G. Serino

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G. Serino

RETE DEI LABORATORI UNIVERSITARI DI
INGEGNERIA SISMICA
2° Workshop di Coordinamento
Progetto ReLUIS - DPC 2010-2013
Bologna, 10-11 Settembre 2012
Nuovo Progetto Esecutivo Reluis-DPC 2010-2013
AT-2 – Innovazioni normative e tecnologiche in ingegneria sismica
LINEA 2.3.2 – Sviluppo ed analisi di nuove
tecnologie per l’adeguamento sismico
Coordinatori: G. Serino – D. Cardone
INGEGNERIA SISMICA
Progetto ReLUIS-DPC 2010-13 - 2° Workshop Coordinamento: Bologna, 10-11/09/2012
LINEA 2.3.2 – Sviluppo ed analisi di nuove tecnologie per l’adeguamento sismico
UNITA’ PARTECIPANTI
- UNINA_Se (Coordinatore: G. Serino)
- UNIBAS (Coordinatore: D. Cardone)
- UNINA_DL (Coordinatore: A. De Luca)
- UNIPG (Coordinatore: M. Mezzi)
- UNICAL (Coordinatore: A. Vulcano)
- UNIUD (Coordinatore: S. Sorace)
- UNISA (Coordinatore: B. Palazzo)
- UNICAM (Coordinatore: A. Dall’Asta)
- UNIBO (Coordinatore: T. Trombetti)
- POLIBA (Coordinatore: D. Foti)
- POLIMI (Coordinatore: C. Poggi)
- UNIPARTH (Coordinatore: A. Occhiuzzi)
- UNIVAQ (Coordinatore: V. Gattulli)
INGEGNERIA SISMICA
OBIETTIVO COMPLESSIVO DELLA LINEA DI RICERCA
Le attività previste sono tutte finalizzate alla effettiva diffusione e corretta
applicazione delle tecniche di protezione sismica basate sull’inserimento
all’interno dell’organismo strutturale di dispositivi (isolatori e/o dissipatori,
anche
“intelligenti”)
appositamente
progettati.
Tale
esigenza
nasce
dall’esperienza sul campo acquisita dai partecipanti alla ricerca e dalle
richieste provenienti dal mondo professionale, con l’obiettivo, perfettamente
coerente con le finalità della Protezione Civile, di pervenire ad una reale,
significativa riduzione del rischio sismico del costruito nel nostro Paese.
INGEGNERIA SISMICA
ORGANIZZAZIONE ED OBIETTIVI DELLA LINEA DI RICERCA
ATTIVITA’ 1 – Adeguamento e miglioramento sismico delle costruzioni esistente
tramite isolamento sismico, incluso pile da ponte con isolamento
sismico (coord.: A. De Luca, D. Cardone)
ATTIVITA’ 2 – Sviluppo di nuovi dispositivi di isolamento, anche a basso costo
(coord.: M. Spizzuoco, D. Foti)
ATTIVITA’ 4 – Manuale con linee guida per la progettazione dei sistemi dissipativi
di tipo passivo (coord.: V. Gattulli, S. Sorace)
ATTIVITA’ 5 – Integrazione fra i sistemi di controllo semi-attivo e quelli di
monitoraggio ed Early Warning (coord.: A. Occhiuzzi, F. Ponzo)
N.B. L’Attività originariamente indicata come 3 (Pile da ponte con isolamento sismico) è stata inglobata nell’Attività 1
INGEGNERIA SISMICA
E04_UNISA
X
X
X
ATTIVITA' 2 - Sviluppo di nuovi dispositivi di
isolamento, anche a basso costo
X
X
X
X
ATTIVITA' 3 - Pile da ponte con isolamento sismico
X
X
X
ATTIVITA' 4 - Manuale con linee guida per la
progettazione dei sistemi dissipativi di tipo passivo
X
X
ATTIVITA' 5 - Integrazione fra i sistemi di controllo semiattivo e quelli di monitioraggio ed early warning
X
x
X
X
X
X
X
X
X
X
X
E10_UNIAQ
E03_UNIUD
X
E09_UNIPARTH
E02_UNICAL
X
E08_POLIMI
E01_UNIPG
X
E07_POLIBA
R03_UNINA_DL
X
E06_UNIBO
R02_UNIBAS
ATTIVITA' 1 - Adeguamento e miglioramento sismico
delle costruzioni esistenti tramite isolamento sismico
(include pile da ponte con isolamento sismico)
ATTIVITA'
E05_UNICAM
R01_UNINA_SE
PARTECIPAZIONE DELLE SINGOLE UR ALLE DIVERSE ATTIVITA’
x
X
DE LUCA /
CARDONE
SPIZZUOCO /
FOTI
X
X
X
RESPONSABILE
ATTIVITA'
?
X
X
GATTULLI /
SORACE
X
X
OCCHIUZZI /
PONZO
INGEGNERIA SISMICA
STATO DI AVANZAMENTO DEL PROGETTO – ATTIVITA’ 1
Adeguamento e miglioramento sismico delle costruzioni esistenti tramite
isolamento sismico, incluso pile da ponte con isolamento sismico
•aspetti operativi relativi all’inserimento di isolatori alla base di edifici
esistenti in muratura (applicazioni a casi di studio) e valutazione costi
•valutazione del comportamento inelastico di strutture a telaio in c.a. esistenti
adeguate con isolamento alla base (influenza delle tamponature)
•studio teorico del comportamento dinamico di strutture isolate nello spazio
degli stati (trattazione esatta dello smorzamento non classico)
•progetto JETBIS: predisposizione del modello fisico sperimentale (edificio
monopiano in acciaio isolato alla base con diversi dispositivi di isolamento
analizzati nel Task) e definizione del programma di prove su tavola vibrante
•valutazione vantaggi (rapporto costi/benefici) dell’isolamento sismico di
impalcati da ponte esistenti e di nuova costruzione
INGEGNERIA SISMICA
ATTIVITA’ 1 – Isolamento sismico
ASPETTI OPERATIVI RELATIVI ALL’INSERIMENTO DI
ISOLATORI ALLA BASE DI EDIFICI ESISTENTI IN
MURATURA (APPLICAZIONI A CASI DI STUDIO) E
VALUTAZIONE COSTI
Caso di studio: inserimento isolatori alla base di edificio esistente
Stato attuale :
Vita residua stimata : 4 anni
Vita utile stimata : 38 anni
Task 2.3.2 E1-UNIPG Università di Perugia - Marco MEZZI
Obiettivo :
Protezione integrale
Vantaggio economico
8
Principi di dislocazione dei
dispositivi
9
Procedure di taglio delle murature
Problema : disconnessione e
rimozione di porzioni di muratura
Materiale : muratura / c.a.
Tecniche e macchinari più
idonei per effettuare il taglio
10
Procedure di soluzione in corrispondenza
dei sistemi di comunicazione verticali
(scale /ascensori)
11
Soluzioni per
Accessibilità - Passaggi H/V - Livello ispettivo
passo d'uomo
livello ispettivo
Cunicolo ispettivo
12
Sequenza della procedura di intervento
Fasi operative
Soluzioni alternative
13
Caso reale. Edificio storico - L'Aquila centro storico
~47 m
Dimensioni rilevanti
Importanza storica
nucleo originario del '300
ristrutturazione nella forma attuale del '700
Perimetralmente isolato
~20 m
Convenzioni in corso di perfezionamento anche su altri edifici
Casi reali = Progetto esecutivo = Fattibilità "reale"
Edificio storico. Aspetti esecutivi
Analisi → Criticità
Soluzioni
Fattibilità
=
Cantierizzazione
INGEGNERIA SISMICA
VALUTAZIONE DEL COMPORTAMENTO INELASTICO DI
STRUTTURE A TELAIO IN C.A. ESISTENTI ADEGUATE
CON ISOLAMENTO ALLA BASE (INFLUENZA DELLE
TAMPONATURE)
Di.S.G.G., Università della Basilicata, Potenza
ISOLAMENTO SISMICO COME INTERVENTO DI MIGLIORAMENTO
In presenza di edifici esistenti è sempre possibile, almeno in linea teorica,
conseguire l’adeguamento sismico dell’edificio garantendo un comportamento
elastico della sovrastruttura
Fiso<Fes
Fis
CRITICITA’ DELL’ADEGUAMENTO CON IS
1) richiesta di Dis non compatibile con
(i) caratteristiche tecnologiche degli IS;
(ii)
possibili
martellamenti
con
edifici
adiacenti
2) necessità di diffusi rafforzamenti locali
(FRP, DIS CAM, incamiciature, ecc…)
Fes
Dis
Si possono accettare plasticizzazioni in sovrastrutture
isolate sismicamente ?
Esaminare la risposta anelastica di edifici
isolati sismicamente
Edificio tipo anni ‘70 considerato nelle analisi
Esistenza di una direzione forte e debole
Non tamponato
Tamponato
Pushover in
direzione debole
Pushover in
direzione forte
Risultati dir. debole: Influenza delle tamponature
Infilled frame building
Bare frame building
EDIFICIO A 4 PIANI (α = 10%) DOTATO DI DIFFERENTI TIPI DI IS
5.00
5.00
5.00
4.50
4.50
4.50
4.00
4.00
4.00
3.00
3.50
HDRB (ξeq≈15%)
3.00
3.50
μd
LRB (ξeq≈20%)
μd
μd
3.50
3.00
2.50
2.50
2.50
2.00
2.00
2.00
1.50
1.50
1.50
1.00
1.00
1.00
60 65 70 75 80 85 90 95 100
β (%)
60 65 70 75 80 85 90 95 100
β (%)
FPS (ξeq≈10%)
60 65 70 75 80 85 90 95 100
β (%)
EDIFICI DA 2 A 8 PIANI (α = 10%) DOTATO DI LRB
INGEGNERIA SISMICA
STUDIO TEORICO DEL COMPORTAMENTO DINAMICO DI
STRUTTURE ISOLATE NELLO SPAZIO DEGLI STATI
(TRATTAZIONE ESATTA DELLO SMORZAMENTO NON
CLASSICO)
DESCRIZIONE DEL PROBLEMA
m = massa della sovrastruttura
mb = massa al piano di isolamento
ks,kb = rigidezze sovr. e p.d.i.
cs,cb = smorz. sovr. e p.d.i.
us,ub = spostamenti assoluti sovr. e p.d.i.
ug = spostamento al suolo
vb = ub-ug = spostamento relativo p.d.i.
vs = us-ub = spostamento relativo sovr.
+
Università degli Studi di Salerno
+
=-
ωs2 =
ks
m
⎛T ⎞
ω
ε=
= ⎜⎜ s ⎟⎟
ω
⎝ Tb ⎠
ω2b =
kb
M
γ=
2
b
2
s
m
m
=
m + mb M
Per un sistema sottosmorzato (opere civili), si ottengono 2N autovalori λ complessi
sotto forma di coppie coniugate, detti poli del sistema, che sono del tipo:
A tali autovalori corrispondono coppie di autovettori coniugati del tipo:
2
γ = 0.1
QUALCHE RISULTATO
Frequencies associated with the first and second
modal shapes evaluated for γ = 0.1
Modules of modal participation factors associated
with the two modal shapes evaluated for γ = 0.1
INGEGNERIA SISMICA
PROGETTO JETBIS: PREDISPOSIZIONE DEL MODELLO
FISICO SPERIMENTALE (EDIFICIO MONOPIANO IN
ACCIAIO ISOLATO ALLA BASE CON DIVERSI
DISPOSITIVI DI ISOLAMENTO ANALIZZATI NEL TASK) E
DEFINIZIONE DEL PROGRAMMA DI PROVE SU TAVOLA
VIBRANTE
JETBIS: Joint Experimental Testing on Base Isolation Systems
Attività comune di Laboratorio: Prove sperimentali su modello di edificio
isolato mediante differenti isolatori analizzati nell’ambito del Progetto,
utilizzando la tavola vibrante del Laboratorio del Dipartimento di
Ingegneria Strutturale (DIS) dell’Univ. degli Studi di Napoli Federico II.
¾ tavola a pianta quadrata di lato 3 m
¾ spostamento totale = 500 mm
¾ Accelerazione max=1g
a pieno carico
¾ carico utile max = 200 kN
¾ velocità max = 1 m/s
¾ frequenza = 0 ÷ 50 Hz
¾ M rib. max=120tm
¾ 6 gruppi motopompa = 1200 l/min
P.E. 2010-2013 – Task 2.3.2 - Sviluppo ed analisi di nuove tecnologie per l’adeguamento sismico
TELAIO “DEFORMABILE”
¾ i 4 pilastri sono alti 2.9m
¾ i pilastri hanno sezione
scatolare 150mm × 150mm
× 15mm, ottenuti saldando
4 piatti di acciaio C 45
¾ le travi hanno sezione
120mm × 120mm × 15mm,
ottenute per estrusione
con acciaio S 275
¾ ogni nodo trave-colonna si
caratterizza
come
una
connessione “a perno”
STRUTTURA DI PROVA GIA’ DISPONIBILE
MODIFICATA TRAMITE INSERIMENTO DI PIASTRA E MASSE ALLA BASE)
DEFINIZIONE DEGLI ACCELEROGRAMMI SPETTRO-COMPATIBILI
Progetto JETBIS
Sistema di isolamento proposto (UNIBAS)
- Rigidezza
equivalente
−
- Smorzamento
equivalente
TASK 2.3.2 – UNIBAS
N sforzo normale in condizione sismica
R raggio di curvatura equivalente
X spostamento di progetto (SLC)
μ coefficiente d’attrito
SUBTASK 1: Isolamento Sismico
Progetto JETBIS
Dimensionamento del sistema di isolamento
50
80
Progetto Isolatori FIP-D
100
297
150
220
Sistema di attacco
al modello
in definizione
150
100
150
150
220
440
SUBTASK 1: Isolamento Sismico
INGEGNERIA SISMICA
VALUTAZIONE VANTAGGI (RAPPORTO COSTI/BENEFICI)
DELL’ISOLAMENTO SISMICO DI IMPALCATI DA PONTE
ESISTENTI E DI NUOVA COSTRUZIONE
UNIVERSITA’ DI NAPOLI FEDERICO II – UR Unina – De Luca
Adeguamento sismico di ponti mediante isolamento: Vantaggi
• Eliminazione problemi di “Unseating” dell’impalcato
• Riduzione e ridistribuzione azioni flettenti (e taglianti)
sulle pile
• Riduzione azioni su spalle e fondazioni
Adeguamento sismico di ponti mediante isolamento: Analisi Parametriche
Scelta campione: Viadotto a travata semplice Æ Tipologia molto diffusa in Italia
• Pile in c.a. a
sezione circolare e
rettangolare cava
• Travata in c.a.p. o
mista acciaio-cls
(L≥40m)
Parametri Variabili:
Adeguamento sismico di ponti: incremento materiali in assenza di isolamento
Incremento armatura pile
H=7,5
400
B = 10 m
B = 15 m
B = 20 m
300
200
100
B = 10 m
B = 15 m
B = 20 m
300
200
100
0
0
20
25
30
20
L [m]
H=15
40
B = 15 m
20
10
40
L [m]
H=15
B = 20 m
30
30
40
B = 10 m
piles number increase (%)
B = 10 m
piles number increase (%)
H=7,5
400
steel weight increase (%)
steel weight increase (%)
Incremento numero pali
B = 15 m
B = 20 m
30
20
10
0
0
20
25
30
L [m]
Con pile H=30m non è necessario intervenire!!!
20
30
40
L [m]
INGEGNERIA SISMICA
Sviluppo di nuovi dispositivi di isolamento, anche a basso costo
•realizzazione
di prototipi ed esecuzione di test sperimentali su appoggi
strutturali con funzioni antisismiche in gomma riciclata con rinforzo in FRP
•previsione analitica delle proprietà meccaniche di dispositivi Wire Rope sulla
base della geometria delle spire e dei cavi
•ottimizzazione delle prestazioni di isolatori a pendolo anche a doppia e tripla
superficie di scorrimento con applicazioni a casi reali
•caratterizzazione e progettazione di Rubber-Layer Rolling-Bearing (RLRB)
•sviluppo
e caratterizzazione sperimentale di un nuovo materiale
autolubrificante a base di PTFE ottimizzato per isolatori a scorrimento
•upgrading della attrezzatura per prove su isolatori c/o BENECON (Frignano,
CE) ed esecuzione di prove su dispositivi elastomerici armati
INGEGNERIA SISMICA
ATTIVITA’ 2 – Sviluppo nuovi dispositivi
REALIZZAZIONE DI PROTOTIPI ED ESECUZIONE DI
TEST SPERIMENTALI SU APPOGGI STRUTTURALI CON
FUNZIONI ANTISISMICHE IN GOMMA RICICLATA CON
RINFORZO IN FRP
Unità di Ricerca c/o Univ. Napoli Federico II
COMPORTAMENTO MECCANICO DEGLI FRB
VERIFICA SPERIMENTALE (macchina UNINA-DIME)
Prototipi di appoggi in
gomma riciclata
INGEGNERIA SISMICA
PREVISIONE ANALITICA DELLE PROPRIETÀ
MECCANICHE DI DISPOSITIVI WIRE ROPE SULLA BASE
DELLA GEOMETRIA DELLE SPIRE E DEI CAVI
PROGETTO DEGLI ISOLATORI WIRE-ROPE
Carico su 1 wire-rope
19 kN (→ 1.93 ton)
Max spostamento di progetto
δ = 10 cm
Periodo di isolamento desiderato
Tis = 1.5 sec
INGEGNERIA SISMICA
OTTIMIZZAZIONE DELLE PRESTAZIONI DI ISOLATORI A
PENDOLO ANCHE A DOPPIA E TRIPLA SUPERFICIE DI
SCORRIMENTO CON APPLICAZIONI A CASI REALI
Progetto Reluis-DPC II 2009-2012 – Task 2.3.2
(1) Adeguamento e miglioramento sismico delle costruzioni esistenti tramite isolamento sismico
Attenzione focalizzata sugli isolatori a pendolo a più superfici di scorrimento.
Attività previste (svolte ed in corso)
1.
Affinamento dei modelli di calcolo per gli isolatori a doppia (DFP) ed a tripla superficie di scorrimento (TFP).
2.
Definizione di criteri di ottimizzazione delle prestazioni degli isolatori TFP in funzione di diversi coefficienti di
attrito delle superfici di scorrimento, e determinazione di abachi e tabelle di pronto uso per i progettisti.
3.
Studio di un’applicazione simulata ad un edificio storico in muratura.
4.
Studio di un’applicazione simulata ad elementi ed installazioni di pregio artistico (in particolare, mediante
isolamento degli interi impalcati di sostegno) e confronto con altra ipotesi simulata d’isolamento sismico.
5.
Studio di un’applicazione simulata ad un edificio in c.a. (TFP vs singola superficie–SFP).
Applicazione ad un edificio reale di nuova realizzazione (DFP).
6.
Analisi preliminari di dimensionamento degli isolatori (di tipo DFP) da installare sul telaio di prova da
sperimentare presso il Laboratorio dell’Università di Napoli “Federico II”.
Unità di ricerca: Università di Udine (resp. S. Sorace)
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(1) Adeguamento e miglioramento sismico delle costruzioni esistenti tramite isolamento sismico
5a. Studio di una applicazione simulata ad un edificio in c.a. (TFP vs singola superficie–SFP).
- Riprogettazione simulata di un edificio in c.a. situato a Bucarest, effettivamente realizzato con isolatori
HDRB (su progetto di professionisti italiani), includendo un sistema di isolatori TFP e,
per confronto,
dispositivi SFP
72
V=1000 kN
V=2000 kN
V=3000 kN
V=4000 kN
V=5000 kN
V=6000 kN
Confronto soluzioni TFP - SFP
Volume acciaio inossidabile per la soluzione TFP: circa 1/3 della soluzione SFP
73
INGEGNERIA SISMICA
CARATTERIZZAZIONE E PROGETTAZIONE DI RUBBERLAYER ROLLING-BEARING (RLRB)
DISPOSITIVI DI ISOLAMENTO SISMICO ALLA BASE RLRB
RELUIS 2009-2012
Unità di ricerca: POLIBA
OBIETTIVI DELLA RICERCA
STUDIO NUMERICO E SPERIMENTALE DI ISOLATORI A
ROTOLAMENTO CILINDRICI, SU DUE LIVELLI, PERPENDICOLARI TRA
LORO, CON BASE DI APPOGGIO CONCAVA E RAGGIO DI CURVATURA
ELEVATO.
a) Lo studio numerico preliminare è atto a stabilire la configurazione
geometrica ottimale del dispositivo;
b) Lo studio sperimentale prevede l’elaborazione e la realizzazione di un
prototipo del dispositivo e dei suoi elementi con prove sperimentali su tavola
vibrante con l’obiettivo di verificare il corretto funzionamento dei singoli
elementi che compongono l’isolatore.
OBIETTIVI DELLA RICERCA
RELUIS 2009-2012
I vantaggi attesi dalla tipologia di isolatore trattato consistono in:
• un limitato stress nella gomma mediante l’utilizzo di elementi cilindrici
(appoggio non puntiforme);
• un autocentraggio da attuarsi soltanto sfruttando la curvatura delle superfici
di appoggio senza la necessità di prevedere dispositivi accessori di
centraggio;
• un processo di dissipazione di tipo viscoso dovuto alla presenza della
gomma.
IPOTESI ALLA BASE DELLA MODELLAZIONE ANALITICA
RELUIS 2009-2012
Analisi teorica del comportamento dinamico del dispositivo di
isolamento composto da cilindri metallici e strati in gomma
La formulazione adottata considera un comportamento della gomma
conforme al modello di Kelvin-Voigt.
Secondo questa ipotesi, la pressione p(x,t), in un istante generico t e in un
generico punto di contatto gomma-cilindro, dipende in modo lineare
dall’abbassamento δ ( x,t ) e dalla sua velocità δ&( x,t ).
→ caratteristiche meccaniche
k rigidezza dello strato in gomma
dello strato in gomma
c viscosità dello strato in gomma
}
ULTERIORE IPOTESI:
c = kχ
→ proporzionalità dipendente dalle
caratteristiche dissipative dello strato
in gomma (coeff. χ)
RISULTATO DELLA MODELLAZIONE ANALITICA
CONTATTO GOMMA-CILINDRO: equilibrio visco-elastico
RELUIS 2009-2012
Moto del punto di contatto C, con velocità costante:
x = −vt
Generico abbassamento, δ(t), nell’istante t:
xev2 − x 2
δ( x ) =
2r
δ&( x ) =
xv
r
Reazioni di pressione p(x):
k
cv
p( x ) = pe ( x ) + pv ( x ) = kδ ( x ) + cδ&( x ) = ( xev2 − x 2 ) + x
r
2r
da cui si ottiene:
⎛ 3 Pr ⎞
xe = ⎜
⎟
⎝ 2bk ⎠
1/ 3
⎛ 3P ⎞
η =⎜
⎟
⎝ 4 2 rbk ⎠
2/ 3
ATTIVITÀ IN CORSO
RELUIS 2009-2012
PROVE SU TAVOLA VIBRANTE
POSSIBILE SOLUZIONE PER
IL COLLEGAMENTO DELLA
PIASTRA SUPERIORE DEI
DISPOSITIVI
RLRB ALLA
PIASTRA DI BASE DEL TELAIO
vista in pianta
vista in sezione
INGEGNERIA SISMICA
SVILUPPO E CARATTERIZZAZIONE SPERIMENTALE DI
UN NUOVO MATERIALE AUTOLUBRIFICANTE A BASE DI
PTFE OTTIMIZZATO PER ISOLATORI A SCORRIMENTO
INGEGNERIA SISMICA
UPGRADING DELLA ATTREZZATURA PER PROVE SU
ISOLATORI C/O BENECON (FRIGNANO, CE) ED
ESECUZIONE DI PROVE SU DISPOSITIVI ELASTOMERICI
ARMATI
Attrezzatura di prova c/o BENECON (Frignano, CE)
Macchina prove isolatori sismici – configurazione 2008
Caratteristiche attuatore dinamico MTS orizzontale:
forza massima: 1000 kN
corsa totale: 1000 mm (±500mm)
frequenza: 0.45 Hz a 500 mm; 70 Hz a 1 mm
Attrezzatura di prova c/o BENECON (Frignano, CE)
Up-grading macchina per prove su isolatori
Potenziamento Centrale
oleodinamica:
2008: 1 pompa da 250 lpm
2012: 3 pompe da 250 lpmÆ750 lpm
Slitta
Isolatore
SISTEMA DI
MISURA
Qv
Qo
SLITTA
Modifica attrezzatura:
possibilità di testare i
dispositivi nella configurazione
a singolo isolatore grazie
all’inserimento di una slitta su
rotaia, con portata 8000kN
e corsa ±500mm
Programma prove sperimentali
Tipo Prova
1.5
2
3
SC
Statica a
Compressione
*
ST
Statica a Taglio
*
SCT
Statica Ciclica a
Taglio
DT
Dinamica a
Taglio
R
Storia di carico
S2
4
5
6
v = 2.5mm/sec; f=0.01Hz
γ
γ5
γ4 γ3
γ2
γ1
t [sec]
Step 1 Step 3
Step 4
Step 2
Step 5
60
*
FH [kN]
40
20
dH [mm]
0
-150
-100
-50
Rottura
-20
0
50
100
-40
* = Test eseguito su isolatori con piastre di rinforzo in acciaio
pm = 0
-60
pm = 6MPa
pm = 10MPa
pm = 15MPa
Caratteristiche isolatori sismici HRDB da testare
Diametro: D=400mm
Spessore singolo strato gomma: ti=5mm
S2=1.5
S2=2
Fattore di forma primario: S1=20
S2=3
Spessore piastre terminali = 20mm
Spessore piastra rinforzo: ts=2mm
2 famiglie di isolatori: piastre di rinforzo in
acciaio & piastre di rinforzo in composito
150
S2=6.15
S2=5
S2=4
INGEGNERIA SISMICA
Manuale per la progettazione dei sistemi dissipativi di tipo passivo
•definizione
metodologie di progetto
l’adeguamento di edifici esistenti
di
controventi
dissipativi
per
•studio e messa a punto di metodologie progettuali semplificate di sistemi di
dissipazione basate su analisi lineari con fattore di struttura
•sviluppo di sistemi di protezione per strutture prefabbricate inadeguate
•sviluppo
di metodi semplificati per la progettazione di sistemi di
accoppiamento dissipativo fra strutture adiacenti
•predisposizione del manuale di progettazione
INGEGNERIA SISMICA
ATTIVITA’ 4 – Dissipazione di energia
DEFINIZIONE METODOLOGIE DI PROGETTO DI
CONTROVENTI DISSIPATIVI PER L’ADEGUAMENTO DI
EDIFICI ESISTENTI
CRITERI DI PROGETTO
METODI DI OTTIMIZZAZIONE
● Austin e Pister, 1985 (minimizzazione del volume strutturale, dell’energia in ingresso).
● Braga e D’Anzi, 1994 (adeguamento di edifici in c.a.).
METODI SEMPLIFICATI
(Sistema a 1 g.d.l. equivalente e Spettri di progetto)
● Filiatrault e Cherry, 1990 (comportamento elastico della struttura intelaiata).
● Ciampi, Paolone e De Angelis, 1992 (dissipatori isteretici; comportamento inelastico del telaio).
● Vulcano, 1991 (“criterio della rigidezza proporzionale”;
dissipatori ad attrito/isteretici; comportamento inelastico del telaio)
● Mazza e Vulcano, 2002 (“criterio della rigidezza proporzionale”: dissipatori viscoelastici).
METODI PRESTAZIONALI
● APPROCCI BASATI SUGLI
SPOSTAMENTI
- Mazza e Vulcano (HY), 2008.
- Mazza e Vulcano (VE), 2008.
- Dall’Asta et al. (BR), 2008.
● APPROCCI BASATI SULLE FORZE
- Ponzo et al. (HY), 2007.
- Ponzo et al. (VE), 2007.
- Silvestri et al. (VS), 2007.
Università di Camerino - Scuola di Architettura e Design
λF
Analisi dei criteri presenti in letteratura (Kasai et al.,
Spostamento
p dc
c
Soong et al. ,Vulcano et al. ,Braga et al., Ponzo et al. …)
1.40
Procedura generale per il dimensionamento dei
1.20
controventi (BRB, HDR)
Taglio alla base
Acc. (a/g)
1.00
0.80
Criterio basato su S-dof equivalente (deformata pre-
0.60
definita, C vs D su piano ADRS…)
0.40
0.20
Scelta progettuali: definizione dello spostamento target,
0.00
0.00
0.10
rapporti ottimali per dimensionamento bracci,
0.20
0.30
Spost. (m)
disposizione in pianta…
1.20
Livello di complessità non superiore all’analisi
attualmente richiesta per l’edificio esistente
A
cc.(a/g)
1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
0.00
0.10
0.20
Spost. (m)
5/17
Procedura per il dimensionamento di smorzatori
viscosi: generalizzazione tenendo conto dello
smorzamento non classico
cL ,tot = ξ ⋅ ω1 ⋅ mtot ⋅ N ( N + 1)
u6
m
k
u5
m
k
u4
u3
m
k
m
k
u2 m
k
u1 m
k
INGEGNERIA SISMICA
STUDIO E MESSA A PUNTO DI METODOLOGIE
PROGETTUALI SEMPLIFICATE DI SISTEMI DI
DISSIPAZIONE BASATE SU ANALISI LINEARI CON
FATTORE DI STRUTTURA
1) Studio e messa a punto di metodologie progettuali
semplificate di sistemi di dissipazione basate su analisi
lineari
con fattore
di struttura:
Strutture
in c.a. convenzionali
NTC08
LSA
qi
qi
q = q0 * KR
q0 = f(classe di duttilità, tip. strutturale, αu/α1)
qf
KR = f(caratteristiche di regolarità in
altezza della struttura)
NLSA q = 1 + ( μ − 1) ⋅ T * / T
S
C
q = μS
T* < TC
T* ≥ TC
Strutture in c.a. con controventi dissip.
(
q f = qi ( T * , μ s ) ⋅ Ccal μ s , μ c , np ,T f* / T * , FC / Fy*
Coefficiente di
incremento
fattore di strutt.
base NTC08
Ccal = m1 ⋅ μ s + m2 ⋅
T f*
T*
+ m3 ⋅
)
T*f
T*
μs
FC
+ m4 ⋅ n p
*
Fy
SUBTASK 2: Dissipazione di Energia
1) Studio e messa a punto di metodologie progettuali
semplificate di sistemi di dissipazione basate su analisi
Analisi
lineariParametrica
con fattore di struttura:
• 24 tipologie strutturali : 4 tipologie (rettang., ad L, a croce), 6 num. di piani (np = 3,4,5,6,8,10)
• 2 disposizioni di controventi dissipativi: a V rovescia (V) e a diagonale (X);
• 12 combinazioni di parametri di progetto dei controventi dissipativi:
1152
i) 4 valori di duttilità della struttura (μs 1.0; 1.15; 1.3; 1.5)
casi
ii) 3 valori di duttilità di progetto dei controventi dissipativi (μC 4; 8; 12)
Modelli strutture di partenza
(ES Edificio esistente tipologia 4)
3p
4p
5p
6p
8p
10p
Modelli strutture con
controventi
dissipativi
(ES Edifici a 3 piani)
SUBTASK 2: Dissipazione di Energia
OBIETTIVO DEL LAVORO
Duttilità (q>1)
Strategie di
progettazione
sismica
Smorzatori viscosi (q=1)
Obiettivo: sviluppo di un metodo di progettazione che
consenta di sfruttare contemporaneamente
entrambe le soluzioni
Accoppiamento soluzioni ⇒ Beneficio economico
DIFFUSIONE TECNOLOGIA
SMORZATORI VISCOSI
IL PROBLEMA PROGETTUALE
Duttilità + Elevato smorzamento
SPETTRO DI
=
PROGETTO
η(ξ) •
SPETTRO
ELASTICO
q
DM 14/01/2008 non dà indicazioni per l’uso combinato
di entrambe le soluzioni
Per adottare q>1 con η(ξ)<1 richiesta l’adozione di una
metodologia di comprovata validità
Una tale metodologia ancora non è stata messa a punto
IL PROBLEMA SCIENTIFICO
• quale valore di R si può utilizzare per strutture con
smorzamento?
• quanto differisce questo valore da R5?
elevato
Calcolo del fattore di riduzione delle forze
in funzione di
Smorzamento
μ, di T e di ξ
Duttilità richiesta
Periodo proprio
Newmark & Hall (1973)
R→1
R = sqrt (2μ - 1)
R=μ
T→0
T<0,5 sec
T>0,5 sec
Tanti studi in passato
per R=f(μ) o R=f(μ, T)
quasi mai considerata
l’influenza dello
smorzamento
FORMULAZIONE ANALITICA
A parità di livello di sicurezza
(cioè a parità di duttilità richiesta = fissato μ)
¾ Calcolo di R5 relativo ad uno smorzamento del 5%
¾ Calcolo di Rξ relativo ad uno smorzamento ξ > 5%
¾ Confronto dei due valori tramite il parametro
αξ
Rξ
=
R5
INTERPRETAZIONE DEI
RISULTATI
Periodo variabile, duttilità fissata
- R5
- R30
R
R=μ
dispersione R5 >> dispersione R30
T (secondi)
μ=4
μ=4
CONCLUSIONI
• Per una struttura con smorzamento ξ >
5% Rξ =αξ ·R5, dove
– per T < 0,5 sec αξ =1
– per 0,5 sec < T < 1,5 sec αξ = 0,85 ÷ 0,95
– per T > 1,5 sec αξ =1,05
INGEGNERIA SISMICA
SVILUPPO DI SISTEMI DI PROTEZIONE PER STRUTTURE
PREFABBRICATE INADEGUATE
Simulazione su casi di studio di edifici industriali/commercialI
Ipotesi di sistema di protezione
Dispositivo attritivo
Trave c.a.p.
Trave c.a.p.
Pilastro c.a.p.
Piastra di acciaio
Lamina di acciaio
Piastra di acciaio
Piastra di acciaio
Lamina di acciaio
Disco piombo-bronzo
Bullone con serragggio a molla
105
Risultati: benefici
La comparazione dei costi di costruzione,
relativa ai soli pilastri, ha evidenziato un
risparmio di circa il 25%.
Copertura costi dei dispositivi
Definizione di fattore di struttura "equivalente" q
per analisi semplificate
106
Altre disposizioni allo studio (simulazioni)
Connessione dissipativa
pilastro-fondazione
Definizione delle prestazioni limite
Compatibilità delle deformazioni locali e dei drift
107
Connessione tra elementi prefabbricati per sistema edificio
Dispositivo
dissipativo
Pareti post-compresse
Sistema di pareti
Comportamento
globale del sistema
108
INGEGNERIA SISMICA
SVILUPPO DI METODI SEMPLIFICATI PER LA
PROGETTAZIONE DI SISTEMI DI ACCOPPIAMENTO
DISSIPATIVO FRA STRUTTURE ADIACENTI
Università di L’Aquila
STRUTTURE ADIACENTI E DISSIPAZIONE
STRUTTURE ADIACENTI
L’ENERGIA E’ DISSIPATA IN DISPOSITIVI
DISSIPATORE
INTERCONNESSI TRA LE STRUTTURE DOVE
SONO ATTESI SPOSTAMENTI E VELOCITA’
M1
M2
ELEVATE A CAUSA
K1
K2
DELLE AZIONI DI PROGETTO
Harumi Island Triton Square
Tokyo 2001
office/commerce 3 buildings:
195 m, 45 stories;
175 m, 40 stories;
155 m, 34 stories
couple building control — — servo motor
110
ACCOPPIAMENTO DISSIPATIVO IN OSCILLATORI SEMPLICI
Equazioni del moto:
Variabili adimensionali:
Equazioni del moto adimensionali
EDIFICIO A – FACOLTA’ D’INGEGNERIA
DANNI
EDIFICIO A – FACOLTA’ DI INGEGNERIA
DANNI
DANNI
Danni causati dall’interazione dinamica tra struttura
principale – struttura secondaria (facciata)
INTERCONNESIONE RIGIDA E
DISSIPATIVA
ACCOPPIAMENTO
VISCOSO
NONLINEARE
Limitazione del
comportamento a
mensola
ACCOPPIAMENTO
RIGIDO
Nonlinear viscous Maxwell model
α
⎛
F& ⎞
⎟
⎜
F = C ⎜ x& − ⎟
k⎠
⎝
K
C
f
f
EDIFICIO A – FACOLTA’ DI INGEGNERIA – SOTTOSTRUTTURA A3
Indici di prestazione della risposta:
J1 =
ui , max
utub , max
J2 =
u&&i , max
u&&tub , max
J3 =
Vi , max
Vtub , max
J4 =
1 3
∑ Jk
3 k =0
V1
Risposta osservata
J1
J2
J3
J4
C=50
1,42
1,05
0,89
1,12
C=100
1,17
1,05
0,82
1,01
C=150
1,03
0,99
0,80
0,94
C=200
0,98
0,94
0,79
0,90
C=250
0,94
0,92
0,79
0,88
C=300
0,92
0,99
0,79
0,90
J1
J2
J3
J4
C=50
0,79
0,82
0,83
0,81
C=100
0,79
0,82
0,82
0,81
C=150
0,80
0,83
0,84
0,82
C=200
0,81
0,83
0,84
0,83
C=250
0,82
0,83
0,84
0,83
C=300
0,82
0,83
0,84
0,83
J1
J2
J3
J4
C=50
0,79
0,82
0,83
0,81
C=100
0,79
0,82
0,83
0,81
C=150
0,80
0,83
0,83
0,82
C=200
0,81
0,83
0,84
0,82
C=250
0,82
0,83
0,84
0,83
C=300
0,82
0,83
0,84
0,83
J1
J2
J3
J4
C=50
1,16
1,20
0,84
1,06
C=100
1,09
1,15
0,84
1,02
C=150
1,01
1,06
0,84
0,97
C=200
0,96
1,03
0,85
0,95
C=250
0,93
1,00
0,85
0,93
C=300
0,90
0,96
0,85
0,90
V2
V4
V1 V2
V3
V3
V4
POSIZIONE DEI DISSIPATORI E DEGLI ELEMENTI RIGIDI
Dissipatori
longitudinali
Dissipatori
trasversali
Bracci rigidi
Dissipatori viscosi
INGEGNERIA SISMICA
PREDISPOSIZIONE DEL MANUALE DI PROGETTAZIONE
REte dei Laboratori Universitari di Ingegneria Sismica
Organizzazione del Manuale Attività 4 e referenti:
1. Introduzione (isolamento, dissipazione, ecc.) [alla fine SERINO-MEZZI]
2. Normative (metodologie di analisi), aspetti economici [SERINO- MEZZI]
3.Dispositivi : panoramica (viscosi, viscoelastici, elastoplatici), parametri
caratteristici, modelli reologici [SORACE]
4.1 Controventi dissipativi: sistemi, come sono fatti, come si inseriscono,
come funzionano [GATTULLI – DALL’ASTA]
4.2 Accoppiamento dissipativo: sistemi, come sono fatti, come si inseriscono,
come funzionano [GATTULLI – DALL’ASTA]
5.1 Controventi dissipativi: metodologia/e di progetto [VULCANO]
5.2 Accoppiamento dissipativo: metodologia/e di progetto [GATTULLI]
5. Esempi applicativi [TUTTI - SORACE]
INGEGNERIA SISMICA
ATTIVITA’ 5 – Controllo semi-attivo
INTEGRAZIONE FRA I SISTEMI DI CONTROLLO SEMIATTIVO E QUELLI DI MONITORAGGIO ED EARLY
WARNING
UR Napoli Parthenope
Progetto DPC - Reluis 2010/2013
Integrazione
sistemi di controllo SA
+ Early Warning sismico
Target
Informazioni
Innesco
Rete sismica
PGA
e/o
Sa
corrente
F [kN]
Dissipatore MR:
uso passivo “smart”
x [mm]
i=i(SEW info)
CASO STUDIO : PONTE AUTOSTRADALE
•
Strategia Passiva: 16 dispositivi viscosi non lineari
•
Strategia Attiva: 16 dispositivi idraulici
•
Strategia Semi-Attiva: 16 dispositivi MR
NUOVA
STRATEGIA
Strategia Semi-Attiva basata sul sistema
EARLY WARNING SISMICO
Dispositivi
Dispositivi
Dispositivi
Criteri di
Valutazione
Dispositivi
USO DEL EARLY WARNING SISMICO PER IL CONTROLLO SEMI-ATTIVO DEI PONTI
Terremoto
Informazioni
PGA
Dispositivi
Algoritmo di Controllo
Sa(T1)
Integrazione
¾ Per ora: sperimentazioni numeriche con riferimento a PONTI esistenti
¾ Prossime sperimentazioni numeriche con riferimento a EDIFICI esistenti
Integrazione
¾ Possibile alimentazione autonoma
del sistema
Dissipatore MR (Maurer Sohne,
Germania) alimentato da pannello
solare
¾ Ridotta complessità operativa (hardware, software) connessa all’uso
passivo “intelligente” di dissipatori MR
INGEGNERIA SISMICA
OBIETTIVI RAGGIUNTI NEL SECONDO ANNO
•soluzione di problematiche operative relative all’inserimento di isolatori alla base di
edifici esistenti in muratura
•definizione di coefficienti di struttura per l’adeguamento con isolamento di costruzioni
esistenti (indicazioni prenormative)
•organizzazione di attività sperimentali comuni (progetto JETBIS)
•valutazione costi-benefici dell’isolamento di impalcati da ponte
•sviluppo di nuovi sistemi di isolamento a basso costo
•ottimizzazione isolatori a pendolo a superficie di scorrimento multipla e sviluppo di
nuovi materiali autolubrificanti per applicazioni sismiche
•upgrading attrezzatura per prove su isolatori c/o BENECON
•definizione metodi semplificati di progettazione di strutture con dissipatori e
redazione bozza di manuale con esempi applicativi
•integrazione fra sistemi di controllo semi-attivo, Early Warning e monitoraggio
INGEGNERIA SISMICA
INTERAZIONI CON ALTRE LINEE DI RICERCA
Si è cercato per quanto possibile di creare interazioni e sinergie con
altre Linee di Ricerca del Progetto ReLUIS-DPC 2010-13, grazie anche
alla presenza diretta in altre LR di singoli partecipanti alle UR del
Task. Le maggiori interazioni si sono verificate con i Task 3.1.2
(Sistemi automatici di azione e Early Warning) e 3.1.3 (Monitoraggio)
con i quali sono state anche organizzate e svolte riunioni congiunte
con riferimento all’Attività 5 del nostro Task 2.3.2
INGEGNERIA SISMICA
PRODOTTI OTTENUTI NEL SECONDO ANNO
•prototipi di nuovi sistemi di protezione sismica passiva, anche a basso costo
•linee guida per la soluzione di problematiche operative relativamente all’inserimento
di isolatori alla base di costruzioni esistenti e nuove
•bozza manuale di progettazione per strutture dotate di sistemi di dissipazione di
energia con esempi applicativi
•rapporti di prove su dispositivi e sistemi integrati di protezione
•indicazioni pre-normative
•articoli e memorie su rivista internazionale (18), in atti di convegni internazionali (31) e
nazionali (24), nonché capitoli in monografie (8)
INGEGNERIA SISMICA
SVILUPPI FUTURI
•completamento nel corso del 3° anno delle attività di ricerca avviate ed in corso
•esecuzione di prove su tavola vibrante finalizzate al confronto fra diversi sistemi di
isolamento a basso costo proposti dalle singole UR del task
•fornitura di indicazioni e metodologie operative ai progettisti qualificati al fine di
diffondere l’utilizzo delle tecniche di protezione di tipo passivo (in prevalenza), ma
anche semiattivo ed ibrido per la riduzione del rischio sismico del costruito in Italia
•predisposizione di materiale divulgativo di carattere generale, ad uso di tecnici
professionisti e per corsi universitari specialistici
CASO STUDIO SELEZIONATO
MULTI-STOREY RC FRAME BUILDING (1970)
PIANTA
PROSPETTO X-X
PROSPETTO Y-Y
3m
5m
3m
5m
3m
X
5m
5m
3m
5m
3m
5m
Y
1° LIV.
SEZIONI PILASTRI
INTERNI
30x50 (4φ16+4φ12)
ESTERNI
CENTRALI
30x30 (4φ16)
2° LIV.
LATERALI
30x30 (4φ16)
30x30 (4φ16)
30x30 (4φ16)
Caratteristiche Materiali
CLS: fck=22MPa
30x50 (4φ16 sup; 2φ16 inf)
30x40 (4φ16+2φ12)
3-4° LIV.
SEZIONI TRAVI
Acciaio: fyk=375MPa
Sito
L’Aquila
30x50 (4φ12 sup; 2φ12 inf)
Cat. Suolo Sup. Topog.
B
T1
MODELLO 3D UTILIZZATO PER LE ANALISI NTHA
Multilinear Plastic Link
Z
X
Y
VR
MR
Multilinear Plastic Link
l
50·u
10·u
VR
Caratteristiche puntone
equivalente [MAINSTONE]
3·u u
MR
Fi / Fy
0,1·F
M R = min(M R , Fless ; M R ,Taglio )
F
δi / δy
1
bw ≅ d w
10
k eq =
Ew ⋅ Ap
dw
CAMPO COMPLESSO
CAMPO REALE
u
k
du&
c
⎧u& ⎫
= u&& = − u& − u z = ⎨ ⎬
dt
m m
⎩u⎭
du
= u& 37. Equazioni
dt
u
nello
State Space
Fig.16 Telaio ST ad un grado di
libertà
Fig.17 (a) Telaio ST 1GDL ; (b) Rappresentazione nel piano
complesso
d ⎧u&⎫ ⎡−c −k ⎤ ⎧u&⎫
m⎥ ⎨ ⎬ →z& = Az Det[A−ωI] = 0
⎨ ⎬=⎢ m
dt ⎩u⎭ ⎢⎣ 1
0 ⎥⎦ ⎩u⎭ 38. Problema agli autovalori
mu&& + cu& + ku = 0
35. Equazione del moto
smorzato
Re (w1 ) = − ξω
k
ω=
m
ξ=
c
2 km
Ω = ω 1- ξ
36. Proprietà del sistema in campo
reale
2
w1 =
Im(w1 ) = ω 1 - ξ 2 = Ω
(− ξω)2 + ⎛⎜ ω
⎝
2
1- ξ 2 ⎞⎟ = ω
⎠
w1, 2 = −ξω ± iω 1 - ξ 2
39. Autovalore
in
campo
complesso
ξ=−
Re (w1 )
w1
41. Indice di smorzamento
Integrazione fra sistemi di controllo SA
+ monitoraggio
Analisi di sensoristica ed elettronica
- Controllo semi-attivo
- Monitoraggio strutturale
- Early warning sismico
- Elementi comuni ed integrazione dei 3 sistemi

G. Serino

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