Progetto di ricerca N. 7: TECNOLOGIE PER L ISOLAMENTO ED IL CONTROLLO DI STRUTTURE ED INFRASTRUTTURE

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1 Rete dei Laboratori Universitari di Ingegneria Sismica Rete dei Laboratori Universitari di Ingegneria Sismica Progetto esecutivo Progetto di ricerca N. 7: TECNOLOGIE PER L ISOLAMENTO ED IL CONTROLLO DI STRUTTURE ED INFRASTRUTTURE Coordinatori: M. Dolce Università della Basilicata G. Serino Università Federico II, Napoli Presentazione di M.Dolce

2 Le tecnologie per il controllo delle vibrazioni sismiche strutturali hanno avuto un grande sviluppo, con numerose applicazioni nel mondo. Queste tecnologie conseguono livelli di sicurezza superiori a quelli ottenibili nelle strutture convenzionali. MOTIVAZIONI - 1 La loro efficacia è stata dimostrata da test di laboratorio e dalle ottime prestazioni di alcune strutture durante recenti terremoti. La loro diffusione, favorita da una normativa che ne permetta uno sfruttamento ottimale, determinerebbe una sensibile riduzione del rischio sismico.

3 MOTIVAZIONI - 2 In Italia lo sviluppo è stato frenato, negli anni 90, dall assenza di una specifica normativa. L Ordinanza 3274/2004 ha molto incentivato l applicazione: oggi molti edifici pubblici strategici e ponti vengono progettati con l isolamento sismico. Tuttavia ci sono ancora molte problematiche da approfondire e risolvere per rendere più agevole e affidabile l applicazione di tali tecnologie.

4 MOTIVAZIONI - 3 I temi da affrontare riguardano quattro categorie di strategie di controllo e di sistemi, per i quali il livello di sviluppo della ricerca e delle applicazioni è diverso Categoria Isolamento sismico Dissipazione d energia Masse accordate Controllo semiattivo Controllo Passivo Passivo Passivo / Semiattivo Semiattivo Esigenze Perfezionamento norme su specifici aspetti e miglioramento criteri di progetto Criteri e metodi semplificati di progettazione e di verifica sperimentale dei dispositivi e redazione di norme Criteri e metodi semplificati di progettazione e di verifica sperimentale dei dispositivi Valutazioni su applicabilità alle situazioni reali e convenienza, allo stato attuale dello sviluppo tecnologico ma anche in proiezione futura

5 ARTICOLAZIONE DEL PROBLEMA BASE DI PARTENZA TECNICO-SCIENTIFICA - 1 TIPI DI DISPOSITIVI: isolatori in gomma, isolatori a scorrimento, dispositivi viscosi, visco-elastici, isteretici, ricentranti SMA, magneto-reologici, wire-rope.

6 BASE DI PARTENZA TECNICO-SCIENTIFICA - 2 TIPI DI STRUTTURA: edifici ordinari in c.a., edifici ordinari in acciaio, edifici ordinari in muratura, edifici monumentali in muratura (chiese, palazzi), ponti a travata, ponti ad arco, etc., strutture leggere, strutture prefabbricate.

7 BASE DI PARTENZA TECNICO-SCIENTIFICA - 3 TIPI DI PROGETTAZIONE: progetto di nuova struttura, adeguamento di struttura esistente. TIPI DI AZIONE: terremoti con caratteristiche ordinarie, terremoti near-fault.

8 BASE DI PARTENZA TECNICO-SCIENTIFICA - 4 ISOLAMENTO SISMICO EDIFICI Nonostante le numerose analogie, le diverse norme (USA, Giappone, Cina, EC8, OPCM 3274) conducono a risultati diversi e condizionano in modo differente l applicazione dell isolamento. Esistono ancora margini di sicurezza abbastanza ampi, che possono essere ulteriormente ottimizzati. Aspetti di rilievo: modelli e analisi semplificati di strutture con sistemi lineari e non lineari (forma del carico, effetti dello smorzamento, etc.) fattore di struttura per la verifica degli elementi strutturali. riflessi della morfologia dell opera sulla risposta del sistema strutturale (edificio o ponte).

9 ISOLAMENTO SISMICO PONTI BASE DI PARTENZA TECNICO-SCIENTIFICA - 5 Meno numerose sono le norme che riguardano l isolamento sismico dei ponti. Per i ponti non può valere l estensione diretta dei criteri e delle prescrizioni per gli edifici (differenze nello schema strutturale, nel numero di dispositivi, nelle condizioni ambientali). Numerosi sono gli studi numerici su modelli semplificati di ponti a travata Pochi sono gli approfondimenti su modelli più fedeli alla realtà, che permettano una valutazione di dettaglio del ruolo e dell impegno dei singoli dispositivi. Mancano anche attività sperimentali in tal senso.

10 DISPOSITIVI D ISOLAMENTO BASE DI PARTENZA TECNICO-SCIENTIFICA - 6 Molte norme non prendono in esame le modalità di accertamento delle prestazioni dei dipositivi. Nell EC8 si fa riferimento alla norma CEN (TC340) in via di sviluppo. Nell OPCM 3274 sono descritte le modalità di verifica di dispositivi di vario tipo, ma tali modalità richiedono una rivalutazione, sulla base di indagini sperimentali e di confronti. Aspetti specifici degli isolatori in gomma, trazione, instabilità, sensibilità alla temperatura.

11 SISTEMI DI DISSIPAZIONE DI ENERGIA BASE DI PARTENZA TECNICO-SCIENTIFICA - 7 Per essi sono state sviluppate linee guida e manuali applicativi piuttosto che normative. I diversi comportamenti che i dispositivi disponibili permettono di realizzare richiedono metodi diversi di progettazione e di analisi. La semplificazione di tali metodi è fondamentale per la formulazione di una normativa affidabile ed efficace che favorisca l adozione e la diffusione della strategia della dissipazione di energia.

12 BASE DI PARTENZA TECNICO-SCIENTIFICA - 8 SISTEMI DI CONTROLLO A MASSA ACCORDATA Interessanti potenzialità applicative laddove la massa sia già presente e svolga una funzione, come nel caso di serbatoi di acqua. L efficacia del sistema quando le sue caratteristiche non siano perfettamente stabili nel tempo, è un aspetto cruciale ai fini di una corretta applicazione. La possibilità di controllo semiattivo può attenuare la sensibilità alle variazioni di tali caratteristiche. Possibilità di una favorevole correzione del comportamento delle strutture di edifici isolate, in caso di azioni anomale, già proposta ma mai verificata sperimentalmente.

13 SISTEMI DI CONTROLLO SEMIATTIVO BASE DI PARTENZA TECNICO-SCIENTIFICA - 9 Un ampia classe di prestazioni è in teoria ottenibile da sistemi in cui il dispositivo possa esercitare, oltre che forze reattive, anche forze puramente attive (dispositivi di controllo attivo). Si è nel tempo affermata la tendenza ad avere dispositivi di tipo reattivo, operanti anche in forma passiva, con componenti elettroniche di misura e di attuazione a basso impiego di energia, in cui l attuazione modifica le caratteristiche meccaniche del dispositivo piuttosto che applicare reali forze attive (CONTROLLO SEMIATTIVO).

14 BASE DI PARTENZA TECNICO-SCIENTIFICA - 10 I dissipatori semiattivi possono operare in maniera puramente meccanica (passiva) ed essere efficaci per azioni dinamiche di esercizio (traffico veicolare o ferroviario, vento), potendo attivare prestazioni aggiuntive in presenza di azioni eccezionali (azione sismica di elevata intensità). I sistemi elettronici di misura e di attuazione permettono di sperimentare una ampia gamma di prestazioni aggiuntive, legate allo sviluppo di idonei algoritmi di controllo e di identificazione on-line. È necessario pervenire a formulazioni generali sia per la progettazione dei dispositivi che per la stima della risposta sismica delle strutture equipaggiate con dissipatori semi-attivi.

15 PROGRAMMA DI RICERCA OBIETTIVI - 1 OBIETTIVO GENERALE: il miglioramento delle conoscenze di aspetti specifici del funzionamento e della progettazione di sistemi di controllo passivo e semiattivo delle vibrazioni sismiche delle strutture, per migliorare e semplificare gli strumenti progettuali (norme, linee guida, metodi di analisi e di verifica sperimentale) e rendere agevole, affidabile ed economicamente conveniente l applicazione. Le ricerche dovranno principalmente affrontare problematiche ampie, di intere categorie di sistemi di controllo e di strutture, e alla verifica dell applicabilità e delle potenzialità di alcune categorie di dispositivi suscettibili di interessanti sviluppi per alcune tipologie di problemi.

16 Le problematiche affrontate riguarderanno: PROGRAMMA DI RICERCA OBIETTIVI - 2 le quattro principali tecniche di controllo (l isolamento sismico, la dissipazione di energia, le masse accordate, il controllo semiattivo) applicate a strutture di caratteristiche usuali (edifici in c.a. o in acciaio, ponti a travata con pile in c.a.) o particolari (edifici prefabbricati in c.a., edifici monumentali in muratura quali chiese e palazzi, strutture leggere), utilizzando pressoché tutte le tipologie di dispositivi oggi disponibili, sia quelli più consolidati nello sviluppo tecnologico e nell adozione corrente (isolatori in gomma, isolatori a scorrimento, dispositivi viscosi, visco-elastici, isteretici), sia quelli più recentemente messi a punto (dispositivi ricentranti SMA, magneto-reologici, wire-rope).

17 PROGRAMMA DI RICERCA OBIETTIVI - 3 Le problematiche progettuali riguarderanno sia le nuove costruzioni che quelle esistenti, con particolare riferimento, per queste ultime, all applicazione dell isolamento agli edifici monumentali e ai ponti a travata e dei controventi dissipativi agli edifici intelaiati in c.a.. Verrà presa in esame la risposta a terremoti con caratteristiche anomale, a causa della vicinanza alla faglia (near-fault), con il fine di studiare opportuni provvedimenti da adottare nel progetto dei dispositivi e/o della struttura, come seconda linea di difesa che garantisca adeguati margini di sicurezza rispetto al collasso totale del sistema strutturale.

18 PROGRAMMA DI RICERCA OBIETTIVI - 4 ISOLAMENTO SISMICO 1. isolatori elastomerici (instabilità, trazione, effetti termici), 2. isolamento a basso costo, combinazione gomma-slitte, 3. configurazioni strutturali ottimali e rapporto beneficio/costo derivante dall'impiego delle diverse tecnologie, 4. modalità applicative agli edifici monumentali, 5. tecnologie per l isolamento di strutture leggere, 6. metodi di analisi semplificata, fattore di struttura, 7. ponti a travata con isolamento sismico (comportamento tridimensionale, sollecitazioni sui dispositivi, progettazione) 8. attenuazione degli effetti delle irregolarità di forma, anche in relazione alla scelta della tecnologia, negli edifici e nei ponti 9. azioni sismiche anomale e componente verticale.

19 PROGRAMMA DI RICERCA OBIETTIVI - 5 DISSIPAZIONE DI ENERGIA 1.Criteri di progetto e metodi di analisi semplificata (lineare con fattore di struttura, non lineare - applicabilità e procedure), 2.Procedure di validazione sperimentale delle diverse categorie di dispositivi, 3.Possibilità e modalità applicative alle strutture prefabbricate, 4.Effetti di azioni sismiche anomale e della componente verticale.

20 PROGRAMMA DI RICERCA OBIETTIVI - 6 MASSE ACCORDATE 1. possibilità e modalità applicative con masse variabili, sia in controllo passivo che in controllo semiattivo, 2. criteri di progetto e metodi di analisi semplificata (lineare con fattore di struttura, non lineare - applicabilità e procedure), 3. modalità di progetto e analisi di sistemi combinati isolamento sismico massa accordata.

21 PROGRAMMA DI RICERCA OBIETTIVI - 7 SISTEMI DI CONTROLLO SEMIATTIVO 1. affidabilità nel tempo delle diverse tecnologie, funzionamento in controllo passivo, funzionamento in condizioni di servizio e in condizioni sismiche, autodiagnosi e identificazione strutturale, 2. analisi del comportamento e valutazione dell efficacia rispetto a sistemi di controllo passivo 3. criteri di progettazione e metodi di progettazione 4. procedure di validazione sperimentale delle diverse categorie di dispositivi

22 PROGRAMMA DI RICERCA METODI - 1 Il progetto è organizzato in quattro task principali: TASK 1 Controllo passivo mediante isolamento sismico (UNIBAS; UNINA_Se, UNINA_DL, UNIPG, UNICAL, UNIUD) TASK 2 Controllo passivo mediante dissipazione (UNIBAS, UNINA_Se, UNICAL, UNIUD, UNICAM, UNIBO) TASK 3 Controllo mediante masse accordate (POLITO, UNISA) TASK 4 Controllo semiattivo (POLITO, UNIPARTH, UNIVAQ)

23 PROGRAMMA DI RICERCA METODI - 2 Nell ambito di ciascun task, le attività delle singole UR saranno articolate secondo una o più combinazioni dei seguenti aspetti: 1. tipo di obiettivo (criteri e metodi di progettazione e di analisi, metodi di verifica dei dispositivi e della struttura), 2. tipo di struttura (edifici in c.a., acciaio, muratura, monumentali, ponti, altre strutture), 3. tipo di dispositivo per realizzare il controllo passivo (Isolatori in gomma, slitte acciaio-teflon, controventi dissipativi isteretici, viscosi, visco-elastici, ricentranti) o semiattivo (dispositivi magneto-reologici, viscosi), 4. tipo di input (terremoto standard, lunghi periodi, near-fault con impulsi e componente verticale)

24 PROGRAMMA DI RICERCA METODI - 3 Le ricerche comprenderanno studi teorico-numerici: svolti mediante indagini parametriche su modelli strutturali, analisi di singoli casi studio di strutture sui quali vengono applicati i sistemi in esame, messa a punto di metodi di progettazione e verifica di sistemi e di dispositivi o di algoritmi di controllo (semiattivo). e sperimentali: Un estesa sperimentazione su modelli in grande scala e su dispositivi costituirà l asse portante del progetto di ricerca e momento di confronto e di sintesi delle attività dei diversi task.

25 PROGRAMMA DI RICERCA METODI - 4 Si prevede di effettuare prove sui seguenti modelli: modelli di edifici in muratura protetti con isolamento sismico (UNIBAS) modelli di telai in c.a. di edifici protetti con isolamento sismico o con dispositivi dissipativi (UNIBAS) modello di struttura prefabbricata in c.a. protetto con dispositivi dissipativi (UNIBO) modell di telai in acciaio per prove dinamiche con controventi per il controllo passivo, con massa accordata e con controventi semiattivi (UNIBAS, UNICAM, UNISA) Ponti con pile in c.a. (UNIBAS)

26 PROGRAMMA DI RICERCA METODI - 5 Verrà eseguita una sperimentazione su dispositivi, volta alla verifica del loro reale comportamento, in relazione alle sollecitazioni indotte dal terremoto e alle variazioni prodotte da fattori ambientali etc., ed in particolare su: isolatori in gomma, per lo studio della trazione, dei fenomeni di instabilità, delle variazioni termiche (UNIBAS) e delle proprietà meccaniche in relazione ad applicazioni su strutture monumentali (UNINA); dispositivi fluido-viscosi, visco-elastici, isteretici, ricentranti SMA, wire-rope (UNIBAS, UNINA, UNICAM) dispositivi fluido-viscosi e magneto-reologici semiattivi (UNINA, UNIBAS)

27 PROGRAMMA DI RICERCA METODI - 6 L azione di coordinamento sarà finalizzata soprattutto a definire : criteri uniformi di valutazione della risposta della struttura e di comportamento dei dispositivi (rigidezza e smorzamento, dissipazione di energia, duttilità dei dispositivi isteretici, etc.), terremoti di riferimento da utilizzare sia per le simulazioni numeriche, che per le sperimentazioni su modelli, casi studio di riferimento su cui applicare i diversi sistemi, caratteristiche dei modelli sperimentali e modalità di esecuzione delle prove secondo una logica che ne massimizzi il contenuto di informazioni.

28 PROGRAMMA DI RICERCA PRODOTTI - 1 RISULTATI DEL PROGETTO DI RICERCA 1. metodologie e risultati sperimentali, 2.manuali 3. proposte di normativa

29 PROGRAMMA DI RICERCA PRODOTTI - 2 Linee guida e manuali con indicazioni progettuali ed esempi applicativi per edifici dotati di diversi tipi di controventi dissipativi (UNIBAS, UNINA_Se, UNICAL, UNIUD, UNIBO, UNICAM). Manuale con esempi di applicazione di sistemi dissipativi alle strutture prefabbricate (UNIBO). Manuale con applicazioni a casi reali di strutture leggere isolate con dispositivi di tipo wire-rope (UNINA_Se). Linee guida ed indicazioni progettuali, per l adeguamento tramite isolamento sismico di edifici a carattere storico-monumentale (UNINA_DL). Manuale per l uso delle diverse tecnologie per isolamento sismico, anche in relazione ad aspetti architettonici (UNIPG). Manuale con applicazioni a casi reali, per il progetto di ponti dotati di dissipatori a comportamento viscoso e visco-elastico [UNINA_Se]. Manuale con applicazioni a casi reali di strutture con isolamento sismico e massa accordata [UNISA]. Manuale per sistemi a masse accordate con incertezze nelle proprietà meccaniche e con controllo adattativo semi-attivo robusto (POLITO). Manuale di progettazione dei dispositivi semi-attivi per applicazioni sismiche (UNIVAQ, UNIPARTH)

30 PROGRAMMA DI RICERCA PRODOTTI - 3 Proposta di normativa per edifici dotati di sistemi di dissipazione di energia (UNIBAS, UNINA_Se, UNICAL, UNIUD, UNIBO, UNICAM) Proposte di modifica della normativa sull isolamento sismico sugli aspetti relativi ai metodi di analisi semplificata per edifici e ponti con isolamento (UNIBAS, UNINA_Se). Proposte di modifica della normativa sull isolamento sismico sugli aspetti relativi alle modalità di verifica teorica e sperimentale dei dispositivi (UNIBAS, UNINA_Se, UNINA_DL, UNIUD). Proposte di miglioramento delle norme tecniche per la progettazione di edifici con isolamento alla base, per tener conto anche degli effetti di terremoti near-fault e della componente verticale di accelerazione (UNICAL, UNIUD)

31 PROGRAMMA DI RICERCA COLLABORAZIONI - 1 R1 R2 R3 SEDE Responsabile Titolo UNIBAS Università della Basiliiata UNINA_SE Università di Napoli (Serino) UNINA_DL Università di Napoli (De Luca) RELUIS M. Dolce Controllo passivo di edifici e ponti: studi sperimentali e numerici per la validazione ed il miglioramento dei metodi di progettazione, analisi e verifica delle strutture e delle modalità di prova dei dispositivi G. Serino Metodologie di progettazione per edifici e ponti con dispositivi viscosi e di strutture isolate leggere A. De Luca Isolamento sismico di edifici di interesse storicomonumentale

32 PROGRAMMA DI RICERCA COLLABORAZIONI - 2 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 SEDE Responsabile Titolo UNIPG Università di Perugia UNICAL Università della Calabria POLITO Politecnico di Torino UNIUD Università di Udine UNISA Università di Salerno UNICAM Unversità di Camerino UNIBO Università di Bologna UNIPARTH - Università Parthenope di Napoli UNIVAQ - Università dell'aquila ESTERNE A. Parducci Aspetti progettuali ed architettonici nell applicazione dell isolamento sismico alle costruzioni A. Vulcano Progettazione di edifici con controventi dissipativi o con isolamento alla base ed effetti di near-fault A. De Stefano Sistemi a masse accordate e controllo semi-attivo per la riduzione della risposta sismica delle costruzioni S. Sorace Metodi di progetto e di analisi semplificata e procedure di qualificazione sperimentale di sistemi di isolamento sismico e di dissipazione di energia includenti dispositivi fluido-viscosi B. Palazzo Sperimentazione del sistema di controllo combinato Isolamento alla Base e Smorzamento di Massa A. Dall'Asta Controllo della risposta dinamica di telai esistenti in c.a. mediante dispositivi in gomma ad alto smorzamento e mediante controventi dissipativi con aste di acciaio ad instabilità impedita M. Savoia Metodologie di progettazione ed affidabilità di edifici protetti con sistemi di dissipazione sismica A. Occhiuzzi Controllo delle vibrazioni di natura sismica mediante dissipatori semiattivi V. Gattulli Sistemi integrati di controllo ed auto-diagnosi in dissipatori sismici semi-attivi

33 PROGRAMMA DI RICERCA COLLABORAZIONI - 3 Sono previste interazioni tra le diverse unità di ricerche che si occupano degli stessi temi, al fine di arrivare alla redazione di manuali e linee guida coordinati o unificati. Collegamenti nazionali e internazionali verranno stabiliti con i principali centri di ricerca ed associazioni che si occupano delle tecniche di controllo passivo, tra cui, in Italia, il Gruppo di Lavoro Isolamento Sismico (GLIS) e, a livello internazionale, l Antiseismic System International Society (ASSISi), la Japanese Society of Seismic Isolation (JSSI). oltre ad altre Università e centri di ricerca. In particolare si potrà stabilire una collaborazione con l ENEA, sia per collaborazioni su specifici temi che per l esecuzione di attività sperimentali su grandi modelli.

34 PROGRAMMA DI RICERCA INTERAZIONI - 1 Per lo sviluppo di nuove metodologie di progettazione, sarà indispensabile il collegamento con i progetti: N. 4 RELUIS Sviluppo di approcci agli spostamenti per il progetto e la valutazione di vulnerabilità, per verificare la possibilità di estensione di tali approcci alla progettazione delle strutture isolate e con controventi dissipativi, N. 5 INGV Definizione dell input sismico sulla base degli spostamenti attesi, per migliorare la definizione delle azioni nel campo degli alti periodi.

35 PROGRAMMA DI RICERCA INTERAZIONI - 2 La possibilità di applicare le tecniche di controllo passivo e semiattivo a diverse tipologie strutturali, comporterà interazioni con i progetti: N. 1 RELUIS Valutazione e riduzione della vulnerabilità di edifici esistenti in muratura, N. 2 RELUIS Valutazione e riduzione della vulnerabilità di edifici esistenti in c.a.. N. 3 RELUIS Valutazione e riduzione della vulnerabilità di ponti esistenti.

36 GRAZIE E BUON LAVORO

37 UR R1 UNIBAS M.Dolce Le attività saranno articolate nei seguenti temi: 1. Edifici con isolamento sismico 2. Edifici con controventi dissipativi 3. Ponti a travata con isolamento sismico dell impalcato Con la seguente ulteriore articolazione: a. Analisi dello stato dell arte e della pratica b. Indagini numeriche c. Indagini sperimentali d. Sintesi dei risultati

38 UR R1 UNIBAS M.Dolce PROVE CICLICHE E PSEUDODINAMICHE DI PONTI A TRAVATA CON SISTEMI DI ISOLAMENTO SISMICO Attuatore MTS per pseudodinamica e ciclica Martinetto precompressione verticale kN Elemento impalcato in acciaio 0.5x0.50x2.00m Pulvino 0.60x0.80x2.00 m con foro centrale AxB>100x250mm Tirante precompressione verticale kN Pila cava 3.80x m Base 0.60x0.80x1.60 m PROVE CICLICHE E PSEUDODINAMICHE SU UN TELAIO IN ACCIAIO CON DIVERSI DISPOSITIVI DISSIPATIVI E SU MODELLI IN C.A. IN GRANDE SCALA

39 UR R1 UNIBAS M.Dolce PRODOTTI ATTESI 1. Metodologie semplificate di analisi e progettazione di strutture di edifici e ponti con isolamento sismico e di strutture dotate di controventi dissipativi. 2. Definizione di modalità e specifiche di prova dei dispositivi. 3. Nuove relazioni per la verifica degli isolatori. 4. Linee guida ed indicazioni progettuali per edifici dotati di controventi dissipativi. 5. Proposte di modifica della normativa. 6. Diffusione delle conoscenze acquisite nella ricerca.

40 UR R2 UNINA G.Serino Unità di Ricerca c/o Univ. Napoli Federico II Obiettivo 1: Sviluppo di metodologie di progetto di dissipatori a comportamento viscoso e visco-elastico per edifici e ponti,, con sviluppo di procedure di prova ed indicazioni normative Riferimenti: F. Paolacci & G. Serino. Optimal design of passive energy dissipation systems for seismic protection of concrete bridges.. Fifth World Congress on Joints, Bearings and Seismic Systems for Concrete Structures. Roma, x g x c x m c k i m k c c Appoggi elastomerici e dissipatori 2 1,6 ν opt p 1 p 2 F d Il caso del ponte: individuazione dello smorzamento ottimale 1,2 0,8 0,4 κ x

41 UR R2 UNINA G.Serino Unità di Ricerca c/o Univ. Napoli Federico II Obiettivo 2: Sviluppo di modelli matematici per simulare il comportamento sperimentale di isolatori elastomerici armati snelli,, e di formule per l instabilità da inserire nella normativa Riferimenti: A. Raithel & G. Serino. Stabilità e comportamento post-critico degli isolatori elastomerici armati.. 6 Convegno ANIDIS. Perugia, G. Serino, A. Raithel & N. Augenti. Comportamento meccanico degli appoggi elastomerici armati: modelli teorici e confronti sperimentali.. XXIII Convegno AIAS. Rende, o o N l sen α cos α o o. F o o vb o B l w. (1-cos α ) K B α l/ sen α 2 l/2.. Modello elasto-rigido o o K α o o oa K... α N M T Modello continuo dz ϕ < 0 0 >ϕ z y ϕ <0 γ dv 1 90 dv γ 90 dz ds t dv 2 T.. dw 2.. dw 1 N M dw

42 UR R2 UNINA G.Serino Unità di Ricerca c/o Univ. Napoli Federico II Obiettivo 3: Sviluppo di modelli matematici per simulare il comportamento non-lineare di isolatori di tipo wire-rope rope,, e di una loro metodologia di progetto per strutture leggere Riferimenti: M. Di Donna & G. Serino. Base Isolation of High Voltage Equipment: Comparison between Two Different Solutions.. 12 th ECEE. Elsevier, Oxford, UK, 2002.

43 UR R3 UNINA A.De Luca ADEGUAMENTO SISMICO TRAMITE ISOLAMENTO ALLA BASE DI EDIFICI STORICO-MONUMENTALI A PIANTA BASILICALE S. Giovanni a Mare S. Ippolito S. Paolo Maggiore S. Giovanni Maggiore Baricentro MASSE Baricentro RIGIDEZZE due diversi sistemi di isolamento

44 UR R3 UNINA A.De Luca VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA SISMICA DI EDIFICI STORICO-MONUMENTALI S. Giovanni a Mare S. Ippolito S. Paolo Maggiore S. Giovanni Maggiore

45 UR R3 UNINA A.De Luca LABORATORIO PROVE SPERIMENTALI PER LA VERIFICA DELLE CARATTERISTICHE PRESTAZIONALI DI ISOLATORI SISMICI PER L ADEGUAMENTO DI EDIFICI DI INTERESSE STORICO-MONUMENTALE OBIETTIVI indicazioni progettuali per l ottimizzazione dei dispositivi elastomerici per l adeguamento sismico di edifici di interesse storicomonumentale. Schema dell apparecchiatura di prova verifica caratteristiche prestazionali dei dispositivi, quali leggerezza, durabilità, elevata capacità deformativa.

46 UR E1 UNIPG A.Parducci MORFOLOGIA ARCHITETTONICA CONFIGURAZIONE STRUTTURALE SISTEMI INNOVATIVI DI PROTEZIONE SISMICA Identificazione di configurazioni ottimali Nuovo Centro della Protezione CIvile (Foligno) A B A Ottimizzazione della risposta delle configurazioni tipologiche tipiche

47 UR E1 UNIPG A.Parducci ASPETTI DI CONFIGURAZIONE STRUTTURALE CORRELATI ALLA PROTEZIONE SISMICA MEDIANTE SISTEMI INNOVATIVI enhanced plastic hinges at column ends closing the open frames dampers Compatibilità di configurazioni critiche: SOFT STOREY. progetto di adeguamento edifici di MODICA (RG) Contratti di quartiere II (9th World Seminar on Seismic Isolation Kobe (Japan) 2005) damper steel frame first story floor confined sections confined hinge element existing element M/f c bh 2 CONFINING WORKS 1. Removal of the concrete cover (hydrodemolition) β u β u(conf) 2. Rheoplastic concrete casting Moment-curvature 3. Wrapping with FRP strips Sistemi dissipativi sinergici per il contenimento della risposta (adeguamento)

48 UR E1 UNIPG A.Parducci REDDITIVITA' TECNICO-ECONOMICA NELL'APPLICAZIONE DELLE TECNOLOGIE INNOVATIVE Risultati preliminari Riduzione dei costi attesi (non attualizzati) in funzione della sismicità e della PGA di progetto Valori rapportati al costo di costruzione

49 UR E2 UNICAL A.Vulcano BASE-ISOLATED TEST STRUCTURE Horizontal force-displacement law for HDLRB (Ryan, Kelly and Chopra, 2004) F = K H u H = K H0 [ 1 ( P P ) ] 2 cr u H Vertical force-displacement law for HDLRB (Ryan, Kelly and Chopra, 2004) 2 P S uh P = KV uv PE hb

50 UR E2 UNICAL A.Vulcano INFLUENCE OF THE VERTICAL COMPONENT OF A NEAR-FAULT MOTION FOR DIFFERENT NOMINAL STIFFNESS RATIOS (a K0 =K V0 /K H0 ) 5 5 Floor level BI3.D: Variable-stiffness isolator model Duzce Duzce (E-W) (E-W+Vert.) α K0 =150 α K0 =800 α K0 8 Floor level BI3.D: Variable-stiffness isolator model Duzce Duzce (E-W) (E-W+Vert.) α K0 =150 α K0 =800 α K Girders' ductility demands (exterior sections) Girders' ductility demands (mid-span sections) F. Mazza and A. Vulcano. Seismic response of base-isolated buildings under horizontal and vertical near-fault ground motions. 8 th U.S. National Conference on Earthquake Engineering, San Francisco, California, April (submitted for publication).

51 UR E2 UNICAL A.Vulcano EFFECTS OF THE ISOLATOR MODEL (CONSTANT OR VARIABLE STIFFNESS PROPERTIES) 5 α K0 =150 5 α K0 =150 Floor level BI3.D: Duzce (E-W + Vert.) Isolator Models: constant stiffness exterior sect. mid-span sect. variable stiffness exterior sect. mid-span sect. Floor level BI2.5.D: Izmit YP (N-S + V) Isolator Models: constant stiffness exterior sect. mid-span sect. variable stiffness exterior sect. mid-span sect Girders' ductility demands Girders' ductility demands F. Mazza and A. Vulcano. Seismic response of base-isolated buildings under horizontal and vertical nearfault ground motions. 8 th U.S. National Conference on Earthquake Engineering, San Francisco, California, April (submitted for publication).

52 UR E3 POLITO A.De Stefano Sistemi di attenuazione della risposta dinamica a massa oscillante solida e fluida TMD (Tuned Mass Damper) Oscillatore semplice (m, k, c) Comportamento lineare Densità elevata TLD (Tuned Liquid Damper) Sloshing entro serbatoio Comportamento non lineare Economicità, parcellizzazione 16 Principio di funzionamento (in tuning): assorbimento dell energia vibratoria strutturale per reazione approssimativamente in quadratura al moto del supporto x1/xst [-] f = 1 m = 1/20 0, w/w0 [-] 0 APPLICAZIONI: smorzatori adattativi a fluido oscillante giardini pensili usati come TMD multipli a controllo robusto

53 UR E3 POLITO A.De Stefano Modelli matematici per TLD Modelli lineari (principio variazionale di Hamilton) Housner (rettangolari e cilindrici) De Stefano (tronco-conici) Modelli non lineari (Shallow water wave theory) Fujino, Sun et al.(rettangolari) Reed et al. (rettangolari) Effetto convettivo Oscillatore semplice: m 1, h m1, w Modello lineare per TLD Sovrapressione dinamica del fluido sulla parete Effetto impulsivo Massa fissa: m 0, h m0

54 UR E3 POLITO A.De Stefano Telaio MDOF spaziale Simulazione progettuale: Struttura spaziale asimmetrica di 6 piani 5 TMD equivalenti Vincoli di posizione trade-off tra Ep x e Ep y search before decision making Energia potenziale per accelerazione armonica unitaria secondo y (MJ) ,0 < µ (% ) < 0,2 0,2 < µ (% ) < 0,5 0,5 < µ (% ) < 1,0 1,0 < µ (% ) < 2,0 2,0 < µ (% ) < 4, Energia potenziale per accelerazione armonica unitaria secondo x (MJ) µ = 1,3% µ = 4,5%

55 UR E4 UNIUD S.Sorace Studi condotti su sistemi di protezione sismica con dispositivi fluido-viscosi a matrice siliconica nell ambito di Progetti di Ricerca Internazionali e Nazionali Isolamento alla base e dissipazione Controventi dissipativi Cavi dissipativi Cavi pre-tesi Dispositivi siliconici Controventi in acciaio Dispositivi siliconici Appoggi scorrevoli Progetto MIUR 2000 Progetto Europeo DISPASS Dispositivi siliconici Progetto Europeo SPIDER

56 UR E4 UNIUD S.Sorace 1. CONTROLLO PASSIVO MEDIANTE ISOLAMENTO SISMICO E DISSIPAZIONE a. Ulteriore calibrazione di equazioni di progetto: c( η, ϕ, A ) = c i 0,1 (1+ ϑ) ( η, Ai ) [(1 ϕ ) + η ] γ γ Applicazione ai seguenti casi di studio: Reale Nuova Sede della Fratellanza Popolare di Grassina Firenze Simulato edificio tipologizzato in c.a. b. Studio degli effetti di azioni sismiche anomale, con particolare riguardo a terremoti near fault (registrazioni storiche ed accelerogrammi artificiali generati mediante modelli cycloidal pulse )

57 2. CONTROLLO SISMICO MEDIANTE DISSIPAZIONE DI ENERGIA a. Ulteriore calibrazione di criteri di progetto: Applicazione ai seguenti casi di studio: Simulato Adeguamento sismico della scuola materna ed elementare G. Marconi Firenze UR E4 UNIUD S.Sorace E = β Dj j E Ij E D t c 0 α j = cj v& j sgn( v& j) v& jdt Simulato Adeguamento sismico di un edificio di civile abitazione a piano pilotis (Udine) b. Analisi delle procedure sperimentali di qualificazione e di accettazione dei dispositivi fuido-viscosi Valutazione dei risultati di una precedente campagna ed esecuzione di una nuova sperimentazione

58 ROBUSTEZZA DELLE STRUTTURE ISOLATE ALLA BASE RISPETTO ALLE CARATTERISTICHE DEL SISMA IN INGRESSO L isolamento sismico è molto sensibile alle caratteristiche dell eccitazione. Un sisma con elevato contenuto energetico sulle basse frequenze, può produrre eccessive domande di spostamento nei dispositivi d isolamento. UR E5 UNISA B.Palazzo Sistema MDOF isolato alla base K 6 M 6 K 5 M 5 K 4 M 4 K 3 M Magnitudo Funzione di trasferimento dello spostamento relativo degli isolatori Funzione di trasferimento dello spostamento relativo del top rispetto alla base isolata M 2 K 2 M 1 K 1 M is K is 15 Prima forma modale T=1.72 sec ξ 1 = x is (m) Spostamento relativo del livello di isolamento Mexico City Earthquake (1985) ω (rad/sec) x is,max = 1.47m t (sec)

59 STRATEGIA COMBINATA: ISOLAMENTO + TMD (Palazzo, Petti 1994) Sistema MDOF isolato e dotato di smorzamento di massa K 6 M 6 K 5 M 5 K 4 M 4 K 3 M Magnitudo Prima forma modale T=1.83 sec ξ 1 = Seconda forma modale T=1.64 sec ξ 1 = UR E5 UNISA B.Palazzo Sistema isolato (Funzione di trasferimento relativa allo spostamento degli isolatori) Sistema isolato + TMD (Funzione di trasferimento relativa allo spostamento degli isolatori) Magnitudo Sistema isolato (Funzione di trasferimento relativa allo spostamento del Top rispetto alla base isolata) Sistema isolato + TMD (Funzione di trasferimento relativa allo spostamento del Top rispetto alla base isolata) K is K 2 M 2 M 1 k T K 1 m T c T M is 5 ω (rad/sec) Spostamento relativo base isolata 0.5 ω (rad/sec) Spostamento relativo del top rispetto alla base isolata Il TMD agisce come un filtro taglia banda sulla frequenza principale di vibrazione del sistema isolato. Tale azione non amplifica sfavorevolmente la risposta sismica della sovrastruttura.

60 RISPOSTA SISMICA UR E5 UNISA B.Palazzo Mexico City earthquake (1985) Criterio di Den Hartog x is (m) Sistema isolato Sistema BI&TMD Spostamento relativo degli isolatori K 6 M 6 K 5 M t (sec) K is M 4 K 4 M 3 K 3 M 2 K 2 M 1 k T K 1 m T c T M is Forma modale principale Il progetto di ricerca prevede approfondimenti sul comportamento del sistema combinato, soprattutto in campo non lineare, la sperimentazione numerica su modelli di edifici considerati come casi studio a livello internazionale, ed una sperimentazione su modelli fisici in scala.

61 Dispositivi di dissipazione Dissipatori in gomma ad alto smorzamento (HDR) UR E6 UNICAM A.Dall Asta Dissipatori isteretici assiali ad instabilità impedita (BRAD)

62 Modellazione dei dispositivi HDR: dipendenza dall ampiezza e dalla velocità - ricentranti g -2,5-2 -1,5-1 -0, ,5 1 1,5 2 2, strain strain BRAD: comportamento elastoplastico deformazioni residue Force (kn) UR E6 UNICAM A.Dall Asta 150 force (kn) force (kn) displacement (mm)

63 UR E6 UNICAM A.Dall Asta Prove sperimentali Telaio in c.a. Caratterizzazione telaio nudo Dissipatori HDR - snap back - prove cicliche quasi statiche - prove cicliche velocità variabile Dissipatori BRAD - prove cicliche quasi statiche - prove in campo post-elastico S-DoF: metodi semplificati e criteri di progetto Estensione criteri di progetto a sistemi M-DoF Aspetti costruttivi Aspetti economici

64 UR E7 UNIBO M.Savoia IDENTIFICAZIONE DELLE PROPRIETÀ DI DISSIPAZIONE di strutture con sistemi di protezione innovativi Metodi nel dominio del tempo Metodi nel dominio delle frequenze Oscillazioni ambientali (es. vento, traffico) Sperimentale - Numerico Forzante imposta (es. vibrodina) OBIETTIVO: funzioni di risposta in frequenza (FRF) Procedure di identificazione di coefficienti di smorzamento equivalenti a differenti livelli di velocità DALLE PROPRIETA DEL DISSIPATORE A QUELLE DELLA STRUTTURA SMORZATA

65 AFFIDABILITA DEI SISTEMI DI SMORZAMENTO Hazard (Rischio sismico): ( ) ( ( )) ( ) ( ) H S = Pr S < s 1 anno = 1 F s 1 anno a a a a Probabilità di accadimento di un certo sisma in un prefissato luogo UR E7 UNIBO M.Savoia Fragilità sismica: Pf ( sa) = Pr g( x) < 0 Sa = sa Probabilità di collasso della struttura per una prefissata accelerazione alla base considerando le incertezze strutturali (TRA CUI LA RISPOSTA DELLO SMORZATORE) OBIETTIVO: Condurre analisi di affidabilità di sistemi strutturali con smorzatori Verificare la sensibilità del comportamento strutturale in presenza di difetti o malfunzionamento degli smorzatori Fornire elementi per predisporre piani di manutenzione

66 UR E7 UNIBO M.Savoia STRUTTURE PREFABBRICATE con sistemi dissipativi di protezione sismica:sperimentazione SU UN PROTOTIPO AL VERO PROGETTO e REALIZZAZIONE DI UNA STRUTTURA PREFABBRICATA PROTOTIPO MONOPIANO PER L INSTALLAZIONE E PROVA DI SISTEMI DI SMORZAMENTO OBIETTIVO: Struttura a disposizione del progetto per verificare differenti tipologie di sistemi di smorzamento, anche in presenza di difetti di funzionamento

67 UR E8 UNIPARTH A.Occhiuzzi Applicazione 1: dissipatori oleodinamici semi attivi x s (t) (t) if if f f k c(t) Control Algorithm & f(t) () t () t > 0 then c() t = cmax () t & () t < 0 then c() t = cmin

68 UR E8 UNIPARTH A.Occhiuzzi Applicazione 2: dissipatori magnetoreologici semi attivi Condizioni di prova Passivo 0.0 A Passivo 2.5 A Semiattivo A

69 UR E8 UNIPARTH A.Occhiuzzi Applicazione 2: dissipatori magnetoreologici semi attivi 4 th floor relative displacement 200% 180% 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% Passive 2.5 A Passive 0 A Semi-active 0% Tolmezzo -1dB Northridge -12dB EC8-C -3dB

70 UR E9 UNIVAQ V.Gattulli Sistemi integrati di controllo ed auto-diagnosi in dissipatori sismici semiattivi Sviluppo ed implementazione di controllo integrati con sistemi di monitoraggio w Modello di riferimento M, C, K, f r r r r v or Σ Esecuzione di prove sperimentali su modelli strutturali equipaggiati con diverse tipologie di dispositivi semiattivi Affidabilità dei dispositivi ed auto-diagnosi della struttura e dei componenti θ u w Struttura reale M, C, K, f Controllore e Stima dei parametri λ, θ v o v o w e

71 UR E9 UNIVAQ V.Gattulli Procedura Integrata di Identificazione e Controllo di una struttura a più g.d.l Equazioni del moto M q&&+ Cq&+ Kq= Eu+ Fw Equazioni del moto nello spazio di stato x& = A x+ bu+ hw 1968 Uscita dal sistema y= Cx Legge di controllo u= 1/ b2 ( y&& d λe& kcs cax h2 w) k 1 k 2 k 1 k q a) c 1 c 2 c 1 c b) Identificazione on-line dei parametri: a) Rigidezze; b) Smorzamenti 0.3 Active tendon Actuator Controller α q q Conditioner Analogue differentiator. q q q q t a) b) Sistema di controllo: Risposta ad eccitazione sismica alla base ed effetto del controllo

72 UR E9 UNIVAQ V.Gattulli Dispositivo sperimentale per il controllo delle oscillazioni del cavo sospeso \ indotte da azione di trascinamento sismica ai supporti Piezoelectric Actuator Masses Suspended Cable Plexiglas Frame Azione di trascinamento sismica ai supporti [Volt ] Filter Shaker Camera α = 0,0 X X' Computer D/A DSpace Board A/D Filter Y Y' Conditioning a=0, Apparato sperimentale nel Laboratorio di Dinamica e Controllo DISAT a=0, f [Hz ] Curva di risposta in frequenza: Risultati prove sperimentali

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