SEMINARIO ANNUALE GLIS “AVEZZANO 1915-2015 CENTO ANNI DI INGEGNERIA SISMICA” Venerdi 29 –Sabato 30 Maggio 2015 Castello Orsini Avezzano (AQ) L’ISOLAMENTO SISMICO CONVIENE – edificio uso plurimo in Avezzano Il fabbricato è realizzato su cinque piani. Quattro piani sono fuori terra ed un piano seminterrato. I primi due livelli presentano una pianta quadrata mentre al terzo quarto e quinto livello si presenta un arretramento della porzione interna dell’ edificio a costituite una pianta ad L. La distribuzione in pianta ed elevazione è fortemente condizionata dalle condizioni urbanistiche e al contorno. Ciò determina una significativa asimmetria in pianta ed in elevazione dell’ edificio ed una complesso comportamento dinamico della struttura. Prog. Architettonico: Arch. Fabrizio Amatilli - Strutture: Ing. Walter Bellotta PROSPETTI PIANTE RENDERING
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L’ISOLAMENTO SISMICO CONVIENE - bellottaingegneria.com · L’ISOLAMENTO SISMICO CONVIENE ... La scelta di isolamento sismico con l’ introduzione di Friction Pendulum System consente
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SEMINARIO ANNUALE GLIS
“AVEZZANO 1915-2015 CENTO ANNI DI INGEGNERIA SISMICA”Venerdi 29 –Sabato 30 Maggio 2015 Castello Orsini
Avezzano (AQ)
L’ISOLAMENTO SISMICO CONVIENE – edificio uso plurimo in Avezzano
Il fabbricato è realizzato su cinque piani. Quattro piani sono fuori terra ed un
piano seminterrato. I primi due livelli presentano una pianta quadrata mentre
al terzo quarto e quinto livello si presenta un arretramento della porzione
interna dell’ edificio a costituite una pianta ad L. La distribuzione in pianta ed
elevazione è fortemente condizionata dalle condizioni urbanistiche e al
contorno. Ciò determina una significativa asimmetria in pianta ed in
elevazione dell’ edificio ed una complesso comportamento dinamico della
struttura.
Prog. Architettonico: Arch. Fabrizio Amatilli - Strutture: Ing. Walter Bellotta
PROSPETTI
PIANTE
RENDERING
PERICOLOSITA’ SISMICA E TIPOLOGIA STRUTTURALE
CARATTERISTICHE GENERALI E
PERICOLOSITA’ SISMICA SITO
- Suolo: Vs30=399 m/sec
- Cat. B – Cat. topog. T1
-Coordinate:Lat. 42,46400 N
Long. 14,21400 E
-Destinazione d’uso edificio:
-Commerciale- Residenziale
-Classe d’Uso: II
- Vita Nominale : 50 anni
-cat. D – Locali commerciali
-cat. A - Abitazione
- Strutture: c.a.
- N° Piani : 5
- Solai Latero-cemento H=20+5 cm
- Altezze interpiano: hi = 3,00 ml
- Sup. lorda coperta : S = 440 mq
- Calcestruzzo: Cl. 25/30 N/mm2
- Acciaio : B450C fynom = 450 N/mm2
CARATTERISTICHE STRUTTURALI
Prog. Architettonico: Arch. Fabrizio Amatilli - Strutture: Ing. Walter Bellotta
STRUTTURA A BASE FISSA
In una prima ipotesi progettuale la
struttura e’ stata disegnata a base fissa,
con pilastri del 1° ordine incastrati alle
travi rovesce di fondazione in c.a.
CARATTERIZZAZIONE GEOLOGICA-GEOTECNICA.
L’indagine geognostica si è basata sulla l’esecuzione di N.
1 sondaggio a carotaggio continuo e l’esecuzione di n. 4
prove SPT. Le misure sismiche con tecnica MASW hanno
consentito di misurare un valore della velocità delle onde ti
taglio: Vs30 = 399 m/sec
INDAGINI H/V. Sono disponibili indagini di misure di
microtremore, finalizzate alla individuazione di effetti
amplificativi del suolo condotte in adiacenza all’ area di
sedime. Dall’analisi delle curve spettrali acquisite si
osserva che i grafici H/V analizzati presentano un picco
significativo con frequenza fo = 0,9 Hz sec. L’effetto
amplificativo del suolo sarà tenuto in adeguata
considerazione nella definizione delle caratteristiche
dinamiche della struttura.
Rapporto spettrale H/V e frequenze di risonanza
PERICOLOSITA’ SISMICA. DEL SITO. E’ stata definita
attraverso gli spettri elastici di risposta in accelerazione e
spostamento e di accelerogrammi spettrocompatibili, sulla
base delle coordinate geografiche e della identificazione
dei parametri di sito
STRUTTURA A BASE FISSA - ANALISI DINAMICA MODALE
1° Modo T1=0,42 sec 3° Modo T1=0,31 sec2° Modo T2=0,38 sec
E’ stata sviluppata una preliminare progettazione di struttura a base fissa. Nella progettazione si sono disposti gli elementi strutturali nelle due direzioni principali
tentando di minimizzare gli effetti delle irregolarià presenti in pianta ed in elevazione.
RISULTATI DELLE ANALISI DINAMICHE MODALI.
Le Analisi Dinamiche Lineari con Spettro Elastico hanno evidenziato un comportamento molto complesso della struttura, con forme modali prevalentemente rotazionali
e roto-traslazionali e con spiccato accoppiamento dei modi superiori, a causa delle irregolarità strutturali sia in pianta che in elevazione
FORME MODALI DI VIBRAZIONE
Prog. Architettonico: Arch. Fabrizio Amatilli - Strutture: Ing. Walter Bellotta
4° Modo T1=0,15 sec
PERIODI E MASSE PARTECIPANTI EDIFICIO A BASE FISSA
Modo Periodo T [sec] Pecent. Massa Eccitata X-X [%]
Pecent. Massa Eccitata Y-Y [%]
1 0,42 35,49 13,25
2 0,38 18,03 52,37
3 0,31 17,28 5,27
4 0,15 1,58 3,23
5 0,13 15,25 0,07
6 0,11 0,07 15,51
BARICENTRI MASSE E RIGIDEZZE
IDENTIFICATORE BARICENTRI MASSE E RIGIDEZZE RIGIDEZZE FLESSIONALI E TORSIONAALI
PIANO QUOTA PESO XG YG XR YR DX DY Lpianta Bpianta Rig.FleX Rig.FleY RigTors. r / ls
Il danneggiamento strutturale accettato dal PERFORMANCE BASED DESIGN può determinare un
pericoloso avvicinamento dei periodi naturali della struttura al periodo di risonanza del terreno Tt=1.1 sec
STRUTTURA ISOLATA - CONSIDERAZIONI PRELIMINARI
CRITERI DI SCELTA DEL SISTEMA DI ISOLAMENTO
1) INFLUENZA DEGLI GLI EFFETTI DI SITO.
Il periodo di risonanza del terreno T= 1,1 sec. induce a ricercare un
sistema di isolamento che consenta un significativo gap tra il
periodo naturale della struttura isolata e il 1° periodo di risonanza
del terreno ( Tt= 1,1 sec.). La ricerca di periodi T=> 2,5 sec
consente di scongiurare ogni possibile effetto di amplificazione
locale legato a fenomeni di risonanza.
FRICTION PENDULUM SYSTEM
Prog. Architettonico: Arch. Fabrizio Amatilli - Strutture: Ing. Walter Bellotta
SCELTA DEL PERIODO TARGET .
Si fissa un opportuno valore del Grado di Isolamento come rapporto tra struttura Isolata e Struttura a
Base Fissa : Iis = Tis /T f >>3
2) ELIMINAZIONE ECCENTRICITA’ AL PIANO DI ISOLAMENTO.
La estrema irregolarità della struttura sia in elevazione che in pianta
comporta eccentricità sensibili ai vari piani tra baricentro masse e
rigidezze. La scelta di isolamento sismico con l’ introduzione di
Friction Pendulum System consente la eliminazione delle
eccentricità al piano di isolamento, con significativi benefici effetti sul
comportamento globale della sovrastruttura ed un contenimento
degli spost. residui.
3) CAPACITA’ DISSIPATIVA E RICENTRANTE.
Il sistema FPS ha la duplice funzione di dissipare energia per
attrito e di generare la forza di richiamo per il ricentraggio della
struttura attraverso l’azione della gravità ( min.deform. residua ).
Si prevede un grado di Isolamento Is >5
e , sulla base del periodo del 1° Modo di
vibrare della struttura a base fissa si
sceglie in 1° approssimazione il periodo
della Struttura:
Periodo 1° Modo struttura a base fissa Tf= 0,42 sec.
Periodo TARGET Struttura Isolata Tis= 0,42x6 = 2.52 sec.
L’ intervento di progetto secondo le NTC 2008, prevede la utilizzazione di un sistema di protezione passiva mediante l’ inserimento di un sistema di
isolamento alla base. L ’isolamento sismico consente di disaccoppiare il moto della struttura da quello del terreno e conseguentemente di ridurre le forze
sismiche trasmesse alla parte in elevazione ( sovrastruttura ) mediante incremento del periodo fondamentale.
L’efficacia del sistema di isolamento è tanto maggiore quanto più alto è il rapporto tra il periodo
della struttura isolata e il periodo della struttura a base fissa.
GRADO ISOLAMENTO TIS/TF Is= 6
PROCEDURA DI PROGETTO - INSERIMENTO SISTEMA ISOLAMENTO
SISTEMA DI ISOLAMENTOIl parametro fondamentale del sistema di isolamento Friction Pendulum è
rappresentato dal Coeff. di attrito dinamico μdin. Esso è dipendente dalla
velocità di scorrimento e dalla pressione tra le superfici di contatto.
Per velocità di scorrimento ù = 0,2 – 0,4 m/sec si considera modesta
la dipendenza di μdin dalla velocità e in prima appross. trascurabile.
(Costantinou, Filialtraul et al.)
PARAMETRI PROGETTO ISOLATORI FPS.
- Raggio di curvatura: R;
- Carico Assiale max di Progetto: V- Coeff. di attrito dinamico: μdin
- Coeff. di attrito primo distacco : μdist
μdin = 2,5*(NSd/V)^-0,8337
PROCEDURA PER ANALISI DINAMICA LINEARE.
Per ciascun isolatore il valore del coeff. di attrito dinamico viene
determinato attraverso la espressione μ = 2,5*(N/V)^-0,8337, sulla
base del rapporto N/V tra Carico Verticale Semi-permanente ( N ) e
Carico Verticale Max ( V ) di targa.
Per ciascun isolatore vengono determinati la Rigidezza eq. ed il coeff.
di smorzamento viscoso equivalente. Si determinano le caratteristiche
dell’ oscillatore equivalente rappresentativo del sistema isolato a
comportamento lineare.
DETERMINAZIONE COEFF. ATTRITO DINAMICO
Vengono utilizzati due modelli di isolatori a superficie curva doppia
della serie FIP-D – spost. +-300mm – ATTRITO MINIMO.
FIP-D L 310/600(3700)
FIP-D L 510/600(3700)
Prog. Architettonico: Arch. Fabrizio Amatilli - Strutture: Ing. Walter Bellotta
PROCEDURA DI PROGETTO - PREDIMENSIONAMENTO ISOLATORI
Prog. Architettonico: Arch. Fabrizio Amatilli - Strutture: Ing. Walter Bellotta
MODELLAZIONE LINEARE SECANTE
Nelle Analisi Lineari si adotta un oscillatore
secante equivalente al Modello rigido-plastico-
incrudente, avente Rigidezza eq. (secante),
Smorzamento Viscoso eq. e Periodo efficace
allo spostamento di progetto, determinati con
le espressioni:
ξeq = 2 μdin/ π* (μdin+d/R)
Keff = Ns* ( 1/R + μdin/d)
Teff = 2*π*RADQ(Ns/Keff*g)
T =2*π*RADQ(R/g)
Il predimensionamento dei dispositivi di isolamento avviene con
procedura iterativa per la ricerca dello spostamento del sistema di
isolamento ddc e del periodo Teff allo S.L.C.
Modello Rigido-plastico-incrudente
FPS
MODELLAZIONE PENDOLO ELEMENTARESe si considera la pendenza del ramo plastico di
risposta si ricava il cosiddetto periodo isolato del
Pendolo con raggio R:
Assunto un modello bilineare rigido-plastico incrudente del legame costitutivo degli
isolatori con azione assiale costante, si sono definite le grandezze coeff. di attrito
statico, coeff. attrito dinamico, Raggio della sup. di scorrimento sulla base dei prodotti in
commercio e si è condotto il predimensionamento degli isolatori.
PREDIMENSIONAMENTO ISOLATORE A PENDOLO
Capacità spost. Isolatore D 300 mmCarico semiperm. su Isolatore V = 1000 kN
Periodo secante Teff=2*π*SQR(V/Keff*g) Teff 2.86 sec.
Accel. Spettrale Se =0.764 m/sec^2 Accelerazione spettrale al Periodo Teff.
0.078 g Se= ag*Fo*Ss*η*(Tc/Teff)*9,81
Domanda di Spost. ddc = 158 mm
Capacità spost. SLC D 300 mm VERIFICA SODDISFATTA
SOVRASTRUTTURA.
La struttura in elevazione è composta dalla piastra del primo livello e dia telai
nelle due direzioni principali in cemento armato da realizzare in opera insieme ai
solai ed al nucleo ascensore con pareti in c.a.
PROCEDURA DI PROGETTO - MODELLO STRUTTURA ISOLATA
Costruzione del modello 3D struttura isolata alla base
Prog. Architettonico: Arch. Fabrizio Amatilli - Strutture: Ing. Walter Bellotta
MODELLAZIONE STRUTTURA.
Il software adottato CDSWIN è in grado di definite un modello con schematizzazione
totalmente tridimensionale mediante tecnica f.e.m.(Finite Element Method ). La
struttura 3D è modellata con aste in c.a. vincolate alle estremità sui nodi, definite nel
sistema locale da una matrice di rigidezza contenente le componenti flessionali ,
taglianti e di deformabilità assiale
SOTTOSTRUTTURA.
La struttura di fondazione è costituita da travi rovesce in c.a. di adeguata rigidezza
su cui si incastrano i pilastri di base che devono assicurare un comportamento
rigido del piano di appoggio del sistema di isolamento.
SISTEMA DI ISOLAMENTO
Il sistema di isolamento è inserito in sommità dei pilastri del 1° ordine al piano
cantinato. Il solaio del primo livello realizzato in latero –cemento di spessore cm
20+5 costituisce la piastra di base infinitamente rigida nel piano.
I Pilastri del piano cantinato che sostengono gli isolatori presentano una sezione
70x70 cm tale da garantire con ampio margine una rigidezza orizzontale superiore a
20 volte la rigidezza degli isolatori in conformità del punto 7.10.4.3 NTC 2008.
PIANTA INSERIMENTO ISOLATORI SEZIONE LONGITUDINALE CON INSERIMENTO ISOLATORI
MODELLO 3D ANALISI
PREDIMENSIONAMENTO STRUTTURA C.A.:
Zona Sismica 4 ( Vecchia Normativa )
PROCEDURA DI PROGETTO - ANALISI DINAMICA MODALE
FORME MODALI DI VIBRAZIONE
Prog. Architettonico: Arch. Fabrizio Amatilli - Strutture: Ing. Walter Bellotta
1° Modo T1= 2,85 sec 2° Modo T2= 2,84 sec 3° Modo T3= 2,81 sec
PERIODI E MASSE PARTECIPANTI EDIFICIO ISOLATO
Modo Periodo T [sec]
Smorz. Mod.[%]
Pecent. Massa Eccitata X-X [%]
Pecent. Massa Eccitata Y-Y [%]
1 2,85 28,6 91,40 0,48
2 2,84 28,9 0,59 99,36
3 2,81 30,8 7,99 0,14
VERIFICHE STRUTTURA C.A.:
- Verifiche della la sovrastruttura agli SLV con fattore q= 1,5.
- Verifiche della sovrastruttura agli SLD controllando che gli Interstorey Drift
risultino inferiori a 2/3 dei limiti fissati in Normativa.
VERIFICHE SISTEMA ISOLAMENTO:
- Si effettua la verifica agli SLC del sistema di isolamento controllando la domanda
di spostamento e le azioni di progetto rispetto ai valori di targa degli apparecchi
utilizzati .
PROCEDURA DI PROGETTO - ANALISI DINAMICA MODALE
Prog. Architettonico: Arch. Fabrizio Amatilli - Strutture: Ing. Walter Bellotta
Nell’ istante che precede l’ inizio della fase dinamica di moto per effetto dei sisma,
si sviluppa un attrito di 1° distacco μdist che può valere 2 volte il coeff. di attrito
dinamico . μ din. ( Bondonet e Filiatrault )
In tale condizione il comportamento della struttura è quello a base fissa con
proprio periodo di vibrare. Si determina la PGA di attivazione 1° distacco.
CONDIZIONE 1° DISTACCO
ACCELERAZIONE DI 1° DISTACCO - VERIFICA SOVRASTRUTTURA
ACCELERAZIONE NECESSARIA AD ATTIVARE IL 1° DISTACCO.In condizione di incipiente distacco il sistema è costituito da un corpo di peso Ws appoggiatosu un piano di scorrimento con coeff. attrito statico μdist sul quale agisce una forza proporzionalealla accelerazione sismica agente.
Nelle condizioni di incipiente distacco si ha:
Forze di inerzia sismiche Fh = Mp*ag+Me*(ag*Fo)
Forza di attrito 1° distacco Fμ = μdist * Wp
si ottiene:
ag = Ws*μdist /(Mp+Me*Fo*S) = 0,051 g
VERIFICA DELLA SOVRASTRUTTURA CON MODELLO
EQUIVALENTE A BASE FISSA CON PGA AL PIEDE PARI ALLA