Valutazione della risposta sismica con variabilità spaziale del moto: teoria e applicazione numerica

• L’analisi ed il progetto di strutture sismicamente resistenti vengono convenzionalmente condotti assumendo che l’eccitazione sismica sia la stessa in qualunque punto della superficie delle fondazioni.

• Tuttavia, dal momento che la natura del terreno di fondazione è in realtà essenzialmente eterogenea ed anisotropa, una tale assunzione non consente di fare una rappresentazione realistica dell’effettiva azione sismica, la quale cambia continuamente le sue caratteristiche durante il processo di propagazione.

• La variazione del treno d’onde sismiche avviene sia nella dimensione dello spazio che in quella del tempo

• gli effetti di una tale variazione spazio-temporale diventano consistenti qualora si prendano in considerazione strutture di grandi dimensioni.

• Quindi nel caso di viadotti di grandi dimensioni, la variazione spazio-temporale del terremoto si traduce in diverse azioni sismiche che sollecitano i diversi supporti (pile e spalle).

Una sollecitazione di questo tipo viene chiamata sollecitazione multi-supporto o sollecitazione non sincrona

La parziale correlazione del moto in differenti supporti, induce nella struttura una risposta che può differire notevolmente da quella calcolata considerando lo stesso input sismico in tutti i supporti

Per effetto del complesso moto del suolo, strutture estese rispondono con:

  1. spostamenti differenziali a livello della fondazione
  2. grandi spostamenti (assoluti e differenziali) a livello di soprastruttura
  3. Fenomeno del martellamento (o collisioni ad alta frequenza) tra campate adiacenti. Questo fenomeno amplifica gli spostamenti differenziali aumentando la possibiltà di perdita d’appoggio dell’impalcato

NB. Gli ultimi due fenomeni si osservano nei ponti isostatici con impalcati isostatici semplicemente appoggiati (tipologia molto diffusa)

Gli spostamenti differenziali a livello della sovrastruttura sono di questo tipo:

Gli spostamenti differenziali a livello della sovrastruttura sono di questo tipo:

Crollo provocato dalla variabilità spaziale del moto sismico

Valutazione della risposta sismica con variabilità spaziale del moto: applicazione numerica

Descrizione struttura

Nel presente articolo, si tratta un esempio numerico per la valutazione della risposta sismica di un viadotto di lunghezza elevata (circa 670m per la via EST, circa 740m per la via OVEST) soggetto all’azione sismica. Quando i viadotti presentano lunghezze elevate (suepriori ai 400-600m a seconda del tipo di terreno sul quale sorgono) occorre tener presente la variabilità del moto, ovvero della velocità di propagazione delle onde sismiche. In effetti quando la struttura presenta una lunghezza elevata, appare poco realistico pensare che tutte le sottostrutture sono soggette allo stesso input sismico nel medesimo istante temporale. Al contrario occorre prendere in considerazione l’effetto della propagazione delle onde sismiche che ha come immediata conseguenza uno scuotimento non uniforme alla base delle sottostrutture.

L’esempio numerico tratta la risposta sismica di un viadotto caratterizzato da un impalcato a struttura mista ad altezza variabile con campate correnti di luce 86m e campate di riva di luce 70m. Il viadotto è isolato sismicamente:

  • in direzione longitudinale è vincolato alle spalle; nella spalla S1 è presente un dispositivo viscoelastico che funge da punto fisso per gli spostamenti lenti (delta termico), mentre nella spalla S2 è presente un dispositivo viscoelastico che consente gli spostamenti lenti. Tali dispositivi sono caratterizzati da una legge di tipo elastico perfettamente plastico (raggiunta la soglia di resistenza la curva è praticamente orizzontale). La legge può essere schematizzata dalla relazione F=C(\frac{v}{v_0})^n con C=4950 kN, v0=0.5m/s, n=0.15;
  • in direzione trasversale il viadotto sono presente dei dispositivi elastoplastici a dissipazione di tipo isteretico che garantiscono una corsa di 125mm e in condizioni ultime forniscono una resistenza di Fu=900kN in spalla e Fu=1700kN in pila;

Nelle immagini sotto sono riportate le leggi forza spostamenti dei dispositivi antisismici utilizzati:

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Legge forza spostamento dei dispositivi viscoelastici

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Legge forza spostamento dei dispositivi elastoplastici in spalla

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Legge forza spostamento dei dispositivi elastoplastici in pila

Nella figura di seguito è riportato il modello FEM utilizzato dove sono stati modellati l’impalcato i dispositivi di isolamento le sottostrutture e i pali di fondazione.

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Modello FEM delle 2 vie del viadotto