ANALISI SPERIMENTALE DI COLLEGAMENTI TRAVE-COLONNA EQUIPAGGIATI CON DISSIPATORI AD ATTRITO E...

UNIVERSITA DEGLI STUDI DI SALERNO Facolt dIngegneria

Settore Tecnica delle Costruzioni

Tesi di Laurea Specialistica in

Ingegneria Edile Architettura (Classe 4/S)

ANALISI SPERIMENTALE DI COLLEGAMENTI

TRAVE-COLONNA EQUIPAGGIATI CON

DISSIPATORI AD ATTRITO E PROGETTAZIONE

DI UN EDIFICIO PILOTA

Relatore Candidato

Prof. Vincenzo Piluso Mariarosaria Ariano

Matr. 0630100084

Correlatori

Prof. Gianvittorio Rizzano

Ing. Elide Nastri

ANNO A.A. 2010/2011

Ai miei adorati Genitori

SOMMARIO

I

La progettazione di sistemi intelaiati in acciaio, condotta secondo

sofisticate procedure di progettazione fondate sui teoremi del collasso

plastico, garantisce adeguate prestazioni in termini di duttilit e

resistenza, massimizzando la capacit dissipativa della struttura, sotto

azioni orizzontali.

Nellottica delle strategie per la dissipazione supplementare dellenergia

sismica risulta vantaggioso, per i sistemi sismo-resistenti verticali,

linstallazione di dispositivi smorzatori atti a ridurre e/o eliminare

limpegno plastico delle membrature strutturalmente connesse sotto

terremoti di natura distruttiva.

Nellambito del seguente lavoro di ricerca, la possibilit di perseguire

questo ambizioso obiettivo si realizza mediante la progettazione e

sperimentazione di collegamenti trave-colonna innovativi di tipo Double

Split Tee (DST) a parziale ripristino di resistenza, equipaggiati con

dissipatori ad attrito caratterizzati da parti intercambiabili e facilmente

riparabili. Lenergia sismica si concentra nei suddetti dissipatori,

generalmente posti in corrispondenza delle flange delle travi e agenti

come componenti pi deboli, specificamente progettate per la

dissipazione e concepite al fine di semplificare le eventuali operazioni di

sostituzione a seguito di danneggiamento.

Una campagna sperimentale stata condotta presso il Laboratorio

Prove Materiali e Strutture dellUniversit degli Studi di Salerno allo

scopo di investigare il comportamento ciclico-rotazionale di

II

collegamenti di tipo innovativo, al variare di alcuni parametri di

progetto significativi per la concezione innovativa dei collegamenti

stessi.

Nella fase preliminare di sperimentazione stato analizzato il

comportamento ciclico della sola componente preposta alla dissipazione

dellenergia. Sulla scorta dellevidenza sperimentale, stata effettuata la

determinazione del coefficiente dattrito per le differenti interfacce di

scorrimento investigate, quali ottone, materiali compositi a matrice

fibrosa ed acciaio rivestito con alluminio termicamente spruzzato

allarco elettrico.

La fase sperimentale successiva ha evidenziato le ottime prestazioni dei

collegamenti cos concepiti, confermando la validit dei criteri di

progettazione adottati, nonch la governabilit dei meccanismi

dinterazione che si manifestano localmente sotto carichi ciclici ripetuti

e, soprattutto, la possibilit di pervenire a collegamenti trave-colonna

praticamente privi di danneggiamento.

Ad una pi ampia scala, la possibilit di conseguire lambizioso

obiettivo di strutture prive di danneggiamento anche in occasione di

eventi sismici distruttivi stata investigata mediante la progettazione di

un Edificio Pilota, con il quale stata condotta una prima applicazione

di suddette strategie ad un caso di studio realistico. In particolare, le

capacit sismoresistenti del complesso strutturale, sono state affidate a

telai perimetrali (MRF), provvisti di controventi concentrici destremit,

atti esclusivamente a ridurre la deformabilit laterale della struttura.

III

Linstallazione dei suddetti collegamenti innovativi trave-colonna,

equipaggiati con dispositivi dissipatori e ladozione alla base delle

colonne del primo impalcato di collegamenti a perno, atti a trasmettere

gli sforzi assiali e di taglio, equipaggiati con dissipatori ad attrito

posizionati con opportuno braccio di leva al fine di garantire la

resistenza flessionale desiderata, mira alla prevenzione dei danni

strutturali, anche nel caso di completo sviluppo di un meccanismo di tipo

globale che, in ogni caso, si rende necessario al fine di garantire che le

colonne rimangano in campo elastico.

Lo sviluppo di un modello agli elementi finiti (FEM), mediante software

di calcolo SAP2000, ha consentito lanalisi della risposta sismica di tale

edificio di concezione innovativa tenendo conto della risposta non

lineare dei collegamenti trave-colonna e colonna-fondazione

caratterizzata dalla presenza di dissipatori ad attrito.

Le analisi dinamiche condotte hanno evidenziato gli elevati valori di

accelerazione spettrale, ossia della misura dellintensit sismica, che la

tipologia strutturale innovativa proposta consente di sopportare con

danneggiamenti praticamente trascurabili.

La comparazione di un quadro cos ampio di risultati chiarisce

lefficacia dellapproccio progettuale utilizzato, nonch le potenzialit

applicative di una strategia innovativa di prevenzione del danno nel caso

di strutture intelaiate in acciaio.

Ringraziamenti

V

Ed eccomi qui, al termine di un incredibile percorso, di una irripetibile

esperienza di vita, in cui le emozioni, il sacrificio, le difficolt e lentusiasmo

non sono mai mancati.

Non mai macata la curiosit per le nuove sfide universitarie, la tentazione

di andare a fondo alle nuove cose, la determinazione di riuscirci ad ogni

costo, a volte ferma nelle proprie idee, altre volte alla disperata ricerca di

un riferimento.

Penso ai miei Genitori, e penso che senza di loro tutto questo non avrebbe

avuto ragion dessere. Sopra ogni cosa, entrambi mi hanno spronato a

seguire la mia strada, evitando quei percorsi fuorvianti che sempre si

incontrano lungo il cammino, istruendomi al rispetto, alla lealt e alla

dignit. Credo che da Loro non smetter mai di imparare.

Penso al mio percorso, a tutte quelle persone che inevitabilmente lo hanno

segnato negli anni ed in particolare in questi ultimi mesi.

Un ringraziamento va al Prof. Vincenzo Piluso, che con la sua sorprendente

regia ha dato continuo impulso a questo lavoro, nonch al Prof. Gianvittorio

Rizzano, che mi ha dato la possibilit di sperimentare e sperimentarmi nel

campo della ricerca. Entrambi hanno contribuito alla mia crescita culturale.

Ancora lIng. Massimo Latour che mi ha seguita nellattivit di laboratorio e

mi ha aiutata nellardua impresa di destreggiarmi tra chiavi inglesi,

rondelle e bulloni.

Un pensiero speciale va agli amici di sempre, che in questi anni mi hanno

vista cambiare, ma sempre mi sono stati accanto. In particolare ringrazio

Anna e Patrizia, compagne di lungo viaggio, per i momenti di sana follia

trascorsi insieme, per i sorrisi e le parole che mi hanno riservato, per la

fiducia che sempre in me, incondizionatamente hanno riposto.

VI

Penso ad Aniello, lamico per antonomasia, che con la sua semplicit e

genuinit ha avuto il merito di comprendere al volo i miei silenzi e

soprattutto i miei sguardi.

Ripenso ai rapporti umani che questa esperienza mi ha regalato. Ho spesso

temuto che il tempo, la distanza e la mancanza di una quotidianit

accademica potessero spazzarli via.

Eppure ho imparato che la volont e lautenticit delle persone fa la

differenza, e che unesperienza conclusa solo lincipit di una nuova storia da

scrivere insieme.

Un ringraziamento va ai miei colleghi sempre entusiasti e disponibili al

confronto, in particolare Paolo, mio socio storico che con la sua ironia e il suo

umorismo ha illuminato i momenti difficili di questi studi, lasciandomi degli

indimenticabili ricordi.

E poi Vincenza, amica oltre che irreprensibile collega di sempre, arrivata in

punta di piedi, silenziosamente ha preso il sopravvento. La sua preziosa

vicinanza mi ha insegnato ad apprezzare le piccole cose, pur puntando

sempre allorizzonte, senza aver paura di sognare in grande.

Grazie a tutti Voi.

Mariarosaria

Indice

VII

Sommario I

Ringraziamenti V

Indice VII

Indice Appendice XII

1. Inquadramento delle strategie per la protezione sismica

1.1 Equazione del bilancio dellenergia per un sistema SDOF 1

1.2 Strategie di progettazione per la protezione sismica 2

1.2.1 Strategie di tipo tradizionale 3

1.2.2 Strategie di tipo innovativo 9

1.3 Sistemi attivi di controllo strutturale 10

1.4 Sistemi semi-attivi di controllo strutturale 11

1.5 Sistemi passivi di controllo strutturale 12

1.6 Sistemi ibridi di controllo strutturale 12

1.7 Classificazione dei dispositivi passivi per il controllo strutturale 13

1.8 Motivazioni del lavoro di ricerca 17

1.9 Bibliografia 20

2. Dispositivi Dissipatori ad Attrito

2.1 Meccanismi dinterazione tra superfici metalliche 23

2.1.2 Meccanismi di usura 27

2.2 Teoria classica dellAttrito 28

2.3 Influenza dei dispositivi ad attrito sulla risposta simica di un

sistema SDOF 33

2.4 Analisi dei dispositivi esistenti 38

2.5 Bibliografia 43

Anal is i Sperimentale d i Col legamenti Trave -Colonna equipaggiat i con Diss ipatori ad Attri to e Progettazione di Edi f ic io P i lota

VIII

3. Prove Cicliche su collegamenti Trave Colonna di tipo DST

equipaggiati con dissipatori ad attrito

3.1 Premessa 46

3.2 Idea di Progetto per collegamenti di tipo innovativo 53

3.3 Progettazione collegamenti oggetto di sperimentazione 54

3.3.1 Nodo TS-CYC 12 54

3.3.2 Nodo TS-CYC- 13 60

3.4 Programma sperimentale 63

3.5 Prove su componente dissipativa 63

3.5.1 Comportamento ciclico per Interfaccia Acciaio Acciaio con

rondelle circolari 67

3.5.2 Comportamento ciclico per Interfaccia Ottone Acciaio con


3.5.3 Comportamento ciclico Interfaccia Materiale M0 Acciaio con






3.5.6 Test sperimentale con rondelle coniche 89

3.5.7 Comportamento ciclico Interfaccia Alluminio Termicamente

spruzzato allarco elettrico Acciaio 95

3.6 Prove su nodo 113

3.6.1 Setup di prova 113

3.6.2 Schematizzazione e modalit di prova 114

Indice

IX

3.7 Bibliografia 149

4. Progettazione di Edificio Pilota equipaggiato con dispositivi di

dissipazione supplementare

4.1 Descrizione Caso di Studio 152

4.1.1 Sistema di orizzontamento 153

4.2 Analisi dei carichi 155

4.3 Sistema sismo-resistente perimetrale 156

4.3.1 Progettazione Travi di Impalcato 155

4.3.2 Meccanismi di dissipazione dellenergia 158

4.3.3 Condizioni di progetto per meccanismo di collasso controllato 163

4.3.4 Applicazione a Caso di Studio 167

4.3.5 Progettazione Nodi Trave-Colonna 175

4.3.6 Calcolo della rigidezza rotazionale dei collegamenti mediante il

metodo delle componenti 180

4.3.7 Dispositivi di base: Progettazione e Verifica 184

4.3.8 Elementi di controvento 190

4.3.8.1 Elementi di controvento 191

4.4 Sistema pendolare interno

4.4.1 Progettazione travi di impalcato 194

4.4.2 Colonne: Progettazione e Verifica 196

4.4.3 Unioni bullonate: Progettazione e Verifica 199


5 Analisi della risposta sismica

5.1 Definizione modello di analisi 208

Anal is i Sperimentale d i Col legamenti Trave -Colonna equipaggiat i con Diss ipatori ad Attri to e Progettazione di Edi f ic io P i lota

X

5.2 Analisi Statiche Non Lineari 209

5.3 Analisi Dinamiche Incrementali (IDA) 213

5.3.1 Telaio Longitudinale 214

5.3.2 Telaio Trasversale 222


Conclusioni 230

Appendice

Relazione di calcolo

Elaborati progettuali esecutivi

Tav 4.1 Sistema pendolare

Tav 4.2 Telaio longitudinale

Tav 4.3 Telaio trasversale

Indice Appendice

XII

1. Sistema Sismo-Resistente Perimetrale

1.1 Progettazione Travi di Impalcato 3

1.2 Progettazione Nodi Trave Colonna Telaio Longitudinale 7

1.3 Progettazione Nodi Trave Colonna Telaio Longitudinale 8

1.4 Calcolo della rigidezza rotazionale dei collegamenti mediante

Metodo delle Componenti 11

2. Sistema Pendolare Interno

2.1 Progettazione Travi di Impalcato 19

2.2 Unioni Bullonate: Progettazione e Verifica 31

2.2.1 Unioni Trave Trave 31

2.2.2 Unioni Trave Colonna 41

1

CAPITOLO 1

Inquadramento delle strategie per la protezione

sismica

1.1 Equazione del bilancio dellenergia per un sistema SDOF Dalla Dinamica delle Strutture noto che lequazione del moto di un

sistema strutturale ad un solo grado di liberta (Figura 1. 1), soggetto ad

uneccitazione sismica alla base, esprimibile mediante la seguente

formulazione:

(Eq. 1. 1)

Tale equazione risulta valida per un oscillatore semplice a comportamento

non-lineare, in presenza di smorzamento di tipo viscoso, sottoposto ad una

forzante pari a F(t) = . Tale azione detta di trascinamento,

compie lavoro imponendo al sistema una storia di spostamento funzione

del tempo.

Figura 1. 1: Sistema SDOF

Suddetto lavoro, corrisponde alla variazione dellenergia meccanica del

sistema, da ci si ricava lequazione del bilancio energetico secondo:

Equazione del bi lancio del l energia per un s istema SDOF

2

(Eq. 1. 2)

Essendo lo spostamento che la massa m compie nellintervallo

infinitesimo di tempo .

Dalla (Eq. 1.2) mediante opportune sostituzioni si ricava:

(Eq. 1. 3)

= Energia cinetica

= Energia dissipata per smorzamento viscoso

Sia Ee lenergia potenziale elastica immagazzinata nel sistema, ed Eh

lenergia dissipata per via isteretica, fornita dalla struttura stessa a prezzo

di notevoli escursioni in campo plastico.

Lintegrale della forza nellintervallo di tempo dt fornisce, di fatti lenergia

sismica in ingresso pari a:

.

La (Eq. 1.3) pu essere scritta nella forma:

(Eq. 1. 4)

In condizioni di quiete, allarrestarsi dellevento sismico, seppur si

registrino ulteriori oscillazioni in prossimit della struttura, la (Eq. 1.4) si

traduce nella seguente espressione:

(Eq. 1. 5)

1.2 STRATEGIE DI PROGETTAZIONE PER LA PROTEZIONE SISMICA

Dalla (Eq. 1.5) appare evidente la possibilit di minimizzare la risposta

sismica dei complessi strutturali, governando le diverse forme di energia

Inquadramento del le strategie per la protezione s ismica

3

presenti nel sistema. Sulla scorta del bilancio energetico possibile

distinguere differenti strategie di progettazione delle strutture sismo-

resistenti, al fine della mitigazione del rischio sismico.

Nello specifico si distinguono :

- Strategie di progettazione sismica di tipo tradizionale

- Strategie di progettazione sismica di tipo innovativo

1.2.1 Strategie di tipo tradizionale

Levidenza sperimentale a scala reale degli eventi sismici verificatisi negli

ultimi secoli, ha dato impulso ad una densa attivit di ricerca nel campo

dellIngegneria Sismica. Numerosi studi nel corso degli anni, hanno

sottolineato la possibilit{ di dissipare lenergia in ingresso, mediante

escursioni di natura plastica, tali da risultare perfettamente compatibili con

le capacit meccaniche di un sistema strutturale.

In generale, la duttilit rappresenta la capacit di una membratura o di un

sistema di membrature, di esibire notevoli escursioni deformative, senza

significative perdite di resistenza.

E evidente che ad una scala globale, il grado di duttilit{ atteso sia

notevolmente influenzato dalle capacit locali esibite dal materiale, dalle

membrature e/o dal generico sotto-assemblaggio strutturale.

Gli attuali codici normativi, governano le procedure di progettazione,

ovvero gli eventuali meccanismi di collasso, nonch i livelli di duttilit

desiderati per un complesso strutturale, mediante il fattore di struttura q,

che nella generalit dei casi dato dal rapporto tra la massima

accelerazione orizzontale attesa al suolo Au, e il valore di accelerazione che

conduce al primo superamento della soglia di snervamento Ay [1].

Stategie di progettazione per la protezione s ismica

4

(Eq. 1. 6)

Tale fattore riduce il il tagliante sismico alla base, richiesto dalla struttura

per rimanere in campo elastico durante un evento sismico di tipo

distruttivo.

La capacit propria di dissipare energia, influenzata dalla distribuzione

delle masse e delle rigidezze in pianta ed in elevazione del particolare

sistema strutturale. I dati sperimentali hanno dimostrato che il valore di q

dipende dal tipo di materiale impiegato, dalle tecnologie costruttive

adottate nonch dalle tipologia strutturale prevista.

Lanalisi della risposta sismica di un sistema sottoposto ad azioni

orizzontali, cos ridotte, garantisce un adeguato livello di sicurezza rispetto

agli stati limite di riferimento.

E interessante sottolineare che in accordo alla definizione del fattore di

struttura, ed al suo significato fisico, le tipologie strutturali si dividono in

due categorie fondamentali:

- Strutture non dissipative

- Strutture dissipative

Le strutture non dissipative sono dimensionate al fine di trasferire azioni

sismiche rimanendo in campo elastico. In tal caso q assume un valore q = 1.

Le strutture dissipative hanno la capacit{ di dissipare lenergia sismica in

ingresso, a seguito del comportamento isteretico delle loro component. Il

corrispondente fattore di struttura sempre q > 1.

Il comportamento di entrambe le tipologie strutturali dipende dal numero

di zone dissipative e zone non dissipative di cui risultano caratterizzate.


5

Per il 1 Principio del Capacity Design, le zone non dissipative delle

strutture dissipative, debbono essere progettate sulla scorta delle

massime sollecitazioni interne che le zone dissipative sono in

grado di trasmettere.

Per il 2 Principio del Capacity Design, le zone dissipative debbono

essere progettate in funzione delle massime sollecitazioni attese a

seguito di un evento sismico.

E evidente, secondo tale filosofia di progetto, che le zone non dissipative

vengono progettate al fine di esibire una risposta elastico-lineare,

diversamente le zone dissipative risultano interessate da uno snervamento

ciclico ripetuto.

Tale precisazione consente di individuare le principali tipologie di strutture

dissipative sismo-resistenti in funzione della tipologia e del numero di zone

dissipative, che potenzialmente possono svilupparsi (Figura 1. 2):

- Telai con controventi concentrici (CBF)

- Telai con controventi eccentrici (EBF)

- Telai sismo-resistenti (MRF)

I telai con controventi concentrici, consentono il trasferimento dellazione

sismica o di una parte di essa. Nel primo caso, i collegamenti travecolonna

provvedono allassorbimento di soli sforzi taglianti, nel secondo caso

invece sono preposti al trasferimento sia di sforzi taglianti che di momenti

flettenti. In entrambi casi, risulta per necessario concepire collegamenti a

completo ripristino di resistenza. Le zone dissipative, sono collocate a

ragione, in corrispondenza delle diagonali tese. Di fatto le capacit

prestazionali sotto azioni cicliche, possono risultare pressoch

insoddisfacenti a causa dellinstabilizzarsi ripetuto delle diagonali


6

compresse, comportando una riduzione dellenergia dissipata dal sistema

con il perdurare dellevento sismico.

I telai con controventi eccentrici, costituiscono una valida alternativa alla

precedente tipologia strutturale. La rigidezza del sistema notevolmente

influenzata dalla presenza delle diagonali, che sono collocate

eccentricamente rispetto agli elementi che compongono il telaio sismo-

resistente. I controventi scompongono le membrature in due o pi parti di

diversa lunghezza. La parte di lunghezza minore, cosiddetta link, funge

propriamente da zona dissipativa, atta ad assorbire sollecitazioni di

flessioni e taglio, quando sottoposta ad azioni sismiche.

I telai sismo-resistenti trasferiscono le azioni orizzontali principalmente

attraverso sollecitazioni flettenti. La dissipazione dellenergia avviene in

corrispondenza delle estremit delle membrature, dove si registra la

formazione di cerniere plastiche, atte ad esibire un comportamento ciclico

rotazionale, compatibile con le capacit della struttura. Tali sistemi

vengono progettati, con lintento di garantire un meccanismo di collasso

controllato atto a massimizzare il numero di cerniere plastiche nella

struttura, scongiurando di fatti i meccanismi di tipo parziale. Nello specifico

caso, le cerniere plastiche si concentrano allestremit{ delle travi, piuttosto

che allestremit{ delle colonne fatta eccezione per le membrature di base.

Tale tipologia strutturale trova largo impiego nel campo degli edifici di

media e/o bassa altezza, poich garantisce unadeguata dissipazione

dellenergia sismica in ingresso, indispensabile per prevenire il collasso a

seguito di eventi sismici di notevole intensit.


7

Telai con controventi concentrici

X-braced frame V-braced frame Inverted V-braced K-braced frame frame frame

Telai con controventi eccentrici

D-braced frame K-braced frame V- braced frame

Telai momento-resistenti

Figura 1. 2: Tipologia di srutture dissipative tradizionali


8

Tuttavia i requisiti prestazionali imposti dagli attuali codici di

progettazione sismica, atti a limitare la deformabilit laterale del sistema,

sotto sismi di bassa intensit ma di maggiore frequenza, possono rivelarsi

piuttosto severi. In particolare la rigidezza laterale della struttura

diminuisce allaumentare progressivo della sua altezza, con conseguente

incremento degli spostamenti relativi di piano.

In accordo con la definizione di zone dissipative e zone non dissipative [2],

interessante sottolineare che il comportamento post-elastico delle

membrature in acciaio, pu determinare linsorgere di differenti

meccanismi dissipativi, quali lo snervamento del materiale, la

plasticizzazione del pannello nodale o degli elementi di connessione, il

rifollamento dei bulloni, nonch la formazione di cerniere plastiche

allestremit{ delle travi. Linsorgere di meccanismi non dissipativi pu

determinare diversamente, fenomeni indesiderati di instabilit locale,

snervamento dei bulloni e/o impegno plastico delle unioni saldate.

Al fine di ottenere una progettazione controllata, risulta possibile conferire

alle componenti potenzialmente pi deboli un grado di sovra-resistenza

rispetto alle componenti propriamente dissipative, evitando di fatto

linsorgere di meccanismi non dissipativi nel caso di strutture con

comportamento duttile.

Nellottica delle strategie tradizionali per la protezione del rischio sismico,

alloccorrenza di eventi sismici di modesta entit{, e con bassi periodi di

ritorno, lenergia sismica in ingresso viene dissipata esclusivamente per via

viscosa, per tali ragione la (Eq. 1.5) assume la forma:


9

Nel caso di eventi sismici distruttivi, con elevati periodi di ritorno, la (Eq.

1.5) risulta:

Lenergia sismica in ingresso viene dissipata maggiormente per via

isteretica, e solo in misura minore tramite smorzamento viscoso. Le zone

dissipative sono sottoposte ad un notevole impegno plastico, che conduce

ad un progressivo danneggiamento delle membrature coinvolte.

1.2.2 Strategie di tipo innovativo

Come gi{ ampiamente discusso, ladozione di strategie tradizionali di

progettazione opera ai fini della mitigazione del rischio sismico, riducendo

lentit{ del danneggiamento in corrispondenza della struttura primaria.

Una soglia di danno risulta ugualmente accettata, a condizione che la

struttura, anche a seguito di eventi sismici dirompenti, preservi le capacit

di resistenza e rigidezza rispetto alle azioni verticali ed ozzontali, tali da

garantire la messa in sicurezza degli utenti, durante il perdurare

dellevento sismico.

La sperimentazione a scala reale, evidenzia una pi elevata rischiosit,

direttamente connessa ai danni indiretti, che interessano ulteriormente le

componenti non strutturali ed impiantistiche, i beni esposti, nonch

persone e/o cose nellimmediato intorno di una costruzione.

Non di minore rilevanza risulta laspetto meramente economico: i costi

sostenuti, per il ripristino a seguito di danni strutturali permanenti,

possono risultare significativi rispetto ai casi di progettazioni ex-novo.

Al fine di limitare il danno eccedente, diretto ed indiretto, eventualmente

registrato in corrispondenza di un sistema strutturale, le ricerche


10

scientifiche degli ultime decenni, hanno proposto un approccio innovativo

ai fini della protezione da rischio sismico. A ragione, appare indispensabile

governare il moto proprio della struttura, auspicando desiderati

meccanismi di dissipazione, in accordo con una filosofia progettuale

cosiddetta Motion Based Structural Control.

Tale strategia di Controllo Struttrale, prevede una progettazione sismica

integrata, mediante limpiego di dispositivi addizionali, atti a modificare

direttamente la risposta dinamica del sistema.

I dispositivi di controllo si dividono in:

- Attivi

- Semi-attivi

- Passivi

- Ibridi

1.3 SISTEMI ATTIVI DI CONTROLLO STRUTTURALE

I sistemi di controllo attivo sono azionati medianti fonti di energia esterne al

complesso strutturale. Essi sono costituiti mediante lassemblaggio di

componenti integrate: gli attuatori, capaci di applicare le forze o gli

spostamenti richiesti dal sistema di controllo, atti a contrastare gli input

esterni in tempo reale. I sensori, installati per monitorare la struttura in

continuo, ed acquisire i dati raccolti mediante dispositivi elettronici

(controller). Tali sistemi di controllo, processano i risultati registrati dalle

apparecchiature di misura, imponendo le azioni di contrasto utili a

minimizzare la risposta dinamica della particolare costruzione. Di seguito,

nella Figura 1. 3 si propone uno schema semplificato di funzionamento nel

caso di dispositivi di controllo di tipo attivo [3].


11

Figura 1. 3: Schema di controllo attivo

Tali sofisticati sistemi, tuttavia presentano inevitabili criticit applicative,

connesse alla stabilit{ e allaffidabilit{ delle apparecchiature impiegate,

nonch ai costi di gestione e/o manutenzione richiesti in fase di esercizio,

comportandone di fatti un limitato impiego.

1.4 SISTEMI SEMI-ATTIVI DI CONTROLLO STRUTTURALE

I sistemi di controllo semi-attivo esibiscono una risposta affine ai sistemi di

controllo attivo, ma vengono azionati da un limitato impegno energetico

poich operano senza monitoraggio in continuo, comportando cos

labbattimento dei costi di gestione, nonch di manutenzione. In altri

termini tali dispositivi, hanno la capacit di variare dinamicamente le

proprie caratteristiche meccaniche, al fine di adeguarsi sensibilmente alle

azioni a cui la struttura risulta sottoposta. In tale categoria ricadono i

dispositivi a rigidezza variabile (Kobori et al., 1991),i dispositivi semiattivi

ad attrito (Ferri & Heck, 1992), gli smorzatori semiattivi a fluido viscoso


12

(Kwashima & Unioh, 1994), gli smorzatori elettroreologici (Ehrgott e Masri,

1994; Gavin,1995; Makris 1997) e magnetoreologici (Spencer & Carlson,

2001). Suddetti sistemi manifestano comportamenti maggiormente stabili,

consentendone di fatti una pratica applicazione [4].

1.5 SISTEMI PASSIVI DI CONTROLLO STRUTTURALE

I sistemi di controllo passivo, risultano perfettamente integrati con la

struttura; essi alterano opportunamente la risposta dinamica del

complesso strutturale, influenzandone lo smorzamento e la rigidezza

laterale, durante leccitazione sismica. Tali dispositivi operano in assenza di

fonti energetiche esterne, e non richiedono alcun sistema di monitoraggio.

Nellottica di tale sistemi di controllo, con riferimento alla (Eq. 1.4),

possibile adottare differenti strategie atte ad:

- Incrementare lenergia dissipata per smorzamento viscoso ,

mediante limpiego di smorzatori viscosi opportunamenti collocati.

- Incrementare lenergia dissipata per via isteretica , mediante

linstallazione di dispositivi dissipatori isteretici.

- Ridurre lenergia sismica in ingresso mediante dispositivi

isolatori.

- Prevedere la combinazione delle tre suddette stategie

1.6 SISTEMA IBRIDI DI CONTROLLO STRUTTURALE

I sistemi di controllo ibrido sono caratterizzati da una combinazione in

serie o parallelo, di sistemi attivi e semiattivi con sistemi passivi.

Linteresse di questi assemblaggi risiede nella somma dei vantaggi

derivanti da ogni sistema: i dispositivi passivi veicolano la risposta,


13

dinamica della struttura, diversamente i sistemi attivi operano sul moto

proprio indotto, riducendo spostamenti ed accelerazioni.

E interessante sottolineare che questi sistemi, costituiscono parte

integrante del sistema strutturale principale; essi non sono progettati per

resistere ai carichi verticali, e possono essere installati temporaneamente,

per la manutenzione riparazione o sostituzione, fatta eccezione per i

dispositivi isolatori. In particolare i sistemi passivi sono di pi facile

impiego, pi economici, resistenti e maggiormente affidabili rispetto ai

differenti sistemi sopra menzionati, per tali ragioni sono maggiormente

impiegati rispetto agli altri sistemi di controllo.

1.7 CLASSIFICAZIONE DEI DISPOSITIVI PASSIVI PER IL CONTROLLO

STRUTTURALE

Si rivolge nel seguito una particolare attenzione ai dispositivi impiegati per

il controllo di tipo passivo. In particolare, possibile distinguere:

- Dispositivi dissipatori supplementari

- Dispositivi isolatori

- Dispositivi misti

Ai fini della trattazione, si propone una classificazione accurata dei soli

dispositivi dissipatori presenti in commercio.

I sistemi di dissipazione supplementare dellenergia sono costituiti da

dispositivi di limitate dimensioni, installati al fine di dissipare lenergia

sismica in ingresso, attraverso la formazione di cerniere plastiche

localizzate allestremit{ delle travi, negli elementi di connessione, in

corrispondenza del pannello a taglio, o allestremit delle colonne.

Classi f icazione dei disposit ivi pass iv i per i l control lo strutturale

14

Tale approccio, riduce la domada plastica della struttura primaria

minimizzando lentit{ dei danni.

Attraverso formulazioni di carattere analitico, si individuano nel seguito

quei parametri atti ad influenzare la risposta del generico dispositivo,

ovvero velocit e spostamento registrati dalla struttura, alloccorrenza di

un evento sismico.

Dissipatori attivabili per effetto dello spostamento

- Dispositivi isteretici

Il legame costitutivo di tali dissipatori esprimibile mediante la seguente

legge:

In commercio, sono disponibili numerose tipologie di dissipatori isteretici

in acciaio, essenzialmente costituiti da elementi dissipativi di differente

morfologia, capaci di garantire una uniforme plasticizzazione del

dispositivo. Allinterfaccia tra la struttura ed il dissipatore, non di rado

vengono installati sistemi di vincolo di tipo dinamico che lavorano in serie

con il dispositivo stesso.

Essi consentono i movimenti di modesta entit{, senza lattivazione degli

elementi dissipativi in condzioni di servizio. Al manifestarsi di eventi

sismici distruttivi si arrestano, trasmettendo le azioni orizzontali

esclusivamente ai dissipatori. Limpegno plastico dellelemento, pu

manifestarsi mediante sollecitazioni assiali di trazione-compressione,

momenti flettenti, torcenti o meccanismi combinati tra essi. In particolare

negli edifici, assai frequente limpiego di dispositivi isteretici assiali ad

instabilit impedita (BRAD), agenti in trazione-compressione,

particolarmente indicati nei controventi dissipativi (Figura 1. 4).


15

Figura 1. 4: Dispositivi isteretici tipo BRAD Liceo Classico Perticari, Senigallia

Dissipatori attivati dalla velocit

- Smorzatori viscosi lineari

- Smorzatori viscosi non lineari

I dissipatori viscosi, e pi in generale i dissipatori viscosi a comportamento

non lineare presenti in commercio, includono sistemi a cilindro,

caratterizzati da due camere comunicanti, riempite di fluido siliconico.

Questultimo viene messo in moto mediante un pistone, in grado di

scorrere in entrambe le direzioni. La dissipazione dellenergia avviene a

seguito dei movimenti relativi dele due estremit del dispositivo,

solitamente realizzate mediante snodi sferici, atti ad assicurare un perfetto

allineamento fra pistone e cilindro, assorbendo di fatto eventuali tolleranze

nella fase di posa in opera.

Classi f icazione dei disposit ivi pass iv i per i l control lo strutturale

16

Figura 1. 5: Dispositivi Dissipatori Rion Antirion Bridge, Grecia.

- Dispositivi ad attrito

Tale tipologia viene approfonditamente trattata nel capitolo successivo.

Dispositivi attivabili per effetto di spostamento e velocit:

- Dispositivi viscoelastici

- Dispositivi viscoelastici non lineari

In commercio si possono trovare dei dissipatori viscoelastici elastomerici,

costituiti da uno o pi strati di elastomero, vulcanizzati a piastre in acciaio,

che consentono il collegamento con gli elementi strutturali adiacenti. La

dissipazione di energia si concentra in corrispondenza degli strati di

elastomero, questi caratterizzati da un elevato smorzamento, sono in grado

di assorbire notevoli deformazioni taglianti sotto lavvento di azioni

orizzontali. Sono solitamente combinati con strutture controventate, al fine

di realizzare controventi dissipativi a comportamento visco-elastico per la

protezione sismica delle strutture intelaiate, in c.a., c.a.p. o acciaio [5].


17

Figura 1. 6: Dispositivi Dissipatori Scuola Media Gentile Fermi di Fabriano

1.8 MOTIVAZIONI DEL LAVORO DI RICERCA

Le argomentazioni fin qui proposte, consentono di effettuare unanalisi

critica delle strategie di progettazione per la mitigazione del rischio

sismico, nonch sottolineare una scelta operativa atta a favorire limpiego

di sistemi di controllo passivo. Tale filosofia di progetto consente di

ridurre lentit{ dei danni diretti ed indiretti in corrispondenza di un

sistema strutturale, garantendo il perfetto equilibrio tra costi e benefici,

nonch stabilit ed efficienza.

Di fatto, la struttura primaria, risulta ugualmente interessata da

meccanismi di danneggiamento, ma in misura limitata rispetto ad una

struttura di tipo tradizionale, in quanto esibisce una capacit di

dissipazione supplementare, ovvero addizionale, per mezzo dellimpiego di

particolari dispositivi.

Motivazioni del Lavoro di Ricerca

18

Lattivit{ di ricerca del seguente lavoro, si svilupper nei successivi capitoli,

con lambizioso intento di eliminare del tutto il danneggiamento in

corrispondenza delle membrature strutturali facente parti di un complesso

sistema. A tale scopo, nel caso di telai Moment Resisting Frame, le zone

dissipative tradizionalmente collocate allestremit{ delle travi saranno

sostituite con collegamenti di tipo Double Split Tee (DST) equipaggiati con

dissipatori ad attrito, non diversamente alla base delle colonne del primo

impalcato si provveder{ allinstallazione di collegamenti a perno

ugualmente equipaggiati con dissipatori ad attrito, posizionati con

opportuno braccio di leva, al fine di garantire un pre-fissato livello di

resistenza flessionale.

Si sottolinea altres lapproccio innovativo qui di seguito proposto, volto

esclusivamente alla sostituzione delle zone dissipative con elementi

dissipatori, indipendentemente dalle capacit di dissipazione proprie della

struttura.

Una mirata progettazione consente di concentrare lenergia sismica in

ingresso esattamente in corrispondenza di suddetti dissipatori, che di fatto

risultano facilmente sostituibili, nel caso si registri una perdita di

funzionalit, a seguito di un evento sismico.

Lanalisi critica dei dissipatori ad attrito attualmente presenti in letteratura

e/o commercio, presentata al Capitolo 2, conduce ad una innovativa idea di

progetto, le cui prestazioni saranno accuratamente investigate nellambito

di un programma sperimentale condotto presso il Laboratorio Prove

Materiali e Strutture dellUniversit{ degli Studi di Salerno, cos come

mostrato nel Capitolo 3. In particolare, una fase preliminare di

sperimentazione, ha investigato le propriet attritive di differenti materiali,


19

quali acciaio, ottone, materiali compositi a matrice fibrosa ed acciaio

rivestito con alluminio termicamente spruzzato allarco elettrico, al fine di

consentire lulteriore ottimizzazione della suddetta idea.

Gli ottimi risultati ottenuti, hanno dato ulteriore impulso allattivit{ di

ricerca, prevedendo una prima applicazione ad ampia scala di suddette

strategie, nel caso di edificio multipiano in acciaio. Auspicando un

approccio multidisciplinare di tale lavoro, al Capitolo 4 si riporta lesito

della procedura di progettazione delle componenti essenziali del suddetto

complesso strutturale, quali travi, colonne, nonch sistemi di connessione,

corredato dagli elaborati grafici ritenuti maggiormente significativi, al fine

di evidenziare le scelte tecnologiche intraprese.

Al Capitolo 5, lo sviluppo di un modello agli elementi finiti (FEM), mediante

software di calcolo SAP2000, ha conportato lennesimo momento di

sperimentazione, volto alla valutazione delle prestazioni di un pi

complesso sistema strutturale. Le analisi dinamiche non lineari (IDA)

condotte sistematicamente, hanno sottoposto la struttura a differenti

registrazioni accelerometriche, opportunamente selezionate dal database

del Pacific Earthquake Engeneering Research Center (PEER), scalati per

differenti livelli di intensit, in funzione della pericolosit del sito di

riferimento.

Lanalisi dei dati cos disponibili, ha confermato le potenzialit{ applicative

di suddette strategie, nonch lefficacia dellapproccio innovativo, qui di

seguito proposto, evidenziando elevati valori di accelerazione spettrale,

ossia di misura dellintensit{ sismica, che la tipologia strutturale proposta

consente di sopportare con danneggiamenti sostanzialmente trascurabili.

Bibl iograf ia

20

1. 9 BIBLIOGRAFIA

[1] Mazzolani F.M., Piluso V., 1997. Plastic design of seismic resistant steel

frames. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol.26, pagg. 73-

81.

[2] Latour, M., 2010. Analisi teorico-sperimentale di collegamenti dissipativi

a parziale ripristino di resistenza in strutture intelaiate in acciaio. PhD

thesis: Universit degli Studi di Salerno.

[3] De la Cruz Chidez, Servio T., 2003. Contribution to the Assessment of

the Efficiency of Friction Dissipators for Seismic Protection of Buildings.

PhD thesis: Departament dEnginyeria del Terreny, Cartogr{fica i Geofsica,

Universitat Politcnica de Catalunya.

[4] Di Leo, R., Lecce, L., Pecora, R. Amoroso, F., 2011. Development of a

new semi-active friction damper with piezoelectric technology for the anti-

seismic control of civil structures. In Proceedings ot the 10th Conference on

Active Noise and Vibration Control Methods. Krakow-Wojanow, Poland,

2011.

[5] Symans Michael D., Constantinou Michael C., 1999. Semi-active control

systems for seismic protection of structures: a state-of-the-art review.

Engineering Structures, 21(1999), pp.469487.

[6] FIP Industriale. Catologo dei dispositivi antisismici, Marzo 2009.

Cambridge CB1 OAP UK.

[5] Condor J., Introduction to structural motion control. Prentice Hall

[7] AISC-LRFD: Seismic Provisions for Structural Steel Buildings Load

and Resistance Factor Design, American Institute of Steel Construction,

November 15,1990.


21

[8] ASCE: Minimum Design Loads for Building and Other Structures,

American Society of Civil Engineers, ASCE 7-88, New York, 1990.

Commissiono of European Communities: Eurocode 8: Structures in Seismic

Regions, Draft of October 1993.

[9] Faella, C., Piluso, V. & Rizzano, G., 2000. Structural Steel Semi-Rigid

Connections. Boca Raton: CRC Press

[10] ECCS-CECM-EKS: European Recommendation for Steel Structures in

Seismic Zones, Technical Working Group 1.3 (now TC13): Seismic Design,

N.54,1988.

[11] Mazzolani, Federico M., 1991.Seismic Behaviour of Steel Structure,1st

National Conference on Steel Structure, Athens, June 1991.

22

CAPITOLO 2

Dispositivi Dissipatori ad attrito

In accordo con gli sviluppi scientifici degli ultimi decenni nel campo

dellIngegneria sismica, lattrito risulta un efficiente meccanismo per la

dissipazione supplementare dellenergia, atto ad incrementare lo

smorzamento in corrispondenza di una struttura sottoposta a carichi ciclici

dinamici.

La dissipazione si realizza per mezzo di fenomeni attritivi che si sviluppano

a seguito dello scorrimento di due superfici a contatto, adeguatamente

trattate. Lentit{ delle tensioni normali allinterfaccia capace di favorire il

meccanismo di frizione, pu essere controllata mediante lapplicazione di

pressioni idrauliche o forze elettromagnetiche, diversamente nei casi pi

frequenti, sufficientemente significativi ai fini del seguente lavoro, si

prevede limpiego di bulloni ad alta resistenza.

In particolare, per le costruzioni in acciaio, le unioni bullonate ad attrito,

favoriscono il trasferimento degli sforzi di taglio, in corrispondenza degli

elementi connessi, attraverso lo scorrimento relativo delle interfacce a

contatto. Tale cinematismo, possibile mediante limpiego di piatti asolati,

viene di fatto influenzato dalle tensioni normali superficiali, applicate

mediante il pre-serraggio dei bulloni.

Diversi studi [1][2] hanno evidenziato laffidabilit{ e lefficienza di tali

dispositivi, capaci ad esibire una risposta ciclica stabile, esercitando un

valore di resistenza allo scorrimento costante nel tempo. I vantaggi

operativi si sommano allestrema semplicit{ di progettazione,

fabbricazione ed installazione, nonch ai bassi costi di manutenzione che

Dispositivi dissipatori ad attrito

23

essi comportano, auspicandone di fatto lintegrazione nel caso di sistemi

simo-resistenti verticali.

Nei capitoli successivi, unaccurata analisi discuter{ in merito ai dispositivi

fin qui proposti, fornendone i principali indirizzi progettuali e sperimentali.

Al fine di una pi ampia comprensione degli argomenti investigati, si

riportano brevemente i principi posti a fondamento della teoria classica

dellattrito, con particolare attenzione ai meccanismi dinterazione che si

esercitano nel caso di superfici metalliche.

2.1 MECCANISMI DINTERAZIONE TRA SUPERFICI METALLICHE

La Tribologia la scienza che studia i fenomeni dattrito, di lubrificazione e

di usura delle superfici a contatto, in moto relativo tra loro.

Nonostante eminenti studiosi (Bowden and Taylor 1950, Rabinowicz 1965;

Sarkar 1980), abbiano formulato teorie atte a prevedere lentit{ della forza

dattrito sotto carichi di natura statica e dinamica, il fenomeno dello

scorrimento appare piuttosto complesso, a causa dei numerosi meccanismi

dinterazione che di fatti vengono ad innescarsi.

Lo scorrimento relativo di parti metalliche in contatto, determina

linsorgere di una forza dattrito, per effetto delladesione e/o dei legami

intermolecolari che caratterizzano linterfaccia di contatto. Lazione statica

resistente risulta influenzata dallapplicazione di uno sforzo, normale alla

superficie di scorrimento, allorch il materiale registra deformazioni

elastiche e/o plastiche. Larea effettiva di contatto aumenta

progressivamente fino al raggiungimento di una nuova configurazione di

equilibrio. Durante questo processo, il contributo delle forze di attrazione

Meccanismi dinterazione tra superfici metalliche

24

intermolecolare, si sovrappone alleffetto dellazione normale,

contribuendo alla formazione di micro-saldature superficiali, che come

tante molle in serie, deformano elasticamente.

Figura 2. 1: Fenomeno di adesione

Generalmente la forza dattrito, si oppone al moto, di contro necessario

incrementare progressivamente lazione esterna, nonch lentit{ dello

spostamento, fino ad uguagliare suddetta azione resistente. Al

raggiungimento del valore di taglio critico delle micro-saldature, si assiste

alla rottura dei legami intermolecolari, che genera di fatto il moto relativo

delle parti a contatto. In tale fase, il valore della forza dattrito dinamica

risulta dipendente dai valori di velocit{ registrati allinterfaccia; essa va

riducendosi progressivamente abbattendo il corrispondente valore del

coefficiente dattrito [2] .

Tale fenomemo risulta notevolmente influenzato dai legami di adesione

superficiale, ovvero dalla tessitura delle interfaccie a contatto, nonch dalle

loro caratteristiche meccaniche e termiche. In particolare, alla scala

microscopica, i metalli risultano caratterizzati per strati, quali substrato

metallico, strato di materiale indurito, ossido, gas adsorbito, contaminanti

(Schmaltz 1936).


25

Figura 2. 2: Composizione a strati per superfici metalliche

Lo strato di materiale indurito possiede una struttura che dipende dalla

composizione e dalla storia di lavorazione del metallo.

Al di sopra di esso, pu essere presente uno strato amorfo o cristallino,

formatosi a seguito di notevoli stress termici. Uno strato di ossido

generalmente ricopre lo strato di materiale indurito (ad eccezione dei

metalli nobili); il suo spessore e la sua stabilit dipendono dalla particolare

composizione chimica del metallo, nonch dellatmosfera in cui esso stato

esposto.

Su tale strato, in condizioni normali, pu essere presente uno strato di gas

adsorbito ed eventualmente contaminanti come polvere, grasso e/o

inquinanti provenienti dallambiente circostante.

Ancora nel caso di contatto tra metalli di analoghe caratteristiche, laffinit{

dei legami intermolecolari determina una resistenza allo scorrimento

maggiore, diversamente la resistenza caratteristica del materiale, influenza

limitatamente i fenomeni di adesione.

Meccanismi dinterazione tra superfici metalliche

26

Contrariamente a quanto si ritiene, il valore del coefficiente dattrito, non

dipende direttamente dalla rugosit superficiale, poich lattrito si esercita

a parit di area di contatto.

Un ulteriore meccanismo dinterazione si manifesta, quando sono poste a

contatto tra loro superfici a spigolo vivo, il moto relativo induce striature

allinterfaccia provocando lincremento della forza dattrito.

Ai fini del bilancio energetico, il lavoro compiuto dalle azioni esternamente

applicate risulta pari allenergia potenziale elastica di deformazione,

immagazzinata nel sistema. Allatto dello scorrimento tale contributo viene

dissipato per via cinetica, sotto forma di deformazioni plastiche, energia

termica, di vibrazione e/o rumore.

In particolare lenergia termica diffonde per conduzione, convezione e

irraggiamento, dagli strati pi interni agli strati pi esterni, causando un

progressiva variazione del profilo di temperatura locale. Suddetta

variabilit dipender direttamente dallentit{ e dalla durata dello

scorrimento, nonch dallefficienza del meccanismo di diffusione, dalla

conducibilit termica e dal calore specifico del materiale.

Un notevole quantitativo di energia termica solitamente concentrata in

corrispondenza delle micro-saldature che si rompono e si ricreano durante

lo scorrimento. Poich hanno una limitata resistenza, la temperature varia

continuamente lungo linterfaccia e influenza il meccanismo di

scorrimento.

Il massimo valore, che pu essere registrato non pu superare il punto di

fusione dei due metalli in contatto.

Se la temperatura di fusione raggiunta allinterfaccia di uno dei due

metalli, un film di metallo fuso si forma. In tale circostanza la superficie non


27

pi in grado di esibire una propria resistanza a taglio, il coefficiente

dattrito si abbatte significativamente.

Laumento della temperatura aumenta la possibilit{ di formare uno strato

di ossido, riducendo la resistenza dei legami e di conseguenza il coefficiente

dattrito.

Quando la temperatura di fusione registrata nel materiale indurito, si

forma unampia area di contatto, determinando un elevato coeffciente

dattrito

2.1.1 MECCANISMI DI USURA

Lusura un processo che comporta la progressiva asportazione di

materiale dalla superficie di scorrimento per effetto dellattrito generatosi

allinterfaccia. Le pi comuni forme di usura sono:

- Adesione

- Abrasione

- Corrosione

Lusura adesiva si manifesta, allorch allatto dello scorrimento, si registra

lasportazione di materiale in corrispondenza di una delle due superfici a

contatto. Al progredire del cinematismo, le micro-particelle risultanti

possono collocarsi in aderenza ad una delle due superfici, trasferirsi

nuovamente sulla superficie originaria o distaccarsi definitivamente in

particelle sciolte. Daltro canto, il materiale sciolto derivante dai fenomeni

dinterazione favorisce la formazione di asperit{, determinando un

aumento del coefficiente dattrito.

Qualora si impieghino due differenti materiali, le micro-particelle si

collocheranno in corrispondenza del materiale pi debole, determinando di

Teoria Classica dellAttrito

28

fatto un elevato valore del coefficiente dattrito, come nel caso di superfici

affini.

Lusura abrasiva si manifesta qualora le superfici risultino interessata da

scanalature superficiali e/o striature atte a ridurre lo spessore del

materiale. I frammenti derivanti da tale interazione, favoriscono

ulteriormente al meccanismo di usura.

Lusura corrosiva, si realizza con liinescarsi reazioni chimiche superficiali,

con la progressiva formazione di un film sottile, che gradualmente produce

un impatto irreversibile per linterfaccia.

In altre circostanze, lindesiderato fenomeno pu prevenire lusura

adesiva, preservando di fatti le caratteristiche superficiali.

Tali fenomeni, determinano una progressiva riduzione dello spessore

allinterfaccia, facendo registrare progressive diminuzioni del coefficiente

dattrito.

2.2 TEORIA CLASSICA DELLATTRITO

Come gi accennato lorigine del fenomemo attritivo risiede nellentit{ delle

forze di adesione e coesione che si innescano tra due superfici a contatto.

Da un punto di vista essenzialmente geometrico, possibile di distinguere

contatti di tipo puntuale e contatti di tipo conforme.

Nel primo caso, larea di contatto degenere, si riduce ad un punto o ad una

linea (elementi volventi posti su piste di rotolamento) e risulta

proporzionale al carico normale superficiale e alla resistenza del materiale.

Nel secondo caso, larea di contatto non degenera e risulta proporzionale

alle dimensioni delloggetto coinvolto (slitte piane, cuscinetti di

scorrimento).


29

Innumerevoli modelli teorici sono stati sviluppati nei secoli per descrivere

la complessa interazione attritiva che si genera tra due materiali.

Nella generalit{ dei casi, lattrito risulta notevolmente influenzato dalla

velocit, nonostante dipenda da altri fattori, quali le pressioni di contatto

allinterfaccia, la temperatura, il grado di usura, le caratteristiche dei

lubrificanti. Tale dipendenza pu essere matematicamente espressa

secondo:

(Eq. 2. 1)

FA la forza dattrito, che si oppone allazione di scorrimento; N lo sforzo

normale agente sulla superficie di contatto e rappresenta la velocit

relativa tra le due superfici [3].

Tuttavia, possibile ricorrere a modelli matematici semplificati, atti a

garantire un sufficiente grado di approssimazione alla scala macroscopica

della pratica ingegneristica.

In particolare, nel caso di superfici metalliche, secondo la teoria di Bowden

& Tabor [4], le forze di adesione dipendono dal valore di resistenza a taglio

esibito dalle micro-saldature, e risultano direttamente proporzionali

alleffettiva area di contatto.

Nel caso di metalli a comportamento elasto-plastico, si pu assumere:

(Eq. 2. 2)

A la reale area di contatto, 0 la durezza alla penetrazione del materiale

e N lo sforzo normale agente sulla superficie di contatto.

La forza ad attrito dovuta alladesione FA pu essere espressa come :

FA = As =

(Eq. 2. 3)

Laddove s rappresenta la forza per unit di area necessaria per attivare lo

scorrimento relativo tra le micro-saldature.


30

Diversamente il contributo derivante dalle asperit superficiali, pu essere

stimato secondo:

FP = nrh0 (Eq. 2. 4)

Dove n il numero delle asperit, r la profondit delle asperit dimezzata

e h laltezza delle asperit{.

La forza di scorrimento complessiva risulta:

F = FA + FP (Eq. 2. 5)

La componente FP offre un contributo significativo durante il processo di

abrasione. Tuttavia stato dimostrato per il particolare caso dei metalli,

che suddetto contributo risulta trascurabile.

Dalla (Eq 2.3) si ricava il postulato fondamentale alla base della teoria

classica dellattrito, secondo cui il rapporto tra la forza di attrito e il carico

normale applicato allinterfaccia, risulta di fatto costante e non dipende

dallarea effettiva di contatto. Sia il coefficiente dattrito dellinterfaccia a

scorrimento:

(Eq. 2. 6)

s rappresenta la tensione di aderenza del materiale pi debole e 0 la

durezza alla penetrazione del materiale pi duro.

Il modello teorico valido nel caso di attrito a secco [5], assume a proprio

fondamento i seguenti postulati:

1. La forza dattrito indipendente dallarea di contatto.

2. La forza dattrito risulta direttamente proporzionale allazione

normale applicata.

3. La forza dattrito complessiva indipendente dalla velocit di

scorrimento, qualora il suo valore risulti di modesta entit.


31

I primi due postulati sono spesso conosciuti come Leggi di Amontons, dal

nome del fisico francese Guillaume Amontons, che per primo le ripropose

nel 1699. La terza legge, venne successivamente proposta dallingegnere

francese Charles Augustin Coulomb (Halling, 1978; Persson, 2000), che

stim sperimentalmente il valore delle forza dattrito statica e dinamica

secondo la seguente legge:

F = N (Eq. 2. 7)

Sia N lo sforzo assiale applicato sulla superficie e il coefficiente di attrito

corrispondente.

In accordo con la Legge di Coulomb, lEurocodice 3 [6] definisce la

resistenza di progetto allo scorrimento, nel caso di unioni bullonate ad

attrito pari a :

(Eq. 2.

8)

ks funzione della configurazione del foro

m il numero di superfici in contatto

rappresenta il valore del coefficiente dattrito determinato

sperimentalmente

Fp,c rappresenta lazione di pre-carico del singolo bullone ad alta

resistenza, che risulta pari:

(Eq. 2. 9)

M3 rappresenta il coefficiente parziale di sicurezza pari ad 1,25.

Dalla (Eq. 2.8), evidente come la progettazione di suddetti collegamenti

risulti facilmente governabile assegnando opportunamente il valore della

coppia di pre-serraggio, il numero e il diametro dei bulloni. In particolare al


32

fine di ottimizzare il comportamento dellinterfaccia ad attrito, necessario

impiegare materiali con elevato coefficiente di scorrimento, garantendo il

mantenimento dellazione di pre-carico in corrispondenza dellasse del

bullone.

Tuttavia, il moto relativo delle superfici a contatto, favorisce i meccanismi

di usura gi menzionati, che di fatto determinano la progressiva riduzione

dello spessore dellinterfaccia, con conseguente riduzione del coefficiente

dattrito e del precarico del bullone.

In fatti, le oscillazioni del livello di precarico del bullone possono condurre

in alcuni casi a cicli di isteresi instabili, per cui il quantitativo di energia

dissipata non risulta di fatti prevedibile aprioristicamente.

Al fine di ridurre tale inconveniente, possibile utilizzare rondelle coniche,

ad alta resistenza, in grado di deformarsi elasticamente quando sottoposte

allapplicazione di sforzi assiali; esse a seguito di rilascio, assumono

nuovamente la configurazione indeformata.

Qualora si verifichi lusura del materiale ad attrito, le rondelle coniche

ripristinano lentita della forza di pre-compressione, preservando lo stato

di trazione del bullone. La loro particolare forma, consente differenti

combinazione [7]:

- Combinazione in serie, quando orientate nella stessa direzione, atte

a costituire un sistema pi rigido

- Combinazione in parallelo quando orientate con direzioni alternate,

atte a costituire un sistema maggiormente deformabile

- Combinazione di rondelle in parallelo disposte serie atte ad ottenre

di ottenere un sistema di pre-fissata rigidezza e/o deformabilit.


33

In verit, i test sperimentali condotti nel caso di unioni ad attrito in cui

previsto limpiego di rondelle coniche (vedi 3.4.6 Test sperimentale con

rondelle coniche) evidenziano limitati benefici.

Tuttavia recenti studi [8] hanno dimostrato come il serraggio dei bulloni

risulti influenzato da fenomeni di rilassamento a breve termine, nelle 12

ore immediatamente successive allassemblaggio dellunione;

diversamente i fenomeni a lungo termine si protraggono asintoticamente

durante il tempo di funzionamento.

Ancora quando si effettua il pre-serraggio di un gruppo di bulloni, si

registra una perdita di carico a seguito dei mutui effetti dinterazione: dopo

il serraggio di ogni bullone successivo, il precedente sperimenta una caduta

di tensione.

Per le suddette ragioni nella pratica comune si provvede alladozione di

rondelle coniche, al fine di garantire il mantenimento del pre-carico nei

bulloni durante la vita utile del dispositivo, nonch durante la fase di

scorrimento.

2.3 INFLUENZA DEI DISPOSITIVI AD ATTRITO SULLA RISPOSTA

SISMICA DI UN SISTEMA SDOF

Come gi evidenziato nel precedente paragrafo, nella generalit dei casi gli

smorzatori ad attrito, esibiscono una risposta ciclica, funzione della

velocit registrata in corrispondenza delle superfici di contatto. Il modello

meccanico rappresentativo di tale comportamento costituito da un

legame rigido-plastico, la cui soglia di resistenza risulta pari ad :

(Eq. 2. 10)

Influenza dei dispositivi ad attrito sulla risposta sismica di un sistema SDOF

34

Figura 2. 3: Legame rigido-plastico per dispositivo ad attrito

Al fine di chiarire linfluenza dei dispositivi ad attrito sulla risposta sismica

globale di un complesso strutturale MDOF, si analizza preliminarmente il

comportamento di un sistema SDOF equipaggiato con dissipatore ad

attrito, in presenza di smorzamento, soggetto ad eccitazione sismica.

Siano ud ed rispettivamente lo spostamento relativo e la velocit

relativa registrata in corrispondenza del dissipatore, funzioni della

variabile tempo.

Ancora x ed , rispettivamente lo spostamento e la velocit registrati dal

sistema SDOF, al variare del tempo. Per la continuit fisica delle parti

costituenti il sistema, vale:

(Eq. 2. 11)

In tale circostanza, portando in conto le forze inerziali, leffetto dello

smorzamento dovuto alle caratteristiche intrinseche della struttura,


35

nonch la distribuzione delle forze elastiche di richiamo, e il contributo del

dispositivo installato, lequazione del moto assume la forma :

(Eq. 2. 12)

Figura 2. 4: Schema Sistema SDOF equipaggiato con dispositivo ad attrito

La risposta meccanica del sistema in serie, di cui sopra, rappresentata per

la sovrapposizione degli effetti mediante la :

(Eq. 2. 13)

Si individua in accordo con il Principio di uguale energia, un sistema

equivalente, caratterizzato da una rigidezza pari a:

(Eq. 2. 14)

Sia ceq, la costante di smorzamento del medesimo sistema, il contributo

della viscosit dinamica dato da:

m

Influenza dei dispositivi ad attrito sulla risposta sismica di un sistema SDOF

36

(Eq. 2. 15)

Figura 2. 5: Risposta ciclica per sistema SDOF equivalente

Si assume lipotesi di moto armononico, durante il ciclo disteresi che fa

registrare il massimo valore di spostamento in corrispondenza del

dispositivo. Sia la pulsazione naturale del sistema o frequenza angolare,

al variare del tempo risulta:

(Eq. 2. 16)

Sia lo spostamento infinitesimo in corrispondenza del dispositivo:

(Eq. 2. 17)

Il lavoro compiuto dal dispositivo per tale spostamento risulta:

(Eq. 2. 18)

Larea sottesa al ciclo forza-spostamento, rappresentativo della risposta del

dispositivo (Figura 2. 5), rappresenta lenergia effettivamente dissipata per

via isteretica:

F


37

(Eq. 2. 19)

Dalla Eq. 2.18 si ricava il valore della costante di smorzamento:

(Eq. 2. 20)

Lentit{ dello smorzamento equivalente, funzione dello smorzamento

critico del sistema risulta:

(Eq. 2. 21)

Essendo

Con riferimento allo schema in Figura 2. 4 risulta:

(Eq. 2. 22)

Osservando la Figura 2. 5, si ricava:

(Eq. 2. 23)

La Eq. 2.20, si riscrive nella forma:

(Eq. 2. 24)

Lo smorzamento complessivo del sistema SDOF equipaggiato con

dissipatori ad attrito, si ricava secondo:

(Eq. 2. 25)

Il periodo di vibrazione equivalente:

Bibl iograf ia

38

Sia 0 lo smorzamento del sistema SDOF sprovvisto di dispositivo ad

attrito. La procedura di calcolo risulta iterativa in quanto lentit{ del

massimo spostamento non risulta nota a priori: la determinazione di

procede per step successivi, a partire da valori di tentativo.

Impiegando spettri di risposta a smorzamento fissato, possibile

risalire ai corrispondenti valori di accelerazione spettrale, nonch di

spostamento registrato, effettuando un controllo della convergenza

fino al soddisfacimento della Eq. 2.24, con unopportuna tolleranza

fissata per una soglia del 5%.

Tale procedura, risulta approssimata, in quanto riferita ad un

sistema SDOF sottoposto ad una particolare storia di spostamento.

Diversamente nei casi reali, alloccorrenza di un evento sismico, la

risposta del sistema risulta notevolmente variabile, ai fini della sua

determinazione, a rigore, necessario condurre unanalisi dinamica

non lineare, che porti in conto la variabilit dello smorzamento

equivalente nei cicli di carico e scarico successivi, in funzione dello

spostamento massimo registrato dalla struttura.

Tuttavia, la metodologia consente la stima degli effetti derivanti

dallinstallazione di suddetti dispositivi. Appare evidente,

lincremento di energia dissipata alloccorrenza di un evento sismico,

Disposit ivi diss ipatori ad attr ito

39

nonch linfluenza della risposta dinamica del sistema, che di fatti

assume un grado di smorzamento superiore rispetto ai casi

tradizionali.

E ovvio che tali prestazioni valgono ancor pi nel caso di sistemi

MDOF, laddove linstallazione di tali dispositivi consente di ridurre

gli spostamenti relativi dinterpiano, in condizioni di servizio, e

favorire la massimizzazione delle zone dissipative nel caso di eventi

sismici di elevata intensit.

2.4 ANALISI DEI DISPOSITIVI ESISTENTI

La seguente fase di analisi, volta ad individuare nuovi indirizzi di ricerca,

finalizzati alla progettazione di dispositivi ad attrito di tipo innovativo, da

integrare, nel caso di costruzioni in acciaio, ai sistemi sismo-resistenti

verticali. Tale approccio critico passa in rassegna i principali sistemi, che

negli anni, hanno dimostrato requisiti di affidabilit e robustezza, nel

campo dellIngegneria Civile. La classificazione qui di seguito proposta,

metta in evidenza le caratteristiche tecnologiche e meccaniche

fondamentali, nonch la funzionalit{ e lefficienza di ciascuna tecnologia

presa in considerazione, al fine di valutarne le ulteriori potenzialit

applicative.

In particolare possibile distinguere dispositivi:

- Rotazionale

- Assiale

Bibl iograf ia

40

Uno dei primi dispositivi ad attrito di tipo assiale stato sviluppato da Pall

& Marsh [9], prevedendone limpiego in corrispondenza delle zone

dintersezione delle diagonali di controvento dei sistemi intelaiati in

acciaio. Lo scorrimento si concentrava in prossimit{ dellinterfaccia tra la

trave e il piatto di acciaio, atto ad accogliere le diagonali di controvento. La

dissipazione dellenergia veniva auspicata mediante linterposizione di

materiale ad attrito a matrice asbestosa.

Il sistema, veniva gi concepito al fine di evitare lo scorrimento sotto

carichi di servizio; diversamente sotto terremoti distruttivi, lattivazione in

corrispondenza di un prefissato livello di carico, scongiurava lingresso in

campo plastico egli elementi strutturali primari, favorendo ugualmente la

dissipazione dellenergia, senza linsorgere di danneggiamento.

Figura 2. 6: Pall Pall & Marsh, 1981

Ancora si auspicava la loro applicazione nel caso di strutture pre-esistenti,

al fine di migliorarne la risposta sismica.

Ancora gli studi di Tremblay & Stiemer, propongono dissipatori ad attrito di

tipo assiale, realizzati unioni bullonate ad alta resistenza, con piastre

asolate atte a favorire lo scorrimento allestremit{ delle membrature

controventate tradizionali.

Tra i dissipatori di tipo rotazionale, ritroviamo il dispositivo proposto da

Mualla [10], per sistema intelaiati esistenti.

Slip joint with

fiction pad brace

Friction pad

brace


41

Figura 2. 7: Dispositivo Dissipatore, Mualla 2002

Figura 2. 8: Mualla 2002 Meccanismo di funzionamento

A seguito delle azioni orizzontali, lo smorzatore segue il moto di

oscillazione delle struttura. In particolare il piatto centrale subisce

dapprima spostamenti orizzontali e successivamente ruota intorno alla

cerniera, trascinando nella medesima direzione piatti destremit{. Al

raggiungimento della resistenza allo scorrimento il piatto centrale registra

Bibl iograf ia

42

rotazioni relative rispetto ai dischi di materiale ad attrito. Ancora

auspicabile limpiego di tali dispositivi, nel caso di struttura in cemento

armato precompresso.

Gli studi di Kurama & Morgen [11] dimostrano, i notevoli vantaggi di tale

tecnologia costruttiva, quali la possibilit di ricentrare il sistema nella

configurazione indeformata a seguito di un evento sismico, o sopportare

spostamenti significativi, registrando danni piuttosto limitati.

Tuttavia al fine di ridurre la richiesta sismica in termini di spostamento, i

dispositivi dissipatori proposti vengono installati in corrispondenza dei

collegamenti trave-colonna, tali da favorire il meccanismo di dissipazione

mediante lo spostamento relativo che si verifica tra ambo le membrature.

La Figura 2. 9, di seguito riportata, chiarisce il meccanismo attritivo

auspicabile allinterfaccia.

Figura 2. 9: Kurama & Morgen, 2004

Le applicazioni pi moderne e sofisticate, presenti in commercio [12],

prevedono limpiego di dissipatori ad attrito multi unit{ (Figura 2. 10). Essi


43

possono essere installati in corrispondenza dei sistemi intelaiati provvisti

di controventi, cosi come proposto in Figura 2. 11

Figura 2. 10: Dispositivo dissipatore multi-unit

A seguito dellapplicazione di una forza orizzontale, la struttura subisce

oscillazioni orizzontali. Nel caso di azioni spingenti da sinistra verso destra,

il dissipatore posto alla sinistra subisce un allungamento, diversamente lo

smorzatore posto alla destra registra una contrazione.

Figura 2. 11: Dissipatori ad attrito multi-unit Meccanismo di funzionamento

Bibl iograf ia

44

A seguito di un evento sismico, una struttura assume differenti

configurazioni in entrambe le direzioni consentendo di fatti la dissipazione

dellenergia, contestualmente mediante entrambi i dispositivi.

2.5 BIBLIOGRAFIA

[1] I. H. Mualla, L.O. Nielsen, B. Belev, W. I. Liao, C. H. Loh, A. Agrawal.2002

Performance of friction-damped frame structure: shaking table testing and

numerical simulation. 7th U.S. National Conference on Earthquake

Engineering, Boston, USA.

[2] Tremblay, R., 1993. Seismic behavior and design of friction concentrically

braced frames for steel buildings. Phd Thesis, Department of Civil

Engineering, University of British Columbia.

[3] Guglielmino, E., Sireteanu, T., Stammers, C.W., Ghita, G., Giuclea, M.,

2008. Semi active Suspension Control Improved Vehicle Ride and Road

Friendliness. Berlin, Springer.

[4] Michael F. Ashby, DRH Jones, 2005. Engineering Materials 1: An

Introduction to Properties, Applications and Design. Butterworth-

Heinemann, pagg. 241-249.

[5] Bowden, F. & Tabor, D., 1950. The Friction and Lubrication of Solids: part

I. Oxford: Oxford University Press.

[6] Popov, Valentin L., 2010. Contact Mechanism and Friction Physical

Principles and Applications. Berlin, Springer.

[7] Almen J.O. & Laszlo A. 1936. The uniform-Section Disck Spring. Trans.

ASME 58 (1936), pagg. 305 314.


45

[8] Heistermann, C., 2011. Behaviour of Pretensioned Bolts in Friction

Connections. University of Technology.

[9] CEN, 2003b. Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-8: Design of

joints.

[10] Pall, A.S. and Marsh, C., (1982) "Response of Friction Damped Braced

Frames", Journal of Structural Division, ASCE, Vol. 108, No. ST6, June, pp.

1313-1323, (American Society of Civil Engineer's Raymond C. Research

Prize 1983)

[11] Mualla, I. & Belev, B., 2002. Seismic Response of Steel Frames Equiped

with a New Friction Damper Device Under Earthquake Excitation.

Engineering Structures, 24(3), pp.365-71.

[12] Morgen B. G. & Kuram Y. C., 2004. A friction damper for post-tensioned

precast concrete beam-to-column joints. Paper no. 3189, 13th Word

Conference on Earthquake Engineering Vancouver, B.C., Canada.

[13] Damptech, Earthquake Protection, 2013. Damper for Building.

Denmark.

Premessa

46

CAPITOLO 3

Prove Cicliche su Collegamenti Trave Colonna di tipo

DST equipaggiati con dissipatori ad attrito

3.1 PREMESSA

Come gi ampiamente discusso, la progettazione di sistemi intelaiati in

acciaio, condotta secondo sofisticate procedure a collasso controllato,

garantisce adeguate prestazioni in termini di duttilit e resistenza,

massimizzando la capacit dissipativa propria della struttura, sotto lazione

di eventi sismici distruttivi.

Nellottica delle strategie per la dissipazione supplementare dellenergia

sismica, risulta vantaggioso per i sistemi sismo-resistenti verticali,

linstallazione di dispositivi smorzatori, atti a ridurre e/o eliminare

limpegno plastico delle membrature strutturalmente connesse,

concentrando lenergia sismica in ingresso, in corrispondenza di

componenti dissipative, facilmente sostituibili a seguito di

danneggiamento.

La possibilit di perseguire questo ambizioso obiettivo, si realizza nel

seguito, mediante la progettazione e sperimentazione di collegamenti

trave-colonna di tipo Double Split Tee (DST), caratterizzati da parti

chiaramente identificabili e allo stesso tempo intercambiabili.

Nello specifico, le capacit dissipative di suddetti collegamenti, possono

essere investigate impiegando un modello meccanico, cosiddetto a T-stub

equivalente, atto a schematizzare la risposta delle singole componenti, che

in tale circostanza, costituiscono il sistema di connessione [1]. E ben noto

Prove Cicliche su Collegamenti Trave-Colonna equipaggiati con dissipatori ad attrito

47

dalla letteratura scientifica [2] che un elemento T-stub, caratterizzato da

due o pi elementi a T, connessi mediante file di bulloni in corrispondenza

delle flange degli elementi strutturalmente connessi.

Nella Figura 3. 1, vengono chiaramente identificati gli elementi T-stub, e i

loro possibili orientamenti, in presenza di flange di estremit, per colonne

munite o sprovviste di soluzioni di irrigidimento.

Figura 3. 1: Identificazione di elemento T-stub in corrispondenza di flange di estremit (Yee and Melchers, 1986)

Laccuratezza del modello, consente di prevedere il comportamento

ciclicorotazionale dei nodi flangiati travecolonna, ovvero effettuare una

stima della rigidezza rotazionale propria del collegamento, attraverso lo

studio di un sistema semplificato caratterizzato da un T-stub a due bulloni,

soggetto esclusivamente ad azioni di tipo assiale, cos come riportato in

Figura 3. 2.

Il suddetto sistema, pu essere interessato da tre possibili meccanismi di

collasso [3], in funzione del rapporto relativo tra la resistenza di progetto a

flessione delle flange e la resistenza assiale di progetto propria dei bulloni:

(Eq. 3. 1)

Premessa

48

PIANTA SEZIONE X-X VISTA LATERALE

Figura 3. 2: Modello T-stub a due bulloni

Tabella 3. 1: Notazioni

m = Distanza tra lasse dei bulloni e la sezione di raccordo tra anima e

flangia del modello T-stub

n = Distanza tra lasse dei bulloni e il punto di localizzazione delle azioni

di contatto Q

d = Distanza tra lasse dei bulloni, e lasse dellanima del Modello T-stub

r = Raggio di raccordo tra anima e flangia del Modello T-stub

Q =

BRd =

Azioni di contatto

Resistenza a trazione dellelemento di connessione

Fi,Rd = Azione resistente per i-esimo meccanismo di collasso

Nella Tabella 3. 1, sopra riportata, si precisano le notazioni adottate nel

corso della trattazione.

Prove Cicliche su Collegamenti T

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