Applicazioni nell'isolamento sismico degli edifici - Ordine Ingegneri ...
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Ordine degli Ingegneri di Pescara in collaborazione con Corso breve per ingegneri strutturisti L’isolamento sismico per la sicurezza degli edifici: Normative, criteri di calcolo e di ottimizzazione, qualifiche, casi di studio Applicazioni nell’isolamento sismico degli edifici Prof. Ing. Claudio Valente, Ing. Massimiliano Parroni Dipartimento InGeo, Università "G. d'Annunzio" di Chieti-Pescara Pescara, 20 maggio 2016
Indice • Principi, vantaggi e limitazioni • Criteri e parametri di progetto • Esempi applicativi • Valutazione tecnico - economica
Testi di riferimento
Principi, vantaggi e limitazioni
Progettazione (antisismica) convenzionale La progettazione (antisismica) è basata sul soddisfacimento della disequazione Capacità ≥ Domanda (resistenza e deformabilità) (forze di inerzia da moto del suolo e massa struttura) Filosofia di progettazione: (i) Aumento della resistenza: struttura rimane in campo elastico forza - Maggiori forze (accelerazioni sulla struttura) - Costi di costruzione più elevati (ii) Aumento della duttilità: si accettano danni strutturali spostamento - Riduzione della domanda - Costi di riparazione per sismi media-alta intensità
Progettazione in duttilità: danni strutturali
Progettazione in duttilità: danni elementi non strutturali
Progettazione in duttilità: danni a contenuti - arredi - impianti
Strategie di protezione sismica Dissipazione di energia Isolamento sismico Intervento lato capacità (costruzioni esistenti) Intervento lato domanda (nuove costruzioni) Controventi dissipativi nelle maglie dei telai Isolatori alla base dell’edificio - Assorbono e dissipano energia - Abbattimento energia trasmessa dal suolo - Riduzione plasticizzazioni nella struttura - Riduzione drift e danno alle parti non strutturali (se sufficientemente deformabile in campo elastico)
Strategie di protezione sismica
Isolamento sismico: Principi Obbiettivo: Disaccoppiamento del moto dell’edificio da quello alla base (sisma orizzontale) Soluzione: Introduzione di un piano orizzontale di sconnessione alla base dell’edificio Sotto e sovra struttura ricollegate tramite particolari apparecchi di appoggio: isolatori (elastomerici) Caratteristiche dispositivi: • elevata rigidezza verticale (azioni trasmesse integralmente) • elevata deformabilità orizzontale (azioni significativamente ridotte)
Isolamento sismico: Benefici • Spostamenti relativi suolo-struttura concentrati nel sistema di isolamento Conseguenze: La sovrastruttura si muove come corpo rigido Tutta la massa modale è conferita al primo modo I modi superiori (ortogonali al primo) non partecipano al moto • Accelerazioni di piano drasticamente ridotte e uniformemente distribuite Conseguenze: Significativa riduzione del taglio alla base (riduzione forze di inerzia) Significativa riduzione del momento alla base (riduzione braccio risultante sismica da 2/3H a 1/2H) • Ricadute progettuali: La struttura si deve mantenere in campo ‘sostanzialmente’ elastico (se plasticizzazioni Tstrut → TBI; pericolo accoppiamento!) Conseguenza: Forze sismiche di progetto paragonabili tra strutture BI e strutture convenzionali BF (q = 4÷6) Differenza: edifici BI danneggiamento trascurabile; edifici BF elevato danneggiamento
Isolamento sismico: Incremento del periodo Incremento periodo = effetto opposto: • Abbattimento forze di inerzia • Incremento spostamenti Gli spostamenti relativi suolo-struttura si concentrano nel sistema di isolamento Ricerca situazione di compromesso: tra riduzione accelerazioni e incremento di spostamenti Edifici convenzionali Edifici isolati Rapporto di isolamento TBF = 0.4 ÷ 0.8 s TBI = 2 ÷ 4 s TBI / TBF = 3 ÷ 5 (elevata amplificazione spettrale) Fattore di riduzione medio ordinate spettrali (da incremento periodo) q = 3.5 ÷ 5.5
Isolamento sismico: Smorzamento Incremento smorzamento = effetto concomitante • Riduzione ordinate spettrali di accelerazione e spostamento Limitazioni all’incremento di smorzamento: • Risposta strutturale governata da modi di ordine superiore per elevato smorzamento (accoppiamento modale e non ortogonalità all’azione sismica) Edifici convenzionali Edifici isolati ξ=2÷7% ξesi = 10 ÷ 30 % Fattore di riduzione medio ordinate spettrali (da incremento smorzamento) q = 1.2 ÷ 1.6
Isolamento sismico: Vantaggi Riduzione domanda: - Abbattimento delle forze di inerzia e quindi delle sollecitazioni - Riduzione degli spostamenti di interpiano Danno e funzionalità: - No danni a elementi strutturali e non strutturali - Elevata protezione del contenuto - No interruzione d’uso (funzionalità post sisma) - Ridotta percezione del sisma da parte degli occupanti Costi: Maggiori costi iniziali compensati da assenza di costi di riparazione Vantaggi accessori: - Eliminazione possibili effetti da cause torsionali (C.R. = C.M.) - Possibilità di svincolarsi dalla regolarità = maggiore libertà compositiva (comportamento da corpo rigido della sovrastruttura)
Quando conviene impiegare l’isolamento sismico ? Efficacia sistema di isolamento sismico funzione del rapporto di isolamento: TBI/TBF = 3÷5 con TBI < 3s Verifica iniziale: stima di TBF (efficacia SI diminuisce all’aumentare di TBF) Condizionamenti strutturali • da dimensioni geometriche e sistema resistente. Edifici medio bassi. Schemi a telaio fino a 8÷10 piani; schemi con pareti di taglio fino a 12÷15 piani. • da azioni parassite (trazioni). Trazioni in combinazione sismica per H/B elevati. Trazioni da dettagli strutturali: scale con travi a ginocchio, sistemi misti telaio-parete accoppiati con travi rigide, sistemi a telaio con campate a luce assai diversa con travi rigide, ecc. • da azioni non sismiche. Adeguata rigidezza contro azioni orizzontali non sismiche (frequente attivazione in esercizio). Carichi laterali di servizio ≤ 5%W (SI progettato F = 5÷15% di W a Se[T=2s] (azione vento edifici ordinari 2% di W)
Quando conviene impiegare l’isolamento sismico ? Condizionamenti di sito • Convenienza economica si riduce al ridursi della pericolosità sismica Condizionamenti geotecnici • Caratteristiche geotecniche locali del suolo (accoppiamento periodo dominante suolo-struttura). • Ridotta efficacia in condizioni “near fault” (elevate componenti verticali, elevati spostamenti orizzontali) Condizionamenti costruttivi • Realizzazione adeguato giunto sismico perimentrale • Tubazioni flessibili di accomodamento spostamenti relativi sovra sotto struttura • Accessi per ispezioni, manutenzione, sostituzione dispositivi
Criteri e parametri di progetto
Edificio Modello piano Modello 3D Modello Sovrastruttura elementare (massa e rigidezza equivalenti/modali) Basamento (massa e rigidezza fisiche)
m us Caso ideale: ks /kb = ∞ sovrastruttura rigida rispetto alla ks, cs u = us = ub deformabilità del sistema di isolamento mb ub kb, cb oscillatore semplice: u = us = ub ug v = u - ug Equazione del moto Equazione del moto in coordinate relative m mb u cb v kb v 0 m mb v cb v kb v m mb ug Il moto del suolo equivale ad una forza applicata L’intensità della forza dipende dalla massa del sistema
Parametri di progetto sistema di isolamento • Spostamento: vb,max • Taglio: Vb,max Equazione del moto normalizzata Spostamento massimo 2b b v b2 v u v g vb ,max S d b , b 2 kb Si fissano Tb e ξb: b 2f b Tb m mb cb 2 b b m mb Taglio massimo Vb ,max m mb Cs Dagli spettri si ricava: vb,max e Vb,max: Cs S a b , b
Selezione isolatore da catalogo Spostamento max vb ,max S d b , b 190 mm Taglio totale max Vb ,max m mb S a b , b 524 kN Ke m mb S a b , b m m 2 2.76 kN / mm Rigidezza equivalente S d b , b b b
m us Caso reale: ks >> kb ks, cs sovrastruttura (poco) deformabile rispetto al sistema di isolamento mb ub kb , c b oscillatore doppio: us ≠ ub ug vb vs Massa m >> mb Spostamenti assoluti / trascinamento basamento: mb delle due masse (assoluti): us, ub sovrastruttura: m del suolo (di trascinamento): ug Rigidezza e Smorzamento ks >> kb Spostamenti relativi isolamento sismico: kb, cb degli isolatori: vb = ub – ug sovrastruttura: ks, cs d'interpiano: vs = us - ub
m Equazioni del moto del sistema (in coordinate relative) m mb vb m vs cb vb kb vb m mb ug ks, cs m vb m vs cs vs k s vs m ug mb k b, c b Si introducono i seguenti rapporti adimensionali: m • rapporto di massa m mb cs cb • rapporti di smorzamento viscoso s ; b 2 s m 2b m mb 2 b2 kb m T ks kb • rapporto delle pulsazioni 2 s s2 ; b2 s m mb k s Tb m m mb Nota: s , Ts , s e b , Tb , b sono pulsazione, periodo e rapporto di smorzamento di due oscillatori elementari • l’uno costituito dalla sola sovrastruttura assunta fissa alla base • l’altro costituito dall’intera massa vincolata dal sistema di isolamento
m Equazioni del moto normalizzate (accoppiate): Tb 1 vb vs 2 b b vb vb ug 2 ks, cs b Ts b v vs 2 s s v s s vs u g 2 mb rapporto di isolamento k b, c b Soluzione approssimata in coordinate modali (ks >> kb → > mb → ~ 1) Pulsazioni: 12 b2 1 2 s2 1 2 1 1 2 1 1 Modi: 1 2 1 1 1 2 s 1 b 1 b 2 s 1 b 1 1,5 s b Smorzamenti: 2 1 1 2
vb q1 11 q2 12 Trasformazione da coordinate fisiche vb e vs a coordinate modali q1 e q2: vs q1 21 q2 22 Equazioni del moto disaccoppiate in coordinate modali: q1 2 1 1 q1 12 q1 1 ug 1 1 coefficienti di partecipazione modale q2 2 2 2 q 2 q2 2 ug 2 2 2 Esempio: Edificio 3 piani fuori terra + basamento 1 m mb 3 1 1 b 1 kb k s 1 10 1 0.75 1 2.17 0.07 1 0.94 0.075 2 16.78 1 2 0.06 b 2.23 2 2 s 8.16 1.31 2 s
Effetti dell’isolamento Tb / Ts > 3 Ts 1s 65% 2 s 25% 3s 5% 4 s ....% T1 Tb T2 Ts 1 100% 2 0%
Risposta strutturale in coordinate modali q1,max 1 S d 1 , 1 q2,max 2 S d 2 , 2 Risposta in coordinate fisiche (combinazione SRSS) massimo spostamento isolatori massimo spostamento interpiano vb ,max q1, max 11 q2 , max 12 2 2 vs ,max q 1, max 21 q2 , max 22 2 2 Risposta in coordinate fisiche (soluzione approssimata) massimo spostamento isolatori massimo spostamento interpiano vb ,max 1 S d 1 , 1 vs ,max S d 1 , 1 2 S d 2 , 2 2 Coefficiente di taglio (valore dell'accelerazione che k s vs moltiplicato per la massa dà il Cs max m s2 vs ,max Cs S a 1 , 1 2 2 S a 2 , 2 2 valore del taglio alla base della sovrastruttura):
1 b Espressioni approssimate di progetto 1 1 1 b Per valori usuali degli spettri di risposta: Sd( 2,ξ2)
Come ottenere i valori di progetto del sistema di isolamento m mb S a b , b vb , max S d b , b Vb ,max m mb S a b , b Ke S d b , b Spettro di risposta Strumento progettuale diretto per il dimensionamento del sistema di isolamento Fissati b e ξb da spettro si ottengono vb,max, Vb,max, e Ke Compromesso tra riduzione del taglio massimo e incremento dello spostamento massimo
Rappresentazione ADRS e considerazioni progettuali Inclinazione rette per l’origine 4 2 • Si fissa il periodo della struttura isolata = 2 = = 2 • Ci si posiziona sulla retta inclinata ad esso relativa • Si trova il punto di intersezione con la curva avente lo smorzamento desiderato • Si leggono i valori di progetto dell’accelerazione (in ordinata) e dello spostamento (in ascissa) Incremento del periodo → effetti opposti su accelerazione e spostamento Incremento dello smorzamento → riduzione del taglio e dello spostamento massimo alla base • Efficacia isolamento si riduce nelle strutture con periodo a base fissa elevato • Strutture isolate opportuno non facciano affidamento su capacità di deformazione inelastiche
Esempi Applicativi
Edificio per civile abitazione IACP, Comune di Bonefro (CB) Struttura in c.a. (anno di costruzione 1982-83) – riprogettata come nuova Pianta rettangolare ca. 21 m x 10 m, altezza complessiva fuori terra ca. 14 m Quattro piani (tre abitabili), sottotetto e copertura a falde inclinate Fondazioni a grigliato di travi rovesce
Procedura di progettazione Strategia dell’incremento di periodo – Dispositivi elastomerici armati 1. Geometria - Dimensioni generali, posizione pilastri e travi, fili fissi, ecc. 2. Materiali - Caratteristiche di progetto dei materiali 3. Carichi e azioni - Carichi verticali, azione sismica, ecc. 4. Predimensionamento 4.1 Geometria elementi strutturali: definita sulla base dei carichi verticali con margini per soddisfare le verifiche sismiche 4.2 Caratteristiche fondamentali del sistema di isolamento in termini di rigidezza e spostamento globali individuazione della coppia periodo-smorzamento che permette di ottenere: - un soddisfacente abbattimento delle forze sismiche rispetto alla configurazione a base fissa - spostamenti contenuti - compatibilità con produzione commerciale 5. Modellazione e analisi strutturale - Modello di calcolo ed esecuzione analisi: determinazione sollecitazioni/deformazioni 6. Verifiche - Elementi strutturali (sollecitazioni) - Dispositivi di isolamento (sollecitazioni e spostamenti) - Giunti e connessioni non strutturali (spostamenti)
2. MATERIALI Acciaio B450C: fsd = fyk/1.15 = 391 N/mm2 Calcestruzzo C = 20/25: fcd = 0.85·Rck·0.83/1.5 = 11.75 N/mm2 Piano Peso Massa Solaio Fissi Permanenti Totali Variabili [kN] [t] 3.a CARICHI [kN/m2] [kN/m2] [kN/m2] [kN/m2] Sottostruttura 370.8 37.8 Tipo 2.82 2.80 5.62 2.00 Base 2154.3 219.6 Sottotetto 2.82 0.30 3.12 1.00 I piano 2277.9 232.2 Copertura 3.25 2.08 5.33 2.86 II piano 2285.7 233.0 [kN/m] [kN/m] III piano 2273.0 231.7 Tamponatura cieca 6.60 aperture 5.28 Sottotetto 1929.6 196.7 Copertura 736.7 75.1 TOTALE 12028.0 1226.1 3.b AZIONE SISMICA Classe uso = II, Vn = 50 anni Spettri elastici ADRS: suolo C, ξ = 5%
4. PREDIMENSIONAMENTO STRUTTURA Struttura regolare, simmetrica dir Y, simmetrica dir X Solaio sp. 20 cm (luce max 5m) Travi principali dir X - emergenti: 30x50cm Travi secondarie dir Y - emergenti esterne: 30x50cm (irrigidimento torsionale) - a spessore interne: 50x20cm (esigenze architettoniche) Pilastri - 30x50cm (no rastremazione) Disposizione e orientamento in pianta dei pilastri ottimizzati per: regolarità, simmetria, incremento rigidezza torsionale; disaccoppiamento modale (primi due modi puramente traslazionali, terzo modo puramente rotazionale)
Sezione trasversale A-A Sezione longitudinale B-B
Fondazione Solaio di base Livello di imposta della fondazione: 2.5m sotto il primo solaio realizzazione piano interrato permettere ispezione e manutenzione dei dispositivi
4.2 Predimensionamento del Sistema di Isolamento: Procedura 0. Si stima il periodo fondamentale della struttura a base fissa TBF e si controlla se consente un efficace isolamento. 1. Si definiscono il periodo (Tiso) e lo smorzamento (ξesi) della struttura isolata che consentono un soddisfacente abbattimento degli effetti sismici sulla sovrastruttura (Taglio max: Vb) senza eccessivi incrementi di spostamento (ddc). 2. Si definiscono le caratteristiche globali di rigidezza del sistema di isolamento (Kesi). 3. Si definiscono le caratteristiche e la distribuzione dei singoli dispositivi di isolamento (isolatori + appoggi a scorrimento) per ottimizzare la ripartizione delle sollecitazioni e gli effetti torsionali.
Passo 1: Taglio e spostamento in funzione di periodo e smorzamento Spettri di progetto allo SLV (suolo C) Spettri elastici allo SLC (suolo C) Spostamento massimo isolatore ddc = Se (T,ξ) / 2 Taglio massimo alla base Vb = M1 · Sd(T,ξ)
Passo 1: Taglio e spostamento in funzione di periodo e smorzamento A parità di peso W all’aumentare di T si riducono Vb e Ke. Isolatore compatibile con azioni orizzontali, ma insufficiente ai carichi gravitazionali W Caso 1: Vb/W = 12.1% Caso 2: Vb/W = 8.0% Caso 5: Vb/W = 4.8%
Passo 2 e 3: Calcolo rigidezza e verifica eccentricità Rigidezza complessiva sistema di isolamento Kesi = 2· Miso Caratteristiche dei singoli dispositivi , = ≤ , eMR = eccentricità C.M. – C.R. = min Criteri per la scelta dei dispositivi e (< 3% dimensione parallela) per la loro distribuzione in pianta • Minimo numero di tipologie diverse Si adottano isolatori tutti delle stesse caratteristiche • Disposizione per minima eccentricità Kiso = Kesi / no. pil. • Disposizione perimetrali Caso 2-3: Kiso = 11725/18 = 651 kN/m • Impiego di appoggi a scorrimento Caso 4-5: Kiso = 7504/18 = 417 kN/m
5. Modello e Analisi Struttura e isolatori a comportamento lineare Kesi riferita allo spostamento di progetto per lo stato limite in esame Necessità di ripetere il calcolo per i diversi SL Se ξesi= 10% e γ = 50 ÷ 150 % per i diversi SL, la norma consente di assumere gli stessi valori di Kiso e di ξesi sia per lo SLU che per lo SLD. Rapporto di smorzamento: - per i tre modi fondamentali: ξ = ξesi; - per i modi superiori: ξ = quello della struttura a base fissa Criteri di modellazione strutturale = convenzionali Analisi dinamica lineare: - Analisi modale con spettro di risposta - Spettro di risposta ridotto di η(ξesi) per T ≥ 0.8·Tis
6. Verifiche LE VERIFICHE SONO CONVENZIONALI CON LE SEGUENTI PRECISAZIONI 6.1. Verifiche allo SLD Sottostruttura, fondazioni e isolatori: verifiche conseguite se soddisfatte le relative verifiche allo SLV Il requisito di sostanziale mantenimento in campo elastico della struttura nelle verifiche SLV fornisce ampie garanzie rispetto alla sicurezza SLD Sovrastruttura: controllo spostamenti interpiano (2/3 dei limiti convenzionali) Le strutture isolate subiscono spostamenti di interpiano minori di quelle convenzionali per questo i limiti sono ridotti ai 2/3 in modo da garantire un livello di protezione maggiore anche agli elementi non strutturali 6.2. Verifiche allo SLV Verifiche condotte con le sollecitazioni ottenute direttamente dall’analisi (comportamento elastico lineare e q = 1.5) Elementi di connessione (bulloni, piastre, ecc.) devono rimanere in campo elastico con coeff. sic. = 1.5 6.3. Verifiche allo SLC Isolatori devono essere in grado di sostenere senza rotture lo spostamento di riferimento d2 Connessioni impianti a cavallo dei giunti progettati con lo stesso livello di sicurezza degli isolatori Maggiore grado di protezione sismica per isolatori e impianti rispetto alla struttura
6.1 Verifiche SLD: Spostamenti interpiano/altezza (drift) 3° - 4° dr /h < 2/3 · 0.005 Limite di normativa: 0.33% 2° - 3° 1° - 2° 0 - I° 0.00% 0.05% 0.10% 0.15% 0.20% 0.25% 0.30% 0.35% BF - Y BF - X BI - Y BI - X Istogramma degli spostamenti relativi massimi di piano dr espressi in % di H
6.1 Verifiche SLD: Spostamenti interpiano max Struttura BI min Struttura BF
6.2 Verifiche SLV – Struttura Sollecitazioni da modello per verifiche di: q = 3.9 - elementi strutturali >. 1.0 - baggioli - connessioni dei dispositivi di isolamento 0.8 ÷ 1.0 0.6 ÷ 0.8 0.4 ÷ 0.6 STRUTTURA BI 0.2 ÷ 0.4 q=2 STRUTTURA BF q=1
6.2 Verifiche SLV: Connessioni dispositivi di isolamento Le parti dei dispositivi di isolamento non impegnate nella funzione dissipativa devono rimanere in campo elastico Verifiche - Taglio su bulloni e tirafondi - Rifollamento piastre - Trazione tirafondi - Ecc. Coefficiente di sicurezza = 1.5
Modi di deformazione dell’isolatore in elastomero armato
6.3 Verifiche SLC: Dispositivi di isolamento ′ Primario 1 = Indice della rigidezza verticale dell’isolatore Fattori di forma Secondario 2 = Indice del rischio di instabilità dell’isolatore S1 ≥ 12 [ D ≥ 50 ] Adeguata rigidezza verticale idonea a sostenere i carichi verticali senza apprezzabili cedimenti (1 ÷ 3 mm) S2 ≥ 3 [ D ≥ 3 ] Adeguata resistenza contro fenomeni di instabilità
6.3 Verifiche dispositivi isolamento Verifica lato lamierini di acciaio ≤ ∗ Verifica lato elastomero ≤ 5 ≤ ≤2 1.5 =d2/te = + + Verifica stabilità isolatore ≤ 2 Verifica a trazione ≥ 0 = ≤ 2 , 1 ′
6.3 Verifiche SLC: Dispositivi di isolamento Caratteristiche isolatori da utilizzare nei diversi casi Isolatore CASO 2 Sintesi delle verifiche degli isolatori nei diversi casi Non appaiono esistere correlazioni tra i diversi casi L’analisi dei risultati non restituisce un criterio di selezione univoco Parametri dominanti: Vmax, d2 e Ke
6.3 Verifiche SLC: Dispositivi di isolamento Verifiche di dettaglio isolatori CASO 2 Isolatore CASO 2
6.3 Variante: isolatori + appoggi a scorrimento Edifici di medie/piccole dimensioni Carichi verticali modesti Riduzione isolatori (contenimento costi) Spostamenti verticali differenziali Soluzione 1 Soluzione 2 Tutti isolatori Isolatori perimetrali + appoggi a scorrimento
6.3 Variante: isolatori + appoggi a scorrimento Soluzione 1 Soluzione 2 Vincoli di progetto d2 = 250 mm Nmax = 1445 kN Criterio di dimensionamento Kesi = invariata = 11016 N/mm2 Ke = 612 N/mm2 D invariato = 500 mm Ke = (18/10)·612 = 1100 N/mm2 Gdin = 0.4 MPa ∙ Gdin = 0.8 MPa D / te = 550 / 154 = D / te = 500 / 126 ti = 7 mm ti = 7 mm S1 = 19.6 Si riduce te al limite di s,lim = d2/2 S1 = 17.8 S2 = 3.7 S2 = 4.0 Kv / Ke = 1260 Si usa una mescola più dura (Gdin) Kv / Ke = 970
6.3 Variante: isolatori + appoggi a scorrimento Spostamenti differenziali verticali tra isolatore in gomma e appoggio scorrevole Aggiunta di modesta armatura Alternativa: Riduzione spostamenti differenziali verticali incremento rigidezza verticale (incremento di S1 e S2)
Sottostruttura e baggioli
Esempi realizzativi
Sottostruttura e baggioli Aspetti tecnologici: Alloggiamento isolatori e loro collegamento alla struttura concepiti per garantire ispezionabilità e sostituibilità. Diaframmi rigidi: Le strutture del piano di posa degli isolatori e del piano su cui appoggia la sovrastruttura devono essere dimensionate in modo da assicurare un comportamento rigido nel piano suddetto. Condizione soddisfatta se un solaio in c.a. oppure un grigliato di travi è presente sia al di sopra che al di sotto del sistema di isolamento Resistenza: Baggioli progettati per rispondere in campo rigorosamente elastico. Deformabilità: Spostamento orizzontale baggioli ≤ 1/20 spostamento relativo sistema di isolamento In rigidezza: Kbag ≥ 20·Kiso ℎ3 3∙ ∙ 12 Rigidezza da schema a mensola: = ≫ 20 ∙ 3 Dimensioni baggioli generalmente sovrabbondanti (dimensioni aumentate per alloggiamento martinetti)
Baggioli Armatura baggiolo Modelllo: Comportamento a mensola Resistenza: Azione sismica = Taglio isolatore Deformabilità: Kbag > 20 Kiso Armatura di frettaggio Confinamento nodi
Verifica in condizioni di sollevamento per sostituzione isolatori
Impianti Devono assorbire gli spostamenti allo SL di progetto senza danni né limitazioni di uso SLD: condutture in corrispondenza dei giunti (valutare opportunità se SLV) SLV: edifici classe IV (edifici con funzioni pubbliche o strategiche importanti) SLC: impianti pericolosi (gas)
Scale
http://www.tecnokgiunti.it/ Giunti e coprigiunti Novojunta Pro Sismo • Resistenza al fuoco • Impermeabilità • Movimenti SLE (termica, usura)
Esempio di ottimizzazione del sistema di isolamento
Plesso scolastico «A. Manzoni», Monteleone di Puglia (FG) Struttura in c.a., anno di costruzione 2008 Pianta irregolare ad L ca. 50 m x 40 m, altezza complessiva ca. 16 m Piano seminterrato, tre piani fori terra e sottotetto, Fondazioni a grigliato di travi rovesce
Struttura IRREGOLARE in pianta ed in elevazione Pilastri: 30x60cm a sezione costante lungo l’altezza (localmente: 30x30, 40x60) Disposizione e orientamento in pianta = limitazione effetti torsionali Solaio sp. 25 cm (luce max 5m) Travi perimetrali: emergenti: 30x60cm Travi interne: a spessore: 80x25 ÷ 120x25 cm Materiali: Cls classe C25/30, Acciaio tipo FeB450C
Sistema di isolamento - Isolatori elastomerici + appoggi a scorrimento - Setti tra baggioli contigui per limitare spostamenti sismici Modello di calcolo - travi/pilastri con terminali rigidi - solai deformabili (elementi lastra/piastra con spessore diversificato) - Isolatori = e.f. ad elasticità concentrata
Dettagli di modellazione Solai deformabili Isolatori Disposizione setti al piano seminterrato Incastri al piede Setti tra baggioli (grigliato di fondazione rigido) Area e Momento di inerzia della = = ℎ . ., ∙ . . = ℎ . ., ∙ 1 → ℎ . ., = 0.134 sezione trasversale resistente 3 3 . . ∙ ℎ . ., 1 ∙ ℎ . ., A = 0.134 m2; J = 0.088 m4 = = = → ℎ . ., = 0.220 12 12
Struttura a base fissa T1 = 0.68 s T2 = 0.65 s SVANTAGGI: - Elevate ordinate spettrali - Modi accoppiati - Elevati contributi torsionali - Bassa partecipazione modale - Numerosi modi da considerare
Struttura isolata: ottimizzazione distribuzione isolatori Riduzione spettro da traslazione periodo e smorzamento , = 3 ∙ = 3 ∙ 0.68 = 2.03 = 10% = 10 5 + ≥ 0.8 ∙ Rigidezza complessiva sistema di isolamento 2 2 2 2 55513 , = ∙ = ∙ = 54021 / , 2.03 9.81 Obbiettivo: modi dominanti di pura traslazione (no torsione: C.M. = C.R.) Processo: iterativo a partire da solo isolatori tutti identici Criterio: correzione C.R. con introduzione appoggi a scorrimento
no. scor no. isol K1,esi Kesi Tis Tis /TBF Δx Δy Disposizione isolatori [kN/m] [kN/m] [s] [cm] [cm] Caso A BI_A 0 55 770 42350 2.37 3.5 -42 115 BI_B 25 30 1500 45300 2.22 3.3 82 -68 BI_C 23 32 1490 47680 2.15 3.2 9 -9 BI_A , = 54021 / , = 2.03 BI_A BI_A
no. scor no. isol K1,esi Kesi Tis Tis /TBF Δx Δy Disposizione isolatori [kN/m] [kN/m] [s] [cm] [cm] Caso B BI_A 0 55 770 42350 2.37 3.5 -42 115 BI_B 25 30 1500 45300 2.22 3.3 82 -68 BI_C 23 32 1490 47680 2.15 3.2 9 -9 BI_B , = 54021 / , = 2.03 BI_B BI_B
no. scor no. isol K1,esi Kesi Tis Tis /TBF Δx Δy Disposizione isolatori [kN/m] [kN/m] [s] [cm] [cm] Caso C BI_A 0 55 770 42350 2.37 3.5 -42 115 BI_B 25 30 1500 45300 2.22 3.3 82 -68 BI_C 23 32 1490 47680 2.15 3.2 9 -9 BI_C , = 54021 / , = 2.03 BI_C BI_C BI_C modo 1 modo 2
BI_A BI_B BI_C
Struttura Modo T [s] Ux [%] Uy [%] Confronto BF - BI_C 1 0.68 1 50 100 BF 2 0.65 9 12 90 80 3 0.58 50 0 70 1 2.37 24 0 60 BI_A 2 2.26 0 92 50 3 2.20 68 0 40 30 1 2.22 8 73 20 BI_B 2 2.17 81 11 10 3 1.99 3 8 0 1 2 3 1 2.15 0 92 BI_C 2 2.12 93 0 Ux [%] Uy [%] Ux [%] Uy [%] 3 1.95 0 0 BF BF BI_C BI_C Modo 1 Modo 2 Modo 1 Modo 2
Struttura Modo T [s] Ux [%] Uy [%] BI_C – Modi disaccoppiati 1 2.15 0 92 BI_C 2 2.12 93 0 3 1.95 0 0 BI_C BI_C Modo 1 Modo 2 BI_C Modo 3
Caratteristiche isolatori e verifiche
Efficacia e convenienza dei sistemi di isolamento sismico
Quando conviene l’isolamento sismico ? Edifici di nuova costruzione Edifici in c.a. - funzione di: rapporto di isolamento BI / BF - funzione di: caratteristiche del sottosuolo Edifici in muratura - funzione di: caratteristiche del sottosuolo Edifici esistenti Edifici in c.a. - Edifici strategici (caserme, municipi, ospedali, ….) - Edifici con contenuto di elevato valore (musei, ….) Edifici in muratura Condizioni geosismiche di sito - Caratteristiche geotecniche di sito - Condizioni near fault - Intensità sismica
Confronto economico tra edifici convenzionali e isolati CONFRONTO SUL COSTO TOTALE (costruzione, manutenzione e riparazione) Periodo di riferimento pari alla vita utile della struttura soggetta al terremoto di progetto. Monetizzazione grado di protezione sismica dell’edificio isolato rispetto all’edificio convenzionale. Risultato: convenienza dell’isolamento sismico. CONFRONTO SUL SOLO COSTO DI COSTRUZIONE Costo addizionale isolamento (dispostivi, prove di lab, opere strutturali aggiuntive e giunti sismici) risparmio sulla sovrastruttura (carpenterie, armature, dettagli costruttivi). Incremento di costo 15% costo di costruzione. L’extra costo diminuisce all’aumentare dell’intensità sismica e della irregolarità strutturale.
Costi di costruzione Costo isolatori = 5% costo di costruzione (costo isolatore funzione dello spostamento richiesto - aumenta con il rapporto di isolamento) Costo componenti strutturali addizionali = 10% - giunto perimetrale - vano scale e ascensore (eventuale) - graticcio (diaframma rigido) sopra al piano degli isolatori - tubazioni e canalizzazioni flessibili per impianti - parziale compensazione armature e dettagli costruttivi Incremento totale = 15%
Costi di riparazione Struttura BI danni virtualmente assenti – Struttura BF danni presenti (fattore di struttura) Danni agli elementi strutturali e non strutturali (dipendono dal Dr che diminuisce con K) Danni ai contenuti (dipendono da Ap che aumenta con K) BF = Dr e Ap sono controvarianti con K, non si possono ridurre contemporaneamente BI = sostanziale diminuzione di entrambi gli effetti Dr e Ap Costi di riparazione (in % rispetto al costo di costruzione) al variare di Dr (drift) e Ap (accelerazione di piano) Riduzione Dr medio: da 35% a 6% Riduzione Ap media: da 24% a 5%
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