Introduzione completa alle raccomandazioni per la progettazione di edifici isolati dalla base

Raccomandazione per la progettazione diEdifici isolati di base(Titolo cinese: 隔震结构设计), compilato dall'Istituto di Architettura del Giappone (AIJ) e tradotto da Liu Wenguang con correzione di bozze di Feng Demin, è stato pubblicato per la prima volta da Earthquake Press nel dicembre 2005. Come opera fondamentale iningegneria dell'isolamento sismico, questo libro presenta sistematicamente i principi di progettazione, i dettagli tecnici, i casi pratici e i dati di supporto diedifici base-isolati, fungendo da riferimento fondamentale per ingegneri strutturali, ricercatori e studenti a livello globale-soprattutto quelli inregioni-a rischio sismicocome il Giappone, gli Stati Uniti e l’Europa.

Il libro è strutturato in quattro parti, ciascuna con un chiaro posizionamento funzionale:

1. Parte 1: Progettazione diStrutture isolate di base: Si concentra sui concetti fondamentali, comprese le caratteristiche distrutture isolate, panoramica didispositivi di isolamento, principi generali di progettazione, input del moto del suolo e progettazione strutturale. Pone le basi teoriche per la progettazione pratica.
2. Parte 2: Volume esplicativo: Approfondisce la comprensione delle tecnologie chiave, come l'efficacia distrutture isolate,progettazione dicuscinetti di isolamento (e.g., cuscinetti in gomma laminata), valutazione delle prestazioni degli smorzatori e previsione del movimento del terreno.
3. Parte 3: esempi di progettazione: Fornisce 7 casi pratici (ad esempio, grattacieli-uffici, ospedali, data center) per dimostrare come applicare metodi teorici a scenari reali-del mondo, comprese soluzioni per fondazioni in terreno soffice eadeguamento sismicodegli edifici esistenti.
4. Parte 4: volume dei dati di progettazione: Offre parametri tecnici dettagliati percuscinetti di isolamento, ammortizzatorie smottamenti del terreno, tra cui proprietà dei materiali, calcoli di rigidità e metodi di test delle prestazioni-essenziali per una progettazione precisa.

Il libro sottolinea che le prestazioni diedifici base-isolatidipende principalmente dadispositivi di isolamentoEdissipazione di energiacomponenti. Di seguito è riportata un'introduzione dettagliata ai prodotti principali, ai loro meccanismi di funzionamento e ai criteri di progettazione.

2.1 Cuscinetti isolanti

Cuscinetti isolantisono il nucleo dello strato isolante, responsabile del supporto dei carichi verticali e del disaccoppiamento del movimento sismico orizzontale. Il libro si concentra su tre tipologie principali:

2.1.1 Cuscinetti in gomma laminata

Composti da strati alternati di piastre di gomma e acciaio, presentano un'elevata rigidità verticale e una bassa rigidità orizzontale-che consentono loro di isolare il movimento sismico orizzontale sostenendo stabilmente il peso dell'edificio. Sono classificati in tre sottotipi in base alla funzionalità:

1. Cuscinetti in gomma naturale (NRB): Utilizzare gomma naturale con ottima elasticità e basso smorzamento. Richiedono l'abbinamento con serrande indipendenti per assorbire l'energia sismica.
2. Cuscinetti in gomma ad alto- smorzamento (HDRB): miscela di gomma naturale/sintetica con additivi-che migliorano lo smorzamento (ad es. nerofumo). Integrano le funzioni di molla e smorzamento, eliminando la necessità di ammortizzatori aggiuntivi. Tuttavia, la loro rigidità e smorzamento sono sensibili alla temperatura e alla deformazione (ad esempio, il rapporto di smorzamento equivalente diminuisce all'aumentare della temperatura).
3. Piombo-Cuscinetti con nucleo in gomma (LRB): Inserire un nucleo di piombo al centro diNRB. Il nucleo di piombo cede plasticamente sotto movimento sismico per assorbire energia, formando una curva isteretica bilineare stabile. Specifiche chiave: forza di snervamento e rigidezza post-snervamento; il diametro del nucleo di piombo è solitamente pari al 10–20% del diametro del cuscinetto.

2.1.2 Cuscinetti scorrevoli

Affidarsi allo scorrimento tra i materiali (ad esempio PTFE e acciaio inossidabile) perisolare il movimento sismico, utilizzando l'attrito per dissipare energia. Si dividono in:

1. Cuscinetti rigidi scorrevoli: Mancanza di forza elastica di recupero; utilizzato principalmente per componenti a basso-carico (ad es. scale). Richiedono l'abbinamento con elementi elastici (es.NRB) per ripristinare la posizione dopo un terremoto.
2. Cuscinetti di scorrimento elastici:Combina uno strato scorrevole con un cuscinetto in gomma laminata. Lo strato di gomma fornisce elasticità alle piccole-deformazioni, mentre lo strato di scorrimento isola i movimenti sismici di grandi dimensioni. Il coefficiente di attrito è critico-tipicamente 0,02–0,12 per le combinazioni di PTFE-acciaio inossidabile.

2.2 Ammortizzatori

Supplemento ammortizzatoricuscinetti di isolamentoassorbendo l'energia sismica e limitando lo spostamento dello strato isolante. Il libro li classifica in base adissipazione di energiameccanismi:

2.2.1Ammortizzatori isteresi

Dissipare energiaper deformazione plastica dei metalli o per attrito:

1. Ammortizzatori con barra in acciaio: Utilizzare la deformazione plastica dell'acciaio dolce; le curve isteretiche sono a forma di fuso-. Hanno un'elevata durabilità ma richiedono una grande deformazione per esercitare effetti.
2. Ammortizzatori in piombo: Affidarsi al flusso plastico del piombo; caratteristiche isteretiche stabili e bassa sensibilità alla temperatura. La forza di snervamento è regolabile modificando il diametro del cavo.
3. Ammortizzatori a frizione: utilizzare l'attrito tra le superfici di contatto (ad esempio, piastre di acciaio caricate a molla-). Le curve isteretiche sono rettangolari, adatte per terremoti da piccoli-a-moderati.

2.2.2 Ammortizzatori viscosi

Dissipare energia attraverso la resistenza viscosa di fluidi o materiali viscoelastici:

1. Ammortizzatori dell'olio: Utilizza la resistenza al flusso del fluido nella struttura di un pistone-cilindro. La forza di smorzamento è proporzionale alla velocità. Sono efficaci per il movimento sismico-di lungo periodo.
2. Ammortizzatori viscoelastici:Utilizzare la deformazione a taglio dei materiali viscoelastici (ad esempio, miscele di gomma). Funzionano con piccole deformazioni, rendendoli adatti al controllo delle vibrazioni del vento e dei piccoli terremoti.

I metodi di progettazione del libro affondano le loro radici negli standard giapponesi, ma per un'applicazione globale è fondamentale confrontarli con i codici statunitensi ed europei. Di seguito è riportato un confronto delle disposizioni principali (una tabella Excel dettagliata è fornita separatamente, elencando le differenze clausola-per-clausola).

3.1 Filosofie fondamentali della progettazione

3.2 Progettare il moto del suolo

1, Giappone:

Utilizza lo "spettro energetico" (valore equivalente della velocità) per caratterizzare il movimento del suolo, considerando componenti a lungo-periodo (fondamentali per strutture di isolamento con periodi di 3–5 s).

Richiede la considerazione dell'input bidirezionale del movimento del suolo; l'energia totale è la somma delle componenti NS ed EW.

2, U.S.:

Adotta lo "spettro di risposta del progetto" (ASCE 7) con smorzamento del 5%; si adatta alla classe del sito (A–F) e al livello di pericolosità sismica (S_DS, S_D1).

Perstrutture di isolamento, richiede almeno 3 registrazioni del moto del suolo (2 storiche, 1 sintetica) per l'analisi cronologica-.

3, Europa:

Definisce lo "spettro di progetto elastico" e lo "spettro di progetto anelastico"; la classificazione del sito si basa sulla velocità media delle onde di taglio.

Considera le zone di pericolosità sismica (Z1–Z3) e le classi di importanza edilizia (I–IV); regola di conseguenza i parametri di movimento del terreno.

3.3 Requisiti prestazionali del dispositivo di isolamento

1, Cuscinetti in gomma laminata:

Giappone (AIJ): richiede S_1 > 30 , S_2 > 5 ; sollecitazione di compressione massima a lungo termine-Inferiore o uguale a 15 N/mm²; deformazione di taglio Inferiore o uguale al 250% in caso di terremoti rari.

Stati Uniti (FEMA 356): impone test di carico ciclici per i prototipi; deviazione della rigidità orizzontale Inferiore o uguale a ±15%; test di durabilità per 50 anni di servizio.

Europa (Eurocodice 8): Specifica S_1, S_2 ; sollecitazione di compressione Inferiore o uguale a 20 N/mm²; deformazione di taglio Inferiore o uguale al 200% per HDRB.

2, Ammortizzatori:

Giappone: richiede capacità di assorbimento dell'energia di smorzamento maggiore o uguale a 1,5 volte l'energia sismica in ingresso di progetto.

Stati Uniti: per gli smorzatori isteretici, sono obbligatori test di fatica (maggiori o uguali a 200 cicli allo spostamento di progetto).

Europa: richiede test dinamici per verificare il rapporto di smorzamento e le caratteristiche di forza-spostamento a diverse velocità.

3.4 Metodi di analisi strutturale

1, Giappone:

Promuove la "analisi dell'involucro" (metodo semplificato basato sul risparmio energetico) per la progettazione preliminare; utilizza l'analisi-della cronologia temporale per la verifica.

Per la torsione, si presuppone la struttura superiore come un corpo rigido per semplificare il calcolo.

2, U.S.:

Richiede l'analisi-della cronologia temporale per tuttistrutture di isolamento; modella dispositivi di isolamento con curve isteretiche bilineari o trilineari.

Per gli edifici isolati a molti piani-, è obbligatorio considerare gli effetti P-Δ e le vibrazioni di modo-più elevato.

3, Europa:

Consente il metodo di linearizzazione equivalente perstrutture di isolamento elastico; richiede un'analisi anelastica della cronologia-cronologica perdispositivi anelastici.

Enfatizza l'analisi dell'interazione-struttura del suolo (SSI) per i siti con terreno soffice.

3.5 Costruzione e Manutenzione

1, Giappone:

Obbliga l'ispezione al 100% dicuscinetti di isolamento(rigidezza verticale, rigidezza orizzontale); l'ispezione post-sisma richiede solo controlli visivi.

Richiede la marcaturaedifici di isolamentoper prevenire l'ostruzione dello spostamento dello strato di isolamento.

2, U.S.:

Richiede l'ispezione-di terze parti durante la costruzione; i piani di manutenzione comprendono controlli visivi annuali e test dettagliati quinquennali.

3, Europa:

Specifica i requisiti di durabilità (ad esempio, i cuscinetti in gomma devono resistere all'ozono e ai cicli termici); impone la registrazione della manutenzione per 30 anni.

Raccomandazione per la progettazione diEdifici isolati di basefornisce un quadro completo perprogettazione dell'isolamento sismico, con una copertura-approfondita di dispositivi, metodi di analisi e casi pratici. Per gli ingegneri in Giappone, Stati Uniti ed Europa, il libro offre:

Approfondimenti sulla tecnologia di isolamento giapponese (ad esempio, isolamento a lungo-periodo per grattacieli-e siti con terreno soffice).

Una base per confrontare e ottimizzare le normative locali (ad esempio, integrando lo spettro energetico del Giappone nella progettazione basata sulle prestazioni- degli Stati Uniti o dell'Europa).

Linee guida per progetti transfrontalieri-che garantiscono la conformità a più standard.

Questo libro rimane una risorsa vitale per avanzarepratica di isolamento sismicoa livello globale, collegando innovazione teorica e applicazione ingegneristica.