Frontespizio

PREFAZIONE
1 SISTEMI PASSIVI DI DISSIPAZIONE DI ENERGIA   
1
1.1. Classificazione    3
1.2. Dissipatori isteretici 5
1.2.1. Dissipatori metallici 6
1.2.2. Dissipatori ad attrito 8
1.2.3. Slotted bolted connection 12
1.3. Dissipatori viscoelastici 14
1.3.1. Dissipatori solidi viscoelastici 14
1.3.2. Dissipatori fluidi viscoelastici 18
1.4. Sistemi ricentranti 21
1.4.1. Dissipatori a fluido pressurizzato 22
1.4.2. Dissipatori con molle ad attrito precaricate 26
1.4.3. Dissipatori a trasformazione di fase 27
2 MODELLAZIONE DI DISPOSITIVI MPD (Metallic Plate Dampers) 29
2.1 Descrizione generale 29
2.1.1 Comportamento elastico del dissipatore 30
2.1.2 Comportamento plastico del dissipatore 30
2.2 Modello costitutivo della doppia superficie di snervamento, cenni 33
2.2.1 Esempio di utilizzo del modello della doppia superficie di snervamento 34
2.2.2 Caratteristiche del dispositivo scelto 35
2.3 Descrizione del modello strutturale e numerico 37
2.3.1 Modellazione dei diagonali e delle travi 37
2.4 Modellazione delle travi di controvento e delle colonne 39
2.5 Modellazione dello svergolamento dei diagonali 43
2.6 Modellazione delle piastre costituenti i sistemi ADAS 45
2.7 Smorzamento strutturale 46
2.8 Esempio di modellazione 48

3 MODELLAZIONE DI DISPOSITIVI SFV (Siliconico Fluido-Viscosi) 51
3.1 Modellazione di un dispositivo SFV del tipo Jarret 51
3.2 Rappresentazione schematica delle fasi di moto 53
3.3 Elementi costituenti il modello implementato nel codice SAP2000nl 56
3.4 Note sugli elementi NLLINK DAMPER 58
3.5 Assegnazione del precarico 59
3.6 Esempio di modellazione 61

4 CONFRONTO CON DATI SPERIMENTALI 65
4.1 Descrizione delle prove esaminate 65
4.2 Modello rappresentativo ed individuazione di C 67
4.3 Modello ad elementi finiti 70
4.4 Confronto con i dati sperimentali 72
4.5 Ulteriore confronto con prove sperimentali 73

5 PROGETTAZIONE OTTIMALE DI DISPOSITIVI MPD 77
5.1 SSA - "sequential search algorithm" 77
5.2 Dimensionamento ottimale di dispositivi ADAS con SSA 79
5.3 Programma di ottimizzazione 80
5.4 Programma di conversione "SAPvsDRAIN2DX" 81
5.5 Programma "OTTIMIZZA_ADAS" 85
5.6 Esempio di input del programma "OTTIMIZZA_ADAS" e del codice di calcolo DRAIN2DX 92

6 PROGETTAZIONE OTTIMALE DI DISPOSITIVI SFV 99
6.1 Descrizione del criterio di progetto 99

7 ASPETTI NORMATIVI E TERREMOTO DI PROGETTO 107
7.1 Definizioni 107
7.1.1 Spettro di risposta elastico 107
7.1.2 Spettro elastico di progetto 109
7.2 Duttilità richiesta 112
7.3 Obiettivi del progetto antisismico 114
7.4 Azione sismica di progetto 115
7.5 Analisi del rischio sismico 116
7.6 Cenni sul catalogo sismico e la sua utilizzazione 119
7.7 Attuale zonazione sismogenetica: ZS4 120
7.8 Scelta della accelerazione di picco 121
7.9 Accelerogrammi utilizzati 124

8 APPLICAZIONE PROGETTUALE 131
8.1 Geometria dell'edificio e caratteristiche degli elementi. 131
8.1.1 Descrizione dell'edificio 131
8.1.2 Proprietà dei materiali 135
8.1.3 Analisi dei carichi. 136
8.1.3.1 Carico neve 136
8.1.3.2 Carico vento 136
8.1.3.3 Sovraccarichi. 137
8.1.3.4 Riepilogo. 138
8.2 Progetto secondo l'EC8 139
8.2.1 Calcolo del solaio in lamiera grecata collaborante. 139
8.2.2 Predimensionamento dell'edificio 146
8.2.2.1 Richiami per le verifiche di resistenza 148
8.2.2.2 Dimensionamento delle travi 151
8.2.2.3 Dimensionamento delle colonne 154
8.2.2.4 Predimensionamento sismico 158
8.2.3 Analisi sismica 168
8.2.3.1 Travi 169
8.2.3.2 Colonne 169
8.2.3.3 Controventi 169
8.2.3.4 Calcolo degli effetti sismici sulla struttura 170
8.2.3.5 Risultati dell'analisi sismica 172
8.2.3.6 Verifiche 173
8.3 Progetto secondo le Istruzioni CNR 10011 176
8.3.1 Combinazioni di carico 176
8.3.2 Modellazione dell'edificio 177
8.3.3 Verifica delle sezioni. 178

9 PROGETTAZIONE DEI COLLEGAMENTI DELLA STRUTTURA 181
9.1 Giunto a cerniera delle travi 181
9.1.1 Nodo cerniera per travi T1, T5 182
9.1.2 Nodo cerniera per travi T3, T7. 184
9.2 Unione trave-colonna controventata 186
9.3 Unioni bullonate dei diagonali 190
9.4 Giunti colonna - colonna 195
9.4.1 Colonne non appartenenti al controvento 195
9.4.2 Colonne appartenenti al controvento 197
9.5 Unione colonna di controvento - plinto in C.A. 201
9.5.1 Condizione di carico e predimensionamento 201
9.5.2 Verifica delle costole d'irrigidimento. 205
9.5.2.1 Verifica della costola d'irrigidimento 1 206
9.5.2.2 Verifica della costola d'irrigidimento 2 208
9.5.2.3 Verifica della costola d'irrigidimento 3 209
9.5.3 Dimensionamento tirafondi e rosette a contatto 211
9.6 Unione colonna - plinto in C.A. 215

10 ADEGUAMENTO SISMICO DELL'EDIFICIO MEDIANTE DISSIPATORI ADAS E SFV 217
10.1 Azione sismica di progetto 217
10.2 Analisi dinamica dell'edificio 218
10.3 Progettazione dei dispositivi di dissipazione supplementare di energia 223
10.4 Analisi sismica dell'edificio e confronto della struttura non dissipata con quella dissipata. 226
10.5 Verifiche degli elementi strutturali 227
10.6 Confronto dei risultati dell'analisi sismica: telaio in direzione X. 232
10.6.1 Accelerogramma artificiale ag = 0,49g - TR1000 232
10.6.2 Accelerogramma artificiale ag = 0,35g - TR500 242
10.6.3 Accelerogramma artificiale ag = 0,14g - TR300 249
10.6.4 Accelerogramma artificiale ag = 0,10g - TR150 252
10.6.5 Accelerogramma naturale Irpinia NS 255
10.6.6 Accelerogramma naturale Irpinia EW 261
10.7 Confronto dei risultati dell'analisi sismica: telaio in direzione Y. 270
10.7.1 Accelerogramma artificiale ag = 0,49g - TR1000 270
10.7.2 Accelerogramma artificiale ag = 0,35g - TR500 279
10.7.3 Accelerogramma artificiale ag = 0,14g - TR300 287
10.7.4 Accelerogramma artificiale ag = 0,10g - TR150 289
10.7.5 Accelerogramma naturale Irpinia NS 291
10.7.6 Accelerogramma naturale Irpinia EW 295

11 ANALISI DINAMICA INCREMENTALE E ANALISI SECONDO LE INDICAZIONI F.E.M.A. 301
11.1 Descrizione del metodo di analisi I.D.A. 301
11.2 Proprietà delle curve I.D.A. 302
11.2.1 Raggiungimento dei livelli di performance secondo le F.E.M.A. nelle I.D.A. 304
11.2.2 Analisi dinamica del telaio in acciaio. 308
11.2.3 Analisi I.D.A. sul telaio in direzione X privo di controventi dissipativi. 308
11.2.4 Analisi I.D.A. sul telaio in direzione Y privo di controventi dissipativi. 323
11.2.5 Analisi I.D.A. sul telaio in direzione X con controventi dissipativi (dispositivi ADAS). 336
11.2.6 Analisi I.D.A. sul telaio in direzione Y con controventi dissipativi (dispositivi di tipo ADAS). 347
11.2.7 Analisi I.D.A. sul telaio in direzione X con controventi dissipativi (dispositivi di tipo SFV). 359
11.2.8 Analisi I.D.A. sul telaio in direzione Y con controventi dissipativi (dispositivi di tipo SFV). 367
11.3 Osservazioni conclusive alle analisi condotte 375

12 CONCLUSIONI 387

APPENDICE 391
BIBLIOGRAFIA

Prefazione

Nell'ultimo decennio la ricerca di strategie "non convenzionali" di protezione sismica ha fatto registrare straordinari avanzamenti, tanto da offuscare il senso attuale del cosiddetto metodo di progettazione “convenzionale”. Sono ormai numerose le installazioni di dispositivi di dissipazione supplementare di energia nel mondo, particolarmente concentrate in nord America.

Approccio ormai consolidato è quello che concentra l’attenzione della progettazione antisismica, non tanto sulla definizione delle proprietà di resistenza dei singoli elementi strutturali, quanto sulla filosofia del “Capacity Design” ovvero sullo studio della gerarchia delle resistenze e delle caratteristiche di duttilità. Secondo tale procedimento si perviene all’individuazione di zone a “danneggiabilità controllata” nelle quali concentrare la dissipazione, in modo da salvaguardare gli elementi strutturali principali. Tali zone possono essere facilmente identificate conducendo sulla struttura una analisi dinamica incrementale (I.D.A.).

Questa modalità di progettazione, tuttavia, non sempre risulta economicamente conveniente, richiedendo necessariamente interventi di riparazione dei danni prodotti dal sisma.

Per ovviare a tale inconveniente, sono stati sviluppati nel corso di questi ultimi anni, numerosi dispositivi di dissipazione supplementare di energia, il cui inserimento nella compagine strutturale è stato finalizzato alla massima limitazione della danneggiabilità degli elementi strutturali, dal momento che in essi s’intende concentrare la gran parte dei meccanismi di dissipazione. Questi stessi dispositivi possono essere montati anche su strutture esistenti, consentendo un adeguamento oppure un miglioramento sismico della struttura.

Lo scopo di questa tesi è quello di confrontare l’efficacia di due diversi dispositivi dissipativi: dispositivi ADAS (Adding Damping And Stiffness) e dispositivi siliconico fluido-viscosi (del tipo proposto dalla ditta Jarret) studiandone la modalità di modellazione in campo non lineare e l’ottimizzazione all’interno di una struttura intelaiata in acciaio.

Gli ADAS rappresentano la prima generazione di smorzatori e utilizzano la dissipazione generata dalla deformazione plastica a taglio di elementi metallici di varia forma.

I dispositivi siliconici fluido-viscosi (SFV), di recente applicazione, sfruttano le capacità dissipative di un fluido siliconico secondo una particolare legge elastico-dissipativa non lineare.

Il primo obiettivo da raggiungere è consistito in una corretta modellazione dei sistemi esaminati. A tale scopo si sono utilizzati due noti codici di calcolo: DRAIN2DX messo a punto dall’ Università della California (Berkeley), e SAP2000 nella CSi (Berkeley).

La scelta di questi due programmi è stata dettata dalla necessità di ricorrere a strumenti di calcolo ad ampia diffusione all’interno della comunità tecnica, oltreché noti in ambito scientifico.

In particolare, per i dispositivi SFV è stato necessario creare un complesso modello rappresentativo, combinando numerosi elementi non lineari (in serie ed in parallelo) presenti nella libreria del codice di calcolo SAP2000NL. In tale modello è stato infine calibrato simulando per via numerica prove sperimentali condotte presso l’Università degli Studi di Firenze e sulla base del lavoro svolto in collaborazione con il Dott. M. Rollo dell'Università di Udine.

Successivamente alla fase di modellazione, è seguita la realizzazione di procedure atte alla progettazione ottimale dei dispositivi da utilizzare per l’adeguamento di un edificio. A tale scopo è stato realizzato per i dispositivi ADAS, sulla base dell'algoritmo SSA (Sequential Search Algorithm), un programma che integra il codice di calcolo DRAIN2DX e che reiterando le operazioni base della progettazione diversificata per ogni piano, conduce alla disposizione ottimale degli stessi. Per i dispositivi SFV è stata invece implementata, attraverso il programma di calcolo scritto in ambiente MATLAB, una procedura già presente in letteratura, che prevede in particolare l’attribuzione ai dispositivi di una capacità dissipativa tale da ridurre una prestabilita percentuale dell’energia d’ingresso.

La valutazione dei reali benefici prodotti dall’utilizzo dei suddetti dispositivi è stato condotto in riferimento ad un progetto di adeguamento sismico di un edificio in acciaio, preventivamente progettato ai soli carichi verticali statici e orizzontali indotti dal vento.

Tale struttura, nelle differenti configurazioni di base e in quelle risultanti a seguito dell'inserimento di entrambe le tipologie di dissipatori è stata sottoposta ad un’accurata analisi non lineare utilizzando una serie di accelerogrammi naturali ed artificiali caratterizzati da accelerazioni di picco che variano da 0,10g a 0,49g.

Successivamente, è stata condotta un’analisi dinamica incrementale (I.D.A.) in un campo di accelerazioni di picco tra 0,05g e 0,80g con passo di 0,05g registrando le risposte ottenute nelle stesse tre configurazioni, confrontate con quelle definite nelle indicazioni della F.E.M.A. (Federal Emergency Management Agency).

Conclusioni

Nella presente Tesi è stata analizzata la risposta sismica di un edificio multipiano in acciaio in presenza e in assenza di controventi dissipativi. L’attenzione è stata accentrata sulla capacità di modellazione in campo non lineare offerta dai codici di calcolo DRAIN2DX e SAP2000nl e sulla riduzione del danneggiamento strutturale a seguito dell’inserimento di dispositivi di dissipazione supplementare d’energia.

Le analisi condotte sono state specialmente finalizzate allo studio delle problematiche di modellazione, progettazione ottimale e di applicazione tecnico-costruttiva di due particolari tipi di dispositivi, ovvero gli ADAS ed i siliconici fluido-viscosi.

La scelta dei codici di calcolo è stata dettata dalla loro ampia diffusione nell’ambito della comunità tecnico scientifica. Con il loro impiego si è pensato altresì di fornire, con la presente tesi, un contributo di validità generale e di facile divulgazione.

I dispositivi ADAS sono caratterizzati da leggi elastico-dissipative legate all’isteresi metallica, ampiamente comprovate da numerose prove sperimentali.

I dispositivi siliconici, di più recente utilizzo in campo strutturale, nell’ultimo decennio sono stati studiati, sia dal punto di vista sperimentale che analitico-numerico ai fini dell’approfondimento delle specifiche prestazioni nonché del comportamento meccanico.

Per i dispositivi ADAS è stato possibile utilizzare direttamente gli elementi contenuti nella libreria di entrambi i codici di calcolo; per i dispositivi siliconici è stato invece utilizzato il solo codice SAP2000nl, mettendo a punto uno specifico assemblaggio di elementi del tipo nllink, riproducendo il comportamento sperimentale già evidenziato in occasione di prove condotte presso il laboratorio di Strutture del Dipartimento d’Ingegneria Civile dell’Università di Firenze (Ing. G. Terenzi). Un’ulteriore verifica dell’efficacia di tale modello, con particolare riferimento dello stesso, al caso di applicazione in strutture controventate, è stata eseguita per confronto con i risultati di prove sperimentali condotte presso il laboratorio Elsa del J.R.C. di Ispra, nell’ambito del progetto europeo ECOLEADER e di una collaborazione interuniversitaria con il Dott. Rollo dell’Università di Udine.

L’aspetto della progettazione ottimale dei dispositivi ADAS, ha portato alla messa a punto di una procedura di pre/post processamento dei risultati derivanti dall’uso di DRAIN2DX. Per i dispositivi siliconici è stato invece utilizzato un metodo basato sull’attribuzione ai dispositivi supplementari di una frazione prestabilita dell’energia d’ingresso.

Le principali conclusioni a cui si è pervenuti sono qui di seguito riepilogate.

-        I codici di calcolo DRAIN2DX e SAP2000nl hanno restituito risultati praticamente indistinguibili per l’edificio privo di controventi dissipativi, fino al raggiungimento di una accelerazione di picco pari a 0,2g. In corrispondenza di tale accelerazione si ha l’attivamento della condizione di svergolamento del diagonale compresso del controvento. SAP2000nl non permette di modellare lo svergolamento. Per campi d’accelerazioni superiori a quella indicata, gli esiti numerici sono risultati ancora confrontabili adottando un’area opportunamente ridotta per i diagonali del controvento.

-        Nell’edificio dotato di dispositivi ADAS tale condizione viene raggiunta con un valore di PGA pari a 0.4g. In corrispondenza di tale accelerazione non si raggiunge lo svergolamento, ma la formazione di cerniere plastiche. Grazie alla predisposizione di opportuni elementi nllink alle estremità delle aste pure SAP2000nl consente la formazione di cerniere plastiche al raggiungimento di un predefinito valore del momento Mpl, altresì prescindendo dalla presenza di sforzo normale. Lo stesso codice non permette di definire un dominio d’interazione momento flettente – sforzo normale (M-N). Per ovviare a tale limitazione è necessario eseguire successive analisi iterative, cambiando ogni volta manualmente il valore del momento di plasticizzazione, calcolato in corrispondenza di un certo sforzo normale.

-        Le considerazioni riportate nei punti precedenti suggeriscono, per la modellazione dei sistemi ADAS, l’utilizzo del codice di calcolo DRAIN2DX. Questa scelta ha condotto alla realizzazione di un programma “OTTIMIZZA_ADAS” (sviluppato in ambiente Visual Basic) con funzioni di pre-post processore del codice stesso.  Tale programma consente di effettuare una progettazione ottimale finalizzata alla minimizzazione del danno operando un costante controllo sugli spostamenti.

-        Il principale limite del codice di calcolo DRAIN2DX risulta essere l’impossibilità di rappresentare modelli a viscosità non lineare. Questo lo ha reso inutilizzabile ai fini dello studio dei dispositivi siliconici.

-        Come già premesso attraverso il codice di calcolo SAP2000nl, dalla combinazione di più elementi non lineari, è stato realizzato Il modello che simula il comportamento dei dispositivi SFV. Tale modello consente di giungere a soddisfacenti stime degli spostamenti e dei cicli di dissipazione ottenuti per via sperimentale peraltro ottenibili anche per via numerica attraverso un ulteriore codice di calcolo con denominazione IDARC. Questo apre prospettive interessanti in chiave progettuale, in quanto SAP2000nl è un software commerciale assai diffuso.

-        L’inserimento di dispositivi ADAS e SFV, per la dissipazione supplementare d’energia, si è dimostrato efficace nei confronti dei terremoti di progetto utilizzati nella presente Tesi. I limiti di accettabilità delle azioni, secondo la normativa italiana, in termini di PGA risultano:

§         per l’edificio privo di dispositivi dissipativi                      = 0.15g,

§          per l’edificio dotato di dispositivi ADAS                         > 0.49g,

§         per l’edificio privo di dispositivi siliconici                        > 0.49g.

-        In particolare gli ADAS diminuiscono sensibilmente il danneggiamento strutturale, che comunque rimane presente. Per i dispositivi SFV non si ha danneggiamento almeno fino ad accelerazioni di picco pari a 0.49g.

-        Dalle analisi dinamiche incrementali (I.D.A.) condotte sull’edificio, il telaio dotato di dispositivi siliconici si è dimostrato comunque migliore in termini di livelli prestazionali. Tale superiorità di prestazione è dovuta al fatto che, superata una certa soglia di PGA (0.25g/0.30g), si ha il raggiungimento della massima corsa dei dispositivi oltre la quale si assiste ad un recupero della fase elastica del controvento.

 

Il presente lavoro lascia naturalmente aperta la strada ad ulteriori approfondimenti e sviluppi ed in particolare:

-        miglioramento dei dispositivi ADAS attraverso l’inserimento di un adeguato ritegno che ne limiti lo spostamento, una volta superata una determinata soglia di accelerazione;

-        studio dell’inserimento dei dispositivi studiati in altre tipologie edilizie e strutturali come telai in C.A., strutture progettate seguendo le indicazioni dell’Eurocodice allo scopo di aumentare i livelli prestazionali e ridurre o annullare il danneggiamento strutturale anche dopo eventi sismici di intensità eccezionale.  

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