cenni sul dimensionamento del supporto elastomerico

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1 Il comportamento sotto sisma delle strutture metalliche dedicate a vano corsa ascensore, legate ad edifici esistenti: problemi e soluzioni. - 2 a parte - premessa Nella 1 a parte di questo articolo è stato eseguito uno studio qualitativo sul comportamento delle strutture metalliche dedicate a vano corsa impianto elevatore (SMVC nel seguito) legate agli edifici esistenti. Lo studio ha posto in luce le verifiche strutturali che è necessario eseguire sulla SMVC (analisi sismica strutturale agli spostamenti imposti dall edificio) evidenziando l opportunità di indirizzarsi verso strutture leggere (compatibilmente con i carichi d impianto e da vento, se presente) ovverosia strutture che modifichino il meno possibile il comportamento sotto sisma dell esistente. E stato inoltre proposto l impiego di dispositivi elastici (MECSTRED Mechanical Stress Reducer RM2012U000051) alla base dei montanti (ed eventualmente delle guide e del gruppo cilindro-pistone) in grado di ridurre ulteriormente la modifica nel comportamento strutturale dell edificio sotto sisma (dovuta all introduzione della torre metallica), riducendo contemporaneamente le sollecitazioni nei montanti, nelle traverse e nei nodi della torre stessa. Va evidenziato che detti dispositivi elastici non sono degli isolatori sismici, dal momento che la loro funzione non è quella di isolare sismicamente la torre dal terreno, bensì quella di assorbire degli spostamenti che, diversamente, si scaricherebbero integralmente nella SMVC. In questa sede saranno valutate, con un modello elementare di calcolo, le sollecitazioni che si scaricano attraverso i montanti sulla platea di fondazione nel caso di utilizzo dei dispositivi elastici sopra menzionati, confrontando i risultati con le realizzazioni tradizionali. Sarà inoltre analizzato il comportamento sotto sisma di SMVC particolarmente robuste legate all esistente evidenziando, in un caso volutamente estremo, la possibile modifica di comportamento sotto sisma dell edificio. cenni sul dimensionamento del supporto elastomerico Per la struttura in esame è stato eseguito un dimensionamento preliminare dei supporti elastomerici a partire dalle loro caratteristiche meccaniche e geometriche: mediante il modulo di taglio statico G del materiale utilizzato ed il fattore di forma primario S1 proprio del dispositivo, è stato determinato il valore della rigidezza verticale Kv (= KZ nel modello numerico adottato). E stato assunto questo valore costante nell intorno degli spostamenti di interesse. A titolo esemplificativo i dispositivi in argomento hanno le seguenti caratteristiche: G = 0.5 N/mm²; diametro: 110 mm; altezza dell elastomero: 15 mm; ne risulta Kv = 4789 (arrotondato a 5000) dan/cm (N/mm).

2 l effetto tira-spingi sulla platea di fondazione Per semplicità il modello di calcolo è stato ridotto alla sola SMVC caricata col peso proprio e delle tamponature, priva di cabina, guide e meccanica, ancorata alla platea di fondazione alla base dei 4 montanti a mezzo di altrettante cerniere. Nella schematizzazione elementare adottata sarà impresso uno spostamento orizzontale alla sommità della torre (parallelamente ad una delle facce): una coppia di montanti entrerà, come detto, in compressione mentre l altra entrerà in trazione (generando un effetti tira-spingi sulla platea). Globalmente la sollecitazione che si trasmette alla platea (e da questa al terreno sottostante) attraverso i montanti è sempre pari a quella che si manifesta in condizioni statiche (peso proprio + peso tamponature). Localmente l intensità delle sollecitazioni varierà in funzione della costante elastica dei supporti disposti sotto ai montanti. Nel caso in esame è stato imposto uno spostamento su X pari a 80 mm alla sommità della torre; a titolo esemplificativo non esaustivo KZ è stato assunto pari a 5000 dan/cm (500 dan/mm). Di seguito sono presentati i risultati ottenuti in termini di carichi e di traslazione verticale alla base dei montanti nelle diverse condizioni esaminate. Analisi tipo A: SUPPORTI RIGIDI (CERNIERE) ALLA BASE DELLA SMVC carichi alla base montanti dovuti: MNT01 MNT02 MNT03 MNT04 SOMMA al peso proprio al peso tamponature al peso proprio + tamponature allo spostamento orizzontale in quota TOTALE Analisi tipo B: SUPPORTI ELASTICI SU Z ALLA BASE DELLA SMVC carichi alla base montanti dovuti: MNT01 MNT02 MNT03 MNT04 SOMMA al peso proprio al peso tamponature al peso proprio + tamponature allo spostamento orizzontale in quota TOTALE traslazione verticale alla base montanti dovuta: MNT01 MNT02 MNT03 MNT04 KZ al peso proprio 0,58 0,58 0,56 0, al peso tamponature 1,10 1,10 1,10 1, al peso proprio + tamponature 1,68 1,68 1,66 1, allo spostamento orizzontale in quota 2,13 2,14 2,14 2, TOTALE 0,45 0,46 3,80 3, carichi (dan) - spostamenti (mm) - KZ (dan/mm) - MNT: montante Il carico complessivo sulla platea dovuto al peso proprio e delle tamponature è prossimo a dan; questo valore rimane invariato a seguito dell applicazione dello spostamento sismi-

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4 I carichi sopra evidenziati sono quellii necessari per raggiungere, nelle diverse condizionii esaminate, lo spostamento di 80 mm di direzione X alla quota più p alta della torre (assunto allaa base del calcolo): questi spostamenti coincidono pertanto con quelli che l edificio applica allaa SMVC per deformarlaa e, in ultima analisi,, sono pari a quelli che la torre trasmette all edificio per reazione. osservazioni Senza togliere validità al principio generale esposto va dettoo che il codice di calcolo adottatoo (PROSAP della 2S.I. di Ferrara) prevede, come la maggior parte dei codici di calcoloo strutturale agli elementi finiti disponibili, la schematizzazione dei vincoli interni della struttura come incastri perfetti (vincolo completo) o come cerniere perfette (svincolo completo), mentre nella realtà il comportamento è certamente intermedio tra questi estremi. D altra parte solo una mappatura locale di ciascun nodo con unaa mesh molto sottile potrebbe definirne meglio il comportamento. Quanto detto può comportare nella realtà, anche in assenzaa di vincoli i elastici alla base dei montanti, una parziale riduzione delle sollecitazioni rispetto a quelle q stimate. Per completezza di indagine è stata modellata una SMVC con profili HEB100 (traverse( e montanti) vincolandola rigidamente alla base dei montanti e legandola ad un edificio esistente: lo sfruttamento del materiale è risultato di poco superiore al 100% %; utilizzando profilii HEB240 lo sfruttamento del materiale è sceso al 78%, mostrando contemporaneamente una riduzione degli spostamenti massimi dell insieme edificio-smvc di circa 100 mm. In realtà è proprio la riduzione degli spostamenti che consente la riduzione dello sfruttamento del materiale; nell ipotesi che l edificio possieda un serbatoio di energia (la propria iner- zia sotto sisma) sufficientemente grande da determinare comunque uno o spostamento dato lo sfruttamento del materiale aumenta a misura che aumentano le l sezioni. A titoloo esemplificativo non esaustivo si riportano i risultati ottenuti in termini di sfruttamento ( sfr. max nelle Figg 03,, 04, 05, 06) imponendo una deformazione pari a 50 mm ad una SMVC di piccole dimensioni (120x158x742)) cm realizzata con profili via viaa più pesanti. Fig.03 - LU100-UPN100 - sfr max: 130% Fig.04 - LU150-UPN160 - sfr max: 159%

5 Fig.05 LU200-UPN200 - sfr max: 180% Fig.06 HEB240 - sfr max: 494% L analisi elementare eseguita mostra che indirizzare la progettazione di SMVC legate ad edifici esistenti verso strutture robuste non risulta direttamente utile a ridurre le sollecitazionii specifiche interne, se non per mezzo di una riduzione delle deformazioni i (ovverosia degli spostamenti 1 derivanti dalle azioni sismiche) ). Tuttavia, trattandosi di srutture metalliche legate ad edifici esistenti, ridurre le deformazioni significa certamente modificare il comportamento sotto sisma dell edificio. Queste modifiche potrebbero tradursi in spostamenti e/o torsioni t impreviste nel progettoo originario dell edificio, con conseguenze difficilmentee valutabili. Fig.07 Spostamenti Y solaio copertura Edificio libero (Analisi tipo 01) 1 L approccio seguito è agli spostamenti imposti, considerati costanti e legati all altezza della struttura, alla zona sismica ed allo stato limite di calcolo.

6 SMVC Fig.08 Spostamenti Y solaio copertura Edificio con SMVC (Analisi tipo 03) E stataa eseguita una analisi numericaa relativa al comportamento sotto sisma dii una torre metallica dedicata a vano ascensore (SMVC) legata ad un edificoo esistente. L analisi eseguita ha evidenziato che l entità degli spostamenti generati nella SMVC è pres- soché analoga a quella del solo edificio (e ciò è tanto più vero quanto più i profili utilizzati sonoo leggeri). Lo studio presentato ha posto in luce, mediante un esempio elementare, la possibilità di ridurre considerevolmente l entità delle sollecitazionii meccaniche nelle SMVC legatee ad edificii esistenti mediante l impiego dii semplici dispositivi elastici opportunamente dimensionati da posizionarsi alla base dei montanti della struttura stessa. L impiego dei dispositivi proposti riduce inoltre l influenza, già g modesta, dell inserimento di un elemento nuovo in una struttura esistente. In pratica si tratta di ridurre le deformazioni a rotazioni-deformazionii in grado di scaricare montanti e traverse dalle sollecitazioni piùù intense. Le connessioni della SMVC all edificio devono essere realizzate in modoo da evitaree fenomeni di martellamento reciproco: va pertanto garantita la coerenza degli d spostamenti orizzontali tra SMVC ed edificio; è opportuno dotare i tasselli di ancoraggio di rosette ammortizzanti ed allog- giarli in fori opportunamente dimensionati per compensare gli spostamenti relativi. Le Figg. 07 e 08 pongono in luce (in modo volutamente esagerato) quanto sopra esposto. Si tratta di una SMVC realizzata in i profili pesanti vincolata alla base con vincoli rigidi, disposta in prossimità di un angolo di un edificio dii dimensioni in piantaa 42x14 (m). Nel caso di edificio libero la traslazionee in direzione Y appare pressochè uniforme per tutto l edificio (37 mm ca). Nel secondo caso la mappatura degli spostamenti pone in luce l instaurarsi di una torsione dell edificio a priori nonn trascurabile (gli spostamenti in direzionee Y si riducono del 50% nella zona prossima alla torre, mentre aumentano del 40% nella zona lontana dalla torre). conclusioni

7 L inserimento di elementi elastici al di sotto dei montanti (e della meccanica d impianto) può ridurre le sollecitazioni locali sulla platea di fondazione (punzonamento dei montanti). Lo studio eseguito ha evidenziato inoltre l utilità d impiego di profili leggeri, nei limiti richiesti dalla meccanica d impianto e della statica strutturale in sostituzione di profili pesanti (indispensabili nel caso di strutture autoportanti) così da ridurre al minimo l influenza sull esistente. Il tipo di architettura qui proposto e le tipologie di connessione tra SMVC, platea di fondazione ed edificio sopra descritte certamente non risolvono tutti i problemi connessi alla progettazione delle SMVC legate ad edifici esistenti, ma possono, a parere di chi scrive, rivelarsi un valido aiuto per un migliore e più equilibrato impiego del materiale a disposizione. riferimenti normativi 1. D.Min. Infrastrutture Min. Interni e Prot. Civile 14 Gennaio 2008 e allegate "Norme tecniche per le costruzioni". 2. D.Min. Infrastrutture e trasporti 14 Settembre 2005 e allegate "Norme tecniche per le costruzioni". 3. D.M. LL.PP. 9 Gennaio 1996 "Norme tecniche per il calcolo, l'esecuzione ed il collaudo delle strutture in cemento armato, normale e precompresso e per le strutture metalliche". 4. D.M. LL.PP. 16 Gennaio 1996 "Norme tecniche relative ai <<Criteri generali per la verifica di sicurezza delle costruzioni e dei carichi e sovraccarichi>>". 5. D.M. LL.PP. 16 Gennaio 1996 "Norme tecniche per le costruzioni in zone sismiche". 6. Circolare 4/07/96, n.156aa.gg./stc. istruzioni per l'applicazione delle "Norme tecniche relative ai <<Criteri generali per la verifica di sicurezza delle costruzioni e dei carichi e sovraccarichi>>" di cui al D.M. 16/01/ Circolare 10/04/97, n.65aa.gg. istruzioni per l'applicazione delle "Norme tecniche per le costruzioni in zone sismiche" di cui al D.M. 16/01/ D.M. LL.PP. 20 Novembre 1987 "Norme tecniche per la progettazione, esecuzione e collaudo degli edifici in muratura e per il loro consolidamento". 9. Circolare 4 Gennaio 1989 n Istruzioni in merito alle norme tecniche per la progettazione, esecuzione e collaudo degli edifici in muratura e per il loro consolidamento. 10. D.M. LL.PP. 11 Marzo 1988 Norme tecniche riguardanti le indagini sui terreni e sulle rocce, la stabilità dei pendii naturali e delle scarpate, i criteri generali e le prescrizioni per la progettazione, l'esecuzione e il collaudo delle opere di sostegno delle terre e delle opere di fondazione. 11. D.M. LL.PP. 3 Dicembre 1987 Norme tecniche per la progettazione, esecuzione e collaudo delle costruzioni prefabbricate. 12. UNI Procedimento analitico per valutare la resistenza al fuoco degli elementi costruttivi di conglomerato cementizio armato, normale e precompresso - edizione maggio Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n del 20 marzo 2003 Primi elementi in materia di criteri generali per la classificazione sismica del territorio nazionale e di normative tecniche per le costruzioni in zona sismica e successive modificazioni e integrazioni. 14. UNI EN 1990: /04/2006 Eurocodice 0 - Criteri generali di progettazione strutturale. 15. UNI EN : /08/2004 Eurocodice 1 - Azioni sulle strutture - Parte 1-1: Azioni in generale - Pesi per unità di volume, pesi propri e sovraccarichi per gli edifici. 16. UNI EN : /10/2004 Eurocodice 1 - Azioni sulle strutture - Parte 1-3: Azioni in generale - Carichi da neve. 17. UNI EN : /07/2005 Eurocodice 1 - Azioni sulle strutture - Parte 1-4: Azioni in generale - Azioni del vento. 18. UNI EN : /10/2004 Eurocodice 1 - Azioni sulle strutture - Parte 1-5: Azioni in generale - Azioni termiche. 19. UNI EN : /08/2005 Eurocodice 3 - Progettazione delle strutture di acciaio - Parte 1-1: Regole generali e regole per gli edifici. 20. UNI EN : /08/2005 Eurocodice 3 - Progettazione delle strutture di acciaio - Parte 1-8: Progettazione dei collegamenti.

8 21. UNI EN : /03/2005 Eurocodice 4 - Progettazione delle strutture composte acciaio-calcestruzzo - Parte 1-1: Regole generali e regole per gli edifici. 22. UNI EN : /01/2006 Eurocodice 4 - Progettazione delle strutture composte acciaiocalcestruzzo - Parte 2: Regole generali e regole per i ponti. 23. UNI EN : /02/2005 Eurocodice 7 - Progettazione geotecnica - Parte 1: Regole generali. 24. UNI EN : /03/2005 Eurocodice 8 - Progettazione delle strutture per la resistenza sismica - Parte 1: Regole generali, azioni sismiche e regole per gli edifici. 25. UNI EN : /08/2005 Eurocodice 8 - Progettazione delle strutture per la resistenza sismica - Parte 3: Valutazione e adeguamento degli edifici. UNI EN : /01/2005 Eurocodice 8 - Progettazione delle strutture per la resistenza sismica - Parte 5: Fondazioni, strutture di contenimento ed aspetti geotecnici.