Relazione Paolo Clemente

TECNOLOGIE AVANZATE PER LA PROGETTAZIONE DI INFRASTRUTTURE IN AREE
AD ALTO RISCHIO SISMICO E IDROGEOLOGICO
Sistemi di isolamento sismico e sistemi di dissipazione, criteri di
progettazione geotecnica
23 ottobre 2014
PONTI CON ISOLAMENTO SISMICO
Paolo Clemente, PhD
Resp. Prevenzione Rischi Naturali e Mitigazione Effetti
Tecnologie avanzate per la progettazione di infrastrutture in aree ad alto rischio sismico e idrogeologico
Sistemi di isolamento sismico e sistemi di dissipazione, criteri di progettazione geotecnica
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Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
PROGETTAZIONE ANTISISMICA
Scopo: assicurare che in caso di evento sismico
- sia protetta la vita umana
- siano limitati i danni
- rimangano funzionanti le strutture essenziali (Prot.Civ.)
Sisma di media intensità: devono sopportarlo senza danni evidenti
Terremoto violento: non devono crollare, pur danneggiandosi
Principio economicamente non sostenibile !!
Strutture strategiche: operative durante e dopo il sisma
Strutture a rischio di incidente rilevante: stringenti requisiti di sicurezza
TECNOLOGIE INNOVATIVE
si basano sulla drastica riduzione delle forze sismiche agenti sulla struttura,
piuttosto che affidarsi alla sua resistenza
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Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
INTRODUZIONE ALL’ISOLAMENTO SISMICO
Se (accelerazioni)
SDe (spostamenti)
Riduzione azioni
sismiche orizz.:
Se,is/Se,bf<0.20
Aumento spostamento
spettrale: SDe>0.20 m
Tbf
Tbf  0÷1 s
Tis
T
Tis  2 s
Disaccoppiamento tra moto della struttura e del terreno
È possibile progettare in campo elastico
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DAL TEMPIO DI DIANA AGLI IMPIANTI RIR
“Grecae
magnificentiae
vera
admiratio extat templum Ephesiae
Dianae CXX annis factum a tota Asia.
In solo id palustri fecere, ne terrae
motus sentiret aut hiatus timeret,
rursus ne in lubrico atque instabili
fondamenta tantae molis locarentur,
calcatis ea substravere carbonibus,
dein velleribus lanae” (Gaio Plinio
Secondo)
Electricite-de-France (1978): a Cruas primo
impianto nucleare con isolamento sismico (4 PWR,
3600 MWe, in funz. nel 1984. L'isolamento
consentì di utilizzare al sito di Cruas, caratterizzato
da ag=0.3g, lo stesso progetto standardizzato degli
altri impianti realizzati in siti con ag=0.2g
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VIADOTTO SOMPLAGO (UDINE-TARVISIO, 1976)
In costruzione durante la
prima scossa del
06/05/1976
(M = 6.4)
In parte completato al
momento delle scosse
dell’11 e 15/09/1976
(M max = 6.0)
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PORTALE SISMICAMENTE ISOLATO
ms us  c s u s  u b   k s us  u b   0
mbub  c b u b  u g   k b u b  u g   c s u s  u b   k s us  u b   0
u1
m1
m1
k1, c1
m0
kis, cuisg
p1  211p 1  12 p1  1u g
2
1
k1, c1
u0
kis, cis
   1  
 
m0
1
1
1  1  
2  
p 2  22 2 p 2  2 2 p 2  2 u g
m1

m1  m0 
1




  1  1     





2is Tbf2
 2  2
 bf Tis
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CONDITIO SINE QUA NON
Sovrastruttura rigida: Tbf << Tis
La sovrastruttura non deve amplificare le azioni trasmesse attraverso il sistema
di isolamento
Terreno non molto soffice (ossia con T elevato)
Il suolo non deve amplificare le componenti con T vicini a Tis
Giunti laterali realizzabili (per consentire gli spostamenti dovuti al sistema di
isolamento)
Rispettare la compatibilità con le strutture adiacenti
In alternativa: sistemi di dissipazione dell’energia
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ISOLAMENTO SISMICO: SCOPO
Sistema d'isolamento sismico tra l’impalcato e le pile/spalle
per migliorarne la risposta nei confronti delle azioni sismiche orizzontali
Strategie d’isolamento
per ottenere la riduzione della risposta sismica orizzontale, qualunque siano la
tipologia e i materiali strutturali :
a) incrementando il periodo fondamentale della costruzione per portarlo nel
campo delle minori accelerazioni di risposta
b) limitando la massima forza orizzontale trasmessa
In entrambi i casi, per migliorare le prestazioni dell’isolamento:
Dissipazione di energia meccanica trasmessa dal terreno alla costruzione
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REQUISITI GENERALI
Sistema d’isolamento = insieme di dispositivi d’isolamento, ciascuno dei quali
espleta una o più delle seguenti funzioni:
•
Sostegno dei carichi verticali con elevata rigidezza in direzione verticale e
bassa rigidezza o resistenza in direzione orizzontale
•
Dissipazione di energia, con meccanismi isteretici e/o viscosi
•
Ricentraggio del sistema
•
Vincolo laterale, con adeguata rigidezza, sotto carichi orizzontali di servizio
(non sismici)
Fanno parte integrante del sistema d’isolamento
•
Elementi di connessione
•
Eventuali vincoli supplementari disposti per limitare gli spostamenti
orizzontali dovuti ad azioni non sismiche (ad es. vento).
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DISPOSITIVI ANTISISMICI
Isolatori

Isolatori in materiale elastomerico e acciaio
 a basso smorzamento (Low Damping Rubber Bearings, LDRB)
 a alto smorzamento (High Damping Rubber Bearings, HDRB)
 con inserti
(per es. piombo, Lead Rubber Bearings, LRB)

Isolatori a scorrimento a sup. piana (Sliding devices, SD)

Isolatori a scorrimento a sup. curva (Curved Surface Slider, CSS)
Dispositivi di vincolo temporaneo

Dispositivi di vincolo del tipo “a fusibile”

Dispositivi (dinamici) di vincolo provvisorio
Dispositivi dipendenti dallo spostamento

Dispositivi a comportamento lineare

Dispositivi a comportamento non lineare
Dispositivi dipendenti dalla velocità o a comportamento viscoso
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ISOLATORI ELASTOMERICI ARMATI (HDRB)
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HDRB: COMPONENTI E DIMENSIONI
ti = 4÷10mm
Zanca d’ancoraggio
A   D 2 4
Piastra
L    D  ti
Piastra
Foro
tssmin = 20÷25mm
Vulcanizzata
Contropiastra sup.
Gomma
Armatura
ts= 2÷4mm
A   De2 4
t e  n g  ti
Fattori di forma
Contropiastra inf.
S1  A L  D 4ti
Zanca d’ancoraggio
(instabilità locale)
S 2  D te
(instabilità globale)
Rigidezza orizzontale equivalente
Rigidezza verticale
K v  Ec A te
K e  Gdin A te
 
Ec  1 6Gdin S
2
1
  4  3E  
b
1
Kv Ke
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HDRB: COMPORTAMENTO
Strati di gomma soggetti a
F
V
s
dE
Taglio
Area ridotta:
taglio, compressione e flessione,
deformazioni angolari
dE
s 
te
D2
Ar    sen  
4
dE
  2  arccos
D
V
c
Compressione

1.5  V
c 
S1Gdin Ar
M
Flessione
3  D 2 / 4
 
2ti te
   x2   y2
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HDRB: VERIFICHE
Deformazione di taglio per lo spostamento sismico totale:
 s   s ,max   * 1.5  2
* = massimo  raggiunto nelle prove
di qualificazione di efficacia
dell’aderenza
elastomeroacciaio, senza segni di rottura
Deformazione di taglio totale:
 t   c   s      t ,max   5 
Verifica di stabilità
V  Vcr 2   GAr S1 D 2te 
Tensione degli inserti in acciaio:
 s  1.3  V  t1  t2 
 Ar  ts  
f yk
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HDRB: PARAMETRI SINTETICI
Da curve forza – spostamento (non lineari), si ricavano, per ciascun ciclo:
Rigidezza equivalente Ke (d=dmax)
F Gdin A
A
Ke  
 Gdin
d
d
te
F (kN)
Coeff. di smorzamento viscoso equivalente ξ
(Wd=energia dissipata)
Wd
e 
2   Fd
Posto d=dmax e nota la rotazione 
 s  d te   s ,lim
   3 8   De2 (ti te )
d (mm)
 c   t ,lim    s    
Carico verticale massimo V Vc  S1  Gdin  Ar   c 1.5
da confrontare con
Vcr  S1  Gdin  Ar  De te
Vlam  f yk  Ar  ts 1.3  2ti 
V  min Vc ,Vcr ,Vlam 
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ISOLATORI ELASTOMERICI AL PIOMBO
Uno o più cilindri di piombo  smorzamento equiv. = 25-30%.
• Isolatori in gomma a basso smorzamento, più resistente al collasso
• Produzione più complessa
• Capacità di ricentraggio minore
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ISOLATORI A SCORRIMENTO (SD)
Appoggi acciaio-PTFE a basso attrito
Carico verticale massimo
indipendente dallo spostamento
Coeff. attrito dinamico 
 = 6÷12%; ridotto a 1÷2%
 Dipende da pressione di contatto,
velocità, temperatura, uso (si pone = 0)
SD non hanno capacità ricentrante

SD con HDRB o dispositivi ausiliari
Soluzione mista: spostamenti vert. differenziali pe diversi dispositivi
 HDRB con elevata Kv
 HDRB come dispositivi ausiliari, non caricati verticalmente
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ISOL. A SCORRIM. A SUPERFICIE CURVA (CSS)
• Capacità ricentrante
• Funzione dissipativa: non vengono
lubrificati
Friction Pendulum System (FPS)
Sviluppato in USA
Superfici di scorrimento di tessuto speciale
Seismic Isolation Pendulum (SIP)
Germania: sup. di scorrim. in mat. polietilenici
Italia: anche con materiali diversi (poliammidici)
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CSS: CARATTERISTICHE
Equilibrio tra F d’inerzia e F di richiamo del peso:
mg
m  R   mg    0
m 
  0
R
mg V
k 

Rigidezza:
R
R
k
g

m
R
R
T  2
g
x R 

Pulsazione:
Periodo
𝝁𝒔𝒕𝟏
𝝁𝒔𝒕𝟎
R 
𝝁𝒅𝒚𝒏
Indipendente dalla massa
Comportamento più complesso, con 3 tipi di
attrito:
• 𝝁𝒔𝒕𝟎 attrito di primo distacco
• 𝝁𝒅𝒚𝒏 = 𝜇 attrito dinamico
• 𝝁𝒔𝒕𝟏 attrito al cambio di segno delle
velocità ( 𝜇𝑑𝑖𝑛 <𝜇𝑠𝑡1 <𝜇𝑠𝑡0 )
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CSS: MODELLO LINEARE EQUIVALENTE
Modello bilineare
4F
F0  V
3
Fmax
F0
1
Ke
K
0
-6
-4
-2
k eff 
2
-1
-2
0
2
4
d
 1 
V   
R d 
6
-F0
Fmin
-3
-4
Lo smorzamento è legato all’attrito dinamico
ma anche al raggio R (e quindi al periodo T)
Fmax V V
 

d
R
d

2

 d


1



R


Teff  2
1
 1 
  g
R d 
Attrito: non eccessivo, altrimenti il sistema potrebbe non ricentrarsi (20%).
Attrito statico > attrito dinamico, garantisce una rigidezza nei confronti dei
carichi statici e sismi di piccola entità
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DISPOSITIVI AUSILIARI A COMP. VISCOSO
 trasmettono soltanto azioni orizzontali
 hanno rigidezza trascurabile rispetto alle azioni verticali
Forza proporzionale a v, non contribuiscono alla rigidezza del sistema
La forma del ciclo è ellittica per α=1
Il valore massimo della forza viene sempre raggiunto in corrispondenza dello
spostamento nullo
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IS. SCORR. CON ELEMENTI DISSIPATIVI IN ACCIAIO
VIADOTTO CRESCENZA – G.R.A.
ROMA
SA-CHUN BRIDGE – SOUTH KOREA
FERROCARILL TUY-MEDIO –
VENEZUELA
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VIADOTTO BOLU AUTOST. ISTANBUL-ANKARA
EPD in una prova
di rottura
Viadotto danneggiato ma non crollato
durante il sisma di Duzce del 1999
(M=7.2 - PGA=0.87 g > PGAd=0.4 g)
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DISSIPATORE ISTERETICO IN ACCIAIO
STOREBAELT
BRIDGE
DENMARK
JAMUNA BRIDGE –
BANGLADESH
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RION-ANTIRION MAIN BRIDGE (GRECIA)
Dissipatori visco-elastici
168 VD
F = 3002400 kN
s = ± 200 420 mm
20 VD
F = 3500 kN
s = ± 17502600 mm
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STOREBAELT BRIDGE DENMARK
Viadotti d’accesso del Seo-Hae Granel Bridge
(L=5820 m, Hpile=12-60 m),
adeguato nel 2000-2001 con 54 VD
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SISTEMI DI ISOLAMENTO
ISOLATORI
ELASTOMERICI
ARMATI
A
X
B
X
C
D
E
X
ISOLATORI A
SCORRIMENTO
DISPOSITIVI
AUSILIARI
DISPOSITIVI A
PENDOLO
SCORREVOLE
X
X
X
X
X
X
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EDIFICI ISOLATI SISMICAMENTE
L’isolamento alla base protegge la
sovrastruttura
Sovrastruttura
La sottostruttura, in genere, può essere
considerata infinitamente rigida
Ovviamente i vantaggi si risentono
anche in fondazione
Interfaccia d’isolamento
Sottostruttura
Sovrastruttura e Sottostruttura:
devono mantenere in campo elastico
Sistema d’isolamento
deve garantire un’affidabilità superiore.
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Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
PONTI ISOLATI SISMICAMENTE
Sovrastruttura = impalcato
Sottostruttura = fondazioni, pile e spalle
(deformabilità orizzontale non trascurabile)
Consente di ridurre le azioni che la sovrastruttura trasmette alla sottostruttura
(pile, spalle e relative fondazioni)
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INDICAZIONI PROGETTUALI DISPOSITIVI
Alloggiamento e collegamento alla
struttura devono:
• assicurarne l’accesso
• rendere i dispositivi stessi
ispezionabili e sostituibili
Prevedere
• adeguati sistemi di contrasto per
l’eventuale ricentraggio
•
protezione da attacchi del fuoco,
chimici o biologici
•
dispositivi ausiliari o idonei a trasferire
il carico verticale alla sottostruttura
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CONTROLLO MOVIMENTI INDESIDERATI
Minimizzare gli effetti torsionali (ottimizzare il comportamento dinamico)
• Proiezione centro massa sovrastruttura  Centro rigidezza sistema
isolamento (o sottostruttura/isolamento)
• Dispositivi con capacità dissipative e ricentranti: disposti perimetralmente e
in numero staticamente ridondante
Minimizzare le differenze di comportamento degli isolatori
• tensioni di compressione per quanto possibile uniformi
Evitare o limitare azioni di trazione negli isolatori
• agire sugli interassi della maglia strutturale
• isolatori elastomerici: tensione di trazione < min (2G, 1.0 MPa)
• isolatori di altro tipo: prove sperimentali a trazione oppure opportuni
dispositivi in grado di assorbire integralmente la trazione
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CONTROLLO SPOSTAMENTI
Edifici
strutture del piano di posa isolatori e strutture del piano da cui spicca la
sovrastruttura comportamento rigido nel piano suddetto, così da limitare gli
effetti di spostamenti sismici differenziali.
Ponti
la variabilità spaziale del moto del terreno dovrà essere messa in conto
secondo quanto specificato nelle norme per ponti non isolati
Spostamenti sismici:
•
adeguato spazio tra la sovrastruttura isolata e il terreno o le costruzioni
circostanti
•
giunti di separazione tra le diverse porzioni di impalcato e tra l’impalcato e
la sottostruttura
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MODELLAZIONE
Sovrastruttura e Sottostruttura:
sistemi a comportamento elastico lineare
Sistema di isolamento (in relazione alle sue caratteristiche meccaniche)
• sistema visco-elastico lineare
• con legame costitutivo non lineare
Situazioni più sfavorevoli ai fini della verifica:
• max spostamenti del sistema d’isolamento: con i valori minimi alle
caratteristiche di rigidezza, smorzamento, attrito
• max deformazioni e tensioni nella struttura: con i valori massimi alle
caratteristiche di rigidezza, smorzamento, attrito
Classi d’uso I e II
si possono adottare i valori medi delle proprietà meccaniche del sistema di
isolamento, se i valori estremi non differiscano di più del 20% dal medio
Deformabilità verticale degli isolatori: può essere trascurata se Kv/Kesi > 800
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Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
PROPRIETÀ SISTEMA ISOLAMENTO
Le più sfavorevoli durante la vita utile. Devono tener conto dell’influenza di:
•
entità delle deformazioni subite in relazione allo stato limite per la verifica
del quale si svolge l’analisi
•
variabilità delle caratteristiche meccaniche dei dispositivi nell’ambito della
fornitura
•
velocità massima di deformazione (frequenza), in un intervallo di variabilità
di ±30% del valore di progetto
•
entità dei carichi verticali agenti simultaneamente al sisma
•
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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Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
SISTEMA ISOLAMENTO: MODELLO LINEARE
Rigidezza equivalente
riferita allo spostamento totale di progetto
per lo SL in esame, di ciascun dispositivo
F (kN)
Rigidezza totale equivalente
somma rigidezze equivalenti singoli dispositivi
K esi   K i
d (mm)
Energia dissipata dal sistema d’isolamento
• coefficiente di smorzamento viscoso equivalente ξesi, relativo all’energia
dissipata in cicli con frequenza nell’intervallo dei modi considerati
• modi superiori della struttura: rapporto di smorzamento pari a quello della
sovrastruttura nella condizione di base fissa
• Rigidezza e/o smorzamento dipendenti dallo spostamento di progetto,
procedura iterativa fino a che differenza tra valore assunto e calcolato < 5%
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Sistemi di isolamento sismico e sistemi di dissipazione, criteri di progettazione geotecnica
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Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
SISTEMA ISOLAMENTO: MODELLO LINEARE
Ammesso se:
a)
Rigidezza equivalente del sistema d’isolamento ≥ 50% rigidezza secante
per cicli con spostamento pari al 20% dello spostamento di riferimento
b) Smorzamento lineare equivalente <30%
c)
Caratteristiche forza-spostamento del sistema di isolamento non variano
di più del 10% per effetto di variazioni della velocità di deformazione, in un
campo del ±30% intorno al valore di progetto, e dell’azione verticale sui
dispositivi, nel campo di variabilità di progetto
d) Incremento della forza nel sistema di isolamento per spostamenti tra
0.5ddc e ddc è almeno pari all’ 1.25% del peso totale della sovrastruttura
Modello non lineare: legame costitutivo deve riprodurre adeguatamente il
comportamento nel campo di deformazioni e velocità che si verificano durante
l’azione sismica, anche in relazione alla corretta rappresentazione dell’energia
dissipata nei cicli di isteresi
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Sistemi di isolamento sismico e sistemi di dissipazione, criteri di progettazione geotecnica
23 ottobre 2014
Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
ANALISI STATICA LINEARE
Due traslazioni orizzontali indipendenti + eventuali effetti torsionali
Sovrastruttura = solido rigido che trasla al di sopra del sistema di isolamento,
con un periodo equivalente di traslazione pari a:
T  2 M K
is
esi
Modelli separati:
• Sovrastruttura e sistema d’isolamento
• Sottostruttura (forze ricavate dal primo modello + forze d’inerzia proprie)
Forza orizzontale complessiva sul sistema di isolamento (da ripartire tra gli
elementi della sottostruttura in funzione delle rigidezze dei dispositivi di
isolamento)
F  M  S e  Tis ,  esi 
Spostamento del centro di rigidezza dovuto all’azione sismica, in ciascuna
direzione orizzontale:
d dc  M  S e  Tis , esi  K esi ,min
Se(Tis, ξesi) = accelerazione spettrale per la categoria di suolo
Kesi,min = rigidezza equivalente minima in relazione alla variabilità delle proprietà
meccaniche del sistema di isolamento
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23 ottobre 2014
Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
ANALISI STATICA LINEARE
Applicabile se:
Sistema d'isolamento: può essere modellato come lineare
Periodo equivalente Tis della struttura con isolamento:
3·Tbf ≤ Tis ≤ 3.0 s
(Tbf= periodo ponte con collegamento rigido tra sovrastruttura e sottostruttura)
Rigidezza verticale del sistema di isolamento:
Kv ≥ 800 Kesi
Periodo in direzione verticale:
Tv < 0.1 s
Nessun isolatore risulta in trazione: per l’effetto combinato dell’azione sismica
e dei carichi verticali
Sistema resistente al sisma ha una configurazione regolare in pianta
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23 ottobre 2014
Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
ANALISI STATICA LINEARE
Applicabile se (condizioni aggiuntive per i ponti):
Schema statico
• Impalcati semplicemente appoggiati
• Impalcati continui con geometria regolare

impalcato rettilineo

luci uguali

rapporto massimo tra le rigidezze delle pile < 2

lunghezza totale dell’impalcato continuo < 150 m
Massa della metà superiore delle pile
< 1/5 * Massa Impalcato
Altezza Pile < 20 m
Distanza centro rigidezza sistema isolamento e centro massa impalcato
in direzione trasversale < 5% dimensione trasversale sovrastruttura
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23 ottobre 2014
Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
ANALISI STATICA LINEARE: TORSIONE
Effetti torsione sovrastruttura
si amplificano in ciascuna direzione spostamenti e forze mediante i fattori (per
le azioni in direzione x e y):
d xi  1 
etot , y
2
y
r
d yi  1 
yi
etot , x
2
x
r
xi
(xi, yi) = coordinate del dispositivo rispetto al centro di rigidezza;
etotx, etot,y = eccentricità totali nelle direzioni x e y, rispettivamente
Kxi, Kyi = rigidezze equivalenti dispositivo i-esimo nelle direzioni x e y
rx, ry = raggi torsionali del sistema di isolamento
r 
2
x
  xi2 K yi  yi2 K xi 
K
yi
ry2
x K



2
i
yi
 yi2 K xi 
K
xi
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23 ottobre 2014
Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
ANALISI DINAMICA LINEARE
Spettro di risposta
spettro elastico ridotto per T ≥ 0.8*Tis con η corrispondente a ξesi
Analisi lineare con integrazione al passo
si può adottare un solo accelerogramma, purché esso rispetti le condizioni di
coerenza con lo spettro di partenza
Per tener correttamente conto del coefficiente di smorzamento viscoso
equivalente ξ:
• si opera sulle singole equazioni modali disaccoppiate, assegnando a
ciascuna equazione il corrispondente valore modale di ξ
• si opera sul sistema completo, definendo in maniera appropriata la matrice
di smorzamento del sistema
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23 ottobre 2014
Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
ANALISI DINAMICA LINEARE
Ammessa se è possibile modellare elasticamente il sistema di isolamento
Sistema sottostruttura + isolamento + sovrastruttura: comp. elastico lineare
Modello: con sovrastruttura e sottostruttura, se il sistema di isolamento non è
immediatamente al di sopra delle fondazioni
Analisi
• Modale con spettro di risposta
• Integrazione al passo delle equazioni del moto eventualmente previo
disaccoppiamento modale, considerando un numero di modi tale da portare
in conto anche un’aliquota significativa della massa della sottostruttura
Composizione azioni sismiche
Comp. orizzontali: agenti simultaneamente E 1  E x  0.3  E y
Comp. verticale: nei casi previsti e, in ogni caso, se Kv/Kesi<800
E 2  0.3  E x  E y
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23 ottobre 2014
Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
VERIFICHE SL ESERCIZIO
Sottostruttura e Fondazioni
verificate se soddisfatte le relative verifiche nei confronti dello SLV
Dispositivi del sistema d’isolamento
non debbono subire danni che possano comprometterne il funzionamento nelle
condizioni di servizio: SLD soddisfatto se soddisfatte le verifiche allo SLV
Sistemi a comportamento non lineare
eventuali spostamenti residui al termine dell’azione sismica allo SLD debbono
essere compatibili con la funzionalità della costruzione
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 corrispondenti allo SLD senza subire
alcun danno o limitazione d’uso
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23 ottobre 2014
Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
VERIFICHE SLU SOTTOSTRUTTURA
M = valori utilizzati per i ponti non isolati
Modello include la sottostruttura
gli elementi della sottostruttura verificati rispetto alle sollecitazioni ottenute
direttamente dall’analisi
Modello non include la sottostruttura
alle sollecitazioni prodotte dalle forze trasmesse dal sistema d’isolamento
vanno sommate le sollecitazioni prodotte dalle accelerazioni del terreno
direttamente applicate alla sottostruttura
Sottostruttura infinitamente rigida (T<0.05s)
Forze d’inerzia = Masse sottostruttura * ag
(direttamente applicate alla sottostruttura)
Combinazione delle sollecitazioni: con la regola della radice quadrata della
somma dei quadrati
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23 ottobre 2014
Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
VERIFICHE SLU SOVRASTRUTTURA
Effetti dell’azione sismica
divisi del fattore q=1.5 combinati con le altre azioni
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.
Costruzioni di classe d’uso IV
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.
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23 ottobre 2014
Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
VERIFICHE SLC
Dispositivi d’isolamento
devono sostenere, senza rotture, gli spostamenti per il sisma allo SLC
Sistemi a comportamento non lineare
allo spostamento ottenuto con l’azione sismica maggiorata, va aggiunto il
maggiore tra lo spostamento residuo allo SLD e il 50% dello spostamento
corrispondente all’azzeramento della forza, seguendo il ramo di scarico a partire
dal punto di massimo spostamento raggiunto allo SLD
Connessioni gas e impianti pericolosi che attraversano i giunti
Devono consentire gli spostamenti con lo stesso livello di sicurezza del sistema
di isolamento
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Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
PIANO QUALITÀ, DURABILITÀ E POSA IN OPERA
Il piano di qualità è parte del progetto e riguarda:
• Progettazione e costruzione
• Descrizione delle loro modalità di installazione
• Programma dei controlli periodici
• Programma degli interventi di manutenzione
Ai fini della durabilità sono rilevanti
• Differenti proprietà di invecchiamento tra elastomeri e polimeri
termoplastici (teflon)
• Azione degradante dell'ossigeno atmosferico su superfici di acciaio
• Caratteristiche fisiche e chimiche degli adesivi (acciaio – gomma)
• Caratteristiche fisiche e chimiche dei polimeri organici del silicio a catena
lineare (olii e grassi siliconici), utilizzati nei dispositivi viscosi.
Installazione da personale specializzato, sulla base di disegno con
• Coordinate e quota di ciascun dispositivo
• Entità e preregolazione degli eventuali dispositivi mobili a rotolamento
• Dimensioni delle eventuali nicchie nel cls per staffe o perni di ancoraggio
• Caratteristiche delle malte di spianamento e di sigillatura
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23 ottobre 2014
Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
MANUTENZIONE E SOSTITUIBILITÀ
Il progetto delle strutture deve prevedere:
• Possibilità di trasferire temporaneamente i carichi verticali dalla
sovrastruttura alla sottostruttura con martinetti oleodinamici, adiacenti
all'isolatore da sostituire.
A tale scopo il progetto delle strutture può prevedere:
 Nicchie per inserimento martinetti tra sottostruttura e sovrastruttura
 Altre disposizioni costruttive equivalenti (per es. mensole corte che
aggettano dalla base della sovrastruttura)
• Percorsi che consentono al personale addetto di raggiungere e di
ispezionare gli isolatori, 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 costruzione
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23 ottobre 2014
Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
COLLAUDO
Il collaudo statico deve essere effettuato in corso d’opera
È di fondamentale importanza il controllo di:
 posa in opera dei dispositivi, nel rispetto delle tolleranze e delle modalità di
posa prescritte dal progetto,
 completa separazione, con i giunti di progetto, tra la sovrastruttura e la
sottostruttura le altre strutture adiacenti con il rigoroso rispetto delle
distanze di separazione (gap) previste in progetto
Prove di caratterizzazione dinamica del sistema di isolamento
il collaudatore può disporle per verificare, nei riguardi di azioni di tipo sismico,
che le caratteristiche della costruzione corrispondano a quelle attese.
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Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
PONTE IN C.A.P. E PILE/SPALLE IN MURATURA
Due carreggiate separate, su 5 luci
• le due estreme di 18.00 m
• le tre centrali di 23.00 m
la prima originaria (corsia di monte)
a trave continua
la seconda (corsia di valle)
a travi appoggiate,
costruita nel 1995
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Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
PROGETTO
 Demolizione vecchio ponte
 Innalzamento pile e consolidamento
e adeguamento delle stesse
 Ricostruzione corsia di monte con
stessa tipologia della corsia di valle
ma con soletta d’impalcato continua
 Innalzamento delle parti di pile
sottostanti
 Innalzamento corsia di valle,
realizzata nel 1995
 Campate rese continue
solidarizzandone la soletta
Solidarizzazione
dei due impalcati
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PIANTA E PROSPETTI
Raccordo verticale
convesso
Raggio ml 1312.24



Distanza ml 18.00
Disliv. ml 0.60
Pendenza
3.33%


Distanza ml 23.00
Disliv. ml 0.00
Pendenza
0.00%
Distanza ml 23.00
Disliv. ml 0.40
Pendenza
1.74%

Distanza ml 23.00
Disliv. ml 0.40
Pendenza
1.74%
Distanza ml 18.00
Disliv. ml 0.60
Pendenza
3.33%

Pile e spalle rinforzate ma non in grado di assorbire le azioni sismiche






Soluzione proposta: sistema d’isolamento sismico
(sovrastruttura) e le pile e le spalle (sottostruttura)


Distanza ml 18.00
Disliv. ml 0.60
Pendenza
3.33%

Distanza ml 23.00
Disliv. ml 0.40
Pendenza
1.74%
Raccordo verticale
convesso
Raggio ml 1312.24
Distanza ml 23.00
Disliv. ml 0.00
Pendenza
0.00%

tra

l’impalcato

Distanza ml 23.00
Disliv. ml 0.40
Pendenza
1.74%

Distanza ml 18.00
Disliv. ml 0.60
Pendenza
3.33%
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MODELLO SEMPLIFICATO
Base fissa
Impalcato isolato
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AZIONI STATICHE SOMMITÀ PILE E SPALLE
Azioni verticali (carichi fissi + semifissi) in sommità a pile e spalle
(si assumono carichi uguali per entrambi gli impalcati):
1725

3897
Distanza ml 18.00
Disliv. ml 0.60
Pendenza
3.33%
Raccordo verticale
convesso
Raggio ml 1312.24


Distanza ml 23.00
Disliv. ml 0.00
Pendenza
0.00%
Distanza ml 23.00
Disliv. ml 0.40
Pendenza
1.74%
Pila 1

Pila 2

Distanza ml 23.00
Disliv. ml 0.40
Pendenza
1.74%
Distanza ml 18.00
Disliv. ml 0.60
Pendenza
3.33%

Spalla
4345 kN

Azioni verticali (carichi fissi + semifissi) sui dispositivi di appoggio:
287
362 kN
(6)
(12)




Distanza ml 18.00

Distanza ml 23.00



Raccordo verticale
convesso
Raggio ml 1312.24
Distanza ml 23.00
Disliv. ml 0.00




Distanza ml 23.00

Distanza ml 18.00
Disliv. ml 0.60
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AZIONE SISMICA
Parametri spettrali:
SLV
SLC
TR
(anni)
475
2475
ag
(g)
S
(Suolo B)
0.16
0.20
1.2
1.2
Masse (carichi fissi + semifissi):
Massa totale impalcato
Massa impalcato / pila
Massa pila
Massa totale in sommità /pila
=
=
=
=
2040.81
340.13
257.90
469.09
kN/(m/s2)
kN/(m/s2)
kN/(m/s2)
kN/(m/s2)
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PONTE NON ISOLATO: AZIONI SU PILA
Dir
Inerzia
(m4)
Rigidezza
(kN/m)
Periodo
(sec)
Se
(m/s2)
x
7.333
1157229
0.09
5.978
y
221.833
35006164
0.02
2.799
Azione sismica SLV
Dir
Massa
kN/(m/s2)
Se
(m/s2)
F
(kN)
F1
Ex + 0.3Ey
F2
0.3Ex + Ey
x
469.09
5.978
2804
2804
841
y
469.09
2.799
1313
394
1313
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Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
DISPOSITIVI E BARICENTRI
Isolatori
Tipo
Numero
V
(kN)
Ke
(kN/m)

(%)
d
(mm)
0
36
750
0
-
150
1
24
500
740
15
150
Totali
60
17760
Kv/Kesi > 800
x
(m)
y
(m)
Baricentro mas.
52.50
0.00
Baricentro rig.
52.50
0.00
Eccentricità
0.00
0.00
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De
D
d
ts
ng
ti
t’s

Eb
Gdin
A
L
A'
te
S2
S1
Ec
Ke
Kv
Kv/Ke
ISOLATORE ELASTOMERICO
=
300 mm
=
280 mm
=
0 mm
=
2 mm
=
19
=
4 mm
=
20 mm
=
275 N/mm2
= 2000 N/mm2
=
0.8 N/mm2
= 70686 mm2
= 3519 mm2
= 61575 mm2
=
76 mm
=
3.68
= 17.50
=
742 N/ mm2
= 0.744 kN/mm
=
602 kN/mm
=
808
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Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
MODELLO FEM
Sovrastruttura (impalcato) = sistema a comportamento elastico
lineare (piastra ortotropa con elementi shell)
Isolatori = elementi Nllink a comp. lineare
Kv/Kesi > 800 → deformabilità verticale degli
isolatori non messa in conto
Sottostruttura (pile e spalle) = sistema a
comportamento elastico lineare (elementi
solid)
Carichi (Massa)
• pesi propri: attribuendo al materiale il proprio peso specifico (densità di
massa)
• sovraccarichi permanenti: amplificando opportunamente il peso specifico
(la densità di massa) del materiale
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ANALISI MODALE
Modo Periodo
(s)
UX
UY
UZ
SumUX
SumUY
SumUZ
1
1.93
6.40E-01 4.00E-04 1.30E-15 6.40E-01 4.00E-04 1.30E-15
2
1.86
3.60E-04 6.38E-01 2.74E-15 6.40E-01 6.39E-01 4.04E-15
3
1.51
2.96E-14 8.76E-14 1.99E-08 6.40E-01 6.39E-01 1.99E-08
Modo 1
Traslazione in direzione longitudinale x
Modo 2
Traslazione in direzione trasversale y
Modo 3
Pura rotazione intorno all’asse verticale baricentrico
Modi superiori T < 0.32s, interessano anche sottostruttura e sovrastruttura
N.B.: le masse partecipanti sono solo quelle dell’impalcato isolato, le pile non
partecipano
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MODO 1
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ANALISI DINAMICA A SPETTRO DI RISPOSTA
Proprietà meccaniche dei singoli dispositivi più sfavorevoli:
•
valutazione degli spostamenti: si è assunta la rigidezza nominale
•
valutazione dell’azione orizzontale sulle pile: la rigidezza è stata
incrementata del 20% per tener conto del cambiamento delle caratteristiche
nel tempo (invecchiamento).
Eccentricità accidentale: nulla in assenza di azioni variabili
Combinazione delle azioni sismiche
Non è stata messa in conto la componente verticale, non essendo richiesta per
ponti in zona sismica 3 e risultando Kv/Kesi>800
La risposta è stata calcolata separatamente per ciascuna delle due componenti
orizzontali e gli effetti combinati successivamente applicando le seguente
espressioni
E1  E x  0,3  E y
E2  0,3  E x  E y
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COMBINAZIONE DEGLI SPOSTAMENTI
Sisma
Ex
Ey
Ex + 0.3 Ey
Ey + 03 Ex
dx (mm)
124
4
125
41
dy (mm)
4
124
41
125
132
132
d (mm)
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VERIFICHE DISPOSITIVI
φ
Ar
a2
0.00671 0.00671
2.16
26034
395
0.0347 0.0347
2.16
26034
204
s
N/mm2
Vcr
kN
Vcr/V
V/A
N/mm2
4.032
79.9
1343
3.36
5.66
3.307
59.9
1343
4.48
4.24
V
kN
d
(mm)
αx
Pila
400
132
0
Spalla
300
132
0
γc
γs
γα
γt
1.646
1.737
0.649
Spalla 1.235
1.737
0.336
Pila
αy
α
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Sistemi di isolamento sismico e sistemi di dissipazione, criteri di progettazione geotecnica
23 ottobre 2014
Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
AZIONI SISMICHE SOVRASTRUTTURA
L’azione sismica orizzontale sulla sovrastruttura risulta molto ridotta rispetto a
quella della struttura a base fissa
Azione sismica dispositivi (R = Kd)
Sisma
Ex
Ey
Ex + 0.3 Ey
Ey + 03 Ex
Rx (mm)
83.9
2.4
84.6
27.6
Ry (mm)
2.4
83.9
27.6
84.6
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Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
AZIONI SISMICHE TESTA PILE / SPALLE
Assi sistema di riferimento ≡ direzioni principali pile (xp, yp). L’analisi sismica
fornirebbe, ovviamente, gli stessi valori delle reazioni nelle rispettive direzioni.
N.B.: su ciascuna pila/spalla sono disposti 4 dispositivi di isolamento
Ponte isolato
Ponte non isolato
Fx
(kN)
Fy
(kN)
Condizione
di carico
Fx
(kN)
Fy
(kN)
339
110
Ex + 0.3 Ey
2804
394
110
339
0.3 Ex + Ey
841
1313
Le azioni sismiche orizzontali vanno combinate con l’azione
verticale dovute ai carichi fissi, pari a:
V = 4344 kN
per le pile 2 e 3
V = 3897 kN
per le pile 1 e 4
V = 1724 kN
per le spalle
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Paolo Clemente – Ponti con isolamento sismico
AZIONI BASE PILE / SPALLE
•
Azioni trasmesse dai dispositivi di isolamento
•
Azioni verticali dovute al peso proprio
•
Forze d’inerzia dovute alla massa della spalla stessa
•
Spinte dovute al terreno in condizioni sismiche (spalle)
Forza d’inerzia = M * accelerazione sismica
(per ciascuna direzione)
a g  S  0.20 g  1.25  2.4 g
applicata a (2/3)*H dalla sezione di base (H = altezza pila / spalla)
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FINE
Grazie
per l’attenzione

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