Ponti Isolati Criteri di progettazione ed analisi

Ponti Isolati
Criteri di progettazione ed analisi
Università degli Studi di Pavia
Laboratorio
di progettazione strutturale A
Teoria e Progetto dei Ponti – Prof. G.M. Calvi
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Sommario
1)
Criteri base della progettazione
2)
Componenti del sistema di isolamento
3)
Classificazione dei dispositivi
4)
Metodi di analisi
5)
Combinazione sismica
6)
Principi di modellazione
7)
Analisi e verifiche
8)
Requisiti tecnici
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Riferimento: NTC 2008,
cap. 7.10
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1
Ponti Isolati: Concetto di isolamento sismico e dissipazione energetica
Obbiettivi:
Protezione di pile e spalle da fenomeni di danno
Ottenere una risposta strutturale regolare
Concentrare le deformazioni in componenti facili da
sostituire anche in caso di danneggiamento
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Ponti Isolati: Concetto di isolamento sismico e dissipazione energetica
FLESSIBITA’ Æ AUMENTO DEL PERIODO
Æ Minori accelerazioni/forze
strumento Æ bassa rigidezza
Æ Scorrimento relativo
DISSIPAZIONE ENERGETICA
Æ Riduzione di forze e spostamenti
strumento
ÆComportamento isteretico
Æ attrito
Æ viscosità
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Ponti Isolati: Concetto di isolamento sismico e dissipazione energetica
DISPLACEMENT
ACCELERATION
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Ponti Isolati: Concetto di isolamento sismico e dissipazione energetica
Azioni di progetto nei componenti strutturali
Pile e spalle devono essere dimensionate in modo tale
da garantirne la risposta in campo elastico
Stima conservativa
della resistenza
strutturale (coefficienti
di sicurezza sui
materiali)
Resistenza
es ste a
nominale dei
dispositivi
FRd ≥ FSd = φ oω FN
Amplificazione dell’azione trasmessa dagli isolatori per
tener conto della variabilità delle caratteristiche dei
dispositivi
• rispetto alle proprietà nominali
Trascurato in analisi
statica lineare
(massa delle pile < 1/5
massa impalcato)
Contributo della
massa sismica
delle pile
• in funzione della variabilità delle condizioni di progetto
(ad esempio: variabilità dell’azione assiale agente, velocità
di deformazione ecc.)
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Implicita in modelli 3D ad
elementi finiti (analisi
modale con spettro di
risposta / analisi
dinamiche)
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Criteri di modellazione e analisi (NTC, 2008): ponti isolati
Componenti del sistema di isolamento
Dispositivi di isolamento:
•
•
•
funzioni principali
g
in direzione orizzontale
Riduzione della rigidezza
Dissipazione energetica (eventuale)
Funzione di ricentramento (eventuale)
Connessioni o vincoli supplementari:
•
•
elementi di connessione eventualmente inseriti allo scopo di:
Limitare le deformazioni per deformazioni non sismiche (veicolari, vento)
C
Creare
un vincolo
i
l ttra pile
il ed
d iimpalcato
l t iin caso di sisma
i
((vincoli
i
li id
idraulici,
li i
chiavi di taglio)
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Criteri di modellazione e analisi (NTC, 2008): ponti isolati
Metodi di analisi
1.
Statica lineare
2.
Modale (dinamica lineare)
3.
Statica non-lineare (Pushover)
4.
Dinamica non-lineare
NB: analisi lineari
Quando la rigidezza e/o lo smorzamento equivalenti del sistema di isolamento dipendono
significativamente dallo spostamento di progetto, deve applicarsi una procedura iterativa
fino a che la differenza tra il valore assunto e quello calcolato sia inferiore al 5%.
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Criteri di modellazione e analisi (NTC, 2008): ponti isolati
Metodi di analisi
1.
Statica lineare – requisiti per l’applicazione
a)
il sistema d’isolamento può essere modellato come lineare
b)
il periodo equivalente Tis della costruzione isolata ha un valore compreso fra 3·Tbf e 3,0 s, in cui Tbf è il
periodo della sovrastruttura assunta a base fissa, stimato con un’espressione approssimata;
c)
la rigidezza verticale del sistema di isolamento Kv è almeno 800 volte più grande della rigidezza
equivalente orizzontale del sistema di isolamento Kesi;
d)
il periodo in direzione verticale Tv, calcolato come Tv = 2π √M/ Kv , è inferiore a 0,1 s;
e)
nessun isolatore risulta in trazione per l’effetto combinato dell’azione sismica e dei carichi verticali;
f)
il sistema resistente all’azione sismica possiede una configurazione strutturale regolare in pianta
g) lo schema statico è a impalcati semplicemente appoggiati, oppure lo schema statico è a impalcati
continui con geometria regolare, caratterizzata da: sostanziale rettilineità dell’impalcato, luci
uguali, rapporto massimo tra le rigidezze delle pile inferiore a 2, lunghezza totale dell’impalcato
continuo inferiore a 150m;
h) la massa della metà superiore delle pile è inferiore a 1/5 della massa dell’impalcato;
i)
le pile hanno altezza inferiore a 20 m;
j)
in direzione trasversale la distanza tra il centro di rigidezza del sistema di isolamento e il centro di
massa dell’impalcato non è superiore al 5% della dimensione trasversale della sovrastruttura.
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Criteri di modellazione e analisi (NTC, 2008): ponti isolati
Metodi di analisi
Il comportamento del sistema di isolamento può essere modellato come lineare
equivalente se sono soddisfatte tutte le seguenti condizioni:
a) la rigidezza equivalente del sistema d’isolamento è almeno pari al 50% della rigidezza
secante per cicli con spostamento pari al 20% dello spostamento di riferimento;
b) lo smorzamento lineare equivalente del sistema di isolamento, come definito in
precedenza, è inferiore al 30%;
c) le caratteristiche forza-spostamento del sistema d’isolamento non variano più del 10%
per effetto delle variazioni della velocità di deformazione, in un campo di ±30% intorno
al valore di progetto
per effetto delle variazioni dell’azione verticale sui dispositivi, nel campo di variabilità di
progetto;
d) l’incremento della forza nel sistema d’isolamento per spostamenti tra 0,5ddc e ddc,
essendo ddc lo spostamento del centro di rigidezza dovuto all’azione sismica, è almeno
pari al 2,5% del peso totale della sovrastruttura.
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Criteri di modellazione e analisi (NTC, 2008): ponti isolati
Metodi di analisi
1.
Statica lineare – procedura
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Criteri di modellazione e analisi (NTC, 2008): ponti isolati
Metodi di analisi
1.
Statica lineare – procedura
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Criteri di modellazione e analisi (NTC, 2008): ponti isolati
Metodi di analisi
2.
Dinamica lineare (Modale)
Requisiti per l’applicazione
a) il sistema d’isolamento può essere modellato come lineare
b) Il modello di utilizzato è comprensivo degli elementi della sottostruttura (pile)
NB:
Lo spettro
p
elastico va ridotto p
per tutto il campo
p di p
periodi T ≥ 0,8
, Tis, assumendo
per il coefficiente riduttivo η il valore corrispondente al coefficiente di
smorzamento viscoso equivalente ξesi del sistema di isolamento.
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Criteri di modellazione e analisi (NTC, 2008): ponti isolati
Combinazione con le altre azioni
Azioni
Masse
NB: Considerare sempre anche le componente sismica verticale per l’analisi di ponti
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Criteri di modellazione e analisi (NTC, 2008): ponti isolati
Principi di Modellazione
•
Eccentricità accidentale: solo per analisi statica lineare Æ e = 0.03 L
•
Ipotesi di comportamento lineare degli elementi strutturali
•
La deformabilità verticale degli isolatori dovrà essere messa in conto quando il rapporto tra la
rigidezza verticale del sistema di isolamento Kv e la rigidezza equivalente orizzontale Kesi è inferiore a
800
•
Valutare gli effetti della variabilità delle proprietà degli isolatori (per costruzioni di classe d’uso III – IV)
•
Condizioni di MASSIMA rigidezza Æ per valutare il livello delle forze trasmesse
•
Condizioni di minima rigidezza Æ per verifica della capacità di spostamento
Se la variabilità delle proprietà del SI sono già state incluse nelle analisi
gli elementi strutturali dovranno essere dimensionati in funzione delle sollecitazioni ottenute,, senza
Æg
applicare ulteriori fattori di sovraresistenza
Æ In caso contrario, le azioni trasmesse dovranno essere amplificate, in funzione della variabilità dei
parametri dei dispositivi rispetto alle ipotesi di calcolo
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Criteri di progettazione: ponti isolati
Proprietà dei dispositivi
Variabilità delle caratteristiche dei dispositivi di isolamento
Φ0 = 0.85 -1.5
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Criteri di progettazione: ponti isolati
Verifiche
Stato limite di servizio (SLD)
•
Si considerano soddisfatte se la struttura verifica i requisiti per lo SLV
•
I dispositivi di isolamento non devono subire danni
•
Per isolatori non-lineari, eventuali spostamenti residui al termine dell’azione
sismica allo SLD non devono essere tali da compromettere la funzionalità del
ponte
•
Connessioni strutturali e devono essere in grado di assorbire gli spostamenti
differenziali corrispondenti allo SLD, senza che sia compromessa la funzionalità
svolta
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Criteri di progettazione: ponti isolati
Verifiche
Stato limite ultimo (SLV)
•
Gli elementi della sottostruttura (pile) e della sovrastruttura (impalcato) devono
essere verificati rispetto alle sollecitazioni ottenute dall’analisi (comportamento
elastico) Æ q=1
q 1
•
Se le pile non sono incluse nel modello, alle sollecitazioni ottenute occorre
aggiungere anche gli effetti indotti dall’accelerazione del terreno applicata ad
esse (spettro di risposta – accelerazione pari a PGA se le pile hanno periodo
inferiore a 0.05s)
•
Le parti dei dispositivi non soggette a dissipazione, devono rimanere in campo
elastico,
l ti
con un ffattore
tt
di sicurezza
i
parii ad
d1
1.5
5
•
Isolatori mai in trazione (è consentito una sforzo di trazione pari al minimo tra 2G
ed 1MPa solo per isolatori elastomerici)
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Criteri di progettazione: ponti isolati
Verifiche
Stato limite ultimo (SLC)
•
Capacità di spostamento degli isolatori: deve essere sufficiente a preservarli da
rotture per lo spostamento ultimo d2
d2: valutato per un sisma allo SLC
Isolatori a comportamento lineare: consentono le deformazioni lente Æ devono
essere considerate nella valutazione dello spostamento di progetto
•
deformazioni termiche Æ coefficiente di combinazione=0.5
•
Ritiro viscosità Æ coefficiente di combinazione=1
Isolatori non-lineari:
•
Se la soglia di snervamento è elevata, non subiscono deformazioni lente
(assorbite dalla pila)
•
Aggiungere il maggiore tra lo spostamento residuo allo SLD ed il 50% dello
spostamento corrispondente all’annullamento della forza, partendo dallo
spostamento massimo ottenuto allo SLD e seguendo il ramo di scarico
•
•
•
In particolare la capacità di spostamento di tutti i dispositivi deve tener conto degli effetti termici sulla
struttura nel quale il dispositivo è inserito, i cui spostamenti indotti dovranno essere sommati a quelli
prodotti dal terremoto di progetto.
(ISTRUZIONI: “…. le verifiche allo SLC devono essere effettuate di necessità sulle sole costruzioni
provviste di isolamento sismico”)
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Documentazione tecnica
Documentazione che accompagna la fornitura
1)
Estremi dell’attestato di conformità (CE) o dell’attestato di qualificazione
2)
Estremi della certificazione del processo di produzione
3)
Estremi dei rapporti di prova
4)
Caratteristiche tecniche dichiarate dal produttore
5)
Prove di accettazione: su almeno il 20% dei dispositivi da mettere in
opera
A questa
t documentazione,
d
t i
sii aggiunge
i
L’ATTESTATO DI ACCETTAZIONE,
ACCETTAZIONE
rilasciato all’atto della posa in opera dal direttore dei lavori una volta verificata la
corrispondenza dei dispositivi con le specifiche dichiarate dal produttore
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