Date post: | 17-Sep-2015 |
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UNIVERSITA DEGLI STUDI DI SALERNO Facolt dIngegneria
Settore Tecnica delle Costruzioni
Tesi di Laurea Specialistica in
Ingegneria Edile Architettura (Classe 4/S)
ANALISI SPERIMENTALE DI COLLEGAMENTI
TRAVE-COLONNA EQUIPAGGIATI CON
DISSIPATORI AD ATTRITO E PROGETTAZIONE
DI UN EDIFICIO PILOTA
Relatore Candidato
Prof. Vincenzo Piluso Mariarosaria Ariano
Matr. 0630100084
Correlatori
Prof. Gianvittorio Rizzano
Ing. Elide Nastri
ANNO A.A. 2010/2011
Ai miei adorati Genitori
SOMMARIO
I
La progettazione di sistemi intelaiati in acciaio, condotta secondo
sofisticate procedure di progettazione fondate sui teoremi del collasso
plastico, garantisce adeguate prestazioni in termini di duttilit e
resistenza, massimizzando la capacit dissipativa della struttura, sotto
azioni orizzontali.
Nellottica delle strategie per la dissipazione supplementare dellenergia
sismica risulta vantaggioso, per i sistemi sismo-resistenti verticali,
linstallazione di dispositivi smorzatori atti a ridurre e/o eliminare
limpegno plastico delle membrature strutturalmente connesse sotto
terremoti di natura distruttiva.
Nellambito del seguente lavoro di ricerca, la possibilit di perseguire
questo ambizioso obiettivo si realizza mediante la progettazione e
sperimentazione di collegamenti trave-colonna innovativi di tipo Double
Split Tee (DST) a parziale ripristino di resistenza, equipaggiati con
dissipatori ad attrito caratterizzati da parti intercambiabili e facilmente
riparabili. Lenergia sismica si concentra nei suddetti dissipatori,
generalmente posti in corrispondenza delle flange delle travi e agenti
come componenti pi deboli, specificamente progettate per la
dissipazione e concepite al fine di semplificare le eventuali operazioni di
sostituzione a seguito di danneggiamento.
Una campagna sperimentale stata condotta presso il Laboratorio
Prove Materiali e Strutture dellUniversit degli Studi di Salerno allo
scopo di investigare il comportamento ciclico-rotazionale di
II
collegamenti di tipo innovativo, al variare di alcuni parametri di
progetto significativi per la concezione innovativa dei collegamenti
stessi.
Nella fase preliminare di sperimentazione stato analizzato il
comportamento ciclico della sola componente preposta alla dissipazione
dellenergia. Sulla scorta dellevidenza sperimentale, stata effettuata la
determinazione del coefficiente dattrito per le differenti interfacce di
scorrimento investigate, quali ottone, materiali compositi a matrice
fibrosa ed acciaio rivestito con alluminio termicamente spruzzato
allarco elettrico.
La fase sperimentale successiva ha evidenziato le ottime prestazioni dei
collegamenti cos concepiti, confermando la validit dei criteri di
progettazione adottati, nonch la governabilit dei meccanismi
dinterazione che si manifestano localmente sotto carichi ciclici ripetuti
e, soprattutto, la possibilit di pervenire a collegamenti trave-colonna
praticamente privi di danneggiamento.
Ad una pi ampia scala, la possibilit di conseguire lambizioso
obiettivo di strutture prive di danneggiamento anche in occasione di
eventi sismici distruttivi stata investigata mediante la progettazione di
un Edificio Pilota, con il quale stata condotta una prima applicazione
di suddette strategie ad un caso di studio realistico. In particolare, le
capacit sismoresistenti del complesso strutturale, sono state affidate a
telai perimetrali (MRF), provvisti di controventi concentrici destremit,
atti esclusivamente a ridurre la deformabilit laterale della struttura.
III
Linstallazione dei suddetti collegamenti innovativi trave-colonna,
equipaggiati con dispositivi dissipatori e ladozione alla base delle
colonne del primo impalcato di collegamenti a perno, atti a trasmettere
gli sforzi assiali e di taglio, equipaggiati con dissipatori ad attrito
posizionati con opportuno braccio di leva al fine di garantire la
resistenza flessionale desiderata, mira alla prevenzione dei danni
strutturali, anche nel caso di completo sviluppo di un meccanismo di tipo
globale che, in ogni caso, si rende necessario al fine di garantire che le
colonne rimangano in campo elastico.
Lo sviluppo di un modello agli elementi finiti (FEM), mediante software
di calcolo SAP2000, ha consentito lanalisi della risposta sismica di tale
edificio di concezione innovativa tenendo conto della risposta non
lineare dei collegamenti trave-colonna e colonna-fondazione
caratterizzata dalla presenza di dissipatori ad attrito.
Le analisi dinamiche condotte hanno evidenziato gli elevati valori di
accelerazione spettrale, ossia della misura dellintensit sismica, che la
tipologia strutturale innovativa proposta consente di sopportare con
danneggiamenti praticamente trascurabili.
La comparazione di un quadro cos ampio di risultati chiarisce
lefficacia dellapproccio progettuale utilizzato, nonch le potenzialit
applicative di una strategia innovativa di prevenzione del danno nel caso
di strutture intelaiate in acciaio.
IV
Ringraziamenti
V
Ed eccomi qui, al termine di un incredibile percorso, di una irripetibile
esperienza di vita, in cui le emozioni, il sacrificio, le difficolt e lentusiasmo
non sono mai mancati.
Non mai macata la curiosit per le nuove sfide universitarie, la tentazione
di andare a fondo alle nuove cose, la determinazione di riuscirci ad ogni
costo, a volte ferma nelle proprie idee, altre volte alla disperata ricerca di
un riferimento.
Penso ai miei Genitori, e penso che senza di loro tutto questo non avrebbe
avuto ragion dessere. Sopra ogni cosa, entrambi mi hanno spronato a
seguire la mia strada, evitando quei percorsi fuorvianti che sempre si
incontrano lungo il cammino, istruendomi al rispetto, alla lealt e alla
dignit. Credo che da Loro non smetter mai di imparare.
Penso al mio percorso, a tutte quelle persone che inevitabilmente lo hanno
segnato negli anni ed in particolare in questi ultimi mesi.
Un ringraziamento va al Prof. Vincenzo Piluso, che con la sua sorprendente
regia ha dato continuo impulso a questo lavoro, nonch al Prof. Gianvittorio
Rizzano, che mi ha dato la possibilit di sperimentare e sperimentarmi nel
campo della ricerca. Entrambi hanno contribuito alla mia crescita culturale.
Ancora lIng. Massimo Latour che mi ha seguita nellattivit di laboratorio e
mi ha aiutata nellardua impresa di destreggiarmi tra chiavi inglesi,
rondelle e bulloni.
Un pensiero speciale va agli amici di sempre, che in questi anni mi hanno
vista cambiare, ma sempre mi sono stati accanto. In particolare ringrazio
Anna e Patrizia, compagne di lungo viaggio, per i momenti di sana follia
trascorsi insieme, per i sorrisi e le parole che mi hanno riservato, per la
fiducia che sempre in me, incondizionatamente hanno riposto.
VI
Penso ad Aniello, lamico per antonomasia, che con la sua semplicit e
genuinit ha avuto il merito di comprendere al volo i miei silenzi e
soprattutto i miei sguardi.
Ripenso ai rapporti umani che questa esperienza mi ha regalato. Ho spesso
temuto che il tempo, la distanza e la mancanza di una quotidianit
accademica potessero spazzarli via.
Eppure ho imparato che la volont e lautenticit delle persone fa la
differenza, e che unesperienza conclusa solo lincipit di una nuova storia da
scrivere insieme.
Un ringraziamento va ai miei colleghi sempre entusiasti e disponibili al
confronto, in particolare Paolo, mio socio storico che con la sua ironia e il suo
umorismo ha illuminato i momenti difficili di questi studi, lasciandomi degli
indimenticabili ricordi.
E poi Vincenza, amica oltre che irreprensibile collega di sempre, arrivata in
punta di piedi, silenziosamente ha preso il sopravvento. La sua preziosa
vicinanza mi ha insegnato ad apprezzare le piccole cose, pur puntando
sempre allorizzonte, senza aver paura di sognare in grande.
Grazie a tutti Voi.
Mariarosaria
Indice
VII
Sommario I
Ringraziamenti V
Indice VII
Indice Appendice XII
1. Inquadramento delle strategie per la protezione sismica
1.1 Equazione del bilancio dellenergia per un sistema SDOF 1
1.2 Strategie di progettazione per la protezione sismica 2
1.2.1 Strategie di tipo tradizionale 3
1.2.2 Strategie di tipo innovativo 9
1.3 Sistemi attivi di controllo strutturale 10
1.4 Sistemi semi-attivi di controllo strutturale 11
1.5 Sistemi passivi di controllo strutturale 12
1.6 Sistemi ibridi di controllo strutturale 12
1.7 Classificazione dei dispositivi passivi per il controllo strutturale 13
1.8 Motivazioni del lavoro di ricerca 17
1.9 Bibliografia 20
2. Dispositivi Dissipatori ad Attrito
2.1 Meccanismi dinterazione tra superfici metalliche 23
2.1.2 Meccanismi di usura 27
2.2 Teoria classica dellAttrito 28
2.3 Influenza dei dispositivi ad attrito sulla risposta simica di un
sistema SDOF 33
2.4 Analisi dei dispositivi esistenti 38
2.5 Bibliografia 43
Anal is i Sperimentale d i Col legamenti Trave -Colonna equipaggiat i con Diss ipatori ad Attri to e Progettazione di Edi f ic io P i lota
VIII
3. Prove Cicliche su collegamenti Trave Colonna di tipo DST
equipaggiati con dissipatori ad attrito
3.1 Premessa 46
3.2 Idea di Progetto per collegamenti di tipo innovativo 53
3.3 Progettazione collegamenti oggetto di sperimentazione 54
3.3.1 Nodo TS-CYC 12 54
3.3.2 Nodo TS-CYC- 13 60
3.4 Programma sperimentale 63
3.5 Prove su componente dissipativa 63
3.5.1 Comportamento ciclico per Interfaccia Acciaio Acciaio con
rondelle circolari 67
3.5.2 Comportamento ciclico per Interfaccia Ottone Acciaio con
rondelle circolari 73
3.5.3 Comportamento ciclico Interfaccia Materiale M0 Acciaio con
rondelle circolari 76
3.5.4 Comportamento ciclico Interfaccia Materiale M1 Acciaio con
rondelle circolari 81
3.5.5 Comportamento ciclico Interfaccia Materiale M2 Acciaio con
rondelle circolari 85
3.5.6 Test sperimentale con rondelle coniche 89
3.5.7 Comportamento ciclico Interfaccia Alluminio Termicamente
spruzzato allarco elettrico Acciaio 95
3.6 Prove su nodo 113
3.6.1 Setup di prova 113
3.6.2 Schematizzazione e modalit di prova 114
Indice
IX
3.7 Bibliografia 149
4. Progettazione di Edificio Pilota equipaggiato con dispositivi di
dissipazione supplementare
4.1 Descrizione Caso di Studio 152
4.1.1 Sistema di orizzontamento 153
4.2 Analisi dei carichi 155
4.3 Sistema sismo-resistente perimetrale 156
4.3.1 Progettazione Travi di Impalcato 155
4.3.2 Meccanismi di dissipazione dellenergia 158
4.3.3 Condizioni di progetto per meccanismo di collasso controllato 163
4.3.4 Applicazione a Caso di Studio 167
4.3.5 Progettazione Nodi Trave-Colonna 175
4.3.6 Calcolo della rigidezza rotazionale dei collegamenti mediante il
metodo delle componenti 180
4.3.7 Dispositivi di base: Progettazione e Verifica 184
4.3.8 Elementi di controvento 190
4.3.8.1 Elementi di controvento 191
4.4 Sistema pendolare interno
4.4.1 Progettazione travi di impalcato 194
4.4.2 Colonne: Progettazione e Verifica 196
4.4.3 Unioni bullonate: Progettazione e Verifica 199
4.5 Bibliografia 206
5 Analisi della risposta sismica
5.1 Definizione modello di analisi 208
Anal is i Sperimentale d i Col legamenti Trave -Colonna equipaggiat i con Diss ipatori ad Attri to e Progettazione di Edi f ic io P i lota
X
5.2 Analisi Statiche Non Lineari 209
5.3 Analisi Dinamiche Incrementali (IDA) 213
5.3.1 Telaio Longitudinale 214
5.3.2 Telaio Trasversale 222
5.4 Bibliografia 228
Conclusioni 230
Appendice
Relazione di calcolo
Elaborati progettuali esecutivi
Tav 4.1 Sistema pendolare
Tav 4.2 Telaio longitudinale
Tav 4.3 Telaio trasversale
XI
Indice Appendice
XII
1. Sistema Sismo-Resistente Perimetrale
1.1 Progettazione Travi di Impalcato 3
1.2 Progettazione Nodi Trave Colonna Telaio Longitudinale 7
1.3 Progettazione Nodi Trave Colonna Telaio Longitudinale 8
1.4 Calcolo della rigidezza rotazionale dei collegamenti mediante
Metodo delle Componenti 11
2. Sistema Pendolare Interno
2.1 Progettazione Travi di Impalcato 19
2.2 Unioni Bullonate: Progettazione e Verifica 31
2.2.1 Unioni Trave Trave 31
2.2.2 Unioni Trave Colonna 41
1
CAPITOLO 1
Inquadramento delle strategie per la protezione
sismica
1.1 Equazione del bilancio dellenergia per un sistema SDOF Dalla Dinamica delle Strutture noto che lequazione del moto di un
sistema strutturale ad un solo grado di liberta (Figura 1. 1), soggetto ad
uneccitazione sismica alla base, esprimibile mediante la seguente
formulazione:
(Eq. 1. 1)
Tale equazione risulta valida per un oscillatore semplice a comportamento
non-lineare, in presenza di smorzamento di tipo viscoso, sottoposto ad una
forzante pari a F(t) = . Tale azione detta di trascinamento,
compie lavoro imponendo al sistema una storia di spostamento funzione
del tempo.
Figura 1. 1: Sistema SDOF
Suddetto lavoro, corrisponde alla variazione dellenergia meccanica del
sistema, da ci si ricava lequazione del bilancio energetico secondo:
Equazione del bi lancio del l energia per un s istema SDOF
2
(Eq. 1. 2)
Essendo lo spostamento che la massa m compie nellintervallo
infinitesimo di tempo .
Dalla (Eq. 1.2) mediante opportune sostituzioni si ricava:
(Eq. 1. 3)
= Energia cinetica
= Energia dissipata per smorzamento viscoso
Sia Ee lenergia potenziale elastica immagazzinata nel sistema, ed Eh
lenergia dissipata per via isteretica, fornita dalla struttura stessa a prezzo
di notevoli escursioni in campo plastico.
Lintegrale della forza nellintervallo di tempo dt fornisce, di fatti lenergia
sismica in ingresso pari a:
.
La (Eq. 1.3) pu essere scritta nella forma:
(Eq. 1. 4)
In condizioni di quiete, allarrestarsi dellevento sismico, seppur si
registrino ulteriori oscillazioni in prossimit della struttura, la (Eq. 1.4) si
traduce nella seguente espressione:
(Eq. 1. 5)
1.2 STRATEGIE DI PROGETTAZIONE PER LA PROTEZIONE SISMICA
Dalla (Eq. 1.5) appare evidente la possibilit di minimizzare la risposta
sismica dei complessi strutturali, governando le diverse forme di energia
Inquadramento del le strategie per la protezione s ismica
3
presenti nel sistema. Sulla scorta del bilancio energetico possibile
distinguere differenti strategie di progettazione delle strutture sismo-
resistenti, al fine della mitigazione del rischio sismico.
Nello specifico si distinguono :
- Strategie di progettazione sismica di tipo tradizionale
- Strategie di progettazione sismica di tipo innovativo
1.2.1 Strategie di tipo tradizionale
Levidenza sperimentale a scala reale degli eventi sismici verificatisi negli
ultimi secoli, ha dato impulso ad una densa attivit di ricerca nel campo
dellIngegneria Sismica. Numerosi studi nel corso degli anni, hanno
sottolineato la possibilit{ di dissipare lenergia in ingresso, mediante
escursioni di natura plastica, tali da risultare perfettamente compatibili con
le capacit meccaniche di un sistema strutturale.
In generale, la duttilit rappresenta la capacit di una membratura o di un
sistema di membrature, di esibire notevoli escursioni deformative, senza
significative perdite di resistenza.
E evidente che ad una scala globale, il grado di duttilit{ atteso sia
notevolmente influenzato dalle capacit locali esibite dal materiale, dalle
membrature e/o dal generico sotto-assemblaggio strutturale.
Gli attuali codici normativi, governano le procedure di progettazione,
ovvero gli eventuali meccanismi di collasso, nonch i livelli di duttilit
desiderati per un complesso strutturale, mediante il fattore di struttura q,
che nella generalit dei casi dato dal rapporto tra la massima
accelerazione orizzontale attesa al suolo Au, e il valore di accelerazione che
conduce al primo superamento della soglia di snervamento Ay [1].
Stategie di progettazione per la protezione s ismica
4
(Eq. 1. 6)
Tale fattore riduce il il tagliante sismico alla base, richiesto dalla struttura
per rimanere in campo elastico durante un evento sismico di tipo
distruttivo.
La capacit propria di dissipare energia, influenzata dalla distribuzione
delle masse e delle rigidezze in pianta ed in elevazione del particolare
sistema strutturale. I dati sperimentali hanno dimostrato che il valore di q
dipende dal tipo di materiale impiegato, dalle tecnologie costruttive
adottate nonch dalle tipologia strutturale prevista.
Lanalisi della risposta sismica di un sistema sottoposto ad azioni
orizzontali, cos ridotte, garantisce un adeguato livello di sicurezza rispetto
agli stati limite di riferimento.
E interessante sottolineare che in accordo alla definizione del fattore di
struttura, ed al suo significato fisico, le tipologie strutturali si dividono in
due categorie fondamentali:
- Strutture non dissipative
- Strutture dissipative
Le strutture non dissipative sono dimensionate al fine di trasferire azioni
sismiche rimanendo in campo elastico. In tal caso q assume un valore q = 1.
Le strutture dissipative hanno la capacit{ di dissipare lenergia sismica in
ingresso, a seguito del comportamento isteretico delle loro component. Il
corrispondente fattore di struttura sempre q > 1.
Il comportamento di entrambe le tipologie strutturali dipende dal numero
di zone dissipative e zone non dissipative di cui risultano caratterizzate.
Inquadramento del le strategie per la protezione s ismica
5
Per il 1 Principio del Capacity Design, le zone non dissipative delle
strutture dissipative, debbono essere progettate sulla scorta delle
massime sollecitazioni interne che le zone dissipative sono in
grado di trasmettere.
Per il 2 Principio del Capacity Design, le zone dissipative debbono
essere progettate in funzione delle massime sollecitazioni attese a
seguito di un evento sismico.
E evidente, secondo tale filosofia di progetto, che le zone non dissipative
vengono progettate al fine di esibire una risposta elastico-lineare,
diversamente le zone dissipative risultano interessate da uno snervamento
ciclico ripetuto.
Tale precisazione consente di individuare le principali tipologie di strutture
dissipative sismo-resistenti in funzione della tipologia e del numero di zone
dissipative, che potenzialmente possono svilupparsi (Figura 1. 2):
- Telai con controventi concentrici (CBF)
- Telai con controventi eccentrici (EBF)
- Telai sismo-resistenti (MRF)
I telai con controventi concentrici, consentono il trasferimento dellazione
sismica o di una parte di essa. Nel primo caso, i collegamenti travecolonna
provvedono allassorbimento di soli sforzi taglianti, nel secondo caso
invece sono preposti al trasferimento sia di sforzi taglianti che di momenti
flettenti. In entrambi casi, risulta per necessario concepire collegamenti a
completo ripristino di resistenza. Le zone dissipative, sono collocate a
ragione, in corrispondenza delle diagonali tese. Di fatto le capacit
prestazionali sotto azioni cicliche, possono risultare pressoch
insoddisfacenti a causa dellinstabilizzarsi ripetuto delle diagonali
Stategie di progettazione per la protezione s ismica
6
compresse, comportando una riduzione dellenergia dissipata dal sistema
con il perdurare dellevento sismico.
I telai con controventi eccentrici, costituiscono una valida alternativa alla
precedente tipologia strutturale. La rigidezza del sistema notevolmente
influenzata dalla presenza delle diagonali, che sono collocate
eccentricamente rispetto agli elementi che compongono il telaio sismo-
resistente. I controventi scompongono le membrature in due o pi parti di
diversa lunghezza. La parte di lunghezza minore, cosiddetta link, funge
propriamente da zona dissipativa, atta ad assorbire sollecitazioni di
flessioni e taglio, quando sottoposta ad azioni sismiche.
I telai sismo-resistenti trasferiscono le azioni orizzontali principalmente
attraverso sollecitazioni flettenti. La dissipazione dellenergia avviene in
corrispondenza delle estremit delle membrature, dove si registra la
formazione di cerniere plastiche, atte ad esibire un comportamento ciclico
rotazionale, compatibile con le capacit della struttura. Tali sistemi
vengono progettati, con lintento di garantire un meccanismo di collasso
controllato atto a massimizzare il numero di cerniere plastiche nella
struttura, scongiurando di fatti i meccanismi di tipo parziale. Nello specifico
caso, le cerniere plastiche si concentrano allestremit{ delle travi, piuttosto
che allestremit{ delle colonne fatta eccezione per le membrature di base.
Tale tipologia strutturale trova largo impiego nel campo degli edifici di
media e/o bassa altezza, poich garantisce unadeguata dissipazione
dellenergia sismica in ingresso, indispensabile per prevenire il collasso a
seguito di eventi sismici di notevole intensit.
Inquadramento del le strategie per la protezione s ismica
7
Telai con controventi concentrici
X-braced frame V-braced frame Inverted V-braced K-braced frame frame frame
Telai con controventi eccentrici
D-braced frame K-braced frame V- braced frame
Telai momento-resistenti
Figura 1. 2: Tipologia di srutture dissipative tradizionali
Stategie di progettazione per la protezione s ismica
8
Tuttavia i requisiti prestazionali imposti dagli attuali codici di
progettazione sismica, atti a limitare la deformabilit laterale del sistema,
sotto sismi di bassa intensit ma di maggiore frequenza, possono rivelarsi
piuttosto severi. In particolare la rigidezza laterale della struttura
diminuisce allaumentare progressivo della sua altezza, con conseguente
incremento degli spostamenti relativi di piano.
In accordo con la definizione di zone dissipative e zone non dissipative [2],
interessante sottolineare che il comportamento post-elastico delle
membrature in acciaio, pu determinare linsorgere di differenti
meccanismi dissipativi, quali lo snervamento del materiale, la
plasticizzazione del pannello nodale o degli elementi di connessione, il
rifollamento dei bulloni, nonch la formazione di cerniere plastiche
allestremit{ delle travi. Linsorgere di meccanismi non dissipativi pu
determinare diversamente, fenomeni indesiderati di instabilit locale,
snervamento dei bulloni e/o impegno plastico delle unioni saldate.
Al fine di ottenere una progettazione controllata, risulta possibile conferire
alle componenti potenzialmente pi deboli un grado di sovra-resistenza
rispetto alle componenti propriamente dissipative, evitando di fatto
linsorgere di meccanismi non dissipativi nel caso di strutture con
comportamento duttile.
Nellottica delle strategie tradizionali per la protezione del rischio sismico,
alloccorrenza di eventi sismici di modesta entit{, e con bassi periodi di
ritorno, lenergia sismica in ingresso viene dissipata esclusivamente per via
viscosa, per tali ragione la (Eq. 1.5) assume la forma:
Inquadramento del le strategie per la protezione s ismica
9
Nel caso di eventi sismici distruttivi, con elevati periodi di ritorno, la (Eq.
1.5) risulta:
Lenergia sismica in ingresso viene dissipata maggiormente per via
isteretica, e solo in misura minore tramite smorzamento viscoso. Le zone
dissipative sono sottoposte ad un notevole impegno plastico, che conduce
ad un progressivo danneggiamento delle membrature coinvolte.
1.2.2 Strategie di tipo innovativo
Come gi{ ampiamente discusso, ladozione di strategie tradizionali di
progettazione opera ai fini della mitigazione del rischio sismico, riducendo
lentit{ del danneggiamento in corrispondenza della struttura primaria.
Una soglia di danno risulta ugualmente accettata, a condizione che la
struttura, anche a seguito di eventi sismici dirompenti, preservi le capacit
di resistenza e rigidezza rispetto alle azioni verticali ed ozzontali, tali da
garantire la messa in sicurezza degli utenti, durante il perdurare
dellevento sismico.
La sperimentazione a scala reale, evidenzia una pi elevata rischiosit,
direttamente connessa ai danni indiretti, che interessano ulteriormente le
componenti non strutturali ed impiantistiche, i beni esposti, nonch
persone e/o cose nellimmediato intorno di una costruzione.
Non di minore rilevanza risulta laspetto meramente economico: i costi
sostenuti, per il ripristino a seguito di danni strutturali permanenti,
possono risultare significativi rispetto ai casi di progettazioni ex-novo.
Al fine di limitare il danno eccedente, diretto ed indiretto, eventualmente
registrato in corrispondenza di un sistema strutturale, le ricerche
Stategie di progettazione per la protezione s ismica
10
scientifiche degli ultime decenni, hanno proposto un approccio innovativo
ai fini della protezione da rischio sismico. A ragione, appare indispensabile
governare il moto proprio della struttura, auspicando desiderati
meccanismi di dissipazione, in accordo con una filosofia progettuale
cosiddetta Motion Based Structural Control.
Tale strategia di Controllo Struttrale, prevede una progettazione sismica
integrata, mediante limpiego di dispositivi addizionali, atti a modificare
direttamente la risposta dinamica del sistema.
I dispositivi di controllo si dividono in:
- Attivi
- Semi-attivi
- Passivi
- Ibridi
1.3 SISTEMI ATTIVI DI CONTROLLO STRUTTURALE
I sistemi di controllo attivo sono azionati medianti fonti di energia esterne al
complesso strutturale. Essi sono costituiti mediante lassemblaggio di
componenti integrate: gli attuatori, capaci di applicare le forze o gli
spostamenti richiesti dal sistema di controllo, atti a contrastare gli input
esterni in tempo reale. I sensori, installati per monitorare la struttura in
continuo, ed acquisire i dati raccolti mediante dispositivi elettronici
(controller). Tali sistemi di controllo, processano i risultati registrati dalle
apparecchiature di misura, imponendo le azioni di contrasto utili a
minimizzare la risposta dinamica della particolare costruzione. Di seguito,
nella Figura 1. 3 si propone uno schema semplificato di funzionamento nel
caso di dispositivi di controllo di tipo attivo [3].
Inquadramento del le strategie per la protezione s ismica
11
Figura 1. 3: Schema di controllo attivo
Tali sofisticati sistemi, tuttavia presentano inevitabili criticit applicative,
connesse alla stabilit{ e allaffidabilit{ delle apparecchiature impiegate,
nonch ai costi di gestione e/o manutenzione richiesti in fase di esercizio,
comportandone di fatti un limitato impiego.
1.4 SISTEMI SEMI-ATTIVI DI CONTROLLO STRUTTURALE
I sistemi di controllo semi-attivo esibiscono una risposta affine ai sistemi di
controllo attivo, ma vengono azionati da un limitato impegno energetico
poich operano senza monitoraggio in continuo, comportando cos
labbattimento dei costi di gestione, nonch di manutenzione. In altri
termini tali dispositivi, hanno la capacit di variare dinamicamente le
proprie caratteristiche meccaniche, al fine di adeguarsi sensibilmente alle
azioni a cui la struttura risulta sottoposta. In tale categoria ricadono i
dispositivi a rigidezza variabile (Kobori et al., 1991),i dispositivi semiattivi
ad attrito (Ferri & Heck, 1992), gli smorzatori semiattivi a fluido viscoso
Stategie di progettazione per la protezione s ismica
12
(Kwashima & Unioh, 1994), gli smorzatori elettroreologici (Ehrgott e Masri,
1994; Gavin,1995; Makris 1997) e magnetoreologici (Spencer & Carlson,
2001). Suddetti sistemi manifestano comportamenti maggiormente stabili,
consentendone di fatti una pratica applicazione [4].
1.5 SISTEMI PASSIVI DI CONTROLLO STRUTTURALE
I sistemi di controllo passivo, risultano perfettamente integrati con la
struttura; essi alterano opportunamente la risposta dinamica del
complesso strutturale, influenzandone lo smorzamento e la rigidezza
laterale, durante leccitazione sismica. Tali dispositivi operano in assenza di
fonti energetiche esterne, e non richiedono alcun sistema di monitoraggio.
Nellottica di tale sistemi di controllo, con riferimento alla (Eq. 1.4),
possibile adottare differenti strategie atte ad:
- Incrementare lenergia dissipata per smorzamento viscoso ,
mediante limpiego di smorzatori viscosi opportunamenti collocati.
- Incrementare lenergia dissipata per via isteretica , mediante
linstallazione di dispositivi dissipatori isteretici.
- Ridurre lenergia sismica in ingresso mediante dispositivi
isolatori.
- Prevedere la combinazione delle tre suddette stategie
1.6 SISTEMA IBRIDI DI CONTROLLO STRUTTURALE
I sistemi di controllo ibrido sono caratterizzati da una combinazione in
serie o parallelo, di sistemi attivi e semiattivi con sistemi passivi.
Linteresse di questi assemblaggi risiede nella somma dei vantaggi
derivanti da ogni sistema: i dispositivi passivi veicolano la risposta,
Inquadramento del le strategie per la protezione s ismica
13
dinamica della struttura, diversamente i sistemi attivi operano sul moto
proprio indotto, riducendo spostamenti ed accelerazioni.
E interessante sottolineare che questi sistemi, costituiscono parte
integrante del sistema strutturale principale; essi non sono progettati per
resistere ai carichi verticali, e possono essere installati temporaneamente,
per la manutenzione riparazione o sostituzione, fatta eccezione per i
dispositivi isolatori. In particolare i sistemi passivi sono di pi facile
impiego, pi economici, resistenti e maggiormente affidabili rispetto ai
differenti sistemi sopra menzionati, per tali ragioni sono maggiormente
impiegati rispetto agli altri sistemi di controllo.
1.7 CLASSIFICAZIONE DEI DISPOSITIVI PASSIVI PER IL CONTROLLO
STRUTTURALE
Si rivolge nel seguito una particolare attenzione ai dispositivi impiegati per
il controllo di tipo passivo. In particolare, possibile distinguere:
- Dispositivi dissipatori supplementari
- Dispositivi isolatori
- Dispositivi misti
Ai fini della trattazione, si propone una classificazione accurata dei soli
dispositivi dissipatori presenti in commercio.
I sistemi di dissipazione supplementare dellenergia sono costituiti da
dispositivi di limitate dimensioni, installati al fine di dissipare lenergia
sismica in ingresso, attraverso la formazione di cerniere plastiche
localizzate allestremit{ delle travi, negli elementi di connessione, in
corrispondenza del pannello a taglio, o allestremit delle colonne.
Classi f icazione dei disposit ivi pass iv i per i l control lo strutturale
14
Tale approccio, riduce la domada plastica della struttura primaria
minimizzando lentit{ dei danni.
Attraverso formulazioni di carattere analitico, si individuano nel seguito
quei parametri atti ad influenzare la risposta del generico dispositivo,
ovvero velocit e spostamento registrati dalla struttura, alloccorrenza di
un evento sismico.
Dissipatori attivabili per effetto dello spostamento
- Dispositivi isteretici
Il legame costitutivo di tali dissipatori esprimibile mediante la seguente
legge:
In commercio, sono disponibili numerose tipologie di dissipatori isteretici
in acciaio, essenzialmente costituiti da elementi dissipativi di differente
morfologia, capaci di garantire una uniforme plasticizzazione del
dispositivo. Allinterfaccia tra la struttura ed il dissipatore, non di rado
vengono installati sistemi di vincolo di tipo dinamico che lavorano in serie
con il dispositivo stesso.
Essi consentono i movimenti di modesta entit{, senza lattivazione degli
elementi dissipativi in condzioni di servizio. Al manifestarsi di eventi
sismici distruttivi si arrestano, trasmettendo le azioni orizzontali
esclusivamente ai dissipatori. Limpegno plastico dellelemento, pu
manifestarsi mediante sollecitazioni assiali di trazione-compressione,
momenti flettenti, torcenti o meccanismi combinati tra essi. In particolare
negli edifici, assai frequente limpiego di dispositivi isteretici assiali ad
instabilit impedita (BRAD), agenti in trazione-compressione,
particolarmente indicati nei controventi dissipativi (Figura 1. 4).
Inquadramento del le strategie per la protezione s ismica
15
Figura 1. 4: Dispositivi isteretici tipo BRAD Liceo Classico Perticari, Senigallia
Dissipatori attivati dalla velocit
- Smorzatori viscosi lineari
- Smorzatori viscosi non lineari
I dissipatori viscosi, e pi in generale i dissipatori viscosi a comportamento
non lineare presenti in commercio, includono sistemi a cilindro,
caratterizzati da due camere comunicanti, riempite di fluido siliconico.
Questultimo viene messo in moto mediante un pistone, in grado di
scorrere in entrambe le direzioni. La dissipazione dellenergia avviene a
seguito dei movimenti relativi dele due estremit del dispositivo,
solitamente realizzate mediante snodi sferici, atti ad assicurare un perfetto
allineamento fra pistone e cilindro, assorbendo di fatto eventuali tolleranze
nella fase di posa in opera.
Classi f icazione dei disposit ivi pass iv i per i l control lo strutturale
16
Figura 1. 5: Dispositivi Dissipatori Rion Antirion Bridge, Grecia.
- Dispositivi ad attrito
Tale tipologia viene approfonditamente trattata nel capitolo successivo.
Dispositivi attivabili per effetto di spostamento e velocit:
- Dispositivi viscoelastici
- Dispositivi viscoelastici non lineari
In commercio si possono trovare dei dissipatori viscoelastici elastomerici,
costituiti da uno o pi strati di elastomero, vulcanizzati a piastre in acciaio,
che consentono il collegamento con gli elementi strutturali adiacenti. La
dissipazione di energia si concentra in corrispondenza degli strati di
elastomero, questi caratterizzati da un elevato smorzamento, sono in grado
di assorbire notevoli deformazioni taglianti sotto lavvento di azioni
orizzontali. Sono solitamente combinati con strutture controventate, al fine
di realizzare controventi dissipativi a comportamento visco-elastico per la
protezione sismica delle strutture intelaiate, in c.a., c.a.p. o acciaio [5].
Inquadramento del le strategie per la protezione s ismica
17
Figura 1. 6: Dispositivi Dissipatori Scuola Media Gentile Fermi di Fabriano
1.8 MOTIVAZIONI DEL LAVORO DI RICERCA
Le argomentazioni fin qui proposte, consentono di effettuare unanalisi
critica delle strategie di progettazione per la mitigazione del rischio
sismico, nonch sottolineare una scelta operativa atta a favorire limpiego
di sistemi di controllo passivo. Tale filosofia di progetto consente di
ridurre lentit{ dei danni diretti ed indiretti in corrispondenza di un
sistema strutturale, garantendo il perfetto equilibrio tra costi e benefici,
nonch stabilit ed efficienza.
Di fatto, la struttura primaria, risulta ugualmente interessata da
meccanismi di danneggiamento, ma in misura limitata rispetto ad una
struttura di tipo tradizionale, in quanto esibisce una capacit di
dissipazione supplementare, ovvero addizionale, per mezzo dellimpiego di
particolari dispositivi.
Motivazioni del Lavoro di Ricerca
18
Lattivit{ di ricerca del seguente lavoro, si svilupper nei successivi capitoli,
con lambizioso intento di eliminare del tutto il danneggiamento in
corrispondenza delle membrature strutturali facente parti di un complesso
sistema. A tale scopo, nel caso di telai Moment Resisting Frame, le zone
dissipative tradizionalmente collocate allestremit{ delle travi saranno
sostituite con collegamenti di tipo Double Split Tee (DST) equipaggiati con
dissipatori ad attrito, non diversamente alla base delle colonne del primo
impalcato si provveder{ allinstallazione di collegamenti a perno
ugualmente equipaggiati con dissipatori ad attrito, posizionati con
opportuno braccio di leva, al fine di garantire un pre-fissato livello di
resistenza flessionale.
Si sottolinea altres lapproccio innovativo qui di seguito proposto, volto
esclusivamente alla sostituzione delle zone dissipative con elementi
dissipatori, indipendentemente dalle capacit di dissipazione proprie della
struttura.
Una mirata progettazione consente di concentrare lenergia sismica in
ingresso esattamente in corrispondenza di suddetti dissipatori, che di fatto
risultano facilmente sostituibili, nel caso si registri una perdita di
funzionalit, a seguito di un evento sismico.
Lanalisi critica dei dissipatori ad attrito attualmente presenti in letteratura
e/o commercio, presentata al Capitolo 2, conduce ad una innovativa idea di
progetto, le cui prestazioni saranno accuratamente investigate nellambito
di un programma sperimentale condotto presso il Laboratorio Prove
Materiali e Strutture dellUniversit{ degli Studi di Salerno, cos come
mostrato nel Capitolo 3. In particolare, una fase preliminare di
sperimentazione, ha investigato le propriet attritive di differenti materiali,
Inquadramento del le strategie per la protezione s ismica
19
quali acciaio, ottone, materiali compositi a matrice fibrosa ed acciaio
rivestito con alluminio termicamente spruzzato allarco elettrico, al fine di
consentire lulteriore ottimizzazione della suddetta idea.
Gli ottimi risultati ottenuti, hanno dato ulteriore impulso allattivit{ di
ricerca, prevedendo una prima applicazione ad ampia scala di suddette
strategie, nel caso di edificio multipiano in acciaio. Auspicando un
approccio multidisciplinare di tale lavoro, al Capitolo 4 si riporta lesito
della procedura di progettazione delle componenti essenziali del suddetto
complesso strutturale, quali travi, colonne, nonch sistemi di connessione,
corredato dagli elaborati grafici ritenuti maggiormente significativi, al fine
di evidenziare le scelte tecnologiche intraprese.
Al Capitolo 5, lo sviluppo di un modello agli elementi finiti (FEM), mediante
software di calcolo SAP2000, ha conportato lennesimo momento di
sperimentazione, volto alla valutazione delle prestazioni di un pi
complesso sistema strutturale. Le analisi dinamiche non lineari (IDA)
condotte sistematicamente, hanno sottoposto la struttura a differenti
registrazioni accelerometriche, opportunamente selezionate dal database
del Pacific Earthquake Engeneering Research Center (PEER), scalati per
differenti livelli di intensit, in funzione della pericolosit del sito di
riferimento.
Lanalisi dei dati cos disponibili, ha confermato le potenzialit{ applicative
di suddette strategie, nonch lefficacia dellapproccio innovativo, qui di
seguito proposto, evidenziando elevati valori di accelerazione spettrale,
ossia di misura dellintensit{ sismica, che la tipologia strutturale proposta
consente di sopportare con danneggiamenti sostanzialmente trascurabili.
Bibl iograf ia
20
1. 9 BIBLIOGRAFIA
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new semi-active friction damper with piezoelectric technology for the anti-
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[11] Mazzolani, Federico M., 1991.Seismic Behaviour of Steel Structure,1st
National Conference on Steel Structure, Athens, June 1991.
22
CAPITOLO 2
Dispositivi Dissipatori ad attrito
In accordo con gli sviluppi scientifici degli ultimi decenni nel campo
dellIngegneria sismica, lattrito risulta un efficiente meccanismo per la
dissipazione supplementare dellenergia, atto ad incrementare lo
smorzamento in corrispondenza di una struttura sottoposta a carichi ciclici
dinamici.
La dissipazione si realizza per mezzo di fenomeni attritivi che si sviluppano
a seguito dello scorrimento di due superfici a contatto, adeguatamente
trattate. Lentit{ delle tensioni normali allinterfaccia capace di favorire il
meccanismo di frizione, pu essere controllata mediante lapplicazione di
pressioni idrauliche o forze elettromagnetiche, diversamente nei casi pi
frequenti, sufficientemente significativi ai fini del seguente lavoro, si
prevede limpiego di bulloni ad alta resistenza.
In particolare, per le costruzioni in acciaio, le unioni bullonate ad attrito,
favoriscono il trasferimento degli sforzi di taglio, in corrispondenza degli
elementi connessi, attraverso lo scorrimento relativo delle interfacce a
contatto. Tale cinematismo, possibile mediante limpiego di piatti asolati,
viene di fatto influenzato dalle tensioni normali superficiali, applicate
mediante il pre-serraggio dei bulloni.
Diversi studi [1][2] hanno evidenziato laffidabilit{ e lefficienza di tali
dispositivi, capaci ad esibire una risposta ciclica stabile, esercitando un
valore di resistenza allo scorrimento costante nel tempo. I vantaggi
operativi si sommano allestrema semplicit{ di progettazione,
fabbricazione ed installazione, nonch ai bassi costi di manutenzione che
Dispositivi dissipatori ad attrito
23
essi comportano, auspicandone di fatto lintegrazione nel caso di sistemi
simo-resistenti verticali.
Nei capitoli successivi, unaccurata analisi discuter{ in merito ai dispositivi
fin qui proposti, fornendone i principali indirizzi progettuali e sperimentali.
Al fine di una pi ampia comprensione degli argomenti investigati, si
riportano brevemente i principi posti a fondamento della teoria classica
dellattrito, con particolare attenzione ai meccanismi dinterazione che si
esercitano nel caso di superfici metalliche.
2.1 MECCANISMI DINTERAZIONE TRA SUPERFICI METALLICHE
La Tribologia la scienza che studia i fenomeni dattrito, di lubrificazione e
di usura delle superfici a contatto, in moto relativo tra loro.
Nonostante eminenti studiosi (Bowden and Taylor 1950, Rabinowicz 1965;
Sarkar 1980), abbiano formulato teorie atte a prevedere lentit{ della forza
dattrito sotto carichi di natura statica e dinamica, il fenomeno dello
scorrimento appare piuttosto complesso, a causa dei numerosi meccanismi
dinterazione che di fatti vengono ad innescarsi.
Lo scorrimento relativo di parti metalliche in contatto, determina
linsorgere di una forza dattrito, per effetto delladesione e/o dei legami
intermolecolari che caratterizzano linterfaccia di contatto. Lazione statica
resistente risulta influenzata dallapplicazione di uno sforzo, normale alla
superficie di scorrimento, allorch il materiale registra deformazioni
elastiche e/o plastiche. Larea effettiva di contatto aumenta
progressivamente fino al raggiungimento di una nuova configurazione di
equilibrio. Durante questo processo, il contributo delle forze di attrazione
Meccanismi dinterazione tra superfici metalliche
24
intermolecolare, si sovrappone alleffetto dellazione normale,
contribuendo alla formazione di micro-saldature superficiali, che come
tante molle in serie, deformano elasticamente.
Figura 2. 1: Fenomeno di adesione
Generalmente la forza dattrito, si oppone al moto, di contro necessario
incrementare progressivamente lazione esterna, nonch lentit{ dello
spostamento, fino ad uguagliare suddetta azione resistente. Al
raggiungimento del valore di taglio critico delle micro-saldature, si assiste
alla rottura dei legami intermolecolari, che genera di fatto il moto relativo
delle parti a contatto. In tale fase, il valore della forza dattrito dinamica
risulta dipendente dai valori di velocit{ registrati allinterfaccia; essa va
riducendosi progressivamente abbattendo il corrispondente valore del
coefficiente dattrito [2] .
Tale fenomemo risulta notevolmente influenzato dai legami di adesione
superficiale, ovvero dalla tessitura delle interfaccie a contatto, nonch dalle
loro caratteristiche meccaniche e termiche. In particolare, alla scala
microscopica, i metalli risultano caratterizzati per strati, quali substrato
metallico, strato di materiale indurito, ossido, gas adsorbito, contaminanti
(Schmaltz 1936).
Dispositivi dissipatori ad attrito
25
Figura 2. 2: Composizione a strati per superfici metalliche
Lo strato di materiale indurito possiede una struttura che dipende dalla
composizione e dalla storia di lavorazione del metallo.
Al di sopra di esso, pu essere presente uno strato amorfo o cristallino,
formatosi a seguito di notevoli stress termici. Uno strato di ossido
generalmente ricopre lo strato di materiale indurito (ad eccezione dei
metalli nobili); il suo spessore e la sua stabilit dipendono dalla particolare
composizione chimica del metallo, nonch dellatmosfera in cui esso stato
esposto.
Su tale strato, in condizioni normali, pu essere presente uno strato di gas
adsorbito ed eventualmente contaminanti come polvere, grasso e/o
inquinanti provenienti dallambiente circostante.
Ancora nel caso di contatto tra metalli di analoghe caratteristiche, laffinit{
dei legami intermolecolari determina una resistenza allo scorrimento
maggiore, diversamente la resistenza caratteristica del materiale, influenza
limitatamente i fenomeni di adesione.
Meccanismi dinterazione tra superfici metalliche
26
Contrariamente a quanto si ritiene, il valore del coefficiente dattrito, non
dipende direttamente dalla rugosit superficiale, poich lattrito si esercita
a parit di area di contatto.
Un ulteriore meccanismo dinterazione si manifesta, quando sono poste a
contatto tra loro superfici a spigolo vivo, il moto relativo induce striature
allinterfaccia provocando lincremento della forza dattrito.
Ai fini del bilancio energetico, il lavoro compiuto dalle azioni esternamente
applicate risulta pari allenergia potenziale elastica di deformazione,
immagazzinata nel sistema. Allatto dello scorrimento tale contributo viene
dissipato per via cinetica, sotto forma di deformazioni plastiche, energia
termica, di vibrazione e/o rumore.
In particolare lenergia termica diffonde per conduzione, convezione e
irraggiamento, dagli strati pi interni agli strati pi esterni, causando un
progressiva variazione del profilo di temperatura locale. Suddetta
variabilit dipender direttamente dallentit{ e dalla durata dello
scorrimento, nonch dallefficienza del meccanismo di diffusione, dalla
conducibilit termica e dal calore specifico del materiale.
Un notevole quantitativo di energia termica solitamente concentrata in
corrispondenza delle micro-saldature che si rompono e si ricreano durante
lo scorrimento. Poich hanno una limitata resistenza, la temperature varia
continuamente lungo linterfaccia e influenza il meccanismo di
scorrimento.
Il massimo valore, che pu essere registrato non pu superare il punto di
fusione dei due metalli in contatto.
Se la temperatura di fusione raggiunta allinterfaccia di uno dei due
metalli, un film di metallo fuso si forma. In tale circostanza la superficie non
Dispositivi dissipatori ad attrito
27
pi in grado di esibire una propria resistanza a taglio, il coefficiente
dattrito si abbatte significativamente.
Laumento della temperatura aumenta la possibilit{ di formare uno strato
di ossido, riducendo la resistenza dei legami e di conseguenza il coefficiente
dattrito.
Quando la temperatura di fusione registrata nel materiale indurito, si
forma unampia area di contatto, determinando un elevato coeffciente
dattrito
2.1.1 MECCANISMI DI USURA
Lusura un processo che comporta la progressiva asportazione di
materiale dalla superficie di scorrimento per effetto dellattrito generatosi
allinterfaccia. Le pi comuni forme di usura sono:
- Adesione
- Abrasione
- Corrosione
Lusura adesiva si manifesta, allorch allatto dello scorrimento, si registra
lasportazione di materiale in corrispondenza di una delle due superfici a
contatto. Al progredire del cinematismo, le micro-particelle risultanti
possono collocarsi in aderenza ad una delle due superfici, trasferirsi
nuovamente sulla superficie originaria o distaccarsi definitivamente in
particelle sciolte. Daltro canto, il materiale sciolto derivante dai fenomeni
dinterazione favorisce la formazione di asperit{, determinando un
aumento del coefficiente dattrito.
Qualora si impieghino due differenti materiali, le micro-particelle si
collocheranno in corrispondenza del materiale pi debole, determinando di
Teoria Classica dellAttrito
28
fatto un elevato valore del coefficiente dattrito, come nel caso di superfici
affini.
Lusura abrasiva si manifesta qualora le superfici risultino interessata da
scanalature superficiali e/o striature atte a ridurre lo spessore del
materiale. I frammenti derivanti da tale interazione, favoriscono
ulteriormente al meccanismo di usura.
Lusura corrosiva, si realizza con liinescarsi reazioni chimiche superficiali,
con la progressiva formazione di un film sottile, che gradualmente produce
un impatto irreversibile per linterfaccia.
In altre circostanze, lindesiderato fenomeno pu prevenire lusura
adesiva, preservando di fatti le caratteristiche superficiali.
Tali fenomeni, determinano una progressiva riduzione dello spessore
allinterfaccia, facendo registrare progressive diminuzioni del coefficiente
dattrito.
2.2 TEORIA CLASSICA DELLATTRITO
Come gi accennato lorigine del fenomemo attritivo risiede nellentit{ delle
forze di adesione e coesione che si innescano tra due superfici a contatto.
Da un punto di vista essenzialmente geometrico, possibile di distinguere
contatti di tipo puntuale e contatti di tipo conforme.
Nel primo caso, larea di contatto degenere, si riduce ad un punto o ad una
linea (elementi volventi posti su piste di rotolamento) e risulta
proporzionale al carico normale superficiale e alla resistenza del materiale.
Nel secondo caso, larea di contatto non degenera e risulta proporzionale
alle dimensioni delloggetto coinvolto (slitte piane, cuscinetti di
scorrimento).
Dispositivi dissipatori ad attrito
29
Innumerevoli modelli teorici sono stati sviluppati nei secoli per descrivere
la complessa interazione attritiva che si genera tra due materiali.
Nella generalit{ dei casi, lattrito risulta notevolmente influenzato dalla
velocit, nonostante dipenda da altri fattori, quali le pressioni di contatto
allinterfaccia, la temperatura, il grado di usura, le caratteristiche dei
lubrificanti. Tale dipendenza pu essere matematicamente espressa
secondo:
(Eq. 2. 1)
FA la forza dattrito, che si oppone allazione di scorrimento; N lo sforzo
normale agente sulla superficie di contatto e rappresenta la velocit
relativa tra le due superfici [3].
Tuttavia, possibile ricorrere a modelli matematici semplificati, atti a
garantire un sufficiente grado di approssimazione alla scala macroscopica
della pratica ingegneristica.
In particolare, nel caso di superfici metalliche, secondo la teoria di Bowden
& Tabor [4], le forze di adesione dipendono dal valore di resistenza a taglio
esibito dalle micro-saldature, e risultano direttamente proporzionali
alleffettiva area di contatto.
Nel caso di metalli a comportamento elasto-plastico, si pu assumere:
(Eq. 2. 2)
A la reale area di contatto, 0 la durezza alla penetrazione del materiale
e N lo sforzo normale agente sulla superficie di contatto.
La forza ad attrito dovuta alladesione FA pu essere espressa come :
FA = As =
(Eq. 2. 3)
Laddove s rappresenta la forza per unit di area necessaria per attivare lo
scorrimento relativo tra le micro-saldature.
Teoria Classica dellAttrito
30
Diversamente il contributo derivante dalle asperit superficiali, pu essere
stimato secondo:
FP = nrh0 (Eq. 2. 4)
Dove n il numero delle asperit, r la profondit delle asperit dimezzata
e h laltezza delle asperit{.
La forza di scorrimento complessiva risulta:
F = FA + FP (Eq. 2. 5)
La componente FP offre un contributo significativo durante il processo di
abrasione. Tuttavia stato dimostrato per il particolare caso dei metalli,
che suddetto contributo risulta trascurabile.
Dalla (Eq 2.3) si ricava il postulato fondamentale alla base della teoria
classica dellattrito, secondo cui il rapporto tra la forza di attrito e il carico
normale applicato allinterfaccia, risulta di fatto costante e non dipende
dallarea effettiva di contatto. Sia il coefficiente dattrito dellinterfaccia a
scorrimento:
(Eq. 2. 6)
s rappresenta la tensione di aderenza del materiale pi debole e 0 la
durezza alla penetrazione del materiale pi duro.
Il modello teorico valido nel caso di attrito a secco [5], assume a proprio
fondamento i seguenti postulati:
1. La forza dattrito indipendente dallarea di contatto.
2. La forza dattrito risulta direttamente proporzionale allazione
normale applicata.
3. La forza dattrito complessiva indipendente dalla velocit di
scorrimento, qualora il suo valore risulti di modesta entit.
Dispositivi dissipatori ad attrito
31
I primi due postulati sono spesso conosciuti come Leggi di Amontons, dal
nome del fisico francese Guillaume Amontons, che per primo le ripropose
nel 1699. La terza legge, venne successivamente proposta dallingegnere
francese Charles Augustin Coulomb (Halling, 1978; Persson, 2000), che
stim sperimentalmente il valore delle forza dattrito statica e dinamica
secondo la seguente legge:
F = N (Eq. 2. 7)
Sia N lo sforzo assiale applicato sulla superficie e il coefficiente di attrito
corrispondente.
In accordo con la Legge di Coulomb, lEurocodice 3 [6] definisce la
resistenza di progetto allo scorrimento, nel caso di unioni bullonate ad
attrito pari a :
(Eq. 2.
8)
ks funzione della configurazione del foro
m il numero di superfici in contatto
rappresenta il valore del coefficiente dattrito determinato
sperimentalmente
Fp,c rappresenta lazione di pre-carico del singolo bullone ad alta
resistenza, che risulta pari:
(Eq. 2. 9)
M3 rappresenta il coefficiente parziale di sicurezza pari ad 1,25.
Dalla (Eq. 2.8), evidente come la progettazione di suddetti collegamenti
risulti facilmente governabile assegnando opportunamente il valore della
coppia di pre-serraggio, il numero e il diametro dei bulloni. In particolare al
Teoria Classica dellAttrito
32
fine di ottimizzare il comportamento dellinterfaccia ad attrito, necessario
impiegare materiali con elevato coefficiente di scorrimento, garantendo il
mantenimento dellazione di pre-carico in corrispondenza dellasse del
bullone.
Tuttavia, il moto relativo delle superfici a contatto, favorisce i meccanismi
di usura gi menzionati, che di fatto determinano la progressiva riduzione
dello spessore dellinterfaccia, con conseguente riduzione del coefficiente
dattrito e del precarico del bullone.
In fatti, le oscillazioni del livello di precarico del bullone possono condurre
in alcuni casi a cicli di isteresi instabili, per cui il quantitativo di energia
dissipata non risulta di fatti prevedibile aprioristicamente.
Al fine di ridurre tale inconveniente, possibile utilizzare rondelle coniche,
ad alta resistenza, in grado di deformarsi elasticamente quando sottoposte
allapplicazione di sforzi assiali; esse a seguito di rilascio, assumono
nuovamente la configurazione indeformata.
Qualora si verifichi lusura del materiale ad attrito, le rondelle coniche
ripristinano lentita della forza di pre-compressione, preservando lo stato
di trazione del bullone. La loro particolare forma, consente differenti
combinazione [7]:
- Combinazione in serie, quando orientate nella stessa direzione, atte
a costituire un sistema pi rigido
- Combinazione in parallelo quando orientate con direzioni alternate,
atte a costituire un sistema maggiormente deformabile
- Combinazione di rondelle in parallelo disposte serie atte ad ottenre
di ottenere un sistema di pre-fissata rigidezza e/o deformabilit.
Dispositivi dissipatori ad attrito
33
In verit, i test sperimentali condotti nel caso di unioni ad attrito in cui
previsto limpiego di rondelle coniche (vedi 3.4.6 Test sperimentale con
rondelle coniche) evidenziano limitati benefici.
Tuttavia recenti studi [8] hanno dimostrato come il serraggio dei bulloni
risulti influenzato da fenomeni di rilassamento a breve termine, nelle 12
ore immediatamente successive allassemblaggio dellunione;
diversamente i fenomeni a lungo termine si protraggono asintoticamente
durante il tempo di funzionamento.
Ancora quando si effettua il pre-serraggio di un gruppo di bulloni, si
registra una perdita di carico a seguito dei mutui effetti dinterazione: dopo
il serraggio di ogni bullone successivo, il precedente sperimenta una caduta
di tensione.
Per le suddette ragioni nella pratica comune si provvede alladozione di
rondelle coniche, al fine di garantire il mantenimento del pre-carico nei
bulloni durante la vita utile del dispositivo, nonch durante la fase di
scorrimento.
2.3 INFLUENZA DEI DISPOSITIVI AD ATTRITO SULLA RISPOSTA
SISMICA DI UN SISTEMA SDOF
Come gi evidenziato nel precedente paragrafo, nella generalit dei casi gli
smorzatori ad attrito, esibiscono una risposta ciclica, funzione della
velocit registrata in corrispondenza delle superfici di contatto. Il modello
meccanico rappresentativo di tale comportamento costituito da un
legame rigido-plastico, la cui soglia di resistenza risulta pari ad :
(Eq. 2. 10)
Influenza dei dispositivi ad attrito sulla risposta sismica di un sistema SDOF
34
Figura 2. 3: Legame rigido-plastico per dispositivo ad attrito
Al fine di chiarire linfluenza dei dispositivi ad attrito sulla risposta sismica
globale di un complesso strutturale MDOF, si analizza preliminarmente il
comportamento di un sistema SDOF equipaggiato con dissipatore ad
attrito, in presenza di smorzamento, soggetto ad eccitazione sismica.
Siano ud ed rispettivamente lo spostamento relativo e la velocit
relativa registrata in corrispondenza del dissipatore, funzioni della
variabile tempo.
Ancora x ed , rispettivamente lo spostamento e la velocit registrati dal
sistema SDOF, al variare del tempo. Per la continuit fisica delle parti
costituenti il sistema, vale:
(Eq. 2. 11)
In tale circostanza, portando in conto le forze inerziali, leffetto dello
smorzamento dovuto alle caratteristiche intrinseche della struttura,
Dispositivi dissipatori ad attrito
35
nonch la distribuzione delle forze elastiche di richiamo, e il contributo del
dispositivo installato, lequazione del moto assume la forma :
(Eq. 2. 12)
Figura 2. 4: Schema Sistema SDOF equipaggiato con dispositivo ad attrito
La risposta meccanica del sistema in serie, di cui sopra, rappresentata per
la sovrapposizione degli effetti mediante la :
(Eq. 2. 13)
Si individua in accordo con il Principio di uguale energia, un sistema
equivalente, caratterizzato da una rigidezza pari a:
(Eq. 2. 14)
Sia ceq, la costante di smorzamento del medesimo sistema, il contributo
della viscosit dinamica dato da:
m
Influenza dei dispositivi ad attrito sulla risposta sismica di un sistema SDOF
36
(Eq. 2. 15)
Figura 2. 5: Risposta ciclica per sistema SDOF equivalente
Si assume lipotesi di moto armononico, durante il ciclo disteresi che fa
registrare il massimo valore di spostamento in corrispondenza del
dispositivo. Sia la pulsazione naturale del sistema o frequenza angolare,
al variare del tempo risulta:
(Eq. 2. 16)
Sia lo spostamento infinitesimo in corrispondenza del dispositivo:
(Eq. 2. 17)
Il lavoro compiuto dal dispositivo per tale spostamento risulta:
(Eq. 2. 18)
Larea sottesa al ciclo forza-spostamento, rappresentativo della risposta del
dispositivo (Figura 2. 5), rappresenta lenergia effettivamente dissipata per
via isteretica:
F
Dispositivi dissipatori ad attrito
37
(Eq. 2. 19)
Dalla Eq. 2.18 si ricava il valore della costante di smorzamento:
(Eq. 2. 20)
Lentit{ dello smorzamento equivalente, funzione dello smorzamento
critico del sistema risulta:
(Eq. 2. 21)
Essendo
Con riferimento allo schema in Figura 2. 4 risulta:
(Eq. 2. 22)
Osservando la Figura 2. 5, si ricava:
(Eq. 2. 23)
La Eq. 2.20, si riscrive nella forma:
(Eq. 2. 24)
Lo smorzamento complessivo del sistema SDOF equipaggiato con
dissipatori ad attrito, si ricava secondo:
(Eq. 2. 25)
Il periodo di vibrazione equivalente:
Bibl iograf ia
38
Sia 0 lo smorzamento del sistema SDOF sprovvisto di dispositivo ad
attrito. La procedura di calcolo risulta iterativa in quanto lentit{ del
massimo spostamento non risulta nota a priori: la determinazione di
procede per step successivi, a partire da valori di tentativo.
Impiegando spettri di risposta a smorzamento fissato, possibile
risalire ai corrispondenti valori di accelerazione spettrale, nonch di
spostamento registrato, effettuando un controllo della convergenza
fino al soddisfacimento della Eq. 2.24, con unopportuna tolleranza
fissata per una soglia del 5%.
Tale procedura, risulta approssimata, in quanto riferita ad un
sistema SDOF sottoposto ad una particolare storia di spostamento.
Diversamente nei casi reali, alloccorrenza di un evento sismico, la
risposta del sistema risulta notevolmente variabile, ai fini della sua
determinazione, a rigore, necessario condurre unanalisi dinamica
non lineare, che porti in conto la variabilit dello smorzamento
equivalente nei cicli di carico e scarico successivi, in funzione dello
spostamento massimo registrato dalla struttura.
Tuttavia, la metodologia consente la stima degli effetti derivanti
dallinstallazione di suddetti dispositivi. Appare evidente,
lincremento di energia dissipata alloccorrenza di un evento sismico,
Disposit ivi diss ipatori ad attr ito
39
nonch linfluenza della risposta dinamica del sistema, che di fatti
assume un grado di smorzamento superiore rispetto ai casi
tradizionali.
E ovvio che tali prestazioni valgono ancor pi nel caso di sistemi
MDOF, laddove linstallazione di tali dispositivi consente di ridurre
gli spostamenti relativi dinterpiano, in condizioni di servizio, e
favorire la massimizzazione delle zone dissipative nel caso di eventi
sismici di elevata intensit.
2.4 ANALISI DEI DISPOSITIVI ESISTENTI
La seguente fase di analisi, volta ad individuare nuovi indirizzi di ricerca,
finalizzati alla progettazione di dispositivi ad attrito di tipo innovativo, da
integrare, nel caso di costruzioni in acciaio, ai sistemi sismo-resistenti
verticali. Tale approccio critico passa in rassegna i principali sistemi, che
negli anni, hanno dimostrato requisiti di affidabilit e robustezza, nel
campo dellIngegneria Civile. La classificazione qui di seguito proposta,
metta in evidenza le caratteristiche tecnologiche e meccaniche
fondamentali, nonch la funzionalit{ e lefficienza di ciascuna tecnologia
presa in considerazione, al fine di valutarne le ulteriori potenzialit
applicative.
In particolare possibile distinguere dispositivi:
- Rotazionale
- Assiale
Bibl iograf ia
40
Uno dei primi dispositivi ad attrito di tipo assiale stato sviluppato da Pall
& Marsh [9], prevedendone limpiego in corrispondenza delle zone
dintersezione delle diagonali di controvento dei sistemi intelaiati in
acciaio. Lo scorrimento si concentrava in prossimit{ dellinterfaccia tra la
trave e il piatto di acciaio, atto ad accogliere le diagonali di controvento. La
dissipazione dellenergia veniva auspicata mediante linterposizione di
materiale ad attrito a matrice asbestosa.
Il sistema, veniva gi concepito al fine di evitare lo scorrimento sotto
carichi di servizio; diversamente sotto terremoti distruttivi, lattivazione in
corrispondenza di un prefissato livello di carico, scongiurava lingresso in
campo plastico egli elementi strutturali primari, favorendo ugualmente la
dissipazione dellenergia, senza linsorgere di danneggiamento.
Figura 2. 6: Pall Pall & Marsh, 1981
Ancora si auspicava la loro applicazione nel caso di strutture pre-esistenti,
al fine di migliorarne la risposta sismica.
Ancora gli studi di Tremblay & Stiemer, propongono dissipatori ad attrito di
tipo assiale, realizzati unioni bullonate ad alta resistenza, con piastre
asolate atte a favorire lo scorrimento allestremit{ delle membrature
controventate tradizionali.
Tra i dissipatori di tipo rotazionale, ritroviamo il dispositivo proposto da
Mualla [10], per sistema intelaiati esistenti.
Slip joint with
fiction pad brace
Friction pad
brace
Disposit ivi diss ipatori ad attr ito
41
Figura 2. 7: Dispositivo Dissipatore, Mualla 2002
Figura 2. 8: Mualla 2002 Meccanismo di funzionamento
A seguito delle azioni orizzontali, lo smorzatore segue il moto di
oscillazione delle struttura. In particolare il piatto centrale subisce
dapprima spostamenti orizzontali e successivamente ruota intorno alla
cerniera, trascinando nella medesima direzione piatti destremit{. Al
raggiungimento della resistenza allo scorrimento il piatto centrale registra
Bibl iograf ia
42
rotazioni relative rispetto ai dischi di materiale ad attrito. Ancora
auspicabile limpiego di tali dispositivi, nel caso di struttura in cemento
armato precompresso.
Gli studi di Kurama & Morgen [11] dimostrano, i notevoli vantaggi di tale
tecnologia costruttiva, quali la possibilit di ricentrare il sistema nella
configurazione indeformata a seguito di un evento sismico, o sopportare
spostamenti significativi, registrando danni piuttosto limitati.
Tuttavia al fine di ridurre la richiesta sismica in termini di spostamento, i
dispositivi dissipatori proposti vengono installati in corrispondenza dei
collegamenti trave-colonna, tali da favorire il meccanismo di dissipazione
mediante lo spostamento relativo che si verifica tra ambo le membrature.
La Figura 2. 9, di seguito riportata, chiarisce il meccanismo attritivo
auspicabile allinterfaccia.
Figura 2. 9: Kurama & Morgen, 2004
Le applicazioni pi moderne e sofisticate, presenti in commercio [12],
prevedono limpiego di dissipatori ad attrito multi unit{ (Figura 2. 10). Essi
Disposit ivi diss ipatori ad attr ito
43
possono essere installati in corrispondenza dei sistemi intelaiati provvisti
di controventi, cosi come proposto in Figura 2. 11
Figura 2. 10: Dispositivo dissipatore multi-unit
A seguito dellapplicazione di una forza orizzontale, la struttura subisce
oscillazioni orizzontali. Nel caso di azioni spingenti da sinistra verso destra,
il dissipatore posto alla sinistra subisce un allungamento, diversamente lo
smorzatore posto alla destra registra una contrazione.
Figura 2. 11: Dissipatori ad attrito multi-unit Meccanismo di funzionamento
Bibl iograf ia
44
A seguito di un evento sismico, una struttura assume differenti
configurazioni in entrambe le direzioni consentendo di fatti la dissipazione
dellenergia, contestualmente mediante entrambi i dispositivi.
2.5 BIBLIOGRAFIA
[1] I. H. Mualla, L.O. Nielsen, B. Belev, W. I. Liao, C. H. Loh, A. Agrawal.2002
Performance of friction-damped frame structure: shaking table testing and
numerical simulation. 7th U.S. National Conference on Earthquake
Engineering, Boston, USA.
[2] Tremblay, R., 1993. Seismic behavior and design of friction concentrically
braced frames for steel buildings. Phd Thesis, Department of Civil
Engineering, University of British Columbia.
[3] Guglielmino, E., Sireteanu, T., Stammers, C.W., Ghita, G., Giuclea, M.,
2008. Semi active Suspension Control Improved Vehicle Ride and Road
Friendliness. Berlin, Springer.
[4] Michael F. Ashby, DRH Jones, 2005. Engineering Materials 1: An
Introduction to Properties, Applications and Design. Butterworth-
Heinemann, pagg. 241-249.
[5] Bowden, F. & Tabor, D., 1950. The Friction and Lubrication of Solids: part
I. Oxford: Oxford University Press.
[6] Popov, Valentin L., 2010. Contact Mechanism and Friction Physical
Principles and Applications. Berlin, Springer.
[7] Almen J.O. & Laszlo A. 1936. The uniform-Section Disck Spring. Trans.
ASME 58 (1936), pagg. 305 314.
Disposit ivi diss ipatori ad attr ito
45
[8] Heistermann, C., 2011. Behaviour of Pretensioned Bolts in Friction
Connections. University of Technology.
[9] CEN, 2003b. Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-8: Design of
joints.
[10] Pall, A.S. and Marsh, C., (1982) "Response of Friction Damped Braced
Frames", Journal of Structural Division, ASCE, Vol. 108, No. ST6, June, pp.
1313-1323, (American Society of Civil Engineer's Raymond C. Research
Prize 1983)
[11] Mualla, I. & Belev, B., 2002. Seismic Response of Steel Frames Equiped
with a New Friction Damper Device Under Earthquake Excitation.
Engineering Structures, 24(3), pp.365-71.
[12] Morgen B. G. & Kuram Y. C., 2004. A friction damper for post-tensioned
precast concrete beam-to-column joints. Paper no. 3189, 13th Word
Conference on Earthquake Engineering Vancouver, B.C., Canada.
[13] Damptech, Earthquake Protection, 2013. Damper for Building.
Denmark.
Premessa
46
CAPITOLO 3
Prove Cicliche su Collegamenti Trave Colonna di tipo
DST equipaggiati con dissipatori ad attrito
3.1 PREMESSA
Come gi ampiamente discusso, la progettazione di sistemi intelaiati in
acciaio, condotta secondo sofisticate procedure a collasso controllato,
garantisce adeguate prestazioni in termini di duttilit e resistenza,
massimizzando la capacit dissipativa propria della struttura, sotto lazione
di eventi sismici distruttivi.
Nellottica delle strategie per la dissipazione supplementare dellenergia
sismica, risulta vantaggioso per i sistemi sismo-resistenti verticali,
linstallazione di dispositivi smorzatori, atti a ridurre e/o eliminare
limpegno plastico delle membrature strutturalmente connesse,
concentrando lenergia sismica in ingresso, in corrispondenza di
componenti dissipative, facilmente sostituibili a seguito di
danneggiamento.
La possibilit di perseguire questo ambizioso obiettivo, si realizza nel
seguito, mediante la progettazione e sperimentazione di collegamenti
trave-colonna di tipo Double Split Tee (DST), caratterizzati da parti
chiaramente identificabili e allo stesso tempo intercambiabili.
Nello specifico, le capacit dissipative di suddetti collegamenti, possono
essere investigate impiegando un modello meccanico, cosiddetto a T-stub
equivalente, atto a schematizzare la risposta delle singole componenti, che
in tale circostanza, costituiscono il sistema di connessione [1]. E ben noto
Prove Cicliche su Collegamenti Trave-Colonna equipaggiati con dissipatori ad attrito
47
dalla letteratura scientifica [2] che un elemento T-stub, caratterizzato da
due o pi elementi a T, connessi mediante file di bulloni in corrispondenza
delle flange degli elementi strutturalmente connessi.
Nella Figura 3. 1, vengono chiaramente identificati gli elementi T-stub, e i
loro possibili orientamenti, in presenza di flange di estremit, per colonne
munite o sprovviste di soluzioni di irrigidimento.
Figura 3. 1: Identificazione di elemento T-stub in corrispondenza di flange di estremit (Yee and Melchers, 1986)
Laccuratezza del modello, consente di prevedere il comportamento
ciclicorotazionale dei nodi flangiati travecolonna, ovvero effettuare una
stima della rigidezza rotazionale propria del collegamento, attraverso lo
studio di un sistema semplificato caratterizzato da un T-stub a due bulloni,
soggetto esclusivamente ad azioni di tipo assiale, cos come riportato in
Figura 3. 2.
Il suddetto sistema, pu essere interessato da tre possibili meccanismi di
collasso [3], in funzione del rapporto relativo tra la resistenza di progetto a
flessione delle flange e la resistenza assiale di progetto propria dei bulloni:
(Eq. 3. 1)
Premessa
48
PIANTA SEZIONE X-X VISTA LATERALE
Figura 3. 2: Modello T-stub a due bulloni
Tabella 3. 1: Notazioni
m = Distanza tra lasse dei bulloni e la sezione di raccordo tra anima e
flangia del modello T-stub
n = Distanza tra lasse dei bulloni e il punto di localizzazione delle azioni
di contatto Q
d = Distanza tra lasse dei bulloni, e lasse dellanima del Modello T-stub
r = Raggio di raccordo tra anima e flangia del Modello T-stub
Q =
BRd =
Azioni di contatto
Resistenza a trazione dellelemento di connessione
Fi,Rd = Azione resistente per i-esimo meccanismo di collasso
Nella Tabella 3. 1, sopra riportata, si precisano le notazioni adottate nel
corso della trattazione.
Prove Cicliche su Collegamenti T