Prof. Antonello De LucaProfessor of Structural Engineering

RETROFIT OF HISTORICAL MONUMENTS AND PRINCIPLES OF BASE ISOLATION (B.I.S.)

University of Naples "Federico II"Department of Structural Analysis and Design

Lessons: 33 & 34 _ May 16, 2006

Design Example of Base Isolation System (B.I.S.)

Design of rubber bearings

PARAMETRI DI PROGETTO:N°=16σ=60 kg/cm2

G=4 kg/cm2

S1>20S2>3

Iterazione:10

RISULTATO: T=3.1s

SCHEMA DEL SISTEMA DI ISOLAMENTO

φ 600

S1=20

S2=3

te= 200 mmti= 7,5 mmH= 290 mmts= 2 mm

n°strati= 27piatti= 20 mm

Soluzione finaleSoluzione finale

ISOLATORE HDS IMPIEGATO - Φ600mm – G= 4kg/cm2

φ 600

SEZIONE DEL DISPOSITIVO PIANTA

PIASTRE TERMINALI STRATI DI ELASTOMERO E ACCIAIO

Appoggio in acciaio teflon con elastomero incapsulato multidirezionale

La progettazione così come la realizzazione degli apparecchi d’appoggio rispecchiano le norme CNR 10018/99 e le descrizioni dei capitolati ANAS e Autostrade. L’appoggio è costituito principalmente dalle seguenti parti tra loro assemblate:• Piastra di base d’acciaio S275JR per il contenimento di:• Disco elastomerico in neoprene;• Anello in bronzo per la tenuta anti estrusione dell’elastomero;• Disco di contenimento con guarnizioni cilindriche al nitrile radiale e frontale con funzione di anti polvere;• Disco in Teflon (PTFE Politetrafluoretilene);• Lamierino d’acciaio inox X5CrNiMo1712 applicato alla piastra superiore;• Piastra superiore d’acciaio S275JR con eventuale centraggio e fresatura in funzione di pendenze presenti nella struttura.

consente una qualsiasi traslazione relativa

Il contatto, e quindi il movimento reciproco di scorrimento, avviene tra una lastra di acciaio inossidabile lucidato, e quindi con bassa rugosità superficiale, solidale alla sovrastruttura, ed un disco in teflon nicchiato, con interposta un’opportuna pasta anti-frizione, solidale alla sottostruttura.

Appoggio in acciaio teflon con elastomero incapsulato multidirezionale

CONFIGURAZIONE FINALE: 16 ISOLATORI

8 SCIVOLATORI IN TEFLON

Gdin=4 kg/cmq

PROGETTO STRUTTURALE

1)Progetto struttura in elevazione

Taglio filtrato = K x d

Importanza progetto secondo spostamento

2) Modellazione

Semplice:

Spettro elastico senza riduzione !

Spettro modificato al periodo di isolamento per tenere conto dello smorzamento (segue analisi modale)

Modellazione piu’ raffinata:

Modello completo con molle al piede e smorzatori al piede

RISULTATI DELL’ANALISI DINAMICA MODALE

1/300

1/4500005,0<=r

rr h

δΨ

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,80,

010,

220,

430,

640,

851,

061,

271,

481,

69 1,9

2,11

2,32

2,53

2,74

2,95

3,16

3,37

3,58

3,79 4

T

Sd

Tis=3,12 Sd=0,0605Sd=0,193

Sd=0,14

Design spectra First category zoneag=0,35% smorz.strutt.elev.= 5%ξeis= 10%

BI q'=1,5F.B.H.D. q''=5,85F.B.L.D. q'''=4,10

TAGLI FILTRATI DALLA STRUTTURA

0,055

0,131

0,060

0,135

0,00 0,05 0,10 0,1

Tagli da spettro

Tagli effettivi

αA

αB

SPOSTAMENTI DI INTERPIANO SLD

0

1

2

3

4

5

6

0,0% 0,1% 0,2% 0,3% 0,4% 0,5%INTERSTORY DRIFT (cm)

IMPA

LCA

TI

AB

Spo

stam

ento

lim

ite S

LDT1A=0,69sT1B=3,10s

T1A=0,688sT1B=3,18s

PROGETTO STRUTTURALE

1) Modellazione

RISULTATI DEI MODELLI AL SAPA BASE FISSA

B EDIFICIO ISOLATO

STRUTTURA A - PARTICIPATING MASS RATIOS (FB 40x70)MODE PERIOD

UX UY UZ UX UY UZ1 0,689 0,00 73,72 0 0,00 73,72 02 0,687 52,21 0,00 0 52,21 73,72 03 0,535 21,38 0,00 0 73,59 73,72 04 0,255 0,00 14,80 0 73,59 88,52 05 0,213 19,37 0,00 0 92,96 88,52 06 0,130 0,00 9,61 0 92,96 98,13 0

INDIVIDUAL MODE (PERCENT) CUMULATIVE SUM (PERCENT)

I°MODO

III°MODOII°MODO

PRIMI TRE MODI DI VIBRARE DELLA

STRUTTURA A BASE FISSA

STRUTTURA B - PARTICIPATING MASS RATIOS (IB 40x70)

I°MODO III°MODO

II°MODO

PRIMI TRE MODI DI VIBRARE DELLA

STRUTTURA A BASE ISOLATA B

MODE PERIODUX UY UZ UX UY UZ

1 3,181893 0 99,9635 0 0 99,9635 02 3,175931 99,9284 0 0 99,9284 99,9635 03 2,343938 0,0405 0 0 99,9689 99,9635 04 0,393669 0 0,0351 0 99,9689 99,9986 05 0,383472 0,0296 0 0 99,9985 99,9986 0

INDIVIDUAL MODE (PERCENT) CUMULATIVE SUM (PERCENT)

EDIFICIO A BASE ISOLATA

STRUTTURA C - 40X70

CONFIGURAZIONE IN ELEVAZIONE OTTIMIZZATA PER ISOLAMENTO

Struttura isolata (“Struttura C”) - 18 pilastri 40x40

PIANTA ARCHITETTONICA CON PILASTRI

PROGETTO STRUTTURALE “STRUTTURA C”1) IMPOSTAZIONE CARPENTERIA E PREDIMENSIONAMENTO

2) PROGETTO DEL SISTEMA DI ISOLAMENTO

3) PROGETTO STRUTTURA IN ELEVAZIONEV = Taglio filtrato = K⋅δ = 106t

– Rigidezza ridotta rispetto caso prec.

4) MODELLAZIONE E ANALISISpettro elastico ridotto q=1,5

– Spettro modificato al periodo di isolamento per tenere conto dello smorzamento (segue analisi modale)

– Oppure modello completo con molle e smorzatori al piede

PARAMETRI DI PROGETTO:N°=18σ=50 kg/cm2

G=4 kg/cm2

S1>20S2>3

RISULTATO: T=2.58s

SCHEMA DEL SISTEMA DI ISOLAMENTO

φ 500

S1=20

S2=3

te= 170 mmti= 8,3 mmH= 260 mmts= 2 mm

n°strati= 20piatti= 20 mm

PARAMETRI DI PROGETTO:N°=18σ=50 kg/cm2

G=4 kg/cm2

S1>20S2>3

RISULTATO: T=2.58s

SCHEMA DEL SISTEMA DI ISOLAMENTO

φ 500

S1=20

S2=3

te= 170 mmti= 8,3 mmH= 260 mmts= 2 mm

n°strati= 20piatti= 20 mm

SOLUZIONE STRUTTURA BSOLUZIONE CORRENTE

STRUTTURA C – EDIFICIO A BASE ISOLATA 40X40

Pianta della struttura riprogettata

18 pilastri 40x40Travi 30x60, 30x50

18 pilastri – 18 isolatori

Isolatore modellato tramite l’elemento link di libreria“isolator1” all’interno del Sap2000 (CSI,2000)

Modello della struttura isolata

CONFRONTO CARPENTERIE

Struttura a base fissa 40x70

Tb.f.=0.69 s

Struttura A e Struttura isolata B

24 pilastri

Struttura isolata C 40x40

(Tb.f.=0.9 s)

18 pilastri

CONFRONTO TRAVE 2 - 4

•TRAVE 2-4 BASE FISSA 40 X 70

•TRAVE 2-4 BASE ISOLATA 30 X 60

RISULTATI DELLE ANALISI

ANALISI MODALE CON SPETTRO DI RISPOSTA

A – BASE FISSA 40X70B – BASE ISOLATA 40X70C – BASE ISOLATA 40X40

STRUTTURA A - PARTICIPATING MASS RATIOS (FB 40x70)MODE PERIOD

UX UY UZ UX UY UZ1 0,689 0,00 73,72 0 0,00 73,72 02 0,687 52,21 0,00 0 52,21 73,72 03 0,535 21,38 0,00 0 73,59 73,72 04 0,255 0,00 14,80 0 73,59 88,52 05 0,213 19,37 0,00 0 92,96 88,52 06 0,130 0,00 9,61 0 92,96 98,13 0

INDIVIDUAL MODE (PERCENT) CUMULATIVE SUM (PERCENT)

I°MODO

III°MODOII°MODO

PRIMI TRE MODI DI VIBRARE DELLA

STRUTTURA A BASE FISSA

STRUTTURA B - PARTICIPATING MASS RATIOS (IB 40x70)

I°MODO III°MODO

II°MODO

PRIMI TRE MODI DI VIBRARE DELLA

STRUTTURA A BASE ISOLATA B

MODE PERIODUX UY UZ UX UY UZ

1 3,181893 0 99,9635 0 0 99,9635 02 3,175931 99,9284 0 0 99,9284 99,9635 03 2,343938 0,0405 0 0 99,9689 99,9635 04 0,393669 0 0,0351 0 99,9689 99,9986 05 0,383472 0,0296 0 0 99,9985 99,9986 0

INDIVIDUAL MODE (PERCENT) CUMULATIVE SUM (PERCENT)

STRUTTURA C - PARTICIPATING MASS RATIOS (IB 40x40)

I°MODO III°MODO

II°MODO

PRIMI TRE MODI DI VIBRARE DELLA

STRUTTURA A BASE ISOLATA C

MODE PERIODUX UY UZ UX UY UZ

1 2,790832 99,5072 0 0 99,5072 0 02 2,766473 0 99,6618 0 99,5072 99,6618 03 2,249106 0,0943 0 0 99,6015 99,6618 04 0,544696 0,3826 0 0 99,9841 99,6618 05 0,532754 0 0,3256 0 99,9841 99,9873 0

INDIVIDUAL MODE (PERCENT) CUMULATIVE SUM (PERCENT)

TAGLIO FILTRATO DALLE STRUTTURE SLU

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,01

0,22

0,43

0,64

0,85

1,06

1,27

1,48

1,69 1,

92,

112,

322,

532,

742,

953,

163,

373,

583,

79 4

T

Sd Design spectra First category zoneag=0,35% smorz.strutt.elev.= 5%ξeis= 10%

Tis=2,58 Sd=0,089Sd=0,135

BI q'=1,5F.B.L.D. q''=4,10

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,01

0,22

0,43

0,64

0,85

1,06

1,27

1,48

1,69 1,

92,

112,

322,

532,

742,

953,

163,

373,

583,

79 4

T

Sd

Tis=3,12 Sd=0,0605Sd=0,193

Sd=0,14

Design spectra First category zoneag=0,35% smorz.strutt.elev.= 5%ξeis= 10%

BI q'=1,5F.B.H.D. q''=5,85F.B.L.D. q'''=4,10

TAGLI FILTRATI DALLA STRUTTURA

0,076

0,055

0,131

0,076

0,060

0,135

0,00 0,05 0,10 0,15

Tagli da spettroTagli effettivi

αA

αC

αB

TAGLI ALLA BASE

106052

83562

170000

0 50000 100000 150000 200000

CB

A

TAGLI (kg)

SPOSTAMENTI DEI PIANI – Pil. 40x70 SLD

ANALISI DINAMICA MODALE CON

SPETRO DI RISPOSTA PER LO SLD

1/300

1/4500

1/700005,0<=

r

rr h

δΨ

CONFRONTO SPOSTAMENTI DELLA STRUTTURA ISOLATA CON DUE DIVERSE MODELLAZIONI

Modello con molle lineari: spettro ξ=10% per T>0.8 TI

Modello con molle lineari e smorzatori: cisol=3900 (spettro a ξ=5%)

FLO

OR

RISULTATI DELLE ANALISI

ANALISI TIME HISTORY INELASTICHE

A – BASE FISSA 40X70B – BASE ISOLATA 40X70C – BASE ISOLATA 40X40

INPUT SISMICOSPETTRI DI RISPOSTA ELASTICI - EL CENTRO

0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,01,11,2

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

T (sec)

SA /

g

ξ = 5%ξ = 10%

SPETTRI DI RISPOSTA ELASTICI - KOBE

0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,01,11,2

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0T (sec)

SA /

g

ξ = 5%ξ = 10%

INPUT SISMICOSPETTRI DI RISPOSTA ELASTICI - NORTHRIDGE

0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,01,11,2

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

T (sec)

SA /

g

ξ = 5%ξ = 10%

SPETTRI DI RISPOSTA ELASTICI - LANDERS

0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,01,11,2

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

T (sec)

SA /

g

ξ = 5%ξ = 10%

TIME HISTORY - NORTHRIDGE EARTHQUAKE ACCELEROGRAM

NORTHRIDGE EARTHQUAKE JANUARY 17, 1994 04:31

SYLMAR STATION - COUNTY HOSP. PARKING LOT

AMPLIFICATION FACTOR: 10

ELASTICO

TIME HISTORY - NORTHRIDGE EARTHQUAKE ACCELEROGRAM

NORTHRIDGE EARTHQUAKE JANUARY 17, 1994 04:31

SYLMAR STATION - COUNTY HOSP. PARKING LOT

AMPLIFICATION FACTOR: 2

ELASTICO

MODELLAZIONE 2D IN CAMPO PLASTICO

X

Y

STRUTTURA A BASE FISSA STRUTTURA A BASE ISOLATA

TELAIO SIGNIFICATIVO CONSIDERATO

MODELLAZIONE Vi/Vtot=41÷43% Mi=(0,41÷0,43)·MtotLOCALIZZAZIONE DELLE CERNIERE MODELLO A PLASTICITÀ CONCENTRATA

NEWMARK METHOD(α=0,β=0,3025,γ=0,6)

HHT METHOD(α=-0,10,β=0,3025,γ=0,6)

METODO DI INTEGRAZIONE NUMERICAHILBER, HUGHES, TAYLOR (HHT – α METHOD)

• METODO IMPLICITO

• INCONDIZIONATAMENTE STABILE

• MODIFICA IL METODO DI NEWMARK

30X60 Scaling: N=250t M=24t

-1,5-1-0,500,51

1

1,4

CARATTERISTICHE DELLE STRUTTURE REALI

STRUTTURE A E B ANALISI STATICA NON LINEARE

NON LINEARITÀ GEOMETRICHE E MECCANICHEES: STEP 22

MAX ROTAZIONE PLASTICA 0,008 rad

STRUTTURA CANALISI STATICA NL

NON LINEARITÀ GEOMETRICHE E MECCANICHE

PUSHOVER STATICA

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

0 5 10 15 20 25 30 35

SPOSTAMENTI (cm)

TAG

LIO

ALL

A B

ASE

: α

V / V

d Step 34 - 59 cerniere

Step 70 - 73 cerniere

Step 22 - 55 cerniere

Step 8 - 1 cerniera

Taglio di progetto: 176000kg × 0,43

Mar

gine

di s

icur

ezza

da

lle c

ondi

zion

i di

colla

sso

Lim

ite

plas

tico

PUSHOVER STATICA 40x40

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0 10 20 30 40 50 60 70

SPOSTAMENTI (cm)

TAG

LIO

ALL

A B

ASE

: α

V /

Vd

Step 17-cerniera ritto

Taglio di progetto: 105960kg × 0,40

Mar

gine

di

sicu

rezz

a da

lle

cond

izio

ni d

i co

llass

o

Lim

ite

plas

tico

1.3

PROGETTO STRUTTURALE

1) Modellazione

RISULTATI DEI MODELLI AL SAPA BASE FISSA

B EDIFICIO ISOLATO

MODELLAZIONE A MEZZO DI TIME-HISTORY LINEARE

FLOOR ACCELERATIONS- KOBE EARTHQUAKE STRUC. A

FLOOR I FLOOR II FLOOR III

FLOOR IV FLOOR V FLOOR VI

FLOOR ACCELERATIONS- LANDERS EARTHQUAKE STRUC. A

FLOOR I FLOOR II FLOOR III

FLOOR IV FLOOR V FLOOR VI

FLOOR ACCELERATIONS - KOBE e LANDERS STRUC. B

SOIL ACCELERATION KOBE BASE FLOOR - KOBE FLOOR VI - KOBE

SOIL ACCELERATION LANDERS

BASE FLOOR - LANDERS FLOOR VI - LANDERS

FLOOR ACCELERATIONS - KOBE e LANDERS STRUC. C

SOIL ACCELERATION KOBE BASE FLOOR - KOBE FLOOR VI - KOBE

SOIL ACCELERATION LANDERS

BASE FLOOR - LANDERS FLOOR VI - LANDERS

FLOOR DISPLACEMENTS - KOBE EARTHQUAKE STRUC. A

FLOOR I FLOOR II FLOOR III

FLOOR IV FLOOR V FLOOR VI

FLOOR DISPLACEMENTS - KOBE EARTHQUAKE STRUC. B

FLOOR I FLOOR II FLOOR III

FLOOR IV FLOOR V FLOOR VI

FLOOR DISPLACEMENTS - KOBE EARTHQUAKE STRUC. C

FLOOR I FLOOR II FLOOR III

FLOOR IV FLOOR V FLOOR VI

FLOOR DISPLACEMENTS - LANDERS EARTHQUAKE STRUC. A

FLOOR I FLOOR II FLOOR III

FLOOR IV FLOOR V FLOOR VI

FLOOR DISPLACEMENTS - LANDERS EARTHQUAKE STRUC. B

FLOOR I FLOOR II FLOOR III

FLOOR IV FLOOR V FLOOR VI

FLOOR DISPLACEMENTS - LANDERS EARTHQUAKE STRUC. C

FLOOR I FLOOR II FLOOR III

FLOOR IV FLOOR V FLOOR VI

RIDUZIONE ACCELERAZIONI IN TESTA – KOBE E LANDERSSTRUTTURE ISOLATE - BASE FISSA STRUTTURE ISOLATE - SUOLO

VALORI MASSIMI DELLA RISPOSTA – ACCELERAZIONI AI PIANI

ACCELERAZIONI AI PIANI DELLE TRE STRUTTURE - NORTHRIDGE

0

1

2

3

4

5

6

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80

a/g

Pian

i

STRUTTURA ASTRUTTURA BSTRUTTURA C

AC C ELER AZIO N I AI P IAN I D ELLE TR E STR U TTU R E - K O B E

0

1

2

3

4

5

6

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80

a/g

Pian

i

S TR U TTU R A AS TR U TTU R A BS TR U TTU R A C

ACCELERAZIONI AI PIANI DELLE TRE STRUTTURE - EL CENTRO

0

1

2

3

4

5

6

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80

a/g

Pian

i

STRUTTURA ASTRUTTURA BSTRUTTURA C

ACCELERAZIONI AI PIANI DELLE TRE STRUTTURE - LANDERS

0

1

2

3

4

5

6

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80

a/g

Pian

iSTRUTTURA ASTRUTTURA BSTRUTTURA C

VALORI MASSIMI DELLA RISPOSTA – SPOSTAMENTI AI PIANIS P O S TAM E N TI A I P IAN I D E LLE TR E S TR U TTU R E - K O B E

0

1

2

3

4

5

6

0,00 1 ,00 2 ,00 3 ,00 4 ,00 5 ,00

S postam enti (cm )

Pian

i

S TR U TTU R A AS TR U TTU R A BS TR U TTU R A C

SPOSTAMENTI AI PIANI DELLE TRE STRUTTURE - EL CENTRO

0

1

2

3

4

5

6

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

Spostamenti (cm)

Pian

i

STRUTTURA ASTRUTTURA BSTRUTTURA C

SPOSTAMENTI AI PIANI DELLE TRE STRUTTURE - NORTHRIDGE

0

1

2

3

4

5

6

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

Spostamenti (cm)

Pian

i

STRUTTURA ASTRUTTURA BSTRUTTURA C

SPOSTAMENTI AI PIANI DELLE TRE STRUTTURE - LANDERS

0

1

2

3

4

5

6

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

Spostamenti (cm)

Pian

i

STRUTTURA ASTRUTTURA BSTRUTTURA C

VALORI MASSIMI DELLA RISPOSTA – SPOSTAMENTI AI PIANISPOSTAMENTI AI PIANI DELLE TRE STRUTTURE - EL CENTRO

0

1

2

3

4

5

6

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

Spostamenti (cm)

Pian

i

STRUTTURA ASTRUTTURA BSTRUTTURA C

SPOSTAMENTI AI PIANI DELLE TRE STRUTTURE - NORTHRIDGE

0

1

2

3

4

5

6

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

Spostamenti (cm)

Pian

i

STRUTTURA ASTRUTTURA BSTRUTTURA C

SPETTRI DI RISPOSTA ELASTICI - EL CENTRO

0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,01,11,2

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

T (sec)

SA /

g

ξ = 5%ξ = 10%

SPETTRI DI RISPOSTA ELASTICI - NORTHRIDGE

0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,01,11,2

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

T (sec)

SA /

g

ξ = 5%ξ = 10%

VALORI MASSIMI DELLA RISPOSTA – INTERSTORY DRIFTIN TE R S TO R Y D R IF T - E L C E N T R O

0

1

2

3

4

5

6

0 ,0% 0,2% 0,4% 0,6% 0,8%

Pian

i

S T R U T T U R A AS T R U T T U R A BS T R U T T U R A C

r

rr h

δΨ =

INTERSTORY DRIFT - KOBE

0

1

2

3

4

5

6

0,0% 0,2% 0,4% 0,6% 0,8%

Pian

i

STRUTTURA ASTRUTTURA BSTRUTTURA C

r

rr h

δΨ =

IN TE R S TO R Y D R IF T - N O R TH R ID G E

0

1

2

3

4

5

6

0 ,0% 0,2% 0,4% 0,6% 0,8%

Pian

i

S TR U T TU R A AS TR U T TU R A BS TR U T TU R A C

r

rr h

δΨ =

INTER STO R Y D R IFT - LAN D ER S

0

1

2

3

4

5

6

0,0% 0,2% 0,4% 0,6% 0,8%

Pian

i

STR U TTU R A ASTR U TTU R A BSTR U TTU R A C

r

rr h

δΨ =

RICHIESTA DI DUTTILITÀ ALLA STRUTTURA

STRUTTURA A – EL CENTRO 10s STRUTTURA B e C – EL CENTRO 10s

STRUTTURA A – KOBE 20s STRUTTURA B e C – KOBE 20s

RICHIESTA DI DUTTILITÀ ALLA STRUTTURA

STRUTTURA A – NORTHRIDGE 20s STRUTTURA B e C – NORTHRIDGE 20s

STRUTTURA A – LANDERS 20s STRUTTURA B e C – LANDERS 20s

ANALISI NON LINEARI• Per la “struttura B”, più rigida, c’è una drastica riduzione degli

spostamenti differenziali fra i piani, grazie alla rigidezza laterale molto elevata della struttura in confronto a quella degli isolatori. La “struttura C”, non presenta riduzioni dello stesso ordine di grandezza della prima essendo più deformabile e quindi l’isolamento è meno efficace;

• Riduzione dell'amplificazione dell'accelerazione ai piani superiori per le strutture isolate, con conseguente eliminazione del danneggiamento degli elementi costruttivi non strutturali (tamponature, impianti, ecc.) e dei beni contenuti negli edifici(apparecchiature, oggetti di valore storico-artistico ecc.);

• Annullamento, per le strutture isolate alla base, delle richieste di duttilità (viene così annullato il livello di possibile danneggiamento della struttura e quindi il costo degli interventi successivi diriparazione post-sisma).

PROGETTO GENERALE

1) Verificare terreni

2) Strutture in elevazione: Progetto

( possibilmente rigida: controventata e’ più economica)

3) Interazione con l’architetto

(Giunti/Controventi/Cantinato)

4) Progetto Strutturale

5) Esecuzione corretta (giunti)

6) Collaudo

Seismic Isolators placement in 1 and 2 story bldgs

Isolators are used in combination with sliders to achieve the right combination of load support and isolation system stiffness

Seismic Isolators Placement alternates

1 2 3

Isolators can be placed directly on foundation footings, at the top of basement columns, or at column mid-height

Seismic Isolators Placement alternates

4 5 6

Isolator placement at the bottom of first story columns and in two locations above grade

Seismic Isolator assembly – new constr. 2

Seismic Isolator assembly – r.c. column

Seismic Isolator assembly – retrofit constr.

Bearing wallretrofit constr.

Entry Stairs – retrofit constr.

Section at moatnew constr.

Flexible gas line at moat

PROGETTO GENERALE

1) Verificare terreni

2) Strutture in elevazione: Progetto

( possibilmente rigida: controventata e’ più economica)

3) Interazione con l’architetto

(Giunti/Controventi/Cantinato)

4) Progetto Strutturale

5) Esecuzione corretta (giunti)

6) Collaudo

ANALISI DEI COSTI

A – BASE FISSA 40X70B – BASE ISOLATA 40X70C – BASE ISOLATA 40X40

Costi isolatori HDRB

Vol. < 10 dmc 120 euro/dmc (adeguamento) 60 euro/dmc

Vol. = 10 – 50 dmc 90 euro/dmc 45 euro/dmc

Vol. > 50 dmc 60 euro/dmc 30 euro/dmc

N. d

'ord

ine

AR

TIC

OLO

DESIGNAZIONE DEI LAVORI

Part

i ugu

ali

Lun

ghez

za

Lar

ghez

za

Alte

zza

[m] [m] € €

1,00 05.03.00 CASSEFORME

1,01 05.03.002

Cassaforma ed armatura di sostegno econtroventatura per luci fino a 15.00 m e peraltezza fino a 5.00 m dal piano di appoggio,compreso gli oneri di cui alle note particolari. Inopera per strutture in soprafondazione (pilastri,travi, solette, piattabande, muri di sostegno esimili).

16,77

TRAVI

PIANI RIGIDI ISOLATORI 1 110,60 0,40 0,70 143,78 143,78

mq 143,78

€ a mq 16,77 € 2.411,88

2,00 05.01.000 CONGLOMERATI IN OPERA

2,01 05.01.015Conglomerato cementizio Rbk=250, in operaper strutture in cemento armato, compreso glioneri e le prescrizioni di cui alle note particolari.

72,78

TRAVI

PIANI RIGIDI ISOLATORI 1 110,60 0,40 0,70 30,97 30,97

mc 30,97

€ a mc 72,78 € 2.253,75

3,00 05.02.000 FERRI DI ARMATURA

3,01 05.02.002

Acciaio per strutture in cemento armato inbarre ad aderenza migliorata Fe.B.38K, inopera, compreso gli oneri e le prescrizioni dicui alle note particolari.

0,76

TRAVI 80 - - - 30,97 2477,44 mc

€ a Kg 0,76 € 1.879,05

DIMENSIONI QUANTITA' PREZZO

Parziale Totale Unitario Totale

Impalcato piano isolamento

4,00 14.02.000 SISTEMA DI ISOLAMENTO SISMICO

4,01 N.P. 04

Isolatore sismico in elastomero armato didiametro 600mm compreso piastre terminali,ammarraggio e oneri di fornitura in cantiere.Costo per ogni decimetro cubo di elastomerocompreso l'acciaio ad esso vulcanizzato.

35,00

16 - - - 81,95 1311,26

dmc 1311,26

€ dmc 35,00 € 45.894,24

4,02 N.P.05Membrana armata con velo di fibra di vetro pergiunto verticale in opera. 9,50

2 22,20 10,80 0,80 26,40 52,80

mq 52,80

€ cad 9,50 € 501,60

4,03 07.04.015Scossalina in lamiera di ferro zincato dispessore 10/10 mm, in opera, compreso glioneri di cui alle note particólari.

4,39

PARETI SCAVO 2 22,20 10,80 0,00 23,10 46,20

kg 46,20€ a Kg 4,39 € 202,69

4,04 N.P. 06

Apparecchi di appoggio in acciaio teflon adisco in elastomero incapsulato, tipomultidirezionale, per carichi da 100ton,materiale Fe 510.

315,00

8 - - -

n° 8€ cad. 315,00 € 2.520,00

TOTALE SISTEMA D'ISOLAMENTO € 55.663,21

Sistema di isolamento – struttura B

N. d

'ord

ine

AR

TIC

OLO

DESIGNAZIONE DEI LAVORI

Part

i ugu

ali

Lun

ghez

za

Lar

ghez

za

Alte

zza

[m] [m] € €

23,00 14.02.000 SISTEMA DI ISOLAMENTO SISMICO

23,01 N.P. 04

Isolatore sismico in elastomero armato didiametro 500mm compreso piastre terminali,ammarraggio e oneri di fornitura in cantiere.Costo per ogni decimetro cubo di elastomerocompreso l'acciaio ad esso vulcanizzato.

35,00

18 - - - 48,08 865,46

dmc 865,46

€ dmc 35,00 € 30.291,19

23,02 N.P.05Membrana armata con velo di fibra di vetro pergiunto verticale in opera. 9,50

2 22,20 10,80 0,80 26,40 52,80

mq 52,80

€ cad 9,50 € 501,60

23,03 07.04.015Scossalina in lamiera di ferro zincato dispessore 10/10 mm, in opera, compreso glioneri di cui alle note particólari.

4,39

PARETI SCAVO 2 22,20 10,80 0,00 23,10 46,20

kg 46,20€ a Kg 4,39 € 202,69

DIMENSIONI QUANTITA' PREZZO

Parziale Totale Unitario Totale

TOTALE SISTEMA D'ISOLAMENTO € 35.507,57

Sistema di isolamento – struttura C

CONFRONTO ECONOMICO TRA LE STRUTTURE

Strutture € 234.000Isolamento "B" € 55.700Totale "A" € 630.000Totale "B" € 685.700

Strutture "A e B" - 40X70 - 24 pilastri

Strutture € 213.000-9% di "A e B"

Isolamento "C" € 35.500-37% di "B"

Totale "C" € 645.500

Struttura "C" - 40X40 - 18 pilastri

Il costo dell’isolamento comprende gli isolatori, i coprigiunti, gli scivolatori e il piano rigido sopra il sistema di isolamento.

CONFRONTO ECONOMICO TRA LE STRUTTURE

TRAVE 2-4 STRUTTURA “A” TRAVE 2-4 STRUTTURA “C”

Conglomerati € 38.360Ferri d'armatura € 31.220Solai € 37.610

Struttura "A" - 40X70 - 24 pilastri

Conglomerati € 32.080 -17%Ferri d'armatura € 25.350 -19%Solai € 43.560 +16% (copri gap)

Struttura "C" - 40X40 - 18 pilastri

COSTO DEL SISTEMA DI ISOLAMENTO

Casseforme € 2.400Conglomerati € 2.300Ferri d'armatura € 1.900Isolatori € 45.900Coprigiunto € 700Appoggi in teflon € 2.500

Struttura "B" - 40X70 - 24 pilastri

Casseforme € 1.850 -23%Conglomerati € 1.450 -37%Ferri d'armatura € 1.200 -37%Isolatori € 30.300 -34%Coprigiunto € 700

Struttura "C" - 40X40 - 18 pilastri

APPOGGIO STRUTTURALE IN ACCIAIO TEFLON

CONFRONTO ECONOMICO: STRUTTURE A - B - C

642 500 €685 700 €630 000 €TOTALE

5,5%8%-INCIDENZA ISOLAMENTO

35 500 €55 700 €-ISOLAMENTO

394 000 €396 000 €396 000 €OPERE DI COMPLETAMENTO

213 000 €234 000 €234 000 €STRUTTURE

CBA

+2%STRUTTURA C / STRUTTURA A =1,02

+9%STRUTTURA B / STRUTTURA A =1,088

CONFRONTO ECONOMICO

• Il confronto economico tra le diverse strutture ha evidenziato

che, con una attenta progettazione, tenendo conto sin dalle

prime fasi del progetto dei benefici portati dall’isolamento

sismico in termini di riduzione dell’input sismico, i costi di

realizzazione di una struttura isolata possono essere

paragonabili a quelli delle strutture convenzionali.

CONCLUSIONI

• Dalle analisi inelastiche effettuate si osserva che, essendo nulle le richieste di duttilità nelle sovrastrutture isolate (ossiagli elementi strutturali rimangono in campo elastico) si annulla anche il livello di danneggiamento e quindi i costi degli interventi di riparazione post-sisma.

• In definitiva, a fronte di costi quasi equivalenti, le struttureisolate presentano prestazioni superiori rispetto alle strutture convenzionali.

• In una analisi costi-benefici (non effettuata qui) le strutture isolate risulterebbe decisamente migliori

•• Risparmi nel sistema strutturaleRisparmi nel sistema strutturale

Ce ne sono ? Ce ne sono ?

Coefficiente riduzione azioni sismiche (q-factor, Rw, etc.) per strutture b.i. in genere minore (1/3 – ¼) di quelli per b.f.

•Risparmio almeno dovuto alla non implementazione del capacity design (gerarchia delle resistenze). ••Risparmio non trascurabileRisparmio non trascurabile se la configurazione strutturale in elevazione è concepita ab-initio per essere isolata alla base•Risparmio può essere significativo negli interventi di adeguamento

COSTI DEL BIS

•• Risparmi dovuti alla riduzione dei danniRisparmi dovuti alla riduzione dei danni

The reality is, no matter how much first cost saving is targeted, the isolatedbuilding will be less damaged than a non-isolated building.

Riduzione danni a elementi strutturali e soprattutto non strutturali (contemporanea riduzione di interstory drift e accelerazioni di piano)

Difficilmente valutati (life cycle analysis); in PBSDStrumenti semplificati per valutare riduzione dei costi (tab.)

COSTI DEL BIS

• Risparmi dovuti alla riduzione dei danni

COSTI DEL BIS

Damage ratios due todrift

Damage ratios due tofloor accelerations

•• Risparmi dovuti alla riduzione dei danniRisparmi dovuti alla riduzione dei danni

Esempio di impiego delle tabelle:

BIS riduce drift da 2% a 0.5% e accelerazioni da 0.5 a 0.18 gCosti danni relativi a drift: da 0.29 a 0.06Costi danni relativi ad accelerazioni: da 0.39 a 0.09In media, la riduzione può andare dal 35% all’8%.

In fase preliminare un’assunzione del 5% è ragionevole

COSTI DEL BIS

COSTI DEL BIS

+15.5%-3.5%TOTAL ADDED COSTS

5%0%Structural changes5%1%Architectural & service changes0%- 5%Savings in structural system

-25%

0.5%0.1%

Lowerbound

-50%(Reduced damage costs)

5%Isolators0.5%Engineering and documentation

Upper boundItem

Isolation costs as ratio to TOTAL COST

Trevor Kelly, Holmes Consulting Group Ltd, 2001

Isolation costs as ratio to TOTAL STRUCTURAL COST

M. Nakashima et Al., EERI, 1999

COSTI DEL BIS