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; SISTEMI SEMI - ATTIVI 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 SISTEMI SEMI - ATTIVI 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. SISTEMI PASSIVI: ISOLAMENTO SISMICO 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 SISTEMI PASSIVI: ISOLAMENTO SISMICO PRINCIPALI TIPOLOGIE DI SISTEMI DI ISOLAMENTO Appoggi in gomma (alto o basso smorzamento); Deformazione Deformazione recuperata residua SISTEMI PASSIVI: ISOLAMENTO SISMICO PRINCIPALI TIPOLOGIE DI SISTEMI DI ISOLAMENTO 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 SISTEMI PASSIVI: ISOLAMENTO SISMICO 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 SISTEMI PASSIVI: ISOLAMENTO SISMICO Rinforzo col. – Installazione Martinetti - Decompressione Rimozione porzione pilastro Taglio colonne mediante filo diamantato Installazione dispositivi di isolamento SISTEMI PASSIVI: ISOLAMENTO SISMICO 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 SISTEMI DISSIPATIVI PASSIVI 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 SISTEMI DISSIPATIVI PASSIVI 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. SISTEMI DISSIPATIVI PASSIVI 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 SISTEMI DISSIPATIVI PASSIVI 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. SISTEMI DISSIPATIVI PASSIVI 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). STATO DELL’ARTE DEI SISTEMI DISSIPATIVI 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. STATO DELL’ARTE DEI SISTEMI DISSIPATIVI 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 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO • 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. STATO DELL’ARTE DEI SISTEMI DISSIPATIVI Smorzatori VISCO FLUIDI Si tratta di cilindri cavi riempiti con materiale fluido, generalmente a base di silicone. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO 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. STATO DELL’ARTE DEI SISTEMI DISSIPATIVI 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 STATO DELL’ARTE DEI SISTEMI DISSIPATIVI 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 STATO DELL’ARTE DEI SISTEMI DISSIPATIVI 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 STATO DELL’ARTE DEI SISTEMI DISSIPATIVI 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 STATO DELL’ARTE DEI SISTEMI DISSIPATIVI 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 STATO DELL’ARTE DEI SISTEMI DISSIPATIVI APPLICAZIONI A STRUTTURE ESISTENTI 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 STATO DELL’ARTE DEI SISTEMI DISSIPATIVI APPLICAZIONI A STRUTTURE ESISTENTI 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 SISTEMI DISSIPATIVI INNOVATIVI 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 DISSIPATIVI INNOVATIVI 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) SISTEMI DISSIPATIVI INNOVATIVI 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 SISTEMI DISSIPATIVI INNOVATIVI 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 SISTEMI DISSIPATIVI INNOVATIVI 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) SISTEMI DISSIPATIVI INNOVATIVI DISSIPATORE FSHD PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO: Carico esterno di compressione AB <0 AB <0 A A A Elementi Dissipativi Attivi ( Tesi) Elementi Dissipativi Attivi ( Tesi) Elementi Dissipativi Scarichi Elementi Dissipativi Scarichi Elementi Dissipativi latoElementi A Elementi Dissipativi Dissipativi NON ATTIVI (Scarichi) lato B ATTIVI (Tesi) Scarichi Elementi Dissipativi lato A Elementi Dissipativi F F NON ATTIVI (Scarichi) lato B ATTIVI (Tesi) F Elementi Dissipativi lato A NON ATTIVI (Scarichi) F F Elementi Dissipativi lato B ATTIVI (Tesi) 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 SISTEMI DISSIPATIVI INNOVATIVI DISSIPATORE FSHD PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO: Fase di scarico in compressione A ElementiDissipativi Dissipativi lato Elementi Dissipativi Elementi lato A A Elementi Dissipativi NON ATTIVI (Scarichi) lato B ATTIVI (Tesi) lato B ATTIVI NON ATTIVI (Scarichi) Elementi Dissipativi lato A Elementi Dissipativi Elementi Dissipativi F F (compressi) lato NON ATTIVI (Scarichi) F Scarichi FB ATTIVI (compressi) F F Elementi Dissipativi lato A NON ATTIVI (Scarichi) F Funi di di pretensione pretensione Funi ATTIVE (Tese) (Tese) ATTIVE Funi di pretensione ElementiFDissipativi Attivi ATTIVE (Tese) F( Tesi) F Elementi Dissipativi lato B ATTIVI (Tesi) F AB <0 BB B Fase scarico in in carico ABdidi>0 0Fase Fase di scarico in Elementi Dissipativi Attivi (Tesi) Elementi Dissipativi 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 SISTEMI DISSIPATIVI INNOVATIVI DISSIPATORE FSHD PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO: Fase di carico in trazione AB <0 AA Elementi Elementi Dissipativi Scarichi Attivi (tesi) Elementi Dissipativi Attivi Elementi Dissipativi ( Tesi) Non attivi Elementi Dissipativi Attivi (tesi) Elementi Dissipativi Non attivi A B B AB <0 A ElementiDissipativi Dissipativi lato A Elementi Dissipativi Dissipativi Elementi A Elementi NONATTIVI ATTIVI(Tesi) (Scarichi) lato (Tesi) latoBB ATTIVI Non ATTIVI Elementi Dissipativi FF FF Dissipativi Elementi Dissipativi lato A Elementi Scarichi ATTIVI (Tesi) lato B Non ATTIVI F F Elementi Dissipativi lato A NON ATTIVI (Scarichi) F Elementi Dissipativi lato B ATTIVI (Tesi) 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 BABdi 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 SISTEMI DISSIPATIVI INNOVATIVI 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 SISTEMI DISSIPATIVI INNOVATIVI 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 12.5% prestress level 1.60 1.40 25% prestress level 37.5% prestress level 56.25% 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 62.5% prestress level = 0.90 40 35 1.20 No Re-centering capabilities 30 1.00 25% prestress level 37.5% prestress level 12.5% 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% SISTEMI DISSIPATIVI INNOVATIVI 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 SISTEMI DISSIPATIVI INNOVATIVI 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 SISTEMI DISSIPATIVI INNOVATIVI 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 SISTEMI DISSIPATIVI INNOVATIVI 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 SISTEMI DISSIPATIVI INNOVATIVI 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. SISTEMI DISSIPATIVI INNOVATIVI PROVE SPERIMENTALI PROVE CICLICHE DI TRAZIONE-COMPRESSIONE SUL PROTOTIPO DEL DISSIPATORE 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 SISTEMI DISSIPATIVI INNOVATIVI PROVE SPERIMENTALI PROVE CICLICHE DI TRAZIONE-COMPRESSIONE SUL PROTOTIPO DEL DISSIPATORE 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 SISTEMI DISSIPATIVI INNOVATIVI 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