Soluzioni integrate di efficientamento sismico ed energetico

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1 Corsi di formazione e aggiornamento professionale per Energy Manager e esperti in gestione dell energia Soluzioni integrate di efficientamento sismico ed energetico Portici (NA), 15 maggio 2019 Anna Marzo, PhD Ingegnere Strutturista, Ricercatrice

2 SOMMARIO SOLUZIONI INTEGRATE DI EFFICIENTAMENTO SISMICO ED ENERGETICO - Tipologie di intervento - Strategie di interventi per il miglioramento e l adeguamento sismico delle strutture esistenti - Soluzioni integrate di miglioramento sismico ed energetico - Tecnologie innovative per l adeguamento sismici Interventi di miglioramento: o o L isolamento sismico degli edifici Casi emblematici di edifici isolati alla base 2

3 Sicurezza e efficienza energetica Non è sostenibile realizzare: Strutture tecnologicamente avanzate ma non sicure anche sisma di mediobassa intensità può danneggiarle Bunker antisismici estremamente costosi gestione onerosa Edifici nuovi progetti nello spirito della sostenibilità Edifici esistenti interventi di miglioramento della sicurezza e dell efficienza SOLUZIONI energetica INTEGRATE DI programmati EFFICIENTAMENTO ed SISMICO eseguiti ED in ENERGETICO maniera organica 3

4 CLASSIFICAZIONE DEGLI INTERVENTI (8.4 NTC-2018) Interventi di riparazione o locali Intervento: elementi isolati, singole parti e/o elementi della struttura, porzioni limitate della costruzione (aumento della sicurezza) Progetto e valutazione sicurezza: solo su parti interessate, documentando che gli interventi: non producono modifiche al comportamento delle altre parti e globale comportano un miglioramento della sicurezza Interventi di miglioramento Intervento: aumento sicurezza strutturale (anche se < livello nuove costruzione ) Progetto e valutazione sicurezza: estesi alle parti interessate da modifiche di comportamento e alla struttura nel suo insieme Interventi di adeguamento Intervento: aumento sicurezza strutturale fino a raggiungere le prestazioni di Progetto e valutazione sicurezza: estesi a tutta la struttura, oltre che alle parti interessate da modifiche anche se limitate rispetto al complesso strutturale 4

5 CLASSIFICAZIONE DEGLI INTERVENTI (8.4 NTC-2018) Adeguamento obbligatorio in caso di (8.4.3): Sopraelevazione (sono esclusi i casi in cui si realizzano cordoli sommitali) Variazioni di destinazione d uso che comportino incrementi dei carichi globali verticali in fondazione superiori al 10% (valutati secondo la combinazione caratteristica rara impiegata per gli SLE reversibili (eq del 2.5.3, includendo i soli carichi gravitazionali (resta comunque fermo l obbligo di procedere alla verifica locale delle singole parti e/o elementi della struttura, anche se interessano porzioni limitate della costruzione). Trasformazione mediante un insieme sistematico di opere che porti ad un organismo edilizio diverso dal precedente; nel caso degli edifici, effettuare interventi strutturali che trasformano il sistema strutturale mediante l impiego di nuovi elementi verticali portanti su cui grava almeno il 50% dei carichi gravitazionali complessivi riferiti ai singoli piani Modifiche di classe d uso che conducano a costruzioni di classe III ad uso scolastico o di classe IV. 5

6 CLASSIFICAZIONE DEGLI INTERVENTI (8.4 NTC-2018) N.B. Per i beni di interesse culturale ricadenti in zone dichiarate a rischio sismico, è in ogni caso possibile limitarsi ad interventi di miglioramento effettuando la relativa valutazione della sicurezza (ai sensi del comma 4 dell art. 29 del D.L. 22 gennaio 2004, n. 42 Codice dei beni culturali e del paesaggio) Per le costruzioni di valenza storico-artistica, anche se non vincolate, è disponibile anche la Direttiva del Presidente del Consiglio dei Ministri, , per la valutazione e riduzione del rischio sismico del patrimonio culturale Adeguamento e miglioramento devono essere sottoposti a collaudo statico 6

7 IL PROGETTO D INTERVENTO (8.7.5 NTC-2018) Il progetto di adeguamento o miglioramento sismico deve comprendere (per tutte le tipologie costruttive) Verifica della struttura prima dell intervento con identificazione di carenze livello di azione sismica relativo allo SLU (e SLE se richiesto) Scelta motivata del tipo di intervento Scelta delle tecniche e/o dei materiali Dimensionamento degli interventi Analisi strutturale con le caratteristiche della struttura pre e post-intervento Verifica della struttura post-intervento con Determinazione del livello di azione sismica per la quale viene raggiunto lo SLU (e SLE se richiesto) Dimostrazione del livello di miglioramento e dell adeguamento sismico 7

8 STRATEGIE DI INTERVENTI PER IL MIGLIORAMENTO E L ADEGUAMENTO SISMICO DELLE STRUTTURE ESISTENTI INCREMENTO DELLA RESISTENZA E DELLA RIGIDEZZA STRUTTURALI AUMENTO DELLE CAPACITÀ DISSIPATIVE DELLA STRUTTURA MIGLIORAMENTO DEL COMPORTAMENTO SISMICO DI PARTI NON STRUTTURALI INTEGRABILITÀ CON INTERVENTI DI EFFICIENTAMENTO ENERGETICO DISACCOPPIAMENTO TRA IL MOTO DELLA STRUTTURA E QUELLO DEL TERRENO: Isolamento Sismico 8

9 INCREMENTO DELLA RESISTENZA E DELLA RIGIDEZZA STRUTTURALI: ALCUNI INTERVENTI INTEGRABILI INTERVENTI RELATIVI ALLE PARETI Strutture in muratura o o o o Rinforzo di pareti con placcaggio armato o iniezioni Verifica/inserimento cerchiature Ristilatura dei giunti Scuci e cuci 9

10 INCREMENTO DELLA RESISTENZA E DELLA RIGIDEZZA STRUTTURALI: ALCUNI INTERVENTI INTEGRABILI INTERVENTI RELATIVI ALLE PARETI o Strutture in c.a. o Inserimento di elementi di controvento o Inserimento di pareti a taglio o Rinforzo delle tamponature 10

11 INCREMENTO DELLA RESISTENZA E DELLA RIGIDEZZA STRUTTURALI: ALCUNI INTERVENTI INTEGRABILI CONTROVENTI NON DISSIPATIVI 11

12 INCREMENTO DELLA RESISTENZA E DELLA RIGIDEZZA STRUTTURALI: ALCUNI INTERVENTI INTEGRABILI CONTROVENTI DISSIPATIVI 12

13 INCREMENTO DELLA RESISTENZA E DELLA RIGIDEZZA STRUTTURALI: ALCUNI INTERVENTI INTEGRABILI CONTROVENTI DISSIPATIVI 13

14 INCREMENTO DELLA RESISTENZA E DELLA RIGIDEZZA STRUTTURALI: ALCUNI INTERVENTI INTEGRABILI PARETI A TAGLIO DISSIPATIVE E NON DISSIPATIVE Acciaio o alluminio: s = 0.7 1,5 mm C.a. : s = mm 14

15 INCREMENTO DELLA RESISTENZA E DELLA RIGIDEZZA STRUTTURALI: ALCUNI INTERVENTI INTEGRABILI PARETI A TAGLIO: Esempi applicativi pareti a taglio metalliche (s = 0.7 1,5 mm) The Century, San Francisco Kobe Office Building 15

16 INCREMENTO DELLA RESISTENZA E DELLA RIGIDEZZA STRUTTURALI: ELEMENTI NON STRUTTURALI LE TAMPONATURE: PROBLEMATICHE Sotto l effetto dei carichi sismici, le tamponature possono subire danni e/o interagire negativamente con i telai 16

17 INCREMENTO DELLA RESISTENZA E DELLA RIGIDEZZA STRUTTURALI: ALCUNI INTERVENTI INTEGRABILI LE TAMPONATURE: RICHIESTE PRESTAZIONALI ATTUALI Per gli elementi non strutturali devono essere adottati magisteri atti ad evitare la possibile espulsione sotto l azione della Fa corrispondente allo SL e alla CU considerati. Migliorare i collegamenti degli elementi non strutturali, alla struttura e tra loro 1) Realizzazione di una tamponatura antisismica 2) Realizzazione di una tamponatura termoisolante Sistema integrato 17

18 MIGLIORAMENTO DEL COMPORTAMENTO SISMICO E TERMOACUSTICO DELLE TAMPONATURE LE TAMPONATURE: LA PROGETTAZIONE ANTISMICA Oltre ad essere posizionate in modo tale da rispettare le caratteristiche di regolarità in pianta e in altezza delle costruzioni, devono essere verificate per l azione sismica, corrispondente a ciascuno degli stati limite considerati, calcolata come: Accelerazione massima Peso elemento S a = α S Z/H T 2 0,5 a T1 F a = S aw a q a Fattore di comportamento elemento Al fine di contenere le lesioni negli elementi non strutturali che possono rendere l edificio temporaneamente inagibile, la Norma pone inoltre dei limiti per gli spostamenti di interpiano della struttura allo stato limite di danno. dr < 0,0050 h oppure dr < 0,0075 h dr drp 0,01 h 18

19 INCREMENTO DELLA RESISTENZA E DELLA RIGIDEZZA STRUTTURALI: ALCUNI INTERVENTI INTEGRABILI UNA SOLUZIONE PER CONIUGARE EFFICIENZA E SICUREZZA: BREVETTO ENEA A. Marzo e C. Tripepi Il sistema integra in un kit componibile le funzioni antisismica e termoisolante, delegandole ad elementi diversi (corde e pannelli) entrambi originati dal fusto della canapa. Brevetto n Le corde sono disposte su due piani che insieme costituiscono il sistema che si oppone al ribaltamento fuori piano 19

20 MIGLIORAMENTO DEL COMPORTAMENTO SISMICO E TERMOACUSTICO DELLE TAMPONATURE: Soluzione integrata TAMPONATURE: UNA SOLUZIONE PER CONIUGARE EFFICIENZA E SICUREZZA Al sistema base è delegata la funzione antisismica di contenimento della tamponatura mentre il trasferimento dell azione ribaltante dalla parete alla parte strutturale è garantito da connessioni meccaniche con montaggio a secco Il sistema base può essere combinato con uno o più pannelli cui è demandata la funzione termoisolante. 20

21 INCREMENTO DELLA RESISTENZA E DELLA RIGIDEZZA STRUTTURALI: ALCUNI INTERVENTI INTEGRABILI INTERVENTI RELATIVI A SOLAI E COPERTURA o Strutture lignee o Strutture in acciaio o Strutture in c.a. Meccanismo da evitare Integrazione dell intervento architettonico con interventi di rinforzo strutturale e di efficientamento energetico Comportamento da garantire 1. Consolidamento strutturale 2. Isolamento termo-acustico 3. Finitura architettonica 21

22 INCREMENTO DELLA RESISTENZA E DELLA RIGIDEZZA STRUTTURALI: ALCUNI INTERVENTI INTEGRABILI INTERVENTI RELATIVI A SOLAI E COPERTURA 22

23 INCREMENTO DELLA RESISTENZA E DELLA RIGIDEZZA STRUTTURALI: ALCUNI INTERVENTI INTEGRABILI INTERVENTI GLOBALI o Esoscheletri in c.a. o acciaio 23

24 INTERVENTI GLOBALI o Isolamento sismico 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); 24

25 Edificio Convenzionale Fc2 >> Fc1 Fc2 Ac Ac >> Ai Fc >> Fi Edificio con Isolamento alla base Dc >> Di Sc >> Si Fi2 Fi1 Fi2 Ai Fc1 Dc Fi1 Di Sc Si 25

26 Tempio Diana, Efeso Alla base della costruzione del tempio di Diana ad Efeso (eretto nel VI secolo a.c. e riedificato nel 416 a.c. dopo un incendio) c è l intuizione di disaccoppiare il moto della struttura da quello del terreno utilizzando uno strato di frammenti di carboni costipati e uno di velli di lana (Plinio il Vecchio nella sua Naturalis Historia, I secolo d.c.) Tempio di Heraion a Samo Fondato su un sottile e continuo strato di ghiaia a sua volta poggiante su uno di sabbia di spessore maggiore. Tecnica attribuita a Theodoros di Samo (VI secolo a.c.) 26

27 Mura di Troia Poggiano su un compatto cushion of earth, come definito dallo scopritore Blegen, che separa la fondazione dal suolo rigido Tempi di Paestum Presentano uno strato di sabbia tra le fondazioni e il suolo rigido 27

28 Il primo moderno sistema di isolamento: sfere in nicchie per proteggere il sistema di illuminazione in Giappone Giunto asismico (Stevenson, 1868) Carpani B., Base isolation from a historical perspective, 16WCEE 28

29 ISOLAMENTO SISMICO: PRIMI BREVETTI Touaillon (1870) Primo brevetto per un sistema di isolamento Rulli in apposite nicchie sferiche tra sovrastruttura e fondazione Ritorno alla posizione iniziale garantito dalla geometria ellittica del sistema di alloggiamento 29

30 ISOLAMENTO SISMICO: PRIMI BREVETTI Calantarientes (1909) Strato di talco sul piano di scorrimento Spostamenti grandi ma accelerazioni molto ridotte Dispositivi che consentivano grandi spostamenti delle condotte (gas) Dispositivi per assicurarne la rigidezza per azioni sismiche modeste e vento 30

31 LE PRIME APPLICAZIONI: Isolatori elastomerici SCUOLA PESTALOZZI (SKOPJE, 1965) - Johann Heinrich Pestalozzi 31

32 LE PRIME APPLICAZIONI LDRB originario nuovo HDRB LDRB originario SCUOLA PESTALOZZI (SKOPJE, 1965) - Johann Heinrich Pestalozzi 32

33 ISOLATORI MODERNI: HDRB Elevata rigidezza in direzione verticale Maggiori capacità di ricentraggio della struttura in seguito a un sisma Minore rigidezza che permette di avere un periodo proprio della struttura isolata maggiore 33

34 (7.10 NTC-2018) Spettro di risposta elastico = massima accelerazione S e nella struttura in funzione del suo periodo fondamentale di vibrazione T Aumentare notevolmente il periodo proprio, riducendo così l accelerazione spettrale e quindi le forze sismiche (aumentando la flessibilità tramite l inserimento di isolatori sismici fra le fondazioni e la sovrastruttura); Limitare la massima forza orizzontale trasmessa; Eventuale aumento dello smorzamento mediante l inserimento di elementi dissipatori di energia Una appropriata combinazione delle suddette azioni 34

35 Spettro di risposta elastico = massima accelerazione S e nella struttura in funzione del suo periodo fondamentale di vibrazione T S e (accelerazione) S De (spostamento) Acc. al suolo T bf T is T Aumento spostamento alla base S De > 0.20 m Riduzione azioni sismiche S e,is /S e,bf < 0.20 T bf = 0 1 sec T is 2 sec Disaccoppiamento tra moto della struttura e del terreno È possibile progettare in campo elastico Zero Earthquake Damage Buildings 35

36 REQUISITI GENERALI ( NTC 2018) I dispositivi di isolamento ed eventualmente di dissipazione espletano una o più delle seguenti funzioni: Sostegno dei carichi verticali (elevata rigidezza in direzione verticale e bassa rigidezza o resistenza in direzione orizzontale, grandi spostamenti); dissipazione di energia con meccanismi isteretici o viscosi; Ricentraggio del sistema; Vincolo laterale con adeguata rigidezza, sotto i carichi non sismici La sovrastruttura e la sottostruttura devono rimanere in campo sostanzialmente elastico. Pertanto la struttura può essere progettata, per quanto riguarda i particolari costruttivi, con riferimento a costruzioni caratterizzate da ags 0,075g, allo SLV, con deroga al punto «Dettagli costruttivi per le strutture a comportamento dissipativo» e «Dettagli costruttivi per elementi di calcestruzzo armato» 36

37 I VANTAGGI PRINCIPALI L abbattimento delle forze d inerzia, e quindi delle sollecitazioni, prodotte dal sisma sulla struttura, tale da evitare il danneggiamento degli elementi strutturali (travi, pilastri, etc.) anche sotto terremoti violenti; Una drastica riduzione degli spostamenti d interpiano, tale da ridurre notevolmente o eliminare del tutto il danno agli elementi non strutturali (tamponature, tramezzi, etc.) e garantire la piena funzionalità dell edificio, anche a seguito di un terremoto violento; Un elevata protezione del contenuto strutturale; Una percezione molto minore delle scosse sismiche da parte degli occupanti. Tutto ciò sta a significare una notevole riduzione o addirittura un totale azzeramento dei costi di riparazione dell edificio a seguito di un evento sismico, anche di elevata intensità. 37

38 S e (g) CONDITIO SINE QUA NON La sovrastruttura deve avere rigidezza tale da non amplificare le azioni trasmesse attraverso il sistema di isolamento: T bf << T is Terreno non molto soffice: non deve amplificare componenti con T T is L'Aquila T R =475a =5% Soft Soil Medium Soil Rigid Soil T (sec) 38

39 CONDITIO SINE QUA NON Giunti laterali realizzabili: per consentire gli spostamenti dovuti al sistema di isolamento e rispettare la compatibilità con strutture adiacenti In alternativa si possono utilizzare sistemi di dissipazione dell energia 39

40 IMPIANTI Le eventuali connessioni, strutturali e non, particolarmente quelle degli impianti, fra la struttura isolata e il terreno o le parti di strutture non isolate, devono assorbire gli spostamenti relativi corrispondenti allo SLD senza subire alcun danno o limitazione d uso Nelle costruzioni di classe d uso IV, le eventuali connessioni, strutturali e non strutturali, particolarmente quelle degli impianti, fra la struttura isolata e il terreno o le parti di strutture non isolate devono assorbire gli spostamenti relativi previsti dal calcolo senza danni In tutte le costruzioni, le connessioni del gas e di altri impianti pericolosi che attraversano i giunti di separazione devono essere progettate per consentire gli spostamenti relativi della sovrastruttura isolata, con lo stesso livello di sicurezza adottato per il progetto del sistema d isolamento 40

41 IMPIANTI 41

42 GIUNTI 42

43 ISPEZIONABILITA E RIGIDEZZA Alloggiamento dispositivi e collegamento alla struttura: assicurarne l accesso rendere i dispositivi stessi ispezionabili e sostituibili Strutture piano di posa isolatori e piano su cui appoggia la sovrastruttura: devono avere un comportamento rigido nel piano suddetto: Diaframma rigido, sia sopra che sotto il sistema di isolamento Limitazione dello spostamento orizzontale degli elementi verticali in condizioni sismiche: < 1/20dello spostamento relativo del SI 43

44 PROTEZIONE DAL FUOCO San Francisco Emergency Management Center (M=8.3) Ove Strutture necessario, piano di gli posa isolatori dovranno e piano su essere cui appoggia protetti da la sovrastruttura: possibili effetti derivanti devono da avere attacchi un comportamento del fuoco, chimici rigido o biologici nel piano suddetto: diaframma rigido, sia sopra che sotto il sistema di isolamento In alternativa, elementi occorre verticali prevedere il cui spostamento dispositivi che, orizzontale in caso di in distruzione condizioni degli isolatori, sismiche siano < 1/20 idonei dello a spostamento trasferire il carico relativo verticale del SI alla sottostruttura 44

45 QUELLO DEL TERRENO: TIPOLOGIE DI ISOLATORI ISOLATORI ELASTOMERICI Esistono sostanzialmente tre tipi di isolatori elastomerici attualmente in commercio, classificabili in relazione alle caratteristiche dissipative dell elastomero e all eventuale presenza di inserti: 1. in gomma armata a basso smorzamento: o Comportamento meccanico sostanzialmente elastico ; o Rapporto di smorzamento molto basso, dell ordine del 2 4%; o Semplici da realizzare e da modellare, il loro comportamento meccanico risulta sostanzialmente indipendente dalla frequenza di oscillazione, poco sensibile alla temperatura. o Richiedono, generalmente, opportuni dispositivi ausiliari, per incrementarne la capacità dissipativa sotto sisma ed evitare movimenti eccessivi della struttura per effetto delle azioni orizzontali di esercizio 2. in gomma armata ad elevato smorzamento; 3. in gomma armata con nucleo in piombo o altro materiale dissipativo. 45

46 QUELLO DEL TERRENO: TIPOLOGIE DI ISOLATORI ISOLATORI ELASTOMERICI GOMMA-PIMBO Uno o più nuclei in piombo Smorzamento viscoso equiv. fino a 25-30% Vantaggio: Ridotti valori di spostamento Svantaggi: Processo di produzione più difficoltoso Minore capacità di ricentraggio 46

47 QUELLO DEL TERRENO: TIPOLOGIE DI ISOLATORI ISOLATORI ELASTOMERICI ARMATI AD ELEVATO SMORZAMENTO (HDRB) Rigidezza = F max / d max varia col ciclo di carico Energia dissipata area ciclo, varia col ciclo di carico F (kn) Curve Forza Spost. Convenzionalmente si definiscono: Rigidezza equivalente Ke (riferito a d = d E ) Coefficiente di smorzamento viscoso equivalente ξ (W d =energia dissipata in un ciclo completo di carico) Carico verticale massimo V in presenza di azioni sismiche in corrispondenza di d E d (mm) 47

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

49 QUELLO DEL TERRENO: TIPOLOGIE DI ISOLATORI Componenti di deformazione F V d Ei s d t Ei i s d t E e * s,max s Taglio *= max in prove di qualificazione di efficacia aderenza elastomero-acciaio d E 2 t e V c Compressione c 1.5 V S G 1 din A r r 2 4 d D A sen D 2 arccos E Area ridotta M Flessione 2 3 D / 4 tt 2 i e 2 2 x y 49

50 QUELLO DEL TERRENO: TIPOLOGIE DI ISOLATORI Verifiche Verifica di deformazione totale t c s t,max 5 Verifica di stabilità V GA S D t cr r 1 e V V cr 2 Verifica a trazione degli inserti in acciaio V t1.3 t V ta t A f t 1.3 f V t t A t 1.3 s s r 2s r yk s s yk 1 2 r s 50

51 QUELLO DEL TERRENO: TIPOLOGIE DI ISOLATORI ISOLATORI A SCORRIMENTO Gli isolatori a scorrimento possono essere monodirezionali e multidirezionali, consentendo spostamenti in una sola direzione e in tutte le direzioni del piano orizzontale Gli isolatori unidirezionali hanno trovato applicazione nell isolamento sismico dei ponti, essendo questi caratterizzati da un comportamento totalmente diverso nelle due direzioni e necessitando, generalmente, di un sistema di isolamento efficace nella sola direzione longitudinale; Mura di Troia Negli edifici si usano gli isolatori multidirezionali per ottenere un comportamento isotropo nel piano orizzontale Questi ultimi sono costituiti da due o più dischi di diverso diametro che scorrono l uno sull altro, le cui superfici sono realizzate con materiali particolari che sviluppano una bassa resistenza d attrito al contatto. Le superfici di scorrimento possono essere piane o curve 51

52 QUELLO DEL TERRENO: TIPOLOGIE DI ISOLATORI ISOLATORI A SCORRIMENTO CON SUPERFICI PIANE (SD) Appoggi acciaio-ptfe (politetrafluoroetilene) con bassi valori delle resistenze per attrito = 6 12% si riduce a 1 2% mediante lubrificazione Coefficiente di attrito dinamico è funzione di: o Pressione di contatto (lineare) o Velocità di scorrimento o Temperatura o Usura la sua valutazione è molto incerta e viene trascurato, si assume =0, ossia spostamenti orizzontali liberi Carico portato è indipendente dallo spostamento Non hanno capacità ricentrante sono necessari: o dispositivi ausiliari o isolatori elastomerici 52

53 QUELLO DEL TERRENO: TIPOLOGIE DI ISOLATORI ISOLATORI A SCORRIMENTO CON SUPERFICI CURVE (CSS) Incorpora senza ausilio di altri elementi: Funzione ricentrante: data dalla superficie curva Funzione dissipativa: superficie non lubrificata, attrito non ridotto Deriva dal Friction Pendulum System (FPS), sviluppato in USA, utilizzando elementi a scorrimento rivestiti da speciale tessuto 53

54 QUELLO DEL TERRENO: TIPOLOGIE DI ISOLATORI ISOLATORI A SCORRIMENTO CON SUPERFICI CURVE (CSS): SINGOLO 54

55 QUELLO DEL TERRENO: TIPOLOGIE DI ISOLATORI ISOLATORI A SCORRIMENTO CON SUPERFICI CURVE (CSS): DOPPIO Con la stessa azione laterale si può avere uno spostamento maggiore Le superfici potrebbero avere coefficiente di attrito diverso 55

56 QUELLO DEL TERRENO: TIPOLOGIE DI ISOLATORI ISOLATORI A SCORRIMENTO CON SUPERFICI CURVE (CSS): TRIPLO E caratterizzato da due superfici concave esterne in acciaio, al cui interno è frapposto un elemento articolato composto da due ulteriori superfici concave di minori dimensioni, separate da un corpo cilindrico con sezioni terminali a curvatura opposta. Il vantaggio essenziale è quello di sviluppare le proprie caratteristiche isteretiche in modo tale da controllare la risposta a diversi range di eccitazione a cui può essere sottoposto, permettendo agli ingegneri di scegliere differenti combinazioni di rigidezza e smorzamento a differenti livelli di eccitazione e raggiungere obiettivi multipli di risposta 56

57 QUELLO DEL TERRENO: TIPOLOGIE DI ISOLATORI ISOLATORI A SCORRIMENTO CON SUPERFICI CURVE (CSS): Rigidezza, Periodo, Smorzamento Eq. pendolo in movimento: equilibrio tra Forza d inerzia e Forza di richiamo del peso: Rigidezza: k mg R Pulsazione Periodo T 2 k m R g g R Indipendenti dalla massa R x R Gli isolatori con superfici di scorrimento curve consentono di realizzare sistemi di isolamento il cui periodo di oscillazione è indipendente dalla massa del manufatto 57

58 QUELLO DEL TERRENO: TIPOLOGIE DI ISOLATORI ISOLATORI A SCORRIMENTO CON SUPERFICI CURVE (CSS): Rigidezza, Periodo, Smorzamento μ st0 = attrito di primo distacco μ st1 = attrito al cambio di verso del moto μ dyn = μ = attrito dinamico ( μ din <μ st1 <μ st0 ) 58

59 QUELLO DEL TERRENO: TIPOLOGIE DI ISOLATORI ISOLATORI A SCORRIMENTO CON SUPERFICI CURVE (CSS): Modello lineare equivalente 4 F 3 F max 2 F 0 1 K K e 0 d F 0-2 F min -3-4 Smorzamento funzione di: attrito dinamico e raggio R (e quindi del periodo T) 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 59

60 QUELLO DEL TERRENO: MODELLAZIONE IL MODELLO NUMERICO 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 legame costitutivo non lineare deformabilità verticale degli isolatori: messa in conto se K v / K esi < 800 K v = rigidezza verticale sistema isol. K esi = rigidezza equiv. orizzontale sistema di isolamento 60

61 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 61

62 COLLAUDO IN CORSO D OPERA Controllo di: Posa in opera dei dispositivi, nel rispetto di: posizione orizzontale tolleranze modalità di posa prescritte dal progetto Giunti completa separazione tra sovrastruttura e sottostruttura e tra sovrastruttura e 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) Eventuale esecuzione di: 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 62

63 ISOLAMENTO SISMICO: ALCUNE APPLICAZIONI 63

64 INSERIMENTO IN EDIFICI ESISTENTI: EDIFICI IN C.A. Per inserire il sistema di isolamento sismico negli edifici in cemento armato, ci sono principalmente due tipi di intervento: T1) Tagliare ed una porzione delle colonne (e delle pareti, se presenti) e successivamente inserire gli isolatori; la soluzione migliore, quando possibile, è inserire i dispositivi nella parte superiore delle colonne del piano più basso (il piano sotterraneo, se presente); T2) Inserire i dispositivi tra le fondazioni esistenti e le nuove sottofondazioni, che devono essere costruite appositamente; a volte, essendo la fondazione esistente non affidabile, dovrebbero essere costruiti ex-novo entrambi i livelli 64

65 T1) Adeguamento sismico: Centro Polifinzionale Rione Traiano, Soccavo, Napoli 65

66 T1) Adeguamento sismico: Centro Polifinzionale Rione Traiano, Soccavo, Napoli Il Centro Multifunzionale di Rione Traiano a Napoli è tra le prime applicazioni della tecnica T1. Era stato costruito prima del terremoto Campano-Lucano del 1980, quando l'area non era classificata come sismica, ma era rimasto incompleto. Ha una forma abbastanza asimmetrica. 66

67 T1) Adeguamento sismico: Centro Polifinzionale Rione Traiano, Soccavo, Napoli Intervento di adeguamento alla classificazione sismica vigente (completamento nel 2005) Lavorazioni: by ALGA Realizzazione di una struttura in acciaio al di sopra delle fondazioni e dell interfaccia d isolamento 67

68 T1) Adeguamento sismico: Centro Polifinzionale Rione Traiano, Soccavo, Napoli by ALGA Taglio della porzione di pilastro con filo diamantato per inserimento isolatori Posa in opera di 630 HDRB nei pilastri e nelle pareti esterne Costo intervento = 80 / m2. 68

69 T1) Edifici di via Tigli a Pianola (AQ) Edificio composto da 3 blocchi separati, ultimati appena prima del terremoto dell Aquila del 2009 Avevano subito danni alle parti non strutturali 69

70 T1) Edifici di via Tigli a Pianola (AQ): Caratterizzazione dinamica by ALGA Sismometri Sistema di acquisizione 70

71 T1) Edifici di via Tigli a Pianola (AQ): Posizionamento dispositivi I 3 blocchi sono stati collegati al primo piano e gli isolatori sono stati inseriti in testa ai pilastri del piano Unica piattaforma di base con 26 HDRB (K e =744 N/mm) e 55 SD T= 2.96 s, d 2 =300 mm, V=1000 kn by ALGA 71

72 T1) Edifici di via Tigli a Pianola (AQ): Posizionamento dispositivi by ALGA By FIP Industriale 72

73 T1) Edifici di via Tigli a Pianola (AQ): Posizionamento dispositivi Le ispezioni condotte in seguito alle sequenze sismiche Agosto-Ottobre 2016 nel Centro Italia hanno dimostrato che il complesso edilizio ha avuto un comportamento ottimale 73

74 COMPORTAMENTO IN CASO DI SISMA Terremoto Lu-Shan Cina, (M W = 7.0) DEL 20 Aprile 2013 PGA = g Ospedale della contea (7 piani oltre il piano terra e le fondazioni): 2 edifici con fondazioni convenzionali; 1 edificio isolato alla base 74

75 Lushan earthquake (Mw = 7.0), 2013, China COMPORTAMENTO IN CASO DI SISMA I 2 edifici non isolati: inutilizzabili L edifici isolato: perfettamente funzionante 75

76 T2)EDIFICI DI VIA LATINI A FABRIANO (danni da sisma MARCHE-UMBRIA 1997/98) La prima applicazione in Europa occidentale Progetto: G. Mancinelli 76

77 T2)EDIFICI DI VIA LATINI A FABRIANO (danni da sisma MARCHE-UMBRIA ) Fondazioni esistenti: plinti su due pali Nuove fondazioni: plinti sotto quelli esistenti; Dispositivi di isolamento: inseriti tra il nuovo e il vecchio plinto; Posa in opera degli isolatori Taglio dei pali nella fascia di alloggiamento degli isolatori 77

78 T2)EDIFICI DI VIA LATINI A FABRIANO (danni da sisma MARCHE-UMBRIA ) Fondazioni esistenti: plinti su 2 pali Plinti esistenti rinforzati e nuovi plinti Messa in opera dell isolatore (con martinetti piatti a perdere iniettati con resina epossidica) Taglio dei pali e separazione delle due parti L edificio è stato soggetto alla sequenza sismica nell'italia centrale e non ha subito alcun danno, contrariamente ad altri edifici convenzionali 78

79 EDIFICI IN MURATURA ED EDIFICI STORICI Essendo progettate senza tener conto del sisma sono: Vulnerabili anche nei confronti di eventi di bassa intensità; Sono spesso caratterizzate da: Irregolarità sia in pianta che in elevazione Carenze di collegamento tra I paramenti murari Solai deformabili Fondazioni superficiali La riabilitazione strutturale di edifici storici è molto delicata in quanto: E richiesto un elevato livello di sicurezza per la presenza di turisti; Devono essere preservate le caratteristiche oridinali del monumento per conservarne l identità ed il valore storico 79

80 EDIFICI IN MURATURA ED EDIFICI STORICI Le tecniche tradizionali non sempre sono adeguate in quanto: Sono basate su interventi che garantiscano l incremento di resistenza e duttilità; Spesso sono irreversibili; Utilizzano materiali differenti e spesso incompatibili con quelli originali; Determinano la modifica della concezione strutturale originale; In caso di eventi sismici di elevata intensità possono al più evitare il collasso, ma no riescono ad evitare gravi danni alle parti strutturali e non 80

81 EDIFICI IN MURATURA ED EDIFICI STORICI L'uso dell'isolamento alla base negli edifici in muratura è concettualmente scorretto: le pareti in muratura trasferiscono carichi alle fondazioni lungo tutte le superfici di contatto, mentre gli isolatori concentrano i carichi solo in alcuni punti, la cui scelta è una questione fondamentale Ogni parete in muratura tra due aperture dovrebbe trasferire una forza verticale, una forza orizzontale e un momento flettente alla fondazione Quindi, almeno due supporti dovrebbero essere posizionati sotto ogni parete, alle sue estremità 81

82 EDIFICI IN MURATURA ED EDIFICI STORICI Osservazioni: È necessario realizzare un adeguato elemento orizzontale (trave) al di sopra del sistema di isolamento per trasferire le forze di taglio dalle sovrastrutture agli isolatori; Questa implementazione potrebbe essere molto costosa, poiché richiede un numero elevato di dispositivi e non è adatta per pareti strette; Inoltre, a causa dell'elevato numero di dispositivi, i carichi verticali sui dispositivi potrebbero essere molto bassi, quindi in caso di azioni sismiche potrebbero essere soggetti a trazione La soluzione migliore consiste nel realizzare una struttura molto rigida sotto le pareti in muratura del primo livello, in grado di assorbire le azioni locali dalla sovrastruttura e trasferirle a un numero limitato di dispositivi 82

83 EDIFICI IN MURATURA ED EDIFICI STORICI Dovrebbero essere posizionati principalmente negli incroci murari e se le distanze sono troppo lunghe, devono esserne inseriti altri aggiuntivi Questa soluzione sembra essere più appropriata per una diffusa applicazione dello isolamento alla base negli edifici in muratura. In pratica la struttura rigida sotto il primo livello dovrebbe essere costituita da fondazioni in c.a. 83

84 EDIFICI IN MURATURA ED EDIFICI STORICI Requisiti richiesti: Ispezionabilità per controllo e sostituzione dei dispositivi Posizione degli isolatori scelta in base alle condizioni più opportune Elementi strutturali tra gli isolatori e il piano di appoggio (sottostruttura) devono essere sufficientemente rigidi rispetto ai dispositivi stessi 84

85 EDIFICIO STORICO IN MURATURA: Edificio scolastico a Vanadzor (Armenia) Edificio in muratura su 4 livelli Isolatori sismici del tipo Medium Damping Rubber Bearing (MDNB), 2002 (progetto M. Melkumyian) 85

86 EDIFICIO STORICO IN MURATURA: Edificio scolastico a Vanadzor (Armenia) (progetto M. Melkumyian) 86

87 EDIFICIO STORICO IN MURATURA: Edificio scolastico a Vanadzor (Armenia) (progetto M. Melkumyian) 87

88 EDIFICI STORICI: City Hall disan Francisco Distrutto dal terremoto del 1906 Ricostruito nel 1912 Danneggiato dal sisma di Loma Prieta del 1989 Intervento di retrofit del 2000: 530 LRB, 62 SD 88

89 EDIFICI STORICI: City Hall di Oakland All epoca della costruzione, 1914, era l edificio più alto della costa occidentale; Gravemente danneggiato dal terremoto di Loma Prieta del 1989 Isolamento sismico: 111 dispositivi in gomma armata di cui 36 con nucleo in piombo + pareti a taglio in c.a. Completato nel 1995 L inserimento dei dispositivi avvenne mediante il taglio delle colonne al primo piano, sostenute temporaneamente da martinetti idraulici. 89

90 EDIFICI STORICI City e County Building della contea di alt Lake City Completato nel 1894 Isolamento sismico: 443 elastomeri con inserti in piombo; Installati sulle fondazioni esistenti Intervento eseguito nel 1989 City Hall in Pasadena Completato nel 1927 e dichiarato edificio storico Nazionale nel 1980 Dal 2004 al 2007 ha subito una ristrutturazione completa, l adeguamento sismico ed energetico; Isolamento sismico: Isolatori a pendolo ad attrito infondazione + 90 pareti a taglio in c.a.

91 IS ESISTENTI: INSERIMENTO IN FONDAZIONE Inserimento dei dispositivi: Nelle pareti del piano terra Al di sotto delle fondazioni Vantaggi: Richiede lavori tradizionali Non è onerosa economicamente Svantaggi: Modifiche in fondazione Non è reversibile Non sempre applicabile in edifici storici 91

92 STRUTTURA ISOLAMENTO SISMICO EDIFICI ESISTENTI: Brevetto ENEA-POLITO Brevetto n Gap P. Clemente (ENEA), A. De Stefano, G. Barla (POLITO) Terreno Parete esterna Connessione rigida tra l edificio e il sistema di isolamento Parete interna Isolatori Inseriti previa rimozione degli elementi di connessione Settore cilindrico superiore Settore cilindrico inferiore Tubi in c.a. inseriti a con tecnica spingitubo o microtunnelling (D 2 m) 92

93 BREVETTO INT. ENEA-POLITO: INSERIMENTO DEI TUBI Scavo trincea Inserimento tubi mediante spingitubo o micro-tunnelling (diametro tubi 2 m per consentire l ispezione) 93

94 BREVETTO INT. ENEA-POLITO: I TUBI Forma particolare Composti da: settori circolari inferiori settori circolari elementi removibili che li connettono Elementi rossi: sostituiti dagli isolatori Elementi grigi: da rimuovere 94

95 BREVETTO INT. ENEA-POLITO: INSERIMENTO IDOLATORI Rimozione elementi rossi Connessione tubi adiacenti con elementi in c.a. o acciaio Posizionamento dei sispositivi di isolamento Rimozione elementi grigi 95

96 BREVETTO INT. ENEA-POLITO: PARETI Pareti verticali Irrigidimento terreno o connessioni rigide tra edificio e sistema di isolamento 96

97 STRUTTURA ISOLAMENTO SISMICO EDIFICI ESISTENTI: Brevetto ENEA-POLITO Applicazioni Edifici di interesse storico artistico Centri storici: aggregati edilizi complessi Impianti chimici e nucleari (edifici con tubazioni e altro) 97

98 CASO STUDIO: PALAZZO MARGHERITA (AQ) Caratterizzazione dinamica Miglioramento sismico convenzionale per sopportare almeno 0.05g Isolamento sismico Attenzione a: Vibrazioni indotte e cedimenti del suolo 98

99 CASO STUDIO: PALAZZO MARGHERITA (AQ) 99

100 CASO STUDIO: PALAZZO MARGHERITA (AQ) Piattaforma isolante al di sotto delle fondazioni Edificio non modificato anche nei piani interrati Tunnel utilizzabili per passaggio pedonale o parcheggio 100

101 SVILUPPO DI APP PER VALUTAZIONI PRELIMINARI: SAFE SCHOOL 4.0 E CONDOMINI Zona sismica; Categoria del sottosuoli e topografica se disponibili 101

102 SOLUZIONI INTEGRATE DI EFFICIENTAMENTO SISMICO ED ENERGETICO SAFE SCHOOL 4.0 e CONDOMINI Sviluppo di App per valutazioni preliminari 102

103 GRAZIE PER L ATTENZIONE anna.marzo@enea.it