ANALISI DINAMICA DI STRUTTURE ISOLATE ALLA BASE

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1 ANALISI DINAMICA DI STRUTTURE ISOLATE ALLA BASE 1

2 Negli ultimi trent anni l ingegneria sismica ha compiuto notevoli progressi sviluppando moderne strategie di protezione sismica passiva, quale l Isolamento Sismico Queste strategie richiedono l uso di particolari dispositivi che vengono inseriti negli edifici per modificarne la risposta complessiva sotto sisma e disaccoppiare il moto del suolo da quello della struttura 2

3 L andamento dello spettro di risposta proposto dalle NTC 08 dimostra che le accelerazioni spettrali Se possono essere drasticamente ridotte se si riesce ad aumentare notevolmente il periodo principale T della struttura 3

4 Le strutture tradizionali, a base fissa, hanno periodo principale T abbastanza bassi, che in genere ricadono nell intervallo in cui l accelerazione spettrale Se viene notevolmente amplificata F0 ag T 4

5 Se alla base si interpone, tra fondazione e struttura, un elemento molto deformabile in senso orizzontale il periodo cresce notevolmente e conseguentemente l accelerazione si riduce a valori molto più bassi F0 ag Se T TI 5

6 L efficacia del sistema di isolamento è tanto maggiore quanto più alto è il rapporto tra il periodo della struttura isolata e il periodo della struttura a base fissa TI = T F0 ag Se T TI 6

7 Di conseguenza strutture molto alte o in generale dotate periodo elevato non traggono grossi vantaggi dall isolamento in termini di riduzione dell accelerazione spettrale. A fronte di una riduzione modesta dell accelerazione spettrale, c è il problema degli spostamenti che, risulterebbero troppo elevati. Con periodi superiori ai 3 secondi si potrebbero avere spostamenti tali da rendere inagibile il fabbricato; inoltre, i collegamenti verticali, scale e ascensori, condotte idriche, telefoniche, impianti in genere, diventerebbero ingestibili per fabbricati ad uso civile 7

8 Strutture a base fissa ed isolate: forme modali Struttura a base fissa Struttura8isolata

9 Strutture a base fissa ed isolate: spostamenti 34 mm Struttura a base fissa 160 mm Struttura isolata 9

10 Strutture a base fissa ed isolate: accelerazioni 13.0 m/s2 Struttura a base fissa 2.6 m/s2 Struttura isolata 10

11 Tipologie di isolatori: isolatori elastomerici Sono costituiti da strati alterni di lamierini in acciaio e di elastomero, e possono avere all interno un nucleo in piombo 11

14 Tipologie di isolatori: isolatori elastomerici Sono costituiti da strati alterni di lamierini in acciaio e di elastomero, e possono avere all interno un nucleo in piombo Isolatore in gomma e piombo Isolatore in 14 gomma

15 Tipologie di isolatori: isolatori elastomerici Sono costituiti da strati alterni di lamierini in acciaio e di elastomero, e possono avere all interno un nucleo in piombo Sono caratterizzati da ridotta rigidezza orizzontale, per garantire l'incremento del periodo proprio della struttura, ed elevata rigidezza verticale, per ridurre l'abbassamento sotto carico Il nucleo in piombo ha lo scopo di limitare gli spostamenti elastici e conferire un adeguata capacità dissipativa per diminuire ulteriormente l energia in ingresso 15

16 Tipologie di isolatori: isolatori elastomerici Vanno utilizzati insieme ad elementi ad attrito (slitte) che garantiscono la rigidità orizzontale sotto azioni orizzontali modeste (vento) Richiedono ispezioni periodiche per verificarne la funzionalità Dopo un evento sismico possono risultare danneggiati e/o presentare spostamenti residui. In questo caso è necessario la loro sostituzione ed il ricentraggio dell edificio Sono relativamente costosi 16

17 Tipologie di isolatori: isolatori a scorrimento (friction pendulum) Sono costituiti da una coppia di superfici curve che scorrono l una sull altra Isolatore a curvatura semplice Isolatore a doppia curvatura 17

18 Tipologie di isolatori: isolatori a scorrimento (friction pendulum) 18

22 Tipologie di isolatori: isolatori a scorrimento (friction pendulum) Sfruttano la legge fisica del moto del pendolo per allungare il periodo naturale della struttura isolata r r N R r F F N R 22

23 Tipologie di isolatori: isolatori a scorrimento (friction pendulum) Sfruttano la legge fisica del moto del pendolo per allungare il periodo naturale della struttura isolata F µ N N 1 N /r F R R N u F N F= u + µ N sgn(u ) r 23

24 Tipologie di isolatori: isolatori a scorrimento (friction pendulum) Sfruttano la legge fisica del moto del pendolo per allungare il periodo naturale della struttura isolata Il periodo è indipendente dalla massa della struttura, con notevole vantaggio nel caso di isolamento di edifici leggeri. 24

25 Tipologie di isolatori: isolatori a scorrimento (friction pendulum) Sfruttano la legge fisica del moto del pendolo per allungare il periodo naturale della struttura isolata Il periodo è indipendente dalla massa della struttura, con notevole vantaggio nel caso di isolamento di edifici leggeri. La forza di richiamo, e quindi la rigidezza orizzontale, dipende linearmente dallo sforzo assiale, e cioè dalla massa che compete al singolo isolatore. Ne segue che i baricentri di massa e rigidezza di piano risultano sempre coincidenti. F= N u + µ N sgn(u ) = k (u )u r sgn(u ) 1 k (u ) = N + µ u r 25

26 Tipologie di isolatori: isolatori a scorrimento (friction pendulum) Hanno la duplice funzione di dissipare energia per attrito e di generare la forza di richiamo per il ricentraggio della struttura attraverso l azione della gravità Non richiedono ispezioni periodiche per verificarne la funzionalità Sono meno costosi degli isolatori elastomerici 26

27 NTC 2008: modellazione Rigidezza equivalente Keff Keff 27

28 NTC 2008: modellazione Il comportamento del sistema di isolamento può essere modellato come lineare equivalente se sono soddisfatte tutte le seguenti condizioni: a) la rigidezza equivalente del sistema d isolamento è almeno pari al 50% della rigidezza secante per cicli con spostamento pari al 20% dello spostamento di riferimento; b) lo smorzamento lineare equivalente del sistema di isolamento, come definito in precedenza, è inferiore al 30%; c) le caratteristiche forza-spostamento del sistema d isolamento non variano di più del 10% per effetto di variazioni della velocità di deformazione, in un campo del ±30% intorno al valore di progetto, e dell azione verticale sui dispositivi, nel campo di variabilità di progetto; d) l incremento della forza nel sistema d isolamento per spostamenti tra 0,5d dc e ddc, essendo ddc lo spostamento del centro di rigidezza dovuto all azione sismica, è almeno pari al 2,5% del peso totale della sovrastruttura. 28

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32 NTC 2008: Nel caso in cui ameno un punto dei controlli del paragrafo non è andato a buon fine bisogna attivare l'analisi dinamica non lineare Nel caso di integrazione al passo delle equazioni del moto è necessario utilizzare accelerogrammi spettrocompatibili Capitolo IMPIEGO DI ACCELEROGRAMMI Gli stati limite, ultimi e di esercizio, possono essere verificati mediante l uso di accelerogrammi, o artificiali o simulati o naturali. Gli accelerogrammi artificiali devono avere uno spettro di risposta elastico coerente con lo spettro di risposta adottato nella progettazione. (Spettrocompatibilità) 32

33 NTC 2008: analisi Nel caso di integrazione al passo delle equazioni del moto è necessario utilizzare accelerogrammi spettrocompatibili 33

34 NTC 2008: analisi Nel caso di integrazione al passo delle equazioni del moto è necessario utilizzare accelerogrammi spettrocompatibili 34

35 Applicazione: struttura isolata Modello: caratteristiche dinamiche Stima periodo fondamentale sistema strutturale 35

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37 Applicazione: struttura isolata Modello: isolatori 37

38 C.D.S. Win - OpenSees: effetto P - δ Gli spostamenti orizzontali degli isolatori sono di notevole entità e quindi non sono trascurabili gli effetti P - δ u N Mδ = N u N 38

39 C.D.S. Win - OpenSees: effetto P - δ Gli spostamenti orizzontali degli isolatori sono di notevole entità e quindi non sono trascurabili gli effetti P - δ u Mδ = N u N M1 M 1 = α 1M δ ; M 2 = α 2M δ α1+ α2 = 1 M2 N Isolatori elastomerici: α 1 = 0.5 α 2 =

40 C.D.S. Win - OpenSees: effetto P - δ N N N N Isolatori friction pendulum a semplice curvatura: Isolatori friction pendulum a doppia curvatura: α 1 = 0.0 α 2 = 1.0 α 1 = 0.5 α 2 =

41 Applicazione: struttura isolata Modello: isolatori 41

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