presentazione
Transcript
presentazione
CONVEGNO FINALE PROGETTO RELUIS-DPC 2005-2008 Napoli, Aula Magna della Facoltà di Ingegneria, 1-3 aprile 2009 Relazione della Linea 7 TECNOLOGIE PER L’ISOLAMENTO ED IL CONTROLLO DI STRUTTURE ED INFRASTRUTTURE Coordinatori di linea: M. Dolce, G. Serino MOTIVAZIONI ED OBIETTIVI DELLA LINEA 7 • livelli di sicurezza superiori rispetto ai sistemi tradizionali (efficacia dimostrata in laboratorio e durante recenti terremoti) • impulso alle applicazioni a seguito emanazione dell’Ordinanza 3274 e ss.mm.ii. (due capitoli specificatamente dedicati all’isolamento di edifici e ponti), ulteriore significativo impulso atteso con l’emanazione delle NTC 2008 • necessità di approfondimenti normativi, in particolare su sistemi di dissipazione concentrata di energia • valutazione delle potenzialità dello smorzamento di massa e dei sistemi semiattivi per la riduzione della risposta sismica • miglioramento e semplificazione delle metodologie di progetto, di analisi e di verifica sperimentale, per rendere più agevoli, affidabili e ove possibile economicamente convenienti le applicazioni CAMPI DI INDAGINE DELLA LINEA 7 Tipi di progettazione: Dispositivi più consolidati: progetto di nuova struttura ¾ isolatori in gomma adeguamento di struttura esistente ¾ isolatori a scorrimento Tipi di struttura: ¾ dispositivi viscosi 9 edifici in c.a. o acciaio ¾ dispositivi visco-elastici 9 ponti con pile in c.a. ¾ dispositivi isteretici 9 edifici monumentali in muratura Dispositivi più recenti: 9 edifici prefabbricati ¾ dispositivi a memoria di forma 9 strutture leggere ¾ dispositivi magnetoreologici Tipi di azione sismica: ¾ dispositivi di tipo Wire-Rope terremoti con caratteristiche ordinarie terremoti con caratteristiche anomale (near-fault) ORGANIZZAZIONE IN TASK DELLA LINEA 7 TASK 1 – Controllo passivo mediante Isolamento sismico TASK 2 – Controllo passivo mediante Dissipazione di energia TASK 3 – Controllo mediante Masse accordate TASK 4 – Controllo semi-attivo STRUTTURAZIONE IN SOTTOGRUPPI DELLA LINEA 7 L7_SG1: Isolamento di edifici e ponti (coord.: D. Cardone, G. Serino) L7_SG2: Dissipazione di energia (coord.: F. Ponzo, M. Savoia) L7_SG3: Modellazione e sperimentazione dei dispositivi (coord.: A. De Luca, S. Sorace) L7_SG4: Sistemi TMD/TLD passivi (coord.: E. Matta, L. Petti) L7_SG5: Sistemi semi-attivi (coord.: V. Gattulli, A. Occhiuzzi) ORGANIZZAZIONE DELLE ATTIVITA’ IN U.R. Attività realizzate da 12 U.R. (3 interne a RELUIS e 10 esterne a RELUIS) Istituzione Responsabile Titolo della ricerca dell’Unità UNITA’ INTERNE RELUIS R1 UNIBAS Basilicata Università della F. Ponzo Controllo passivo di edifici e ponti: studi sperimentali e (formerly M. Dolce) numerici per la validazione ed il miglioramento dei metodi di progettazione, analisi e verifica delle strutture e delle modalità di prova dei dispositivi R2 UNINA_SE - Università di Napoli Federico II G. Serino Metodologie di progettazione per edifici e ponti con dispositivi viscosi e di strutture isolate leggere R3 UNINA_DL - Università di Napoli Federico II A. De Luca Isolamento sisimico di edifici di interesse storicomonumentale ORGANIZZAZIONE DELLE ATTIVITA’ IN U.R. Istituzione Responsabile Titolo della ricerca dell’Unità UNITA’ ESTERNE RELUIS E1 Aspetti progettuali ed architettonici nell’applicazione (formerly A. Parducci) dell’isolamento sismico alle costruzioni E2 UNICAL Università della A.Vulcano Progettazione di edifici con controventi dissipativi o con Calabria isolamento alla base ed effetti di near-fault E3 POLITO – Politecnico di Torino A. De Stefano Sistemi a masse accordate e controllo semi-attivo per la riduzione della risposta sismica delle costruzioni E4 UNIUD - Università di Udine S. Sorace Metodi di progetto e di analisi semplificata e procedure di qualificazione sperimentale di sistemi di isolamento sismico e di dissipazione di energia includenti dispositivi fluido-viscosi E5 UNISA - Università di Salerno B. Palazzo Sperimentazione del sistema di controllo combinato “Isolamento alla Base e Smorzamento di Massa” E6 UNICAM - Università di Camerino A. Dall'Asta Controllo della risposta dinamica di telai esistenti in c.a. mediante dispositivi in gomma ad alto smorzamento e mediante controventi dissipativi con aste di acciaio ad instabilità impediata E7 UNIBO - Università di Bologna M. Savoia Metodologie di progettazione ed affidabilità di edifici protetti con sistemi di dissipazione sismica E8 UNIPARTH - Università di Napoli A. Occhiuzzi Il controllo delle vibrazioni di natura sismica mediante Parthenope dispositivi semiattivi E9 UNIVAQ - Università de L’Aquila V. Gattulli Sistemi integrati di controllo ed auto-diagnosi in dissipatori sismici semi-attivi E10 POLIBA - Politecnico di Bari D. Foti Dispositivi dissipativi in alluminio per la protezione passiva degli edifici UNIPG - Università di Perugia M. Mezzi Principali riunioni di coordinamento della Linea 7 Plenarie di coordinamento: – kick-off: 20 gennaio 2006 (c/o DPC, Roma) – al termine del I semestre: 3-4 aprile 2006 (c/o UNIBAS, Potenza) – al termine del II semestre: 29 settembre 2006 (c/o DPC, Roma) – al termine del III semestre: 12 luglio 2007 (c/o DPC, Roma) – al termine del IV semestre: 10 gennaio 2008 (c/o DPC, Roma) – al termine del V semestre: 21 luglio 2008 (c/o DPC, Roma) – seminario conclusivo: 4-5 dicembre 2008 (c/o PICO, Napoli) Plenarie operative di sottogruppo: – dissipazione di energia: 30 luglio 2007 (c/o UNIBAS, Potenza) – prove su telaio JETPACS: 14 novembre 2007 (c/o UNIBAS, Potenza) – SG2 metodologie di progetto: 9 gennaio 2008 (c/o DPC, Roma) – SG4 masse accordate: 3 aprile 2008 (c/o UNISA, Salerno) – SG2 metodologie di progetto: 10 giugno 2008 (c/o UNIBO, Bologna) Importante prodotto della Linea 7 STRUTTURA DEL MANUALE DI PROGETTAZIONE Parte I – Inquadramento generale (tecnologie di controllo e dispositivi) Parte II – Metodologie di progetto Parte III – Casi di studio ed esempi applicativi • strutture isolate (5 edifici, 2 ponti, 1 elemento di impianto) • strutture con dissipatori di energia (6 edifici, 2 ponti) • strutture con TMD (2 di cui 1 isolata alla base) • Strutture con MR semiattivi (2) Configurazioni strutturali e rapporto costo/benefici (contributo U.R. UNIPG) Aspetti di configurazione e morfologia nelle applicazioni Aspetti generali: NUOVI PRINCIPI DI CONFIGURAZIONE DEI SISTEMI SISMO-RESISTENTI Nuove regole di configurazione (rispetto alle Regole morfologiche tradizionali) Deformabilità Discontinuità Movimento Δ Δ Δ Visibilità (dei dispositivi) Forma A Comfort degli occupanti B A Procedura prestazionale valutazione aspetti economici Una corretta valutazione dei costi connessi all’adozione dell’isolamento e/o della dissipazione di energia deve tener conto non solo dei costi di costruzione ma anche dei più elevati livelli di prestazione ottenibili Base isolata = BI Dissipazione di energia = ED FASI DELLA PROCEDURA: 1.Definizione del modello di pericolosità 2.Valutazione della domanda 3.Correlazione tra la domanda ed il danno 4.Relazione tra il danno e la conseguenza Messa a punto una metodologia per effettuare un confronto, in termini di perdite (costi di riparazione o ricostruzione, interruzione dell’attività, vittime e feriti gravi, perdite di beni culturali) fra edifici con progettazione tradizionale e con isolamento e/o dissipazione TASK 1 – L7 SG1 Isolamento sismico di edifici e ponti Valutazione attendibilità analisi statica lineare (UNIBAS) Tbf = 0.6 - 0.8 s m8 MODELLI NUMERICI m7 Tbf = 0.5 - 0.6 s m5 F ξ [%] = 10-20-30 m6 u 12 Isolatori m5 m4 m4 m3 m3 m2 m2 m2 m1 mo m1 mo m1 mo Tbf = 0.2 - 0.4 s m3 RI EP F Δy [mm] = 5-10-15-20 r[%] = 0-1-3-5-10 u 80 Isolatori Tiso= 1.5-2.0-2.5-3.0 s Δy[mm] = 5-10-15-20 r[%] = 0-1-3-5-10 β[%] = 0.3-0.5-0.7 u μ[%] = 2.5-5-10 ξd[%] = 0-15 1440 Isolatori PGA = 0.1÷1g Totale 1532 SI Step 1 Analisi NTHA con 7 acc. spettrocompatibili Tot. 1532 x 6 x 7 64344 analisi Step 2 NTHA per diversi valori di PGA (i.e. rapporti d’isolamento) SMA+SB+VD F Step 3 - Inviluppo dei tagli massimi di piano - Normalizzazione Step 4 Analisi risultati: a) Coefficienti correttivi b) Regressioni non lineari c) Confronti con distribuzioni di norma Analisi statica lineare edifici isolati alla base (UNIBAS) SISTEMI ELASTOMERICI ACCELERAZIONI DI PIANO NORMALIZZATE NTHA LEGGE DI DISTRIBUZIONE DELLE FORZE 5 piani VALIDA PER ξ > 10% 4 ⎛ 2i ⎞⎤ mi ⎡ Fi = Vb −1⎟⎥ ⎢1+ (β eff −1)⎜⎜ ⎟ ∑m j ⎢⎣ ⎝ N p ⎠⎥⎦ 3 2 j β eff =1+ 0.0464N P 1 0 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 CONFRONTO TRA NTHA E LEGGE PROPOSTA piani TAGLI NORMALIZZATI EDIFICIO A 5 PIANI: Tiso/Tbf=3.33, ξ=30% m3 m2 m1 mo NP : Numero di piani dell’edificio ACCELERAZIONI NORMALIZZATE Fi piani Vi Vb Analisi statica lineare edifici isolati alla base (UNIBAS) SISTEMI ELASTO-PLASTICI ACCELERAZIONI DI PIANO NORMALIZZATE NTHA PRIME DUE FORME MODALI m5 S55 iP Piani S44 Tiso Tbf S22 S11 aN,i 0 0.5 1 1.5 2 iP iP m3 3.20 4.20 4.80 5.27 5.70 5.99 6.21 6.38 6.53 S33 S00 m4 m2 Tiso Tbf Tiso Tbf m1 mo Φ 2,i Φ 1,i 2.5 LEGGE DI DISTRIBUZIONE DELLE FORZE Fi m5 mi Δi m4 ∑m j Δ j m3 Fi = Vb N P j=1 Δ i = a ⋅φ1 + b⋅φ2 φ1 φ2 : prime due forme modali della struttura isolata a b : funzione dei parametri caratteristici del SI m2 m1 mo Effetto dei terremoti “near fault” (UNICAL) CONTESTO I TERREMOTI “NEAR-FAULT” SONO CARATTERIZZATI DA: Impulsi di lunga durata ed elevati spostamenti del suolo in direz. orizzontale Elevati valori del rapporto di accelerazione αPGA=PGAV/PGAH EFFETTI SU UNA STRUTTURA ISOLATA ALLA BASE: Gli impulsi orizzontali possono provocare plasticizzazioni nella sovrastruttura e possono richiedere isolatori di dimensioni eccessive Elevati valori di αPGA possono produrre notevoli variazioni dello sforzo assiale nei pilastri Elevati valori di αPGA possono causare la formazione di cerniere plastiche lungo la campata delle travi, soprattutto ai piani più alti Elevati valori di αPGA ed effetti di “overturning” possono produrre indesiderati sforzi di trazione negli isolatori Effetto dei terremoti “near fault” (UNICAL) CONCLUSIONI: COMPONENTE VERTICALE DEI TERREMOTI “NEARFAULT” Può provocare, nelle strutture progettate per sole azioni sismiche orizzontali, richieste di duttilità crescenti all’aumentare di αK0, soprattutto in corrispondenza delle sezioni di estremità e di mezzeria dei piani più alti La sovrastruttura dovrebbe essere progettata tenendo conto della componente sismica verticale, specialmente per quanto riguarda le travi dei piani più alti, quando si assume un valore piuttosto alto di αK0 La componente verticale potrebbe essere trascurata se si assumesse un valore piuttosto basso di αK0; in tal caso la deformabilità verticale potrebbe essere eccessiva Gli isolatori possono essere soggetti a indesiderati sforzi di trazione Sforzi di trazione contrastabili ricorrendo all’utilizzo di catene Effetto dei terremoti “near fault” (UNICAL) CONCLUSIONI: COMPONENTE ORIZZONTALE DEI TERREMOTI “NEARFAULT” Può provocare inattese richieste di duttilità per le sezioni di estremità delle travi e dei pilastri, in corrispondenza dei piani più bassi Si può verificare la crisi del sistema di isolamento per raggiungimento del valore limite della deformazione di taglio totale o di quella dovuta allo spostamento sismico orizzontale Per limitare tali deformazioni si può ricorrere a differenti tipologie di isolatori o a dispositivi aggiuntivi E’ comunque necessario adottare spettri di progetto che mettano in conto anche gli effetti della distanza delle strutture dalle aree epicentrali Resistenza sismica edifici monumentali (UNINA_DL) ATTIVITA’: Isolamento sismico di edifici monumentali a pianta basilicale Modellazione ed analisi di 10 casi di studio: Macroelementi CLASSE TIPOLOGIA 1 MACROELEMENTO ABSIDALE 2 1° ARCO TRIONFALE 3 2° ARCO TRIONFALE 4 SEZ. TRASV. SULLA NAVATA 5 FACCIATA 6 PROSP. LONG. ESTERNO 7 ARCATA LONG. INTERNA 8 ULTERIORE ARCATA LONG. SGM SGMR A T1 T1 SPM A T2 T4 L1-L6 L2-L5 T8 L1-L6 T5 T4 L1-L4 L3 L3-L4 L2 L3-L4 T4-T7 T8 T7 T8 L1- L4 L2-L5 T3-T6 T6 T7 L2-L3 L3-L4 SMM T1 L1 L6 L2-L5 SMD T2 T4-T7 T11 L1-L6 SGO T1 A T3-T6 T6 T8 SBM T5-T10 T5 T7 SAZ T3 T4 T3-T6 SMV T1 T2 T2 T3 T2 SI L1 L4 L2-L3 Resistenza sismica edifici monumentali (UNINA_DL) ATTIVITA’: Analisi semplificata per individuazione meccanismo di collasso nel piano di macroelementi 30% f=(Afori/Atot)macro β= Wcop Wmuro De Luca et al.’05 = 0.15 F / Wtot = 1 ⎡ (1 − ξ) ⋅ ξ ⎤ ⎡ (2 + β) ⎤ ⋅ (1 − 0.5 ⋅ ξ) ⋅⎢ ⋅ 2 ⋅ h / b ⎣ 2 ⋅ f ⎥⎦ ⎢⎣ (1 + β) ⎥⎦ β= 25% Meccanismo di collasso “a telaio” (macroelementi con grandi aperture) 20% Wcop Wmuro ; f = (Afori / Atot )macro; ξ = bo b Wcop F 15% t Wmuro Meccanismo di collasso a prexflex/ribaltamento o taglio (macroelementi con piccole percentuali di foratura) 10% 5% h ho bc bo b 0% 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 ξ=bo/b bc Resistenza sismica edifici monumentali (UNINA_DL) ATTIVITA’: Percentuali di foratura e meccanismi di collasso per le diverse classi di macroelementi 40% f=(Afori/Atot)macro 35% Classe 2 = 1° arco trionfale 30% Meccanismo di collasso a portale 25% 20% 15% 10% 5% ξ=bo/b 0% 0 40% 0.2 0.4 0.6 0.8 1 f=(Afori/Atot)macro 35% Classe 5 = facciata 30% Meccanismo di collasso a taglio 25% 20% 15% 10% 5% ξ=bo/b 0% 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Progetto ed analisi numeriche su ponti isolati (UNIBAS) LSB SHD f SMAD f d LDRI f d ADRI f d LRI f f d d d (a) Steel Hysteretic Device (b) μr W =Fr (c) Δy Δy Δ μ = Δ/Δy r = k2/k1 Δ μ = Δ/Δy (d) (e) k1 (f) ξv Δ Δ IS elements design parameters LSB+SHD a+c μr, μ, r LSB+LDRI a+d+e μr, ξv LSB+SMAD a+f μr, μ, β, r LSB+LRI a+b+d+e μr, μ, ξv, α (=k0/k1) LSB+ADRI a+d+e μr, ξv F1 F2 k1 , Δmax , Fmax lead ISOLATOR IS c K(v), EPJP μ PIER P Continuous and multi-span regular bridges with single shaft piers having same height and same cross section k2 unknown Mm D HP k1 Δ β=F1/F2 r = k2/k1 Lead Rubber Isolator Deck DECK k1k2 k0 Δ Added Damping Rubber Isolator Low Damping Rubber Isolator SMA - Device Assumptions Lubricated Sliding Bearings fluid hole SMA Coupling offered by the deck neglected Effect of different soil conditions neglected Effect of non-synchronous motions neglected Applicazione isolamento + dissipazione alla base (UNIUD) - Applicazione dell’isolamento con dissipazione alla base mediante dispositivi fluido-viscosi pressurizzati. - Analisi della risposta sotto accelerogrammi reali “near-fault” dell’edificio sede della Fratellanza Popolare di Grassina (Firenze), recentemente inaugurato. - Dettagliata descrizione del percorso progettuale e costruttivo dell’edificio, ai fini della redazione del manuale ad uso dei progettisti. Applicazioni a solai isolati alla base (UNIUD) - Altri sistemi d’isolamento alla base Studio analitico e progettuale di un solaio isolato alla base all’interno del castello di Prampero (UD), nell’ipotesi di ricostruzione e destinazione ad uso museale del corpo centrale distrutto dal terremoto del 1976 Acceleration [m/s2] 10 PGA = 0.42 g X direction Statue 5 0 -5 Fixed Base Base Isolated -10 0 5 10 15 20 25 30 Time [s] Sorace, S., Terenzi, G. (2008). Redesign of a historical masonry stronghold incorporating a base isolated floor, Proc. of the 14th International Brick & Block Masonry Conference, Sydney, Australia, University of Newcastle Press, Australia, 2008, paper N. 148, CD-ROM. Isolamento sismico di un edificio di culto (UNINA_Se) ISOLAMENTO SISMICO SANTUARIO SIRACUSA sms/e-mail alarms towards DIST and Dept. of Civil Protection Dynamic acquisition system automatic transfer of the data when a threshold is exceeded ftp area Dept. of Civil Protection adsl Server for management of dynamic system adsl automatic transfer of the data when a threshold is exceeded ftp area Dept. of Structural Engineering (DIST) Univ. of Napoli Federico II TASK 2 – L7 SG2 Dissipazione di energia Sviluppo di metodologie di progetto (UNIBAS+UNICAL+UNIBO+UNINA_Se+UNIUD+UNICAM) la nostra procedura: η RIDUZIONE DELLA RISPOSTA SISMICA (es. –30% η = 0.7) • STEP 1 … • STEP 2 … • STEP 3 … • STEP 4 … • STEP 5 … cNL , α , koil CARATTERISTICHE MECCANICHE DEGLI SMORZATORI COMMERCIALI koil c ,α cNL x,v F F = koil ⋅ sign ( x ) ⋅ x = cNL ⋅ sign ( v ) ⋅ v la pratica più diffusa: cNL*, α*, koil* CARATTERISTICHE MECCANICHE DEGLI SMORZATORI COMMERCIALI DI TENTATIVO η SOFISTICATE ANALISI STRUTTURALI ITERAZIONI SUCCESSIVE RIDUZIONE DELLA RISPOSTA SISMICA 27 α Sviluppo di una metodologia di progetto (UNICAL) PROCEDURA DI PROGETTO PROPOSTA (dissipatori isteretici o viscoelastici) PASSO 1a : ANALISI STATICA NON LINEARE DEL TELAIO E SCHEMATIZZAZIONE DELLA CURVA TAGLIO-SPOSTAMENTO PASSO 1b : SISTEMA A 1 G.D.L. EQUIVALENTE ALLA STRUTTURA PASSO 2 : RELAZIONE ξee-μ PER UN LEGAME BILINEARE (Smorz. equiv. telaio) PASSO 3 : SMORZAMENTO VISCOSO DEL CONTROVENTO DISSIPATIVO (DB) di tentativo (assegnato Kee(DB) T11) EQUIVALENTE, ξDB DB PASSO 4 : PERIODO DI VIBRAZIONE EFFICACE DELLA STRUTTURA CON CONTROVENTI DISSIPATIVI (DBF) (controllo del valore di tentativo ed eventuale iterazione: PASSI 2, 3) PASSO 5a : RIGIDEZZA EFFICACE DEL CONTROVENTO DISSIPATIVO EQUIVALENTE PASSO 5b : PROPRIETÀ DI RESISTENZA DEL CONTROVENTO DISSIPATIVO EQUIVALENTE - Dissipatore isteretico (YL) PASSO 6 : DIMENSIONAMENTO DEI CONTROVENTI DISSIPATIVI (Dissipatori VE) Sviluppo di una metodologia di progetto (UNICAM) HDR BRB 1) Criterio di progetto per i singoli componenti del controvento dimensionamento dispositivi (HDR o BRB) e braccio di collegamento 2) Criterio di distribuzione in altezza delle caratteristiche del controvento 3) Dimensionamento del controvento STEP1 Valutazione della capacità della struttura esistente (sistema 1-GDL equivalente) STEP2 Definizione del sistema accoppiato 1-GDL equivalente in accordo con la domanda (taglio e rigidezza alla base del controvento) STEP3 Distribuzione in altezza del taglio e della rigidezza alla base ottenute nello step 2 STEP4 Distribuzione in pianta e dimensionamento dei componenti di ciascun controvento Sviluppo di una metodologia di progetto (UNIBO) 1. Identificazione (sulla base della riduzione della risposta prescelta) del rapporto di smorzamento di target che si vuole attribuire al sistema η ξ 2. Identificazione delle caratteristiche “lineari” (F = cLv e fluido incompressibile) degli smorzatori viscosi = dimensionamento preliminare degli smorzatori ξ cL 3. Sviluppo di una serie di analisi dinamiche preliminari (“lineari”) della struttura equipaggiata con gli smorzatori viscosi identificati allo Step 2 4. Passaggio dagli smorzatori lineari agli smorzatori non-lineari “equivalenti”: identificazione di un sistema di smorzatori viscosi “commerciali” (caratterizzati da una relazione forza-velocità nonlineare, assumendo tipicamente F = cNLvα, e considerando l’effettiva compressibilità del fluido) in grado di portare le azioni negli elementi strutturali a valori paragonabili a quelli ottenuti con le analisi dinamiche lineari dello Step 3 5. Sviluppo di una serie di analisi dinamiche definitive (“nonlineari”) della struttura equipaggiata con gli smorzatori viscosi identificati allo Step 4 α =1 ANALISI cL ⎧cNL ⎪ ⎨α ⎪ ⎩ koil ANALISI α <1 Progetto dei controventi dissipativi (UNIUD) Applicazione dimostrativa a casi di studio simulati (1) adeguamento sismico di un edificio pre-normativo ad uso scolastico, con struttura in acciaio, sito in Firenze; Sorace, S., Terenzi, G. (2007). “Retrofit hypotheses of a pre-normative steel school building by fluid-viscous damper-based technologies”. Proc., 6th International Conference on Steel & Aluminum Structures ICSAS 07, Oxford, UK, Nuffield Press, Abingdon, 196-203. 4 4 DB-R DB-R 3 2 Story Story 3 Original 2 Original 1 1 SE – X direction 0 0 10 20 30 40 50 60 Interstory Drift [mm] Y 70 BDE – X direction 80 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Interstory Drift [mm] X (2) adeguamento sismico di un edificio con piano “pilotis” ad uso di civile abitazione, con struttura in cemento armato, sito in Udine; (3) realizzazione di un nuovo edificio ad uso scolastico, con struttura in acciaio, sito in Firenze. Progetto sistema a cavi smorzanti (UNIUD) Deviatore Energia dissipata F F Cavo Pre-carico Percorso statico Dissipatore d Passo 1 – Parametri da definire: K d2t , K ct , Acp Analisi modale di un singolo telaio ⇒ valutazione di T1s Wsm1 = α1 ⋅ W s ⇔ K sm1 = 4π 2 ⋅ Wsm1 T1s2 ⋅ g Si impone una prefissata riduzione β di T1s: T t 1sdc ⇒ K t, h dc 4π 2 ⋅ Wsm1 − K sm1 = 2 g (β ⋅ T1s ) Wsm1 = β ⋅ T1s = 2π g ( K sm1 + K dct, h ) K dct,h Con riferimento ad una configurazione diagonale del cavo: K = cosγ diag t dc ed assumendo: 1 1 1 + = K d2t K ct K dct ⇒ K d2t = K ct = 2 K dct ; Acp K ct ⋅ Lt = Es γi γdiag Progetto sistema a cavi smorzanti (UNIUD) Applicazione dimostrativa a casi di studio (1) adeguamento sismico dell’edificio di cui al precedente punto (a2), (a2) in alternativa alla soluzione a controventi dissipativi Sorace, S., Terenzi, G. (2007). “Retrofit hypotheses of a pre-normative steel school building by fluid-viscous damper-based technologies”. Proc., 6th International Conference on Steel & Aluminum Structures ICSAS 07, Oxford, UK, Nuffield Press, Abingdon, 196-203. 4 4 DC-R 3 2 Story Story 3 Original 1 DC-R 2 Original 1 BDE – X direction 0 0 20 40 60 SE – X direction 0 80 100 120 140 160 180 200 0 10 20 Interstory Drift [mm] Y X 40 50 60 70 80 X adeguamento sismico di un edificio ad uso ospedaliero, con struttura in cemento armato, sito a Latisana (UD), progettato in assenza di normative sismiche Sorace, S., Terenzi, G., Fadi, F. (2007). “Adeguamento sismico di edifici in cemento armato mediante il sistema a cavi smorzanti”. Atti del 12° Convegno Nazionale ANIDIS, Pisa, Articolo 145, CD-ROM. 4 3 FOC Piano FOCT SC 2 BFO 1 Pilastrata A20 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 SRN [%] DISPOSIZIONE FOC 6 BFO 5 4 FOC FOCT Piano (2) 30 Interstory Drift [mm] DISPOSIZIONE BFO 3 SC 2 1 0 Pilastrata C8 0 0.5 1 1.5 SRN [%] 2 2.5 3 Mitigazione degli effetti del martellamento (UNIUD) di-1,i di,i+1 si-1,i si,i+1 mi-1 Ki-1, ρKi-1 mi ci-1,i Molla elastica (lineare o non) Smorzatore viscoso (lineare o non) Ki, ρKi mi+1 ci,i+1 Ki-1, ρKi+1 Gap Ci-1 Ci Ci+1 Problema analitico mi u&&i + ci u&i + Ri − Fi −1,i + Fi,i +1 = −mi u&&g δ i = ui − ui +1 − d i,i +1 Condizione di martellamento δi > 0 δ i −1 ≤ 0 ⇒ F i −1,i= 0 δ i −1 > 0 ⇒ F i −1,i = si −1,i δ i −1 + ci −1,i δ& i −1 δ i ≤ 0 ⇒ F i,i +1= 0 δ i > 0 ⇒ F i,i +1= si,i +1δ i + ci,i +1δ& i Mitigazione degli effetti del martellamento (UNIUD) Mitigazione degli effetti del martellamento sismico Analisi di un nuovo caso di studio, con affinamento dei modelli teorico e computazionale interpretativi del contatto e delle procedure d’installazione dei dispositivi TASK 2 – L7 SG2 Dissipazione di energia ATTIVITA’ SPERIMENTALI Prove su “tavola vibrante” monodirezionale (UNIBAS) JETPACS (Joint Experimental Testing on Passive and semi-Active Control Systems) [attività congiunta UNIBAS, UNINA, UNIUD, UNICAL, UNIPARTH, UNIVAQ, POLIBA] Reaction Wall Additional Masses energy dissipation devices Dynamic Actuator profile rail guide Sperimentazione su un telaio in acciaio in scala 1:1,5 con diversi sistemi di dissipazione passiva e controllo semi-attivo e relativa modellazione numerica Prodotto: serie di rapporti ReLUIS-JETPACS Serie di rapporti ReLUIS-JETPACS Sviluppo tecnica “real time substructuring” (UNINA_Se) Collaborazione con BLADE - Univ. Bristol (UK) Fd Numerical Subsystem Hybrid Actual System Physical Subsystem Prove dinamiche telaio con dissipatori HDR (UNICAM) Configurazione di prova (1+1 HDR orizzontali) L1a L1b L1c SHA C1 RFF L2a L2b R C2 C2 Prove cicliche Prove di rilascio a diversi livelli di spostamento imposto 75 50 fo rz e (k N ) 25 0 -0,75 -0,5 -0,25 0 0,25 0,5 0,75 displacement (mm) 10 5 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 -5 -25 -50 spostamenti (cm) -10 time (s) 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Prove dinamiche telaio con dissipatori BRB (UNICAM) TELAIO COMPOSTO BRB – anima alluminio 40 30 Fcntrv (kN) 20 10 0 -15 -10 -5 -10 0 5 10 -20 -30 -40 sp diss_dx (mm) • Efficacia del sistema utilizzato per la connessione dei dispositivi al telaio • Elevata capacità dissipativa dei BRB anche per piccoli livelli di deformazione • Scarsa resistenza a fatica per spostamenti tipici dello stato limite ultimo (molto variabile da dispositivo a dispositivo) 15 TASK 1 e 2 – L7 SG3 Modellazione e sperimentazione dei dispositivi Analisi FEM influenza S1 e S2 su stato tensio-deformativo (UNINA_DL) Prima serie: Approfondire l’effetto del fattore di forma primario S1 a=240mm a=360 ts=2 ts=2 70 ti=10 ti=5 S2=4 S1=6 61 S1=18 a=300 a=360 ts=2 80,5 ti=6.25 S1=12 S2=8 ts=2 ti=3.75 S2=4.8 61 S1=24 S2=8 30 24 S1= 18 12 6 In totale 200 analisi a=450 ts=2 67 ti=3.75 S1=30 S2=10 Seconda serie: Approfondire l’effetto del fattore di forma secondario S2 6,15 5 S2= 4 2,96 2 1,51 S2=6,15 S2=5,00 S2=4,00 Ø400 S1=20 S2=2,96 S2=2,00 S2=1,51 Solo CV: confronto FEM vs. “pressure solution” (UNINA_DL) TENSIONI NORMALI 2 2 S1 = 6 pm = 15MPa 1.6 1.4 1.2 σ/pm 1 0.8 0.6 1.4 finite element σx σy σz 1.2 1 0.8 0.4 ti -0.2 -0.5 0.1 pressure solution finite element σx σy σz Pm Interfaccia acciaio-gomma y ti 0.4 +0.5 +0.5 D' 0.2 ti 0.2 x -0.5 D' 0 0.6 Interfaccia acciaio-gomma y ti 0 1.6 pressure solution Pm 0.2 S1 = 30 pm = 15MPa 1.8 σ/pm 1.8 0.3 0.4 x/D' -0.2 +0.5 0 +0.5 x -0.5 D' 0 0.5 -0.5 0.1 D' 0.2 0.3 0.4 x/D' 0.5 TENSIONI TANGENZIALI 0.7 Pm y ti ti -0.5 +0.5 -0.5 Pm y ti ti +0.5 x 0.5 D' -0.5 D' S1 = 30 pm = 15MPa Interfaccia acciaio-gomma 0.6 τxy [MPa] D' S1 = 6 pm = 15MPa Interfaccia acciaio-gomma +0.5 -0.5 +0.5 x D' τxy [MPa] 3.2 3 2.8 2.6 2.4 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.4 0.3 0.2 pressure solution F.E.M. 0.1 pressure solution F.E.M. 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 x/D' 0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 x/D' 0.5 CV + CO: deformazione a taglio nella gomma (UNINA_DL) 4 γd Pm γxy Interfaccia acciaio-gomma y ti ti -0.5 +0.5 -0.5 D' pm=6MPa γd=100% +0.5 x D' S1=6 S1=12 S1=18 S1=20 S1=24 S1=30 3 2 1 x/D' 0 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 - L’andamento delle deformazioni di taglio è irregolare per fattori di forma primario S1 bassi - L’andamento diviene più uniforme al crescere di S1 Realizzazione di grande attrezzatura sperimentale (BENECON) Telaio di contrasto dei carichi verticali (Fmax=4000 kN) 4 martinetti verticali da 1250 kN (5000 kN in tot.) corsa totale: 250 mm Tiranti/puntoni Æ sistema chiuso Mensola di contrasto (Fmax=3000 kN) Isolatori in prova accoppiati (φmax=800) 4m 3m Attuatore dinamico MTS orizzontale forza massima: 1000 kN corsa totale: 1000 mm (±500mm) 0.45 Hz a 500 mm 70 Hz a 1 mm 4.5m Sistema di sospensione Æ riduzione sollecitazioni su isolatori per peso attuatore Realizzazione di grande attrezzatura sperimentale (BENECON) Laboratorio ARS (Ambiente – Rappresentazione – Strutture) Centro di Competenza della Regione Campania BENECON a Frignano (CE) Configurazione 1 solo attuatore orizzontale Configurazione 2 attuatori orizzontali Realizzazione di grande attrezzatura sperimentale (UNIBAS) Progettazione e realizzazione di macchina di prova per l’esecuzione di test dinamici su dispositivi antisismici Prestazioni per prove dinamiche (su singolo dispositivo): - Forza taglio max = 1000 KN, Spostamento max = 1000 mm, Carico verticale max compressione = 8000 kN, Carico verticale max trazione = 1500 kN. Stabilità degli isolatori elastomerici non bullonati (UNINA_Se) Buckling (under load) and Roll-Out (maximum displacement that the bearing can sustain) P δ b-δ the balancing moment at the top and bottom of the bearing h FH FH O b change in the line of action of the resultant of the vertical load P The limit of the migration of the resultant is reached when the resultant is at the edge of the bearing, and the displacements beyond this will cause the isolator to roll Stabilità degli isolatori elastomerici non bullonati (UNINA_Se) for large load the instability is buckling and for small load the instability is roll-out 1.00 0.80 0.60 0.60 0.40 0.40 0.20 0.20 0.00 0.00 δr /b & δb /b δb /φ & δr /φ 0.80 1.00 w 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 circular bearing 0.00 0.00 w 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 square bearing Application to Armenia Design Strategy 5 Small Bearings 1 Big Bearing both alternatives are stable at the design displacement of 250 mm but the safety factor is much large for the single bearing Sviluppo di un dissipatore in acciaio ed alluminio (POLIBA) • Pannello costituito da un piatto centrale in alluminio e da due piatti laterali in acciaio • I piatti in acciaio conferiscono al dissipatore la necessaria rigidezza e resistenza ed evitano fenomeni di instabilità; l’alluminio dissipa energia • Aperture nei piatti in acciaio da cui emerge alluminio per pochi millimetri Questa soluzione contribuisce a prevenire fenomeni di slittamento fra i piatti che compongono il dissipatore TASK 3 – L7 SG4 Sistemi TMD/TLD passivi Contributo POLITO Sistemi a masse accordate Wind Approssimando … Parametri di controllo: Earthquake m μ= ms ω r= ωs c ζ = 2mω 1.0 0.8 Ottimizzazione: 1 TMD 'intonato' Optimum TMD 1 TMD 'stonato' “Mistuned” TMD 0.6 |Hxs| fissato μ , si ricercano r e ζ che minimizzano l’amplificazione dinamica (tuning) 0 TMD Uncontrolled ζs = 2% μ = 1% 0.4 0.2 0.0 0.8 0.9 1.0 r 1.1 1.2 Contributo POLITO TMD sismici: letteratura scientifica Efficacia controversa: ¾ Gupta & Chandrasekaren (1969): scarsa efficacia al sisma rispetto alla H∞ performance ¾ Wirshing & Campbell (1974): buon controllo del modo fondamentale di telai multipiano soggetti ad accelerazioni non stazionarie del supporto ¾ Ohno (1977): ottimizzazione di TMD in norma H2 ¾ Jagadish (1979): piano sacrificale elasto-plastico (richiesta di duttilità dimezzata) ¾ Kaynia & Veneziano (1982): scarso controllo del modo fondamentale a fronte di 48 sismi ¾ Sladek & Klinger (1983): TMD ottimo (Den Hartog) inefficace per edificio di 25 piani sotto El Centro ¾ Chowdhury and Iwuchukwu (1987): TMD accordato al 1° modo può amplificare la risposta sismica ¾ Clark (1988): TMD multipli su piani diversi e accordati a diversi modi possono essere efficaci al sisma ¾ Miyama (1992): piccola massa (2%) inefficace al sisma ¾ Villaverde et al. (1985, 1993, 1994, 1995): ottimizzato secondo un criterio innovativo (iso-smorzamento dei modi accoppiati), TMD di piccola massa efficace al sisma di Città del Messico ¾ Bernal (1996) e Jara (1996): efficacia di TMD su edifici anelastici sotto il sisma di Città del Messico ¾ Sadek et al. (1997): migliorato il criterio di ottimo enunciato da Villaverde ¾ Soto-Brito & Ruiz (1997): efficacia sismica annullata sotto sismi intensi per strutture anelastiche ¾ Chen & Wu (2001): procedura sequenziale per TMD multipli; efficacia ridotta per sismi impulsivi ¾ Lukkunaprasit and Wanitkorkul (2001): efficacia di TMD su struttura elasto-plastica per sismi modesti ¾ Pinkaew et al. (2003): TMD su struttura anelastica efficace nel ridurre fatica oligociclica più che il picco ¾ Hoang et al. (2007): TMD sismico efficace e robusto purché il rapporto di massa sia elevato Contributo POLITO Alcune prime conclusioni … Un controllo a masse accordate può essere sismicamente efficace solo se dotato di un grande rapporto di massa (μ). TLD meno indicati di TMD. Anche con grandi μ, la riduzione di risposta sismica potrà attestarsi nell’intorno del 50%. Raffrontato all’isolamento o alla dissipazione di energia, più performanti, un sistema a TMD diventa competitivo se meno oneroso, ad esempio ove: meno invasivo nel miglioramento/adeguamento di edifici esistenti e/o la massa da accordare sia già disponibile sulla struttura Contributo POLITO Proposta: TMD a massa incerta Conseguire elevati rapporti di massa usando masse già presenti sull’edificio con funzione non strutturale: impianti, serbatoi, … … giardini pensili! Contributo POLITO Proposta: TMD a massa incerta Benefici privati del giardino pensile: ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ Risparmio energetico Protezione manto copertura Fono-isolamento Agricoltura urbana Estetica Contributo POLITO Proposta: TMD a massa incerta Roof-garden TMD: protezione strutturale ed ambientale Sconnessione ed accordatura: MUTMD (mass-uncertain TMD) Contributo POLITO Proposta: TMD a massa incerta Roof-garden TMD: protezione strutturale ed ambientale ma = ma0 · (1+δ) Una variazione di massa per un oscillatore implica una perdita del tuning ottimo: il conseguente degrado di performance è accettabilmente limitato? Contributo POLITO TMD a massa incerta: conclusioni Controllo sismico a masse accordate: innegabili limitazioni rispetto a sistemi più consolidati (isolamento e dissipazione di energia). Infatti, no applicazioni, no normative. Un elevato rapporto di massa rende tuttavia un TMD appetibile (efficacia soddisfacente, robustezza inattesa Æ adattativo lento non necessario). Masse dotate di funzione autonoma non strutturale possono fornire il rapporto richiesto, traducendosi vantaggiosamente in TMD a basso costo. Ne risulta una strategia forse meno prestante di altre ma semplice e poco invasiva, potenzialmente indicata nel retrofitting dell’esistente. Strategia di controllo BI&TMD (UNISA) Come noto, l’isolamento alla base è una strategia di controllo poco robusta rispetto alle caratteristiche dell’eccitazione in ingresso La ricerca propone un sistema di controllo innovativo ottenuto combinando Isolamento alla Base (BI) e Smorzamento di massa (TMD) TMD Base isolation In tale strategia l’isolamento protegge la sovrastruttura agendo da filtro passa-basso sull’eccitazione in ingresso ed è a sua volta controllato dallo smorzamento di massa che agisce in maniera selettiva sulla frequenza propria del sistema isolato structure Ug(s) + Il BI&TMD si configura come un controllo in retroazione a catena chiusa [Palazzo, Petti 1994] - Ub(s) Hb(s) α(s) − μ ⋅ s2 2ξ isωis s + ωis2 TMD G(s) UNISA Robustezza ed efficacia BI&TMD (UNISA) L’Unità E5 si è occupata di valutare l’efficacia e la robustezza del sistema combinato BI&TMD La strategia di controllo sismico proposta si è dimostrata particolarmente robusta nei confronti delle proprietà delle eccitazioni in ingresso Rispetto ai fenomeni di mistuning, lo studio ha evidenziato che variazioni del 30% dei parametri di accordo dei TMDs determinano peggioramenti della risposta sismica complessiva non superiori al 30% UNISA Caso dei sistemi isolati asimmetrici (UNISA) Altro obiettivo dello studio è quello di indagare la possibilità di limitare gli effetti latero-torsionali in sistemi asimmetrici mediante l’impiego di un singolo dispositivo TMD (STMD) opportunamente progettato TMD In tale ambito sono state proposte formule di progetto la cui verifica ha evidenziato una riduzione della risposta sismica massima del sistema asimmetrico fino al 60% Rapporto tra la massima risposta controllata e non al variare di eccentricità, periodo e massa del STMD UNISA m1 BI&TMD: sperimentazione su modello in piccola scala (UNISA) Base isolated system: pinned TMD vs. working TMD Input sismico: Belgrade0196_Y Diapositiva 65 m1 In this slide two video are reported to show the difference between the dynamic response of the BI system with or without (pinned) TMD. The seismic input is Belgrado earthquake component 0196_X, that's one of the worst excitation for BI system within the considered set of recorded signal. In the first case (pinned TMD), the isolation exceeds the displacement limit represented by the dynamometers capacity (dynamometers detach from base plate during the simulation). In the other case (working TMD), this limit is not overcome and the combined system properly works since the end of the input signal. massimiliano; 17/09/2008 TASK 4 – L7 SG5 Sistemi semi-attivi Realizzazione sistema di prova su dispositivi (UNINA) Sistema di prova per dispositivi passivi e semi-attivi [progettazione congiunta UNINA e UNIPARTH] Telaio autoequilibrato (attuatore ITALSIGMA: 122 t in trazione e 45 t in compressione) - consente corsa massima di 250 mm e frequenza massima di 5 Hz Realizzazione sistema di prova su dispositivi (UNINA) Sistema di prova per dispositivi passivi e semi-attivi [progettazione congiunta UNINA e UNIPARTH] Strumentazione per prove su dispositivi semi-attivi Software LabView Real Time Alimentatori Kepco da 200 Watt a 4 quadranti Gruppo di acquisizioneprocessingcontrollo in real time National Instruments Attrezzatura di acquisizione, processing ed attuazione dei segnali di controllo in real time (tempo complessivo di elaborazione < 1 ms) Caratterizzazione smorzatori MR semiattivi (UNIPARTH) F [kN] current Dissipatori magnetoreologici (MR): comportamento meccanico x [mm] 3 60 2 40 τe=2 ms Prontezza controllo semiattivo via MRD 0 5000 20 5050 5100 5150 5200 5250 5300 5350 5400 5450 -1 τm=6 ms -20 -2 command signal Vcom [V] current i [A] displacement x [mm] force F [kN] voltage V [V] -40 -3 -60 time [ms] 3 60 τe=217 ms 2 0 5000 -1 (Es. legge armonica di spostamento f=1.5Hz, x0=20mm, i=1A) 40 1 Vcom [V], i[A] Controllo in tensione 0 5500 -2 20 5050 5100 5150 5200 5250 τm=11 ms 5300 5350 5400 5450 0 5500 -20 command signal Vcom [V] current i [A] displacement x [mm] force F [kN] voltage V [V] -40 -3 -60 time [ms] F [kN], x[mm], V [V] Controllo in corrente Vcom [V], i[A] 1 F [kN], x[mm], V [V] Caratterizzazione smorzatori MR semiattivi (UNIPARTH) Caratterizzazione smorzatori MR semiattivi (UNIPARTH) Prontezza dispositivo: potenza necessaria per controllo corrente 3 53 V 60 55 W 1A Vcom [V], i[A] 1 0 5090 5100 5110 20 5120 5140 -20 -1 -2 5130 0 5150 -40 current i [A] voltage V [V] power W [W] -60 -3 time [ms] F [kN], x[mm], V [V] 40 2 Simulazione telaio JETPACS con controllo semiattivo (UNIVAQ) EQUATION of the THREE-DIMENSIONAL MOTION with CONTROL ACTION Control force Control force Damper force Progetto della strategia di controllo semiattivo (UNIVAQ) D2-Y D2-X φt3 ut2 ut1 A2-Y A2-X D1-Y D1-X φb3 Fd2 ub2 Embedded program ub1 A1-Y A1-X Fd1 IN üg IN DO O-X x̂ fdopt = Gxˆ fdopt Vd2 OUT dSPACE COC Vd1 CONFIGURAZIONE DI CONTROLLO “NON-COLLOCATA” CON RETROAZIONE IN ACCELERAZIONI PER DISPOSITIVI SEMI-ATTIVI Progetto dell’algoritmo di controllo semiattivo (UNIVAQ) EQUAZIONI DEL MOTO DEL SISTEMA CON CONTROLLO SEMI-ATTIVO Control force Vettore forza Forza damper EQUAZIONI DEL MOTO DEL SISTEMA CON CONTROLLO ATTIVO OTTIMO H2/LQG Sistema con controllo attivo Osservatore ⎧⎪ x& = Ax + Bu c + E&x&g ⎨ ⎪⎩ y = Cx + Du c + F&x&g x&ˆ = Axˆ + Bu c + L( yˆ − y ) u c = Gxˆ = Fcopt CLIPPED OPTIMAL CONTROL Vdi = Vmax H[ ( Fciopt - Fci ) Fci ] Simulazione telaio JETPACS con controllo semiattivo (UNIVAQ) SEMIACTIVE CONTROL OF THE SEISMIC RESPONSE – FULL STATE FEEDBACK CASE A: SYMMETRIC structure Natural accelerograms Three-dimensional motion Different damper engagement Response to Earthquake 7 Grazie per l’attenzione!