Serbatoi in CA esistenti 1 Tipologie di serbatoi pensili Sommario 1. Problematica serbatoi esistenti 2. Presentazione casi studio 3. Input sismico 4 4. Analisi lineari (equivalenti) 5. Analisi non lineari 6 Proposte 6. P t di intervento di i t t tradizionali t di i li 3 Problematica serbatoi esistenti g anni ’60 – ’70 • Strutture edificate p per lo p più negli senza criteri antisismici specifici • Spesso fuori esercizio, presentano un forte stato di degrado a causa della prolungata esposizione agli agenti atmosferici e alla scarsa manutenzione • Frequentemente si trovano oggi in aree densamente urbanizzate: elevati costi di demolizione • Assenza di riferimenti normativi specifici a livello nazionale • Singolarità nella risposta: 1. Geometria strutture di supporto 2. Irregolarità in altezza 3 Interazione 3. Intera ione dinamica flfluido-struttura ido str tt ra 4 Tipologie di serbatoi pensili Serbatoi pensili sorretti da setti in CA Serbatoi pensili a camino in CA Serbatoi pensili a traliccio 5 Tipologie di serbatoi pensili Configurazioni strutture a traliccio Le strutture a traliccio hanno di solito pianta poligonale in cui varia la disposizione dei traversi di collegamento che possono essere: Traversi disposti lungo le facce perimetrali del traliccio Disposizione contemporanea di entrambi i due ordini di traversi Traversi ad andamento diametrale convergenti al centro su una trave ad anello 6 Verifica di serbatoi sospesi esistenti in CA FD < Rd Fd > Rd Fd < Rd Fd > Rd 7 Esempio 1 Serbatoio di San Cipriano Po (PV) • Anno A di costruzione: t i 1970 • Altezza complessiva: 32 m • Struttura St tt di supporto: t torre t a traliccio t li i iin cemento armato con sezione triangolare; 3 pilastri inclinati di altezza circa 26 m, connessi mediante solette e travi a sei quote lungo l’altezza e da un anello di irrigidimento in sommità • Volume serbatoio: ≈ 30 m3 8 Esempio 1 - danneggiamento Stato di danneggiamento • Significativo degrado del materiale: assenza di copriferro, ossidazione armature pilastri inadeguata g secondo le attuali p prescrizioni normative • Staffatura dei p 9 Esempio 2 Serbatoio di Parona (PV) • Anno di costruzione: 1968 A t i • Altezza complessiva: 32 m • Struttura di supporto: torre a traliccio in cemento armato con sezione esagonale; 6 pilastri inclinati di altezza circa 29 m m, connessi mediante travi a quattro quote lungo l’altezza e da un anello di irrigidimento in sommità. • Volume serbatoio: ≈ 130 m3 10 Esempio 2 - danneggiamento Stato di danneggiamento • Significativo degrado del materiale: assenza di copriferro, parziale ossidazione delle armature. • Staffatura dei pilastri inadeguata secondo le attuali prescrizioni normative. 11 Esempio 2 - geometria Geometria - Disegni 12 Verifica di serbatoi sospesi esistenti in CA PA: controllo visivo dello stato di degrado 13 Verifica di serbatoi sospesi esistenti in CA PB: indagini per la caratterizzazione dei materiali e del sottosuolo Caratterizzazione materiali: • Prove ad onde ultrasoniche • Prove P sclerometriche l i h • Prove di schiacciamento su micro-carote di cls • Prove di trazione su pprelievi di armature Caratterizzazione terreno: • Prove penetrometriche (CPT/SPT) • Sismiche 14 I livelli di conoscenza All’interno del DM2008 si identificano tre livelli di conoscenza a cui sono associati i tipi di analisi utilizzabili per la verifica e i fattori di confidenza da utilizzare per valutare le resistenze dei materiali: • LC1: Conoscenza Limitata • LC2: Conoscenza Adeguata • LC3: Conoscenza Accurata Gli aspetti che definiscono i diversi livelli di conoscenza sono: • Geometria degli elementi strutturali • Dettagli strutturali (disposizione armature longitudinali e trasversali) • Proprietà meccaniche dei materiali 15 I livelli di conoscenza Livelli di conoscenza in funzione dell’informazione disponibile e conseguenti metodi di analisi ammessi e valori dei fattori di confidenza per edifici in calcestruzzo armato o in acciaio 16 Disegni di carpenteria e materiali • Materiali: valori usuali della p pratica costruttiva dell’epoca convalidati da delle prove sperimentali • Calcestruzzo, fcm = 19 MPa LC2 • Acciaio, FeB32k barre lisce 17 Stati limite All’interno del DM2008 si identificano tre stati limite rispetto ai quali verificare i requisiti di sicurezza per azioni sismiche: • Stato Limite di Collasso (SLC) • Stato Limite di salvaguardia della Vita (SLV) • Stato Limite di Esercizio (SLE) 18 Stati limite Stato limite di Collasso (SLC) • Nel caso di elementi/meccanismi duttili gli effetti da considerare sono quelli derivanti dall’analisi strutturale, mentre nel caso di elementi/meccanismi fragili gli effetti derivanti dall’analisi strutturale possono venire modificati secondo principi di gerarchia delle resistenze. • Le capacità sono definite in termini di deformazioni ultime per gli elementi/meccanismi duttili e di resistenze ultime per gli elementi/meccanismi fragili. • Lo stato limite di collasso non è verificabile se nelle analisi viene considerato il f tt fattore di struttura t tt q 19 Stati limite Stato limite di salvaguardia della Vita (SLV) • Nel caso di elementi/meccanismi duttili gli effetti da considerare sono quelli derivanti dall’analisi strutturale, mentre nel caso di elementi/meccanismi fragili gli effetti derivanti dall’analisi strutturale possono venire modificati secondo principi di gerarchia delle resistenze. • Le capacità sono definite in termini di “deformazioni di danno” per gli elementi/meccanismi duttili duttili, di “deformazioni deformazioni ultime” ultime e di resistenze prudenzialmente ridotte per gli elementi/meccanismi fragili. • Nel caso di verifica con l’impiego del fattore q, la resistenza degli elementi si calcola l l come per lle situazioni it i i non sismiche. i i h 20 Stati limite Stato limite di Esercizio (SLE) Si consiglia di rispettare i valori limite di spostamenti di interpiano previsti all’interno del DM2008 per gli edifici di nuova costruzione. 21 Verifica di serbatoi sospesi esistenti in CA PC: analisi e verifica della struttura Analisi lineari: • Statiche con spettro di risposta elastico/di progetto • Dinamiche modali con spettro di risposta elastico/di progetto Analisi non lineari: • Statiche St ti h (pushover) ( h ) • Dinamiche Condizioni: • Serbatoio vuoto • Serbatoio pieno (se in funzione) 22 I metodi di analisi strutturale Analisi statica lineare con spettro elastico Applicabile secondo quanto previsto nel DM2008 per gli edifici di nuova costruzione con le seguenti indicazioni aggiuntive: 23 I metodi di analisi strutturale Analisi statica lineare con spettro elastico • La verifica degli elementi “duttili” viene eseguita confrontando gli effetti indotti dalle azioni sismiche in termini di deformazioni con i rispettivi limiti di deformazione. • La verifica degli elementi “fragili” fragili viene eseguita confrontando gli effetti indotti dalle azioni sismiche in termini di forze con le rispettive resistenze. Le sollecitazioni di verifica sono ottenute da condizioni di equilibrio, in base alle sollecitazioni trasmesse dagli elementi/meccanismi duttili duttili. • Per il calcolo della capacità di elementi/meccanismi duttili o fragili si impiegano le proprietà dei materiali esistenti direttamente ottenute da prove in sito e da eventuali i f informazioni i i aggiuntive, i ti di divise i per i ffattori tt i di confidenza. fid • Per il calcolo della capacità di resistenza degli elementi fragili primari, le per i corrispondenti p coefficienti p parziali e p per i resistenze dei materiali si dividono p fattori di confidenza. 24 I metodi di analisi strutturale Analisi statica lineare con fattore di struttura q • Fattore di struttura q variabile fra 1,5 e 3,0 in funzione della regolarità nonché dei tassi di lavoro dei materiali sotto le azioni statiche. • Per tutti gli elementi strutturali “duttili” duttili la sollecitazione indotta dall’azione dall azione sismica ridotta deve risultare inferiore o uguale alla corrispondente resistenza. • Per tutti gli elementi strutturali “fragili” la sollecitazione indotta dall'azione sismica ridotta per q = 1,5 deve risultare inferiore o uguale alla corrispondente resistenza. • Per il calcolo della resistenza di elementi/meccanismi duttili o fragili, si impiegano le proprietà dei materiali esistenti direttamente ottenute da prove in sito e da eventuali informazioni aggiuntive, divise per i fattori di confidenza. 25 I metodi di analisi strutturale Analisi dinamica modale con spettro di risposta elastico o con fattore di struttura q • Applicabile secondo quanto previsto nel DM2008 per gli edifici di nuova costruzione. • Nel primo caso l’azione sismica è rappresentata dallo spettro di risposta elastico, nel secondo da quello ridotto del fattore di struttura q • Le indicazioni specifiche per i due casi sono le stesse considerate per le analisi statiche lineari. 26 Input sismico Input sismico per i casi studio Zona 1: Norcia (PG) Zona 3: Bergamo (BG) Zona 2: Macerata (MC) Zona 4: Pavia (PV) 27 Analisi lineari Analisi dinamiche modali con fattore di struttura q • Fattore di struttura minimo, q = 1.5 • Due condizioni di carico del serbatoio: pieno e vuoto • Le verifiche sono state condotte per tutte le 4 zone considerate al variare delle tipologie di terreno previste dal DM2008. • Rappresentazione dell’interazione fluidodinamica 28 Analisi lineari Interazione fluido - struttura • Il comportamento dinamico del liquido all’interno del serbatoio è stato modellato mediante due masse: impulsiva e convettiva m0 tanh 3 R H m 3R H T1 2 R g 1 tanh 1 H R 27 R m1 1 27 R tanh m 4 8 H 8 H k c1 4 2 m1 T12 29 Analisi lineari Modello numerico • Le travi ed i pilastri modellati mediante elementi monidimensionali di tipo “beam”, mentre le pareti del serbatoio mediante elementi di tipo “shell” shell LINK ELASTICI • Il comportamento dinamico del liquido all’interno del serbatoio è stato modellato mediante due masse: impulsiva e convettiva. La prima la quale si deve muovere solidalmente alla struttura, mentre la seconda collegata g alle p pareti mediante “link” elastici. Le masse e le rigidezze dei link sono definiti mediante modelli semplificati. 30 Analisi lineari Modello numerico • Sezioni travi di irrigidimento Piano 1 65 x 30 cm Piano 2 Piano 2 50 30 cm 50 x 30 cm Piano 3 50 x 30 cm Piano 4 50 x 30 cm TRAVI ANELLO ESTERNO TRAVI ANELLO INTERNO • Sezioni pilastri Piano 1 55 x 50 cm Piano 2 55 x 45 cm Piano 3 50 x 45 cm Piano 4 Piano 4 45 x 45 cm 45 x 45 cm Piano 5 45 x 45 cm TRAVI DI IRRIGIDIMENTO 31 Analisi lineari Analisi Modale – Serb. 30 mc Serbatoio Pieno Serbatoio Vuoto Modo Perido [s] M%X M%Y M%X M%Y Modo Perido [s] M%X M%Y M%X M%Y 1 1.99 0.05 0.12 0.05 0.12 1 1.14 0.21 0.54 0.21 0.54 2 1.99 0.12 0.05 0.17 0.17 2 1.14 0.54 0.21 0.75 0.75 3 1.37 0.17 0.45 0.34 0.62 3 0.99 0.00 0.00 0.75 0.75 4 1.37 0.45 0.17 0.79 0.79 4 0.43 0.05 0.07 0.79 0.82 5 0.99 0.00 0.00 0.79 0.79 5 0.43 0.07 0.05 0.87 0.87 6 0.45 0.04 0.06 0.84 0.86 6 0.34 0.00 0.00 0.87 0.87 7 0.45 0.06 0.04 0.90 0.90 7 0.21 0.02 0.03 0.89 0.90 8 0 34 0.34 0 00 0.00 0 00 0.00 0 90 0.90 0 90 0.90 8 0 21 0.21 0 03 0.03 0 02 0.02 0 92 0.92 0 92 0.92 9 0.22 0.02 0.03 0.92 0.93 9 0.18 0.00 0.00 0.92 0.92 10 0.22 0.03 0.02 0.94 0.94 10 0.14 0.01 0.01 0.93 0.94 11 0.18 0.00 0.00 0.94 0.94 11 0.14 0.01 0.01 0.95 0.95 12 0.14 0.01 0.01 0.95 0.95 12 0.12 0.00 0.01 0.95 0.96 • La massa partecipante è sempre significativa in entrambe le direzioni x ed y per via della forma della struttura di supporto 32 Analisi lineari Analisi Modale – Serb. 130 mc Serbatoio Pieno Serbatoio Vuoto Modo Perido [s] M%X M%Y M%X M%Y Modo Perido [s] M%X M%Y M%X M%Y 1 2.97 0.00 0.26 0.00 0.26 1 1.23 0.00 0.77 0.00 0.77 2 2.97 0.26 0.00 0.26 0.26 2 1.23 0.77 0.00 0.77 0.77 3 1.48 0.00 0.58 0.26 0.84 3 1.06 0.00 0.00 0.77 0.77 4 1.48 0.58 0.00 0.84 0.84 4 0.41 0.16 0.00 0.93 0.77 5 1.06 0.00 0.00 0.84 0.84 5 0.41 0.00 0.16 0.93 0.93 6 0.42 0.11 0.00 0.95 0.84 6 0.28 0.00 0.00 0.93 0.93 7 0.42 0.00 0.11 0.95 0.95 7 0.23 0.05 0.00 0.98 0.93 8 0 28 0.28 0 00 0.00 0 00 0.00 0 95 0.95 0 95 0.95 8 0 23 0.23 0 00 0.00 0 05 0.05 0 98 0.98 0 98 0.98 9 0.23 0.03 0.00 0.98 0.95 9 0.16 0.00 0.00 0.98 0.98 10 0.23 0.00 0.03 0.98 0.98 10 0.16 0.02 0.00 0.99 0.98 11 0.16 0.00 0.00 0.98 0.98 11 0.16 0.00 0.02 0.99 0.99 12 0.16 0.01 0.00 1.00 0.98 12 0.13 0.01 0.00 1.00 0.99 • Il periodo di vibrazione fondamentale risulta maggiore nel caso di analisi a serbatoio pieno per via della maggiore massa della struttura, in particolare quella associata alla componente di massa liquida impulsiva. 33 Analisi lineari Analisi dinamiche modali con spettro di risposta – Risultati • Verifiche più gravose: travi – pieno carico, colonne – vuoto • Maggiori differenze per il serbatoio da 30 mc 34 Analisi lineari Analisi dinamiche modali con spettro di risposta – Risultati • Le verifiche a flessione risultano più critiche rispetto a quelle a taglio. Essendo debolmente armate a flessione, le travi di irrigidimento soddisfano ddi f i criteri it i di gerarchia delle resistenze. • Verifiche meno gravose per il serbatoio da 130 mc. 35 I metodi di analisi strutturale Analisi statica non lineare • Applicabile secondo quanto previsto nel DM2008 per gli edifici di nuova costruzione per livelli di conoscenza superiori a LC1 (conoscenza limitata). g elementi/meccanismi sia duttili che fragili, g , • Le sollecitazioni indotte dall’azione sismica sugli da utilizzare ai fini delle verifiche, sono quelle derivanti dall’analisi strutturale in cui si sono usati i valori medi delle proprietà dei materiali. duttili viene eseguita confrontando gli effetti indotti dalle azioni • La verifica degli elementi “duttili” sismiche in termini di deformazioni con i rispettivi limiti di deformazione. • La verifica degli elementi “fragili” viene eseguita confrontando gli effetti indotti dalle azioni sismiche in termini di forze con le rispettive resistenze. resistenze • Per il calcolo della capacità di elementi/meccanismi duttili o fragili si impiegano le proprietà dei materiali esistenti direttamente ottenute da prove in sito e da eventuali informazioni aggiuntive divise per i fattori di confidenza aggiuntive, confidenza. • Per il calcolo della capacità di resistenza degli elementi fragili primari, le resistenze dei materiali si dividono per i corrispondenti coefficienti parziali e per i fattori di confidenza. 36 I metodi di analisi strutturale Analisi dinamica non lineare • Applicabile secondo quanto previsto nel DM2008 per gli edifici di nuova costruzione per livelli di conoscenza superiori a LC1 (conoscenza limitata). g elementi/meccanismi sia duttili che fragili, g , • Le sollecitazioni indotte dall’azione sismica sugli da utilizzare ai fini delle verifiche, sono quelle derivanti dall’analisi strutturale in cui si sono usati i valori medi delle proprietà dei materiali. duttili viene eseguita confrontando gli effetti indotti dalle azioni • La verifica degli elementi “duttili” sismiche in termini di deformazioni con i rispettivi limiti di deformazione. • La verifica degli elementi “fragili” viene eseguita confrontando gli effetti indotti dalle azioni sismiche in termini di forze con le rispettive resistenze. resistenze • Per il calcolo della capacità di elementi/meccanismi duttili o fragili si impiegano le proprietà dei materiali esistenti direttamente ottenute da prove in sito e da eventuali informazioni aggiuntive divise per i fattori di confidenza aggiuntive, confidenza. • Per il calcolo della capacità di resistenza degli elementi fragili primari, le resistenze dei materiali si dividono per i corrispondenti coefficienti parziali e per i fattori di confidenza. 37 Analisi non lineari Analisi statiche non lineari (pushover) • Elementi El ti a plasticità l ti ità diff diffusa • Legame di Mander per il comportamento non lineare del calcestruzzo • Legame bilineare per il comportamento non lineare dell’acciaio • Comportamento in grandi spostamenti, spostamenti struttura soggetta a fenomeni P- 38 Analisi non lineari Analisi statiche non lineari (pushover) Sono state considerate possibili 2 distribuzioni di forze per entrambe le condizioni di serbatoio a pieno carico e serbatoio vuoto. p al p primo modo di vibrare • Proporzionale • Proporzionale alle masse 39 I criteri di verifica degli elementi strutturali Elementi/meccanismi duttili – travi/pilastri La capacità è definita in termini di deformazione con riferimento alla rotazione della sezione di estremità dell’elemento valutata rispetto alla congiungente di tale sezione con la sezione di momento nullo a distanza pari alla luce di taglio. (ROTAZIONE DI CORDA) luce di taglio: Lv M V Lv 40 I criteri di verifica degli elementi strutturali Elementi/meccanismi duttili – travi/pilastri • Stato Limite di Collasso: Oppure: • Stato Limite di salvaguardia della Vita: 3 θ SD θ u 4 41 I criteri di verifica degli elementi strutturali Elementi/meccanismi duttili – travi/pilastri • Stato Limite di Esercizio: 42 I criteri di verifica degli elementi strutturali Elementi/meccanismi fragili – travi/pilastri La capacità è definita in termini di forze ed è definita come la resistenza a taglio dell’elemento, valutata come per il caso di nuove costruzioni per situazioni non sismiche. Elementi senza armature trasversali a taglio: 43 I criteri di verifica degli elementi strutturali Elementi/meccanismi fragili – travi/pilastri Elementi con armatura specifica a taglio: 44 I criteri di verifica degli elementi strutturali Elementi/meccanismi fragili – nodi travi/pilastri La verifica deve essere eseguita solo per i nodi non interamente confinati. Deve essere verificata sia la resistenza a trazione che quella a compressione, entrambe diagonali. 45 I criteri di verifica degli elementi strutturali Elementi/meccanismi fragili – nodi travi/pilastri dove N indica l’azione assiale presente nel pilastro superiore, Vn indica il taglio totale agente sul nodo, nodo considerando sia il taglio derivante dall’azione dall azione presente nel pilastro superiore, sia quello dovuto alla sollecitazione di trazione presente nell’armatura longitudinale superiore della trave, Ag indica la sezione orizzontale del nodo nodo. 46 Analisi non lineari Identificazione delle capacità Sulle singole curve di pushover ottenute dalle analisi statiche non lineari, si identificano i punti relativi al raggiungimento: • SLE: del drift limite di interpiano pari a 0 0.5%. 5% • SLV: della capacità di rotazione rispetto alla corda per lo stato limite di salvaguardia della vita della prima trave/colonna. • SLC: della capacità di rotazione rispetto alla corda in condizioni di collasso della prima trave/colonna. 47 Analisi non lineari Identificazione delle capacità Sulle singole curve di pushover ottenute dalle analisi statiche non lineari, si identificano i punti relativi al raggiungimento: • Taglio: del collasso a taglio della prima trave/colonna • Nodi: del collasso del primo nodo non confinato 48 Analisi non lineari Sistema ad 1gdl equivalente Per confrontare le capacità osservata nelle analisi non lineari con i diversi livelli di domanda considerati occorre valutare le curve relative al sistema ad 1gdl equivalente. • Tramite l’approssimazione bilineare della curva di capacità è possibile definire il livello di duttilità associata ad ogni stato limite. 49 Analisi non lineari Analisi statiche non lineari – Risultati • Come osservato nelle analisi lineari il collasso flessionale precede le rotture per taglio, gerarchia delle resistenze • Maggiore degrado delle curve relative alla condizione di pieno carico carico, fenomeni del secondo ordine • Potenziale risposta duttile limitata dal comportamento dei nodi non confinati • Fattore di riduzione delle forze: Rot. SLV, R = 4 50 Analisi non lineari Analisi statiche non lineari – Risultati • Come osservato nelle analisi lineari il collasso flessionale precede le rotture per taglio, gerarchia delle resistenze carico, • Significativo degrado delle curve relative alla condizione di pieno carico fenomeni del secondo ordine • Potenziale risposta duttile limitata dal comportamento dei nodi non confinati • Fattore di riduzione delle forze: Rot. SLV, R = 2 - 2.5 Nodi, R = 1.25 51 Interventi di rinforzo PD: progettazione dell’intervento di rinforzo Ripristino danneggiamento: • Ripristino del copriferro • Ripristino delle armature soggette a corrosione Adeguamento: • Inserimento I i t di elementi l ti strutturali t tt li ((controventi, t ti solette) l tt ) • Confinamento dei nodi (fibre di carbonio/vetro) • Incremento della capacità degli elementi (fibre di carbonio/vetro) 52 Interventi di rinforzo Ripristino copriferro e rinforzo nodi • Ricostruzione dello strato di copriferro (malte a base di cemento modificate con resine acriliche in emulsione) • Confinamento dei nodi con fibre di carbonio/vetro 53 Interventi di rinforzo Ripristino copriferro e rinforzo nodi 1) Sottofondo in calcestruzzo 2) Primo strato di malta cementizia 3)) Tessuto di rinforzo in fibra 4) Secondo strato di malta cementizia 5) Tessuto di rinforzo in fibra (eventuale) 6) Terzo strato di malta cementizia 54 Interventi di rinforzo Ripristino copriferro e rinforzo nodi 55 Interventi di rinforzo Ripristino copriferro e rinforzo nodi 56 Interventi di rinforzo Ripristino copriferro e rinforzo nodi Preparazione del supporto ed applicazione del primer epossidico Particolare del rinforzo di un nodo Posizionamento delle fibre di carbonio al nodo Rasatura delle superfici Posizionamento delle fibre di carbonio al pilastro Finitura colorata e protettiva come da richiesta del committente 57 Interventi di rinforzo Inserimento solette • Ricostruzione dello strato di copriferro (malte a base di cemento modificate con resine acriliche in emulsione) • I traversi di collegamento vengono resi solidali rendendoli una soletta in CA 58 Interventi di rinforzo Inserimento solette 59 Interventi di rinforzo Inserimento elementi di controvento 60
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