Diapositiva 1 - Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l`energia

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Attività in campo sismico.
Recenti studi e sviluppi futuri
Casaccia, 20 dicembre 2010
Dagli “strati di carbone e lana” ai moderni dispositivi antisismici
Paolo Clemente
ATTIVITÀ IN CAMPO SISMICO
RECENTI STUDI E SVILUPPI FUTURI
DAGLI “STRATI DI CARBONE E LANA”
AI MODERNI DISPOSITIVI ANTISISMICI
Paolo Clemente
Paolo Clemente
PROGETTAZIONE ANTISISMICA
Scopo: assicurare che in caso di evento sismico
- sia protetta la vita umana
- siano limitati i danni
- rimangano funzionanti le strutture essenziali (Prot.Civ.)
A tal fine le Norme definiscono
- azione sismica di progetto
- modello meccanico della struttura
- metodo di analisi
- verifiche (resistenza e compatibilità spostamenti)
- regole di dettaglio (duttilità)
Paolo Clemente
NUOVE COSTRUZIONI: PRINCIPI
Sisma di media intensità: devono essere in grado di
sopportarlo senza danni evidenti
Terremoto
violento:
non
devono
danneggiandosi anche irreparabilmente
crollare,
Principio economicamente non sostenibile !!
Strutture strategiche
devono restare operative durante e dopo il sisma
Strutture contenenti materiali pericolosi
devono rispettare stringenti requisiti di sicurezza
pur
Paolo Clemente
TECNOLOGIE INNOVATIVE
si basano sulla drastica riduzione delle forze
sismiche agenti sulla struttura, piuttosto che
affidarsi alla sua resistenza
ISOLAMENTO SISMICO
DISSIPAZIONE ENERGETICA
Paolo Clemente
INTRODUZIONE ALL’ISOLAMENTO SISMICO
Se (accelerazioni)
Tbf
SDe (spostamenti)
Tis
T
Tbf  0÷1 s
Tis  2 s
Riduzione delle azioni sismiche orizz.: Se,is/Se,bf<0.20
Aumento dello spostamento spettrale: SDe>0.20 m
Disaccoppiamento tra moto della struttura e del terreno
È possibile progettare in campo elastico
Paolo Clemente
CONFRONTO BF – IS
Edificio
Convenzionale
Fc2 >> Fc1
Ac >> Ai
Fc >> Fi
Dc >> Di
Sc >> Si
Fc2
Sc
Fi2
Fi1
Ai
Fi2
Ac
Fc1
Edificio con
Isolamento alla base
Dc
Fi1
Di
Si
Paolo Clemente
COMPORTAMENTO EDIFICI ISOLATI
Paolo Clemente
TEMPIO DI DIANA A EFESO
“Grecae magnificentiae vera admiratio extat templum
Ephesiae Dianae CXX annis factum a tota Asia. In solo id
palustri fecere, ne terrae motus sentiret aut hiatus
timeret, rursus ne in lubrico atque instabili fondamenta
tantae molis locarentur, calcatis ea substravere
carbonibus, dein velleribus lanae”
Gaio Plinio Secondo, Naturalis Historia, Libro XXXVI, §95
Paolo Clemente
TEMPIO DI HERAION - SAMO
Secondo Diogene Laerzio (III
secolo d.C.), l’idea di poggiare le
fondazioni
del
tempio
di
Artemide su strati alterni di
carbone e velli di lana fu
suggerita da Theodoros di
Samo, un grande architetto
dell’epoca, che applicò la stessa
tecnica per l’edificazione del
tempio di Heraion a Samo (VI
secolo a.C.), crollato dopo 10 anni
dalla costruzione probabilmente
per un terremoto
Colonie greche sul Mar Nero:
fondazioni realizzate su strati di
cenere mista a carbone e loess
Paolo Clemente
MURA DI TROIA (1500 A.C.)
fondate su uno strato di terra compatta lasciato volutamente tra
la roccia e il piano di posa, a “cushion of earth” come per primo
lo definì Blegen, l’archeologo autore di tale teoria
Tempio di Atena ad Ilion (III secolo a.C.)
l’isolamento sismico era realizzato con strati di sabbia e
pietrisco sui quali poggiavano le strutture in elevazione
Paolo Clemente
POSEIDONIA (PAESTUM - 273 A.C)
dominata dalla presenza di tre templi dorici le
cui fondazioni sono separate dalla roccia di
base da uno strato di sabbia
Paolo Clemente
PERÙ – INCAS
Intuirono l’importanza della regolarità geometrica:
allineamento perfetto delle aperture
blocchi di pietra di notevoli dimensioni (6-7-9 m di lunghezza
per 5 di profondità)
giunti verticali obliqui rispetto al paramento delle mura
molto precisi
fondazioni realizzate con uno strato isolante di sabbia e sassi
profondo all’incirca 1 m, che permetteva alla struttura di
assestarsi senza subire danni
Paolo Clemente
SANTA CATALINA - AREQUIPA
Monastero di Santa Catalina ad Arequipa (XVI secolo)
circa 1000 km a sud di Lima, che ha sopportato devastanti
terremoti
Paolo Clemente
MURA DI CUZCO (XIII SEC)
Maestose mura della città di
Cuzco (XIII secolo)
affascinante esempio della
capacità architettonica e
strutturale della popolazione
Incas del Perù;
hanno resistito ai violenti
terremoti (l’ultimo nel 1986)
dei secoli scorsi, mentre
successive edificazioni di
origine spagnola riportarono
danni ingenti
Paolo Clemente
CITADEL OF THE CASBAH, ALGIERS
Paolo Clemente
CITADEL OF THE CASBAH, ALGIERS
Paolo Clemente
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
Paolo Clemente
BECHTOLD (1906)
Brevetto per una struttura
sismoresistente con
piastra
indeformabile,
capace
di
sostenere
l’edificio, semplicemente
poggiata su corpi sferici di
materiale rigido
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CALANTARIENTES (1909)
strato di talco
spostamenti grandi ma
accelerazioni molto ridotte
Si preoccupò anche di dispositivi che:
- consentivano grandi spostamenti
delle condotte (gas)
- assicuravano la rigidezza nei confronti
di azioni sismiche modeste e vento
Paolo Clemente
IMPERIAL HOTEL A TOKYO (1921)
Progettato da Frank Lloyd Wright
fondato su uno strato di terreno compatto, spesso poco
più di 2 metri, che a sua volta poggiava su uno strato di limi
melmosi, profondo circa 20 metri
Grazie a questo comodo cuscino, la struttura resistette al
terremoto di Tokyo del 1923 che causò, invece, il crollo di
molti edifici costruiti con tecniche tradizionali
Paolo Clemente
MARTEL R. R. (1929)
Flexible first story concept:
colonne flessibili al primo livello
atte ad allungare il periodo
naturale della struttura
The Soft first Story Method
(Green 1935 e Jacobsen 1938):
concetto di assorbimento di
energia mediante plasticizzazioni
Ospedale Olive View di Los Angeles, così costruito, subì
notevoli danni a seguito del terremoto San Fernando
(1971, poco dopo la fine della costruzione)
Paolo Clemente
SCUOLA PESTALOZZI (SKOPJE, 1965)
Johann Heinrich Pestalozzi
Un LDRB originario ancora in
posizione (dx) ed un nuovo HDRB
subito dopo l’installazione (sx)
Prima applicazione europea
Swiss Full Base Isolation 3D
LDRB donati dalla Svizzera
dopo il sisma di Skopje (1963)
Paolo Clemente
MODERNI ISOLATORI
Anni 70
Malaysian Rubber Producers’ Research Association (MRPRA)
produsse in Inghilterra i primi dispositivi elastomerici in gomma armata,
mediante un processo produttivo basato sulla vulcanizzazione di strati
di gomma con lamierini di acciaio
Anni 80
Applicazioni in tutto il mondo ma soprattutto in:
- USA e Nuova Zelanda: isolatori elastomerici ad elevato
smorzamento basati sull’impiego di gomma ad alta dissipazione
(HDRB) o con inserti in piombo (LRB)
- Giappone: dispositivi elastomerici a basso smorzamento (LDRB)
accoppiati con dissipatori di tipo viscoso o isteretico
Paolo Clemente
IMPIANTI AD ALTO RISCHIO
Con la costruzione di impianti nucleari si rese indispensabile
l’adozione di sistemi di protezione sismica di massima sicurezza e
affidabilità
Electricite-de-France system (anni ’70)
Adeguamento sismico di centrali nucleari (ag=0.2g) evitando
modifiche alle strutture esistenti.
Furono impiegati isolatori in gomma armata e, successivamente,
una combinazione di isolatori in gomma armata e dispositivi a
scorrimento con coefficiente di attrito pari al 20%
Paolo Clemente
CENTRO TELECOM, ANCONA
Prima applicazione degli HDRB in Italia
1988: Inizio costruzione – 297 HDRB
1990: Prove di rilascio – d =110 mm
1992: Completamento
Paolo Clemente
USC HOSPITAL A LOS ANGELES (1994)
Terremoto di Northridge,
California, USA,
~ 30 km dall’epicentro
Indenne, ais/ac~ 1/9
Isolatori in gomma - piombo (LRB)
Paolo Clemente
EDIFICIO IN C.A. A OJIYA CITY (1994)
a top = 0.194 g
a basement = 0.725 g
smax=15 cm
sres=3 cm
“Mid Niigata” (2004)
M=6.8, 40 morti
oltre 2000 feriti
Paolo Clemente
MINISTERO PP.TT. SANDA CITY (1995)
Terremoto di Hyogo-ken Nanbu, Kobe, Giappone,
~ 30 km dall’epicentro
indenne, ais /ac~1/9)
Isolatori in gomma a basso smorzamento (LDRB)
e dissipatori elastoplastici (EPD)
Paolo Clemente
WENCHUAN, CINA, 12/05/2008
Oltre 90000 morti, 85 miliardi di USD di danni
Collasso e gravi danni di edifici fondati convenzionalmente
Completa integrità dei 3 edifici isolati esistenti (2 in c.a. e 1 in muratura)
scuola isolata
Paolo Clemente
EDIFICI ISOLATI A LA MARTINICA
È obbligatorio l’isolamento sismico per
scuole ed altri edifici pubblici
Paolo Clemente
EDIFICI ALTI IN GIAPPONE
> 5·000 edifici isolati, di cui oltre 120 alti
Edificio di 87.4 m
Tokyo (2000)
30 LDRB + 99 EPD,
T=4s
Trazione ammessa
Applause Building
a Osaka, protetto
da un sistema di
controllo ibrido
Paolo Clemente
ARTIFICIAL GROUND
in c.a. a Tokyo:
Superficie 12350 m2
per 21 edifici residenziali
di 6-14 piani,
con parcheggio interrato
242 isolatori
(LDR, BB, RB/SD);
T = 6.7 s
d = 80 cm
(peso sovrastruttura=
111·600 t)
Paolo Clemente
SCUOLA ANGELI DI SAN GIULIANO
61 HDRB + 12 SD
Paolo Clemente
PROGETTO C.A.S.E. A L’AQUILA
Paolo Clemente
PORTALE SISMICAMENTE ISOLATO
g
Mv  Cv  Kv  Mr u
m1
k1, c1
u1
m1
  1  
2
1
k1, c1
 
u0
kis, cis
m0
kis, cuisg
1
m0
p1  211p 1  12 p1  1ug
1
1  1  
 2  
p2  22 2p2  2 2p2   2ug
m1

m1  m0 
1




  1  1     






 is
 2
2
 bf Tis
2
Tbf2
Paolo Clemente
CONDITIO SINE QUA NON
Sovrastruttura rigida: Tbf << Tis
La sovrastruttura non deve amplificare le azioni trasmesse
attraverso il sistema di isolamento
Terreno non molto soffice (ossia con T elevato)
Il suolo non deve amplificare le componenti con T vicini a Tis
Giunti laterali realizzabili (per consentire gli spostamenti
dovuti al sistema di isolamento)
Rispettare la compatibilità con le strutture adiacenti
In altrenativa si possono utilizzare sistemi di
dissipazione dell’energia
Paolo Clemente
DISPOSITIVI DI ISOLAMENTO
Paolo Clemente
DISPOSITIVI DI ISOLAMENTO
Isolatori propriamente detti
Isolatori a scorrimento
Isolatori in materiale elastomerico e acciaio
a basso smorzamento
ad alto smorzamento
con inserti (per es. piombo)
Sliding Isolation Pendulum
Dispositivi ausiliari
Dispositivi a comportamento non lineare
Dispositivi a comportamento viscoso
Dispositivi a comp. lineare o quasi lineare
38
Paolo Clemente
CARATTERISTICHE DISPOSITIVI
ISOLATORI
Funzione di appoggio
che si esplica nel sopportare i carichi verticali in condizioni di
esercizio e in condizioni sismiche
Bassa rigidezza orizzontale
che permetta agli apparecchi di subire spostamenti relativi tra le due
facce, superiore ed inferiore, di una determinata entità, in caso di
eventi sismici
Adeguata rigidezza nei confronti delle forze orizzontali di piccola
entità (vento, traffico o sismi di bassa energia)
Buona capacità dissipativa, di ricentraggio e di vincolo laterale
sotto carichi orizzontali di servizio (non sismici)
DISPOSITIVI AUSILIARI
Funzione di dissipazione di energia
Funzione di ricentraggio del sistema
Funzione di vincolo laterale sotto carichi orizzontali di servizio
Paolo Clemente
ISOLATORI ELASTOMERICI ARMATI (HDRB)
40
Paolo Clemente
HDRB: COMPONENTI E DIMENSIONI
ti = 4 ÷ 10 mm
Zanca d’ancoraggio
Contropiastra sup.
Armatura
Piastra
ts= 2 ÷ 4 mm
Foro
tssmin = 20 ÷ 25 mm
Parte
vulcanizzata
Piastra
Gomma
Contropiastra inf.
Zanca d’ancoraggio
Paolo Clemente
HDRB: CARATTERISTICHE DI CALCOLO


Area strato in gomma
A   De2 4
A   De2  d 2
Sup laterale totale strato gomma
L    D  ti
L     D  d   ti
Area lamierino
A   D2 4
Spessore totale gomma
te  ng  ti
Fattore di forma primario (instabilità locale)
S1  A L
Fattore di forma secondario (instabilità globale)
S 2  D te
Rigidezza equivalente
Modulo di compressibilità assiale
Rigidezza verticale
  D 4ti 
Ke  Gdin A te
 
Ec  1 6G S
Kv  Ec A te
2
din 1
4
  4 3E 
b
Kv Ke
1
Paolo Clemente
HDRB: COMPORTAMENTO
Ogni strato di gomma è soggetto a compressione, taglio e flessione.
Con riferimento allo spessore totale, le 3 componenti della sollecitazione
provocano le seguenti deformazioni angolari:
F
V
s
dE
Taglio
Area ridotta:
dE
s 
te
D2
Ar    sen  
4
  2  arccos
dE
D
V
c
Compressione

c 
1.5  V
S1Gdin Ar
M
Flessione
3  D 2 / 4
 
2ti te
   x2   y2
Paolo Clemente
HDRB: VERIFICHE
Deformazione di taglio per lo spostamento sismico totale:
 s   s ,max
 s ,max   * 1.5  2
* = valore massimo della deformazione di taglio raggiunto
nelle prove di qualificazione relative all’efficacia
dell’aderenza elastomero-acciaio, senza segni di rottura
Deformazione di taglio totale:
 t   c   s      t ,max
Verifica di stabilità
Vcr
V
2
Tensione degli inserti in acciaio:
t1  t2 

 s  1.3  V
 f yk
 Ar  ts 
 t ,max  5
GAr S1D
Vcr 
te
Paolo Clemente
PROVA DINAMICA
Paolo Clemente
CARATT. ISOLATORI ELASTOMERICI
Dalle curve caratteristiche forza –
spostamento, generalmente non
lineari, si ricavano, per ciascun
ciclo, i due parametri sintetici:
Rigidezza equivalente Ke =
rapporto tra la forza F e
spostamento d, in corrispondenza
dello spostamento massimo
F Gdin A Gdin Ad te
Ke  


d
d
d
A
 Gdin
te
Coefficiente di smorzamento
viscoso equivalente ξ = rapporto
tra l’energia dissipata in un ciclo
completo di carico Wd e 2πFd
e 
Wd
2  Fd
47
Paolo Clemente
HDRB: Gdin e 
2.5
25
Gdin (MPa)
Smorz. (%)
2.0
20
1.5
15
1.0
10
0.5
5
0.0
0
0
0.5
1

1.5
2
- Modulo dinamico di taglio Gdin
come modulo secante in corrispondenza di d/te=1
Gdin deve ricadere nell’intervallo 0.35÷1.40 MPa
Gdin
- Smorzamento 
F  te

Ad
Paolo Clemente
ISOLATORE A SCORRIMENTO
Appoggi acciaio-PTFE con bassi valori delle resistenze per attrito
Il coefficiente di attrito dinamico, in genere compreso tra il 6% ed il
12%, si riduce all’1-2% mediante lubrificazione.
Esso è funzione di: Pressione di contatto (varia linearmente con la
pressione), Velocità di scorrimento, Temperatura, Usura
pertanto la sua valutazione è molto incerta e viene trascurato, ossia si
assume nullo l’attrito, lasciando liberi gli spostamenti orizzontali
49
Paolo Clemente
ISOLATORE A SCORRIMENTO
Non hanno capacità ricentrante, quindi non possono essere utilizzati da
soli ma è necessario aggiungere dispositivi ausiliari
Soluzione mista: possono essere usati dispositivi a scorrimento insieme
a dispositivi elastomerici, cui è affidato il compito di ricentrare il sistema,
senza dispositivi ausiliari
In tal caso:
- attenzione agli spostamenti differenziali verticali in corrispondenza
dei vari isolatori, sia per carichi verticali non sismici che sismici.
Soluzioni possibili sono:
- adottare dispositivi elastomerici con elevata rigidezza ai carichi verticali
- utilizzare gli isolatori in gomma soltanto come dispositivi ausiliari, ossia
senza affidare loro carichi verticali
Paolo Clemente
SLIDING ISOLATION PENDULUM (SIP)
Paolo Clemente
SLIDING ISOLATION PENDULUM (SIP)
Sono isolatori a scorrimento con superfici di scorrimento curve, che
incorporano senza l’ausilio di altri elementi, le funzioni:
Superfici di scorrimento con
materiale polietilenico
Funzione ricentrante: data ovviamente dalla superficie curva, la quale
consente di far tornare in posizione il dispositivo quando cessa l’azione
esterna sotto l’azione del carico verticale
Funzione dissipativa: grazie ad una superficie non lubrificata, quindi ad
un attrito non azzerato
Paolo Clemente
DOPPIO FRICTION PENDULUM
Con la stessa azione laterale si
può avere uno spostamento
doppio.
Le superfici potrebbero avere
coefficiente di attrito diverso: in
tal caso il dispositivo comincia a
scorrere sulla superficie che offre
minore resistenza, poi si mette in
moto anche sull’altra
Paolo Clemente
SISTEMI DI ISOLAMENTO
ISOLATORI
ISOLATORI A
ELASTOMERICI
SCORRIMENTO
ARMATI
A
X
B
X
C
D
E
X
DISPOSITIVI
AUSILIARI
DISPOSITIVI A
PENDOLO A
ATTRITO
X
X
X
X
X
X

Diapositiva 1 - Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l`energia

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