Dispositivi strutturali antisismici [salvatore]

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Dispositivi strutturali antisismici
Prof. Ing. Walter Salvatore, Ing. Francesco Morelli
Dipartimento di Ingegneria Civile – Università di Pisa
CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI DI DISSIPAZIONE DELL’ENERGIA
I dispositivi di controllo strutturale possono essere classificati in 3 grandi categorie in base al
modo in cui rispondono all’eccitazione indotta dal sisma.
 SISTEMI ATTIVI:
Sono progettati per monitorare lo stato della struttura nel tempo, elaborarne
le informazioni e applicare in tempo reale un insieme di forze interne in
modo da regolarne più favorevolmente lo stato dinamico della struttura
Sistemi “INTELLIGENTI”
che si adattano le
proprie caratteristiche al
terremoto ma ad elevato
rischio di black-out
 SISTEMI SEMI - ATTIVI:
Differiscono da quelli attivi perché necessitano di un apporto di potenza
esterna relativamente piccolo, senza la necessità di un sistema di
monitoraggio globale; Il controllo è limitato alle proprietà locali dello
smorzatore.
SISTEMA INTERMEDIO
 SISTEMI PASSIVI:
Non necessitano di energia, computer o attuatori per operare; subiscono
passivamente l’azione dinamica del sisma deformandosi elasticamente o
anelasticamente.
Sistema a caratteristiche
“costanti” ma ad elevata
affidabilità
SISTEMI ATTIVI: principio di funzionamento
I sistemi di controllo attivi sono progettati per monitorare lo stato della struttura nel tempo, elaborarne le
informazioni e applicare un insieme di forze interne in modo da regolare più favorevolmente lo stato dinamico
della struttura.
Lo scopo di questo sistema di controllo è di dotare la
struttura di un SENSO DELL’EQUILIBRIO in analogia
a quanto succede in un corpo umano.
I componenti principali di un sistema di
controllo attivo sono:
 Sistema di monitoraggio capace di
percepire lo stato della struttura;
Sistema di controllo che riceve i dati e
decide le contromisure da applicare;
 Sistema di attuazione dei comandi che
applica fisicamente le contromisure alla
struttura.
ALIMENTAZIONE
ESTERNA
CICLO DI
“FEEDBACK”
SISTEMI ATTIVI: vantaggi/svantaggi
Vantaggi
Svantaggi
Elevata efficacia nel controllo della risposta
 Progettazione estremamente complessa;
dinamica;
Sistemi molto costosi
Possibilità
di
ottimizzare
la
risposta
all’eccitazione trasmessa da vento e sisma.
Necessario il costante apporto di energia esterna,
anche e soprattutto durante l’evento sismico
Sistema AMD (ACTIVE MASS DRIVER)
E’ un sistema che limita gli spostamenti della struttura tramite il movimento di una massa ausiliaria e dissipa
l’energia in ingresso in uno smorzatore che collega la massa con la struttura.
Sistema TMD (TUNED MASS DAMPER)
Sistema AMD (ACTIVE MASS DRIVER)
Sistema di protezione PASSIVO
Utilizzato per il controllo degli spostamenti
legati al PRIMO MODO DI VIBRARE
Sistema di protezione ATTIVO
Grazie alla presenza del martinetto e del computer di
controllo può operare con una BANDA DI
FREQUENZA PIU’ LARGA
SISTEMI ATTIVI: stato dell’arte
La dipendenza dall’apporto continuo di potenza esterna ha fortemente limitato l’applicazione in ambito antisismico
dei sistemi attivi in Europa ed in America, mentre sono più diffusi in Giappone
Kyobashi Seiwa Building di Tokyo
Shinsuku Park Tower
SISTEMI SEMI - ATTIVI
I sistemi di controllo semi-attivi differiscono dai sistemi attivi perché necessitano di un apporto di potenza
esterna relativamente piccolo, senza la neccessità di un sistema di monitoraggio globale.
N.B. E’ sufficiente
l’alimentazione fornita
da una batteria
CICLO DI “FOREWORD”
Le prestazioni aggiuntive sono attivate o modificate solo
in presenza di un determinato tipo di azioni dinamiche (ad
esempio quando l’azione sismica raggiunge intensità
elevate)
CICLO DI “FEEDBACK”
Un sistema integrato sensori/unità di controllo elabora i
dati trasmessi dai sensori e stabilisce, in tempo reale, i
parametri meccanici da modificare;
Successivamente alla modifica delle prestazioni aggiuntive, il dispositivo interagisce “passivamente” con il
resto della struttura. L’apporto di energia è dunque molto limitato in quanto serve solo al sistema di controllo e
per l’attuazione di piccole operazioni meccaniche (come l’apertura o la chiusura di valvole)
Principali sistemi semi-attivi
Active variable stiffness VSD
Dispositivi Magnetoreologici;
Sistema AVS (ADDED VARIABLE STIFFNESS)
In questo sistema di protezione semi-attiva, la rigidezza dei
controventi viene variata dal computer di controllo in funzione della
risposta della struttura all’eccitazione esterna.
Il computer regola l’apertura e la
chiusura della valvola di collegamento
delle due camere d’olio e di
conseguenza diminuisce o aumenta la
rigidezza del controvento
Kajima Technical Research Institute,
edificio equipaggiato con Variable Stiffness
Control Devices
Dispositivi MR (Magneto-Reological)
Le caratteristiche di questa tipologia di smorzatori possono essere variate cambiando l’intensità della corrente in
ingresso.
Quando il fluido MR è all’interno di un campo magnetico, le particelle di
ferro nel fluido si allineano cambiando lo stato in semisolido ed
aumentando la viscosità varia la forza necessaria a muovere il dispositivo
Dongting Lake Bridge, China,
ponte equipaggiato con MR Dampers per il
controllo delle vibrazioni indotte dal vento negli
stralli
SISTEMI PASSIVI
Nei sistemi passivi, speciali dispositivi, opportunamente collocati nella struttura, modificano favorevolmente le
caratteristiche di rigidezza e/o capacità dissipative della struttura, ottenendo una risposta dinamica più
favorevole alle azioni del sisma.
I dispositivi interagiscono passivamente con
la struttura, mantenendo per tutta la vita della
costruzione un comportamento costante
come stabilito in fase di progetto.
Vengono dimensionati per funzionare al
meglio durante la fase di massima intensità
del terremoto di progetto.
A differenza dei sistemi attivi e semi-attivi il
comportamento può essere ottimizzato per
un solo livello di sollecitazione simica.
Aumento di rigidezza e resistenza
del sistema strutturale
N.B. Non è necessario
nessun apporto di
energia esterna
SISTEMI PASSIVI
Una struttura si può definire “adeguata sismicamente” se la domanda in termini di prestazioni strutturali
(rigidezza, resistenza o duttilità) è inferiore alla corrispondente capacità della struttura.
Domanda  Capacità
Diminuzione della domanda di prestazione: ISOLAMENTO SISMICO
L’interposizione tra fondazioni e
sovrastruttura di un sistema di
isolatori implica l’aumento del
periodo proprio del sistema
strutturale, diminuendo l’entità
dell’energia sismica trasmessa
all’edificio.
0.4
0.35
Spettro elastico
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
1
2
3
4
5
Aumento della capacità: SISTEMI DISSIPATIVI
0.4
0.35
Spettro elastico
0.3
0.25
Spettro inelastico
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
1
2
3
4
5
L’utilizzo di sistemi dissipativi
aggiuntivi
permette
di
localizzare in appositi elementi
la
dissipazione
dell’energia
trasmessa dal terremoto senza
ricorrere al danneggiamento
della struttura.
SISTEMI PASSIVI: ISOLAMENTO SISMICO
PRINCIPIO DELL’ISOLAMENTO SISMICO
Ridurre, in caso di evento sismico, la deformazione
dell’edificio concentrando la domanda di spostamento
all’interno del sistema di isolamento interposto tra il terreno e
la struttura isolata.
OBIETTIVI
 Disaccoppiare il moto della sovrastruttura e del terreno,
limitando la quantità di energia sismica in ingresso;
 Limitare al minimo i danni di sovrastruttura e sottostruttura;
 Assenza di danneggiamento dei dispositivi di isolamento;
 Possibilità di dissipare l’energia sismica in ingresso;
 Possibilità di autoricentraggio della struttura
QUANDO CONVIENE UTILIZZARLO
Più efficace nel caso di.
−Edificio a base fissa con un periodo proprio basso;
−Terreno rigido;
Meno efficace nel caso di:
− Edificio a base fissa con un periodo proprio elevato;
− Terreno soffice.
PRINCIPALI TIPOLOGIE DI SISTEMI DI ISOLAMENTO
Appoggi in gomma (alto o basso smorzamento);
 La gomma presenta buone capacità di smorzamento;
 Grazie alle elevate prestazioni meccaniche della gomma, è
possibile prevedere deformazioni di progetto fino a tgϒ =2.0
 La gomma è rinforzata con sottili piastre metalliche che
irrigidiscono il comportamento dell’isolatore in direzione
verticale, mantenendo praticamente inalterata la deformabilità
trasversale;
 Gli isolatori in gomma presentano una limitata capacità di
ricentraggio
 Appoggi in gomma (alto o basso smorzamento);
Deformazione Deformazione
recuperata
residua
Isolatori a pendolo scorrevole
 Permettono lo spostamento relativo della struttura rispetto alle
fondazioni secondo una o due superfici sferiche;
 Il raggio di curvatura delle superfici sferiche determina il
periodo proprio di vibrazione della struttura, che è quindi
indipendente dalla massa.
 L’attrito della superficie di scorrimento determina lo
smorzamento viscoso equivalente;
 Presentano una capacità di ricentraggio che però si annulla in
corrispondenza posizione iniziale
Isolatore con superficie sferica singola
Isolatore con superficie sferica doppia
COME SI EFFETTUA UNA TECNICA DI ISOLAMENTO
Le fasi operative di un intervento di isolamento sismico di un edificio esistente possono essere riassunte nei seguenti
punti:
1. Identificazione del piano di sconnessione;
2. Inserimento di un diaframma rigido di piano;
3. Rinforzo delle colonne in corrispondenza del piano di sconnessione;
4. Installazione dei martinetti idraulici;
5. Decompressione e taglio delle colonne;
6. Inserimento degli isolatori
7. Realizzazione degli spazi di movimento laterale;
8. Adeguamento degli impianti.
Identificazione piano sconnessione e
inserimento piano rigido
Rinforzo col. – Installazione Martinetti - Decompressione
Rimozione porzione pilastro
Taglio colonne mediante filo diamantato
Installazione dispositivi di isolamento
Le attuali Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC2008) permettono di tenere in considerazione l’effetto benefico
del sistema di isolamento nella progettazione degli elementi della sottostruttura e della sovrastruttura.
Analisi statica equivalente
Tis  min(3  Tbf ;3  s)
Analisi modale
Modellazione in campo lineare di sottostruttura,
sistema di isolamento e sovrastruttura
Sottostruttura e sovrastruttura vengono dimensionati per forze inferiori rispetto al caso di base fissa.
Nel caso di mal funzionamento del sistema di isolamento, gli
elementi strutturali risultano fortemente sottodimensionati
PRINCIPALI PROBLEMATICHE
 il GAP e le relative protezioni non devono ostacolare il moto di “corpo rigido” della sovrastruttura;
 Gli elementi di INTERFACCIA devono sopportare indenni lo spostamento di progetto (specialmente se
tali elementi sono rilevanti dal punto di vista della sicurezza);
 L’IRROBUSTIMENTO e l’IRRIGIDIMENTO degli elementi portanti “interrotti” dagli isolatori deve essere
tale da garantire la corretta ed uniforme distribuzione degli sforzi;
 La MANUTENZIONE deve essere garantita in modo tale da mantenere gli isolatori nelle condizioni
previste a progetto per TUTTA LA VITA UTILE della struttura.
SISTEMI DISSIPATIVI PASSIVI
La protezione passiva mediante DISSIPAZIONE consiste nel fornire alla struttura la capacità di dissipare
una consistente parte dell’energia di scuotimento indotta dal terremoto senza ricorrere al danneggiamento
degli elementi strutturali demandati alla portanza verticale.
Danneggiamento degli
elementi strutturali
Danneggiamento concentrato
in appositi elementi
(breaking of the structure)
(braking of the structure)
SISTEMI DISSIPATIVI PASSIVI: “braking” than “breaking” the structure
L’azione frenante operata dagli elementi dissipativi consente di ridurre le deformazioni indotte dal terremoto e
quindi il danneggiamento degli elementi strutturali e dei componenti non strutturali.
STRATEGIE DI PROTEZIONE MEDIANTE SISTEMI DISSIPATIVI
Le attuali strategie di protezione mediante controventi dissipativi possono essere raggruppate in 4
CATEGORIE a seconda che sia previsto o meno il danneggiamento della struttura e la permanenza o meno
in campo elastico dei controventi dissipativi
Struttura NON DANNEGGIATA
Controventi in campo ELASTICO
Struttura DANNEGGIATA
Controventi in campo ELASTICO
Struttura NON DANNEGGIATA
Controventi in campo NON ELASTICO
Struttura DANNEGGIATA
Controventi in campo NON ELASTICO
Comportamento MONOTONO
Controventi
ELASTICI
Sistemi
DISSIPATIVI
Comportamento CICLICO
Lo schema più utilizzato nella protezione sismica degli edifici si fonda sull’introduzione all’interno della
maglia strutturale di un sistema supplementare, che utilizza speciali dispositivi dissipativi incorporati in
(o collegati a) controventi rigidi che connettono due piani della struttura, solitamente consecutivi
STRUTTURA: la progettazione del
sistema di controventi può prevedere a
seconda della strategia adottata, un
livello di danneggiamento basso,
medio o alto della struttura
ELEMENTO DISSIPATIVO: zona in cui
vengono concentrate le deformazioni
plastiche
Schema dell’applicazione di un controvento eccentrico
dissipativo in un edificio in cemento armato
Plasticizzazione a taglio di un link corto in un
controvento dissipativo eccentrico
Classificazione SISTEMI DISSIPATIVI
PRINCIPALI OBIETTIVI
•
Limitare le deformazioni negli elementi strutturali;
•
Miglioramento di smorzamento, rigidezza e resistenza
della struttura.
TIPOLOGIE DI SISTEMI DISSIPATIVI
I principali tipi di smorzatori attraverso i quali è possibile
migliorare la dissipazione di energia sono quelli dello:
1.
Metallic Yield dampers (smorzatori metallici);
2.
Friction Dampers;
3.
Visco – Elastic Dampers;
4.
Viscous Fluid Dampers;
5.
Metallic shear panels.
Smorzatore metallico BRB
(Buckling Restrained Brace)
Controvento ad instabilità impedita con un fuso interno
realizzato in acciaio ad alto snervamento circondato da un
tubo di acciaio
•
La regione tra il tubo e il controvento è riempita con un
materiale simile a cls mentre il controvento è protetto
dal contatto con tale cls mediante un rivestimento;
•
La presenza del tubo favorisce il confinamento e evita
l’instabilizzazione del controvento;
•
Lo smorzatore può snervare sia in trazione che in
compressione e i carichi sono interamente portati dal
controvento in acciaio;
•
Dal momento che l’instabilizzazione non si
verifica, ad ogni ciclo si può avere una grande
dissipazione di energia
Smorzatore metallico BRB
(Buckling Restrained Brace)
Principio di funzionamento
L’azione assiale esterna viene trasmessa direttamente al
fuso interno. Poiché fuso e tubo sono sconnessi
assialmente, il tubo non è soggetto a fenomeni di
instabilità.
Quando il fuso è soggetto a sforzi di compressione, il
tubo esterno impedisce, grazie alla sua rigidezza
flessionale, lo sbandamento. In questo modo il fuso può
plasicizzarsi sia in trazione che in compressione.
Sezioni tipiche di elementi BRB
Nella maggioranza dei casi la regione tra fuso interno e tubo è
riempita con cls e uno strato di un elemento a basso coefficiente
d’attrito per evitare che lo sforzo normale venga trasmesso al tubo.
Nelle versioni “solo acciaio” non è previsto materiale di riempimento
e deve essere lasciato un adeguato spazio per permettere
l’espansione trasversale del fuso.
Primo brevetto BRB: COREBRACE (USA)
Brevetto STAR-SEISMIC (USA)
BRB installati all’Università di Ancona (Antonucci et al.)
Wallace F.Bennet Federal building (USA)
STATO DELL’ARTE DEI SISTEMI DISSIPATIVI
Smorzatore metallico ADAS
Serie di piatti in acciaio la cui estremità inferiore è collegata
alla sommità del sistema di controvento, e la cui estremità
superiore è collegata al solaio, al di sopra del sistema di
controvento
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
•
Quando l’impalcato si deforma lateralmente, i
piatti di acciaio sono soggetti a una forza di
taglio, che provoca momenti flettenti in
corrispondenza dell’asse debole della
sezione trasversale del piatto;
•
La configurazione geometrica dei piatti è tale
che il momento flettente provoca una
distribuzione uniforme di tensioni sulla
sommità del piatto, (azioni inelastiche
sviluppate su tutta l’altezza
del piatto).
Smorzatori per ATTRITO
Smorzatore per
controvento in
tensionecompressione
Smorzatore per
controvento solo in
tensione
Sfruttano il principio dell’attrito che si sviluppa tra due corpi
solidi che slittano l’uno sull’altro, dissipando così energia
Slotted-Bolted friction dampers: Serie di piatti di acciaio
bullonati con una opportuna forza di serraggio, tale da
far scorrere i piatti sotto una specifica azione. Lungo la
superficie di scorrimento tra i piatti si possono interporre
materiali speciali (coefficienti di attrito fissati)
Pall cross-bracing friction dampers: Uno smorzatore
rettangolare viene connesso nel punto di mezzo di un
sistema di controventatura a croce; lo smorzatore è
imbullonato ai controventi. Sotto azione laterale la
struttura si distorce in modo che due dei controventi
sono tesi e due compressi.
Questo sistema di forze provoca la deformazione
dello smorzatore (da rettangolo a
parallelogramma), che dissipa quindi energia
Esempio di applicazione dei Pall friction dampers.
Smorzatori VISCO ELASTICI
Si tratta di genere di copolimeri o sostanze vetrose
che dissipano energia tramite deformazione a taglio
Sono cuscinetti di un solido elastomerico (visco
elastico) connessi a piatti di acciaio e inseriti nei
sistemi di controvento
Configurazione tipica
smorzatore visco
elastico
• Quando una estremità dello smorzatore si sposta
rispetto all’altro, si genera del calore che viene
dissipato dal dispositivo;
• Lo smorzatore visco elastico ha sia la capacità di
dissipare energia che quella di accumularla;
• A basse frequenze gli smorzatori visco elastici
mostrano bassa rigidezza e capacità di
dissipazione di energia, che crescono per alte
Esempio di applicazione
in struttura in c.a.
esistente
frequenze.
Smorzatori VISCO FLUIDI
Si tratta di cilindri cavi riempiti con materiale fluido,
generalmente a base di silicone.
Tipico smorzatore visco fluido,
sistema di connessione con la
struttura esistente in c.a.
•
Quando il pistone entra in funzione, il fluido
è obbligato a passare attraverso delle
fessure o attraverso la testa stessa del
pistone;
•
La differenza di pressione risultante sul
pistone (molto alta nella parte superiore e
bassa in quella inferiore) genera grandi forze
che si oppongono al moto relativo dello
smorzatore;
•
Il fluido scorre ad elevate velocità e si
sviluppa attrito tra le particelle del fluido e
la testa del pistone;
•
Questo attrito provoca dissipazione di
energia sotto forma di calore e
innalzamento della temperatura.
PANNELLI METALLICI A TAGLIO
Pannelli in acciaio (alti un piano e larghi una campata)
inseriti verticalmente nella struttura connettendoli a travi e
pilastri esistenti
Due sistemi prevalenti di dissipazione
1.
2.
dissipazione per Taglio puro
dissipazione per nel campo delle trazioni;
1
Comportamento stabile sotto azione
ciclica e snervamento uniforme
diffuso su tutto il pannello
Assorbono una gran parte dell’input
sismico e proteggono la struttura da
danni rilevanti
Inserimento di irrigidimenti per
evitare fenomeni di instabilità delle
parti compresse
Configurazioni tipiche e esempi
applicativi
2
La snellezza del pannello ne
provoca la prematura
instabilizzazione in campo
elastico
Bassa dissipazione
energetica e grande
interazione flessionale con
travi e colonne della
struttura
I sistemi dissipativi appena descritti sono in generale inseriti nella maglia strutturale tramite dei controventi
(generalmente in acciaio) che connettono due piani consecutivi
CONTROVENTI CONCENTRICI
GLOBALE
Imperfezione controvento
(simulazione fenomeni di instabilità)
RETROFIT CON ELEMENTI IN ACCIAIO
• Incremento considerevole di resistenza nei
confronti della forza laterale e un minore
incremento della rigidezza laterale;
• Necessità di studiare la configurazione
architettonica più conveniente per l’uso degli
spazi.
• Considerare, nella progettazione, possibili effetti
di instabilità delle membrature compresse (a
meno di utilizzare elementi tozzi o ad instabilità
impedita);
• Metodo meno distruttivo dell’inserimento di
setti in c.a.;
• Si possono comunque avere problemi in
corrispondenza degli attacchi alla struttura
esistente;
Possibili configurazioni dei controventi concentrici
I sistemi dissipativi appena descritti sono in generale inseriti nella maglia strutturale tramite dei controventi
(generalmente in acciaio) che connettono due piani consecutivi
CONTROVENTI ECCENTRICI
RETROFIT CON ELEMENTI IN ACCIAIO
Sistema che unisce i benefici di un sistema MRF con uno
CBF e riduce i loro rispettivi svantaggi
+
MRF
•
Buona rigidezza elastica;
•
Risposta inelastica stabile sotto carichi ciclici laterali;
•
Eccellente duttilità e capacità di dissipazione.
CBF
DISSIPAZIONE ATTRAVERSO IL LINK
(porzione della struttura a cui si
connettono direttamente i controventi)
Possibili configurazioni dei controventi eccentrici
K-braced
frame
D-braced
frame
V-braced
frame
Inverted
Y-braced
frame
Link Corti
A TAGLIO
Link Lunghi
A MOMENTO
e
V
V
P
L
e
e
V
P
P
Link Corti
A TAGLIO
M
M
P
M
P
P
M
Vd M VP
M

V
e
Md  MP


V
H
1.6M P
e V
VP
N
L
eL
V
P
M
e
e
V
V
P
P
M
P
P
M
Link Lunghi
A MOMENTO
V
P
M
P
P
M
M


M
V
Vd  VP
V
Md  MP
H
N
V
e
2.6M P
VP
APPLICAZIONI A STRUTTURE ESISTENTI
Per garantire un’adeguato funzionamento dei controventi dissipativi è necessario garantire un’efficace
collegamento con la struttura in cui vengono inseriti.
Controventi con coprigiunti dissipativi
(controventi nel piano del telaio)
Controventi con dissipatori viscoelastici
(controventi al di fuori del piano del telaio)
Particolare attenzione è stata posta
nel collegamento fuori piano del
controvento con la struttura per
evitare la trasmissione di eccessive
sollecitazioni a livello locale
Scuola elementare via Lazio,
Potenza
Scuola Gentile Fermi, Fabriano
E’ necessario assicurare un certa ridondanza dei controventi per evitare che la rottura di un solo elemento
renda inefficace il sistema e per limitare il valore degli sforzi locali trasmessi alla struttura.
Controventi elastici
Disposizione dei controventi
Particolare attacco struttura - controventi
Scuola elementare via Roma, Potenza
La scelta della tipologia di controventi è spesso condizionata da ragioni architettoniche. In alcuni casi, con
una opportuna progettazione dell’intero sistema, è possibile combinare elementi con configurazione
geometrica diversa.
Controventi con coprigiunti dissipativi
Controventi a V rovescia
combinati con controventi
a croce di S. Andrea
Scuola Media Busciolano, Potenza
SISTEMI DISSIPATIVI TRADIZIONALI
INTRODUZIONE
Vantaggi
 Modifica favorevolmente le caratteristiche di rigidezza, resistenza e duttilità della struttura
 Concentrazione delle deformazioni plastiche in appositi elementi
 Possibilità di ridurre o eliminare il danneggiamento degli elementi strutturali principali
Svantaggi
 Presenza di deformazioni residue nella struttura anche dopo la fine dell’evento sismico a causa delle
deformazioni plastiche irreversibili
Spostamento residuo
Forza Sismica
Area=Energia dissipata
Spostamento della
struttura
Spostamento
residuo
Link
plasticizzato
SISTEMI DISSIPATIVI TRADIZIONALI
INTRODUZIONE
L’utilizzo di sistemi isteretici “convenzionali” o
il concentrare le deformazioni plastiche in
elementi della struttura stessa comporta, alla
fine dell’evento sismico, la presenza di
deformazioni residue.
• Aumento della vulnerabilità della struttura
nei confronti di successive scosse;
• Amplificazione degli effetti del II° ordine;
• Complicazione degli interventi di
manutenzione e di eventuale sostituzione
degli elementi dissipativi.
SISTEMI DISSIPATIVI INNOVATIVI
INTRODUZIONE
SISTEMI AUTORICENTRANTI
Sono dispositivi isteretici caratterizzati dalla presenza di una forza di ricentramento che al
termine di ogni ciclo isteretico riporta il sistema nella posizione iniziale.
Sono anche detti Flag Shaped Hysteretic Devices (FSHD) a causa della singolare forma a
bandiera assunta dal ciclo isteretico
Forza
Sismica
F
rK 0
Fy
 Fy
Comportamento
elasto-plastico
Dissipazione
Energia
 Forza di
ricentramento
Annullamento
deformzione residua
K0
Area=Energia dissipata
A
Spostamento della
struttura

Fattore di ricentramento β
β=0
0<β<1
β>1
Sistema elastico
Sistema ricentrante
Sistema con deformazioni residue
INTRODUZIONE
Colonne Templi Greci e Romani
Connettore in piombo per il
centraggio e la resistenza
alle forze di taglio
Peso copertura + peso colonna
Azione sismica
Ponte Ferroviario Rangitikei (1981)
Peso sovrastruttura+peso colonna
Azione sismica
Dissipazione affidata ad un
connettore metallico
Sistemi Post-Tesi
a Telaio (pre-fabbricato)
a Muro (pre-fabbricato)
In tutti questi sistemi l’azione di autocentramento è
assicurata dalla presenza dei cavi post tesi, mentre la
dissipazione dell’energia sismica in ingresso è affidata
ad elementi in acciaio dolce (non presollecitato).
L’utilizzo di tutti questi sistemi deve essere
previsto già in FASE DI PROGETTAZIONE.
Sono poco flessibili per l’adeguamento di edifici
esistenti
INTRODUZIONE
a Telaio (in acciaio)
DISSIPATORE FSHD
L’Università di Pisa con l’ILVA SpA ha sviluppato un prototipo di dissipatore FSHD
completamente in acciaio.
Modello proposto da Christopoulos (2008)
“Scheletro”
Configurazione di un
elemento di controvento
Sistema di pretensione
Funi da precompressione
Sistema dissipativo
Isteretico con qualità di
acciai ottimizzate
Sistema in fase di
BREVETTO
Inventori:
Prof. Ing. W. Salvatore
Dott. Ing. Aurelio Braconi
Titolari:
Università di Pisa
ILVA SpA Taranto
Prototipo del sistema dissipativo durante una fase di montaggio
DISSIPATORE FSHD
Descrizione geometrica del prototipo: SCHELETRO
Ha la funzione di trasmettere e di distribuire la forza introdotta nel sistema agli elementi
dissipativi ed agli elementi di precompressione.
Carter esterno
Telaio interno
Piastre di
estremità
Elementi dissipativi
Funi di precompressione
DISSIPATORE FSHD
ELEMENTI DISSIPATIVI
Sono realizzati tramite acciaio ottimizzato, sagomati ad osso di cane ed equipaggiati con un
sistema di stabilizzazione laterale tale da permettere deformazioni in campo plastico anche in
fase di compressione.
500
10
40
170
Elementi dissipativi e sistema di stabilizzazione laterale
ELEMENTI DI RICENTRAGGIO
Hanno la funzione di esercitare la forza di ricentraggio del sistema al termine di ogni ciclo
isteretico. Sono stati realizzati mediante delle funi spiroidali aperte fornite dalla società Redaelli
Tecna SpA. Sono dotate di capicorda cilindrici con barre filettate.
Fune con Capocorda cilindrico con barre filettate (Redaelli SpA)
DISSIPATORE FSHD
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO: Carico esterno di compressione
AB <0
AB <0
A
A
A
Elementi Dissipativi Attivi
( Tesi)
( Tesi)
Elementi Dissipativi
Scarichi
Scarichi
Elementi Dissipativi latoElementi
A
Elementi
Dissipativi
Dissipativi
NON ATTIVI (Scarichi)
lato B ATTIVI (Tesi)
Scarichi
Elementi Dissipativi lato A
F
F
F

Elementi Dissipativi lato
 A
F
F


F

F

Funi di pretensione

ATTIVE (Tese)
F

0
B
0B
AB <0
Funi di pretensione
Elementi
Dissipativi Attivi Comportamento
dissipatore
ATTIVE
(Tese)
( Tesi)
Funi di pretensione
Comportamento
F
F
dissipatore
ATTIVE (Tese)
F
AB >0
Fase
Fasedi
dicarico
carico inin
compressione
compressione
Fase
di carico in
compressione
AB

Fase di carico in
Comportamento Elementi
compressione
Dissipativi lato
dissipatore
NON ATTIVI (Scarich
F

AB >0
AB >0
0
F


DISSIPATORE FSHD
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO: Fase di scarico in compressione
A
ElementiDissipativi
Dissipativi lato
Elementi
lato A
A
Elementi
Dissipativi
NON
ATTIVI
(Scarichi)
lato
B
ATTIVI
(Tesi)
lato B ATTIVI
lato
A
Elementi
Dissipativi
F
F
(compressi)
lato
NON ATTIVI
(Scarichi)
F
Scarichi FB ATTIVI
(compressi)
F
F




F
Funi di
di pretensione
pretensione
Funi
ATTIVE (Tese)
(Tese)
ATTIVE
Funi
di
pretensione
ElementiFDissipativi Attivi
ATTIVE
(Tese)
F( Tesi)
F

F

AB <0
BB
B
Fase
scarico in
in
carico
ABdidi>0
0Fase
Fase di scarico in
(Tesi)
Scarichi

0
Elementi
ElementiDissipativi
DissipativiAttivi
Attivi
( Tesi)
(Tesi)
(Compressi)
Elementi
ElementiDissipativi
Dissipativi
Scarichi
Scarichi
AA
A
AB >0
AB <0


A
F

Funi di pretensione
ATTIVE (Tese)
F

Comportamento
Comportamento
dissipatore
dissipatore
Comportamento
F
dissipatore
F
compressione
compressione
Fase
di scarico in
compressione
compressione


B

Fase
di Dissipativi
carico inlato
Elementi
NON ATTIVI (Scarich
compressione
Comportamento
dissipatore
F
F



DISSIPATORE FSHD
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO: Fase di carico in trazione
AB <0
AA
Elementi
Scarichi
Attivi (tesi)
Elementi
Dissipativi
Attivi
Elementi
Dissipativi
( Tesi)
Non
attivi
Attivi (tesi)
Non attivi
A
B B
AB <0
A
ElementiDissipativi
Dissipativi lato A
Dissipativi
Elementi
A
Elementi
NONATTIVI
ATTIVI(Tesi)
(Scarichi)
lato
(Tesi)
latoBB ATTIVI
Non ATTIVI
FF
FF Dissipativi
lato A
Elementi
Scarichi
ATTIVI (Tesi)
lato B Non ATTIVI
F
F



F
F

Funi di
di pretensione
Comportamento
Dissipatore
Funi
pretensione
dissipatore
ATTIVE (Tese)
(Tese)
ATTIVE
FF
F FDissipativi Attivi
Elementi
Dissipatore
Funi di pretensione
( Tesi)
ATTIVE (Tese)
F
F

BABdi
di>0
carico
Fase
carico
in in
0Fase
Fase di carico in
Trazione
compressione
trazione
Fase di carico in
Trazione

A B



Funi di pretensione
ATTIVE (Tese)
F

AB >0
0
Comportamento
dissipatore
NON ATTIVI (Scarich
F

Fase di carico in
Elementi
Dissipativi lato
compressione
F


DISSIPATORE FSHD
Il progetto del dissipatore sismico autoricentrante è stato condotto in 3 FASI PRINCIPALI:
 FASE 1: Analisi numeriche preliminari
Analisi statiche cicliche e
dinamiche non lineari su un
modello semplificato
• Individuazione dei range ottimali delle
caratteristiche dei materiali;
• Calibrazione delle prove di fatica oligociclica
sulle qualità di acciaio selezionate
 FASE 2: Caratterizzazione meccanica acciai ottimizzati per elementi dissipativi
Prove di trazione
Prove di fatica oligociclica
Scelta della qualità degli acciai
 FASE 3: Caratterizzazione sperimentale del comportamento del dissipatore
Prove cicliche
trazione-compressione
“Short testing procedure”
Caratterizzazione del reale comportamento
del dissipatore
ANALISI NUMERICHE
Valutazione del range ottimale delle caratteristiche meccaniche degli acciai
Le analisi numeriche preliminari sono state svolte per valutare l’influenza delle caratteristiche meccaniche degli
elementi dissipativi e di ricentramento sul comportamento globale del dispositivo.
•Fattore di ricentramento β
50% prestress level
75% prestress level
62.5% prestress level
1.60
1.40
25% prestress level
•Fattore di smorzamento viscoso equivalente
•Duttilità
Displacement ductility - m
Flag Shaped Factor - 
•Tensione di snervamento elementi dissipativi
[150 - 1200 Mpa]
• Percentuale di pretensione dei cavi ρ
[12.5% - 75% della tensione di snervamento]
45
No Re-centering capabilities
50% prestress level
75% prestress level
 = 0.90
40
35
1.20
No Re-centering
capabilities
30
1.00
25% prestress level
25
0.90
0.80
20
0.60
15
0.40
10
Re-centering capabilities
0.20
5
Re-centering capabilities
0
0.00
0
200
400
600
800
1000
1200
2
Yielding Stress [N/mm ]
0
200
400
600
800
1000
1200
2
Yielding Stress [N/mm ]
 All’aumentare della tensione di snervamento diminuisce β (valori ottimali inferiori a 500 MPa)
 All’aumentare di ρ aumenta β ma diminuisce la duttilità
 Valori ottimali del fattore di smorzamento viscoso si ottengono per valori di ρ intorno al 50%
ANALISI NUMERICHE
Calibrazione della prova di fatica oligociclica sulle qualità di acciaio
Le analisi dinamiche incrementale (IDA) sono state effettuate utilizzando 30 accelerogrammi naturali opportunamente
scalati in modo da ottenere per ognuno lo stesso livello di azione sismica sul dissipatore. Per ogni accelerogramma
sono stati considerati 10 valori di PGA per un totale di 300 analisi. Dalla storia di deformazione degli elementi
dissipativi , tramite il metodo del serbatoio, è stato effettuato un conteggio dei cicli di deformazione e , mediante analisi
statistica, la calibrazione del numero di cicli e del livello di deformazione per le prove di fatica oligociclica.
Deformazione [%]
4.0
Accelerogramma
PGA [g]
0.8
Conteggio cicli
Storia di deformazione elementi
dissipativi
Analisi Dinamica Incrementale (IDA)
Conteggio cicli: metodo del
serbatoio
3.5
0.6
3.0
0.4
2.0
0
-0.2
Analisi Statistica numero ed
ampiezza cicli
2.5
0.2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
1.5
-0.4
1.0
-0.6
Calibrazione della prova di
fatica oligociclica
0.5
-0.8
0.0
-1
0
-1.2
Tempo [s]
-0.5
2
4
6
8
Tempo [s]
10
12
14
16
PROVE DI TRAZIONE
C
Si
Mn
P
S
Nb
Al
Ti
PH10 0.004 0.020 0.180 0.015 0.010
0.040 0.070 0.034
CH3N 0.040 0.025 0.290 0.015 0.015
0.025 0.010 0.088
B040
0.055
0.060 0.020 0.250 0.020
0.100
BassoRS54
limite0.080
di snervamento
duttilità
0.020 0.600 0.020- Elevata
0.010 0.035
0.050 0.025
400
350
300
250
200
150
100
50
0
C EQ
0.180
PH10
PH10
PH10
CH3N
CH3N
CH3N
CH3N
PH10
PH10
B040
PH10
PH10
B040
CH3N
RS54
CH3N
RS54
B040
B040
RS54
RS54
C
C
C
0.004
0.004
0.004
C
C
0.040
C
0.040
0.040
0.040
0.004
0.004
0.060
0.004
0.004
0.060
0.060
0.040
0.080
0.040
0.080
0.060
0.060
0.080
0.080
Si
Si
Si
0.020
0.020
0.020
Si
Si
0.025
Si
0.025
0.025
0.025
0.020
0.020
0.020
0.020
0.020
0.025
0.020
0.025
0.020
0.020
0.020
0.020
0.020
Mn
Mn
Mn
0.180
0.180
0.180
Mn
Mn
0.290
Mn
0.290
0.290
0.290
0.180
0.180
0.250
0.180
0.180
0.250
0.250
0.290
0.600
0.290
0.600
0.250
0.250
0.600
0.600
PROVE SPERIMENTALI
S
Nb
Al
Ti
S
Nb
Al
Ti
S
Nb
Al
Ti
0.010
0.040
0.070
0.010
0.040
0.070
0.010
0.040
0.070
S
Nb
Al
Ti
S
Nb
Al
Ti
0.015
0.025
0.010
S
Nb
Al
Ti
0.015
0.025
0.015
0.025
0.010
0.015
0.025 0.010
0.010
0.010
0.040
0.070
0.010
0.040
0.070
0.055
0.010
0.040
0.010
0.040
0.070
0.055 0.070
0.015
0.025
0.010
0.010
0.035
0.050
0.015 0.035 0.050
0.010
0.025 0.025
0.010
0.025
0.055
0.055
0.010 0.035 0.050 0.025
0.010 0.035 0.050 0.025
C EQ
C
C EQ
EQ
0.034
0.034
0.034
C EQ
C
0.088
EQ
C EQ
0.088
EQ
0.088
0.088
0.034
0.034
0.100
0.034
0.100
0.034
0.100
0.088
0.180
0.088
0.180
0.100
0.100
0.180
0.180
Tensione Deformazione
350
Tensione Deformazione
P
P
P
0.015
0.015
0.015
P
P
0.015
P
0.015
0.015
0.015
0.015
0.015
0.020
0.015
0.015
0.020
0.020
0.015
0.020
0.015
0.020
0.020
0.020
0.020
0.020
300
250
200
150
100
Acciaio BO40 Reh=241N/mm2 Agt=26.4%
Acciaio PH10 Reh=227N/mm2 Agt=16.7%
50
0
0
600
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
-50 0
0,1
500
Tensione - Deformazione
500
0,2
0,3
0,4
Tensione - Deformazione
400
400
300
300
200
200
100
Acciaio CH3N Reh=392N/mm2 Agt=15.6%
100
0
Acciaio RS54 Reh=302N/mm2 Agt=22.6%
0
0
0,05
0,1
0,15
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
PROVE SPERIMENTALI
PROVE DI FATICA OLIGOCICLICA per l’acciaio BO40
Velocità di def. paria 0.000083s-1
Deformazione
massima
2%
4%
7%
N° cicli
>20
>20
12
Tensione [N/mm^2]
Low Cycles Fatigue Test_ ProvinoL36_1
400
300
200
Sistema di lettura degli spostamenti
100
0
-1.0
0.0
-100
-200
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Deformazione [%]
6.0
7.0
8.0
Sistema di stabilizzazione laterale del provino
-300
-400
-500
Stato del provino alla fine del test
PROVE SPERIMENTALI
PROVE CICLICHE DI TRAZIONE-COMPRESSIONE SUL PROTOTIPO DEL DISSIPATORE
Sono state eseguite due tipologie di prove sul prototipo del dissipatore:
 Unico ciclo di trazione – compressione senza elementi dissipativi
Correlazione tra coppia di serraggio dei dadi e forza di precompressione totale
 Prova di trazione – compressione ciclica con elementi dissipativi
Caratterizzazione sperimentale del comportamento isteretico del dissipatore
Setup di prova
MURO DI CONTRASTO
APPOGGIO
SCORREVOLE
MARTINETTO
IDRAULICO DA
400 kN
DISSIPATORE
FSHD
APPOGGIO
FISSO
Prove eseguite presso il Laboratorio Ufficiale per le Esperienze dei Materiali da Costruzione
del Dipartimento di Ingegneria Civile dell’Università di Pisa
PROVE SPERIMENTALI
PROVE SUL PROTOTIPO DEL DISSIPATORE SENZA ELEMENTI DISSIPATIVI
E’ stata valutata la forza di pretensione esercitata
Forza [kN]
Diagramma Forza - Spostamento
150
dalla coppia di funi come ordinata dell’intersezione
M=300Nm
100
M=250Nm
M=150Nm
50
tra la retta che approssima il tratto iniziale e quella
che approssima il tratto dopo il distacco delle
piastre dal telaio interno.
0
-6
-4
-2
0
2
4
6
Spostamento [mm]
-50
-100
-150
Diametro
fune
[mm]
12
12
12
Coppia di
serraggio
[Nm]
150
250
300
Forza di pretensione
[kN]
Trazione Compressione
41
66
72
49
67
77
 Comportamento elastico non lineare;
 Leggera asimmetria di comportamento in trazione e compressione a causa della diversa
rigidezza degli elementi dello scheletro;
 Piccole quantità di energia dissipata a causa degli attriti interni.
PROVE SPERIMENTALI
Storia di spostamento
Spostamento [mm]
La prova è stata condotta in controllo di spostamento, utilizzando la
“short testing procedure” consigliata dall’ECCS.
5
4
3
2
1
0
•
Coppia di serraggio 250 Nm (66kN) – sez. Elementi diss.
40mm2
•
Coppia di serraggio 300 Nm (75kN) – sez. Elementi diss.
40mm2
0
100
200
300
400
500
600
700
-1
800
Tempo [s]
-2
-3
-4
-5
Coppia di serraggio 300 Nm (75kN) – sez. Elementi diss. 32mm2
Elementi
dissipativi
Numero di elementi
8
Sez. trasversale di
ciascun elemento
Tensione di
snervamento
( valore medio)
Lunghezza zona a
sezione ridotta
40 mm2
Numero di elementi
2
Diametro esterno
12 mm
Forza [kN]
•
240 N/mm2
200
150
100
170 mm
Dispositivo
isteretico
tradizionale
50
0
Funi
Tensione di
snervamento di progetto
1670 N/mm2
Lunghezza totale
3500 mm
Coppia di serraggio
utilizzata
Forza totale di
precompressione iniziale
-10
-8
-6
-4
-2
0
4
6
8
10
Spostamento [mm]
-50
Con elementi dissipativi
-100
250 Nm
67kN
2
-150
-200
Senza elementi dissipativi
PROVE SPERIMENTALI
25
20
Cartucce ridotte 64 mmq
Cartucce normali 80 mmq
Senza Cartucce
Influenza della sezione trasversale degli elementi
dissipativi (forza iniziale di pretensione pari a 75kN)
15
10
 Sezioni maggiori degli elementi dissipativi
garantiscono maggiori livelli di dissipazione
12 dell’energia ma diminuiscono la capacità di
ricentraggio
5
0
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
-5
-10
-15
-20
200
Serraggio 250Nm_1
Influenza della forza iniziale di pretensione
(sezione trasversale degli elementi dissipativi pari a
40mm2)
150
Serraggio 250Nm
100
Serraggio 300Nm
50
0
-10
-8
-6
-4
-2
0
-50
-100
-150
-200
2
4
6
8
10
 Maggiori livelli di pretensione iniziale
aumentano la forza di “snervamento” del
sistema e ne migliorano la capacità di
ricentramento
SVILUPPI FUTURI
 Il dissipatore brevettato dall’Università di Pisa e dalla società ILVA SpA dimostra un’effettiva capacità
ricentrante. Le caratteristiche di rigidezza, resistenza, duttilità e capacità di ricentramento, possono essere
di volta in volta modificate variando le caratteristiche degli elementi costituenti.
 La completa caratterizzazione della risposta meccanica del prototipo sarà ulteriormente valutata tramite
l’esecuzione di altre prove in cui si utilizzeranno differenti qualità di acciaio, differenti livelli di pre-tensione
dei cavi e diverse geometrie del dissipatore.
 Sarà realizzata una prova su una sotto-struttura in c.a. in scala reale a cui sarà collegato il sistema
dissipativo in modo da testare le capacità di riduzione delle deformazioni residue anche nelle strutture che
devono essere protette
Telaio in ca da proteggere
Muro di contrasto
Dissipatore
FSHD
SVILUPPI FUTURI
GRAZIE PER LA CORTESE ATTENZIONE

Dispositivi strutturali antisismici [salvatore]

Transcript

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