ISOLATORI A SCORRIMENTO A SUPERFICIE CURVA

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1 ISOLATORI A SCORRIMENTO A SUPERFICIE CURVA ISOLATORI A SCORRIMENTO A SUPERFICIE CURVA S04

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3 INTRODUZIONE CERTIFICAZIONI Nel 1992 FIP Industriale ha ottenuto la certificazione CISQ-ICIM per il Sistema di Assicurazione Qualità in conformità con le normative europee EN (ISO 9001). FIP Industriale è orgogliosa di essere il primo produttore italiano di apparecchi d appoggio, dispositivi antisismici e giunti di dilatazione ad aver ottenuto un Sistema di Assicurazione Qualità certificato ai livelli più alti, dal progetto all assistenza al Cliente. La certificazione è stata ottenuta tramite una rigorosa valutazione da parte di un organismo internazionale indipendente. Tale certificazione è pertanto riconosciuta a livello internazionale. Nell ambito della Direttiva Europea sui Prodotti da Costruzione, FIP Industriale ha ottenuto la Marcatura CE dei diversi tipi di dispositivi antisismici, tra cui gli isolatori a scorrimento a superficie curva, in accordo alla norma europea armonizzata UNI EN 15129:2009 Dispositivi Antisismici. ISO Cert. N DESCRIZIONE Il funzionamento degli isolatori a scorrimento a superficie curva o isolatori a pendolo scorrevole FIP (Friction Isolation Pendula) è riconducibile a quello del pendolo semplice, in cui il periodo di oscillazione non dipende dalla massa ma solo dalla lunghezza del pendolo stesso. Il periodo proprio di vibrazione di una struttura sismicamente isolata con isolatori a scorrimento a superficie curva dipende principalmente dal raggio di curvatura della superficie di scorrimento, ed è invece quasi indipendente dalla massa della struttura. La dissipazione di energia è fornita dall attrito che si sviluppa durante lo scorrimento, e la capacità di ricentraggio è fornita dalla curvatura della superficie di scorrimento. Possono essere realizzati in due tipologie, rispettivamente denominate serie FIP o FIP-D, con una o due superfici di scorrimento primarie che consentono lo spostamento orizzontale. I dispositivi della serie FIP sono caratterizzati da: i) un elemento (in alto nella figura) con una superficie di scorrimento concava primaria il cui raggio di curvatura determina il periodo di oscillazione, e che consente lo spostamento orizzontale; ii) un elemento di base con una superficie di scorrimento concava secondaria che consente la rotazione; iii) un elemento centrale con due superfici convesse opportunamente sagomate per accoppiarsi alle superfici concave degli altri due elementi. Il dispositivo può anche essere installato capovolto, con la superficie di scorrimento primaria in basso anziché in alto. I dispositivi della serie FIP-D, o isolatori a scorrimento a doppia superficie curva, sono caratterizzati da due superfici di scorrimento concave con lo stesso raggio di curvatura; entrambe consentono sia lo spostamento orizzontale che la rotazione (che si trasforma in spostamento orizzontale). In questo caso ogni singola superficie curva è progettata solamente per metà dello spostamento orizzontale, cosicché le dimensioni in pianta dei dispositivi possono essere notevolmente ridotte rispetto a quelle della serie FIP. E individuabile un ulteriore vantaggio della serie FIP-D rispetto alla serie FIP: il dimezzamento dell eccentricità del carico verticale (effetto P-Δ), pari alla metà dello spostamento anziché a tutto lo spostamento. Per controllare l attrito viene utilizzato uno speciale materiale termoplastico (di colore rosso nelle figure), accoppiato ad acciaio inossidabile, tanto nelle superfici di scorrimento primarie quanto in quella secondaria. serie FIP serie FIP-D 3

4 CARATTERISTICHE MATERIALI La scelta del materiale di scorrimento è essenziale per dare agli isolatori a scorrimento a superficie curva un comportamento ottimale in termini di: i) capacità portante; ii) coefficiente d attrito e conseguente dissipazione d energia; iii) stabilità del ciclo isteretico forza-spostamento sia con la temperatura che durante cicli ripetuti; iv) durabilità; v) resistenza all usura. Il materiale di scorrimento usato nella superficie di scorrimento primaria degli isolatori serie FIP ed in entrambe le superfici di scorrimento degli isolatori serie FIP-D è il FFM (FIP Friction Material), un polietilene ad altissimo peso molecolare (Ultra-High Molecular Weight Poly-Ethylene - UHMWPE) caratterizzato da proprietà eccezionali per quanto concerne la capacità di carico, la resistenza all usura, la stabilità e la durabilità. Altre importanti caratteristiche del FFM sono l assenza del fenomeno di stick-slip ed il basso rapporto tra attrito di primo distacco ed attrito dinamico. Tali proprietà sono state verificate attraverso numerose prove sperimentali, tra cui quelle richieste dalla Norma Europea UNI EN 15129, eseguite sia nel laboratorio di FIP Industriale che in laboratori indipendenti italiani e stranieri. Il FFM viene utilizzato senza lubrificazione. Il materiale usato nella superficie di scorrimento secondaria dei dispositivi della serie FIP è il SMF (Sliding Material FIP), che è anch esso UHMWPE, ma nicchiato e lubrificato. Il coefficiente di attrito dinamico è il parametro più importante che l Ingegnere Strutturista deve conoscere per modellare una struttura con isolatori a scorrimento a superficie curva. Per qualsiasi materiale di scorrimento il coefficiente di attrito è dipendente sia dalla velocità che dalla pressione. La dipendenza dalla velocità solitamente non è significativa nel campo di velocità associate all eccitazione sismica di una struttura isolata. Al contrario, è risaputo dalla letteratura, e confermato dai risultati sperimentali, che la dipendenza dalla pressione (carico verticale) non è trascurabile: in particolare il coefficiente d attrito diminuisce all aumento del carico verticale. In tabella sono riportati i valori tipici del coefficiente di attrito dinamico del FFM, rispettivamente per FFM tipo L (basso attrito) e FFM tipo M (attrito medio). tipo di FFM L (basso attrito) M (attrito medio) Coefficiente d attrito minimo (%) I valori del coefficiente di attrito riportati in tabella sono i valori minimi e corrispondono al carico verticale massimo di progetto N Ed dell isolatore a scorrimento a superficie curva; il valore di N Ed per gli isolatori FIP-D standard è riportato nelle tabelle a partire da pag. 12 del presente catalogo. Il grafico sottostante mostra come il coefficiente di attrito dinamico cambi con il carico verticale, in particolare con il rapporto tra il carico verticale N Sd agente sull isolatore (solitamente considerato costante ed uguale al carico quasi-permanente) ed il carico verticale massimo di progetto N Ed. Quest ultimo è il carico verticale massimo che l isolatore può sopportare nelle combinazioni di carico SLU comprensive del sisma, o comunque in qualsiasi combinazione di carico che includa spostamento orizzontale. Al materiale di scorrimento viene accoppiata una superficie di acciaio inossidabile lucidata a specchio secondo le prescrizioni della Norma Europea UNI EN

5 MODELLAZIONE Il modello matematico che meglio rappresenta il funzionamento degli isolatori a scorrimento a superficie curva della serie FIP e FIP-D è la curva bilineare Forza-Spostamento mostrata nel grafico sottostante, dove: F 0 = m N Sd a forza di attrito sviluppata dall isolatore F max = F 0 + K r d = m N Sd + N Sd R d a forza orizzontale massima K r = m N Sd R a rigidezza di richiamo a coefficiente di attrito N Sd a carico verticale agente sull isolatore R a raggio di curvatura equivalente d a spostamento Il carico verticale N Sd, utilizzato per modellare il comportamento degli isolatori a superficie curva sotto l azione sismica, corrisponde abitualmente al carico verticale quasi-permanente, ossia alla massa moltiplicata per l accelerazione di gravità, che è il carico verticale medio agente sull isolatore durante il sisma. Talvolta vengono utilizzati modelli dinamici non lineari che prendono in considerazione la variazione del carico verticale durante il terremoto. Il coefficiente d attrito μ è funzione del carico verticale, come descritto in precedenza. Normalmente viene calcolato in corrispondenza del carico quasi-permanente, secondo la legge μ(n Sd /N Ed ), sopra riportata. Negli isolatori della serie FIP, il raggio di curvatura equivalente R è quasi coincidente con il raggio geometrico di curvatura della superficie primaria, mentre negli isolatori della serie FIP-D, R equivale approssimativamente a due volte il raggio geometrico di curvatura di ognuna delle due superfici curve. Qualora le norme utilizzate per la progettazione strutturale consentano di modellare il comportamento non lineare sopra descritto con un modello lineare equivalente, la rigidezza equivalente e lo smorzamento viscoso equivalente possono essere calcolati con le seguenti formule: ( ) K 1 e = N m Sd R + d x e = 2 p 1 d +1 m R Vale la pena segnalare come tanto la rigidezza equivalente quanto il coefficiente di smorzamento viscoso equivalente dipendano dallo spostamento. Di conseguenza, anche quando è concesso dalle norme modellare il sistema di isolamento come lineare equivalente, va applicata una procedura iterativa, finché la differenza tra i valori di spostamento a due passi successivi diventa trascurabile. Grazie alla dipendenza della rigidezza equivalente dal carico verticale, il centro di rigidezza del sistema di isolamento ed il baricentro delle masse coincidono in pianta. Il periodo proprio equivalente, ossia il periodo associato alla rigidezza equivalente, di una struttura isolata con isolatori a superficie curva può essere calcolato come segue: T e = 2p 1 ( 1 g m ) + R d Invece, il periodo associato alla rigidezza di richiamo K r è lo stesso di un pendolo semplice di lunghezza R: T = 2p R g 5

6 criteri CRITERI progettuali PROGETTUALI E PRODUTTIVI NORMATIVE Gli isolatori a scorrimento a superficie curva serie FIP e FIP-D sono abitualmente progettati secondo la norma europea UNI EN 15129:2009 Dispositivi Antisismici. Su richiesta, possono essere progettati per soddisfare altre norme o specifiche tecniche. PROGETTAZIONE Gli isolatori a doppia superficie curva (serie FIP-D) standard, le cui caratteristiche geometriche e meccaniche sono elencate nelle tabelle, sono progettati per sette diversi valori dello spostamento massimo, da 100 a 400 mm. Tale spostamento va inteso come lo spostamento massimo d Ed in accordo alla simbologia usata nella UNI EN 15129:2009. Per gli edifici, d Ed è dato dallo spostamento di progetto d bd, moltiplicato per il fattore moltiplicativo γ x in accordo all Eurocodice 8 (EN :2004, 10.3 (2)P). In accordo alle NTC 2008, lo spostamento di progetto d bd è calcolato allo SLV, mentre lo spostamento fattorizzato γ x d bd risulta coincidente con lo spostamento sismico calcolato allo SLC. Per i ponti, lo spostamento massimo d Ed coincide con lo spostamento d max definito nell Eurocodice 8 (EN :2005, 7.6.2), ossia è ottenuto sommando allo spostamento sismico fattorizzato γ x d bd (o allo spostamento sismico calcolato allo SLC in accordo alle NTC 2008) lo spostamento in esercizio prodotto da azioni permanenti o deformazioni a lungo termine (ritiro, fluage) e la metà dello spostamento prodotto dalle variazioni termiche. Il carico verticale N Ed indicato nelle tabelle è il massimo carico verticale nelle combinazioni di carico comprensive dell azione sismica (SLC), o in qualsiasi combinazione di carico che preveda spostamento orizzontale. Il carico verticale ammissibile in assenza di spostamento orizzontale può essere molto più alto del valore N Ed, e solitamente nelle strutture in calcestruzzo armato è limitato dalla resistenza del calcestruzzo. Per gli isolatori FIP-D standard, il raggio di curvatura equivalente è fissato per ciascun valore di spostamento, in particolare è pari a 2.5 m per spostamento 100 e 150 mm, 3.1 m per spostamento 200 e 250 mm, e 3.7 m per spostamento 300, 350 e 400 mm. Qualora in una struttura si usino diversi tipi di isolatori a superficie curva, si raccomanda che tutti gli isolatori abbiano lo stesso raggio di curvatura, per evitare spostamenti verticali differenziali associati allo spostamento orizzontale. Nella progettazione degli isolatori FIP-D standard è stata assunta una rotazione pari a 0.01 rad concomitante con lo spostamento orizzontale massimo. In concomitanza con spostamenti inferiori, sono ammessi valori maggiori di rotazione. Isolatore a scorrimento a doppia superficie curva della serie FIP prodotto per il Mary Bridge, Turkmenistan (foto sotto). L Ufficio Tecnico di FIP Industriale è a disposizione dell ingegnere strutturista per progettare ad hoc isolatori a doppia superficie curva diversi dagli standard, ad esempio con valori diversi di raggio di curvatura, spostamento, carico verticale, coefficiente di attrito, oppure isolatori a superficie curva della serie FIP. CONTROLLO QUALITÀ Il controllo qualità operante all interno di FIP Industriale assicura la conformità del prodotto ai vari requisiti, con garanzia di qualità sia riguardo ai materiali utilizzati sia riguardo al processo produttivo. 6

7 PROVE DI QUALIFICAZIONE ED ACCETTAZIONE Gli isolatori a superficie curva serie FIP e FIP-D sono stati sottoposti a prove sia di qualificazione che di accettazione presso laboratori indipendenti. Sono state eseguite numerose prove di qualificazione su isolatori di diverse dimensioni e caratteristiche, con le modalità di prova previste dalle NTC 2008, dalla norma europea UNI EN 15129:2009, e da altre normative internazionali. In particolare, presso il laboratorio di prova SRMD (Seismic Response Modification Device) dell Università della California a San Diego sono state effettuate con successo anche prove dinamiche bidirezionali, con applicazione simultanea di uno spostamento orizzontale sinusoidale in due direzioni perpendicolari (la cosiddetta traiettoria a quadrifoglio prevista dalla norma europea UNI EN 15129:2009), ed anche con applicazione simultanea in due direzioni delle time-hystories di spostamento orizzontale ottenute da analisi non lineari al passo su un edificio soggetto ad un sisma reale. L affidabilità della tecnologia di FIP Industriale è stata confermata da tali prove di qualificazione, così come da numerose prove di accettazione eseguite in accordo a diverse normative. Inoltre, diversi edifici del progetto C.A.S.E. all Aquila sono stati soggetti a prove dinamiche eseguite dalla Protezione Civile. Prove di qualifica su un isolatore FIP-D presso il Laboratorio TREES dell Eucentre di Pavia. Cicli isteretici sperimentali di un isolatore FIP-D ottenuti in una prova a velocità costante. Prove di qualifica bi-direzionali su un isolatore FIP-D presso il Laboratorio SRMD all Università della California a San Diego. Cicli isteretici sperimentali di un isolatore FIP-D ottenuti in una prova a spostamento imposto con legge sinusoidale. 7 Prove dinamiche su un edificio del progetto C.A.S.E. a L Aquila, isolato con isolatori della serie FIP-D.

8 criteri CRITERI PROGETTUALI E PRODUTTIVI SISTEMI DI ANCORAGGIO Gli isolatori a superficie curva progettati da FIP Industriale sono dotati di sistemi di ancoraggio di tipo meccanico per il trasferimento del 100% delle forze orizzontali (nonostante la norma europea UNI EN 15129:2009 consenta di trasferire solo il 75 % delle forze orizzontali mediante ancoraggi meccanici nel caso in cui il carico verticale minimo durante l azione sismica sia stato calcolato mediante analisi dinamiche non lineari). POSA IN OPERA La tipica procedura di installazione dell isolatore vincolato superiormente ed inferiormente a strutture in c.a. gettate in opera, prevede le seguenti fasi: getto della sottostruttura fino ad un livello più basso di alcuni centimetri di quello degli isolatori, prevedendo fori di alloggiamento delle zanche di ancoraggio di diametro almeno doppio di quello delle stesse; posizionamento degli isolatori al livello di progetto e con la superficie di base orizzontale; costruzione di una cassaforma di dimensioni leggermente più grandi dell isolatore e più alta di circa 1 cm del livello inferiore dello stesso; allettamento con malta (epossidica o cementizia antiritiro) per uno spessore consigliato tra i 2 e i 5 cm; avvitamento delle zanche superiori (se non già fissate); approntamento della cassaforma superiore adattandola con precisione attorno alla piastra superiore dell isolatore; posizionamento dell armatura lenta della sovrastruttura ed esecuzione del getto in c.a.; dopo la maturazione del calcestruzzo, e ad ogni modo prima che si inizi ad utilizzare la struttura, rimozione delle staffe di trasporto (tipicamente di colore giallo) attraverso lo svitamento delle viti; è buona norma riavvitare tutte le viti nei rispettivi fori filettati in modo da garantire la massima protezione alla corrosione degli stessi fori. Si raccomanda di prestare attenzione, durante le operazioni di getto del calcestruzzo, alla protezione delle superfici di scorrimento degli isolatori. Nel caso in cui le superfici di scorrimento vengano accidentalmente sporcate durante l installazione, devono essere pulite il prima possibile. RESISTENZA AL FUOCO Gli isolatori a superficie curva sono caratterizzati da un intrinseca resistenza al fuoco, solitamente maggiore di 240 minuti, se installati in strutture in c.a., ossia quando l esposizione al fuoco è solo mediante la superficie laterale. Tuttavia, dopo un incendio potrebbe essere necessaria la sostituzione dell intero isolatore esposto al fuoco o almeno di alcune sue parti (ad es. il materiale plastico di scorrimento e la superficie di scorrimento in acciaio inossidabile). Per gli isolatori a scorrimento a superficie curva installati in strutture d acciaio, si raccomanda un sistema passivo di protezione al fuoco. 8

9 COMBINAZIONE DI DISPOSITIVI Gli isolatori a superficie curva possono essere combinati con altri dispositivi antisismici, cosi da ottenere speciali prestazioni, utili soprattutto nelle applicazioni nei ponti. Ad esempio, è possibile combinarli con i dispositivi di vincolo dinamico per l utilizzo sulle pile mobili di ponti e viadotti, così da ridurre le forze orizzontali trasmesse alle pile in condizioni di servizio. In tali dispositivi combinati, i dispositivi di vincolo dinamico consentono i movimenti lenti dovuti alle variazioni di temperatura senza trasmettere alla pila valori significativi di forza orizzontale; invece durante un sisma, i dispositivi di vincolo dinamico diventano rigidi e gli isolatori a scorrimento a superficie curva vengono attivati, dissipando energia e garantendo il ricentraggio in accordo al legame costitutivo degli isolatori stessi. SIGLA Gli isolatori a scorrimento a superficie curva o a doppia superficie curva sono identificati rispettivamente mediante la sigla FIP o FIP-D, seguita da una lettera e tre cifre. La lettera indica il coefficiente di attrito (L: basso attrito M: attrito medio), la prima cifra è un numero convenzionale, la seconda cifra rappresenta lo spostamento totale in mm, e la terza cifra tra parentesi indica il raggio di curvatura equivalente in mm. Ad esempio: FIP-D L 1200/600 (3700) isolatore a scorrimento a doppia superficie curva con materiale a basso attrito, che permette uno spostamento di ± 300 mm in tutte le direzioni, e caratterizzato da un raggio di curvatura equivalente di 3700 mm. TURKMENISTAN - Avaza Bridge 9

10 CASTEL DI SANGRO (AQ) - edificio privato protetto sismicamente con isolatori della serie FIP-D. 10

11 SCHEMA FIP-D Disegno schematico di un isolatore serie FIP-D con 4 zanche superiori e 4 inferiori. Disegno schematico di un isolatore serie FIP-D con 8 o più zanche superiori e 8 o più inferiori. 11

12 TABELLE FIP-D STANDARD Attrito minimo Attrito medio SPOSTAMENTO ±100 mm Attrito minimo Attrito medio SPOSTAMENTO ±150 mm LEGENDA N Ed D Y Z H n W Raggio di curvatura equivalente R = 2500 mm Massimo carico verticale nelle combinazioni di carico comprensive dell azione sismica (SLC), o in qualsiasi combinazione di carico che preveda spostamento orizzontale Diametro dell isolatore esclusi elementi di ancoraggio Massima dimensione in pianta Lato del quadrato circoscritto all isolatore, inclusi elementi di ancoraggio Altezza dell isolatore, escluse zanche di ancoraggio Numero zanche superiori/inferiori Peso dell isolatore, escluse zanche di ancoraggio 12

13 Attrito minimo Attrito medio SPOSTAMENTO ±200 mm Attrito minimo Attrito medio SPOSTAMENTO ±250 mm LEGENDA N Ed D Y Z H n W Raggio di curvatura equivalente R = 3100 mm Massimo carico verticale nelle combinazioni di carico comprensive dell azione sismica (SLC), o in qualsiasi combinazione di carico che preveda spostamento orizzontale Diametro dell isolatore esclusi elementi di ancoraggio Massima dimensione in pianta Lato del quadrato circoscritto all isolatore, inclusi elementi di ancoraggio Altezza dell isolatore, escluse zanche di ancoraggio Numero zanche superiori/inferiori Peso dell isolatore, escluse zanche di ancoraggio 13

14 TABELLE FIP-D STANDARD Attrito minimo Attrito medio SPOSTAMENTO ±300 mm Attrito minimo Attrito medio SPOSTAMENTO ±350 mm LEGENDA N Ed D Y Z H n W Raggio di curvatura equivalente R = 3700 mm Massimo carico verticale nelle combinazioni di carico comprensive dell azione sismica (SLC), o in qualsiasi combinazione di carico che preveda spostamento orizzontale Diametro dell isolatore esclusi elementi di ancoraggio Massima dimensione in pianta Lato del quadrato circoscritto all isolatore, inclusi elementi di ancoraggio Altezza dell isolatore, escluse zanche di ancoraggio Numero zanche superiori/inferiori Peso dell isolatore, escluse zanche di ancoraggio 14

15 Attrito minimo Attrito medio SPOSTAMENTO ±400 mm LEGENDA N Ed D Y Z H n W Raggio di curvatura equivalente R = 3700 mm Massimo carico verticale nelle combinazioni di carico comprensive dell azione sismica (SLC), o in qualsiasi combinazione di carico che preveda spostamento orizzontale Diametro dell isolatore esclusi elementi di ancoraggio Massima dimensione in pianta Lato del quadrato circoscritto all isolatore, inclusi elementi di ancoraggio Altezza dell isolatore, escluse zanche di ancoraggio Numero zanche superiori/inferiori Peso dell isolatore, escluse zanche di ancoraggio L AQUILA, ITALA - progetto C.A.S.E.: installazione di isolatori a scorrimento a doppia superficie curva della serie FIP-D. 15

16 MAG 2013 FIP INDUSTRIALE Spa via Scapacchiò 41, Casella Postale Selvazzano (PD) Italy T F fip@fip-group.it FIP INDUSTRIAL UK LTD PO BOX 504 Cambridge CB1 OAP UK T F fip-uk@fip-group.it fipindustriale.it