Strutture in cemento armato ed altro ….

Transcript

COSTRUIRE NEL COSTRUITO, STRUTTURE IN CEMENO ARMATO
Università di Napoli “Federico II”
Dipartimento di Strutture per l’Ingegneria e l’Architettura
Strutture in cemento armato
ed altro ….
Edoardo Cosenza
E. Cosenza Napoli Ordine degli Ingegneri, 27 Gennaio 2016
Monitoraggio ed Identificazione
strutturali con azioni antropiche
Obiettivi:
Identificazione dinamica
Approfondita conoscenza del
comportamento dinamico e della
capacità della struttura di resistere a
eventi sismici
Aggiornamento del
Modello
Approfondimenti su
interazione suolostruttura
Rilevo danni nel tempo
Controllo strutturale
Livello di sicurezza nel dopoterremoto: scenari e supporto
decisionale
Hardware e sensoristica
Soluzioni tradizionali
Sensori capacitivi
Misure ad alta risoluzione
Sensori piezoelettrici
Soluzioni innovative
Sistemi di acquisizione dinamica a 24 bit
(Kinemetrics K2; NI PXI-4472)
Sensori GPS
Sensori wireless
Tecniche ad input incognito
Struttura eccitata dal rumore ambientale
Eccitazione ambientale schematizzata come rumore bianco
Estrazione dei parametri dinamici dalla sola risposta strutturale
Misure che non interrompono l’uso della struttura e che possono
essere protratte anche per lunghi periodi di tempo (monitoraggio)
Rumore bianco
La Torre di Ingegneria
Monitoraggio continuo:
- 3°, 7°, 11° piano
- Suolo a quota 0, -5, -16, -26 m
- Antenna satellitare nel patio interno
13 piani (2 interrati); 41 m alta; struttura in
c.a.; moderati interventi di rinforzo dopo il
terremoto dell’80; collocata in un’area a
rischio sismico
Architettura del sistema
Caratteristiche:
Vettori ridondanti (ADSL, linea telefonica
tradizionale e cellulare, satellite)
Master locale: immagazzinamento e
analisi dei dati
Pannello di controllo: accessibile tramite
connessione internet
The local master
Sensori 3°, 7°, 11° piano
Kinemetrics Episensor FBA ES-U2: 5
V/g sensitivity, ±1/2 g FS range;
PCB Piezotronics 393B04, 393A03: 1
V/g sensitivity, ±5 g FS range
Sensori
•Acquisitore “Strong Motion”
analogico-digitale a 12 canali
• Kinemetrics Episensor ES-T;
•Kinemetrics Shallow Borehole
Episensor SBEPI
Valutazione Strutturale
Il software per l’OMA
Capace di effettuare l’identificazione sia nel dominio
del tempo che nel dominio della frequenza
Risultati preliminari
0.95 Hz
I
modo
II
modo
III
modo
20 Maggio
0.92
0.99
1.3
30 Luglio
0.90
0.97
1.28
Ingresso squadre 2° tempo
Occasione gol Napoli
Gol Juve
Pareggio
Napoli
0,54 g/1000
Napoli Juve
0,14 g/1000
GIORNO
0,1 g/1000 NOTTE
Risultati dell’identificazione
Modo
Tipologia
Frequenza
[Hz]
Rapporto di
smorzamento [%]
1
Prev. translazionale
(lato lungo)
0.92
≈2
2
Prev. translazionale
(lato corto)
0.98
≈ 1.4
3
Prev. torsionale
1.29
≈ 1.8
Modello FEM
Importante
modellare
tamponature
Pannello di Controllo
C. Rainieri et al.: “Automated Operational Modal Analysis as SHM tool: theoretical and applicative aspects”, Key Engineering
Materials Vol. 347 pp. 479-484
C. Rainieri et al.: “Continuous monitoring for performance evaluation of the dynamic response of the School of Engineering Main
Building at University of Naples Federico II”, Proc. of IWSHM 2007 Vol. 1 pp. 371-378
Control Panel
Sorgenti siche in Campania; mappe di
pericolosità sismica, Periodo di ritorno 50
anni, probabilità superamento 10%
Azioni sismiche: Esempio di modellazione di scenario –
Periodo di ritorno 500 anni, scenario in termini di
Magnitudine e di distanza epicentrale, da disaggregzione
probabilistica
Site‐by‐site most probable earthquakes determining 500 yr accelaration.
Comuni Campani in cui sono possibili
terremoti “near source”, con conseguenti
effetti di direttività
On fault surface
projection
In forward directivityprone regions
Within zones with
PGA larger than
0.25g in 500 yr return
period map
N.
Municipalities
68
74
107
PGA con periodo di ritorno 475 su roccia dal sito INGV
(http://esse1.ingv.it/) e recepita dalle NTC ‘08
Disaggregazione della pericolosità per
L’Aquila
M circa 6 a circa 10 km
8km
Il terremoto di progetto è compatibile con
quello occorso
•Duttilità
Comportamento elastico-lineare (FRAGILE !!)
FORZA
Comportamento elastico-plastico ( duttile)
DUTTILITA’ = δu/δy
ENERGIA
ENERGIA
DISSIPATA
DISSIPATA
PLASTICAMENTE
PLASTICAMENTE
δy
δu
SPOSTAMENTO
½ m v2 si
dissipa come
energia plastica
F
in modo controllato
In parti prefissate
Energia dissipata
plasticamente >
Energia cinetica
s
•Gerarchia
delle
resistenze
GERARCHIA DELLE RESISTENZE (CORRETTA !)
Anello
duttile meno
resistente
Comportamento
Anello
fragile piu’
resistente
Forza
Forza
Forza
GLOBALE
DUTTILE
RESISTENZA GLOBALE CONDIZIONATA DALL’ANELLO DUTTILE
==
+
+
Spostamento
Spostamento
Spostamento
GERARCHIA DELLE RESISTENZE (ERRATA!)
Anello
duttile piu’
Comportamento
Anello
fragile meno
resistente
Forza
Forza
Forza
resistente
GLOBALE
FRAGILE
RESISTENZA GLOBALE CONDIZIONATA DALL’ANELLO FRAGILE
==
+
+
Spostamento
Spostamento
Spostamento
GERARCHIA DELLE RESISTENZE
- Massimi di armatura
NELLA SEZIONE:
CALCESTRUZZO / ACCIAIO
-Armatura compressa
-Staffe
NEGLI ELEMENTI
(Travi, Pilastri, Pareti):
TAGLIO / FLESSIONE
Meccanismo di piano NO
NEI TELAI:
PILASTRI / TRAVI
Meccanismo globale SI
GERARCHIA DELLE RESISTENZE
SEZIONI
Struttura verticale - Impalcato Acciaio - Calcestruzzo
NODI non
confinati
Trave
Pilastro
PANNELLO
Trave - Pilastro
Flessione – Taglio
Struttura - Fondazione
Linee Guida ReLUIS-DPC-AGI-ALIGALGI
41
Intervento locale sui nodi con compositi
- Fasce diagonali in tessuto
metallico uniassiale
Valutazione dei danni da calamità naturali
Tessuto quadriassiale in fibra di carbonio sul pannello
Confinamento pilastri con tessuto uniassiale in fibra di carbonio
Fasce ad U sulla trave in fibra di carbonio uniassiale
Stato Limite di Salvaguardia delle Vita (SLV): a
seguito del terremoto la costruzione subisce
rotture e crolli dei componenti non strutturali ed
impiantistici e significativi danni dei componenti
strutturali cui si associa una perdita significativa
di rigidezza nei confronti delle azioni orizzontali;
la costruzione conserva invece una parte della
resistenza e rigidezza per azioni verticali e un
margine di sicurezza nei confronti del collasso per
azioni sismiche orizzontali;
= 50 anni
Tr= 475 anni
Stato Limite di prevenzione del Collasso (SLC): a
seguito del terremoto la costruzione subisce gravi
rotture e crolli dei componenti non strutturali ed
impiantistici e danni molto gravi dei componenti
strutturali; la costruzione conserva ancora un
margine di sicurezza per azioni verticali ed un
esiguo margine di sicurezza nei confronti del
collasso per azioni orizzontali.
= 50 anni
Tr= 975 anni
Le accelerazioni sono importanti !
Eduardo Miranda, Stanford University, USA
3.00
SuoloA(222)
2.50
Terremoti europei
MEDIA(674)
Se(adim)
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00
0.000,20 0.50
T(s)
1.00
1.50
2.00
3.00
media adim (su 222)
spettro norma adim
2.50
+/- 10% spettro norma adim
1.50
0.50
0.00
0.00
telai
1.00
pareti
Se(adim)
2.00
0,315
0.50
0,545
T(s)
1.00
Suolo A
1.50
2.00
Olivia View Hospital
San Fernando earthquake
Accelerazione al piano
Accelerazione nel componente
Accelerazione al piano + dinamica componente
Stato Limite di Operatività (SLO): a seguito del
terremoto la costruzione nel suo complesso,
includendo gli elementi strutturali, quelli non
strutturali, le apparecchiature rilevanti alla sua
funzione, non deve subire danni d’uso
significativi;
= 50 anni
Tr= 30 anni
Stato Limite di Danno (SLD): a seguito del
terremoto la costruzione nel suo complesso,
includendo gli elementi strutturali, quelli non
strutturali, le apparecchiature rilevanti alla sua
funzione, subisce danni tali da non mettere a
rischio gli utenti e da non compromettere
significativamente la capacità di resistenza e di
rigidezza nei confronti delle azioni verticali ed
orizzontali, mantenendosi immediatamente
utilizzabile pur nell’interruzione d’uso di parte
delle apparecchiature;
= 50 anni
Tr= 50 anni
Spettri di risposta elastici per i periodi di ritorno TR di riferimento
S e [g] 0,8
INDIETRO
30 anni
50 anni
72 anni
0,7
101 anni
140 anni
975 anni
0,6
201 anni
475 anni
975 anni
2475 anni
0,5
475 anni
0,4
0,3
50 anni
0,2
30 anni
0,1
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2 T [s]
NOTA:
Con linea continua si rappresentano gli spettri di Normativa, con linea tratteggiata gli spettri del
progetto S1-INGV da cui sono derivati.
La verifica dell'idoneità del programma, l'utilizzo dei risultati da esso ottenuti sono onere e
responsabilità esclusiva dell'utente. Il Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici non potrà essere
ritenuto responsabile dei danni risultanti dall'utilizzo dello stesso.
Stato Limite di Operatività
Controllare se accelerazioni o
spostamenti attesi
PER IL SISMA DELLO SLO
sono tali da mettere fuori causa
impianti elettrici, meccanici, sistemi
informatici, apparecchiature ecc
Ospedale San Salvatore
al
S
n
a
S
e
l
a
d
e
p la
s
O qui
L ’A
e
r
o
vat
Controsoffittature e componenti,
L’Aquila
Esempi di danni alle scuole
Stato Limite di DANNO
Controllare se
SPOSTAMENTI RELATIVI DI
PIANO
attesi
PER IL SISMA DELLO SLD
sono tali da danneggiare
tramezzi, tamponature, ecc
δr
δ2
h
δ1
Parametro critico: δr/h
Ospedale San Salvatore
Danni agli elementi non strutturali

Le Tamponature (Emilia Romagna)

Distacco pannelli (Emilia Romagna)

Distacco pannelli (Emilia Romagna)
Linee guida per gli interventi
79
Università degli Studi di Napoli Federico II
DIPARTIMENTO DI STRUTTURE PER L’INGEGNERIA E L’ARCHITETTURA
CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA
STRUTTURALE E GEOTECNICA
Integrazione in ambiente BIM di procedure di
valutazione delle perdite attese indotte da rischio
sismico applicate ad edifici esistenti
Ing. Domenico Asprone
Dott. Ing. Antonio Salzano
Dott. Ing. Umberto Vitiello
Neo Ing. Angelo Ripoli
7
BIM
Il BIM è acronimo di due espressioni tra loro non equivalenti, ma che evidenziano due
aspetti caratterizzanti la metodologia:
«Building Information Model»
«Building Information Modeling»
BIM inteso come modello paramentrico ed
n-dimensionale
BIM inteso come metodologia basata sul
concetto di interoperabilità
•
4° Dimensione: Tempi
Consente la gestione temporale del progetto.
•
5° Dimensione: Costi
Consente la migliore analisi dei costi.
•
6° Dimensione: FM
Migliora i processi legati all’uso, gestione
e manutenzione dell’opera.
Il BIM è quindi una metodologia, caratterizzata da modelli basati sull’interoperabilità, che attraverso le
n-dimensioni supporta la realizzazione e gestione dell’opera in tutto il suo ciclo di vita.
Antonio Salzano 16/10/2015 - Bologna
BIM NEL CICLO DI VITA DELL’EDIFICIO
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Gestione delle fasi di progetto
Gestione degli spazi
Gestione degli interventi di manutenzione
Gestione delle fasi di dismissione dell’opera
Possibilità di condurre analisi LCA
Possibilità di condurre analisi di loss assessment
Gestore
INTENTO
Utilizzare il BIM per la gestione della
manutenzione ordinaria della componente
impiantistica di un’opera
• Guasti
• Sostituzione apparecchiature
• Cambio ubicazione dei componenti
IDEA
Utilizzare il BIM per gestire le fasi di
manutenzione straordinaria di un
edificio esistente
• Danno economico da sisma
BIM: APPLICAZIONE AL CASO STUDIO
P[SD>SD(IRD)]
OBIETTIVO :
Integrazione IN AMBIENTE BIM di procedure di valutazione delle PERDITE ATTESE indotte da rischio sismico applicate ad edifici esistenti
Attività : 3 step
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.00
Perdita economica attesa
Costo interventi di rinforzo
SLD1
SLD2
Minimo costo atteso
€
SLD3
SLD4
0.05
IRD
0.10
10%
20%
30%
40%
50%
60%
Indice di Rischio
70%
80%
90%
100%
STEP 1: MODELLAZIONE BIM CLINICA MEDITERRANEA
• Componente architettonica
• Componente strutturale
• Componente impiantistica
STEP 2 : STIMA DELLA PERDITA ECONOMICA ATTESA
PROCEDURA
Facility Definition
D: Location and design
Hazard
Analysis
Hazard model
g[IM|D]
IM: Intensity Measure
Structural
Analysis
EDP: Eng. Demand Param.
Damage
Analysis
DM: Damage Measure
Loss
Analysis
DV: Decision Variable
D
Site hazard
g[IM]
Structural
model
p[EDP|IM]
Structural
response
g[EDP]
Fragility model
p[DM|EDP]
Damage
response
g[DM]
Loss model
p[DV|DM]
Performance
g[DV]
STIMA DELLA PERDITA ECONOMICA ATTESA
ANALISI DI HAZARD
1
1
λi (Tr ,i < Tr < Tr ,i +1 ) =
−
Tr ,i Tr ,i +1
Parametri di pericolosità sismica locale
• 8 intervalli di osservazione
• Probabilità di accadimento di un sisma con Tr compreso tra 2
periodi consecutivi di normativa
ANALISI STRUTTURALE
Analisi statica non lineare
dell’edificio
• Discretizzazione curva
• Valutazione IR singoli step Pushover
• Definizione degli EDP
ANALISI DEL DANNO
Curve di Fragiltà
Componenti strutturali
Componenti non strutturali
• Definizione SD
• Valutazione probabilità di
superamento dello SD
• Valutazione lavorazioni
associate
• Computo costi di
ripristino
VALUTAZIONE PERDITA ATTESA
PVn = TS × ∑i ( Ci × λi )
Definizione del tasso di sconto
i
⎛ 1 ⎞
TS = ∑⎜
⎟
+
d
1
⎠
i =1 ⎝
Vn
d = tasso di sconto annuo
Ci = danno economico del i-esimo step
λi = probabilità di accadimento i-esima
Ts = tasso di sconto totale
Perdita economica iniziale
STEP3: INTEGRAZIONE DELLA PROCEDURA IN AMBIENTE BIM
•
Assegnazione parametri di costo alle
componenti per ogni SD
Bill of Quantity
•
Computo metrico estimativo in REVIT
•
Valore nominale Cn
[euro]
Nodi
13355
Pilastri
281368
Travi
553543
Tamponature
546985
Impianti aria
178329
Finestre
169499
Impianti gas medicali
798414
Attrezzature mediche
1741600
Nodi
Pilastri
Travi
Tamponature
Impianti aria
Finestre
Impianti gas medicali
Attrezzature mediche
DS1
[euro]
1168
13485
28705
33721
187599
14310
804538
174160
Perdite previste Cr
DS2
DS3
[euro]
[euro]
33437
41504
39573
284029
84234
604585
685106
37024
58923
522480
1044960
DS4
[euro]
69777
612850
1741600
INTERVENTO DI RINFORZO
Possibili soluzioni
Analisi risposta sismica
locale
Crisi fragili nodi ed
elementi “beam”
Tipologia di intervento adottato
Definizione curva Costi-IR
Rinforzo locale con fasciature in FRP
Computo costi del rinforzo
VALUTAZIONE DEL COSTO MINIMO ATTESO
Perdita economica attesa
Costo intervento di rinforzo
1. Costo intervento di rinforzo
2. Perdita attesa media per valori crescenti di IR
3. Valutazione costo atteso
MINIMO COSTO ATTESO = OTTIMO ECONOMICO TARGET DI RINFORZO
Necessità di ISOLAMENTO alla Base
California: edificio (Policlinico Universitario) isolato
Verifica “sperimentale”:
Il terremoto di Northridge
FORTISSIMA RIDUZIONE DEGLI EFFETTI !
Distribuzione uniforme
(non triangolare) delle azion
Irregolarità
strutturale
Spettri elastici zona 1
1.18g
3,5
1.09g
Suolo A
3
0.7 sec
Se/ag
0.35g
Suolo B, C, E
0.875g
2,5
Suolo D
2
Aumento
1,5
smorzamento
1
2.3 sec 0.13g
0,5
0
0
0,5
1
1,5
2
T [sec]
Aumento Periodo
2,5
3
3,5
4
Caso studio: Ospedale del mare
Dati generali
Corpo alto
(8 piani)
Y
X
Corpo basso
(3 piani)
Struttura intelaiata in c.a.
2 blocchi di altezza 12.6 m e 32.6 m
Pianta quadrata di lati 150 x 148 m
Solai con ampie aperture per
zone giardino
Caso studio: Ospedale del mare
Sistema di isolamento sismico
600 mm
650 mm
800 mm
Mescola
normale
Mescola
dura
15.5
15.5
350
300
Modulo di taglio
0.80±0.12
(N/mm2)
Smorzamento
viscoso
equivalente (%)
Diametro
isolatore
(mm)
Numero di
isolatori
600
650
800
122
108
97
1.40±0.21
2.00
15
15
HDRB φ650
1.60
Rigidezza
orizzontale Kh
(kN/mm)
Rigidezza
verticale Kv
(kN/mm)
Rapporto di
rigidezza
Kv/Kh
1.51
2.98
4.89
1802
2472
3949
1195
830
808
Shear Stress (MPa)
Proprietà
meccaniche
Resistenza a
compressione
(N/mm2)
Deformazione
ultima
(%)
1.20
HDRB φ800
0.80
0.40
HDRB φ600
0.00
0.00
0.20
0.40
0.60
Shear deformation (γ)
0.80
1.00
1.20
COSTRUIRE NEL COSTRUITO,
STRUTTURE IN CEMENO ARMATO
2.00
HDRB φ650
Shear Stress (MPa)
1.60
1.20
HDRB φ800
0.80
0.40
HDRB φ600
0.00
0.00
0.20
0.40
0.60
Shear deformation (γ)
0.80
1.00
1.20
Modalità posizionamento
Isolatori e relative connessioni