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Catania
1 dicembre 2017
Pier Paolo Rossi
Corso di aggiornamento
IL FUTURO DELLE COSTRUZIONI IN ACCIAO
IN ZONA SISMICA
Soluzioni antisismiche di acciaio
per edifici industriali e civili
Strutture in zona sismica
Principali caratteristiche
2
Rigidezza
laterale
Capacità
dissipativa
globale
Nodi rigidi
Contr.
eccentrici
Contr.
concentrici
?
Duali
Strutture tradizionali e innovative
Classificazione
3
Tipologie strutturali innovative
• Tipologia controventata …. controventi ad instabilità impedita
• Tipologia con pareti oscillanti e controventi concentrici
Tipologie con pareti oscillanti
• Tipologia controventata …. con dispositivi viscoelastici
• Tipologia con pareti oscillanti e controventi eccentrici
• Tipologia con pareti oscillanti e dispositivi di dissipazione vari
• Tipologia con controventi concentrici e pendoli verticali
(zipper braced frames e suspended zipper braced frames)
Strutture con controventi
ad instabilità impedita
Controvento ad instabilità impedita
Elementi fondamentali
5
Controvento in acciaio
Tubo o scatolare in acciaio
Unbonded brace
 Nucleo in acciaio
 Tubo o scatolare in acciaio + malta
Controvento ad instabilità impedita
Elementi fondamentali
6
Scatolare in acciaioControvento in acciaio
MaltaMateriale antiaderente
A
A
Unbonded brace
 Nucleo in acciaio
 Tubo o scatolare in acciaio + malta
 Materiale antiaderente
Controvento ad instabilità impedita
Elementi fondamentali
7
A
A
Unbonded brace
 Nucleo in acciaio
 Tubo o scatolare in acciaio + malta
 Materiale antiaderente

Controvento ad instabilità impedita
Sezioni trasversali del nucleo
8
Tratto da : Qiang Xie. State of the art of buckling-restrained braces in Asia. Journal of Constructional Steel
Research 2005; 61(6): 727-748.
Controvento ad instabilità impedita
Risposta ciclica
9
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
-100 -50 0 50 100
Controvento tradizionale,  = 0.85

N
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
-100 -50 0 50 100
Controvento in assenza di instabilità

N
Il controvento si plasticizza sia a trazione che a compressione.
• La risposta è poco dipendente dal segno
dello sforzo normale applicato
Controvento ad instabilità impedita
Risposta ciclica
10
Il controvento si plasticizza sia a trazione che a compressione.
• La dissipazione energetica è notevole
e stabile con il numero di cicli
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
-100 -50 0 50 100
Controvento tradizionale,  = 0.85

N
-400
-300
-200
-100
0
100
200
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-100 -50 0 50 100
Controvento in assenza di instabilità

N
Controvento ad instabilità impedita
Risposta ciclica
11
La risposta del controvento ad instabilità impedita mostra :
• Incrudimento isotropo (ovvero se si effettuano più cicli a
spostamento massimo costante, lo sforzo assiale di
plasticizzazione aumenta con il numero di cicli)
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
-100 -50 0 50 100
Controvento in assenza di instabilità
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
-100 -50 0 50 100
Controvento in assenza di instabilità

N

N
Senza incrudimento isotropo Con incrudimento isotropo
-Npl
Npl
Nmax
-Nmax
Controvento ad instabilità impedita
Risposta ciclica
12
La risposta del controvento ad instabilità impedita mostra :
• Incrudimento cinematico (ovvero se si effettua un ciclo di
spostamento oltre la prima plasticizzazione, lo sforzo assiale
di plasticizzazione aumenta con lo spostamento)
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
-100 -50 0 50 100
Controvento in assenza di instabilità
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
-100 -50 0 50 100
Controvento in assenza di instabilità

N

N
Senza incrudimento cinematico Con incrudimento cinematico
-Nmax
Nmax
-N’max
N’max
Controvento ad instabilità impedita
Risposta ciclica
13
La risposta del controvento ad instabilità impedita mostra :
• (a parità di spostamento oltre la soglia di plasticizzazione)
Uno sforzo di compressione superiore a quello di trazione
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
-100 -50 0 50 100
Controvento in assenza di instabilità
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
-100 -50 0 50 100
Controvento in assenza di instabilità

N

N
Comportamento simmetrico Comportamento asimmetrico
-N’max
N’max
-N’’max
N’max
Controvento ad instabilità impedita
Fattore di correzione della resistenza a trazione
14
Si definisce
Fattore di correzione
della resistenza a trazione
pl
N
N
 max
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
-100 -50 0 50 100
Controvento in assenza di instabilità
N+
maxNpl
Npl sforzo normale di plasticizzazione
N+
max sforzo normale di trazione misurato in corrispondenza
della massima deformazione sostenibile
Controvento ad instabilità impedita
Fattore di correzione della resistenza a compressione
15
Si definisce
Fattore di correzione
della resistenza a compressione
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
-100 -50 0 50 100
Controvento in assenza di instabilità
N+
max
N+
max sforzo normale di trazione misurato in corrispondenza
della massima deformazione sostenibile



max
max
N
N
N-
max sforzo normale di compressione misurato in corrispondenza
della massima deformazione sostenibile
N-
max
Controvento ad instabilità impedita
Fattori di correzione della resistenza
16
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
0 5 10 15 20 25
a
m
Newell 2006 (standard)
Newell 2006 (high prot.)
Merrit et al. 2003/01
Merrit et al. 2003/04
Black et al. 2002
Proposed equation
(a)
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
0 5 10 15 20 25

m
Proposed value
(b)
 10316.015.1 m
Relazioni suggerite
11.
 
m m
Controvento ad instabilità impedita
Caratteristiche principali
17
Vantaggi
o Assenza di instabilità;
o Pressoché uguale risposta a compressione e trazione;
o Riposta facilmente modellabile;
o Elevata capacità di spostamento plastico
o Elevata capacità di dissipazione energetica
Controvento ad instabilità impedita
Tipologie
18
Nippon Steel and Sumikin
Controvento ad instabilità impedita
Tipologie
19
Star Seismic Europe
Controvento ad instabilità impedita
Tipologie
20
FIP Industriale
Controventi ad instabilità impedita
Realizzazioni
21
Exposed and Circular Tube UBB Nihon TV Tower, Tokyo (1997)
(Nippon Steel)
Controventi ad instabilità impedita
Realizzazioni
22
Tokyo Institute of Technology, Tokyo, Japan (2006)
(Nippon Steel)
Controventi ad instabilità impedita
Realizzazioni
23
Plesso scolastico Cappuccini a Ramacca (CT)
(FIP Industriale)
Controventi ad instabilità impedita
Realizzazioni
24
ITIS «Porro» Pienerolo (TO)
(FIP Industriale)
Controventi ad instabilità impedita
Realizzazioni
25
Salt Lake City Board of Realtors (USA)
(Star Seismic Europe)
Controventi ad instabilità impedita
Realizzazioni
26
UCSF Medical Center, San Francisco, California (USA)
(Star Seismic Europe)
Controvento ad instabilità impedita
Tipologie meno comuni
27
• Controventi ad instabilità impedita
con acciaio a basso limite di snervamento
• Controventi ad instabilità impedita a due fasi
Controvento ad instabilità impedita
Tipologie meno comuni
28
Core Plate
Cover Plate
Channel steel
Stiffening Plate
Bolt
Flange Plate
Elongated bolt hole
Restraining
components
nucleo
interno
BRB-S
BRB-L
canale
esterno
fori
asolati
Peng Pan, Wei Li, Xin Nie, Kailai Deng, Jiangbo Sun. Seismic performance of a reinforced concrete frame e
quipped with a double‐stage yield buckling restrained brace, The structural design of tall and special buildings; 26(4), 2017.
Strutture con dissipatori
viscoelastici
Strutture tradizionali e innovative
Strutture con dissipatori viscoelastici
STESSA ‘15
Geometria :
Risposta elastica : Dissipazione energetica :
V-CBF
+ dissipatori viscoelastici
Dissipatori viscoelasticiTravi
Colonne
Strutture tradizionali e innovative
Strutture con dissipatori viscoelastici
Piatti
Controventi
Elastomero
Strutture tradizionali e innovative
Strutture con dissipatori viscoelastici
Vantaggi
o Economia e semplice realizzazione;
o Semplice manutenzione e sostituzione;
o Recupero della forma iniziale
e delle proprietà meccaniche dopo i terremoti;
Svantaggi
o Sensibilità delle proprietà meccaniche
a forti variazioni di temperatura
e frequenza di carico;
o Surriscaldamento dopo molti cicli di carico
(ad es. azione del vento);
F
u
Strutture tradizionali e innovative
Modello del dissipatore viscoelastico
F(t)
u(t)
τ(t)
γ(t)
La risposta ciclica dello smorzatore elastoviscoso è data dalla relazione :
      0
sin cost G t G t      dove
• G’ è il modulo di carico
e rappresenta la componente
elastica della risposta del
dissipatore;
• G" è il modulo di perdita e
rappresenta la componente
viscosa della risposta del
dissipatore;
• η è il fattore di perdita che
caratterizza la capacità
dissipativa del dissipatore.
G ’
* 2 2
G G G  
2
0d
E G  

 

G
G
Model of the viscoelastic damper
The response of the viscoelastic damper has been modelled
by means of a Generalized Maxwell Model (GMM4)
- consists of elastic springs with stiffness GE
and dashpots with damping coefficient Gc
- is sensible to load frequency
This model :
 
 
 
4 2
E, i c, i E,i
E,0 2
c, i E,i1
1


   
 i
G G G
G G
G G
 
 
4
E,i c, i E,i
C,0
c, i E,i
1
1


    
 i
G G G
G G
G G
Model of the viscoelastic damper
The parameters GE and GC are adjusted on laboratory data reported for the elastomer
ISD111H (Montgomery MS. Ph.D. Thesis. University of Toronto, 2011)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
G" [MPa]
f [Hz]
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
G' [MPa]
f [Hz]
T=20°C
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
-125 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125
F[kN]
γ [%]
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
-125 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125
F[kN]
γ [%]
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
-125 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125
F[kN]
γ [%]
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
-125 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125
F[kN]
γ [%]
2 Hz 1 Hz 0.3 Hz 0.1 Hz
T=20°C
Optimized GMM4 model
Strutture tradizionali e innovative
Procedure di progetto
F. Barbagallo, M. Bosco, A. Ghersi, E.M. Marino, P. P. Rossi : Proposta di progetto di
telai in acciaio con dissipatori viscoelastici, C.T.A. 2017, Venezia
Per chi è interessato:
Strutture con dissipatori viscoelastici
Realizzazioni
scuola Gentile-Fermi di Fabriano (AN) (2006)
33 dissipatori elastomerici, forza max da 30 a 79 kN, rigidezza da 7.4 a 19.8 kN/mm, spostamento ±4 mm
Strutture controventate
(non oscillanti) con pendoli
verticali
Strutture tradizionali e innovative
Strutture con controventi concentrici e pendoli verticali
STESSA ‘15
Geometria :
Risposta elastica :
(SZBF)
V-CBF
+ pendoli verticali
Controv. ultimo piano
Risposta inelastica :
Altri controv.
Travi
Pendoli verticali
Colonne
Suspended zipper braced frames
Risposta sismica
instabilità primo contr. instabilità altri contr. risposta ultima
1 2 3
ag1 ag2 ag3< <
Suspended zipper braced frames
Procedure di progetto
Nel passato, Yang et al. (2008)
hanno suggerito una procedura di progetto assumendo che :
L’applicazione di questa procedura di progetto ha evidenziato che,
nel caso di edifici alti, la resistenza richiesta alle membrature
elastiche era molto grande.
• tutti i controventi inelastici (ovvero quelli al di sotto
dell’ultimo piano) possano raggiungere la loro massima
resistenza
• le travi non forniscano contributo alla resistenza alle azioni
sismiche
Suspended zipper braced frames
Procedure di progetto
Per mitigare questo svantaggio, alcuni altri autori hanno
recentemente proposto una procedura di progetto meno
stringente assumendo che le forze sbilanciate dei controventi
concentrici non raggiungano il loro massimo simultaneamente a
tutti i piani, in virtù dei modi di vibrazione superiori.
Suspended zipper braced frames
Sforzi normali
Gli sforzi normali delle membrature del sistema di sospensione
(i.e. pendoli verticali, colonne e elementi della struttura
reticolare di sommità) sono calcolate assumendo che le forze
sbilanciate possano essere sviluppate solo ai 5 piani più bassi
dell’edificio.
Ad esempio, gli sforzi normali dei pendoli del piano i-esimo sono calcolati come :
 
lim
(i) (j) (j)
Ed,t ov pl,Rd,d pb,Rd,d
j 1
1.1γ sinθ
n
N N N

 
dove lim min{i 1;5}n  
Suspended zipper braced frames
Controllo della risposta dei controventi
Per ottenere che allo stato limite di collasso il massimo allungamento
del controvento non sia minore di un assegnato valore, deve essere
soddisfatta la seguente relazione
dove
nb,C (displacement capacity) is il valore corrispondente al raggiungimento dello
stato limite di collasso nei controventi del piano in esame e allo sviluppo di un
assegnato allungamento.
nb,D (displacement demand) è lo spostamento verticale causato dalle forze verticali
sbilanciate che possono svilupparsi simultaneamente a tutti i piani al
raggiungimento dello stato limite di collasso nei controventi del piano in
esame.
b,C b,Dv v
Suspended zipper braced frames
Controllo della risposta dei controventi
R
2=L
d-
2
h
R1=Ld+1
vb,C
Lb
Ld
1

2
brace #2brace #1
2
2 2 2
2 1 2 b
b,C 1
b
( )
2
  
    
 
R R L
v h R
L
Capacità di spostamento nb,C
Suspended zipper braced frames
Controllo della risposta dei controventi
La richiesta di spostamento nb,D è calcolata come la somma dei tre
contributi causati della deformabilità delle seguenti parti della
struttura :
• Trave reticolare di sommità
• Pendoli verticali
dal penultimo piano al piano sopra quello in esame
• Colonne
dal penultimo piano al piano in esame
Nota: lo sforzo assiale dei pendoli è assunto non maggiore della somma delle forze sbilanciate ai
primi cinque piani dell’edificio
• L’utilizzo di gradi superiori a S235 incrementa la snellezza adimensionale del
controvento e la capacità di spostamento delle stesse aste.
• Se la snellezza adimensionale aumenta da valori minori dell’unità a valori che
sono sufficientemente maggiori dell’unità, la pendenza del tratto seguente
l’instabilità dell’asta cambia favorevolmente.
• Le forze sbilanciate verticali crescono con l’aumento del grado dell’acciaio.
a resistenza richiesta alle membrature elastiche è comunque accettabile per il
numero limitato dei piani con forze squilibrate e per l’altezza della trave
reticolare di sommità.
Suspended zipper braced frames
Progetto dei controventi
Si suggerisce di realizzare i controventi in acciaio di grado
superiore a S235
Suspended zipper braced frames
Momenti flettenti di travi e colonne
I momenti flettenti delle travi e delle colonne possono essere
efficacemente previsti con semplici relazioni
 (i) ns-1
b Fpb(i) (i)
Ed,b bD2 (i)
b c
3
( /2) 2
EI S h
M v
L EA
 
  
 
dove
é la somma delle forze verticali sbilanciate considerate dal primo piano al
penultimo piano, con un numero massimo di piano pari a 5.
In particolare, per le travi :
 ns-1
FpbS
Bending moments in columns
Bending moments of braced columns depend on interstorey displacements and flexural
rotations of the end nodes of the columns and are calculated by means of the relationship
(i)
c(i) (i) (i)
Ed,c n s cD2
s
1.2 0.7 0.3
1
EIi
M u
hn
 
   
 
Parameter recognizes that the maximum bending moments are
generally caused by floor displacements corresponding to higher modes of vibration.
n s8 1n  
Parameter is defined as(i)
s
1 33
d 2(i)
s
d cn
11
cos 1
50
A h
L I
 
   
  
where the summation is extended to all the braces or columns (gravity and seismic columns)
of the storey under examination.
Bending moments in columns
Bending moments of braced columns depend on interstorey displacements and flexural
rotations of the end nodes of the columns and are calculated by means of the relationship
(i)
c(i) (i) (i)
Ed,c n s cD2
s
1.2 0.7 0.3
1
EIi
M u
hn
 
   
 
The interstorey displacement corresponds to the achievement of the ductility capacity
of braces and to the development of a number of unbalanced vertical forces not higher
than five.
This parameter is given by the following relationship
where
 
4 2 2
2 bb b u2 2
cD b b bD2
u
1
4
2 24 2 4
LL L
u L L h v
   
                
2 2
b u
1L   
cDu
Suspended zipper braced frames
Risposta sismica a collasso
Indice di danno
dei controventi
Sforzi assiali
dei controventi
Sforzi assiali
dei pendoli
0
1
2
3
4
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25
Storey
DI
4C-PRO
left brace
right brace
0
3
6
9
12
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25
Storey
DI
12C-PRO
0
4
8
12
16
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25
Storey
DI
16C-PRO
0
1
2
3
4
0 600 1200 1800 Nd (kN)
Storey
4C-PRO
left brace
right brace
design
buckling
resistance
design plastic
resistance
0
3
6
9
12
0 1200 2400 3600 Nd (kN)
Storey
12C-PRO
0
4
8
12
16
0 1200 2400 3600 Nd (kN)
Storey
16C-PRO
0
1
2
3
4
0 600 1200 1800 Nt (kN)
Storey
4C-PRO
design axial force
without material
overstrength
0
3
6
9
12
0 1500 3000 4500 Nt (kN)
Storey
12C-PRO
0
4
8
12
16
0 2000 4000 6000 8000Nt (kN)
Storey
16C-PRO
Suspended zipper braced frames
Risposta sismica a collasso
Momenti
flettenti delle
travi
Momenti
flettenti delle
colonne
0
1
2
3
4
0 50 100 150 Mb (kNm)
Storey
4C-PRO
0
3
6
9
12
0 100 200 300 Mb (kNm)
Storey
12C-PRO
0
4
8
12
16
0 200 400 600 Mb (kNm)
Storey
design bending
moment
16C-PRO
0
1
2
3
4
0 150 300 450 Mc (kNm)
Storey
design bending
moment
4C-PRO
0
3
6
9
12
0 250 500 750 Mc (kNm)
Storey
12C-PRO
0
4
8
12
16
0 250 500 750 Mc (kNm)
Storey
16C-PRO
Strutture oscillanti
alla base
Strutture in zona sismica
Principali caratteristiche
54
Rigidezza
laterale
Capacità
dissipativa
Nodi rigidi
Contr.
eccentrici
Contr.
concentrici
Duali
Strutture
oscillanti
5
Strutture oscillanti
Caratteristiche comportamentali
Le strutture oscillanti sono dotate di sottostrutture verticali a
comportamento elastico e libere (o quasi) di ruotare alla base.
55
Strutture oscillanti
Classificazione
56
Le sottostrutture verticali rigide possono :
 Ruotare intorno
ad una cerniera strutturale alla base
(Strutture oscillanti incernierate)
 Ruotare intorno
agli spigoli alla base della parete
(Strutture oscillanti appoggiate)
Strutture oscillanti
incernierate alla base
Strutture oscillanti incernierate
Classificazione
58
Le cerniere alla base possono essere :
 Allineate in verticale
con le colonne
(Strutture con cerniere allineate)
 Non allineate in verticale
con le colonne
(Strutture con cerniere non allineate)
Strutture con cerniere allineate
Caratteristiche geometriche
Nelle strutture in acciaio, la sottostruttura rigida si ottiene
mediante l’inserimento di pendoli verticali tra le estremità
corrispondenti dei controventi di piani contigui.
59
Schema di telaio con controventi concentrici o eccentrici con pendoli verticali
Strutture con cerniere allineate
Caratteristiche comportamentali
Telaio con controventi eccentrici e pareti
oscillanti
60
Gli elementi di un lato del telaio controventato sono
progettati in modo da rimanere elastici fino a collasso.
Telaio con controventi concentrici e pareti
oscillanti
Gli elementi dissipativi possono essere vari
Tratto da: P.P.Rossi A design procedure for tied braced frames Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 36, pp.2227-2248, 2007
1. A differenza del telaio con controventi tradizionali,
la rigidezza laterale di piano è solo lievemente influenzata
dalla rigidezza dell’elemento dissipativo.
L’ingresso in campo inelastico degli elementi dissipativi rende poco
probabile la concentrazione di elevate deformazioni plastiche.
CONSEGUENZA
h
Q

1
L
h
1
Q’

L
V V
M M0M 0M
Strutture con cerniere allineate
Caratteristiche comportamentali
61
2. La rigidezza laterale globale
mostra decrementi crescenti
con l’aumentare delle
deformazioni inelastiche
degli elementi dissipativi.
La progressiva deformazione
rende la risposta sempre più
governata dal moto “rigido” delle
sottostrutture elastiche.
CONSEGUENZA
q
L
H
1
Q
SVL
Strutture con cerniere allineate
Caratteristiche comportamentali
62
3. Nei sistemi con controventi
concentrici …
è possibile garantire una
moderata capacità di
ricentraggio, imponendo che
la trave risponda in campo
elastico fino a collasso della
struttura
q
L
H
1
Q
SVB+ SNBRBsen()
Strutture con cerniere allineate
Caratteristiche comportamentali
63
Strutture con cerniere non allineate
Caratteristiche geometriche
Ogni apparecchio dissipativo va disposto tra il bordo della
parete e le colonne adiacenti oppure alla base della parete.
La capacità di ricentraggio può essere aumentata mediante
cavi post-tesi.
64
Schema di telaio oscillante con cerniera alla base non allineata con le colonne
1. La presenza di strutture oscillanti evita importanti e rapide
riduzioni della rigidezza laterale di piano all’atto
dell’ingresso in campo inelastico degli elementi dissipativi.
• Sistemi oscillanti progettati in ossequio ai principi del
capacity design hanno la capacità di coinvolgere gli elementi
dissipativi di tutti i piani nel comportamento inelastico
globale prima che sia attinto il collasso strutturale.
• Il comportamento sismico di tali strutture non è dipendente
dalla distribuzione in elevazione del fattore di
sovraresistenza.
Strutture oscillanti incernierate
Vantaggi
65
Strutture oscillanti incernierate
Svantaggi
66
1. Moderata capacità di ricentraggio
2. Difficoltà nella valutazione delle sollecitazioni di progetto
Strutture oscillanti incernierate
Difficoltà nella valutazione delle sollecitazioni di progetto
67
Tali sforzi normali dipendono da :
Le equazioni di equilibrio non sono sufficienti a determinare gli
sforzi assiali negli elementi strutturali destinati a rimanere in
campo elastico.
• Distribuzione delle forze sismiche equivalenti
• Distribuzione degli sforzi assiali nei BRB
Strutture oscillanti incernierate
Difficoltà nella valutazione delle sollecitazioni di progetto
68
 Il valore massimo delle forze
sismiche dipende dalla resistenza
degli elementi dissipativi
 La massima sollecitazione negli
elementi non dissipativi cresce con
la sollecitazione negli elementi
dissipativi
 Il valore delle forze sismiche
non è limitato dalla resistenza degli
elementi dissipativi
 La massima sollecitazione negli
elementi non dissipativi non
dipende solo dalla sollecitazione
negli elementi dissipativi
Sistema non lineare tradizionale Sistema non lineare oscillante alla base
Strutture oscillanti incernierate
Difficoltà nella valutazione delle sollecitazioni di progetto
69
Ad esempio, dati due insiemi di forze proporzionali ai primi due
modi di vibrazione, sono possibili le forze totali:
F (1)
-Sa
(1) MB
(1)MB
(1)
F (1)

Sa
(2) MB
(2)
F (2)

 (1)SD (1) (2)
RiF F F F   
ovvero :
Combinazione 1 Combinazione 2
F (1)
-Sa
(1) MB
(1)MB
(1)
F (1)

Sa
(2) MB
(2)
F (2)

Strutture oscillanti incernierate
Procedure di progetto
70
Sono necessarie quindi procedure di progetto idonee allo scopo
Applicazioni
Applicazione 1
Strutture oscillanti incernierate alla base
72
Struttura esistente Struttura adeguata
Edificio G3 nel campus Suzukakedai dell’Istituto di Tecnologia di Tokyo
Applicazione 1
Strutture oscillanti - campus Suzukakedai di Tokyo
73
Impostazione generale
Applicazione 1
Strutture oscillanti - campus Suzukakedai di Tokyo
74
Particolari della cerniera alla base della parete oscillante
Applicazione 1
Strutture oscillanti - campus Suzukakedai di Tokyo
75
Particolari dell’aggancio della parete oscillante all’impalcato
Applicazione 1
Strutture oscillanti - campus Suzukakedai di Tokyo
76
Particolari del sistema di dissipazione
Applicazione 2
Strutture oscillanti – torri dissipative
77
Adeguamento del Liceo Varano di Camerino
Applicazione 2
Strutture oscillanti – Liceo Varano di Camerino
78
Particolari della torre dissipative A
Applicazione 2
Strutture oscillanti – Liceo Varano di Camerino
79
Particolari delle torre dissipative B
Applicazione 2
Strutture oscillanti – Liceo Varano di Camerino
80
Particolari del sistema di dissipazione
Applicazione 2
Strutture oscillanti – Liceo Varano di Camerino
81
Particolari del sistema di aggancio all’impalcato
Applicazione 3
Strutture oscillanti incernierate (strongback)
82
Edificio in Berkeley, California
Strutture oscillanti
appoggiate alla base
Strutture oscillanti appoggiate
Caratteristiche comportamentali
84
Gli elementi del telaio controventato sono progettati in
modo da rimanere elastici fino a collasso.
Telaio oscillante appoggiato alla base Oscillazione del telaio
q q
Strutture oscillanti appoggiate
Caratteristiche comportamentali
85
Per garantire la capacità di ricentraggio vengono spesso
adoperati cavi post-tesi in posizione centrale o eccentrica
Posizione eccentrica dei cavi post-tesi
q q
Posizione centrale dei cavi post-tesi
Strutture oscillanti appoggiate
Caratteristiche comportamentali
86
Per garantire una buona dissipazione energetica vengono
spesso aggiunti dissipatori di varia natura alla base del telaio
o al contatto tra telai
Posizione del dissipatore tra telaiPosizione del dissipatore alla base
Strutture oscillanti appoggiate
Caratteristiche comportamentali
87
Per garantire la resistenza al taglio alla base
vengono aggiunti blocchi alla base del telaio
Posizione del blocco alla base
Strutture oscillanti appoggiate
Vantaggi e svantaggi
88
Elevata capacità di redistribuzione plastica del danno
Elevata capacità di ricentraggio
Vantaggi :
Svantaggi :
Problemi nella connessione a terra
Aumento delle accelerazioni verticali
Difficoltà nella valutazione delle sollecitazioni di progetto
Applicazioni
Applicazione 4
Strutture oscillanti appoggiate a terra
90
Edificio in 2850 Telegraph Avenue. Berkeley, California
Applicazione 4
Strutture oscillanti appoggiate a terra
91
Edificio in 2850 Telegraph Avenue. Berkeley, California
Applicazione 4
Strutture oscillanti appoggiate a terra
92
Edificio in 2850 Telegraph Avenue. Berkeley, California
Applicazione 5
Strutture oscillanti appoggiate a terra
93
Te Puni Village Student Accomodation
RINGFEDER® Friction Springs consist of separate
inner and outer mating tapered rings which stack
together to form a column according to the customer’s
wish.
Applicazione 5
Strutture oscillanti appoggiate a terra
94
Te Puni Village Student Accomodation
Applicazione 6
Strutture oscillanti appoggiate a terra
95
Kilmore Street Medical Centre, Christchurch
The Kilmore Street Medical Centre is a new building located in the Christchurch central business district.
The building is three stories with over 5000m2 of specialist medical facilities, including four operating
theatres, patient bedrooms and urology, radiology, orthopaedics and fertility clinics. There is over 650m²
of plant deck on the roof and a further plant room at ground level. Construction commenced in July 2012
and the building is due for completion later in 2013.
Applicazione 6
Strutture oscillanti appoggiate a terra
96
Kilmore Street Medical Centre, Christchurch
FINE

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Lezione acciaio catania bn (tipologie non convenzionali)

  • 1. Catania 1 dicembre 2017 Pier Paolo Rossi Corso di aggiornamento IL FUTURO DELLE COSTRUZIONI IN ACCIAO IN ZONA SISMICA Soluzioni antisismiche di acciaio per edifici industriali e civili
  • 2. Strutture in zona sismica Principali caratteristiche 2 Rigidezza laterale Capacità dissipativa globale Nodi rigidi Contr. eccentrici Contr. concentrici ? Duali
  • 3. Strutture tradizionali e innovative Classificazione 3 Tipologie strutturali innovative • Tipologia controventata …. controventi ad instabilità impedita • Tipologia con pareti oscillanti e controventi concentrici Tipologie con pareti oscillanti • Tipologia controventata …. con dispositivi viscoelastici • Tipologia con pareti oscillanti e controventi eccentrici • Tipologia con pareti oscillanti e dispositivi di dissipazione vari • Tipologia con controventi concentrici e pendoli verticali (zipper braced frames e suspended zipper braced frames)
  • 4. Strutture con controventi ad instabilità impedita
  • 5. Controvento ad instabilità impedita Elementi fondamentali 5 Controvento in acciaio Tubo o scatolare in acciaio Unbonded brace  Nucleo in acciaio  Tubo o scatolare in acciaio + malta
  • 6. Controvento ad instabilità impedita Elementi fondamentali 6 Scatolare in acciaioControvento in acciaio MaltaMateriale antiaderente A A Unbonded brace  Nucleo in acciaio  Tubo o scatolare in acciaio + malta  Materiale antiaderente
  • 7. Controvento ad instabilità impedita Elementi fondamentali 7 A A Unbonded brace  Nucleo in acciaio  Tubo o scatolare in acciaio + malta  Materiale antiaderente 
  • 8. Controvento ad instabilità impedita Sezioni trasversali del nucleo 8 Tratto da : Qiang Xie. State of the art of buckling-restrained braces in Asia. Journal of Constructional Steel Research 2005; 61(6): 727-748.
  • 9. Controvento ad instabilità impedita Risposta ciclica 9 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -100 -50 0 50 100 Controvento tradizionale,  = 0.85  N -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -100 -50 0 50 100 Controvento in assenza di instabilità  N Il controvento si plasticizza sia a trazione che a compressione. • La risposta è poco dipendente dal segno dello sforzo normale applicato
  • 10. Controvento ad instabilità impedita Risposta ciclica 10 Il controvento si plasticizza sia a trazione che a compressione. • La dissipazione energetica è notevole e stabile con il numero di cicli -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -100 -50 0 50 100 Controvento tradizionale,  = 0.85  N -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -100 -50 0 50 100 Controvento in assenza di instabilità  N
  • 11. Controvento ad instabilità impedita Risposta ciclica 11 La risposta del controvento ad instabilità impedita mostra : • Incrudimento isotropo (ovvero se si effettuano più cicli a spostamento massimo costante, lo sforzo assiale di plasticizzazione aumenta con il numero di cicli) -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -100 -50 0 50 100 Controvento in assenza di instabilità -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -100 -50 0 50 100 Controvento in assenza di instabilità  N  N Senza incrudimento isotropo Con incrudimento isotropo -Npl Npl Nmax -Nmax
  • 12. Controvento ad instabilità impedita Risposta ciclica 12 La risposta del controvento ad instabilità impedita mostra : • Incrudimento cinematico (ovvero se si effettua un ciclo di spostamento oltre la prima plasticizzazione, lo sforzo assiale di plasticizzazione aumenta con lo spostamento) -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -100 -50 0 50 100 Controvento in assenza di instabilità -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -100 -50 0 50 100 Controvento in assenza di instabilità  N  N Senza incrudimento cinematico Con incrudimento cinematico -Nmax Nmax -N’max N’max
  • 13. Controvento ad instabilità impedita Risposta ciclica 13 La risposta del controvento ad instabilità impedita mostra : • (a parità di spostamento oltre la soglia di plasticizzazione) Uno sforzo di compressione superiore a quello di trazione -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -100 -50 0 50 100 Controvento in assenza di instabilità -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -100 -50 0 50 100 Controvento in assenza di instabilità  N  N Comportamento simmetrico Comportamento asimmetrico -N’max N’max -N’’max N’max
  • 14. Controvento ad instabilità impedita Fattore di correzione della resistenza a trazione 14 Si definisce Fattore di correzione della resistenza a trazione pl N N  max -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -100 -50 0 50 100 Controvento in assenza di instabilità N+ maxNpl Npl sforzo normale di plasticizzazione N+ max sforzo normale di trazione misurato in corrispondenza della massima deformazione sostenibile
  • 15. Controvento ad instabilità impedita Fattore di correzione della resistenza a compressione 15 Si definisce Fattore di correzione della resistenza a compressione -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -100 -50 0 50 100 Controvento in assenza di instabilità N+ max N+ max sforzo normale di trazione misurato in corrispondenza della massima deformazione sostenibile    max max N N N- max sforzo normale di compressione misurato in corrispondenza della massima deformazione sostenibile N- max
  • 16. Controvento ad instabilità impedita Fattori di correzione della resistenza 16 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 0 5 10 15 20 25 a m Newell 2006 (standard) Newell 2006 (high prot.) Merrit et al. 2003/01 Merrit et al. 2003/04 Black et al. 2002 Proposed equation (a) 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 0 5 10 15 20 25  m Proposed value (b)  10316.015.1 m Relazioni suggerite 11.   m m
  • 17. Controvento ad instabilità impedita Caratteristiche principali 17 Vantaggi o Assenza di instabilità; o Pressoché uguale risposta a compressione e trazione; o Riposta facilmente modellabile; o Elevata capacità di spostamento plastico o Elevata capacità di dissipazione energetica
  • 18. Controvento ad instabilità impedita Tipologie 18 Nippon Steel and Sumikin
  • 19. Controvento ad instabilità impedita Tipologie 19 Star Seismic Europe
  • 20. Controvento ad instabilità impedita Tipologie 20 FIP Industriale
  • 21. Controventi ad instabilità impedita Realizzazioni 21 Exposed and Circular Tube UBB Nihon TV Tower, Tokyo (1997) (Nippon Steel)
  • 22. Controventi ad instabilità impedita Realizzazioni 22 Tokyo Institute of Technology, Tokyo, Japan (2006) (Nippon Steel)
  • 23. Controventi ad instabilità impedita Realizzazioni 23 Plesso scolastico Cappuccini a Ramacca (CT) (FIP Industriale)
  • 24. Controventi ad instabilità impedita Realizzazioni 24 ITIS «Porro» Pienerolo (TO) (FIP Industriale)
  • 25. Controventi ad instabilità impedita Realizzazioni 25 Salt Lake City Board of Realtors (USA) (Star Seismic Europe)
  • 26. Controventi ad instabilità impedita Realizzazioni 26 UCSF Medical Center, San Francisco, California (USA) (Star Seismic Europe)
  • 27. Controvento ad instabilità impedita Tipologie meno comuni 27 • Controventi ad instabilità impedita con acciaio a basso limite di snervamento • Controventi ad instabilità impedita a due fasi
  • 28. Controvento ad instabilità impedita Tipologie meno comuni 28 Core Plate Cover Plate Channel steel Stiffening Plate Bolt Flange Plate Elongated bolt hole Restraining components nucleo interno BRB-S BRB-L canale esterno fori asolati Peng Pan, Wei Li, Xin Nie, Kailai Deng, Jiangbo Sun. Seismic performance of a reinforced concrete frame e quipped with a double‐stage yield buckling restrained brace, The structural design of tall and special buildings; 26(4), 2017.
  • 30. Strutture tradizionali e innovative Strutture con dissipatori viscoelastici STESSA ‘15 Geometria : Risposta elastica : Dissipazione energetica : V-CBF + dissipatori viscoelastici Dissipatori viscoelasticiTravi Colonne
  • 31. Strutture tradizionali e innovative Strutture con dissipatori viscoelastici Piatti Controventi Elastomero
  • 32. Strutture tradizionali e innovative Strutture con dissipatori viscoelastici Vantaggi o Economia e semplice realizzazione; o Semplice manutenzione e sostituzione; o Recupero della forma iniziale e delle proprietà meccaniche dopo i terremoti; Svantaggi o Sensibilità delle proprietà meccaniche a forti variazioni di temperatura e frequenza di carico; o Surriscaldamento dopo molti cicli di carico (ad es. azione del vento); F u
  • 33. Strutture tradizionali e innovative Modello del dissipatore viscoelastico F(t) u(t) τ(t) γ(t) La risposta ciclica dello smorzatore elastoviscoso è data dalla relazione :       0 sin cost G t G t      dove • G’ è il modulo di carico e rappresenta la componente elastica della risposta del dissipatore; • G" è il modulo di perdita e rappresenta la componente viscosa della risposta del dissipatore; • η è il fattore di perdita che caratterizza la capacità dissipativa del dissipatore. G ’ * 2 2 G G G   2 0d E G       G G
  • 34. Model of the viscoelastic damper The response of the viscoelastic damper has been modelled by means of a Generalized Maxwell Model (GMM4) - consists of elastic springs with stiffness GE and dashpots with damping coefficient Gc - is sensible to load frequency This model :       4 2 E, i c, i E,i E,0 2 c, i E,i1 1        i G G G G G G G     4 E,i c, i E,i C,0 c, i E,i 1 1         i G G G G G G G
  • 35. Model of the viscoelastic damper The parameters GE and GC are adjusted on laboratory data reported for the elastomer ISD111H (Montgomery MS. Ph.D. Thesis. University of Toronto, 2011) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 G" [MPa] f [Hz] 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 G' [MPa] f [Hz] T=20°C -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 -125 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 F[kN] γ [%] -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 -125 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 F[kN] γ [%] -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 -125 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 F[kN] γ [%] -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 -125 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 F[kN] γ [%] 2 Hz 1 Hz 0.3 Hz 0.1 Hz T=20°C Optimized GMM4 model
  • 36. Strutture tradizionali e innovative Procedure di progetto F. Barbagallo, M. Bosco, A. Ghersi, E.M. Marino, P. P. Rossi : Proposta di progetto di telai in acciaio con dissipatori viscoelastici, C.T.A. 2017, Venezia Per chi è interessato:
  • 37. Strutture con dissipatori viscoelastici Realizzazioni scuola Gentile-Fermi di Fabriano (AN) (2006) 33 dissipatori elastomerici, forza max da 30 a 79 kN, rigidezza da 7.4 a 19.8 kN/mm, spostamento ±4 mm
  • 39. Strutture tradizionali e innovative Strutture con controventi concentrici e pendoli verticali STESSA ‘15 Geometria : Risposta elastica : (SZBF) V-CBF + pendoli verticali Controv. ultimo piano Risposta inelastica : Altri controv. Travi Pendoli verticali Colonne
  • 40. Suspended zipper braced frames Risposta sismica instabilità primo contr. instabilità altri contr. risposta ultima 1 2 3 ag1 ag2 ag3< <
  • 41. Suspended zipper braced frames Procedure di progetto Nel passato, Yang et al. (2008) hanno suggerito una procedura di progetto assumendo che : L’applicazione di questa procedura di progetto ha evidenziato che, nel caso di edifici alti, la resistenza richiesta alle membrature elastiche era molto grande. • tutti i controventi inelastici (ovvero quelli al di sotto dell’ultimo piano) possano raggiungere la loro massima resistenza • le travi non forniscano contributo alla resistenza alle azioni sismiche
  • 42. Suspended zipper braced frames Procedure di progetto Per mitigare questo svantaggio, alcuni altri autori hanno recentemente proposto una procedura di progetto meno stringente assumendo che le forze sbilanciate dei controventi concentrici non raggiungano il loro massimo simultaneamente a tutti i piani, in virtù dei modi di vibrazione superiori.
  • 43. Suspended zipper braced frames Sforzi normali Gli sforzi normali delle membrature del sistema di sospensione (i.e. pendoli verticali, colonne e elementi della struttura reticolare di sommità) sono calcolate assumendo che le forze sbilanciate possano essere sviluppate solo ai 5 piani più bassi dell’edificio. Ad esempio, gli sforzi normali dei pendoli del piano i-esimo sono calcolati come :   lim (i) (j) (j) Ed,t ov pl,Rd,d pb,Rd,d j 1 1.1γ sinθ n N N N    dove lim min{i 1;5}n  
  • 44. Suspended zipper braced frames Controllo della risposta dei controventi Per ottenere che allo stato limite di collasso il massimo allungamento del controvento non sia minore di un assegnato valore, deve essere soddisfatta la seguente relazione dove nb,C (displacement capacity) is il valore corrispondente al raggiungimento dello stato limite di collasso nei controventi del piano in esame e allo sviluppo di un assegnato allungamento. nb,D (displacement demand) è lo spostamento verticale causato dalle forze verticali sbilanciate che possono svilupparsi simultaneamente a tutti i piani al raggiungimento dello stato limite di collasso nei controventi del piano in esame. b,C b,Dv v
  • 45. Suspended zipper braced frames Controllo della risposta dei controventi R 2=L d- 2 h R1=Ld+1 vb,C Lb Ld 1  2 brace #2brace #1 2 2 2 2 2 1 2 b b,C 1 b ( ) 2           R R L v h R L Capacità di spostamento nb,C
  • 46. Suspended zipper braced frames Controllo della risposta dei controventi La richiesta di spostamento nb,D è calcolata come la somma dei tre contributi causati della deformabilità delle seguenti parti della struttura : • Trave reticolare di sommità • Pendoli verticali dal penultimo piano al piano sopra quello in esame • Colonne dal penultimo piano al piano in esame Nota: lo sforzo assiale dei pendoli è assunto non maggiore della somma delle forze sbilanciate ai primi cinque piani dell’edificio
  • 47. • L’utilizzo di gradi superiori a S235 incrementa la snellezza adimensionale del controvento e la capacità di spostamento delle stesse aste. • Se la snellezza adimensionale aumenta da valori minori dell’unità a valori che sono sufficientemente maggiori dell’unità, la pendenza del tratto seguente l’instabilità dell’asta cambia favorevolmente. • Le forze sbilanciate verticali crescono con l’aumento del grado dell’acciaio. a resistenza richiesta alle membrature elastiche è comunque accettabile per il numero limitato dei piani con forze squilibrate e per l’altezza della trave reticolare di sommità. Suspended zipper braced frames Progetto dei controventi Si suggerisce di realizzare i controventi in acciaio di grado superiore a S235
  • 48. Suspended zipper braced frames Momenti flettenti di travi e colonne I momenti flettenti delle travi e delle colonne possono essere efficacemente previsti con semplici relazioni  (i) ns-1 b Fpb(i) (i) Ed,b bD2 (i) b c 3 ( /2) 2 EI S h M v L EA        dove é la somma delle forze verticali sbilanciate considerate dal primo piano al penultimo piano, con un numero massimo di piano pari a 5. In particolare, per le travi :  ns-1 FpbS
  • 49. Bending moments in columns Bending moments of braced columns depend on interstorey displacements and flexural rotations of the end nodes of the columns and are calculated by means of the relationship (i) c(i) (i) (i) Ed,c n s cD2 s 1.2 0.7 0.3 1 EIi M u hn         Parameter recognizes that the maximum bending moments are generally caused by floor displacements corresponding to higher modes of vibration. n s8 1n   Parameter is defined as(i) s 1 33 d 2(i) s d cn 11 cos 1 50 A h L I          where the summation is extended to all the braces or columns (gravity and seismic columns) of the storey under examination.
  • 50. Bending moments in columns Bending moments of braced columns depend on interstorey displacements and flexural rotations of the end nodes of the columns and are calculated by means of the relationship (i) c(i) (i) (i) Ed,c n s cD2 s 1.2 0.7 0.3 1 EIi M u hn         The interstorey displacement corresponds to the achievement of the ductility capacity of braces and to the development of a number of unbalanced vertical forces not higher than five. This parameter is given by the following relationship where   4 2 2 2 bb b u2 2 cD b b bD2 u 1 4 2 24 2 4 LL L u L L h v                      2 2 b u 1L    cDu
  • 51. Suspended zipper braced frames Risposta sismica a collasso Indice di danno dei controventi Sforzi assiali dei controventi Sforzi assiali dei pendoli 0 1 2 3 4 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 Storey DI 4C-PRO left brace right brace 0 3 6 9 12 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 Storey DI 12C-PRO 0 4 8 12 16 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 Storey DI 16C-PRO 0 1 2 3 4 0 600 1200 1800 Nd (kN) Storey 4C-PRO left brace right brace design buckling resistance design plastic resistance 0 3 6 9 12 0 1200 2400 3600 Nd (kN) Storey 12C-PRO 0 4 8 12 16 0 1200 2400 3600 Nd (kN) Storey 16C-PRO 0 1 2 3 4 0 600 1200 1800 Nt (kN) Storey 4C-PRO design axial force without material overstrength 0 3 6 9 12 0 1500 3000 4500 Nt (kN) Storey 12C-PRO 0 4 8 12 16 0 2000 4000 6000 8000Nt (kN) Storey 16C-PRO
  • 52. Suspended zipper braced frames Risposta sismica a collasso Momenti flettenti delle travi Momenti flettenti delle colonne 0 1 2 3 4 0 50 100 150 Mb (kNm) Storey 4C-PRO 0 3 6 9 12 0 100 200 300 Mb (kNm) Storey 12C-PRO 0 4 8 12 16 0 200 400 600 Mb (kNm) Storey design bending moment 16C-PRO 0 1 2 3 4 0 150 300 450 Mc (kNm) Storey design bending moment 4C-PRO 0 3 6 9 12 0 250 500 750 Mc (kNm) Storey 12C-PRO 0 4 8 12 16 0 250 500 750 Mc (kNm) Storey 16C-PRO
  • 54. Strutture in zona sismica Principali caratteristiche 54 Rigidezza laterale Capacità dissipativa Nodi rigidi Contr. eccentrici Contr. concentrici Duali Strutture oscillanti 5
  • 55. Strutture oscillanti Caratteristiche comportamentali Le strutture oscillanti sono dotate di sottostrutture verticali a comportamento elastico e libere (o quasi) di ruotare alla base. 55
  • 56. Strutture oscillanti Classificazione 56 Le sottostrutture verticali rigide possono :  Ruotare intorno ad una cerniera strutturale alla base (Strutture oscillanti incernierate)  Ruotare intorno agli spigoli alla base della parete (Strutture oscillanti appoggiate)
  • 58. Strutture oscillanti incernierate Classificazione 58 Le cerniere alla base possono essere :  Allineate in verticale con le colonne (Strutture con cerniere allineate)  Non allineate in verticale con le colonne (Strutture con cerniere non allineate)
  • 59. Strutture con cerniere allineate Caratteristiche geometriche Nelle strutture in acciaio, la sottostruttura rigida si ottiene mediante l’inserimento di pendoli verticali tra le estremità corrispondenti dei controventi di piani contigui. 59 Schema di telaio con controventi concentrici o eccentrici con pendoli verticali
  • 60. Strutture con cerniere allineate Caratteristiche comportamentali Telaio con controventi eccentrici e pareti oscillanti 60 Gli elementi di un lato del telaio controventato sono progettati in modo da rimanere elastici fino a collasso. Telaio con controventi concentrici e pareti oscillanti Gli elementi dissipativi possono essere vari Tratto da: P.P.Rossi A design procedure for tied braced frames Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 36, pp.2227-2248, 2007
  • 61. 1. A differenza del telaio con controventi tradizionali, la rigidezza laterale di piano è solo lievemente influenzata dalla rigidezza dell’elemento dissipativo. L’ingresso in campo inelastico degli elementi dissipativi rende poco probabile la concentrazione di elevate deformazioni plastiche. CONSEGUENZA h Q  1 L h 1 Q’  L V V M M0M 0M Strutture con cerniere allineate Caratteristiche comportamentali 61
  • 62. 2. La rigidezza laterale globale mostra decrementi crescenti con l’aumentare delle deformazioni inelastiche degli elementi dissipativi. La progressiva deformazione rende la risposta sempre più governata dal moto “rigido” delle sottostrutture elastiche. CONSEGUENZA q L H 1 Q SVL Strutture con cerniere allineate Caratteristiche comportamentali 62
  • 63. 3. Nei sistemi con controventi concentrici … è possibile garantire una moderata capacità di ricentraggio, imponendo che la trave risponda in campo elastico fino a collasso della struttura q L H 1 Q SVB+ SNBRBsen() Strutture con cerniere allineate Caratteristiche comportamentali 63
  • 64. Strutture con cerniere non allineate Caratteristiche geometriche Ogni apparecchio dissipativo va disposto tra il bordo della parete e le colonne adiacenti oppure alla base della parete. La capacità di ricentraggio può essere aumentata mediante cavi post-tesi. 64 Schema di telaio oscillante con cerniera alla base non allineata con le colonne
  • 65. 1. La presenza di strutture oscillanti evita importanti e rapide riduzioni della rigidezza laterale di piano all’atto dell’ingresso in campo inelastico degli elementi dissipativi. • Sistemi oscillanti progettati in ossequio ai principi del capacity design hanno la capacità di coinvolgere gli elementi dissipativi di tutti i piani nel comportamento inelastico globale prima che sia attinto il collasso strutturale. • Il comportamento sismico di tali strutture non è dipendente dalla distribuzione in elevazione del fattore di sovraresistenza. Strutture oscillanti incernierate Vantaggi 65
  • 66. Strutture oscillanti incernierate Svantaggi 66 1. Moderata capacità di ricentraggio 2. Difficoltà nella valutazione delle sollecitazioni di progetto
  • 67. Strutture oscillanti incernierate Difficoltà nella valutazione delle sollecitazioni di progetto 67 Tali sforzi normali dipendono da : Le equazioni di equilibrio non sono sufficienti a determinare gli sforzi assiali negli elementi strutturali destinati a rimanere in campo elastico. • Distribuzione delle forze sismiche equivalenti • Distribuzione degli sforzi assiali nei BRB
  • 68. Strutture oscillanti incernierate Difficoltà nella valutazione delle sollecitazioni di progetto 68  Il valore massimo delle forze sismiche dipende dalla resistenza degli elementi dissipativi  La massima sollecitazione negli elementi non dissipativi cresce con la sollecitazione negli elementi dissipativi  Il valore delle forze sismiche non è limitato dalla resistenza degli elementi dissipativi  La massima sollecitazione negli elementi non dissipativi non dipende solo dalla sollecitazione negli elementi dissipativi Sistema non lineare tradizionale Sistema non lineare oscillante alla base
  • 69. Strutture oscillanti incernierate Difficoltà nella valutazione delle sollecitazioni di progetto 69 Ad esempio, dati due insiemi di forze proporzionali ai primi due modi di vibrazione, sono possibili le forze totali: F (1) -Sa (1) MB (1)MB (1) F (1)  Sa (2) MB (2) F (2)   (1)SD (1) (2) RiF F F F    ovvero : Combinazione 1 Combinazione 2 F (1) -Sa (1) MB (1)MB (1) F (1)  Sa (2) MB (2) F (2) 
  • 70. Strutture oscillanti incernierate Procedure di progetto 70 Sono necessarie quindi procedure di progetto idonee allo scopo
  • 72. Applicazione 1 Strutture oscillanti incernierate alla base 72 Struttura esistente Struttura adeguata Edificio G3 nel campus Suzukakedai dell’Istituto di Tecnologia di Tokyo
  • 73. Applicazione 1 Strutture oscillanti - campus Suzukakedai di Tokyo 73 Impostazione generale
  • 74. Applicazione 1 Strutture oscillanti - campus Suzukakedai di Tokyo 74 Particolari della cerniera alla base della parete oscillante
  • 75. Applicazione 1 Strutture oscillanti - campus Suzukakedai di Tokyo 75 Particolari dell’aggancio della parete oscillante all’impalcato
  • 76. Applicazione 1 Strutture oscillanti - campus Suzukakedai di Tokyo 76 Particolari del sistema di dissipazione
  • 77. Applicazione 2 Strutture oscillanti – torri dissipative 77 Adeguamento del Liceo Varano di Camerino
  • 78. Applicazione 2 Strutture oscillanti – Liceo Varano di Camerino 78 Particolari della torre dissipative A
  • 79. Applicazione 2 Strutture oscillanti – Liceo Varano di Camerino 79 Particolari delle torre dissipative B
  • 80. Applicazione 2 Strutture oscillanti – Liceo Varano di Camerino 80 Particolari del sistema di dissipazione
  • 81. Applicazione 2 Strutture oscillanti – Liceo Varano di Camerino 81 Particolari del sistema di aggancio all’impalcato
  • 82. Applicazione 3 Strutture oscillanti incernierate (strongback) 82 Edificio in Berkeley, California
  • 84. Strutture oscillanti appoggiate Caratteristiche comportamentali 84 Gli elementi del telaio controventato sono progettati in modo da rimanere elastici fino a collasso. Telaio oscillante appoggiato alla base Oscillazione del telaio q q
  • 85. Strutture oscillanti appoggiate Caratteristiche comportamentali 85 Per garantire la capacità di ricentraggio vengono spesso adoperati cavi post-tesi in posizione centrale o eccentrica Posizione eccentrica dei cavi post-tesi q q Posizione centrale dei cavi post-tesi
  • 86. Strutture oscillanti appoggiate Caratteristiche comportamentali 86 Per garantire una buona dissipazione energetica vengono spesso aggiunti dissipatori di varia natura alla base del telaio o al contatto tra telai Posizione del dissipatore tra telaiPosizione del dissipatore alla base
  • 87. Strutture oscillanti appoggiate Caratteristiche comportamentali 87 Per garantire la resistenza al taglio alla base vengono aggiunti blocchi alla base del telaio Posizione del blocco alla base
  • 88. Strutture oscillanti appoggiate Vantaggi e svantaggi 88 Elevata capacità di redistribuzione plastica del danno Elevata capacità di ricentraggio Vantaggi : Svantaggi : Problemi nella connessione a terra Aumento delle accelerazioni verticali Difficoltà nella valutazione delle sollecitazioni di progetto
  • 90. Applicazione 4 Strutture oscillanti appoggiate a terra 90 Edificio in 2850 Telegraph Avenue. Berkeley, California
  • 91. Applicazione 4 Strutture oscillanti appoggiate a terra 91 Edificio in 2850 Telegraph Avenue. Berkeley, California
  • 92. Applicazione 4 Strutture oscillanti appoggiate a terra 92 Edificio in 2850 Telegraph Avenue. Berkeley, California
  • 93. Applicazione 5 Strutture oscillanti appoggiate a terra 93 Te Puni Village Student Accomodation RINGFEDER® Friction Springs consist of separate inner and outer mating tapered rings which stack together to form a column according to the customer’s wish.
  • 94. Applicazione 5 Strutture oscillanti appoggiate a terra 94 Te Puni Village Student Accomodation
  • 95. Applicazione 6 Strutture oscillanti appoggiate a terra 95 Kilmore Street Medical Centre, Christchurch The Kilmore Street Medical Centre is a new building located in the Christchurch central business district. The building is three stories with over 5000m2 of specialist medical facilities, including four operating theatres, patient bedrooms and urology, radiology, orthopaedics and fertility clinics. There is over 650m² of plant deck on the roof and a further plant room at ground level. Construction commenced in July 2012 and the building is due for completion later in 2013.
  • 96. Applicazione 6 Strutture oscillanti appoggiate a terra 96 Kilmore Street Medical Centre, Christchurch
  • 97. FINE