Il sistema d`isolamento e dissipazione alla base - Anti

Stefano Sorace ([email protected]), Gloria Terenzi ([email protected])
Il sistema d’isolamento e dissipazione alla base “BISD”
Prima applicazione reale all’edificio destinato a nuova sede
della Fratellanza Popolare di Grassina – Firenze
Il sistema “BISD” (sigla dell’espressione “Base ISolation and Dissipation”) rappresenta una
tecnologia innovativa di protezione sismica delle strutture e delle infrastrutture, costituito dalla
combinazione di appoggi scorrevoli in acciaio-PTFE, con funzione di isolatori, e di dispositivi
fluido-viscosi a matrice siliconica, le cui proprietà meccaniche determinano le caratteristiche di
rigidezza e di smorzamento del sistema stesso. Tale tecnologia è stata per numerosi anni oggetto di
studi sperimentali, analitico-numerici e progettuali da parte degli autori, svolti anche all’interno di
Progetti di Ricerca internazionali, finanziati dalla Commissione Europea, e nazionali. A
compimento di tali studi, il sistema BISD ha trovato una sua prima applicazione reale nell’edificio
destinato a nuova sede dell’Associazione di Pubblica assistenza “Fratellanza Popolare” di Grassina,
situato nel comune di Bagno a Ripoli, alle porte di Firenze. Nel fabbricato trova sede anche la
sezione della Protezione Civile zonale. L’opportunità di questa applicazione è stata suggerita
dall’articolata configurazione plano-altimetrica della struttura, pur a fronte di una volumetria
relativamente contenuta (pari a circa 5400 m3). Tale articolazione si rileva già dalla forma in pianta,
di tipo ad “L” (Figura 1), mentre le particolarità geometriche in alzato riguardano la riduzione di
una campata del corpo principale nel passare dal piano seminterrato ai superiori, una serie di
sporgenze, rientranze ed ampi sbalzi al secondo ed al terzo piano, nonché alcuni sfalsamenti
d’impalcato a livello della copertura.
Jy6
A
Jy5
Jx5
Jy8
Jy7
Vista A
Jx4
Jx6
Jx3
Jx2
Jx7
Jx1
Jx8
Jy1
Jy2
Jy3
Vista B
Jy4
y
B
x
Figura 1
In Figura 2 è riportato il disegno del più grande dei tre tipi di isolatori utilizzati, di produzione
ALGA, differenziati tra di loro per le portate sotto carichi verticali, rispettivamente pari a 600, 1000
e 1400 kN. Tali valori sono incrementati di un fattore 1,5 in presenza dell’azione sismica. In totale
sono stati installati 32 appoggi, posizionati alla base di ciascuno dei 31 pilastri della struttura
principale, più un ulteriore apparecchio al disotto della soletta in cemento armato di alloggiamento
dell’impianto ascensore (attorno al cui vano non è stato realizzato alcun setto o nucleo strutturale,
grazie ai benefici apportati dal sistema di protezione). In Figura 2 sono anche mostrati i tipici cicli
statici e dinamici di risposta ottenuti dalle prove di qualificazione degli apparecchi, condotte in
ottemperanza alle disposizioni dell’OPCM 3431, in accordo alla quale il progetto è stato condotto
nel 2005. Nel complesso, grazie all’accurato processo di lubrificazione dei dischi di PTFE, eseguito
nel rispetto delle prescrizioni delle istruzioni CNR-10018 e del documento pre-normativo europeo
prEN-1337, il coefficiente di attrito è risultato sempre inferiore all’1%.
d
10
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
M 1400
-10
-50 -40 -30 -20 -10
M 1400
i
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
Force [kN]
Force [kN]
10
8
6
Static Test
V =1400 kN
-4 -3
-2
-1
0
1
2
3
4
Displacement [mm]
Dynamic Test
fd=0.5 Hz V=1400 kN
0
10 20 30 40 50
Displacement [mm]
Figura 2
I dispositivi fluido-viscosi impiegati nel sistema BISD, prodotti dall’industria francese Jarret,
appartengono alla classe degli altamente non lineari (ossia, caratterizzati dai più bassi valori
dell’esponente α che governa la dipendenza della componente di forza dissipativa dalla velocità di
deformazione, in particolare compresi nell’intervallo 0,1–0,2). Inoltre, sono totalmente
autocentranti al termine dell’azione sismica, grazie alla pressurizzazione applicata in fase di
produzione. In Figura 3 è riprodotta la sezione tipo di un dispositivo, unitamente ai cicli di risposta
ottenuti, anche in questo caso, dalle prove di qualificazione condotte sugli apparecchi installati
nell’edificio, in sovrapposizione ai cicli derivanti dalla corrispondente simulazione numerica.
1000
DynamicTest
Test
Dynamic
Force [kN]
Piastra di connessione
Anello di tenuta
Serbatoio
800
vdes; ddes
600
Experimental
400
•
OINSTAL
200
Pistone
Piston
Numerical
0
Fluido siliconico
pressurizzato
-200
-100 -80 -60 -40 -20
0
20
40
60
80 100
Displacement [mm]
Figura 3
L’esigenza di minimizzare la distanza fra il baricentro della sovrastruttura ed il centro di
rigidezza dell’insieme dei dispositivi fluido-viscosi ha portato ad assumere otto coppie di
apparecchi, di cui quattro orientate parallelamente all’asse x (elementi Jx1-Jx8) e quattro all’asse y
(Jy1-Jy8), come indicato in Figura 1.
Il progetto è stato condotto per i due livelli dell’azione sismica imposti dall’Ordinanza 3431,
riferiti alle verifiche allo stato limite, rispettivamente, di danno (“evento di servizio”) ed ultimo
(“evento base”), nonché per un aggiuntivo livello, deliberatamente assunto, corrispondente al
“massimo evento considerato”, caratterizzato da una probabilità di superamento del 2% in 50 anni e
da un’accelerazione di picco al suolo pari al 150% di quella dell’evento base. Il controllo della
risposta per tale terzo livello si è incentrato sull’entità dello spostamento alla base, controllandone
la compatibilità con la corsa massima ipotizzata per i dispositivi fluido-viscosi. Ciò al fine di
assicurare una piena operatività di questi, e dunque una decisiva riduzione della risposta
dell’edificio, anche a fronte di un evento “estremo” per il sito. In Figura 4 sono mostrate le viste
fotografiche di uno degli appoggi scorrevoli d’impalcato, durante il montaggio sul relativo baggiolo
di attesa, dell’appoggio posto al disotto della soletta dell’ascensore, prima del getto di questa, e del
piano di scorrimento tra strutture di fondazione e travi principali dell’impalcato mobile, ad opera
completata. In Figura 5 sono, altresì, presentate le immagini dell’armatura di uno degli speroni del
muro di scannafosso, aventi funzione di elementi di contrasto dei dispositivi fluido-viscosi, di una
delle sedici dime sostitutive di tali dispositivi durante le fasi di realizzazione del cassero e del getto
dell’impalcato mobile e, infine, del corrispondente apparecchio, a montaggio avvenuto.
Figura 4
Figura 4.
Figura 5
Le analisi di progetto hanno confermato il conseguimento degli obiettivi di prestazione prefissati
per ciascun livello dell’azione in ingresso. Tra questi si segnalano, in particolare, il mantenimento
in campo elastico della risposta della sovrastruttura finanche sotto l’evento massimo considerato, ed
il contenimento entro soglie estremamente ridotte degli spostamenti alla base (inferiori a 45 mm,
per l’evento base di progetto, ed a 80 mm, per l’evento massimo). Tali dati di spostamento hanno
consentito, tra l’altro, di adottare soluzioni tecnologiche convenzionali, integrate da semplici
accorgimenti di montaggio, per l’intera impiantistica che attraversa il piano d’isolamento (Figura 6).
Giunto della
tubazione
del gas
Giunto di
un pluviale
Giunti delle
condutture
idrauliche
Figura 6
Dettagliate informazioni sulla caratterizzazione sperimentale, sulla modellazione analitica e
numerica e sulla definizione dei criteri progettuali del sistema BISD possono essere trovate in [1],
[2] e, con particolare riguardo all’applicazione all’edificio di Grassina, in [3].
RIFERIMENTI
[1] Sorace S., Terenzi G. (2001). Non-linear dynamic modelling and design procedure of FV spring-dampers for base
isolation, Engineering Structures, Elsevier Science Ltd, Oxford, Vol. 23, N. 12, pp. 1556-1567.
[2] Sorace S., Terenzi G., Magonette G., Molina F.J. (2008). Experimental investigation on a base isolation system
incorporating steel-Teflon sliders and pressurized fluid viscous spring-dampers, Earthquake Engineering &
Structural Dynamics, Wiley & Sons, Ltd, New York, Vol. 37, N. 2, pp. 225-242.
[3] Sorace S., Terenzi G. (2008). Analysis and demonstrative application of a base isolation/supplemental damping
technology, Earthquake Spectra, EERI, Oakland, Vol. 24, N. 3, pp. 775-793.