale.
Il diagramma delle proprietà ultime (UPD) registra la relazione tra la forza di taglio e lo spostamento di taglio nel punto di rottura, il risultato principale delle prove distruttive. La EN 15129 applica lo stesso quadro concettuale di rottura sotto carico di compressione-taglio, espresso come comportamento ultimo a rottura o instabilità.
4. Test distruttivi a livello di materiale in gomma
Prima di testare i cuscinetti interi, la norma richiede prove distruttive sul materiale in gomma stesso, seguendo le norme cinesi di riferimento:
Proprietà a trazione (GB/T 528): misura la resistenza alla trazione, l'allungamento a rottura e il modulo al 100% di deformazione.
Frattura/rottura a taglio (GB/T 12830): un metodo di taglio a quattro piastre che determina lo stress di rottura e la deformazione della mescola di gomma.
Forza di legame (GB/T 7760): valuta il tipo di cedimento all'interfaccia gomma-metallo, verificando il legame vulcanizzato che tiene insieme il cuscinetto.
Questi test confermano la resistenza di base del materiale e la sua adesione alle piastre di acciaio, prerequisiti per qualsiasi test distruttivo a grandezza naturale. La norma EN 15129 specifica analogamente la caratterizzazione del composto elastomerico, tra cui durezza, trazione, lacerazione, deformazione permanente, invecchiamento con ozono e forza di adesione ai substrati.
5. Test definitivi a livello di isolatore
5.1 Prova ultima delle proprietà di taglio
La prova distruttiva più importante è la prova delle proprietà di taglio ultimo. Il cuscinetto è soggetto a una sollecitazione di compressione costante di progetto mentre lo spostamento di taglio orizzontale aumenta fino al cedimento. Secondo GB/T 20688.1 sezione 6.5:
Il test viene eseguito sotto la massima sollecitazione di compressione di progetto.
Per i cuscinetti collegati tramite tasselli o scanalature, o quelli che possono subire sollevamento, il test viene condotto anche sotto la sollecitazione di compressione minima di progetto.
Lo stato di spostamento di taglio ultimo è definito come il punto di rottura, instabilità o rotolamento.
Se non si riscontrano danni evidenti e la curva forza-spostamento aumenta in modo monotono una volta raggiunto lo spostamento ultimo specificato, la prova può essere interrotta e la prestazione ultima viene determinata dalla forza di taglio massima e dallo spostamento registrato.
5.2 Prova di proprietà di trazione
Il sollevamento dei cuscinetti durante forti terremoti può mettere in tensione gli isolatori. GB/T 20688.1 sezione 6.6 richiede pertanto una prova di trazione con uno spostamento di taglio costante, con tensione applicata lentamente finché il provino non cede o si rompe. La norma definisce:
Forza di trazione di snervamento - determinata intersecando la curva di prova con una linea sfalsata dell'1% dello spessore interno totale della gomma da una linea di riferimento basata sul modulo di taglio.
Forza di rottura a trazione e corrispondente deformazione di taglio.
Le prestazioni del cuscinetto in termini di taglio e tensione combinati sono fondamentali per le strutture in cui sono previsti momenti ribaltanti.
5.3 Test delle proprietà di compressione
Sebbene sia principalmente un test di funzionalità, la compressione costituisce la base per la valutazione distruttiva. Il carico viene applicato in cicli 0–Pmax–0 ripetuti tre volte (o uno schema multi-step equivalente) e la rigidezza a compressione verticale (Kv) viene calcolata dal terzo ciclo. La rigidezza a compressione deve essere stabilita prima delle prove di taglio e di ultimazione, poiché la stabilità dell'appoggio dipende dall'effetto confinante del carico verticale.
6. Condizioni del test e preparazione dei campioni
Prove distruttive affidabili richiedono un controllo rigoroso delle condizioni di prova:
Condizionamento: i campioni vengono conservati a temperatura standard (23 gradi) per un periodo definito prima del test.
Cicli di carico: le prove di taglio utilizzano 3 o 11 cicli di carico; le prestazioni vengono prese dal terzo ciclo o calcolate la media sui cicli 2-11.
Livelli di deformazione al taglio: i test coprono un ampio intervallo, dal ±5% fino al ±400%, consentendo agli ingegneri di mappare il comportamento fino al cedimento.
Frequenza e temperatura: la frequenza di carico e la temperatura (da −20 gradi a 40 gradi) sono selezionate per rappresentare le condizioni di servizio, poiché le proprietà della gomma dipendono dalla velocità e dalla temperatura.
Sensori di spostamento: almeno due sensori sono disposti simmetricamente, con la media dei valori misurati.
7. Confronto con la EN 15129:2018 (Norma Europea per i Dispositivi Antisismici)
7.1 Panoramica della EN 15129
La EN 15129:2018, pubblicata dal CEN, è la norma europea armonizzata per i dispositivi antisismici. A differenza di GB/T 20688.1 - che è principalmente uno standard di metodo di prova, EN 15129 è uno standard completo di prodotto e conformità che integra requisiti funzionali, regole generali di progettazione per la situazione sismica, caratteristiche dei materiali, requisiti di produzione e test, valutazione della conformità (marcatura CE), installazione e manutenzione per dispositivi dipendenti dallo spostamento come i cuscinetti elastomerici.
7.2 Somiglianze chiave
Nonostante i loro diversi ruoli, i due framework condividono diverse caratteristiche comuni:
Entrambi definiscono stati ultimi o di cedimento sotto carico di compressione-taglio (rottura e instabilità; il roll-out è affrontato nel quadro cinese).
Entrambi richiedono prove di rigidità a compressione, prove combinate di compressione-taglio e taglio o carico in rampa per caratterizzare il comportamento dell'isolatore.
Entrambi coprono isolatori elastomerici di tipo LNR, LRB e HDR.
Entrambi prescrivono test sui materiali in gomma (trazione, durezza, adesione, invecchiamento) come prerequisiti per la qualificazione dell'intero cuscinetto.
7.3 Differenze chiave
Le principali differenze riflettono lo scopo e la struttura di ciascun standard:
Ambito e ruolo. GB/T 20688.1 è uno standard di metodo di prova basato su ISO 22762-1; La norma EN 15129 è uno standard completo di progettazione, conformità e marcatura CE.
Protocollo di caricamento. GB/T 20688.1 conduce prove di taglio sotto una sollecitazione di compressione costante. La EN 15129, soprattutto per le classi di massima importanza, richiede un carico accoppiato verticale-orizzontale per riprodurre l'effetto P-Δ.
Limiti di progettazione. La norma EN 15129 limita la massima deformazione di taglio totale di progetto (tipicamente εq,max Inferiore o uguale a 2,5, ovvero . 250%) sotto lo spostamento sismico di progetto. GB/T 20688.1 testa le deformazioni di taglio fino a ±400% e consente l'arresto quando non si verificano danni e la curva forza-spostamento aumenta in modo monotono.
Classi di importanza. La norma EN 15129 classifica le strutture in classi di importanza e impone test più severi sui prototipi per gli edifici critici (ad esempio ospedali e centri di emergenza). GB/T 20688.1 applica un approccio di prova di tipo uniforme senza classificazione di importanza.
Conformità. La norma EN 15129 lega i test alle procedure di valutazione della conformità e al controllo della produzione in fabbrica per la marcatura CE; GB/T 20688.1 supporta l'ispezione del tipo nell'ambito del regime di certificazione del prodotto cinese.
Frequenza di smorzamento. La norma EN 15129 specifica i test di smorzamento a una frequenza di riferimento come 0,5 Hz; GB/T 20688.1 elenca i gruppi di frequenza che vanno da 0,05 Hz a 2,0 Hz.
7.4 Tabella comparativa riassuntiva
|
Aspetto |
GB/T20688.1-2007 |
EN15129:2018 |
|
Ruolo standard |
Standard del metodo di prova (MOD ISO 22762-1:2005) |
Prodotto + norma di conformità (marcatura CE) |
|
Ambito |
Isolatori sismici per edifici e ponti |
Dispositivi antisismici, compresi appoggi elastomerici |
|
Stati di fallimento |
Rottura, cedimento, rotolamento |
Comportamento ultimo alla rottura/instabilità |
|
Carico della prova di taglio |
Sollecitazione di compressione costante |
Carico verticale-orizzontale costante più accoppiato (P-Δ) per classi ad alta importanza |
|
Intervallo di deformazione di taglio |
Testato fino a ±400% |
Limite di progettazione εq,max Inferiore o uguale a 2,5 (250%) |
|
Frequenza del test di smorzamento |
Gruppi 0,05–2,0 Hz |
Frequenza di riferimento, ad es.. 0.5 Hz |
|
Classificazione di importanza |
Prove di tipo uniforme |
Classi di importanza; test più severi per gli edifici critici |
|
Conformità |
Supporta l'ispezione del tipo cinese |
Marcatura CE + controllo della produzione in fabbrica |
Tabella 1 - Confronto tra GB/T 20688.1 e EN 15129 per i test sugli isolatori elastomerici
8. Perché i test distruttivi sono importanti
Le prove distruttive hanno uno scopo semplice ma essenziale: dimostrare che un cuscinetto non cederà davanti alla struttura che protegge. L'isolamento sismico funziona solo se il cuscinetto sopravvive al più grande terremoto previsto. Spingendo deliberatamente i cuscinetti alla rottura, alla deformazione e al rotolamento, produttori e ingegneri:
Verificare che le ipotesi di progettazione relative alla capacità ultima siano corrette.
Produrre diagrammi delle proprietà ultime (UPD) utilizzati direttamente nella progettazione sismica.
Identificare i punti deboli nei materiali, nell'incollaggio o nella produzione.
Stabilire parametri di riferimento di qualità per le prove di tipo e le ispezioni di routine.
Poiché questi test distruggono il campione, vengono generalmente eseguiti su prototipi o cuscinetti di prova di tipo piuttosto che su ogni unità di produzione. Sia GB/T 20688.1 che EN 15129 si basano su questi test definitivi per convalidare il margine di sicurezza degli isolatori sottoposti a carichi estremi di compressione-taglio.
9. Conclusione
Le prove distruttive degli isolatori elastomerici, come definito da GB/T 20688.1-2007, sono l'ultima linea di difesa nella progettazione sismica. Dalle prove di trazione e frattura sulla mescola di gomma alle prove definitive di taglio, trazione e compressione a grandezza naturale, lo standard fornisce un quadro completo per verificare che gli isolatori elastomerici possano sopportare carichi estremi e continuare a svolgere la loro funzione salvavita.
Rispetto alla norma EN 15129:2018, i due quadri perseguono lo stesso obiettivo concettuale – dimostrare che un cuscinetto sopravvive a carichi estremi di compressione-taglio – ma differiscono nell’enfasi. GB/T 20688.1 offre un ampio quadro di test basato esclusivamente sul metodo che raggiunge deformazioni di taglio molto elevate (fino a ±400%) e copre rottura, deformazione e rotolamento, mentre EN 15129 incorpora i test all'interno di un sistema di progettazione e conformità armonizzato, impone un limite di deformazione di taglio del 250% di progettazione, requisiti di qualità per classe di importanza e richiede carichi accoppiati verticale-orizzontale per strutture critiche. Per gli ingegneri che lavorano a livello globale, comprendere entrambi gli standard è essenziale: un cuscinetto qualificato ai sensi della norma GB/T 20688.1 può essere convalidato rispetto ai requisiti EN 15129 con le opportune modifiche al protocollo e ai limiti di carico.
Che tu sia un ingegnere strutturale, un produttore o un ricercatore che lavora con isolatori LNR, LRB o HDR, padroneggiare queste procedure di test distruttivi è essenziale per garantire la sicurezza e l'affidabilità dei sistemi di isolamento sismico in qualsiasi giurisdizione.
