Strutture con Isolamento Sismico: Edifici & Ponti 2006/Di Sarno.pdf · Corso di Aggiornamento Norma...

Strutture con Isolamento Sismico: Edifici & Ponti

Luigi Luigi DiDi SarnoSarnoDipartimentoDipartimento didi IngegneriaIngegneria

UniversitUniversitàà del del SannioSannioBeneventoBenevento

CorsoCorso didi Aggiornamento Aggiornamento NuovaNuova Norma Norma SismicaSismicaComuneComune didi NapoliNapoli –– SezioneSezione InfrastruttureInfrastrutture

28 28 MarzoMarzo 2006, 2006, NapoliNapoli

Corso di Aggiornamento Norma Sismica - 28 Marzo 2006, Napoli

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SommarioSommario

•• Danni Danni nellenelle strutturestrutture dovutidovuti al al sismasisma

•• StrategieStrategie didi protezioneprotezione sismicasismica

•• ControlloControllo delledelle vibrazionivibrazioni

•• Principi dellPrincipi dell’’isolamentoisolamento sismicosismico•• IsolatoriIsolatori sismicisismici•• DinamicaDinamica sistemisistemi isolatiisolati sismicamentesismicamente•• Normativa per lNormativa per l’’isolamento sismicoisolamento sismico•• Aspetti applicativiAspetti applicativi•• ConclusioniConclusioni


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Danni su Edifici con Struttura in C.A. Danni su Edifici con Struttura in C.A.

I danni più frequenti negli edifici con strutture in c.a. includono:• Crisi fragile per taglio di travi e/o pilastri;• Instabilità delle barre longitudinali in travi e/o colonne;

• Eccessiva fessurazione a taglio dei nodi trave-colonna (zona di pannello);• Crisi dei legami di aderenza in zone soggette ad elevato impegno plastico;

• Crisi di pareti singole e/o accoppiate (pareti con larghe aperture);• Tranciamento di impalcati in corrispondenza di strutture verticali rigide;

• Concentrazione di danno in corrispondenza di piani soffici;• Martellamento tra edifici o parti di essi contigue.


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Rottura per flessione Rottura per taglio

Trave

Colonna

LesioneDiagonale

LesioneVerticale

Trave

Colonna

Kocaeli, Turchia (1999)

Danni su Edifici con Struttura in C.A. Danni su Edifici con Struttura in C.A. Travi


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icoPilastri

EffettoEffetto didi ‘‘PilastroPilastro TozzoTozzo’’


AdanaAdana--CeyhanCeyhanTurchiaTurchia (1998)(1998)


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Nodi



Staffe?Staffe?

Interni

Esterni

Esterni


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Meccanismo di piano soffice

Kobe, Giappone (1995)



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Meccanismo di tipo torsionale

Kocaeli, Turchia (1999) Atene, Grecia (1999)



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Atene, Grecia (1998)

Collasso globale



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Martellamento: danni globali




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Danni locali in pareti

Rottura per taglio Rottura giunto di collegamento



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Lesioni nei tompagni (danni non strutturali)




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Pareti portanti

Lungo i giuntiRotture a taglio

Attraverso i blocchi

Danni su Edifici in Muratura Danni su Edifici in Muratura I danni più frequenti negli strutture in muratura includono:

• Crisi delle pareti portanti;• Crisi delle pareti non portanti;• Crisi delle connessioni (parete-parete; solaio-parete).


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Collasso fuori piano

Meccanismo Friuli (1976), Italia

Pareti portanti

Danni su Edifici in Muratura Danni su Edifici in Muratura


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Atene (1999), GreciaNorthridge (1994) , California

Collasso fuori piano

Pareti non portanti


Lesioni

Danni non strutturali


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Connessioni solaio-parete & parete-parete


Meccanismo Friuli (1976), Italia

Atene (1999), Grecia


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sism

ico I danni più frequenti sui ponti con strutture in c.a. includono:

• Crisi per flessione delle cerniere plastiche per scarso confinamento;• Crisi per taglio delle pile;• Crisi per schiacciamento delle pile;• Instabilità delle barre di armatura longitudinale;• Rottura dei vincoli di appoggio delle campate;• Martellamento e/o scorrimento delle campate;• Ribaltamento o rottura delle fondazioni;• Crisi delle fondazioni dovute a problemi di natura geotecnica.

Danni su Ponti con Struttura in C.A. Danni su Ponti con Struttura in C.A.


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Collasso appoggi campate

Viadotti in California: San Fernando (1971) e Northridge (1994).



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Punzonamento delle pile

Loma Prieta (1989), California.



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Martellamento tra campate adiacenti

Northridge (1994), California (sinistra) e Kobe (1995), Giappone (destra).



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Scarso confinamento laterale


Northridge (1994)California


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Scarsa cura dei dettagli costruttivi

Kobe (1995), Giappone.



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Scarsa cura dei dettagli costruttivi


Kobe (1995), Giappone.


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Collasso di pile dovuto ad effetti taglianti

Northridge (1994), California



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Collasso di pile dovuto ad effetti taglianti nei nodi

Loma Prieta (1989), California



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+ Smorzamento

Risposta strutturaleStrategie di Protezione Sismica Strategie di Protezione Sismica

Elastico Inelastico Collasso

Lim

itazi

one

Dan

no

Dan

no E

stes

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Vici

no a

l Col

lass

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Rigidezza Resistenza Duttilità

Tagl

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/ Pes

o Si

smic

o (%

)

Spostamento Sommità / Altezza Struttura (%)


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ico Materiale(i)

Sezioni

Elementi Collegamenti

Sistema

Loca

leG

loba

le

Locale Globale

Legame gerarchico tra caratteristiche strutturali

Strategie di Protezione Sismica Strategie di Protezione Sismica

Rigidezza DuttilitàResistenza Smorzamento

Loca

leG

loba

le


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Strategie Convenzionali

Possibili Approcci Progettuali

Strategie di Protezione Sismica Strategie di Protezione Sismica

Strategie Non Convenzionali

Progetto Elastico

Progetto Inelastico

Gerarchia Resistenze

Controllo delle Vibrazioni

Passivo

AttivoIbrido

Semi-attivo


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ControlloControllo delledelle VibrazioniVibrazioni

ECCITAZIONE STRUTTURA RISPOSTA

STRUTTURA CONVENZIONALE


STRUTTURA CON CONTROLLO PASSIVO

PED


STRUTTURA CON CONTROLLO ATTIVO

SENSORICOMPUTER

CONTROLLER SENSORI

CONTROLLER ATTUATORI


SENSORICOMPUTER

CONTROLLER SENSORI


PED

STRUTTURA CON CONTROLLO IBRIDO


SENSORICOMPUTER

CONTROLLER SENSORI


PED

STRUTTURA CON CONTROLLO SEMI-ATTIVO


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• Sistemi di isolamento sismico OPCM 3431, 2005Eurocodice 8, 2004

SEAOC, 1999FEMA 356, 2000


Passivo Dissipazione Supplementare di Energia

Isolamento Sismico

Smorzamento di Massa

Attivo Variazione di Rigidezza

Forzanti di Controllo

Variazione di Smorzamento

• Sistemi di incremento di smorzamento


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Applicazioni strutturali del controllo delle vibrazioni.


TIPO DI CONTROLLO CAMPO DI APPLICAZIONE GRADO DI MATURITÀ

Isolamento sismico • Edifici bassi-medi (esistenti o nuovi).

• Ponti e infrastrutture. • Apparecchiature e dispositivi

vari.

• Tecnica matura. • Molti risultati dati teorico-

sperimentali. • Molte applicazioni nel mondo.

Dissipazione di energia • Edifici medi-alti (esistenti o nuovi).

• Torri, antenne e ciminiere. • Ponti di luce medio-lunga. • Infrastrutture.

• Tecnica matura. • Molti risultati dati teorico-


Altri tipi di controllo passivo • Edifici medi-alti (esistenti o nuovi).

• Torri, antenne e ciminiere. • Ponti di luce medio-lunga. • Infrastrutture.

• Tecnica relativamente matura. • Molti risultati dati teorico-


Controllo attivo, semi-attivo e ibrido

• Edifici alti. • Torri, antenne e ciminiere. • Ponti di luce medio-lunga. • Infrastrutture.

• Fase di ricerca avanzata. • Molti risultati teorici. • Alcune applicazioni nel mondo.


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Tipi di smorzamento in sistemi strutturali.

Smorzamento

Esterno Fondazioni Interno

Interazione-Fluido Naturale Aggiunto

Isteretico

Attrito

ViscosoIsteretico

Attrito

Viscoso

Strutturale

Radiazione

Aerodinamico

Idrodinamico



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Tipici valori di smorzamento

02-0.3Acciaio-Calcestruzzo0.1-0.2Acciaio0.4-0.7Cemento armato precompresso

0.7-1.01.0-4.04.0-8.0

Cemento ArmatoPiccola ampiezza (non fessurato)Media ampiezza (fessurato)Grande ampiezza (fessurato no snervamento acciaio)

Smorzamento (in %)Materiale

Smorzamento viscoso equivalente

S

Deq W

W4π1ξ ⋅=


Valori di smorzamento pari a 10-30%


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Sistemi di incremento di smorzamento



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Sistema ADAS

ControlloControllo delledelle VibrazioniVibrazioniSistemi di incremento di smorzamento

Sistema TADAS


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ico Sistema viscoso


Sistema visco-elastico

Sistema ad attrito


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-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

Displacement (mm)

Forc

e (k

N)

-10

-5

0

5

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

Displacement (mm)

Forc

e (k

N)

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

Displacement (mm)

Forc

e (k

N)

Sistema con leghe a memoria di forma (LMF)

Sistema ricentrante Sistema dissipativo Sistema ibrido



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Struttura a base fissa Struttura isolata alla base

Meccanismo di funzionamento

PrincipiPrincipi delldell’’IsolamentoIsolamento SismicoSismico

Deformazioni Diffuse in Altezza Deformazioni Concentrate alla Base


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Le strutture isolate hanno diversa risposta sismica rispetto alle corrispondenti strutture a base fissa in quanto:

• Allungamento periodo fondamentale di vibrazione

• Incremento dello smorzamento strutturale



Funzione isolamento sismico:

• Resistere carichi verticali della sovrastruttura

• Elevata deformabilità laterale

• Elevata dissipazione energia

• Ricentraggio dispositivi


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Elongazione Periodo

Periodo

Acc

eler

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ale



Elongazione Periodo

Periodo

Spos

tam

ento

Spet

tral

e

SpettroSpettro AccelerazioniAccelerazioni

SpettroSpettro SpostamentiSpostamenti

EffettoEffetto deformabilitdeformabilitàà lateralelaterale

RiduzioneRiduzione accelerazioniaccelerazioni spettralispettraliAumentoAumento spostamentispostamenti spettralispettrali


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SpettroSpettro SpostamentiSpostamenti

EffettoEffetto smorzamentosmorzamento viscosoviscosoPeriodo

Incremento smorzamento

Spos

tam

ento

Spet

tral

e

RiduzioneRiduzione accelerazioniaccelerazioni spettralispettraliRiduzioneRiduzione dipendenzadipendenza rispostarisposta strutturalestrutturale dada caratteristichecaratteristiche sismasismaVincoloVincolo controcontro azioniazioni orizzontaliorizzontali ambientaliambientali brevebreve periodoperiodo ritornoritorno


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““TradeTrade--offoff”” ForzaForza--SpostamentoSpostamento

ElongazionePeriodo

SpostamentoStruttura

Forza Sismica su Struttura

Periodo di vibrazione

Forz

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Spos

tam

ento


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AccelerogrammaAccelerogramma SismaSisma FriuliFriuli (1976)(1976)

-0.60

-0.40

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0 5 10 15 20

Tempo (secondi)

Acc

eler

azio

ne (i

n g)

SpettroSpettro accelerazioniaccelerazioni

SpettroSpettro spostamentispostamentiSpettroSpettro velocitvelocitàà


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AllungamentoAllungamento PeriodoPeriodo & & IncrementoIncremento SmorzamentoSmorzamento

AllungamentoAllungamento PeriodoPeriodo IncrementoIncremento SmorzamentoSmorzamento


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PrincipiPrincipi delldell’’IsolamentoIsolamento SismicoSismicoMeccanismo di funzionamento

Periodo (secondi)

Forz

eSi

smic

he

Capacità

Domanda Struttura a Base Fissa(comportamento elastico)

Domanda StrutturaIsolata

Forza Sismica di Progetto

1.0 3.02.0


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PrincipiPrincipi delldell’’IsolamentoIsolamento SismicoSismicoMeccanismo di funzionamento

Forz

esism

iche

Resistenza di snervamento per struttureprogettate secondo norma = Capacità sismica

Forze per strutture a base fissa = Domanda sismica

Forze su strutturesismicamente isolate

Forza sismicaprogetto

Periodo0.5 SEC

Differenza deve essere assorbita per duttilità = Danno strutturale

1.5 SEC 2.5 SEC1.0 SEC 2.0 SEC 3.0 SECStruttura a base

fissaIntervallo

per strutture isolate

0.25 SEC


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Comportamento strutture sismicamente isolate


Come vengono eliminati/ridotti i danni nelle strutture sismicamente isolate?

• Comportamento essenzialmente elastico sovrastruttura

• Riduzione accelerazioni sismiche nella sovrastruttura

• Riduzione forze sismiche nella sovrastruttura

• Riduzione spostamenti interpiano

• Riduzione sezioni resistenti

• Strutture geometrie irregolari

• Tipologie strutturali diverse

Benefici a breve termine

• Sicurezza globale maggiore

• Riduzione costi riparazione

• Operatività continua

Benefici a lungo termine

Struttura isolata durante un terremoto con ML=8.0 si comporta come se fosse soggetta ad un terremoto con ML=5.5


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Comportamento strutture sismicamente isolate


Riduzione dell’amplificazione dinamica dell’azione sismica alla base (Ais/Abf = 1/9, posizionato a ca. 30km dall’epicentro)

Edificio USC Hospital, LA, California

Dec

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Terremoto di Northridge (1994)


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Statistiche sistemi di isolamento sismico


Fonte: Martelli et al., 2004Giappone

USA


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Statistiche sistemi di isolamento sismico


Fonte: Martelli et al., 2004


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Possibili campi di applicazione


Per quali strutture conviene utilizzare l’isolamento sismico?

• Strutture ad alto rischio: centrali nucleari, impianti chimici, etc.

• Infrastrutture (ponti e viadotti)

• Edifici pubblici (ospedali, centri di emergenza, scuole, etc.)

• Strutture adibite alla difesa

• Strutture che contengono componenti di elevato valore

• Monumenti artistici e storici

Per tutte le strutture di cui sopra l’assenza di danno (strutturalee/o non strutturale) è fondamentale!


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Tipologie dispositivi

IsolatoriIsolatori SismiciSismici

Elastomerici

Gomma a basso smorzamento

Gomma a elevato smorzamento

Gomma + Piombo

ScorrimentoSuperficie piana

Superficie curva

Piolo in Pb

HDRB


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Sistemi di isolamento sismico

TIPO ISOLATORE VANTAGGI SVANTAGGI ELASTOMERICO • Basse accelerazioni di piano.

• Costo ridotto.

• Spostamenti alti. • Basso smorzamento. • Scarsa resistenza al carico di

servizio. • Momenti P-∆ alla base e sommità.

GOMMA AD ALTO SMORZAMENTO • Moderate accelerazioni di piano. • Resistenza al carico di servizio. • Moderato-alto smozamento.

• Rigidezza e smorzamaneto dipendente dale deformazioni.

• Analisi complessa. • Limitata scelta di rigidezza e

smorzamento. • Momenti P-∆ alla base e sommità.

GOMMA CON PIOLO IN PIOMBO • Moderate accelerazioni di piano. • Ampia scelta per rigidezza e

smorzamento.

• Momenti P-∆ alla base e sommità.

A SCORRIMENTO SU SUPERFICIE PIATTA • Resistenza al carico di servizio. • Elevato smorzamento. • Momenti P-∆ alla base e sommità.

• Elevate accelerazioni di piano. • Proprietà funzione della pressione

e velocità. • Assenza di forze di recupero.

A SCORRIMENTO SU SUPERFICIE CURVA • Resistenza al carico di servizio. • Moderato-alto smozamento. • Momenti P-∆ alla base e sommità. • Riduzione della risposta torsionale.

• Elevate accelerazioni di piano. • Proprietà funzione della pressione

e velocità.



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Caratteristiche meccaniche dispositivi


Dispositivo gomma alto smorzamento (HDRB)

Dispositivo gomma con piolo in piombo (LRB)


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I dispositivi più diffusi per l’isolamento sismico sono quelli in gomma con elevato smorzamento (HDRB = high damping rubber bearing).

Gli HDRB sono costituiti da strati di gomma naturale o sinteticaalternati a lamierini metallici di rinforzo.

La presenza dei lamierini è necessaria per ridurre l’espansione lateraledella gomma sotto i carichi verticali (confinamento), e incrementare larigidezza verticale del dispositivo.

La rigidezza orizzontale non è influenzata dalla presenza delle lamieremetalliche e risulta molto bassa essendo esclusivamente funzionedelle proprietà elastiche dell’elastomero utilizzato e dalle caratteristiche geometriche del dispositivo.


e

dine t

'AGk =Gdin = modulo dinamico elastomeroA’ = superficie orizzontale delle gomme depurate di eventuali forite = somma degli spessori dei singoli strati di elastomero


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Dispositivi con gomma ad elevato smorzamento (HDRB):

• Comportamento non lineare della gomma.

• La mescola di gomma può avere deformazioni angolari fino a valori della deformazione angolare pari a γ=200%.

• La mescola di gomma ha smorzamento viscoso equivalente molto elevato (ξ variabile tra 10% e 30%).

Modulo tangenziale (G) Smorzamento viscoso (ξ)



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IsolatoriIsolatori SismiciSismiciCaratteristiche meccaniche dispositivi

La rigidezza Ke degli isolatori dipende da:

• Deformazione a taglio;

• Temperatura;

• Invecchiamento;

• Frequenza (effetto trascurabile);

• Carico assiale (effetto trascurabile).

Generalmente l’invecchiamento provoca un incremento di rigidezza del 15% in 60 anni.


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Si è visto sperimentalmente che mentre la rigidezza equivalente Kenon dipende fortemente dalla pressione verticale agente, lo smorzamento equivalente ξ cresce notevolmente al crescere del carico assiale: al raddoppiarsi del carico lo smorzamento ξ può aumentare dal50% al 100%.

La rigidezza verticale Kv dell’isolatore deve essere molto elevata. Essa è funzione del carico verticale applicato e può essere espressa come:

e

cv t

'AEk =

essendo Ec il modulo istantaneo di compressibilità longitudinale delsistema di isolamento realizzato in strati di acciaio ed elastomero.


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Il valore di Ec per un singolo strato è funzione del “fattore di forma primario” S1:

L'AS1 =

Per isolatori circolari di raggio R il fattore di forma S1:

i1 t2

RS =

Per isolatori quadrati di lato a il fattore di forma S1:

i1 t4

aS =

essendo ti lo spessore del singolo strato di elastomero.

21c SG6E ⋅⋅=

21c SG73.6E ⋅⋅=

E’ buona norma avere il fattore di forma S1>12 (Kv elevata).

A’ = area della superficie comune piastra-elastomeroL = superficie laterale libera del singolo strato di elastomero


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L’instabilità degli isolatori HDRB è funzione del “fattore di forma secondario” S2:

essendo D il diametro della singola piastra di acciaio negli isolatori circolari o dimensione in pianta, misurata parallelamente all’azioneorizzontale agente nelle direzioni x e y negli isolatori quadrati.

te è la somma degli spessori dei singoli strati ti di elastomero.

n è il numero di strati di elastomero.

E’ buona norma avere il fattore di forma S2>4 (instabilità prevenuta).

ie2 tn

DtDS

⋅==


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Per la scelta dei dispositivi HDRB occorre generalmente specificare:

• Carico verticale massimo;

• Deformazione laterale massima;

• Rigidezza orizzontale;

• Smorzamento viscoso equivalente.


Alternativamente, lo smorzamento equivalente può essere sostituitodalla proprietà della mescola della gomma, per esempio morbida, normale e dura.


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Per la scelta dei dispositivi HDRB occorre generalmente specificare:


d=100mm d=200mm

www.fip-group.it


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Dispositivi con gomma ad elevato smorzamento (HDRB)

Rigidezza laterale (valutata a γ=100%)

Modulo G (N/mmq)

0.400.801.40

Smorzamento viscoso ξ (%)

1016

www.alga.it


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Piastra di fondazione

Posizione isolatori sismici

Testa colonne primo livello

Sommità colonne di base

Base colonne primo livello


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POSIZIONAMENTO DISPOSITIVO VANTAGGI SVANTAGGI Piastra di fondazione

• Non sono richiesti particolari dettagli per vani scale e ascensori.

• Non sono richiesti particolari dettagli per i tompagni.

• Base delle colonne collegate all’impalcato rigido di base.

• Possono inserirsi sistemi di protezione per resistere ai carichi verticali.

• Costi aggiuntivo a meno dell’utilizzo dei cunicoli in fondazione.

• Richiede una parete di contenimento aggiuntiva.

Sommità colonne di base

• Non sono richieste piastre-contropiastre.

• Ridotto costo aggiunto per dettagli. • Base delle colonne collegate

all’impalcato rigido di base. • Colonne servono anche come elementi

di riserva per resistere a carichi verticali.

• Può richiedere sistema di sollevamento al primo livello.

• Particolare cura per i vani scale al di sotto del primo livello.

Base colonne primo livello

• Ridotto costo aggiunto per dettagli. • Gap al piano dell’isolamento può

ottenersi facilmente. • Base delle colonne sono collegate al

diaframma rigido di piano. • Possono inserirsi sistemi di protezione

per resistere ai carichi verticali.

• Può richiedere dei sistemi di sollevamento e/o controventamento aggiuntivi.

Testa colonne primo livello

• Ridotto costo aggiunto per dettagli. • Soluzione conveniente se primo livello

destinato a parcheggio. • Colonne servono anche come elementi

di riserva per resistere a carichi verticali.

• Cura per scale e ascensori. • Particolari tipi di tompagni al primo

livello se non aperto. • Cura particolare per vani scale e

ascensori.




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DinamicaDinamica delldell’’IsolamentoIsolamento SismicoSismico

Coordinate spostamento relativo

Teoria Lineare: Sistema a 2 g.d.l.

bss uuv −=

gbb uuv −=

Spostamento relativo impalcato-base (interpiano)

Spostamento relativo base-terreno (isolatori)

Analisi Sistema Strutturale Piano


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Componenti deformabilità:- Rigidezza sistema isolamento sismico (kb)- Rigidezza sovrastruttura (ks)


Componenti inerziali:- Massa basamento (piastra di base, mb)- Massa sovrastruttura (m)

Sistema Elastico Lineare a Masse Concentrate

Componenti smorzamento (visco-elastico):- Smorzamento sistema isolamento sismico (cb)- Smorzamento sovrastruttura (cs)

Analisi risposta dinamica necessita:


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DinamicaDinamica delldell’’isolamentoisolamento sismicosismico

Equazione del moto (principio di D’Alembert): (coordinate di spostamento assoluto)

Molle lineare (k)Smorzatori Viscosi Lineari (c)

( ) ( ) 0uukuucum bssbsss =−+−+ &&&& (Eq. massa m)

(Eq. massa m+mb)( ) ( ) 0uukuucumum gbbgbbbbs =−+−++ &&&&&&



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Equazione del moto (coordinate di spostamento relativo)


gssssbs umvkvcvmvm &&&&&&& −=+++

( ) ( ) ggbbbbbsbb uMummvkvcvmvmm &&&&&&&&& −=+−=++++

gbbbbb uMvkvcvM &&&&& −=++

M = massa totale = m+mb

Eliminando lo spostamento relativo vs della sovrastruttura

Equazione Sistema 1 g.d.l.


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Rapporto di massabmm

m+

=γ

( )

2

b

s

sb

b2s

2b

TT

kmmmk

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

⋅+⋅

=ωω

=ε

( )b

bbb mm

c2

+=ξω

mc

2 bss =ξω

Rapporto delle pulsazioni

Rapporti di smorzamento ξb, ξs

Parametri tipici:


(in genere pari a circa 10-2 )

Rapporto d’isolamento


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Equazioni moto:

gb2bbbbsb uvv2vv &&&&&&& −=⋅ω+⋅ξ⋅ω⋅+⋅γ+

gs2sssssb uvv2vv &&&&&&& −=⋅ω+⋅ξ⋅ω⋅++

ωb, Tb, ξb: Pulsazione, periodo e smorzamento di un sistema 1 g.d.l.con massa M vincolata dal sistema di isolamento.

ωs, Ts, ξs: Pulsazione, periodo e smorzamento di un sistema 1 g.d.l.con massa m (sovrastruttura) assunta a base fissa.



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Assumendo ε<<1, cioè sovrastruttura molto più rigida degli isolatori, è possibile semplificare notevolmente la trattazione e ottenere i seguenti parametri modali:

ε⋅γ−=1L1

ε⋅γ=2LFattori di partecipazione

{ }⎭⎬⎫

⎩⎨⎧ε

=φ11 { } ( )

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

γεγ−−

−=φ 111

2

Modi (Autovettori)

γε−ω=ω 1b1 γ−γε+

ω=ω11

s2 Pulsazioni (Autovalori)



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1

ε

1

( )γ

εγ−− 11


ε⋅γ−=1L1 ε⋅γ=2L Fattori di partecipazione

{ }⎭⎬⎫

⎩⎨⎧ε

=φ11 { } ( )

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

γεγ−−

−=φ 111

2 Autovettori (Modi)



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ε⋅γ−=1L1

ε⋅γ=2LFattori di partecipazione


• Il fattore di partecipazione L2, relativo alle deformazioni della sovra-struttura, è dell’ordine di ε ed in genere molto piccolo, supposto che le pulsazione ωb ed ωs siano ben distinte.

• La frequenza ω2 è in genere più alta di quella corrispondente al sistema a base fissa. Tale caratteristica può risultare benefica perridurre eventuali amplificazioni dovute a risonanze con le frequenzecontenute nel segnale sismico.

• Essendo L2 in genere molto piccolo, il secondo modo risulta ortogonale al sisma. La sovrastruttura non risente delle accelerazionidel terreno anche se la seconda frequenza viene eccitata dal sisma.

Osservazioni:


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DinamicaDinamica delldell’’IsolamentoIsolamento SismicoSismicoTeoria Lineare: Sistema a 2 g.d.l.

Spostamenti relativi in coordinate modali:

2b2

1b1b qqv φ+φ=

2s2

1s1s qqv φ+φ=

g11211111 uLqq2q &&&&& ⋅−=⋅ω+⋅ξ⋅ω⋅+

g22222222 uLqq2q &&&&& ⋅−=⋅ω+⋅ξ⋅ω⋅+

Equazioni modali (disaccoppiamento equazioni moto):


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DinamicaDinamica delldell’’IsolamentoIsolamento SismicoSismicoTeoria Lineare: Sistema a 2 g.d.l.

Rapporti di smorzamento:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ε⋅γ−⋅ξ=ξ

231b1

Lo smorzamento strutturale è incrementato dallo smorzamento degli isolatori dell’ordine di ε1/2. Il prodotto di ξb ed ε1/2 può costituire unsignificativo incremento dello smorzamento strutturale, in genere basso.

In genere lo smorzamento strutturale ξs è dell’ordine del 2-3% (senza inelasticità); lo smorzamento del sistema di isolamento può variare tra 10-30%.

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ε⋅γ

−γ−

ε⋅ξ⋅γ+ξ=ξ

21

1bs

2


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Assumendo la legge di composizione vettoriale SRSS:


Massimi risposta modale

( )11d1max1 ,SLq ξω⋅=

( )22d2max2 ,SLq ξω⋅=

Assumendo un generico spettro di rispostain termini di spostamento Sd(ω,x) ovveropseudo-accelerazioni Sa(ω,ξ)

( ) ( )22bmax2

21bmax1maxb qqv φ+φ=

( ) ( )22smax2

21smax1maxs qqv φ+φ=

Massimi spostamenti relativi


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può essere solitamente trascurata

( ) ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]222d

2211d

2maxs ,S121,S21v ξωε⋅γ−⋅−+ξωε⋅γ⋅−ε=

( ) ( )[ ] ( )[ ]222d

22211d

2maxb ,S,S1v ξωε⋅γ+ξωε⋅γ−=

( )22d2 ,S ξωε

Massimi spostamenti relativi in funzionedei parametri tipici definiti in precedenza:

La quantità

Inoltre si ha che: ( ) ( )11d22d ,S,S ξω<<ξω



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Avendo assunto che ε << 1 si ha che:


b1 ω≈ω 1L1 ≈ b1 ξ≈ξ

( ) ( )[ ]11dmaxb ,S1v ξω⋅ε−γ−=

( )[ ] ( )[ ]222d

211dmaxs ,S,Sv ξω+ξω⋅ε=

( )[ ] ( )[ ]222a

2211as ,S,SC ξω⋅ε+ξω=

maxs2s

sss v

mvk

maxC ⋅ω=⋅

=

Coefficiente sismico

(Taglio sismico adimensionalizzato)


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Questi due valori si ottengono anche con riferimento all’oscillatore elementare con massa pari alla massa totale della sovrastruttura, ossia quella al di sopra del sistema di isolamento M=m+mb, e con rigidezza e smorzamento pari alle corrispondenti grandezze del sistema di isolamento kb e ξb. Peraltro si ha che:

( )bbdmaxs ,Sv ξω⋅ε=

( )bbdmaxb ,Sv ξω=

( )bbas ,SC ξω=

Massimo spostamento interpiano

Massimo spostamento isolatori

Coefficiente sismico

Spostamento della sovrastruttura molto basso



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Per valori di ε piccoli si può progettare il sistema di isolamento in modo che il massimo spostamento relativo sia pari al valore spettrale:


( )bbd ,S ξω

Il taglio sismico di progetto può essere computato a partire dalvalore dell’accelerazione spettrale:

( )bba ,S ξω


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Equazione moto sistema a base fissa:

Teoria Lineare: Sistema a N g.d.l.

gurMuKuCuM &&&&& ⋅⋅−=⋅+⋅+⋅

( )bg vurMvKvCvM &&&&&&& +⋅⋅−=⋅+⋅+⋅

Equazione moto sistema a base isolata:

Equazione moto globale edificio+piastra di base:

m mi

( ) ( ) gbbbbbbbT ummvkvcvmmvMr &&&&&& ⋅+−=⋅+⋅+⋅++⋅⋅

kb, mb, cb


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Matrice delle masse

Teoria Lineare: Sistema a N g.d.l.

m mi

kb, mb, cb

Massa totale struttura bT mmrMr +=⋅⋅

M

C Matrice degli smorzamenti

Matrice delle rigidezzeKu Vettore spostamento relativo

Spostamento relativo struttura-piastra basesv

bv Spostamento relativo base piastra-terreno

r Vettore che lega ogni g.d.l. della struttura al moto del terreno


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DinamicaDinamica delldell’’IsolamentoIsolamento SismicoSismicoTeoria Lineare: Sistema a N g.d.l.

m mi

kb, mb, cb

Coefficiente di partecipazione:

Massimo spostamento relativo alla base:

( )bba12b

maxb ,SL1v ξω⋅ω

=

Coefficiente sismico:

( )bb2a

121

s ,Sm

MLC ξω⋅

=

iiT

iT

i MrMLφ⋅⋅φ⋅⋅φ

=

Equazioni simili a quelle derivate per il sistema a 2 g.d.l. a meno di L1.


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DinamicaDinamica delldell’’IsolamentoIsolamento SismicoSismicoAnalisi Risposta Accoppiata (Traslazione-Rotazione)

Gli spostamenti orizzontali del centro di massa (CM) rispetto al suolo sono indicati con νx e νy, mentre la rotazione della piastra di fondazione intorno all’asse verticale è θ.

Il sistema di riferimento cartesiano viene assunto coincidente con il baricentro delle masse (CM). Il baricentro delle rigidezze èdenotato con CR.

In genere solo frequenze longitudinale e laterali sono uguali. Se anche la frequenza torsionale è simile alle precedenti si può avere una risposta strutturale dinamicamente accoppiata.

Analisi sistema elastico costituito da masse su piastra rigida (viene trascurata la deformabilità della sovrastruttura).


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Denotate con kxi e kyi le rigidezze laterali (uguali) dei HDRBs, la rigidezza totale traslazionale del sistema lungo le due direzioni principali (Kx e Ky) è data da:

∑=

=N

1i

ixx kK ∑

=

=N

1i

iyy kK

∑∑==

+=N

1i

2i

iy

N

1i

2i

ixθ xky kK

e la rigidezza torsionale è pari a:

in cui xi ed yi sono le coordinate del baricentro dell’i-esimo isolatore nel sistema di riferimento cartesiano CMXY

Analisi Risposta Accoppiata (Traslazione-Rotazione)

Gradi di libertà del sistema: 2 traslazioni + 1 rotazione intorno asse verticale

Si trascura la rigidezza torsionale dell’isolatore.


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Fissati i valori di kxi e kyi (kxi = kyi) segue che le coordinate (ex, ey) del centro delle rigidezze (CR) del sistema di isolamento rispetto al baricentro delle masse CM possono ricavarsi da:

i

N

1i

iy

yx xk

K1e ∑

=

=

i

N

1i

ix

xy y k

K1e ∑

=

=


xi ed yi denotano le coordinate dell’isolatore i-esimo nel sistema di riferimento prescelto.


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Considerando la massa totale (M) e l’inerzia (I) dell’impalcato rigido pari a:

∑=

=N

1iimM

( )∑=

+=N

1i

2i

2ii yxmI

Possono ricavarsi le tre frequenze disaccoppiate del sistema (ωx, ωy e ωθ). Tali frequenze corrispondono al caso di centro di massa coincidente con quello di rigidezza (CM≡CR) e quindi ex=ey=0 e sono:


MKx2

x =ωMKy2

y =ω 22

rMK

⋅=ω θ

θ

Traslazionali Rotazionale


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Le componenti dello spostamento di ogniisolatore sono date da:

( )iyiy

iy xθνkR +=

ixix y θνν −=

iyiy xθνν +=


Le componenti delle forze reattive sono date da:

( )ixix

ix yukR ⋅θ−=


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Le equazioni dinamiche del sistema meccanico possono esprimersi nella seguente forma differenziale:


0νr

eωνων θ

y2xx

2xx =−+&&

0νr

eωνωνr

eων y

x2yθ

2θx

y2xθ =++−&&

0νr

eωνων θx2

yy2yy =+−&&

ωx, ωy ed ωρ sono le frequenze disaccoppiate del sistema, mentre r è il raggio giratore d’inerzia; le precedenti sono grandezze note.


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Le pulsazioni (autovalori) sono date da:


⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −ω≈⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −ω=ω

re

211

re1 001

02 ω=ω

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +ω≈⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +ω=ω

re

211

re1 003 ω0 pulsazione prefissata per il sistema

I modi (autovettori) sono dati da:

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−

=φ

2ee

21

2ee

x

y

1

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

=φ

ee

0e

e

y

x

2

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡−

=φ

2ee

21

2ee

x

y

3

I coefficienti di partecipazione sono dati da:

2ee

L y1 =

eeL x

2 =2e

eL y

3 −=


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Quadro normativo nazionale ed europeo

NormativaNormativa per per ll’’IsolamentoIsolamento SismicoSismico

• EN 1998 (Eurocodice 8)

• CNR 10018 – Appoggi strutturali

• EN 1337 – Appoggi strutturali

• PrEN 15129 (CEN TC340) - Normativa europea sui dispositivi antisismici

• Norme tecniche per le costruzioni (T.U. 14/09/05)

• Ordinanza Presidente Consiglio dei Ministri n.3274 e 3431

Allegato 2 Edifici

Allegato 3 Ponti


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OPCM 3431


ALLEGATO 2:Norme tecniche per il progetto, la valutazione e l’adeguamento

sismico degli edifici

INDICE1. OGGETTO DELLE NORME2. REQUISITI DI SICUREZZA E CRITERI DI VERIFICA3. AZIONE SISMICA4. CRITERI GENERALI DI PROGETTAZIONE5. EDIFICI CON STRUTTURA IN CEMENTO ARMATO6. EDIFICI IN ACCIAIO7. EDIFICI CON STRUTTURA COMPOSTA ACCIAO-

CALCESTRUZZO8. EDIFICI CON STRUTTURA IN MURATURA9. EDIFICI CON STRUTTURA IN LEGNO10. EDIFICI CON ISOLAMENTO SISMICO11. EDIFICI ESISTENTI


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ico 10. Edifici con isolamento sismico

10.1 Scopo10.2 Definizioni e simboli10.3 Requisiti generali e criteri per il loro soddisfacimento10.4 Caratteristiche e criteri di accettazione dei dispositivi10.5 Indicazioni progettuali10.6 Azione sismica10.7 Modellazione e analisi strutturale10.8 Verifiche10.9 Aspetti costruttivi, manutenzione, sostituibilità10.10 Collaudo

Allegato 10.A - Verifica allo SLU degli isolatori elastomerici

Allegato 10.B – Modalità di prova dei dispositivi di isolamento

OPCM 3431 – Allegato 2 - Edifici



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OPCM 3431


ALLEGATO 3:Norme tecniche per il progetto sismico dei ponti

INDICE1. CAMPO DI APPLICAZIONE2. OBIETTIVI DEL PROGETTO3. CRITERI GENERALI DI PROGETTAZIONE4. LIVELLI DI PROTEZIONE ANTISISMICA5. AZIONE SISMICA6. MODELLO STRUTTURALE PER ANALISI LINEARI7. METODI DI ANALISI8. DIMENSIONAMENTO E DETTAGLI COSTRUTTIVI DEGLI

ELEMENTI9. PONTI CON ISOLAMENTO SISMICO


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9. Ponti con isolamento sismico

9.1 Scopo9.2 Definizioni e simboli9.3 Requisiti generali e criteri per il loro soddisfacimento9.4 Caratteristiche e criteri di accettazione dei dispositivi9.5 Indicazioni progettuali9.6 Azione sismica9.7 Modellazione e analisi strutturale9.8 Verifiche9.9 Aspetti costruttivi, manutenzione, sostituibilità9.10 Collaudo

OPCM 3431 - Allegato 3 - Ponti



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• Particolarità del comportamento dinamico delle strutture con isolamento;

• Particolarità delle prestazioni richieste allo SLD e SLU;

• Progetto e controllo dei dispositivi di isolamento;

• Progetto e controllo della struttura;

• Semplificazione procedure di analisi rispetto Linee Guida LLPP.

OPCM 3431 - Allegati 2 & 3


Sezioni specifiche relative all’isolamento sismico:


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ico 10.1 Scopo

“Il presente capitolo fornisce criteri e regole per il progetto degli edifici nuovi e dell’adeguamento di quelli esistenti, nei quali un sistema di isolamento sismico è posto al di sotto della costruzione medesima, o sotto una sua porzione rilevante, allo scopo di migliorarne la risposta nei confronti delle azioni sismiche orizzontali”.………………………“Le prescrizioni del presente capitolo non si applicano ai sistemi di protezione sismica basati sull’impiego di elementi dissipativi a vari livelli, all’interno della costruzione”.

NormativaNormativa per per ll’’IsolamentoIsolamento SismicoSismicoOPCM 3431 – Allegato 2 - Edifici

Gli edifici con sistemi dissipativi si progettano applicando criteri, regole e metodi di analisi validi per edifici convenzionali.


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ico 9.1 Scopo

“Il presente capitolo fornisce criteri e regole per il progetto dei ponti nuovi e dell’adeguamento di quelli esistenti, nei quali un sistema d’isolamento sismico viene posto tra l’impalcato e le pile/spalle, allo scopo di migliorarne la risposta nei confronti delle azioni sismiche orizzontali”.………………………

NormativaNormativa per per ll’’IsolamentoIsolamento SismicoSismicoOPCM 3431 – Allegato 3 - Ponti


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ico 10.1 & 9.1 Scopo

“Strategie d’isolamento (anche in combinazione):

a) Incremento del periodo fondamentale della costruzione per portarlo nel campo delle minori accelerazioni di risposta;

b) Limitazione della massima forza orizzontale trasmessa;

c) Dissipazione di una consistente aliquota dell’energia meccanica trasmessa alla costruzione.

NormativaNormativa per per ll’’IsolamentoIsolamento SismicoSismicoOPCM 3431 – Allegati 2 & 3


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10.3 Requisiti generali e criteri per il loro soddisfacimento

“Gli edifici con isolamento sismico debbono soddisfare i requisiti generali di sicurezza e i criteri di verifica riportati nel capitolo 2 di queste norme. In particolare valgono integralmente le prescrizioni riguardanti la sicurezza nei confronti della stabilità (SLU), della limitazione dei danni (SLD), i terreni di fondazione”.………………………………………………………………

“La sovrastruttura e la sottostruttura si devono mantenere sostanzialmente in campo elastico. Per questo la struttura può essere progettata con riferimento ai particolari costruttivi della zona 4, con deroga, per le strutture in c.a., a quanto previsto al par. 5.5.2.1”.



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“Un’affidabilità superiore è richiesta al sistema di isolamento per il ruolo critico che esso svolge. Tale affidabilità si ritiene conseguita se il sistema di isolamento è progettato e verificato sperimentalmente secondo quanto stabilito nel punto 10.8 e negli allegati 10.A e 10.B”.…………………………………………..

• “I dispositivi saranno accompagnati da una relazione che illustri il comportamento meccanico sia di insieme che dei singoli componenti, così da minimizzare la possibilità del verificarsi di comportamenti non previsti”.



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ico 10.3 Requisiti generali e criteri per il loro soddisfacimento

• “La definizione del comportamento meccanico del dispositivo sottoazioni orizzontali (sisma, vento, etc.) sia ai fini della risposta del sistema strutturale che lo contiene che ai fini del dimensionamento del dispositivo stesso, sarà basata su:

- un modello strutturale sufficientemente realistico (ove necessario nonlineare, dipendente dallo sforzo normale, etc.);

- prove di laboratorio effettuate in condizioni più aderenti possibile alle condizioni reali in termini di accelerazione, velocità, spostamento e sollecitazione.

• Eventuali modifiche di tale comportamento, …., possono essere ammesse solo con adeguate giustificazioni e verifiche, incluso il controllo che non siano state introdotte sfavorevoli sovraresistenze e sovrarigidezze rispetto alle richieste di progetto”.



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• “Nell’ambito del progetto si dovrà redigere un piano di qualitàriguardante sia la progettazione del dispositivo, che la costruzione, lamessa in opera, la manutenzione e le relative verifiche analitiche esperimentali”.

• “I documenti di progetto indicheranno i dettagli, le dimensioni e leprescrizioni sulla qualità, come pure eventuali dispositivi di tipo specialee le tolleranze concernenti la messa in opera”.

• “Elementi di elevata importanza, che richiedano particolari controllidurante le fasi di costruzione e messa in opera, saranno indicati neglielaborati grafici di progetto, insieme alle procedure di controllo daadottare”.



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“Tutte le condutture degli impianti che attraversano i giunti intorno allastruttura isolata dovranno non subire danni e rimanere funzionanti per ivalori di spostamento corrispondenti allo SLD. Quelle del gas e di altriimpianti pericolosi che attraversano i giunti di separazione dovrannoessere progettati per consentire gli spostamenti relativi dellasovrastruttura isolata corrispondenti allo SLU, con lo stesso livello disicurezza adottato per il progetto del sistema di isolamento”.



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ico 10.4 Caratteristiche e criteri di accettazione dei dispositivi

“Ai fini delle presenti disposizioni, i dispositivi facenti parte di un sistemadi isolamento si distinguono in:

• Isolatori

Gli isolatori sono dispositivi che svolgono fondamentalmente la funzione disostegno dei carichi verticali, con elevata rigidezza in direzione verticale e bassarigidezza o resistenza in direzione orizzontale, permettendo notevolispostamenti orizzontali……..

• Dispositivi ausiliari

I dispositivi ausiliari svolgono fondamentalmente la funzione di dissipazione dienergia e ricentraggio del sistema e/o vincolo laterale sotto carichi orizzontali diservizio (non sismici), rispetto alle azioni orizzontali”.



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“Tra gli isolatori si individuano:

• Isolatori in materiale elastomerico ed acciaio

• Isolatori a scorrimento


HDRB LRB

FPS


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“Tra i dispositivi ausiliari si distinguono:• Dispositivi a comportamento non lineare, indipendente dalla velocitàdi deformazione;

• Dispositivi a comportamento viscoso, dipendente dalla velocità dei deformazione;

• Dispositivi a comportamento lineare o quasi lineare.



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“Un sistema di isolamento può essere costituito:

(i) Unicamente da isolatori elastomerici, eventualmente realizzati con elastomeri ad alta dissipazione o comprendenti inserti di materiali dissipativi (ad es. piombo);

(ii) Unicamente da isolatori a scorrimento o rotolamento, che inglobano funzioni dissipative o ricentranti per la presenza di elementi capaci di svolgere tali funzioni;

(iii) Da un’opportuna combinazione di isolatori e dispositivi ausiliari.

I dispositivi di isolamento possono essere basati su materiali emeccanismi diversi………

L’idoneità all’impiego deve essere accertata mediante le prove sui materiali e sui dispositivi descritte nell’Allegato 10.B eseguite e certificate da laboratori ufficiali”.


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10.4.1. Isolatori elastomerici


“Gli isolatori elastomerici sono costituiti da strati di materiale elastomerico (gomma naturale o materiali artificiali idonei) alternati a piastre di acciaio, aventi prevalente funzione di confinamentodell’elastomero, e vengono disposti nella struttura in modo da sopportare le azioni e deformazioni orizzontali di progetto mediante azioni parallele alla giacitura degli strati di elastomero ed i carichi verticali mediante azioni perpendicolari agli strati stessi.

…………………………………….

Gli isolatori debbono avere pianta con due assi di simmetria ortogonali”.…………………………………..


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“Le piastre di acciaio saranno conformi alla CNR 10018 o equivalente con un allungamento minimo a rottura del 18% e spessore minimo pari a 2mm per le piastre interne e a 20mm per le piastre esterne.

Per gli effetti di azioni perpendicolari agli strati, si considerano le dimensioni delle piastre in acciaio (area A’);

Per gli effetti delle azioni parallele alla giacitura degli strati si considera la sezione intera dello strato di gomma (area A)”.


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Fattori di forma:

• Primario S1 (governa rigidezza verticale)

• Secondario S2 (governa instabilità dispositivo)

Parametri sintetici di progetto:

• Rigidezza equivalente

• Smorzamento viscoso equivalente

L'AS1 =

e2 t

DS =

edine t

AGdFK ==

Fd2Wd

e π=ξ


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Le caratteristiche meccaniche (Ke e ξe) dei dispositivi reali, valutate in corrispondenza dello spostamento massimo di progetto d2, dovranno avere variazioni limitate come segue:

• Per la variabilità nella fornitura: massimo ±10%, medio ±10%, rispetto al valore di progetto;

• Per invecchiamento dell’elastomero: 20% del valore iniziale;

• Per fattori ambientali (temperatura): ±20%;

• Per variazioni del carico verticale: ±15%;

• Per velocità di deformazione (frequenza): ±10%, valutate in un intervallo

di ±30% del valore di progetto.


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Gli isolatori elastomerici devono inoltre essere in grado di sostenere almeno 10 cicli con spostamento massimo impresso pari a 1.2 d2.

L’esito è positivo se:

I diagrammi forza-spostamento mostrano un incremento di carico al crescere dello spostamento;

15.0KKK )3(e)3(e)i(e <−

15.0)3(e)3(e)i(e <ξξ−ξ1i ≠ d2

1.2 d2

Progetto

Piena funzionalità


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10.4.2. Isolatori a scorrimento


Gli isolatori a scorrimento sono costituiti da appoggi a scorrimento (acciaio-PTFE) caratterizzati da bassi valori del coefficiente di attrito (f)compreso tra 0 e 4%.Il coefficiente di attrito, valutato in corrispondenza dello spostamento massimo di progetto d2, dovrà avere variazioni limitate come segue:

• Per variabilità nella fornitura: massimo ±50%, medio ±15%, rispetto al valore di progetto;

• Per invecchiamento: 15% del valore iniziale;


• Per variazioni del carico verticale: 30%;

• Per velocità di deformazione (frequenza): ±10%, valutate in un intervallo di ± 30% del valore di progetto.


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10.4.2. Isolatori a scorrimento


Gli isolatori a scorrimento devono inoltre essere in grado di sostenere almeno 10 cicli con spostamento massimo impresso pari a 1.2 d2.L’esito è positivo se:

1i ≠15.0fff )3()3()i( <−

Gli isolatori a scorrimento devono essere in grado di garantire la loro funzione di appoggio fino a spostamenti pari ad 1.5 d2.

d2

1.2 d2

ProgettoPiena funzionalità

1.5 d2Appoggio


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10.4.3. Dispositivi ausiliari a comportamento non lineare


Trasmettono, in generale, solo azioni orizzontali ed hanno rigidezza trascurabile rispetto alle azioni verticali.

Possono realizzare comportamenti meccanici diversi, ad elevata o bassa dissipazione di energia, con riduzione o incremento della rigidezza al crescere dello spostamento, con o senza spostamenti residuiall’azzeramento della forza.

Sono individuati da un comportamento meccanico schematizzabile con delle curve bilineari, definite dalle coordinate (F1,d1), corrispondenti al limite teorico del comportamento elastico lineare del dispositivo, e dalle coordinate (F2,d2) corrispondenti al valore di progetto allo SLU dello spostamento.


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Il ciclo bilineare teorico è definito dai seguenti parametri:

del = spostamento, nel primo ramo di carico, entro il quale il comportamento è sostanzialmente lineare.In generale può assumersi un valore pari a d2/20;Fel = forza corrispondente a del;d1 = ascissa del punto d’intersezione della linea retta congiungente l’origine con il punto (del, Fel) e la linea retta congiungente i punti (d2/4, F(d2/4)) e (d2,F2) nel terzo ciclo;F1 = forza corrispondente a d1 nel terzo ciclo sperimentale;d2 = spostamento massimo di progetto allo SLU;F2 = forza corrispondente allo spostamento d2, ottenuta al terzo ciclo sperimentale.


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Ciclo teorico da assumere per l’esecuzione delle analisi non lineari per la progettazione della struttura:

• Rigidezza elastica:

• Rigidezza post-elastica:

• Rami di scarico e ricarico: coerenti con il comportamento reale;

• Energia dissipata in un ciclo: differente da quella dissipata nel terzo ciclo di carico della prova sperimentale di non più del 10%.

111 dFK =

222 dFK =


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Le curve caratteristiche nel terzo ciclo di carico, valutate in termini di forza F(d1) e F(d2) e di rigidezza K2, dovranno avere variazioni limitate come segue:

• Per variabilità nella fornitura: massimo ±10%, medio ±10% rispetto al valore di progetto;

• Per invecchiamento dei materiali: 15% del valore iniziale;


• Per velocità di deformazione (frequenza): ±20%, valutazione in un intervallo di ±30% del valore di progetto.


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I dispositivi a comportamento non lineare devono inoltre essere in grado di sostenere almeno 10 cicli con spostamento massimo impresso pari a 1.2 d2.


• I diagrammi forza-spostamento mostrano un incremento di carico al crescere dello spostamento;

• Sia per (d=d1) che per (d=d2):

d2

1.2 d2

Progetto

Piena funzionalità

15.0FFF )3()3()i( <−

15.0KKK )3(2)3(2)i(2 <−

1i ≠


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10.4.4. Dispositivi ausiliari a comportamento viscoso


Trasmettono solo azioni orizzontali ed hanno rigidezza trascurabile rispetto alle azioni verticali.

Il loro comportamento è caratterizzato dalla massima forza sviluppata Fmax e dall’energia dissipata Ed in un ciclo, per una prefissata ampiezza e frequenza, ossia dalle costanti C e α. L’identificazione di tali parametri va fatta con riferimento al terzo ciclo di carico. La differenza tra valore teorico e sperimentale di Fmax e Ed (C e α) deve essere inferiore al 10%.

Fmax

Ed

α=1

α<1

dmax

d = dmax sin(ω t) with ω = 2π / Teff F = C vα = Fmax (cos(ω t))α Fmax = C (dmax ω)α


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Le caratteristiche meccaniche Fmax ed Ed valutate per frequenze di carico pari a quelle di progetto, dovranno avere variazioni limitate come segue:





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I dispositivi viscosi devono inoltre essere in grado di sostenere almeno 10 cicli con spostamento massimo impresso pari a 1.2 d2.

L’esito è positivo se, in corrispondenza di d=d1 e d=d2:

d2

1.2 d2

Progetto

Piena funzionalità

1i ≠

15.0FFF )3max()3max()imax( <−

15.0EEE )3(d)3(d)i(d <−


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10.4.5. Dispositivi ausiliari a comportamento lineare o quasi lineare


Trasmettono solo azioni orizzontali ed hanno rigidezza trascurabile rispetto alle azioni verticali.

Parametri sintetici di progetto:

(i) Rigidezza equivalente;

(ii) Smorzamento viscoso equivalente.Fd2

Wde π

=ξ

dFKe =


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Le caratteristiche meccaniche Ke e ξe valutate in corrispondenza dello spostamento massimo di progetto d2 e per una frequenza di carico pari a quella di progetto, dovranno avere variazioni limitate come segue:




• Per velocità di deformazione (frequenza): ±10%, valutazione in un intervallo di ±30% del valore di progetto.


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I dispositivi a comportamento lineare o quasi lineare devono inoltre essere in grado di sostenere almeno 10 cicli con spostamento massimo impresso pari a 1.2 d2.


• I diagrammi forza-spostamento mostrano un incremento di carico al crescere dello spostamento;

d2

1.2 d2

Progetto

Piena funzionalità

1i ≠15.0KKK )3(e)3(e)i(e <−

15.0)3(e)3(e)i(e <ξξ−ξ

•

•


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9.4.1 Isolatori elastomerici……………………………..9.4.2. Isolatori a scorrimento……………………………..9.4.3. Dispositivi ausiliari a comportamento non lineare……………………………..9.4.4. Dispositivi ausiliari a comportamento viscoso……………………………..9.4.5. Dispositivi ausiliari a comportamento lineare o quasi lineare……………………………..


Le variazioni dovute a fattori ambientali (temperatura), valutate per le condizioni estreme di progetto dei fattori stessi e con riferimento al valore misurato in condizioni medie di tali fattori, non dovranno superare il 35%.


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ico Allegato 10.A

Verifica allo SLU degli isolatori elastomerici


La tensione massima σs agente nella generica piastra in acciaio deve risultare inferiore alla tensione di snervamento dell’acciaio fyk:

( ) ( ) yksr21s ftAttV3.1 <+=σ

dove V è lo sforzo normale massimo Ar è l’area ridotta efficace dell’isolatore, t1 e t2 sono gli spessori dei due strati di elastomero direttamente a contatto con la piastra e ts il suo spessore (ts≥2mm)

1. Tensione negli inserti in acciaio


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ico Allegato 10.A



Devono risultare soddisfatte le condizioni:

dove: γt = γc + γs + γa è la deformazione di taglio totale di progetto;

γs = deformazione di taglio dell’elastomero per lo spostamento sismico totale;

γα = deformazione di taglio dovuta alla rotazione angolare;

γc = deformazione di taglio dell’elastomero prodotta dalla compressione;

γ* = massimo valore della deformazione di taglio raggiunto nelle prove di qualificazione relative all’efficacia della aderenza elastomero acciaio, senza segni di rottura.

2. Deformazione di taglio massima degli isolatori

25.1*s ≤γ≤γ

5t ≤γ


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ico Allegato 10.A



Il carico massimo verticale agente sul singolo isolatore dovrà essere inferiore al carico critico Vcr diviso per un coefficiente di sicurezza 2.5:

3. Instabilità

5.2VV cr≤


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ico Allegato 10.B

Modalità di prova dei dispositivi di isolamento


• Isolatori in materiale elastomerico ed acciaio;

• Isolatori a scorrimento;

• Dispositivi a comportamento non lineare e lineare;

• Dispositivi a comportamento viscoso

• Prove di accettazione sui materiali;

• Prove di qualificazione sui dispositivi;

• Prove di accettazione sui dispositivi.


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ico Allegato 10.B


Prove di qualificazione sui dispositivi


Le prove di qualificazione sui dispositivi devono essere effettuate su almeno 4 dispositivi (rapporti di scala compresi tra 0.5 e 2, fattore di forma primario S1 uguale, fattore di forma secondario S2 uguale o maggiore), 2 per le prove senza invecchiamento e 2 per le prove con invecchiamento, a temperature di 23°C±3°C, ed a non meno di due giorni di distanza dalla vulcanizzazione.


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ico Allegato 10.B




1. Determinazione statica della rigidezza a compressione tra il 30% e il 100% del carico verticale V di progetto in presenza di sisma;

2. Determinazione statica, sotto compressione costante e pari a 6 MPa, del modulo statico di taglio G, definito come il modulo secante tra le deformazioni di taglio corrispondenti a 0.27te e 0.58 te;

3. Determinazione dinamica, sotto compressione costante e pari a 6 MPa, del modulo dinamico di taglio Gdin e dello smorzamento ξ mediante prove cicliche sinusoidali alla frequenza di 0.5 Hz ed in corrispondenza del 3°ciclo, valutando Gdin=Fte/(Ad) come modulo secante in corrispondenza di d/te=1;

4. Determinazione delle caratteristiche di creep mediante prove di compressione sotto carico costante e pari a V, della durata di almeno 7 giorni.


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ico Allegato 10.B




5. Determinazione delle curve G-γ e ξ-γ mediante prove dinamiche cicliche per valori di γ pari a 0.05, 0.3, 0.5, 0.7, 1.0, 2.0, effettuando almeno 5 cicli per ciascuna ampiezza;

6. Valutazione della stabilità del dispositivo sotto compressione e taglio, effettuata accertandosi che il dispositivo rimanga stabile se assoggettato ad uno spostamento orizzontale pari ad 1.8 te in presenza di un carico verticale pari sia ad 1.5 Vmax che a 0.5 Vmin;

7. Valutazione della capacità di sostenere, sotto compressione costante e pari a 6 MPa, almeno 10 cicli con spostamento massimo impresso almeno pari a 1.2 d2;

8. Valutazione di efficacia dell’aderenza elastomero-acciaio, effettuata sottoponendo l’isolatore ad una deformazione γ≥2.5, sotto compressione costante e pari a 6 MPa.


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ico Allegato 10.B




9. Determinazione delle variazioni di rigidezza verticale ed orizzontale (sia statica che dinamica), conseguenti ad un invecchiamento artificiale ottenuto mantenendo i dispositivi di prova per 21 giorni a 70°C.


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ico Allegato 10.B


Prove di accettazione sui dispositivi


Le prove di accettazione sui dispositivi si riterranno superate se il modulo statico G non differisce da quello delle prove di qualificazione di oltre il ±10%.

Le prove di accettazione devono essere effettuate su almeno il 20% dei dispositivi, e comunque non meno di 4.

1. Misura della geometria esterna che dovrà rispettare le tolleranze prescritte dalla CNR 10018;

2. Determinazione statica della rigidezza verticale tra il 30% e il 100% del carico V;

3. Determinazione statica del modulo G con le modalità specificate per le prove di qualificazione;

4. Valutazione di efficacia dell’aderenza elastomero-acciaio, con le modalità specificate per le prove di qualificazione, ma adottando per la deformazione g il valore corrispondente allo spostamento d2.


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ico 10.5 Indicazioni progettuali

10.5.1. Indicazioni riguardanti i dispositivi


• L’alloggiamento dei dispositivi d’isolamento ed il loro collegamento alla struttura devono essere concepiti in modo da assicurarne l’accesso e rendere i dispositivi stessi ispezionabili e sostituibili.

• E’ necessario anche prevedere adeguati sistemi di contrasto, idonei a conseguire l’eventuale ricentraggio dei dispositivi qualora, a seguito di un sisma, si possano avere spostamenti residui incompatibili con la funzionalità dell’edificio e/o con il corretto comportamento del sistema di isolamento.

• Ove necessario, gli isolatori dovranno essere protetti da possibili effetti derivanti da attacchi del fuoco, chimici o biologici. In alternativa, occorre prevedere dispositivi che, incaso di distruzione degli isolatori, siano idonei a trasferire il carico verticale alla sottostruttura.

Accesso e ispezionabilità

Contrasto per ricentraggio

Protezione dal fuoco e altro


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10.5.1. Indicazioni riguardanti i dispositivi


• I materiali utilizzati nel progetto e nella costruzione dei dispositivi dovranno essere conformi alle corrispondenti norme in vigore.

• Gli isolatori soggetti a forze di trazione o a sollevamento durante l’azione sismica dovranno essere in grado di sopportare la trazione o il sollevamento senza perdere la loro funzionalitàstrutturale.

• Tali effetti andranno debitamente messi in conto nel modello dicalcolo ed il comportamento degli isolatori a trazione dovràessere verificato sperimentalmente.

Materiali

Trazione negli isolatori

Calcolo


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10.5.2. Controllo di movimenti indesiderati


• Per minimizzare gli effetti torsionali, la proiezione del centro di massa dell’edificio sul piano degli isolatori ed il centro delle rigidezza dei dispositivi di isolamento devono essere, per quanto possibili, coincidenti.

• Nei casi in cui il sistema di isolamento affidi a pochi dispositivi le sue capacità dissipative e ricentranti rispetto alle azioni orizzontali, occorre che tali dispositivi siano, per quanto possibile, disposti perimetralmente e siano in numero staticamente ridondante.

Effetti torsionali

Disposizione perimetrale dispositivi principali


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10.5.2. Controllo di movimenti indesiderati


• Per minimizzare le differenze di comportamento degli isolatori,le tensioni di compressione a cui lavorano devono essere per quanto possibile uniformi.

• Per evitare o limitare azioni di trazione negli isolatori, gli interassi della maglia strutturale dovranno essere scelti in modo tale che il carico verticale V di progetto agente sul singolo isolatore sotto le azioni sismiche e quelle concomitanti, risulti essere sempre di compressione o, al più, nullo.

Tensioni isolatori

Maglia strutturale per

limitazione trazione isolatori


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10.5.3. Controllo degli spostamenti sismici differenziali del terreno


• Le strutture del piano di posa degli isolatori e del piano su cui appoggia la sovrastruttura devono essere dimensionate in modo da assicurare un comportamento rigido nel piano suddetto, cosìda limitare gli effetti di spostamenti sismici differenziali.

• La condizione precedente si considera soddisfatta se un diaframma rigido costituito da un solaio in c.a. oppure da un grigliato di travi progettato tenendo conto di possibili fenomeni di instabilità è presente sia al sopra che al di sotto del sistema di isolamento e se i dispositivi del sistema di isolamento sono direttamente fissati ad entrambi i diaframmi, oppure attraverso elementi verticali il cui spostamento orizzontale in condizioni sismiche sia minore di 1/40 dello spostamento relativo del sistema di isolamento. Tali elementi dovranno essere progettati per rispondere in campo rigorosamente elastico.

Rigidezza strutture

interfaccia isolamento

Requisiti strutture

all’interfaccia isolamento


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9.5.3. Controllo degli spostamenti sismici differenziali del terreno


• La variabilità spaziale del moto del terreno dovrà essere messa in conto secondo quanto specificato in 5.2.9. Moto asincrono

Giunti

9.5 Indicazioni progettuali9.5.4. Controllo degli spostamenti relativi al terreno e alle costruzioni circostanti

• I giunti di separazione tra le diverse porzioni di impalcato e tra l’impalcato e la sottostruttura dovranno essere dimensionati in modo da permettere il corretto funzionamento del sistema di isolamento, senza impedimenti al libero spostamento delle parti isolate.


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10.5.4. Controllo degli spostamenti relativi al terreno e alle costruzioni circostanti


• Adeguato spazio dovrà essere previsto tra la sovrastruttura isolata e il terreno o le costruzioni circostanti, per consentire liberamente gli spostamenti sismici in tutte le direzioni.

• Le eventuali connessioni, strutturali e non, fra la struttura isolata e il terreno o le parti di strutture non isolate devono essere progettate in modo tale da assorbire, con ampio margine di sicurezza, gli spostamenti relativi previsti dal calcolo. Particolare attenzione, a tale proposito, deve essere posta negli impianti.

• Occorre anche attuare adeguati accorgimenti affinchèl’eventuale malfunzionamento delle connessioni a cavallo dei giunti non possa compromettere l’efficienza dell’isolamento.

Libertà di movimento

Connessioni con terreno o strutture limitrofe

Malfunzionamenti connessioni


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10.6 Azione sismica


Ai fini della progettazione l’azione sismica è fondamentalmente definita, nel capitolo 3 delle presenti norme, in termini di:

• Intensità, ovvero accelerazione massima del terreno;

• Forme spettrali;

• Durata degli accelerogrammi.

Salvo quanto prescritto in modo specifico per la progettazione di edifici con isolamento sismico in questo paragrafo.


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ico 10.6 Azione sismica

10.6.1. Spettri di progetto


In generale gli spettri elastici definiti al punto 3.2.3 verranno adottati come spettri di progetto, assumendo:

• TD = 2.5 sec.

• Ordinate spettrali per T>4sec pari all’ordinata a T=4.0 sec.

• Spettri di progetto SLD pari agli spettri SLU/2.5.

Le ordinate di tali spettri, in corrispondenza dei periodi propri di interesse per il sistema, non potranno essere assunte inferiori alle ordinate dello spettro elastico standard applicabile, in relazione al profilo di suolo.


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Valori dei parametri dello spettro orizzontale.1.351.351.251.251.001.00

SS

0.800.800.500.500.400.40

TTCC

0.200.200.150.150.150.15

TTBB

2.502.50DD2.502.50B, C, EB, C, E2.502.50AA

TTDDCategoriaCategoria SuoloSuolo

1.001.00

SS

0.150.15

TTCC

0.050.05

TTBB

1.001.00A,B,C,D,EA,B,C,D,E

TTDDCategoriaCategoria SuoloSuolo

Valori dei parametri dello spettro verticale.

Suolo A: formazione litoidi o suoli omogenei molto rigidi.Suolo B: depositi di sabbie o ghiaie molto addensate o argille molto consistenti.Suolo C: depositi di sabbie o ghiaie mediamente addensate, o di argille di media

consistenza.Suolo D: depositi di terreni granulari da sciolti a poco addensati oppure coesivi

da poco a mediamente consistenti.Suolo E: profili di terreno costituiti da strati superficiali alluvionali.



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Zona Valore di ag 1 0,35g 2 0,25g 3 0.15g 4 0,05g

Spettro di risposta elastico

BTT0 <≤ ( )⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅η⋅+⋅⋅= 15,2

TT1Sa)T(S

Bge

CB TTT <≤ 5,2Sa)T(S ge ⋅η⋅⋅=

DC TTT <≤ ⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛⋅⋅η⋅⋅=

TT

5,2Sa)T(S Cge

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛⋅⋅η⋅⋅= 2

DCge T

TT5,2Sa)T(STTD ≤

Spettro di risposta elastico verticale

( )⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅η⋅+⋅⋅= 10,3

TT1Sa9,0)T(SB

gve

0,3Sa9,0)T(S gve ⋅η⋅⋅=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅⋅η⋅⋅=

TT0,3Sa9,0)T(S C

gve

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅⋅η⋅⋅= 2

DCgve T

TT0,3Sa9,0)T(S


10.6 Azione sismica10.6.1. Spettri di progetto

55.0510

≥ξ+

=η


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Suolo tipo Bag=0.35g


2

eDe 2T)T(S)T(S ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

π=



55.0510

≥ξ+

=η

Coefficiente per smorzamentoviscoso equivalente


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L’impiego di accelerogrammi è regolato dalle prescrizioni del punto 3.2.7. e dalle seguenti:

• Parte pseudo-stazionaria preceduta e seguita da tratti ad intensitàcrescente da zero e decrescente a zero;

• Durata complessiva ≥25 sec;

• Coerenza con spettro di norma:

Per 0.8Tbf-1.2 Tis, media Sdacc(T) ≥90% Sdnorma(T)

Per 0.15 sec e 4.00 sec, media Sdacc(T) ≥80% Sdnorma(T)

Tbf= stima inferiore periodo struttura a base fissa;

Tis= stima superiore periodo struttura isolata.


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10.7 Modellazione e analisi strutturale10.7.1. Proprietà del sistema di isolamento

Le proprietà meccaniche del sistema di isolamento da adottare nelle analisi di progetto, derivanti dalla combinazione delle proprietàmeccaniche dei singoli dispositivi che lo costituiscono, saranno le piùsfavorevoli che si possono verificare durante la sua vita utile.Esse dovranno tener conto dell’influenza di:

• Entità delle deformazioni subite in relazione allo stato limite ultimo per la verifica del quale si svolge l’analisi;• Variabilità delle caratteristiche meccaniche dei dispositivi nell’ambito della fornitura;• Velocità di deformazione (frequenza), in un intervallo di variabilità di ±30% del valore di progetto;• Entità dei carichi verticali agenti simultaneamente;• Entità dei carichi e delle deformazioni in direzione trasversale a quella considerata;• Temperatura, per i valori massimo e minimo di progetto;• Cambiamento delle caratteristiche nel tempo (invecchiamento).


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………………………………………………………..

Si dovranno, pertanto, eseguire più analisi per ciascuno stato limite da verificare, attribuendo ai parametri del modello i valori estremi più sfavorevoli ai fini della valutazione delle grandezze da verificare e coerenti con l’entità delle deformazioni subite dai dispositivi.…………………………………………………………..

Nella progettazione degli edifici in categoria di importanza III, si possono adottare i valori medi delle proprietà meccaniche del sistema di isolamento, a condizione che i valori estremi (massimo oppure minimo) non differiscano di più del 20% dal valor medio.


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………………………………………………………..

Nella progettazione dei ponti di categoria di importanza II, si possono adottare i valori medi delle proprietà meccaniche del sistema di isolamento, a condizione che i valori estremi (massimo oppure minimo) non differiscano di più del 20% dal valor medio.


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10.7 Modellazione e analisi strutturale10.7.2. Modellazione

La sovrastruttura e la sottostruttura vengono modellate sempre come sistemi a comportamento elastico lineare.

Il sistema di isolamento può essere modellato, in relazione alle sue caratteristiche meccaniche, come avente comportamento visco-elastico lineare oppure con legame costitutivo non lineare.

La deformabilità verticale degli isolatori dovrà essere messa in conto quando il rapporto tra la rigidezza verticale del sistema di isolamento Kv e la rigidezza equivalente orizzontale Kesi è inferiore a 800.


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• Rigidezza equivalente > 50% rigidezza secante al 20% dello spostamento di riferimento;

• Smorzamento lineare equivalente del sistema < 30%;

• Caratteristiche forza-spostamento del sistema di isolamento non variano di piùdel 10% per effetto di variazioni della velocità di deformazione (±30%), e dell’azione verticale sui dispositivi;

• Incremento forza tra 0.5 ddc e ddc ≥ 1.25% peso sovrastruttura.

Modello lineare equivalente del sistema di isolamentoCondizioni di applicabilità:

ddc = spostamento massimo di progetto del centro di rigidezza del sistema di isolamentocorrispondente allo SLU.


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• Rigidezza secante riferita allo spostamento totale di progetto per lo stato limite in esame, di ciascun dispositivo facente parte del sistema di isolamento;

• Rigidezza totale equivalente del sistema di isolamento, Kesi, pari alla somma delle rigidezze equivalenti dei singoli dispositivi;

• L’energia dissipata dal sistema di isolamento espressa in termini di coefficiente di smorzamento viscoso equivalente, ξesi, per cicli con frequenza nell’intervallo delle frequenze naturali dei modi considerati;

• Per i modi superiori della struttura, il rapporto di smorzamento del modello completo pari a quello della sovrastruttura nella condizione di base fissa;

• Quando la rigidezza e/o smorzamento equivalenti del sistema di isolamento dipendono significativamente dallo spostamento di progetto, dovrà applicarsi una procedura iterativa fino a che la differenza tra il valore assunto e quello calcolato non sia inferiore al 5%.

Modello lineare equivalente del sistema di isolamentoModalità di applicazione:


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10.7 Modellazione e analisi strutturale10.7.3. Metodi di analisi

In relazione alle caratteristiche dell’edificio e del sistema di isolamento possono essere utilizzati i seguenti metodi di analisi:

1. Statica lineare;

2. Dinamica lineare;

3. Dinamica non lineare.

Metodi molto diffusi nella pratica professionale

Necessità di modellazione del sistema di isolamento con modello a comportamento visco-elastico


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10.7 Modellazione e analisi strutturale10.7.4. Analisi statica lineare

• Configurazione regolare in pianta (punto 4.3);

• Sovrastruttura H≤20m e non più di 5 piani;

• Massima dimensione sovrastruttura ≤ 20m;

• Sistema modellabile come lineare (punto 10.7.2);

• Periodo equivalente

• Rigidezza verticale

• Periodo in direzione verticale

• Nessun isolatori in trazione per azione sismica + carichi

• Eccentricità rigidezza-massa sistema di isolamento ≤ 3%.

Condizioni di applicabilità:

sec0.3TT4 isbf ≤≤

esiv K800K ≥

sec1.0Tv ≤


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• Lo schema statico regolare a impalcati appoggiati continui:- Sostanziale rettilineità dell’impalcato;- Luci uguali;- Rapporto massimo tra le rigidezze delle pile inferiore a 2;- Lunghezza totale dell’impalcato continuo inferiore a 150m.

• Sistema modellabile come lineare (punto 9 o 10.7.2);

• Periodo equivalente

• Massa della metà superiore delle pile < 1/5 massa impalcato;

• Le pile hanno altezza inferiore a 20m;

• Rigidezza verticale

• Periodo in direzione verticale

• Nessun isolatore in trazione per azione sismica + carichi;

• Eccentricità rigidezza-massa sistema di isolamento ≤3%.

Condizioni di applicabilità:

sec0.3TT4 isbf ≤≤

esiv K800K ≥

sec1.0Tv ≤


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10.7 Modellazione e analisi strutturale10.7.4. Analisi statica lineareL’analisi statica lineare considera due traslazioni orizzontali indipendenti, cui si sovrappone gli effetti torsionali.Si assume che la sovrapposizione sia un solido rigido che trasla al di sopra del sistema di isolamento, con un periodo equivalente di traslazione pari a:

esiis KM2T π=

M = Massa totale della sovrastruttura;

Kesi = Rigidezza equivalente orizzontale del sistema di isolamento.

Spostamento del centro di rigidezza dovuto all’azione sismica ddc in ciascuna direzione orizzontale:

Se(Tis, ξesi) = accelerazione spettrale;

Kesi,min = Rigidezza equivalente orizzontale minima.

( )min,esi

esiisedc K

,TMSd

ξ=


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Le forze orizzontali da applicare a ciascun piano della sovrastruttura debbono essere calcolate in ciascuna direzione orizzontale mediante la seguente espressione:

In cui mj è la massa del piano j-esimo.

( )esiisejj ,TSmf ξ=


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La forza orizzontale complessiva applicata al sistema di isolamento è pari a:

Tale forza verrà ripartita tra gli elementi strutturali costituenti la sottostruttura in proporzione alle rigidezze dei corrispondenti dispositivi d’isolamento.

( )esiise ,TSMF ξ⋅=


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Gli effetti torsionali (accidentali) sui singoli dispositivi di isolamento possono essere messi in conto amplificando gli spostamenti mediante i fattori δxi e δyi:

(xi,yi) = coordinate del dispositivo rispetto al centro di rigidezza;

etot, x , etot,y = eccentricità totale nella direzione x e y;

rx, ry = raggio torsionale del sistema, dato da:

i2y

y,totxi y

re

1+=δ i2x

x,totyi x

re

1+=δ

( )∑ ∑+= yixi2iyi

2i

2x KKyKxr ( )∑ ∑+= xixi

2iyi

2i

2y KKyKxr

Kxi e Kyi = rigidezze equivalenti dispositivo i-esimo in x e y.


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Gli effetti torsionali (accidentali) sulla sovrastruttura, ai fini della verifica degli elementi strutturali, saranno valutati come specificato in 4.5.2, ossia mediante un fattore amplificativo delle sollecitazioni pari a:

eLx6.01 ⋅+=δ

x = distanza dell’elemento resistente verticale dal baricentro geometrico dell’edificio, misurata perpendicolarmente alla direzione dell’azione sismica considerata,

Le = distanza tra i due elementi resistenti più lontani, misurata allo stesso modo.


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10.7 Modellazione e analisi strutturale10.7.5. Analisi dinamica lineare

L’analisi dinamica lineare è ammessa quando risulta possibile modellare elasticamente il sistema di isolamento, nel rispetto delle condizioni di cui al punto 10.7.2.

Si assume un comportamento elastico lineare per:

• Sottostruttura;

• Sistema d’isolamento;

• Sovrastruttura.

L’analisi può essere svolta mediante:

• Analisi modale con spettro di risposta;

• Integrazione con accelerogrammi;

• Integrazione con accelerogrammi delle equazioni modali.


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L’analisi modale con spettro di risposta dovrà essere svolta secondo quanto specificato in 4.5.3, salvo diverse indicazioni fornite nel presente paragrafo.

Le due componenti orizzontali dell’azione sismica si considereranno in generale agenti simultaneamente, adottando ai fini della combinazione degli effetti le regole riportate in 4.6.

La componente verticale dovrà essere messa in conto nei casi previsti in 4.6, in ogni caso, quando Kv / Kesi< 800.

In tali casi si avrà cura che la massa eccitata dai modi in direzione verticale considerati nell’analisi sia significativa.

Nel caso del metodo dello spettro di risposta, lo spettro elastico definito in 3.2.3 (come modificato in 10.6.1) va ridotto per tutto il campo dei periori T≥0.8 Tis, assumendo per il coefficiente riduttivo η il valore corrispondente al coefficiente di smorzamento viscoso equivalente ξesi del sistema di isolamento.


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Si può adottare un solo accelerogramma, purchè esso rispetti le condizioni di coerenza con lo spettro di partenza specificate, al punto 3.2.7.

La messa in conto del corretto valore del coefficiente di smorzamento viscoso equivalente ξ si ottiene:

• Quando si opera sulle singole equazioni modali disaccoppiate, assegnando a ciascuna equazione il corrispondente valore modale ξ;

• Quando si opera sul sistema completo, definendo in maniera appropriata la matrice di smorzamento del sistema.

Analisi lineare con integrazione al passo


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10.7 Modellazione e analisi strutturale10.7.6. Analisi dinamica non lineare

L’analisi dinamica non lineare può essere svolta in ogni caso.

Essa è obbligatoria quando il sistema d’isolamento non può essere rappresentato da un modello lineare equivalente, come stabilito in 10.7.2.

Le analisi dovranno essere svolte nel rispetto delle prescrizioni riportate in 4.5.5.

Nel caso in cui sussistano le condizioni per l’esecuzione di analisi statiche lineari specificate al punto 10.7.4, con la sola eccezione del comportamento del sistema d’isolamento, si potrà utilizzare un modello semplificato del sistema strutturale.

Si considera la struttura come massa rigida, collegata a terra tramite elementi che riproducano correttamente il comportamento del sistema di isolamento risultante dal contributo di tutti i suoi dispositivi.

Lo spostamento ottenuto dall’analisi verrà assunto come spostamento di progetto del sistema di isolamento.


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10.8 Verifiche10.8.1. Stato limite di danno (SLD)Il livello di protezione richiesto per la sottostruttura e le fondazioni nei confronti dello SLD è da ritenere conseguito se sono soddisfatte le relative verifiche nei confronti dello SLU, di cui al punto 10.8.2.

La verifica allo SLD della sovrastruttura verrà svolta controllando che gli spostamenti di interpiano ottenuti dall’analisi siano inferiori ai limiti indicati nel punto 4.10.2.

I dispositivi del sistema di isolamento non debbono subire danni che possano comprometterne il funzionamento nelle usuali condizioni di servizio e per il terremoto di progetto allo SLU.

Il caso di sistemi a comportamento fortemente non lineare, gli eventuali spostamenti residui al termine dell’azione sismica, debbono essere compatibili con la funzionalitàdella costruzione.

Sottostruttura e fondazioni

Sovrastruttura

Sistema di isolamento


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10.8 Verifiche10.8.1. Stato limite di danno (SLD)

Il primo requisito si ritiene normalmente soddisfatto se sono soddisfatte le verifiche allo SLU.

Per sistemi di isolamento con isolatori elastomerici il livello di protezione richiesto è da ritenersi conseguito se sono soddisfatte le verifiche nei confronti dello SLU, di cui al successivo punto 10.8.2.

Le eventuali connessioni, strutturali e non, particolarmente quelle degli impianti, fra la struttura isolata e il terreno o le parti di strutture non isolate, devono assorbire gli spostamenti relativi massimi ottenuti dal calcolo senza alcun danno o limitazioni d’uso.

Isolatori elastomerici

Connessioni


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10.8 Verifiche10.8.2. Stato limite ultimo (SLU)Lo SLU della sottostruttura e della sovrastruttura dovranno essere verificati con i valori di γM utilizzati per gli edifici non isolati.

Gli elementi strutturali della sottostruttura dovranno essere verificati rispetto alle sollecitazioni prodotte dalle forze e imomenti trasmessi dal sistema d’isolamento e dalle forze d’inerzia direttamente applicate ad essa, assunte pari al prodotto delle masse della sottostruttura per l’accelerazione del terreno ag.

Le condizioni di resistenza degli elementi strutturali della sovrastruttura possono essere soddisfatte considerando gli effetti dell’azione sismica divisi dal fattore:

Coefficienti di sicurezza

Sollecitazioni sottostruttura

Sollecitazioni sovrastruttura

in cui αu/α1 è specificato in 5.3.2., combinati con le altre azioni secondo le regole del punto 3.3.

725.1265.115.1q 1u ÷=αα⋅=


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10.8 Verifiche10.8.2. Stato limite ultimo (SLU)

I giunti tra le strutture contigue devono essere dimensionati secondo quanto previsto al punto 4.11.1.5.

Lo spostamento massimo di un eventuale costruzione contigua esistente potrà essere stimato in 1/100 dell’altezza solo se la costruzione non è isolata.

I tubi per la fornitura del gas o che trasportano altri fluidi pericolosi, al passaggio dal terreno o da altre costruzioni all’edificio in esame, dovranno sopportare senza rotture gli spostamenti relativi cui sono sottoposti.

Negli edifici di categoria d’importanza I, le eventuali connessioni, strutturali e non, particolarmente quelle degli impianti, fra la struttura isolata e il terreno o le parti di strutture non isolate devono assorbire gli spostamenti relativi previsti dal calcolo, senza danni.

Giunti di separazione

Condutture fluidi pericolosi

Connessioni Edifici

Categoria I


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I giunti di separazione tra strutture contigue devono essere dimensionati con riferimento agli spostamenti valutati per il sistema d’isolamento e degli spostamenti differenziali determinati dalla variabilità spaziale del moto.

Eventuali condotte che trasportano fluidi pericolosi per l’ambiente dovranno sopportare senza rotture gli spostamenti relativi cui sono sottoposti.

Nei ponti di categoria d’importanza I, le eventuali connessioni, strutturali e non, fra le diverse parti strutturaliche si muovono con moto disaccoppiato devono assorbire gli spostamenti relativi previsti dal calcolo senza danni.

Giunti di separazione

Condutture fluidi pericolosi

Connessioni Ponti

Categoria I


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10.8 Verifiche10.8.2. Stato limite ultimo (SLU)I dispositivi del sistema di isolamento debbono essere in grado di sostenere, senza rotture, gli spostamenti d2, valutati per un terremoto avente probabilità di arrivo inferiori a quello di progetto allo SLU, ottenuto amplificando quest’ultimo del 20%.

Nel caso di sistemi di isolamento a comportamento modellabile come lineare, è sufficiente maggiorare del 20% lo spostamento ottenuto con il terremoto di progetto.

Nel caso di sistemi a comportamento nonlineare, occorre ripetere le analisi per l’azione sismica maggiorata.

Per tutti gli isolatori deve essere, in generale, soddisfatta lacondizione V≥0 (assenza di trazione). Nel caso in cui dall’analisi risultasse V<0 in condizioni sismiche, occorreràdimostrare, attraverso adeguate prove sperimentali, che l’isolatore è in grado di sostenere tale condizione oppure predisporre opportuni dispositivi in grado di assorbire integralmente la trazione.

Spostamento di progetto

dispositivi

Sistemi lineari

Sistemi non lineari

Trazione negli isolatori


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Nelle condizioni di massima sollecitazione le parti dei dispositivi non impegnate nella funzione dissipativa devono rimanere in campo elastico, nel rispetto delle norme relative ai materiali di cui sono costituite, e comunque con un coefficiente di sicurezza almeno pari a 1.5.

Gli isolatori elastomerici debbono soddisfare le verifiche riportate nell’Allegato 10A.

Le modalità di effettuazione delle prove sperimentali sui dispositivi, atte a verificare la rispondenza dei dispositivi alle ipotesi progettuali e alle condizioni da rispettare agli stati limite sono riportate nell’Allegato 10B.

Spostamento di progetto

dispositivi

Verifiche

Prove sperimentali


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10.9 Aspetti costruttivi, manutenzione e sostituibilitàIl progetto dei dispositivi di qualsiasi tipo comprende la redazione di un piano di qualità, che prevede, fra l’altro, la descrizione delle loro modalità di installazione durante la fase di costruzione dell’opera da isolare, nonché il programma dei controlli periodici e degli interventi di manutenzione durante la vita di progetto della struttura, la cui durata deve essere specificata nei documenti di progetto e che, comunque, non deve risultare minore di 60 anni.

Ai fini della durabilità sono rilevanti le differenti proprietà di invecchiamento degli elastomeri (gomme) e dei polimeri termoplastici (teflon), l’azione degradante esercitata dall’ossigeno atmosferico sulle superfici degli elementi di acciaio, le caratteristiche fisiche e chimiche degli adesivi, utilizzati per incollare le lamiere di acciaio alla gomma, e quelle dei polimeri organici del silicio a catena lineare (olii e grassi siliconici), utilizzati nei dispositivi viscosi.

Piano di qualità

Durabilità


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10.9 Aspetti costruttivi, manutenzione e sostituibilitàAi fini della qualità della posa in opera, gli isolatori devono essere installati da personale specializzato, sulla base di un disegno planimetrico recante le coordinate e la quota di ciascun dispositivo, l’entità e la preregolazione degli eventuali dispositivi mobili a rotolamento, le dimensioni delle eventuali nicchie predisposte nei getti di calcestruzzo per accogliere staffe o perni di ancoraggio, le caratteristiche delle malte di spianamento e sigillatura.

Ai fini della sostituzione degli isolatori, il progetto delle strutture di c.a. deve prevedere la possibilità di trasferire temporaneamente i carichi verticali dalla sovrastruttura alla sottostruttura per il tramite di martinetti oleodinamiciadiacenti all’isolatore da sostituire. A tale scopo il progetto delle strutture può prevedere nicchie per l’inserimento dei martinetti tra la sottostruttura e la sovrastruttura ovvero altre disposizioni costruttive equivalenti (per es. mensole corte che aggettano dalla base della sovrastruttura e che appoggiano su due martinetti ai lati dell’isolatore).

Installazione

Sostituzione


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10.9 Aspetti costruttivi, manutenzione e sostituibilità

Anche i percorsi che consentono al personale addetto di raggiungere e di ispezionare gli isolatori, devono essere previsti e riportati sul progetto esecutivo delle strutture portanti e su quello delle eventuali murature di tamponamento, in modo da garantire l’accessibilità al dispositivo da tutti i lati.

Le risultanze delle visite periodiche di controllo devono essere annotate su un apposito documento, che deve essere conservato con il progetto della struttura isolata durante l’intera vita di utilizzazione della costituzione.

Ispezionabilità

Visite periodiche


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10.10 Collaudo

Il collaudo statico deve essere effettuato in corso d’opera, al riguardo si segnala che di fondamentale importanza è il controllo della posa in opera dei dispositivi, nel rispetto delle tolleranze e delle modalità di posa prescritte dal progetto.

Il collaudatore deve avere specifiche competenze tecniche, acquisite attraverso precedenti esperienze, come progettista, collaudatore o direttore dei lavori di struttura con isolamento sismico, o attraverso corsi universitari o di specializzazione universitaria.

Oltre a quanto indicato nelle norme tecniche emanate ai sensi dell’art.21 della legge 5.11.71 n.1086, per le opere in c.a., in c.a.p. ed a struttura metallica, devono osservarsi le prescrizioni di seguito riportate:

Collaudo in c.o.

Visite periodiche

Documentazione dispositivi


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10.10 Collaudo- Devono essere acquisiti dal collaudatore i documenti di origine, forniti dal produttore, unitamente ai certificati relativi alle prove sui materiali ed alla qualificazione dei dispositivi, nonché i certificati relativi alle prove di accettazione in cantiere disposte dalla Direzione dei Lavori.

- La documentazione ed i certificati sopraindicati devono essere esposti nella relazione a struttura ultimata del Direttore dei Lavori cui spetta, ai sensi delle vigenti norme, il preminente compito di accertare la qualità dei materiali impiegati nella realizzazione dell’opera.

Il collaudatore, nell’ambito dei suoi poteri discrezionali, potrà estendere i propri accertamenti, ove ne ravvisi la necessità. In tale senso il collaudatore potrà disporre l’esecuzione di speciali prove per la caratterizzazione dinamica del sistema di isolamento atte a verificare, nei riguardi di azioni di tipo sismico, che le caratteristiche dellacostruzione corrispondano a quelle attese.

Documentazione dispositivi

Relazione a struttura ultimata

Collaudo


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Quando e dove?

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Quando e dove?


Nuovi Edifici Residenziali in ItaliaPonti in Europa

Santarem, Portogallo

Corinto, Grecia


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Esempio di adeguamento strutturale a Napoli


Complesso polifunzionale “Bonatti”Napoli, zona Soccavo

Struttura multi-piano in c.a.Dimensioni: 125x170m (pianta)

20m (altezza)Superficie utile piano: ca. 33000 mq

Data Costruzione: 1976 – 1979 (interrotta)

Progetto per soli carichi verticali


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Sistema di isolamento sismico alla base con inserimento di 626 isolatori tipo HDRB nei pilastri a livello del piano sotterraneo

Diaframma rigido

Rapporto di isolamento: ca. 3.0

Tipologia isolatori utilizzati: 4 tipi quadrati e 4 tipi circolari

Massimo spostamento laterale: 90mm

Carico verticale di progetto: 390-2200 kN

Progetto eseguito secondo Linee Guida LL.PP. 1998


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AspettiAspetti ApplicativiApplicativiEsempio di adeguamento strutturale a Napoli

Isolatori tipo HDRB

Smorzamento lineare viscoso equivalente (ξ):

10%


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AspettiAspetti ApplicativiApplicativiEsempio di adeguamento strutturale a Napoli

Sistema di montaggio


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Sistema di montaggio


Passi procedura seguita:

1. Applicazione morse;

2. Applicazione martinetti;

3. Messa in carico;

4. Bloccaggio dei martinetti;

5. Posizionamento sega;

6. Taglio del tronco di pilastro;

7. Rimozione del tronco tagliato;

8. Inserimento isolatore;

9. Rilascio del carico;

10. Rimozione morse.

N.B.: Adeguamento preventivo pilastri con armatura aggiuntiva (calastrellatura)


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Analisi dinamica (lineare) con spettro di rispostaAnalisi dinamica non lineare

Modello FEM tridimensionale non lineareModellazione del sistema di isolamento sulla base di dati sperimentali.Modello con circa 24000 g.d.l.

Spetto di risposta da Linee Guida:Accelerazione alla base: ag = 0.20g.Suolo tipo B


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AspettiAspetti ApplicativiApplicativiNuova struttura da realizzare a Napoli

Edificio ospedaliero denominato Ospedale del Mare (Napoli, zona Ponticelli)

Struttura ospedaliera isolata alla base più grande di Europa

Caratteristiche geometriche molto simili all’ospedale dell’USC

Irregolarità in pianta ed elevazione

Dimensioni in pianta di ca. 150x150m

Altezza di ca. 30m (parte 8 piani)

Fase di progetto esecutivo

Progetto eseguito secondo OPCM 3431 (ag=0.25g)

Sistema di isolamento sismico alla base (HDRB)


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AspettiAspetti ApplicativiApplicativiCosto interventi con isolamento sismico

Per edifici e ponti occorre tener conto non solo del costo iniziale bensìdel cosiddetto Life cycle cost (LCC) comprendente le fasi di costruzione, gestione e manutenzione (ordinaria e straordinaria).

Limitazione di danni strutturali e non strutturali

Importanza della continuità di uso anche durante e dopo eventi sismici con magnitudine medio-alta.

Edifici:

Si prende come unità di riferimento il metro quadrato di superficie utile

Per edifici di nuova costruzione l’isolamento sismico costa ca. 15-30 €/mq

Per edifici esistenti l’adeguamento strutturale con isolamento sismico costa complessivamente ca. 100 a 200 €/mq.

Ponti:

Quantificazione più complessa data la varietà delle tipologie strutturali


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O V VI VII VIII IX X

Conventional Isolated MMI

Danno

Milioni di $ • Struttura a telaio e nucleo (4 piani)

• Sito con materiale di riporto

• Valore Edificio - $ 6,000,000

• Valore Contenuto - $ 20,000,000

AspettiAspetti ApplicativiApplicativiCosto interventi con isolamento sismico


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ico • I sistemi di protezione sismica di tipo passivo (per esempio isolamento

sismico alla base e incremento di smorzamento) sono particolarmenteindicati per strutture di tipo strategico ovvero ad elevato contenutotecnologico.

• L’isolamento sismico alla base può risultare una scelta ottimale nel caso distrutture irregolari (pianta e/o elevazione) sia nuove che esistenti.

• Il sistema di isolamento sismico piu’ diffuso e’ quello che si basa sull’utilizzodi dispositivi in elastomero ed acciaio, generalmente ad elevato smorzamento(dispositivi HDRB).

• L’isolamento sismico con dissipatori tipo HDRBs genera sia un incrementodel periodo fondamentale che di smorzamento viscoso equivalenteprevenendo/eliminando danni strutturali/non strutturali.

• La progettazione di sistemi strutturali con isolamento sismico risulta moltosemplificata rispetto alla progettazione tradizionale basata sulla duttilita’.

• La nuova normativa sismica (OPCM 3431) fornisce prescrizioni chiare per la progettazione di strutture per edifici e ponti con isolamento sismico.

ConclusioniConclusioni


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ico Esistono numerosi aspetti tecnologici e progettuali relativi ai sistemi di

protezione sismica (sistemi passivi) che devono essere ancora ulteriormente indagati. In particolare:

• Ottimizzazione delle prestazioni meccaniche delle mescole per i sistemi di isolamento;

• Miglioramento della capacità di smorzamento e ricentrante dei sistemi di isolamento, per esempio lamine di FRP anziché di acciaio;

• Analisi comportamento strutture isolate in condizioni di “near-field”;

• Effetti della componente verticale del sisma sulle strutture isolate;

• Definizione di metodologie progettuali affidabili per i sistemi con “dampers”;

• Analisi delle prestazioni di strutture isolate e con “dampers”;

• Monitoraggio di strutture protette sismicamente con sistemi non tradizionali, per esempio isolamento sismico e/o “dampers”.

ConclusioniConclusioni

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