Studio di un sistema per simulazioni sismiche

su strutture in scala reale


EUCENTRE - European Centre for Training and Research in Earthquake
Engineering

Prof. A. Pavese, Ing F. Dacarro e Ing. D. Morosi
Relatore: Ing. Filippo Dacarro

Nel 2003 fu costituito il Centro Europeo di Formazione e Ricerca in Ingegneria Sismica (EUCENTRE www.eucentre.it), per iniziativa del Dipartimento della Protezione Civile della Presidenza del Consiglio dei Ministri (DPC www.protezionecivile.it), dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV www.ingv.it), dell’Università degli Studi di Pavia (www.unipv.it) e dell’Istituto Universitario di Studi Superiori di Pavia (IUSS www.unipv.it/iuss), con il supporto del MIUR e con le seguenti finalità istituzionali:

· lo sviluppo della ricerca applicata nel settore dell’ingegneria sismica, orientata a conseguire concreti obiettivi in ordine alla valutazione ed alla riduzione della vulnerabilità e del rischio;

· lo sviluppo di attività utili alla definizione ed alla concreta implementazione di specifiche linee di azione pubblica, di atti di indirizzo, di linee guida nonché di documenti a carattere normativo, anche in riferimento allo stato dell’arte internazionale;

· la formazione di operatori aventi spiccate capacità scientifiche e professionali nel settore dell’ingegneria sismica, con particolare riferimento alla sismologia, geologia, geotecnica, comportamento di materiali e strutture, analisi strutturale, progetto di nuove strutture, valutazione ed adeguamento di strutture esistenti, anche in situazioni di emergenza;

· lo svolgimento di attività di consulenza scientifica e tecnologica, a livello nazionale ed internazionale, nel settore dell’ingegneria sismica.

In meno di due anni Eucentre ha costruito un laboratorio dotato della tavola vibrante più potente in Europa, inaugurata il 5 settembre 2005 alla presenza del Ministro Moratti.

Conoscere il comportamento strutturale sotto i carichi dinamici è di vitale importanza per molti rami dell’ingegneria: civile, meccanica ed aerospaziale. Ad esempio,  l’applicazione di carichi dinamici nelle costruzioni, le vibrazioni indotte dal traffico veicolare su un impalcato non uniforme o i carichi impressi su una piattaforma di lancio nel momento del decollo di un’astronave. Tutte queste applicazioni hanno il denominatore comune di essere difficilmente modellabili dal punto di vista analitico e che il controllo dettagliato dei prototipi delle strutture in campo non è economico ed in molti casi molto difficile da realizzare. La prova di laboratorio quindi, ha il ruolo cruciale di accrescere la nostra comprensione riguardo al comportamento delle strutture sottoposte a carichi dinamici per effetto di un terremoto e di suggerirci la strada da intraprendere per attenuare gli effetti del sisma stesso.

Il punto chiave in tutte le prove di laboratorio è l'esattezza con cui le condizioni reali possono essere riprodotte. Se le condizioni in laboratorio non sono rappresentative della realtà, allora i risultati della prova nel migliore dei casi saranno di applicabilità limitata e possono portare a risultati ingannevoli. Una prova dinamica richiede un’elevata accuratezza principalmente di tre fattori: i componenti usati per applicare i carichi (attuatori solitamente servo-idraulici); il sistema di controllo  che corregge passo passo l’andamento dei  carichi e, nel caso di prove pseudodinamiche, l'analisi dinamica numerica che funziona in parallelo con la prova fisica.

Nell'ingegneria civile, risulta assai complessa l’interpretazione dei risultati ottenuti da prove condotte su provini di edifici in scala.

La difficoltà dell’interpretazione aumenta notevolmente se la risposta della struttura è non lineare.

Tuttavia, per testare strutture in grande scala è necessario disporre di grandi attrezzature ed enormi risorse economiche e computazionali.

Solitamente quindi si cerca di trovare un compromesso tra costi di gestione, facilità e accuratezza nell’interpretazione dei risultati.

Anche se i tentativi di applicare carichi da terremoto su strutture sono stati registrati fin dalla fine del secolo scorso, si è dovuto attendere fino agli anni ’60-’70 per vedere i primi modelli applicati alle tavole vibranti. Ciò è stato diretta conseguenza degli avanzamenti tecnologici in ambito servoidraulico, informatico e di strumentazione per il controllo e l’acquisizione dei dati.

Queste attività affondano le proprie radici negli Stati Uniti verso la fine gli anni sessanta, con la messa a punto dei primi test dinamici all'Università dell’Illinois, Urbana.  Da allora, i test sulle tavole vibranti furono ampiamente adottati in tutti i centri mondiali di ricerca antisismica, d’altro canto è l'unico modo attualmente disponibile per riprodurre gli effetti dinamici che il terremoto induce nelle strutture.  Infatti, nonostante la praticità e l’efficacia della prova pseudodinamica, l’importanza degli effetti introdotti dallo sforzo nella risposta strutturale continuano a sollevare i dubbi per quanto riguarda l'idoneità dei metodi statici o quasistatici per studiare il comportamento dinamico delle strutture sotto carichi dinamici da terremoto. 

Tuttavia, le limitazioni della forza idraulica nella vasta maggioranza delle tavole vibranti attualmente esistenti impongono l’utilizzo  di provini in scala molto ridotta.  Ciò, a sua volta, introduce difficoltà e incertezze nell'interpretazione dei risultati sperimentali, poiché deve ancora essere stabilita quale è la scala minima o la minima porzione di provino che può essere esaminato per riflettere la resistenza e la deformabilità delle costruzioni reali. 

Quindi, è  chiaro che vi è l'esigenza di  sviluppare simulatori con grandi capacità dinamiche in grado di eseguire prove su strutture in grande scala.  Di conseguenza, i considerevoli sforzi fatti in nell’ambito della ricerca hanno portato in questi ultimi 40 anni alla costruzione di tavole vibranti sempre più grandi e potenti in tutto il  mondo.

Il laboratorio sperimentale e numerico, realizzato a Pavia, denominato “TREES Lab” (“Laboratory for training and research in earthquake engineering and seismology”), specificamente progettato e realizzato in relazione alle esigenze dell’ingegneria sismica, è in grado di competere con i maggiori centri esistenti a livello internazionale. In particolare è presente una tavola vibrante, ad un grado di libertà per prove dinamiche (accelerazione di picco: 1.8g, massima corsa: +/- 500mm) è per dimensioni (piattaforma: 7m x 5.6m), picco di velocità (2.0m/s ) e capacità di carico verticale (60ton) unica nel panorama europeo (in Figura 1 l’arrivo della tavola in Eucentre). Sono inoltre presenti uno strong floor (dimensioni in pianta: 16.8m x 12m) e 2 muri di reazione ortogonali (altezza 12m, dimensioni in pianta: 14.4m x 2.4m e 9.6m x 2.4m rispettivamente) che consentono l'esecuzione di prove pseudo-statiche e pseudo-dinamiche bi-direzionali su edifici in scala reale ed elementi strutturali. Sono inoltre disponibili 11 attuatori dinamici, con una portata d’olio di picco che raggiungerà i 16.000 l/min.

     

(a)                                              (b)
Figura 1

Figura 2

Il modello della tavola vibrante è costituito da (Figura 6):

- 9288 nodi

- 11349 plates

- 156 bricks

- 582 beams

La tavola è costituita da una struttura cellulare in acciaio (vedi Figura 4 e Figura 5) , il primo obbiettivo della modellazione è stato quello di rendere la tavola il più rigida possibile (Frequenza propria ≥60Hz) ma allo stesso tempo molto leggera (peso ≤35ton) al fine di diminuire il più possibile l’effetto del momento ribaltante dovuto al disallineamento tra il punto di applicazione della forza e il centro delle masse.

La tavola vibrante è vincolata da guide che impediscono il movimento in direzione verticale (ribaltamento) e che ne impediscono lo sbandamento al di fuori dell’asse di funzionamento. Un meato di olio in pressione con spessore di 0.07 mm consente lo scorrimento con attrito  pressappoco nullo tra basamento e tavola (Figura 7). Il meato di olio è stato modellato con elementi truss che simulano la rigidezza dell’area di olio in pressione considerata.

Figura 3 Schema di vincolo

     


            Figura 4                                       Figura 5


         

(a)                                             (b)

Figura 6

Figura 7

In una seconda fase si sono svolte analisi per verificare il comportamento dei vari elementi di irrigidimento della tavola e delle guide sottoposti a varie casistiche di prova, con strutture di diversa altezza e peso e con i massimi carichi amissibili combinati tra di loro.

Nelle immagini seguenti è evidenziato l’andamento delle tensioni combinate VM in funzione delle azioni massime longitudinali, ribaltante, torcente e secondo una combinazione di queste.

Le due immagini seguenti mostrano il modello della tavola analizzato con il massimo payload distribuito a varie altezze

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