ISOLAMENTO SISMICO: CRITERI DI PROGETTO E OTTIMIZZAZIONE

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1 Ordine degli Ingegneri della Provincia di Roma 11 novembre 2016 ISOLAMENTO SISMICO: CRITERI DI PROGETTO E OTTIMIZZAZIONE Paolo Clemente, PhD Ingegnere Strutturista, Dirigente di Ricerca

2 SOMMARIO Introduzione Dispositivi di isolamento Criteri di progetto e ottimizzazione Applicazioni

3 PROGETTAZIONE ANTISISMICA Scopo: assicurare che in caso di evento sismico - sia protetta la vita umana - siano limitati i danni - rimangano funzionanti le strutture essenziali (Prot.Civ.) Sisma di media intensità: sopportarlo senza danni evidenti Terremoto violento: non crollare, pur danneggiandosi anche irreparabilmente Se (g) Spettro elastico = accelerazioni effettive 0 0 Sd (g) Spettro di progetto = accelerazioni ridotte attraverso il Fattore di comportamento q q dipende dalla capacità della struttura di dissipare energia durante l evento: danneggiamento controllato, che coinvolga molti elementi

4 PROGETTAZIONE NON SOSTENIBILE La progettazione tradizionale: Non è economicamente sostenibile!! Costi di ricostruzione Non garantisce gli scopi prefissi: Limitazione dei danni (strutture a rischio di incidente rilevante) Operatività strutture strategiche / essenziali (di protezione civile, ponti, ospedali, caserme, ecc.) TECNOLOGIE INNOVATIVE si basano sulla drastica riduzione delle forze sismiche agenti, anziché affidarsi alla resistenza Isolamento sismico Incremento del periodo fondamentale di vibrazione Dissipazione di energia Incremento di smorzamento

5 INTRODUZIONE ALL ISOLAMENTO SISMICO Spettro di risposta elastico = massima accelerazione S e nella struttura in funzione del suo periodo fondamentale di vibrazione T Acc. al suolo S e (accelerazione) S De (spostamento) Aumento spostamento S De > 0.20 m alla base T bf T is T Riduzione azioni sismiche S e,is /S e,bf < 0.20 T bf = 0 1 sec T is 2 sec Scelta sostenibile Disaccoppiamento tra moto della struttura e del terreno È possibile progettare in campo elastico

6 kis, cis m0 ug u0 k1, c1 m1 u1 1 1 kis, cis m0 k1, c1 m1 PORTALE SISMICAMENTE ISOLATO is bf 2 2 bf is T T m m m g u p p 2 p g u p p 2 p 0 b s s b s s s s u u k u u c u m 0 b s s b s s g b b g b b b b u u k u u c u u k u u c u m

7 CONDITIO SINE QUA NON Sovrastruttura rigida: T bf << T is non deve amplificare le azioni trasmesse attraverso il sistema di isolamento Terreno non molto soffice (ossia con T elevato) non deve amplificare componenti con TT is S e (g) L'Aquila T R =475a =5% Soft Soil Medium Soil Rigid Soil T (sec) Giunti laterali realizzabili (per consentire gli spostamenti dovuti al sistema di isolamento) Rispettare compatibilità con strutture adiacenti In alternativa si possono utilizzare sistemi di dissipazione dell energia

8 SOMMARIO Introduzione Dispositivi di isolamento Criteri di progetto e ottimizzazione Applicazioni

9 DISPOSITIVI ANTISISMICI Isolatori Isolatori a scorrimento a sup. piane (Sliding devices, SD) Isolatori in materiale elastomerico e acciaio a basso smorzamento (Low Damping Rubber Bearings, LDRB) ad alto smorzamento (High Damping Rubber Bearings, HDRB) con inserti (per es. piombo, Lead Rubber Bearings, LRB) Isolatori a scorrimento a sup. curve (Curved Surface Slider, CSS) Dispositivi di vincolo temporaneo Dispositivi di vincolo del tipo a fusibile Dispositivi (dinamici) di vincolo provvisorio Dispositivi dipendenti dallo spostamento Dispositivi a comportamento lineare Dispositivi a comportamento non lineare Dispositivi dipendenti dalla velocità o a comportamento viscoso

10 ISOLATORI CARATTERISTICHE DISPOSITIVI Funzione di appoggio che si esplica nel sopportare i carichi verticali in condizioni di esercizio e in condizioni sismiche Bassa rigidezza orizzontale che permetta agli apparecchi di subire spostamenti relativi tra le due facce, superiore ed inferiore, di una determinata entità, in caso di eventi sismici Adeguata rigidezza nei confronti delle forze orizzontali di piccola entità (vento, traffico o sismi di bassa energia) Buona capacità dissipativa, di ricentraggio e di vincolo laterale sotto carichi orizzontali di servizio (non sismici) DISPOSITIVI AUSILIARI Funzioni di: dissipazione di energia ricentraggio del sistema vincolo laterale sotto carichi orizzontali di servizio

11 ISOLATORI ELASTOMERICI ARMATI (HDRB)

12 t i = 4 10mm HDRB: COMPONENTI E DIMENSIONI Zanca d ancoraggio Contropiastra sup. AD 2 e A D t s = 2 4mm Foro t ssmin = 20 25mm Rigidezza equivalente Rigidezza verticale K G A t K e din e E A t v c e Piastra Gomma Armatura Piastra Vulcanizzata Contropiastra inf. Zanca d ancoraggio t n t e g i Fattore di forma primario (instabilità locale) 1 4 S A L D ti S E G S E c din b L D t D t 2 e K i Fattore di forma secondario (instabilità globale) v K e

13 HDRB: COMPORTAMENTO Ogni strato di gomma è soggetto a taglio, compressione e flessione, che provocano le seguenti deformazioni angolari: F s V Taglio d E s d t E i s d t E e c Area ridotta: V Compressione A r D sen 4 c 1.5V S G 1 2 din A r 2 arccos d E D M Flessione 2 3 D / 4 2tt i e 2 2 x y

14 HDRB: VERIFICHE Deformazione di taglio per lo spostamento sismico totale: s s,max s,max * * = valore massimo della deformazione di taglio raggiunto nelle prove di qualificazione relative all efficacia dell aderenza elastomero-acciaio, senza segni di rottura d E 2 t e Deformazione di taglio totale: t c s t,max t,max 5 Verifica di stabilità Tensione degli inserti in acciaio: V s V cr 2 t1 t2 1.3V A t r s f yk V cr GA S D r t e 1

15 HDRB: PARAMETRI CARATTERISTICI Curve caratteristiche forza spostamento: per ciascun ciclo, i due parametri sintetici Rigidezza equivalente K e (d=d max ) F (kn) K e F GdinA GdinAd te d d d A Gdin t e d (mm) Coefficiente di smorzamento viscoso equivalente ξ (W d =energia dissipata in un ciclo completo di carico) e W d 2 Fd Inoltre, fissato lo spostamento massimo d 2, va definito: Carico verticale massimo V in corrispondenza dello spostamento d 2

16 Uno o più nuclei in piombo Smorzamento viscoso equiv. fino a 25-30% ISOLATORI GOMMA-PIOMBO Vantaggio: L isolatore può essere in gomma naturale, più resistente Svantaggi: Processo di produzione più difficoltoso Minore capacità di ricentraggio

17 ISOLATORI A SCORRIMENTO CON SUPERFICI PIANE (SD)

18 SD Appoggi acciaio-ptfe con bassi valori delle resistenze per attrito Coefficiente di attrito dinamico in genere 6 12% si riduce a 1 2% mediante lubrificazione è funzione di: Pressione di contatto (lineare) Velocità di scorrimento Temperatura Usura pertanto la sua valutazione è molto incerta e viene trascurato, ossia si assume attrito nullo, lasciando liberi gli spostamenti orizzontali Carico portato: indipendente dallo spostamento Non hanno capacità ricentrante sono necessari: dispositivi ausiliari o isolatori elastomerici

19 ISOLATORE A SCORRIMENTO CON SUPERFICI CURVE (CSS)

20 CSS Incorporano senza ausilio di altri elementi: Funzione ricentrante: data dalla superficie curva, che consente di far tornare in posizione il dispositivo quando cessa l azione orizzontale esterna Funzione dissipativa: superficie non lubrificata, attrito non ridotto

21 ISOLATORI A DOPPIO E TRIPLO PENDOLO Con la stessa azione laterale si può avere uno spostamento maggiore. Le superfici potrebbero avere coefficiente di attrito diverso: in tal caso il dispositivo comincia a scorrere sulla superficie che offre minore resistenza, poi si mette in moto anche sull altra

22 CSS Deriva da: Friction Pendulum System (FPS) sviluppati in USA, utilizzando elementi a scorrimento rivestiti da speciale tessuto Seismic Isolation Pendulum (SIP) sviluppati in Germania con materiali a scorrimento polietilenici e applicazioni anche in Grecia, Turchia, ecc., in Italia, con materiali a scorrimento simili e di altro tipo

23 CSS: RIGIDEZZA, PERIODO, SMORZAMENTO Equazione del pendolo: equilibrio tra F d inerzia e F di richiamo del peso: Rigidezza: Pulsazione Periodo m R mg 0 μ st0 μ dyn k T μ st1 mg V R R 2 m k m R g g R mg 0 R R x R Indipendenti dalla massa 3 tipi di attrito: μ st0 Attrito di primo distacco μ dyn = μ attrito dinamico μ st1 attrito al cambio di verso del moto ( μ din <μ st1 <μ st0 )

24 Modello lineare equivalente: k F V V max eff T eff d R d 1 V R d 2 CSS: LINEARIZZAZIONE 1 1 g R d Smorzamento legato a attrito dinamico raggio R (e quindi al periodo T) 0 d F d 1 R L attrito non deve essere eccessivo, altrimenti il sistema potrebbe non ricentrarsi 20% Attrito statico > attrito dinamico garantisce una rigidezza nei confronti dei carichi statici e sismi di piccola entità F0 V 4 F 3 F max 2 F F min K K e

25 CSS: DIMENSIONAMENTO PRELIMINARE Si assumono cost: Raggio R Attrito Carico verticale V Si assume d = d 2 Si assegna d = d 1 Si calcola K e, T is, is Spettro di risposta con is d 2 (T is ) T is g R d 2 is d 1 R NO d 2 = d? SI FINE

26 DISPOSITIVI AUSILIARI A COMP. VISCOSO trasmettono soltanto azioni orizzontali hanno rigidezza trascurabile rispetto alle azioni verticali Forza proporzionale a v, non contribuiscono alla rigidezza del sistema La forma del ciclo è ellittica per α=1 Il valore massimo della forza viene sempre raggiunto in corrispondenza dello spostamento nullo

27 SISTEMI DI ISOLAMENTO HDRB SD AUX CSS COMMENTI A X B X X Spostamenti differenziali verticali in corrispondenza di isolatori diversi: adottare dispositivi elastomerici con elevata rigidezza verticale utilizzare gli isolatori in gomma soltanto come dispositivi ausiliari, ossia senza affidare loro carichi verticali C X X D X X X E X

28 Prove sui materiali PROVE SUI DISPOSITIVI Prove di qualificazione Numero di dispositivi da provare 4 2 di questi dopo invecchiamento artificiale (21 giorni a 70 C) Risultati validi anche per dispositivi con stesso materiale e geometria simile: Rapporto geometrico di scala = Fattore di forma primario S1: con tolleranza ± 10% Fattore di forma secondario S2: Prove di accettazione Numero di dispositivi da provare 20% In ogni caso: 4 No. devices to be tested No. devices to be installed Per impianti nucleari: tutti i dispositivi Deve essere: G acc = G qual ± 10% 28

29 SOMMARIO Introduzione Dispositivi di isolamento Criteri di progetto e ottimizzazione Applicazioni

30 S e (g) S De (m) PAOLO CLEMENTE Vita nominale TERREMOTO DI PROGETTO V 50 anni N Fattore di uso Vita (Periodo) di riferimento Periodo di ritorno SPETTRI ELASTICI - L'Aquila - Suolo B 975a - SLC 475a - SLV 50a - SLD 30a - SLO CU (Costr. ordinarie - affollate - strategi che) V =V C R N U R R VR T =-V ln 1-P SL SLO SLD SLV SLC P VR (%) T R =V R * T (s) N.B.: = 5% per edifici tradizionali 10% per edifici isolati

31 REQUISITI GENERALI Sovrastruttura = parte della struttura isolata, ossia posta al di sopra dell interfaccia d isolamento Interfaccia d isolamento = superficie di separazione sulla quale è attivo il sistema d isolamento Sottostruttura = parte della struttura sotto il sistema d isolamento (incluse le fondazioni); ha, in genere, deformabilità orizzontale trascurabile è soggetta agli spostamenti imposti dal movimento sismico del terreno Sovrastruttura e Sottostruttura si devono mantenere sostanzialmente in campo elastico. Per questo la struttura può essere progettata con riferimento ai particolari costruttivi della zona 4 (con deroga sui dettagli costruttivi per strutture in c.a.) Sistema d isolamento deve garantire un affidabilità superiore

32 MODELLAZIONE Coerentemente con i requisiti generali: Sovrastruttura e Sottostruttura: modellate come sistemi a comportamento elastico lineare Sistema di isolamento: può essere modellato, in relazione alle sue caratteristiche meccaniche: con comportamento visco-elastico lineare o con legame costitutivo non lineare Deformabilità verticale degli isolatori deve essere messa in conto se K v / K esi < 800 K v = rigidezza verticale del sistema di isolamento K esi = rigidezza equivalente orizzontale del sistema di isolamento

33 MODELLO LINEARE EQUIVALENTE K e = Rigidezza equivalente singolo isolatore riferita allo spostamento totale di progetto per lo stato limite in esame, di ciascun dispositivo facente parte del sistema di isolamento K esi = K e = Rigidezza totale equivalente del sistema di isolamento Energia dissipata dal sistema d isolamento: espressa in termini di coefficiente di smorzamento viscoso equivalente esi valutato con riferimento all energia dissipata dal sistema di isolamento in cicli con frequenza nell intervallo delle frequenze naturali dei modi considerati. per i modi superiori della struttura, al di fuori di tale intervallo, il rapporto di smorzamento del modello completo deve essere quello della sovrastruttura nella condizione di base fissa Se rigidezza e/o smorzamento equivalenti del sistema di isolamento dipendono significativamente dallo spostamento di progetto, deve applicarsi una procedura iterativa fino a che la differenza tra il valore assunto e quello calcolato non sia inferiore al 5%

34 CASO DI STUDIO livelli Isolatori in sommità ai pilastri del piano interrato

35 PROGETTO PRELIMINARE Modello scatola rigida di massa M con molle orizzontali Sistema 3 DOF (2 traslazioni + 1 rotazione) Obiettivo (ottimale) primi 2 modi traslazionali nelle 2 direzioni princ. HRDB + SD: disposti in modi che G Kesi G massa CSS: sempre G Kesi G massa M Kz Kesi Kesi Scelta periodo di isolamento Tis (da spettro elastico) S e (g) ELASTIC SPECTRA Superstructure - SLV Spost T (s) S De (m) Calcolo rigidezza globale K esi HDRB + SD: scelta numero e distribuzione HRDB e calcolo rigidezza singoli K e CSS: calcolo raggio curvatura T 2 is M K esi

36 S e (g) S De (m) PAOLO CLEMENTE PGT PRELIMINARE: SCELTA DI T is Sistema isolamento: SLC Sovrastruttura: SLV con q=1.5 Sottostruttura: SLV con q=1 0.8 ELASTIC SPECTRA Superstructure - SLV Spost Si fissa S e * sullo spettro allo SLV sulla base di: considerazioni architettonicofunzionali valutazioni economiche Si ricava T is, verificando : T is T (s) Disaccoppiamento (T bf = periodo sovrastruttura considerata a base fissa): T is >> T bf T is < 2.0 s Spostamento < limite accettabile * S e

37 PGT PRELIMINARE: RIGIDEZZA Fissato: T is = periodo fondamentale edificio isolato Nota: M = massa totale sovrastruttura T 2 is K M esi K esi = rigidezza orizzontale sistema di isolamento HDRB: rigidezza singolo isolatore K e K esi n T is g R d CSS: raggio dispositivi

38 MINIMIZZARE GLI EFFETTI TORSIONALI Proiezione del centro di massa dell edificio sul piano degli isolatori e Centro di rigidezza dei dispositivi di isolamento (nel caso di sottostruttura flessibile, centro di rigidezza del sistema sottostruttura-isolamento) debbono essere, per quanto possibile, coincidenti Ottimizzare il comportamento dinamico, ossia primi due modi di pura traslazione Se le sue capacità dissipative e ricentranti rispetto alle azioni orizzontali sono affidate a pochi dispositivi, occorre che tali dispositivi siano, per quanto possibile, disposti perimetralmente e siano in numero staticamente ridondante Almeno 8 HDRB

39 POSSIBILI DISPOSIZIONI DEGLI ISOLATORI Ottimizzare comportamento dinamico edificio (primi 2 modi di traslazione) Isolatori (elastomerici e a scorrimento) in corrispondenza dei pilastri Un sol tipo di isolatore elastomerico (HRDB) n = 8 HDRB + 22 SD n = 12 HDRB + 18 SD n = 16 HDRB + 14 SD n = 20 HDRB + 10 SD Per ciascuna disposizione, si ricava la rigidezza del singolo isolatore elastomerico: K =K n e esi

40 S e (g) S De (m) PAOLO CLEMENTE EFFETTI SISMA E x e E y Dagli spettri, in corrispondenza di T is, si ricavano: 0.8 ELASTIC SPECTRA Superstructure - SLV Spost S e = accelerazione su sovrastruttura S De S e T is T (s) S De = spostamento isolatori Se G masse = G rigidezze possiamo assumere per tutti gli isolatori: E x (sisma x) d 0Ex,x = S De d 0Ex,y = 0 E y (sisma y) d 0Ey,x = 0 d 0Ey,y = S De A vantaggio di sicurezza potremmo assumere: d 0Ex,y = 0.1*S De d 0Ey,x = 0.1*S De

41 y M Ey ECCENTRICITÀ ACCIDENTALE e acc, Ey Forza d inerzia e F m S T, 0.05 L Ey acc i tot e is Eccentricità accidentale x e, 0.05 L Ex acc y x F i Coppia torcente M F e Ey i Ey, acc M F e Ex i Ex, acc Rigidezza torsionale Componente spostamento lungo x K K x y K x y z i ei i i e i i i d M K y Eyacc, x Ey z d M K y Exacc, x Ex z Componente spostamento lungo y d M K x Eyacc, y Ey z d M K x Exacc, y Ex z

42 COMBINAZIONE SPOSTAMENTI E x E y Spettro d 0Ex,x d 0Ex,y d 0Ey,x d 0Ey,y Ecc. Acc. d Exacc,x d Exacc,y d Eyacc,x d Eyacc,y Totali d Ex,x d Ex,y d Ey,x d Ey,y Comb. 1 d Ex,x + 0.3*d Ey,x = d E1,x E x +0.3E y d Ex,y + 0.3*d Ey,y = d E1,y d d d 2 2 E1 E1,x E1,y Comb *d Ex,x + d Ey,x = d E2,x 2 2 d d d 0.3E x +E y 0.3*d Ex,y + d Ey,y = d E2,y E2 E2,x E2,y Spostamento di calcolo d 2 = max(d E1,d E2 )

43 V (MN) K e (kn/mm) PAOLO CLEMENTE SCELTA/PROGETTO ISOLATORI ELASTOMERICI K esi Disposizione d E (mm) K e = K esi / n G din = 0.8 MPa t i = D/100 t e = d E /2 n g = Scelta dell isolatore d 2 in base a Spostamento spettrale Disposizione isolatori 10 5 G din = 0.8 MPa t i = D/100 t e = d E /2 n g = /10 900/9 900/9 800/8 800/8 750/ /7 650/ /6 550/ /5 450/5 400/ / /3 d E (mm) NO Verifica carico verticale sismico V SI Volume Costo Scelta tra più soluzioni tecnicamente possibili (n = 8, 12, 16, 20) sulla base di considerazioni economiche

44 MOVIMENTI INDESIDERATI E RICENTRAGGIO Evitare o limitare azioni di trazione negli isolatori Carico verticale V 0 a tal fine si può agire sugli interassi della maglia strutturale Se dall analisi V<0: isolatori elastomerici: tensione di trazione < min (2G, 1.0 MPa) isolatori di altro tipo: prove sperimentali a trazione oppure opportuni dispositivi in grado di assorbire integralmente la trazione Minimizzare le differenze di comportamento degli isolatori tensioni di compressione per quanto possibile uniformi Ricentraggio dei dispositivi Vanno previsti adeguati sistemi di contrasto per eliminare spostamenti residui incompatibili con la funzionalità dell edificio e/o con il corretto comportamento del sistema d isolamento

45 ISPEZIONABILITÀ RIGIDEZZA L alloggiamento dei dispositivi d isolamento ed il loro collegamento alla struttura devono essere concepiti in modo da: assicurarne l accesso rendere i dispositivi stessi ispezionabili e sostituibili Strutture del piano di posa degli isolatori e del piano su cui appoggia la sovrastruttura devono avere un comportamento rigido nel piano suddetto: diaframma rigido, sia sopra che sotto il sistema di isolamento elementi verticali con spostamento orizzontale in condizioni sismiche < 1/20 dello spostamento relativo del SI

46 PROTEZIONE DAL FUOCO Ove necessario, gli isolatori dovranno essere protetti da possibili effetti derivanti da attacchi del fuoco, chimici o biologici San Francisco Emergency Management Center (M=8.3) In alternativa, occorre prevedere dispositivi che, in caso di distruzione degli isolatori, siano idonei a trasferire il carico verticale alla sottostruttura

47 GIUNTI

48 IMPIANTI

49 COLLAUDO Il collaudo statico deve essere effettuato in corso d opera È di fondamentale importanza il controllo di: posa in opera dei dispositivi, nel rispetto delle tolleranze e delle modalità di posa prescritte dal progetto completa separazione, con i giunti di progetto, tra la sovrastruttura e la sottostruttura le altre strutture adiacenti con il rigoroso rispetto delle distanze di separazione (gap) previste in progetto corretta installazione delle protezioni dei giunti strutturali elementi di interfaccia flessibili per le tubazioni (gas e acqua) Il collaudatore può disporre l esecuzione di speciali prove per la caratterizzazione dinamica del sistema di isolamento atte a verificare, nei riguardi di azioni di tipo sismico, che le caratteristiche della costruzione corrispondano a quelle attese

50 PROVE DI RILASCIO

51 MONITORAGGIO Input al bedrock almeno una terna accelerometrica in profondità in prossimità dell edificio Input in superficie almeno una terna accelerometrica in superficie in prossimità dell edificio Input in fondazione almeno una terna accelerometrica sull estradosso della fondazione Risposta della struttura almeno 4 accelerometri al primo impalcato e 4 in sommità (se gli impalcati sono infinitamente rigidi) eventuali altri accelerometri ai piani intermedi Comportamento degli isolatori sensori di spostamento relativo nelle due direzioni per un significativo numero di dispositivi di isolamento Monitoraggio delle parti non strutturali al fine di verificare l'assenza di amplificazioni locali