10 COSTRUZIONE DI PONTI 2013-14 140528.pdf

Corso di Costruzione di Ponti

10. CRITERI DI PROGETTAZIONE ANTISISMICA DEI PONTI

- Pag. 10.1 -

Criteri di progettazione antisismica dei ponti 10.1.

Progettazione antisismica dei ponti - Premesse

La progettazione degli apparecchi di appoggio, delle strutture verticali e delle fondazioni è fortemente influenzato dall’azione simica che può interessare la generica struttura da ponte. In particolare la struttura del ponte deve essere concepita e dimensionata in modo che sotto l'azione sismica di progetto per lo SLU essa dia luogo alla formazione di un meccanismo dissipativo stabile1, nel quale la dissipazione sia limitata alle pile o ad appositi dispositivi dissipativi.

1

Per stabile si intende: “la cui resistenza non è rapidamente degradante”.


- Pag. 10.2

Criteri di progettazione antisismica dei ponti

Inoltre il proporzionamento della struttura deve essere tale da favorire l'impegno plastico del maggior numero possibile di pile. Il comportamento inelastico dissipativo deve essere di tipo flessionale, con esclusione di possibili meccanismi di rottura per taglio. Gli elementi ai quali non viene richiesta capacità dissipativa, e devono, quindi, mantenere un comportamento sostanzialmente elastico, sono: l'impalcato, gli apparecchi di appoggio, le strutture ed il terreno di fondazione, le spalle. Per garantirne il comportamento elastico, questi

elementi devono essere progettati per resistere alle massime azioni che gli elementi dissipativi possono loro trasmettere, adottando il criterio della "gerarchia delle resistenze". Per questi elementi strutturali le sollecitazioni di calcolo non si valutano sulla base dello spettro di progetto del ponte, ma in base alle sollecitazione che vengono trasmesse dagli elementi dissipativi, amplificate per tenere conto dell’effetto di sovra resistenza.

10.2.

Criteri di progettazione antisismica

Le attuali prescrizioni tecniche per il progetto sismico dei ponti fanno riferimento alle NTC2008 dove vengono forniti i principi di progettazione e di calcolo per i ponti a pile e travate, queste ultime del tipo continuo su più pile o semplicemente appoggiate ad ogni campata. Le pile si intendono a fusto unico, con sezione trasversale di forma generica, piena o cava, mono o multi-cellulare. Ponti differenti o pile a geometria più complessa possono essere analizzati con gli stessi principi forniti dalle NTC2008 ma impiegando metodi di calcolo alternativi ed adeguatamente documentati. Corso di Costruzione di Ponti

- Pag. 10.3

Criteri di progettazione antisismica dei ponti Modellazione dell’azione sismica (Ordinanza 3274 smi) •

Definizione dell’evento sismico di riferimento

Stato Limite Ultimo SLU:

si progetta con riferimento ad un evento sismico di forte intensità che ha probabilità di occorrenza del 10% in 50 anni, ovvero un periodo medio di ritorno commisurato all'importanza dell'opera non inferiore a 475 anni (azione sismica di progetto). Per tale evento, i danni strutturali subiti dal ponte sono tali da non comprometterne la transitabilità, e da consentire una capacità ridotta di traffico sufficiente per le operazioni di soccorso post-sisma. Stato Limite di Danno SLD :

fa riferimento ad un evento sismico caratterizzato da un periodo medio di ritorno commisurato all’importanza dell'opera, ma non inferiore a 72 anni e che ha quindi, una significativa probabilità di verificarsi più di una volta nel corso della durata utile dell'opera. A seguito di tali eventi sismici, i danni strutturali sono di entità trascurabile, tali da non richiedere alcuna riduzione del traffico né interventi urgenti di ripristino. •

Zonizzazione sismica

Il parametro che si utilizza nella nuova classificazione del territorio nazionale è a

Fattore di importanza γI


accelerazione orizzontale massima su suolo di categoria A (roccia) per un terremoto che ha probabilità del 10% di avvenire in 50 anni, ovvero con periodo di ritorno di 475 anni. - Pag. 10.4

Criteri di progettazione antisismica dei ponti •

Azione sismica

Se si considera il moto sismico in un punto, l'effetto combinato dell'ampiezza dell'accelerazione massima, del contenuto di frequenze e della durata, può essere convenientemente descritto attraverso lo spettro di risposta elastico (analisi statica/ analisi dinamica modale). In alternativa si devono usare più accelerogrammi specifici per quel sito (analisi time history). Spettro di risposta elastico

Caratteristiche dell’accelerogramma: (PGA), durata, contenuto in frequenze

ampiezza

corrisponde alla risposta massima indotta dal moto sismico in un oscillatore elastico semplice, al variare della frequenza naturale di vibrazione e dello smorzamento dell'oscillatore stesso. Corso di Costruzione di Ponti

- Pag. 10.5


Lo spettro elastico di progetto è ottenuto a partire da molti eventi sismici, ma non è riferito ad alcuno specifico terremoto reale. Lo spettro che caratterizza il sito si ottiene come inviluppo di più spettri di risposta. Lo sviluppo di spettri di risposta specifici per un particolare sito richiede uno studio accurato delle caratteristiche geologiche e sismologiche dell’area di appartenenza del sito stesso. E’ noto, infatti, che le caratteristiche del moto sismico sono influenzate dalla sorgente che srcina il sisma, dal percorso che le onde compiono fino al sito ed, infine, dalle condizioni locali. Modifica della risposta sismica per effetto del terreno:

amplificazione locale

Amplificazione

sismica

locale

dell’accelerazione

orizzontale del terreno di un terremoto nei depositi argillosi superficiali (FAS e FAI) a Cittàdebole del Messico, ben documentata strumentalmente da sensori in pozzo a profondità diverse e in superficie (campo libero).


- Pag. 10.6

Criteri di progettazione antisismica dei ponti Categorie del suolo di fondazione

Per la definizione dell’azione sismica di progetto i terreni vengono caratterizzati da parametri: sismici Vs30 (velocità media di propagazione entro 30 m di profondità delle onde di taglio) geotecnici NSPT (Standard Penetration Test), cu (coesione non drenata). Formazioni litoidi o suoli omogenei molto rigidi caratterizzati da valori di V S30 superiori a 800 m/s, comprendenti eventuali strati di alterazione superficiale di spessore massimo pari A

a 5 m. B Depositi di sabbie o ghiaie molto addensate o argille molto consistenti, con spessori di diverse decine di metri, caratterizzati da un graduale miglioramento delle proprietà meccaniche con la profondità e da valori di VS30 compresi tra 360 m/s e 800 m/s (ovveroresistenza penetrometrica NSPT > 50, o coesione non drenata cu > 250 kPa). C Depositi di sabbie e ghiaie mediamente addensate, o di argille di media consistenza, con spessori variabili da diverse decine fino a centinaia di metri, caratterizzati da valori di VS30 compresi tra 180 e 360 m/s (15
m/s (NSPT<15, cu<70 kPa). E Profili di terreno costituiti da strati superficiali alluvionali, con valori di VS30 simili a quelli dei tipi C o D e spessore compreso tra 5 e 20 m, giacenti su di un substrato di materiale più rigido con VS30 > 800 m/s.


- Pag. 10.7

Criteri di progettazione antisismica dei ponti Spettro elastico secondo l’OPCM 3274


- Pag. 10.8



- Pag. 10.9



- Pag. 10.10



- Pag. 10.11



- Pag. 10.12



- Pag. 10.13



- Pag. 10.14



- Pag. 10.15



- Pag. 10.16



- Pag. 10.17



- Pag. 10.18



- Pag. 10.19



- Pag. 10.20



- Pag. 10.21



- Pag. 10.22



- Pag. 10.23


Impiego dello spettro elastico


- Pag. 10.24


Duttilità strutturale: fattore di struttura


- Pag. 10.25


Il fattore di struttura q tiene conto della duttilità del ponte ovvero della capacità caratteristica degli elementi duttili di resistere alle azioni sismiche in campo plastico, danneggiandosi ma non collassando. Tale coefficiente è da applicare: (i) alle singole pile per ciascuna delle due direzioni principali, nei casi di ponti isostatici, (ii) all’intera opera, ma ancora separatamente per le due direzioni, per i ponti a travata continua. In quest’ultimo caso si assumerà il valore di q più basso delle pile che fanno parte del sistema resistente alle azioni sismiche per ciascuna delle due direzioni. Si possono usare valori diversi di q nelle diverse direzioni applicazione dell’azione sismica. avere strutture con diversi elementi resistenti di duttili, in questo caso è bene usareSi ilpossono q corrispondente all’elemento duttile che contribuisce maggiormente alla resistenza sismica del ponte. Massimo per il fattore di struttura q = 3.5. Riduzioni: (i) per pile tozze, (ii) per il calcolo delle spalle, (iii) per pile fortemente compresse, (iiii) per ponti a geometria “non regolare”.


- Pag. 10.26

Criteri di progettazione antisismica dei ponti Spettro di progetto: impiego del fattore di struttura


- Pag. 10.27

Criteri di progettazione antisismica dei ponti Modellazione della struttura

“Il modello strutturale deve poter descrivere tutti i gradi di libertà significativi caratterizzanti la risposta dinamica e riprodurre fedelmente le caratteristiche di inerzia e di rigidezza della struttura, e di vincolo degli impalcati” (OPCM 3431 Cap.6).


- Pag. 10.28


In molti casi al posto del sistema globale si possono utilizzare sotto-sistemi. Il sistema può essere trattato diversamente in direzione longitudinale e in direzione trasversale. Nell’analisi


- Pag. 10.29


sismica è generalmente sufficiente ricondursi a due modelli separati uno in direzione longitudinale (L) e uno in direzione trasversale (T)2.

Se l'analisi viene eseguita in campo non lineare mediante integrazione al passo, le componenti L e T (e quella verticale*, ove appropriato) devono venire applicate simultaneamente alla struttura. 2


- Pag. 10.30


Masse

Le masse sono valutate considerando i carichi permanenti. Analisi statica equivalente. Le masse entrano nella definizione delle forze statiche equivalenti. Si utilizza una massa efficace pari alla massa dell’impalcato afferente alla pila e alla massa della metà superiore della pila (se questa è inferiore al 20% della massa dell’impalcato). Metodi dinamici. Per utilizzare i metodi dinamici le masse sono in genere assegnate al modello come masse concentrate posizionate ai nodi. •

Rigidezze

La rigidezza degli elementi in c.a. deve essere valutata tenendo conto dell'effettivo stato di fessurazione.


- Pag. 10.31

Criteri di progettazione antisismica dei ponti Metodi di analisi

•

Analisi modale

Si riconduce l’analisi di un sistema M-GDL (con n g.d.l.) soggetto a sisma a quello di n sistemi 1-GDL, indipendenti. Per ogni sistema i modi propri di vibrare sono in numero pari al numero dei g.d.l. e costituiscono le oscillazioni periodiche libere del sistema elastico non smorzato. Quando il sistema oscilla secondo uno dei modi propri tutte le masse oscillano con la stessa pulsazione (pulsazione corrispondente al modo) e la stessa fase, mantenendo immutati i rapporti tra le ampiezze. Per ogni oscillazione le masse raggiungono il punto di massimo spostamento nel medesimo istante. OSS: è possibile esprimere una qualsiasi deformata vibratoria del sistema come combinazione lineare dei modi propri. Corso di Costruzione di Ponti

- Pag. 10.32


Analisi statica lineare

Consiste nell’applicazione di forze statiche equivalenti alle forze d’inerzia. Può essere applicata nei casi in cui la risposta dinamica della struttura è governata da un solo modo e quindi è fornita con buona approssimazione dall'analisi di un oscillatore ad 1 grado di libertà. L’analisi statica lineare è consentita: i) in direzione longitudinale per ponti rettilinei a travata continua, purché la massa efficace complessiva delle pile facenti parte del sistema resistente al sisma non sia superiore ad 1/5 della massa dell'impalcato; ii) in direzione trasversale per ponti che soddisfano la condizione (i) e sono simmetrici rispetto la mezzeria longitudinale o hanno un’eccentricità non superiore al 5% della lunghezza del ponte. L'eccentricità è la distanza tra baricentro delle masse e centro delle rigidezze delle pile facenti parte del sistema resistente al sisma nella direzione trasversale; iii) per ponti a travate semplicemente appoggiate, per entrambe le direzioni longitudinale e trasversale purché la massa efficace di ciascuna pila non sia superiore ad 1/5 della massa di impalcato da essa portata. Corso di Costruzione di Ponti

- Pag. 10.33

Criteri di progettazione antisismica dei ponti Analisi statica lineare per sistemi a 1 g.d.l.


- Pag. 10.34

Criteri di progettazione antisismica dei ponti Componenti dell’azione sismica e loro combinazione Analisi lineare. La risposta può

essere calcolata separatamente per ciascuna delle tre componenti e gli effetti combinati successivamente applicando la seguente espressione: Combinazioni con le altre azioni:

Criteri di progettazione

I criteri di progettazione sono volti esplicitamente al soddisfacimento del requisito di non collasso, ma implicitamente coprono anche quello di limitazione del danno. È necessario scegliere il tipo di comportamento che si vuole che il ponte abbia durante l’evento sismico di progetto. La scelta del tipo di comportamento dipendeodalla sismicità dalle modificare dimensioniin geometria del ponte e dalla presenza di isolatori di altri vincoli del chesito, possano modo sostanziale la risposta alle azioni sismiche.


- Pag. 10.35


- Regione a bassa sismicità: è possibile scegliere un comportamento limitatamente duttile (durante il terremoto di progetto non devono verificarsi significative plasticizzazioni) Scelta del comportamento strutturale


ed applicare criteri di progettazione semplificati. - Regione a medio alta sismicità: è consigliabile conferire al ponte un comportamento duttile o attraverso la formazione di cerniere plastiche a flessione o utilizzando isolamento alla base e dispositivi di dissipazione energetica. - Pag. 10.36


OSS: è opportuno che le cerniere plastiche si formino nelle pile, che sono i componenti strutturali principali più facilmente riparabili e meno direttamente coinvolti nel transito dei veicoli. Per quanto possibile si deve fare in modo che le cerniere plastiche si formino in punti accessibili per ispezione ed eventuale riparazione. In genere l’impalcato deve rimanere in campo elastico. La formazione di cerniere plastiche è consentita nelle solette di continuità (piastre duttili a flessione). La formazione di cerniere plastiche non è ammessa in sezioni in c.a. in cui la forza assiale normalizzata sia maggiore di 0.6. •

Criterio della gerarchia delle resistenze (GR)

Il criterio GR consiste nel determinare le azioni di progetto per i meccanismi (resistenza a taglio di tutti gli elementi), e per gli elementi strutturali (appoggi, fondazioni, spalle) che devono mantenersi in regime lineare sotto l'azione sismica di progetto, assumendo che in tutte le zone dove è prevista la formazione di cerniere plastiche agiscano momenti flettenti da considerare quali frattili superiori degli effettivi momenti resistenti, e dati dall'espressione: γ0·MRd,i Il fattore γ0 (fattore di "sovraresistenza") viene calcolato mediante l'espressione: γ0 = 0.7 + 0.2q ≥ 1, nella quale q è il valore del coefficiente di struttura utilizzato nel calcolo. Le sollecitazioni calcolate a partire dai momenti resistenti amplificati (e dai carichi permanenti distribuiti sugli elementi) si definiscono ottenute con il criterio della gerarchia delle resistenze. OSS: (i) il criterio della gerarchia delle resistenze si applica solamente nel caso in cui si faccia ricorso alla duttilità della struttura per la dissipazione di energia; (ii) lo scopo di questo approccio progettuale è quello di garantire che le cerniere plastiche nascano là dove previsto, e non altrove, evitando l’introduzione di labilità oppure meccanismi di collasso fragile. Tutte le zone in cui non è prevista la formazione di cerniere plastiche (e quindi devono rimanere in campo elastico) devono essere dotate di una adeguata “sovraresistenza” non tanto riguardo alle sollecitazioni derivanti dall’analisi, ma soprattutto


- Pag. 10.37

Criteri di progettazione antisismica dei ponti rispetto a quelle sollecitazioni che potrebbero nascere sulla struttura immediatamente prima che si formino cerniere plastiche laddove è previsto che si formino.


- Pag. 10.38



- Pag. 10.39

Criteri di progettazione antisismica dei ponti Apparecchi di appoggio per ponti in zona sismica (concetti generali)

Le forze sismiche sono forze dipendenti dalle masse in gioco e dall’accelerazione indotta sulla struttura dal sisma, secondo la: F = m · Sd (t). La direzione dell’accelerazione, istante per istante, è variabile nello spazio; convenzionalmente si considerano le componenti lungo tre direzioni: quella verticale e due direzioni orizzontali, fra loro ortogonali, da combinare. Per la direzione verticale, le modalità di trasferimento delle forze agli appoggi sono inevitabilmente quelle del carico permanente; nelle conversazioni precedenti si è visto in quali condizioni il sisma verticale condizioni il dimensionamento dell’impalcato. Sul piano orizzontale, il sistema di vincolo tra l’impalcato le pile e le spalle deve: a) consentire il trasferimento alle pile e alle spalle (e da queste al terreno) delle azioni orizzontali in tutte le direzioni (condizione di equilibrio) b) consentire le deformazioni, soprattutto in senso longitudinale (parallelo all’asse ponte), non dipendenti da forze esterne, quali ritiro (calcestruzzo) e variazioni termiche; molto spesso deformazioni, se contrastate, danno luogouna sollecitazioni di entità intollerabile. Letali due esigenze sono tra loro contrastanti: sistema di vincoli orizzontali iperstatico consente una migliore ripartizione delle forze orizzontali sui vincoli (minor concentrazione di forze), ma, per contro, farebbe nascere delle azioni per coazione (deformazioni impedite o contrastate). Corso di Costruzione di Ponti

- Pag. 10.40

Criteri di progettazione antisismica dei ponti Dispositivi antisismici

Corrispondono a dei dispositivi di vincolo che sono in grado di modificare in senso favorevole la risposta della struttura in caso di sisma. Questi organi possono essere fisicamente distinti dagli apparecchi di appoggio “classici”, che garantiscono il funzionamento del ponte in esercizio; ovvero possono essere inglobati in questi costituendo un unico oggetto che svolge due funzioni concettualmente distinte. I dispositivi antisismici vanno progettati e realizzati in modo da sopportare il massimo sisma prevedibile senza collassare. Essi possono peraltro, in questo caso, subire plasticizzazioni o rotture locali tali da dover essere sostituiti dopo questi eventi: per questo motivo essi devono essere facilmente accessibili ed ispezionabili in tutte le loro parti. I dispositivi attualmente prodotti possono essere raggruppati in due categorie a seconda del loro funzionamento: i) isolatori sismici, ii) dissipatori L’isolamento sismico garantisce una forte riduzione dell’energia in ingresso, mediante l’impiego di dispositivi orizzontalmente molto flessibili. I dissipatori consentono invece di dissipare una grande quantità dell’energia in ingresso.


- Pag. 10.41


Per comprendere il funzionamento di isolatori e dissipatori sismici è necessario impiegare l’approccio energetico alla progettazione sismica. L’approccio energetico alla progettazione sismica: domanda ≤ offerta Ei

≤

EE + EK+ Ed = EE + EK+ (EH + EV)

Ei è l’energia in ingresso, che rappresenta il lavoro compiuto dalla forza di inerzia agente sulla struttura (=taglio alla base) a causa dello spostamento del suo punto di applicazione; EE è l’energia di deformazione elastica; EK è l’energia cinetica; Ed è l’energia dissipata (attraverso distinti meccanismi, ad es. isteretico EH e viscoso EV). La protezione sismica si può realizzare riducendo la domanda e/o aumentando l’ offerta


- Pag. 10.42


L’ingegneria sismica ingegneria sismica “tradizionale tradizionale” (Capacity Capacity design design o Gerarchia delle resistenze Gerarchia delle resistenze) è basata sul concetto di duttilità: una sufficiente duttilità (locale e globale) garantisce che la struttura non crolli, anche se gravemente danneggiata, per un terremoto forte. All’atto del sisma si deve formare il maggior numero possibile di cerniere plastiche prima del collasso. La struttura cioè deve essere in grado di dissipare la strutturali maggior quantità possibile energia. Ciò avviene attraverso il danneggiamento degli elementi (oltre che di quellidinon strutturali). Mediante l’isolamento sismico si disaccoppia il moto della struttura da quello del terreno per ridurre gli effetti distruttivi del terremoto. Il disaccoppiamento, ottenuto attraverso dispositivi detti ISOLATORI, solitamente interposti tra le pile/spalle e l’impalcato, consente di ridurre le accelerazioni trasmesse alla sovrastruttura, che si comporta come un corpo rigido al di sopra degli isolatori. Quindi mediante l’isolamento sismico si riduce l’energia in ingresso Ei. N.B. l’energia in ingresso non è una proprietà intrinseca del terremoto, in quanto oltre che dallo spostamento del terreno dipende dalla risposta strutturale. Essa dipende principalmente dal periodo fondamentale di vibrazione, oltre che dall’accelerogramma applicato.


- Pag. 10.43



- Pag. 10.44



- Pag. 10.45



- Pag. 10.46


Isolamento alla base (isolatori elastomerici).

Isolamento mediante respingenti elastici di spalla.

Isolamento mediante respingenti elastici di spalla e trasversali. Isolatori elastomerici

Appoggi antisismici in elastomero armato realizzati con mescole elastomeriche ad elevata capacità dissipativa, caratterizzati da una rigidezza orizzontale sufficientemente bassa da consentire un sensibile incremento del periodo proprio della struttura. Corso di Costruzione di Ponti

- Pag. 10.47

Criteri di progettazione antisismica dei ponti Isolatori a reazione elastica ad andamento incrudente

Appoggi antisismici di tipo fisso o mobile unidirezionale nei quali, nella configurazione più comune, un anello in elastomero vulcanizzato lateralmente all’elemento intermedio va in contrasto con l’elemento di base, in modo da ridurre la rigidezza orizzontale dell’appoggio. La reazione elastica è ad andamento incrudente.

Con l’impiego di dispositivi di dissipazione si aumenta invece l’offerta E d. Se si utilizzano dispositivi progettati ad hoc (dissipatori) per dissipare energia, non si ha danno negli elementi strutturali, come invece si ha con il capacity design. I dissipatori agiscono da “fusibili”. Quando la dissipazione di energia si ha nel sistema di isolamento si ha contemporaneamente riduzione della domanda ed aumento dell’offerta. Isolatori elastomerici con nucleo di piombo

Sono isolatori dispositivi che aggiungono caratteristiche degli elastomerici quelle dialle dissipazione di un nucleo in piombo che si plasticizza durante un evento sismico.


- Pag. 10.48



- Pag. 10.49

Criteri di progettazione antisismica dei ponti Dissipatori isteretici in acciaio

Sono caratterizzati da un diagramma ForzaSpostamento indipendente dalla velocità. Modellabili con una bilineare

Riferimenti bibliografici •

Progettazione e costruzione di Ponti con cenni di patologia e diagnostica delle opere esistenti.

M. P. Petrangeli (IV edizione, MASSON, 1997). •

Ponti in zona sismica: criteri di progetto e aspetti normativi.

Corsi brevi di progettazione in

zona sismica a cura di M. Organte. Udine 2006.


- Pag. 10.50

10 COSTRUZIONE DI PONTI 2013-14 140528.pdf

Recommend Documents