Raffaello Bartelletti Maria Luisa Beconcini Paolo Formichi

PROVE DI CARATTERIZZAZIONE PROVE DI CARATTERIZZAZIONE DINAMICA E MODELLAZIONE DINAMICA E MODELLAZIONE

STRUTTURALE DI UN SERBATOIO STRUTTURALE DI UN SERBATOIO PENSILE IN CEMENTO ARMATOPENSILE IN CEMENTO ARMATO

Raffaello BartellettiRaffaello BartellettiMaria Luisa Beconcini Maria Luisa Beconcini

Paolo FormichiPaolo Formichi

Dipartimento di Ingegneria Strutturale dell’Università di PisaDipartimento di Ingegneria Strutturale dell’Università di Pisa

I recenti sviluppi normativi in materia di costruzioni antisismiche e la I recenti sviluppi normativi in materia di costruzioni antisismiche e la

sensibilizzazione nei confronti della prevenzione dei danni da sensibilizzazione nei confronti della prevenzione dei danni da

terremoto comportano la necessità di terremoto comportano la necessità di interventi di adeguamento della interventi di adeguamento della

sismo-resistenza di molta parte del patrimonio edilizio esistentesismo-resistenza di molta parte del patrimonio edilizio esistente..

R. Bartelletti, M.L. Beconcini, P. Formichi – Dipartimento di Ingegneria Strutturale dell’Università di Pisa

Considerata la vastità dei programmi di adeguamento si richiede che gli Considerata la vastità dei programmi di adeguamento si richiede che gli

interventi siano interventi siano progettati in modo ottimizzatoprogettati in modo ottimizzato, per salvaguardare le , per salvaguardare le

caratteristiche architettonico-funzionali delle opere e per ridurre gli oneri caratteristiche architettonico-funzionali delle opere e per ridurre gli oneri

economici degli interventi stessi.economici degli interventi stessi.

Condizione necessaria per garantire l’ottimizzazione della progettazione è la Condizione necessaria per garantire l’ottimizzazione della progettazione è la

approfondita conoscenzaapprofondita conoscenza dello stato attuale per poter consentire la messa a dello stato attuale per poter consentire la messa a

punto di modelli numerici affidabili per la valutazione della risposta della struttura punto di modelli numerici affidabili per la valutazione della risposta della struttura

alle azioni di progetto ed accertare l’efficacia degli interventi.alle azioni di progetto ed accertare l’efficacia degli interventi.

1. Le finalità del lavoro1. Le finalità del lavoro

Lo studio è finalizzato alla individuazione del modello numerico che Lo studio è finalizzato alla individuazione del modello numerico che risulti maggiormente predittivo del comportamento delle strutture di un risulti maggiormente predittivo del comportamento delle strutture di un serbatoio pensile in c.a., costruito negli anni ’50, in una zona allora non serbatoio pensile in c.a., costruito negli anni ’50, in una zona allora non classificata sismica e che oggi ricade in II categoria (zona 2 secondo classificata sismica e che oggi ricade in II categoria (zona 2 secondo OPCM 3274).OPCM 3274).

Le analisi numeriche hanno preceduto e seguito (feedback) Le analisi numeriche hanno preceduto e seguito (feedback) l’esecuzione delle seguenti prove sperimentali non distruttive :l’esecuzione delle seguenti prove sperimentali non distruttive :

• caratterizzazione meccanica del calcestruzzo;caratterizzazione meccanica del calcestruzzo;

• prove di carico statiche, eseguite con forze pseudo-orizzontali;prove di carico statiche, eseguite con forze pseudo-orizzontali;

• prove dinamiche.prove dinamiche.

L’esame dei risultati delle tre categorie di prove effettuate hanno L’esame dei risultati delle tre categorie di prove effettuate hanno consentito di ridurre le incertezze di definizione dei parametri che consentito di ridurre le incertezze di definizione dei parametri che comportano le maggiori influenze nella scelta del modello FEM più comportano le maggiori influenze nella scelta del modello FEM più adeguato.adeguato.


2. La struttura in studio2. La struttura in studio

Serbatoio pensile con Serbatoio pensile con struttura in c.a. per uso struttura in c.a. per uso antincendioantincendioEpoca di costruzione: Epoca di costruzione: 1950 1950H = 30 m H = 30 m Capacità = 380mCapacità = 380m33

Diametro della vasca = 9,0 mDiametro della vasca = 9,0 mAltezza della vasca = 7,50 mAltezza della vasca = 7,50 m8 pilastri 56x56 cm8 pilastri 56x56 cm3 ordini di anelli T 56x30 cm3 ordini di anelli T 56x30 cmFondazione: platea nervata Fondazione: platea nervata circolare circolare 11,0 m – 11,0 m – quota da quota da p.d.c. incognitap.d.c. incognita


2. La struttura in studio2. La struttura in studio


560

560staffe Ø6/20

ferri lisci Ø/18

SEZIONE DEI PILASTRI

staffe Ø6/22-24

300

560

ferri lisci Ø/18

SEZIONE DEGLI ANELLIDI COLLEGAMENTO

Punto di indagine

R cil

stimata

[N/mm2]

R cub

stimata

[N/mm2]

1 56.8 ± 12.0 68.4 ± 14.5

3 56.0 ± 12.0 67.5 ± 14.5

4-1 51.3 ± 12.0 61.8 ± 14.5

4-2 56.4 ± 12.0 67.9 ± 14.5

4-3 48.1 ± 12.0 57.9 ± 14.5

5-1 63.0 ± 12.0 75.9 ± 14.5

5-2 59.0 ± 12.0 71.1 ± 14.5

9-1 42.0 ± 14.0 50.6 ± 16.8

9-2 43.5 ± 14.0 52.4 ± 16.8

10 38.6 ± 14.0 46.5 ± 16.8

11 32.0 ± 14.0 38.6 ± 16.8

Resistenza del cls stimata con il metodo SONREB

Intervalli di confidenza del 95%

2983

2832

2170

,3

Ø1100

60

1100

150

90020

50 60

25

12

645,5

670

Ø63

4

56

56

70594650

621,3

75,4

120

50

36

15

39,5

23,2

42,7

ANELLO D'IMPOSTA

ANELLO 3

ANELLO 2

ANELLO 1

PIL. 1

PIL. 2

PIL. 3

PIL. 4

PIL. 5

PIL. 6

PIL. 7

PIL. 8

386

506

500

453

3030

30

3. Le attività sperimentali - prove di carico statiche3. Le attività sperimentali - prove di carico statiche


pienopieno vuotovuoto

Prova Prova 1P1P

ProvProva 1Va 1V

ProvProva 2Va 2V

ProvProva 3Va 3V

FF

[kN][kN] 85,385,3 29,529,5 61,361,3 94,294,222

0

1900

trasd. 1

1505

trasd.2

trasd. 2

cavo di acciaio

trasd. 1

F

FANELLO 1

ANELLO D'IMPOSTA

ANELLO 2

ANELLO 3

877

570

acc.7acc.6

acc.5

acc.4

acc.2

acc.3

acc.1

acc.7

acc.6

3. Le attività sperimentali - prove di carico statiche3. Le attività sperimentali - prove di carico statiche


prova 1

0

5

10

15

20

25

30

35

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 [mm]

F[kN]

prova 3

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 [mm]

F[kN]

220

1900

trasd. 1

1505

trasd.2

trasd. 2

cavo di acciaio

PIL. 1

PIL. 2

PIL. 3

PIL. 4

PIL. 5

PIL. 6

PIL. 7

PIL. 8

trasd. 1

F

FANELLO 1

ANELLO D'IMPOSTA

ANELLO 2

ANELLO 3

877

570

4. Le attività sperimentali - prove dinamiche4. Le attività sperimentali - prove dinamiche


acc.1,2,3

ANELLO 1

ANELLO D'IMPOSTA

ANELLO 2

ANELLO 3acc.2

acc.3

acc.5

acc.4

acc.7acc.6

acc.1

937

PIL. 1

PIL. 2

PIL. 3

PIL. 4

PIL. 5

PIL. 6

PIL. 7

PIL. 8

2801

2166

1708

acc.5, 7

acc.4, 6

1467



acc 6

0

20

40

60

80

100

120

0 1 2 3 4 5f [Hz]

prova a serbatoio pieno

acc.1,2,3

ANELLO 1

ANELLO D'IMPOSTA

ANELLO 2

ANELLO 3acc.2

acc.3

acc.5

acc.4

acc.7acc.6

acc.1

937

PIL. 1

PIL. 2

PIL. 3

PIL. 4

PIL. 5

PIL. 6

PIL. 7

PIL. 8

2801

2166

1708

acc.5, 7

acc.4, 6

1467



f [Hz]

[%] a1 a2 a3 a4 a6

prova 1P

0.80 5.5 --- 0.92 1.10 0.97 1.00

prova 1V

1.12 1.1 0.50 0.78 0.87 0.96 1.00

prova 2V

1.11 1.1 0.52 0.81 0.91 0.99 1.00

prova 3V

1.10 1.5 0.48 0.79 0.87 0.95 1.00

Le ipotesi assunte alla base di entrambe le modellazioni sono:

1. Comportamento elastico lineare dei materiali;2. Si sono trascurati eventuali effetti del secondo

ordine derivanti da non linearità geometriche della struttura;

3. Elementi “frame” e “shell” con sezione interamente reagente;

4. La fondazione è stata modellata con elementi tipo ”shell” vincolati mediante elementi elasticamente cedevoli (di rigidezza k)

I parametri di incertezza, assunti quali variabili da definire a seguito della sperimentazione sono:

a. Il modulo elastico dinamico E del calcestruzzo;

b. La quota di imposta delle fondazioni dal p.d.c.

c. Il grado di vincolo terreno – struttura (costante k)

5. L’analisi numerica5. L’analisi numerica


La modellazione FEM della struttura è avvenuta in due fasi successive:

- Preliminarmente alla esecuzione delle prove, al fine di calibrare le forze da applicare alla struttura durante le prove;

- a posteriori, modificando i parametri fissati quali variabili, per la individuazione del modello maggiormente rappresentativo del comportamento strutturale reale.

5. L’analisi numerica – modellazione delle masse liquide5. L’analisi numerica – modellazione delle masse liquide


Il modello FEM utilizzato per l’analisi dinamica del serbatoio pieno tiene conto degli effetti di sbattimento che il liquido, all’interno della vasca di sommità, subisce per effetto delle azioni dinamiche.

Il modello adottato per la simulazione di questi effetti è quello suggerito dall’Eurocodice 8 – Parte 4, in cui la massa liquida viene suddivisa in due parti:

- massa impulsiva;

- massa convettiva.

Date le caratteristiche di viscosità del liquido, le dimensioni geometriche del serbatoio e l’altezza massima di riempimento prevista, le due masse possono essere modellate come concentrate in altrettanti punti, posti a quota definita rispetto al fondo del serbatoio, opportunamente vincolati ad esso.

Per il serbatoio in studio (capacità totale di circa 380 m3) si è ottenuto: - massa impulsiva: 244 t : quota + 3,30 m - massa convettiva : 135 t : quota + 3,60 m

La massa impulsiva, dotata di moto sincrono rispetto alle pareti del serbatoio, è stata collegata ad esso mediante aste infinitamente rigide assialmente e prive di massa

La massa convettiva, dotata di moto proprio rispetto alle pareti del serbatoio, è stata collegata ad esso mediante 16 molle con rigidezza risultante calcolata secondo le indicazioni dell’EC8

6. Confronto tra dati teorici e sperimentali6. Confronto tra dati teorici e sperimentali


Il confronto tra dati sperimentali e teorici risultanti dalle analisi numeriche condotte al variare dei parametri incogniti ha condotto alla loro definizione nei termini seguenti:

- modulo elastico dinamico E del calcestruzzo = 58.000 MPa

- quota di imposta della platea fondazione dal p.d.c. = -1,00 m

- costante elastica k = ∞

Prova Prova statica 3Vstatica 3V F x [kN]F x [kN]

1 1

[mm][mm]

22

[mm][mm]

sperimentalesperimentale

73,173,1

2,442,44 1,421,42

teoricoteorico 2,522,52 1,471,47



ff

[Hz][Hz] a1a1 a2a2 a3a3 a4a4 a6a6

Serb.Serb.

PienoPieno

Sper.Sper. 0,800,80 ---- 0,920,92 1,101,10 0,970,97 1,001,00

Teor.Teor. 0,830,83 0,500,50 0,830,83 0,950,95 1,011,01 1,001,00

Serb. Serb. vuotovuoto

Sper.Sper. 1,111,11 0,520,52 0,810,81 0,910,91 0,990,99 1,001,00

Teor.Teor. 1,121,12 0,520,52 0,850,85 0,930,93 1,011,01 1,001,00



N M13 T13 N M13 T13

[kN] [kNm] [kN] [kN] [kNm] [kN]-434 185.7 26.7 -585.5 90.6 25.6-1326 -183.1 -27.8 -1180.7 -158.4 -10.9-525 67.5 39.4 -579.6 73.9 7.8-948 -176.2 -26.7 -874 -126.3 -18.9

-430.8 185.7 27.4 -581.2 90.5 25.7-1329 -184.5 -27.6 -1176 -158.5 -10.9-502 123.7 14.2 -575 74.3 7.9-954 -174.12 -25.4 -869 -125.9 -19.9

34 1° anello -5.47 -100.6 -71.8 -5.9 -57.7 -50.547 2° anello -0.7 -130.6 -107.8 3.94 -98 -8255 3° anello -10.5 -109.2 -64.2 -11.9 -84.7 -74

Analisi sismica, serbatoio

pieno

1Pilastro 1

base

4Pilastro 1 sommità

17Pilastro 5

base

20Pilastro 5 sommità

N° asta FEM Posizione

Modello identificato Modello preliminare

7. Conclusioni7. Conclusioni


Le indagini sperimentali e numeriche svolte sulle strutture del serbatoio pensile con struttura in c.a. possono riassumersi come segue:

1. Esame non distruttivo delle membrature per la qualificazione dei materiali;

2. Modellazione numerica di primo approccio per la definizione delle azioni da applicare alla struttura durante le prove di carico;

3. Prove di carico statiche;

4. Prove dinamiche;

5. “feedback” sul modello FEM per la identificazione di quello maggiormente rappresentativo del comportamento statico e dinamico della struttura.

Sul modello numerico messo a punto sono state condotte le usuali verifiche delle membrature, previste dalla vigente normativa sismica e sulle costruzioni in c.a.

7. Conclusioni7. Conclusioni


a. Le indagini sono state condotte utilizzando attrezzature abbastanza facilmente reperibili, in tempi e con costi accettabili visto il valore della struttura;

b. Il modello FEM identificato ha consentito di valutare con grande attendibilità le sollecitazioni che impegnano le membrature qualora la struttura sia soggetta alle azioni di norma, ivi comprese le sollecitazioni sismiche;

c. Molte membrature, che nel modello iniziale risultavano adeguate, sono risultate non verificate con il modello “affinato”;

d. Il modello identificato consente una più attendibile valutazione dell’efficacia degli interventi di consolidamento in progetto;

e. L’archivio dei risultati sperimentali ottenuti potrà servire nell’immediato futuro da riscontro per la verifica dei risultati conseguiti con gli interventi di consolidamento e successivamente quale monitoraggio permanente delle condizioni statiche della struttura.

Raffaello Bartelletti Maria Luisa Beconcini Paolo Formichi

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