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TECNOLOGIE INNOVATIVE DI PROTEZIONE SISMICA

Controventi dissipativi e loro applicazioniControventi dissipativi e loro applicazioni

Mantova 22 febbraio 2006Mantova 22 febbraio 2006

Franco BRAGAFranco BRAGA

Presidente ANIDISPresidente ANIDISProfessore Ordinario di Costruzioni in zona sismica, Professore Ordinario di Costruzioni in zona sismica, UniversitUniversitàà ““La SapienzaLa Sapienza””, , FacFac. di Ingegneria, ROMA.. di Ingegneria, ROMA.

67 71 71 70

NODO 3a

(TR. 40 x 90)

NODO 3a

NODO 2

(TR. 50 x VAR.)

(TR.50x90)

NODO 07a

NODO 06a

NODO 04b

NODO 04b

NODO 03b

NODO 02b

NODO 01a

NODO 07a

NODO 09a

NODO 04b

NODO 07b

NODO 06b

NODO 04c

NODO 04c

NODO 03c

NODO 02b

NODO 01a

NODO 05b

NODO 04a

NODO 04d

NODO 03d

NODO 02c

NODO 01b

NODO 08b

NODO 09b

NODO 05a

NODO 06c

NODO 07c

NODO 08a

NODO 09c

TELAIO C1 TELAIO R1

CONTROVENTO C2 CONTROVENTO C1

NODO 3b

NODO 3a

NODO3a

NODO3a

NODO 3a

NODO 3a

(TR. 40 x 90)

CronistoriaSINTETICA CRONISTORIA

Kelly J.M., Skinner R.I., Heine A.J., (1972), “Mechanism of Energy Absortion in Special Devicesfor Use in Earthquake Resistant Structures”, Bull. N.Z. Soc. Earthquake Engrg., 5(3), 63-881972

Pall A.S., Marsh C., (1981), “Response of Friction Damped Braced Frame”, J. Struct. Div., ASCE, 108(6), 1313-13231981

In un articolo compare il concetto di controventi dissipativi: l’obiettivo è rallentare il movimento di una struttura “by braking rather than breaking”.

I dissipatori senza capacità portante sono utilizzati alla base della struttura come componenti del sistema di isolamento. (Motu Bridge, 1973,Rangitikei Viaduct,1980)

1982

1985

Prima applicazione della tecnica di protezione passiva mediante controventi dissipativi:Columbia Sea First Building a Seattle (1982). La tecnica si diffonde poi fuori degli USA: Siena Hospital (1988), McConnel Library alla Concordia University di Montreal (1990), Izazaga #38-40 Building a Mexico City (1990).Austin M.A., Pister K.S., (1985), “Design of Seismic-Resistant Friction-Braced Frames”, J.Struct. Engrg., ASCE, 111(12), 2751-2769

Propongono una procedura di progettazione specifica per controventi dissipativi.

1997NEHRP Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings, (1997), Federal EmergencyManagement Agency, vol.FEMA-273 (poi FEMA-356), Washington DC.

2000 NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and OtherStructures, (2000), Federal Emergency Management Agency, vol.FEMA-368, Washington DC.

FILOSOFIA

DUNQUE È UNA TECNICA DI PROTEZIONE PASSIVA CHE NASCE PER LE STRUTTURE NUOVE MA SI ADATTA MOLTO BENE (FORSE MEGLIO) ALLE STRUTTURE ESISTENTI .

A DIFFERENZA DELL’ISOLAMENTO ALLA BASE,CHE PUNTA A RIDURRE L’ENERGIA SISMICA CHE ENTRA NELLA STRUTTURA,

I CONTROVENTI DISSIPATIVI LASCIANO TALE ENERGIA IMMUTATA (POSSONO ADDIRITTURA FARLA CRESCERE)

MA PUNTANO AD AUMENTARE IN MODO DRASTICO LA DISSIPAZIONE DI ENERGIA

LA DISSIPAZIONE DI ENERGIA NON È CONSEGUITA ATTRAVERSO IL DANNEGGIAMENTO DELLA STRUTTURA (DUTTILITÀ) ANZI LA PRINCIPALE FINALITÀ CHE CI SI PONE È

PROPRIO QUELLA DI PROTEGGERE LA STRUTTURA.

CIÒ AVVIENE RACCOGLIENDO, ATTRAVERSO ELEMENTI DI RIGIDEZZA PREVALENTE RISPETTO A QUELLA DELLA STRUTTURA (I CONTROVENTI)

L’ENERGIA SISMICA IN ECCESSO E INDIRIZZANDOLA SU APPOSITI ELEMENTI DESTINATI A DISSIPARLA (I DISSIPATORI).

L’IDEA È DUNQUE FRENARE MANTENENDO ELASTICA LA STRUTTURA (CHE SIA IN C.A. O ACCIAIO) “BRAKING RATHER THAN BREAKING” APPUNTO.

D’ALEMBERT

2

2

2

2

dtxd

MKudtduC

dtudM g−=++

EQUAZIONE DEL MOTO per un oscillatore ELASTO-VISCOSO LINEARE

)()()()( tftftftf ESDI =++

ovvero secondo J. Le Rond D’Alembert (1717-1783)

Forze d’inerziao “Inertia”

Forze di viscosità o “Damping”

Forze di deformazione o “Strain”

Eccitazione sismica o “Earthquake”

essendo xg lo spostamento del terreno (ground)

D’ALEMBERT

)()()()( tftftftf SDI =++

Interpretazione del principio di D’AlembertL’equazione di equilibrio dinamico può essere vista, istante per istante,

come un’equazione di equilibrio statico.

Forze sismiche

Forze dello spettro di risposta

CONTROVENTI ELASTICI

Controventi Isolamento

Spettro di risposta elastico per la componente orizzontale dell’accelerazione sismica (Zona sismica 1 – Suolo A – Smorzamento convenzionale del 5%) - DM 14/09/2005

Controventi elastici vs Isolamento

CONTROVENTI DISSIPATIVI

Effetto dello smorzamento aggiuntivo

Spettro di risposta elastico per la componente orizzontale dell’accelerazione sismica (Zona sismica 1 – Suolo A – Smorzamento variabile tra il 5% ed il 30%) - DM 14/09/2005

Controventi dissipativi

2

0

1 ζζ

−= =

TTAumento di periodo:

10 0,555 100

ηζ

= ≥+

ζ η

0,05 100%

0,10 82%

0,20 71%

0,25 58%

0,30 55%

Riduzione delle accelerazioni

OBIETTIVI DELL’ADEGUAMENTO SISMICO

Regole FEMA 356

1.1 OBIETTIVI DELLA RIABILITAZIONE

Azione sismica: BSE1 Basic Safety Earthquake-1= min(Pr =10% su 50 anni, 2/3 MCE)

al sito BSE2 Basic Safety Earthquake-2 = Maximum Considered Earthquake (MCE)

Dove MCE = max (Pr =2% su 50 anni, 1.50xPr = 10% su 50 anni)

Operativitàimmediata (DL)

Salvaguardia vita umana (DS)

Prevenzione del collasso (CO)

50%/50 anni(Tr = 72 anni)

10%/50 anni(Tr = 474 anni)

2%/50 anni(Tr = 2475 anni)

PARAMETRI DI PROGETTAZIONE

I controventi dissipativi L’inserimento dei dissipatori all’interno della struttura avviene per mezzo di controventi posizionati nella maglia dei telai strutturali demandati a portare le forze sismiche.

telaio strutturalecontroventidissipatori

La progettazione di un sistema di protezione passiva mediante dissipazione è in generale un processo iterativo complesso, che prevede numerose scelte:

1. la disposizione in pianta ed in elevazione dei controventi;2. la forma dei controventi;3. la rigidezza dei controventi;4. le caratteristiche dei dissipatori.

Scuola Domiziano Viola (PZ)

FEMA 356

NORMATIVA PER STRUTTURE ESISTENTIFEMA 356 (Ricercare su http://www.fema.gov/)

Prestandard and Commentary for the seismic rehabilitation of buildingsSono il logico seguito dello ASCE/FEMA 273 Prestandard Project ormai completato.

L’operazione congiunta tra American Society of Civil Engineers (ASCE) e FederalEmergency Management Agency (FEMA) ha compiuto il primo passo aggiornando le

FEMA 273 — NEHRP Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings .

Nel corso del processo recenti ricerche e progressi tecnici sono stati inseriti nelle prescrizioni preesistenti, se ritenute appropriate dal Project Team e approvate dallo

ASCE Standards Committee on Seismic Rehabilitation. Il documento così ottenuto, FEMA 356 — Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of

Buildings, è disponibile per l’uso dal novembre 2000.

La parte di interesse è il Cap. 9 Seismic Isolation and Energy Dissipation e precisamenhte il paragrafo 9.3 Passive Energy Dissipation Systems da pag. 9-25 apag. 9-36

FEMA 368

NORMATIVA PER NUOVE COSTRUZIONIFEMA 368 (Ricercare su http://www.fema.gov/)NEHRP RECOMMENDED PROVISIONS FOR SEISMIC REGULATIONS FOR NEW BUILDINGS AND OTHER STRUCTURESPart 1: Provisions

Sono il risultato di un’operazione congiunta Building Seismic Safety Council (BSSC)Federal Emergency Management Agency (FEMA) e National Earthquake HazardsReduction Program (NEHRP) finalizzata a incoraggiare una pratica progettuale e

realizzativa che punti a minimizzare i danni prodotti dalla pericolosità sismica.

La pubblicazione delle 2000 NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulationof New Buildings and Other Structures contiene materiale innovativo in molte aree; di

particolare interesse la procedura completa per la progettazione di strutture con dispositivi di dissipazione di energia

La parte di interesse è l’Appendix A al Cap. 13 “Structures with Damping Systems”da pag. 261 a pag. 289

SI SEGNALANO: 13A.4 Equivalent Lateral Force Analysis Procedure pagg. 269 - 27513A.5 Response Spectrum Analysis Procedure pagg. 275 -28013A.6 Nonlinear Analysis Procedure pagg. 280 -281

Disposizione in pianta ed in elevazione dei controventi dissipativi

Esempio di disposizione in pianta ed in elevazione

6 m

5 m

4 m

4 m

5 m

6 m 6 m 6 m 6 m 6 m

Y

X

X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7

Y1

Y2

Y3

Y4

Y5

4 m

6 @

3 m

= 1

8 m

Telaio X3 e X5 Telaio Y1 e Y5

La disposizione in pianta ed in elevazione dei controventi deve garantire le proprietà di regolarità in elevazione e deve garantire un’adeguata rigidezza a torsione.

Generalmente essa deve sottostare a vincoli di carattere architettonico.

Criteri generali FEMA (presenti sia nella 356 che nella 368)

Criteri FEMA

Le FEMA suggeriscono alcuni criteri generali utili per la disposizione in pianta ed in elevazione dei controventi dissipativi:

la risposta di un telaio che include 4 o più dispositivi di dissipazione per piano in ogni direzione è molto più affidabile di quella di un telaio con pochi dispositivi. L’aumento della capacità richiesta ai dispositivi in termini di spostamento e velocità dipende dal

livello di RIDONDANZA del sistema di dissipazione.

Se sono disposti almeno 4 dispositivi di dissipazione per piano in ogni direzione principale dell’edificio, con un minimo di 2 dispositivi collocati da ogni parte rispetto al centro di rigidezza di piano nella direzione considerata, si posso utilizzare dispositivi

capaci di sostenere spostamenti e velocità non inferiori al 130% di quelle attese.

Altrimenti, essi devono essere capaci di sostenere spostamenti e velocità non inferiori al 200% di quelle attese;

Per tutti i dispositivi di dissipazione deve essere garantita l’ACCESSIBILITÀ perché ne sia effettuata periodicamente la manutenzione

CONFIGURAZIONE DEI CONTROVENTI

Possibili configurazioni per i controventi:

Concentrici

a X

a K

a K

a λ

Eccentrici

a X

a V

a K

a Y

e

ee

e

e

15

SISTEMI AD UN GRADO DI LIBERTÀ

Schema di telaio ad 1 grado di libertà con controvento

Telaio ad 1 grado di libertà

Telaio multi-piano e multi-campata

TELAIO AD 1 GRADO DI LIBERTÀ EQUIVALENTE AL MODO DI VIBRARE PRINCIPALE DEL TELAIO

MODO DI VIBRARE PRINCIPALE DI UN TELAIO MULTI-PIANO E MULTI-CAMPATA

Analisi modale

Massa concentrata

SISTEMI AD UN GRADO DI LIBERTÀ

Schema di telaio ad 1 grado di libertà con controventoAnalogamente, con opportuni accorgimenti, è possibile ridurre un telaio multi-piano e multi-campatacon controventi elastici o dissipativi ad un telaio ad 1 grado di libertà dotato di un singolo controvento.

TELAIO AD 1 GRADO DI LIBERTÀ CON CONTROVENTO DISSIPATIVO

TELAIO AD 1 GRADO DI LIBERTÀ CON CONTROVENTO ELASTICO


Equivalenza tra il telaio ad 1 grado di libertà con CONTROVENTO ELASTICO e l’oscillatore elementare.

TELAIO AD 1 GRADO DI LIBERTÀ CON CONTROVENTO ELASTICO

OSCILLATORE ELEMENTARE


F d

Comportamento statico incrementale del sistema telaio+controvento

Controvento elastico

O dy telaio d

Fy telaio Telaio

Sistema Telaio+controvento

KH sistema

F

Fy sistema


Comportamento ciclico del sistema composto telaio+controvento per telaio che rimane ELASTICONota bene:

Non si rappresenta l’energia dissipata nelle deformazioni sostanzialmente elastiche del sistema composto (generalmente si assume uno smorzamento viscoso pari al 5%)


dy telaio d

Fy telaio

Fy sistema

F

Telaio


O

KH sistema

F d


dF

Comportamento ciclico del sistema composto telaio+controvento per telaio che entra IN CAMPO PLASTICO

Energia dissipata nel telaio

Nota bene:

Si considera trascurabile l’energia dissipata dal controvento elastico rispetto all’energia dissipata dal telaio.


dy telaio d

Fy telaio

Fy sistema

F

Telaio

KH sistema


O


Determinazione della rigidezza del controvento elastico

3 m

4 m

u3

u1

u5

m1

u6u4

u2

m2

Dimensioni delle sezioniPilastri 30x30 cm2

Trave 30x50 cm2

Controvento φ5 cm

MaterialiEportale 30.000 MPaνportale 0,25 Econtrovento 200.000 MPaνportale 0,30

Massem1 10 kNs2/mm2 10 kNs2/m

( )( )( )( )( )( )

( )( )( )( )( )( )

( )( )( )( )( )( )⎪⎪⎪

⎭

⎪⎪⎪

⎬

⎫

⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪

⎨

⎧

=

⎪⎪⎪

⎭

⎪⎪⎪

⎬

⎫

⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪

⎨

⎧

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

+

⎪⎪⎪

⎭

⎪⎪⎪

⎬

⎫

⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪

⎨

⎧

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−−

−−

−

−−−

−−

−−

tptptptptptp

tutututututu

tutututututu

6

5

4

3

2

1

6

5

4

3

2

1

6

6

5

4

3

2

1

12,004,003,003,001,000,0

04,012,003,003,000,001,0

03,003,092,002,000,000,0

03,003,002,092,000,000,0

01,000,000,000,013,112,1

00,001,000,000,012,113,1

000000

000000

000000

000000

0000100

0000010

10

&&

&&

&&

&&

&&

&&

Equazioni del moto del telaio sotto forze sismicheMatrice di rigidezza

del controvento

sksm

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

−

00,000,000,000,000,000,0

00,000,000,000,000,000,0

00,000,083,200,077,300,0

00,000,000,000,000,000,0

00,000,077,300,086,417,0

00,000,000,000,017,017,0

410bk


Determinazione della rigidezza del controvento elastico

La rigidezza del telaio diminuisce all’aumentare della dimensione A del controvento, avendo postoAb l’area del controventoAbφ5 l’area del controvento di diametro φ5 cmA= Ab / Abφ5

10-2 10-1 100 101 102102

103

104

105

106

107

A

Rigidezza del sistema

Rigidezza del telaio

Rigidezza del cv

Rigidezza [kN/m]


Equivalenza tra il telaio ad 1 grado di libertà con CONTROVENTO DISSIPATIVO e l’oscillatore elementare.

TELAIO AD 1 GRADO DI LIBERTÀ CON CONTROVENTO DISSIPATIVO

OSCILLATORE ELEMENTARE


Comportamento statico incrementale del sistema telaio+controvento

Controvento dissipativo

dy dissipatoreO dy telaio d

Fy dissipatore

Fy telaio

Fy sistema

F

Telaio


KH sistema

F dF d


Comportamento ciclico del sistema composto telaio+controvento per telaio che rimane IN CAMPO ELASTICONota bene:

Si considera trascurabile l’energia dissipata dal telaio rispetto all’energia dissipata dal controvento dissipativo.

dF

Energia dissipata nel dissipatore


O


Telaio

d

F


Comportamento ciclico del sistema composto telaio+controvento per telaio che entra IN CAMPO PLASTICO

dF

Energia dissipata nel telaio

Energia dissipata nel dissipatore


O


Telaio

d

F

27



O


Telaio

d

F

Comportamento elasto-viscoso equivalente

Energia dissipata per viscosità equivalente

Comportamento elastico equivalente

dF

Energia dissipata per isteresi nel dissipatore

( ) ( )( )

( )( ) αµµα

µααµµαπζ

πµζ

++−

−−+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ln11

11232

311

23

2320

2eq

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡++

−= αµ

µα ln11

1kkeq

Smorzamento equivalente (Metodo ASE)

Rigidezza equivalente (Metodo ASE)

k1 è la rigidezza di primo ramo

ζ0 è lo smorzamento viscoso

α è il fattore d’incrudimento

µ è la duttilità

28


Comportamento elasto-viscoso equivalente

F


O


Telaio

d

dF

Energia dissipata per isteresi nel telaio e nel dissipatore

Energia dissipata per viscosità equivalente

Comportamento elastico equivalente

( )

( ) 2maxmax

0max

2

3 max

ddk

dxxEd

eq

d

d

eq πζ

∫=

( )dxxkd

kd

eq ∫=max

0sec

max

1

Smorzamento equivalente (Metodo ASE)

Rigidezza equivalente (Metodo ASE)

Ed è l’energia dissipata

dmax è lo spostamento massimo

ksec è la rigidezza secante

PROGETTAZIONE DEI CONTROVENTI DISSIPATIVI

La disposizione, la forma e la rigidezza dei singoli controventi concorrono a determinare la rigidezza complessiva del sistema di protezione.

Un sistema di controventi (anche se solo elastici) determina un nuovo percorso per le sollecitazioni sismiche, che vengono trasferite a terra anche attraverso di essi, scaricando in questo modo il sistema strutturale da proteggere (come si può evidenziare, p.e., dall’equilibrio della trave).

F FF FFF

Se i controventi sono “controventi dissipativi”, parte dell’energia sismica viene dissipata durante i cicli di deformazione del sistema.

Ciò comporta che la forza sismica massima è minore rispetto al caso di “controventi elastici”.

Per il resto il comportamento del sistema è analogo al caso di “controventi elastici”.


4478 kN

4834 kN

4071 kN

3307 kN

2544 kN

1781 kN

1018 kN

2649 kN

1987 kN

1457 kN

1100 kN

742 kN

401 kN

2108 kN

1828 kN

2846 kN

2613 kN

2207 kN

1802 kN

1379 kN

1090 kN

Sistema composto Telaio Controventi

La progettazione dei controventi è generalmente ricondotta alla soluzione di un problema di ottimizzazione strutturale.

La “funzione obiettivo” da minimizzare dipende da

- dalla rigidezza della struttura esistente;

- dalla resistenza della struttura esistente;

- dalla rigidezza del sistema di protezione;

- dalla capacità dissipativa del sistema di protezione.

In un’ottica di dimensionamento si può ragionare in termini statici, definendo le forze sismiche di eccedenza con cui progettare i controventi.


La progettazione deve comunque essere iterativa. Essa può essere articolata nei seguenti passi:

1. definizione delle proprietà strutturali dell’edificio e analisi strutturale dell’edificio sia per carichi verticali che per forze sismiche;

2. scelta della capacità di dissipazione (in termini di fattore di smorzamento) che si vuole conferire al sistema;

3. scelta della disposizione dei controventi dissipativi compatibilmente ai vincoli architettonici;

4. scelta delle caratteristiche meccaniche dei singoli dissipatori (in termini di legame “forza-deformazione”) in modo da ottenere la capacità di dissipazione desiderata;

5. verifica delle reali prestazioni del sistema strutturale.

Le proprietà del sistema strutturale devono essere aggiornate di ciclo in ciclo, a seguito del cambiamento delle caratteristiche meccaniche dei controventi.

Il funzionamento dei controventi elastici e dissipativi

Effetto della variazione della rigidezza del controvento rispetto a quella del telaio

Telaio con controvento elastico (ζd=0.02)

0.1=t

cv

KK

Kcv Rigidezza del controventoKt Rigidezza del telaio

0.3=t

cv

KK

25.0=t

cv

KK

0.1 =t

cv

KK

0.3 =t

cv

KK

25.0=t

cv

KK

Telaio con controvento dissipativo (ζd=0.20)

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

-1 -0.5 0 0.5 1

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

-1 -0.5 0 0.5 1

STRUTTURA ELASTICA con CONTROVENTO ELASTICO

maxuu

maxpp

maxuu

Ts=0.63 sζs=0.05

Parametri meccanici del telaio senza controvento:

⎪⎩

⎪⎨

⎧=

25.00.30.1

t

cv

KKParametri meccanici del

controvento elastico: 02.0=dζ

Cicli forza-spostamento adimensionalizzati (Terremoto: Santa Monica - City Hall Grounds, ag=3.35m/s2 – 1994).

maxpp


telaio senza controventotelaio con controvento

0 1 2 30

0.5

1

1.5

2

2.5

3

T (s)

Se (-

)

z=5%

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

-1 -0.5 0 0.5 1

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

-1 -0.5 0 0.5 1maxuu

maxpp

maxuu

maxpp

STRUTTURA CHE SI PLASTICIZZA con CONTROVENTO ELASTICO

Ts=0.63 sζs=0.05



⎪⎩

⎪⎨

⎧=

25.00.30.1

t

cv





0 1 2 30

0.5

1

1.5

2

2.5

3

T (s)

Se (-

)

z=5%

q=1.4

q=3

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

-1 -0.5 0 0.5 1

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

-1 -0.5 0 0.5 1


STRUTTURA ELASTICA con CONTROVENTO DISSIPATIVO

maxuu

maxpp

maxuu

Ts=0.63 sζs=0.05


⎪⎩

⎪⎨

⎧=

25.00.30.1

t

cv




maxpp


0 1 2 30

0.5

1

1.5

2

2.5

3

T (s)

Se (-

)

z=20%

z=25%

z=5%

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

-1 -0.5 0 0.5 1

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

-1 -0.5 0 0.5 1


STRUTTURA ELASTICA con CONTROVENTO DISSIPATIVO

maxuu

maxpp

maxuu

Ts=0.63 sζs=0.05


⎪⎩

⎪⎨

⎧=

25.00.30.1

t

cv




maxpp


0 1 2 30

0.5

1

1.5

2

2.5

3

T (s)

Se (-

)

z=20%

z=5%z=10%

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

-1 -0.5 0 0.5 1

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

-1 -0.5 0 0.5 1maxuu

maxpp

maxuu

maxpp

STRUTTURA CHE SI PLASTICIZZA con CONTROVENTO DISSIPATIVO

Ts=0.63 sζs=0.05



⎪⎩

⎪⎨

⎧=

25.00.30.1

t

cv





0 1 2 30

0.5

1

1.5

2

2.5

3

T (s)

Se (-

)

q=2.2q=2.2

q=3

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

-1 -0.5 0 0.5 1

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

-1 -0.5 0 0.5 1maxuu

maxpp

maxuu

maxpp

STRUTTURA CHE SI PLASTICIZZA con CONTROVENTO DISSIPATIVO

Ts=0.63 sζs=0.05



⎪⎩

⎪⎨

⎧=

25.00.30.1

t

cv





0 1 2 30

0.5

1

1.5

2

2.5

3

T (s)

Se (-

)

q=2.2

q=3

q=1.8

DISPOSITIVI DI DISSIPAZIONE ENERGETICA

Dispositivi di dissipazione energeticaIn accordo con la Normativa americana (FEMA 356 – Punto 9.3.3) si classificano i dispositivi di dissipazione energetica in:

• dispositivi a dissipazione “dipendente dallo spostamento”

La risposta ciclica è indipendente dalla velocità relativa tra le due estremità del dispositivo e dalla frequenza di eccitazione; il legame forza-spostamento dipende dallo spostamento relativo tra le due estremità del dispositivo.

I dispositivi esibiscono comportamenti isteretico bilineare o trilineare, elasto-plastico o rigido plastico (attritivo)

• dispositivi a dissipazione “dipendente dalla velocità”

La risposta ciclica è dipendente dalla velocità relativa tra le due estremità del dispositivo e dalla frequenza di eccitazione.

I dispositivi sono basati su solidi visco elastici (polimeri siliconici), fluidi viscoelastici, fluidi viscosi

bilineare o trilineare isteretico, elasto-plastico o rigido plastico (attritivo)

• dispositivi “di altro tipo”: dispositivi con capacità ricentranti (SMA, Molle+attrito)

Dispositivi di dissipazione energeticaPer la caratterizzazione meccanica dei dissipatori, se ne considera il tipo di comportamento nella direzione lungo la quale manifestano il comportamento dissipativo.

Parametri meccanici Modello reologico

Attritivo (FR)

DissipatoreTipo

dispositivi a dissipazione “dipendente

dallo spostamento”

Viscoso lineare (VL)

Elasto-plastico(EP)

dc

ηdk

µα

1k

sF

Rigidezza elasticaFattore di perdita “loss factor”

Rigidezza elasticaFattore d’incrudimentoduttilità

Forza di scorrimento

Coefficiente di viscosità

Elasto-viscosolineare (VE)

DISPOSITIVI DI DISSIPAZIONE ENERGETICA

dispositivi a dissipazione “dipendente

dalla velocità”

DISPOSITIVI A DISSIPAZIONE “DIPENDENTE DALLO SPOSTAMENTO”

Dispositivi a dissipazione “dipendente dallo spostamento”


I “dispositivi elasto-plastici” dissipano energia attraverso le deformazioni inelastichedei metalli che, superato un prefissato livello di carico, si plasticizzano.Essi sono generalmente realizzati mediante piatti di spessore limitato generalmente conformati in modo tale che il materiale si plasticizzi in modo uniforme.

PROPRIETÀ CICLO DI ISTERESI DI UN DISSIPATORE IN ACCIAIO

buona stabilità dei cicli di deformazione problemi di fatica per elevato numero di cicli di entitàridottadiscreta sensibilità alle variazioni di temperatura

(in caso di temperature molto basse il comportamento dell’acciaio da duttile diventa fragile)


I primi studi finalizzati all’introduzione nella struttura di elementi metallici in grado di plasticizzarsi e quindi di assorbire una parte significativa dell’energia di input sismica sono dovuti a Kelly e al. (1972) e a Skinner e al.(1975).

a) A TORSIONE

b) A FLESSIONE

c) U-STRIP

I PRIMI DISPOSITIVI ISTERETICI


ADAS DEVICE (Added Damping And Stiffness)

Piatti in acciaio conformati ad X(Whittaker, 1991)


ADAS DEVICE (Added Damping And Stiffness)Risposta di un telaio 3 piani-1 campata sottoposto ad input sismico (Whittaker, 1991).


T-ADAS DEVICE (Triangular - Added Damping And Stiffness)

Piatti in acciaio conformati a V(Tsai e Hong, 1992).


COPRIGIUNTI DISSIPATIVI

Coprigiunti dissipativi realizzati con piastre di acciaio opportunamente lavorate con le stesse dimensioni esterne delle piastre di coprigiunto di un normale controvento (Dolce e Marnetto, 2000).


TENSION/COMPRESSION YIELDING BRACES (o “unbonded braces”)

Tecnologia sviluppata in Giappone (Nippon Steel Corp, Watanabe 1988) ed applicata in più di 160 edifici.

Malta di Malta di riempimentoriempimento

Nucleo di Nucleo di acciaioacciaio

Materiale che Materiale che permette lo permette lo scorrimento tra scorrimento tra malta e acciaiomalta e acciaio

Tubo di Tubo di acciaio acciaio


TENSION/COMPRESSION YIELDING BRACES (o “unbonded braces”)

Animazione che riproduce lo spostamento relativo tra il nucleo in acciaio e il tubo in acciaio di rivestimento.

Durante questa prova i cicli forniti dal dispositivo sono risultati stabili per deformazioni superiori al 2%.

Fonte: www.siecorp.com/braces/index.html


DISSIPATORI A TELAIO

Dissipatori a telaio in acciaio conformati in modo da mantenere sempre in trazione i controventi (Tyler1985, Ciampi 1989, 1993).

Ciampi (1989, 1993)

Tyler (1985)


Tra i “dispositivi elasto-plastici” sono annoverati anche i dissipatori ad estrusione di piombo.La dissipazione avviene per forzatura del piombo attraverso un orifizio all’interno di una camera cilindrica.

CICLO DI UN DISSIPATORE AD ESTRUSIONE DI PIOMBOPROPRIETÀ

buona stabilità dei cicli di deformazione elevata resistenza a fatica per elevato numero di cicli di entità ridottascarsa sensibilità alle variazioni di temperaturaelevata tossicità del piombo


LEAD EXTRUSIONS DAMPERS

Robinson e Greenbank (1976).

I “dispositivi ad attrito” dissipano energia attraverso l’attrito che si sviluppa al contatto tra due superfici che scorrono l’una rispetto all’altra.

Ispirati dal funzionamento dei freni nelle automobili, PALL E AL. (1980) cominciarono a studiare i dissipatori ad attrito come dispositivi in grado di migliorare la risposta sismica delle strutture. L’obiettivo era quello di rallentare il movimento dell’edificio “BY BRAKING RATHER THAN BY BREAKING” (PALL AND MARSH, 1982).

PROPRIETÀ

sostanziale indipendenza del comportamento da:

ampiezza del caricofrequenzanumero di cicli

forte differenziazione di comportamento tra i dispositivi per complessitàmeccanica e materiali usati per le superfici di scorrimento.

CICLO ISTERETICO DI UN DISSIPATORE CILINDRICO AD ATTRITO (SUMITOMO

FRICTION DEVICE)



SUMITOMO FRICTION DAMPER

Costituito da un pistone ricoperto da cuscinetti frenanti in rame che scorre all’interno di un cilindro in acciaio (Aiken e Kelly, 1990)


X-BRACED FRICTION DAMPER

I controventi lavorano solo a trazione; sono collegati tra di loro da un telaio snodabile e all’intersezione c’è un nodo con un cuscinetto ad attrito (Pall e Marsh, 1982).


SLIDING BOLTED JOINT

Connessioni realizzate con piastre dotate di fessure in cui i bulloni possono scorrere. Le superfici sono acciaio/acciaio o acciaio/ottone. (Fitzgerald, 1989)

DISPOSITIVI A DISSIPAZIONE “DIPENDENTE DALLA VELOCITÀ”

Dispositivi a dissipazione “dipendente dalla velocità”


Nei “dispositivi viscosi-lineari” la dissipazione avviene per conversione in calore dell’energia meccanica fornita ad un pistone che deforma una sostanza viscosa.

PROPRIETÀdiscreta sensibilità alle variazioni di temperaturascarsa sensibilità alle variazioni di frequenzaquasi perfetto sfasamento tra la forza e lo spostamento massimi costo elevato (anche per la manutenzione)dimensioni elevate

Il dispositivo più comune consiste di un recipiente riempito di un fluido. Un pistone può muoversi nel recipiente e in questo movimento costringe il fluido a passare attraverso degli orifizi. La curva caratteristica di questi dissipatori dipende dalla forma del recipiente e dalla forma e dal numero degli orifizi, oltre che dal tipo di fluido viscoso utilizzato.

CICLO DI UN DISSIPATORE VISCOSO-LINEARE


CYLINDRICAL VISCOUS LIQUID DAMPER

Dispositivi prodotti dalla TAYLOR, mutuati dall’ingegneria meccanica dove erano già usati per il controllo di impulsi e vibrazioni (Harris e Crede, 1976).


VISCOUS DAMPING WALL

Il pistone è costituito da una piastra in acciaio costretta a muoversi nel suo piano in un contenitore rettangolare in acciaio riempito di un fluido viscoso. (SumitomoConstruction Company).


I “dispositivi visco-elastici” sono realizzati da copolimeri o sostanze vetrose che dissipano energia quando sottoposti a deformazioni di taglio.

PROPRIETÀ

discreta sensibilità alle variazioni di temperatura (al crescere della temperatura si ha una riduzione di rigidezza e smorzamento)discreta sensibilità della forma del ciclo con il livello di deformazionedifficoltà nel conseguire rigidezze elevate

CICLO DI UN DISSIPATORE VISCO-ELASTICO

Il dispositivo più comune consiste di strati di materiale visco-elastico confinati con piatti di acciaio: la dissipazione energetica si ha quando la vibrazione della struttura induce un movimento relativo tra i piatti esterni e quelli interni.


DISSIPATORI VISCO-ELASTICI

Strato di materiale visco-elastico tra due profilati a T.

ALTRI TIPI DI DISPOSITIVI

Dispositivi d’altro tipo


I dispositivi in lega a memoria di forma sono realizzati mediante fili di lega a memoria di forma. Il comportamento isteretico non è dovuto ad un meccanismo di dislocazione come per l’acciaio ma ad una trasformazione di fase (da austenite a martensite).

CICLO DI UN DISSIPATORE IN LEGA A MEMORIA DI FORMAPROPRIETÀ

possibilità di limitare le deformazioni residuestabilità dei cicli di deformazione buona resistenza a fatica per cicli di entità ridottascarsa sensibilità alle variazioni ambientali di temperatura difficoltà nel conseguire rigidezze elevatecosto elevato


DISSIPATORI IN LEGA A MEMORIA DI FORMA (Shape Memory Alloy)

Dispositivo costituito da fili in SMA-austenite ed elementi in acciaio (Dolce, Marnetto, 2000).


JARRET ELASTOMERIC SPRING DAMPER

Utilizzano un elastomero compressibile a base di silicone per fornire una rigidezza addizionale oltre allo smorzamento (Peckan, 1995).


ENERGY DISSIPATING RESTRAINT

L’attrito si sviluppa all’interfaccia tra i denti di bronzo e il cilindro in acciaio. Una rigidezza additiva è fornita da una molla elicoidalecoassiale al cilindro (Richter, 1990).

LE APPLICAZIONI

La tecnica di protezione passiva delle strutture mediante dissipazione non è ancora matura dal punto di vista del numero di applicazioni.Fino al 2002, nel Nord-America i dissipatori sono stati installati all’incirca in 103 edifici e in molti ponti, sia per interventi di adeguamento che per nuove costruzioni (Soong, Spencer, 2002).

ANDAMENTO DELL’IMPIEGO DI DISPOSITIVI DI DISSIPAZIONE NELL’INGEGNERIA ANTISISMICA NEL

NORD-AMERICA

LE APPLICAZIONI

SCUOLA DOMIZIANO VIOLA Potenza (Progettazione 1990, Realizzazione 2003)

Adeguamento antisismico con controventi collegati alla strutturamediante coprigiunti dissipativi.

LE APPLICAZIONI


LE APPLICAZIONI


Controventi Dissipativi Particolare del coprigiunto dissipativo

LE APPLICAZIONI

SCUOLA MEDIA GENTILE - FERMI Fabriano (Progettata 1990, Realizzata 1992)

Adeguamento antisismico mediante controventi dissipativi visco-elastici.

LE APPLICAZIONI

SCUOLA MEDIA GENTILE - FERMI Fabriano (Progettata 1990, Realizzata 1992)

Adeguamento antisismico mediante controventi dissipativi visco-elastici.

Particolare del dissipatore

Particolare del collegamento struttura-controvento

LE APPLICAZIONI

POTENZA vs FABRIANO

LE APPLICAZIONI

OSPEDALE S.CARLO Potenza (Progettazione 2000, Realizzazione ????)

NODO 3a

NODO3a

NODO 7a NODO 7b

NODO 7a

NODO 8b

Adeguamento antisismico con controventi collegati alla struttura mediante coprigiunti dissipativi.

LE APPLICAZIONI

676766 71 71 70

NODO 3a

(TR.50x90)

TR. 35 x 60

TR. 30x80

NODO 3a

NODO 2

(TR. 50 x VAR.)

(TR.50x90)

NODO 04a

NODO 04d

NODO 04d

NODO 03d

NODO 02c

NODO 01b

NODO 07a

NODO 06a

NODO 04b

NODO 04b

NODO 03b

NODO 02b

NODO 01a

NODO 07a

NODO 09a

NODO 04b

NODO 07b

NODO 06b

NODO 04c

NODO 04c

NODO 03c

NODO 02b

NODO 01a

NODO 05b

NODO 04a

NODO 04d

NODO 03d

NODO 02c

NODO 01b

NODO 08b

NODO 09b

NODO 05a

NODO 06c

NODO 07c

NODO 08a

NODO 09c

NODO 3b

NODO 3a

NODO3a

NODO3a

NODO 3a

NODO 3a

(TR. 40 x 90)

TR. 15 x 86

TR. 15 x 86

TR. 15 x 86

TR. 120x29

TR. 120x29

TR. 120x29

TR. 150x29

TR. 100x29

TR. 100x29

TR. 170x29

(TR. 40 x 90)(TR. 40 x 90)


LE APPLICAZIONI


LE APPLICAZIONI


INSERIRE ALTRE FIGURE PRESE DA NAPOLI 2000

LE APPLICAZIONI

IZAZAGA BUILDING Mexico City (1990)

Telaio in c.a. di 12 piani adeguato sismicamente con 200 dispositivi ADAS.Si ottiene una riduzione massima del drift del 40%.

LE APPLICAZIONI

SUT-BuildingShizuka City, GIAPPONE (1992)

Telaio in c.a. di 78 m. L’intervento di adeguamento sismico èrealizzato con l’inserimento di viscousdamping wall.A seguito dell’intervento lo smorzamento equivalente della struttura è del 20%.

LE APPLICAZIONI

BUILDING 116San Diego CALIFORNIA (1992)

Il sistema resistente è realizzato con pareti in c.a. di 20 cm di spessore. L’adeguamento sismico è ottenuto mediante 64 dissipatori viscoelastici.

LE APPLICAZIONI

PACIFIC BELL NORTH CENTER Sacramento CALIFORNIA (1995)

Telaio in acciaio di 15 piani di nuova costruzione. La protezione sismica è garantita dall’inserimento di 62 dispositivi fluido viscosi della TaylorDevices (fmax= 13t).

LE APPLICAZIONI

SAN FRANCISCO CIVIC CENTERSan Francisco (1997)

Telaio in acciaio di 15 piani di nuova costruzione. La protezione sismica è garantita dall’inserimento di 196 dispositivi fluido viscosi della TaylorDevices (fmax= 101,25t).

LE APPLICAZIONI

WALLACE BENNET FEDERAL BUILDINGSalt Lake City, UT

Edificio in c.a. di 8 piani costruito negli anni ’60. L’adeguamento sismico è stato realizzato mediante l’inserimento di 344 unbonded braces (Nippon Steel Corp.).

BIBLIOGRAFIA

Chopra AK., “Dynamics of Structures: Theory and Applications to Earthquake Engineering”, Prentice-Hall: Upper Saddle River, NJ, 2001.

Muscolino G., “Dinamica delle Strutture”, Mc Graw Hill, 2002.

Clough W, Penzien J., “Dynamic of Structures”, Mc Graw Hill, 1993.

Dinamica delle strutture

Protezione passiva mediante dissipazioneSoong TT, Dargush GF, “Passive Energy Dissipation Systems in Structural Engineering”, Wiley: New York, 1997.

Filiatrault A., Cherry S., 1990, “Seismic design spectra for friction-damped structures”, Journal of Structural Engineering, Vol. 116, 1334-1355.

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Braga F., D’anzi P., 1994, “Steel braces with energy absorbing devices: a design method to retrofit reinforced concrete existing buildings”, Ouest Editions Presses Academiques, Nice.

NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures, Federal Emergency Management Agency, vol. FEMA-368, Washington DC, 2000, Appendix to Ch.13: Structures with Damping Systems .

NEHRP Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings, Federal Emergency Management Agency, vol. FEMA-356, Washington DC, 2000, Ch.9: Seismic Isolation and Energy Dissipation .

Sito internet: www.fema.gov/hazards/earthqaukes/nehrp

Normativa

BIBLIOGRAFIA

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Kasai K., Fu Y., Watanabe A., (1998),“Passive Control Systems for Seismic Damage Mitigation”, J. Struct. Engrg., ASCE, 124(5), 501-512

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Garcia D.L., (2001),“A simple Method for the Design of Optimal Damper Configurations in MDOF Structures”,Earthquake Spectra, 17(3), 387-398

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