Alcuni test su dispositivi antisismici

In questo breve articolo si riportano alcuni filmati reperibili in rete dove si possono vedere i test di accettabilità dei dispositivi antisismici e non solo.

Isolatori in gomma armata con nucleo in piombo ad elevato smorzamento (fino al 30%)

Benefici dell’isolamento sismico

Sistemi d’isolamento sismico

Effetto degli smorzatori sulle strutture

Test su friction pendulum

…e molti altri se ne possono reperire in rete…

Utilizzo dei dispositivi di vincolo a fusibile meccanico nei ponti

In questo articolo viene presentato il dispositivo di vincolo a fusibile meccanico. In particolare ci si sofferma sul ruolo che viene chiamato a svolgere nei ponti, in particolare nei ponti ferroviari o tranviari.

I dispositivi di vincolo a fusibile meccanico, sono dei dispositivi sacrificali che impediscono i movimenti relativi fra le parti collegate sino al raggiungimento di una soglia di forza. Al superamento di tale forza, grazie alla rottura di un elemento sacrificale, consentono tali movimenti. Sono utilizzati per escludere il sistema di protezione sismica nelle condizioni di servizio, consentendone invece il libero funzionamento durante il terremoto di progetto.

Tali dispositivi rivestono un ruolo particolarmente importante nei ponti caratterizzati da giunti di binario (ponti ferroviari o tranviari per l’appunto), giunto che presenta la principale caratteristica di accettare spostamenti relativi spalla impalcato, ma di non tollerare gli spostamenti differenziali trasversali (se non pochi mm).

Se per esigenze di protezione sismica, si deve ricorrere all’isolamento sismico e non a sistemi di vincolo rigido tra impalcato e sottostrutture, occorre tener presente che nelle condizioni di servizio del ponte e per sismi frequenti (caratterizzati da un moderato periodo di ritorno) non possono maturare spostamenti differenziali trasversali in corrispondenza del giunto di binario. Ma, come è ben noto, l’isolamento sismico non può assolvere a questa richiesta (basti pensare all’isolamento realizzato con dispositivi in gomma, oppure con isolatori a pendolo) in quanto sotto l’azione ad esempio del vento di progetto o del sisma frequente maturano sicuramente spostamenti non compatibili con il giunto di binario.

Pertanto in queste strutture occorre accoppiare al sistema d’isolamento dei fusibili in spalla che connettano rigidamente l’impalcato alle sottostrutture nella direzione trasversale all’asse longitudinale del ponte. L’elemento sacrificale deve presentare una resistenza, al di sopra della quale avviene la sua rottura, tarata sui livelli di forza che si possono osservare in condizioni di servizio e sotto l’azione di sismi frequenti.

I ponti provvisti di dispositivi di vincolo a fusibile meccanico, presentano pertanto 2 schemi statici differenti alle azioni trasversali rispettivamente in condizioni di servizio e durante il terremoto di progetto. Nel primo caso lo schema statico dell’impalcato e di trave continua su appoggi fissi in spalla e su appoggi deformabili nelle pile, mentre in presenza di sisma di progetto l’impalcato è una trave continua su appoggi deformabili che dissipano l’energia introdotta dal sisma.

In fase di progetto della resistenza dell’elemento fusibile occorre tener presente di quanto detto sopra. In particolare occorre porre particolare attenzione ai livelli di forza sull’elemento sacrificale in condizioni di sisma frequente. Per determinare tali livelli di forza il progettista deve tener presente che sotto l’azione di sisma frequente, il ponte risulta in minima parte isolato in direzione trasversale nella parte centrale sopra le pile dove possono maturare spostamenti differenziali impalcato-sottostruttura e dissipazioni di energia, mentre in corrispondenza delle spalle non avviene alcuna dissipazione. Pertanto occorre porre particolare attenzione nella scelta del coefficiente di smorzamento viscoso equivalente se si effettuano analisi lineari. A favor di sicurezza si potrebbe assumere un valore pari al 5%, ma si può correre il rischio di essere troppo conservativi, ottenere elementi sacrificali troppo sovradimensionati e conseguentemente avere strutture di spalla troppo importanti. In alternativa il progetto dell’elemento sacrificale può essere fatto attraverso analisi dinamiche non lineari. Comunque l’analisi dinamica non lineare dovrebbe essere effettuata per verificare la progettazione del vincolo a fusibile.

Nel filmato qui sotto si riporta la risposta sismica di un ponte dotato di elementi sacrificali in spalla soggetto all’azione sismica di progetto. Si può notare come nella fase iniziale del terremoto, l’impalcato oscilli con un periodo proprio “basso” e poi dopo la rottura dei fusibili e una fase transitoria di assestamento cominci ad oscillare con un periodo proprio da struttura isolata. Com’era logico aspettarsi si osserva in altre parole uno shift del periodo di oscillazione.

Progetto con isolatori a pendolo: applicazione numerica

Introduzione
L’esempio che segue riporta la progettazione dell’isolamento sismico di un ponte con impalcato a cassone di c.a.p. e pile di c.a. Per tale viadotto viene prevista una protezione sismica a mezzo di isolatori a pendolo (friction pendulum) sia in direzione longitudinale che trasversale. Gli isolatori vengono disposti in numero di 2 per ciascuna pila e spalla

Per valutare gli effetti del sisma si utilizza un modello FEM con elementi tipo « beam » riportato di seguito.

Modello FEM

Le pile e le spalle sono incastrate alla base. L’impalcato poggia su pile e spalle a mezzo degli isolatori a pendolo.

Caratteristiche degli isolatori a pendolo

Considerando che la zona dove sorge l’opera è una zona di media sismicità, si sono previsti degli isolatori « friction pendulum » aventi le seguenti caratteristiche nominali:

· Coefficiente d’attrito nominale per carico di progetto μ= 2.5% (basso attrito) ;

· Raggio di curvatura R=3700mm.

La relazione forza spostamento F-D dei « friction pendulum » è descritta dalla relazione seguente :


Legge costitutiva (forza-spostamento) dell’isolatore a pendolo

Per la determinazione delle sollecitazioni trasmesse alla sottostruttura e per la determinazione degli spostamenti massimi occorre considerare la variabilità delle caratteristiche meccaniche dei dispositivi.

In effetti, le proprietà meccaniche nominali degli isolatori e dunque del sistema d’isolamento, possono subire delle variazioni dovute all’invecchiamento, alla temperatura, al numero di cicli effettuati durante la vita dell’opera (rugosità) e alla corsa cumulata nel tempo (usura).

Questa variabilità deve essere presa in considerazione a mezzo di metodi scientificamente validati. Pertanto occorre determinare i 2 valori limite del coefficiente d’attrito ed effettuare 2 analisi dinamiche distinte per determinare rispettivamente le sollecitazioni massime trasmesse alla sottostruttura e gli spostamenti massimi richiesti al sistema d’isolamento. In particolare si considerano:

  • Limite superiore del coefficiente d’attrito (UBDP);
  • Limite inferiore del coefficiente d’attrito (LBDP).

Seguendo le indicazioni della norma EN 1998-2 a l’Annesso JJ si determinano i valori limite del coefficiente d’attrito μ. Nella tabella seguente si riportano i valori ottenuti :

Inoltre, come riportato in letteratura, il coefficiente d’attrito è legato alla pressione dovuta ai carichi verticali ; in particolare il coefficiente d’attrito decresce all’aumentare del carico. Si considerano le curve riportate nel seguito per determinare l’attrito in condizioni sismiche a partire dall’attrito nominale associato al carico verticale di progetto in condizioni SLU.

Nel caso di basso attrito la relazione da considerare è la seguente:

Visto il comportamento fortemente non lineare di questi dispositivi, l’effetto dell’azione sismica viene valutato a mezzo di una analisi dinamica non lineare al passo, considerando il reale comportamento dissipativo (dissipazione per isteresi) dei ritegni elastoplastici.

Progetto con ritegni elastoplastici: applicazione numerica

Introduzione
L’esempio che segue riporta la progettazione dell’isolamento sismico di un ponte con impalcato in struttura mista e pile di c.a. Per tale viadotto viene prevista una protezione sismica a mezzo ritegni elastoplastici sia in direzione longitudinale che trasversale. In particolare in direzione longitudinale vengono previsti dei ritegni in spalla C1 (il taglio sismico viene affidato totalmente alla spalla C1), mentre in direzione trasversale vengono previsti dei ritegni elastoplastici nelle pile con slitta longitudinale (in numero di 2 per pila) mentre nelle spalle vengono previsti degli appoggi multidirezionali.

Per valutare gli effetti del sisma si utilizza un modello FEM con elementi tipo « beam » riportato di seguito.

Modello FEM

Le pile e le spalle sono incastrate alla base. L’impalcato poggia su pile e spalle a mezzo di appoggi in numero di 2 per ciascuna sottostruttura.

I ritegni longitudinali in numero di 2 hanno le seguenti caratteristiche

Legge costitutiva (forza-spostamento)

I ritegni trasversali in numero di 2 per ciascuna pila hanno le seguenti caratteristiche

Legge costitutiva (forza-spostamento)

Visto il comportamento fortemente non lineare di questi dispositivi, l’effetto dell’azione sismica viene valutato a mezzo di una analisi dinamica non lineare al passo, considerando il reale comportamento dissipativo (dissipazione per isteresi) dei ritegni elastoplastici.

Progetto con isolatori in gomma: applicazione numerica

Introduzione
L’esempio che segue riporta la progettazione dell’isolamento sismico di un ponte con impalcato in struttura mista e pile di c.a. Per tale viadotto viene prevista una protezione sismica a mezzo di isolatori in gomma tipo HDRB.

Per valutare gli effetti del sisma si utilizza un modello FEM con elementi tipo « beam » riportato di seguito.

Modello FEM

Le pile e le spalle sono incastrate alla base. L’impalcato poggia su pile e spalle a mezzo di isolatori in numero di 2 per ciascuna sottostruttura.

Gli isolatori, come già detto, sono del tipo «Rubber Bearing Isolator» e hanno le seguenti caratteristiche dinamiche (rigidezza dinamica per deformazione a taglio pari a 1, smorzamento viscoso equivalente e capacità di spostamento):

KDYN

ξ

dEd

[KN/m]

%

[mm]

C1

HDRB-Hard

1750X2

15%

±400

P1

HDRB-Hard

3000X2

15%

±400

P2

HDRB-Hard

3000X2

15%

±400

P3

HDRB-Hard

1750X2

15%

±400

P4

HDRB-Hard

1750X2

15%

±400

P5

HDRB-Hard

3000X2

15%

±400

P6

HDRB-Hard

3000X2

15%

±400

P7

HDRB-Hard

1750X2

15%

±400

CA

HDRB-Hard

3000X2

15%

±400

Gli effetti dell’azione sismica nelle 3 direzioni principali (longitudinale, trasversale e verticale) sono determinati a mezzo di un’analisi dinamica lineare modale con spettro di risposta (Spectral Analysis). La somma dei contributi modali viene fatta utilizzando il metodo SRSS. I modi di vibrare considerati nell’analisi coinvolgono almeno il 90% della massa totale.

Disposizione in pianta degli isolatori

La procedura d’analisi sismica prevede i seguenti passi:

  • Determinazione delle proprietà dinamiche della struttura ovvero frequenze proprie e modi di vibrare (Frequency Analysis);
  • Definizione degli spettri di risposta. In particolare lo spettro di risposta orizzontale viene determinato con un coefficiente di smorzamento viscoso equivalente ξ=5% per i periodi T≤0.8TIS (dove TIS è il periodo fondamentale della struttura nella direzione considerata) e un coefficiente di smorzamento viscoso equivalente ξ=15% per i periodi T>0.8TIS. Lo spettro di risposta verticale è determinato con un coefficiente di smorzamento viscoso equivalente ξ=5%;
  • La determinazione della risposta sismica per mezzo di una analisi lineare modale con spettro di risposta “Spectral Response Analysis“.

La risposta sismica è ottenuta prendendo in considerazione la simultaneità della risposta nelle 3 direzioni principali. Gli effetti nelle 3 direzioni sono combinati considerando un coefficiente di combinazione pari a 0.3.

± AEX ± 0.3*AEY ± 0.3*AEZ

± 0.3*AEX ± AEY ± 0.3*AEZ

± 0.3*AEX ± 0.3*AEY ± AEZ