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Corso di Costruzione di Ponti

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10. CRITERI DI PROGETTAZIONE

ANTISISMICA DEI PONTI


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Criteri di progettazione antisismica dei ponti

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10.1.

Progettazione antisismica dei ponti - Premesse

La progettazione degli apparecchi di appoggio, delle strutture verticali e delle fondazioni fortemente influenzato dallazione simica che pu interessare la generica struttura da ponte.

In particolare la struttura del ponte deve essere concepita e dimensionata in modo che sottol'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.

1Per stabile si intende: la cui resistenza non rapidamente degradante.


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Inoltre il proporzionamento della struttura deve essere tale da favorire l'impegno plasticodel 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 capacit 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, questielementi devono essere progettati per resistere alle massime azioni che gli elementi dissipativipossono 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 delleffetto di sovra resistenza.

10.2.

Criteri di progettazione antisismica

Le attuali prescrizioni tecniche per il progetto sismico dei ponti fanno riferimento alleNTC2008 dove vengono forniti i principi di progettazione e di calcolo per i ponti a pile e travate,queste ultime del tipo continuo su pi pile o semplicemente appoggiate ad ogni campata. Le pile

si intendono a fusto unico, con sezione trasversale di forma generica, piena o cava, mono omulti-cellulare. Ponti differenti o pile a geometria pi complessa possono essere analizzati congli stessi principi forniti dalle NTC2008 ma impiegando metodi di calcolo alternativi edadeguatamente documentati.


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Modellazione dellazione sismica (Ordinanza 3274 smi)

Definizione dellevento sismico di riferimento

Stato Limite Ultimo SLU: si progetta con riferimento ad un evento sismico di forte intensit cheha probabilit di occorrenza del 10% in 50 anni, ovvero un periodo medio di ritornocommisurato 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 transitabilit, e daconsentire una capacit 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 periodomedio di ritorno commisurato allimportanza dell'opera, ma non inferiore a 72 anni e che ha,quindi, una significativa probabilit di verificarsi pi di una volta nel corso della durata utiledell'opera.A seguito di tali eventi sismici, i danni strutturali sono di entit trascurabile, tali da non richiedere alcunariduzione del traffico n interventi urgenti di ripristino.

Zonizzazione sismica

Fattore di importanza IFattore di importanza I

Il parametro che si utilizza nellanuova classificazione del

territorio nazionale ag =accelerazione orizzontalemassima su suolo di categoria A(roccia) per un terremoto che haprobabilit del 10% di avvenirein 50 anni, ovvero con periodo

di ritorno di 475 anni.


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Azione sismica

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

Caratteristiche dellaccelerogramma: ampiezza(PGA), durata, contenuto in frequenze

Spettro di risposta elastico

corrisponde alla risposta massima indotta dal motosismico in un oscillatore elastico semplice, al variaredella frequenza naturale di vibrazione e dellosmorzamento dell'oscillatore stesso.


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Lo spettro elastico di progetto ottenuto a partire da molti eventi sismici, ma non riferito adalcuno specifico terremoto reale. Lo spettro che caratterizza il sito si ottiene come inviluppo di

pi spettri di risposta. Lo sviluppo di spettri di risposta specifici per un particolare sito richiedeuno studio accurato delle caratteristiche geologiche e sismologiche dellarea di appartenenza delsito stesso. E noto, infatti, che le caratteristiche del moto sismico sono influenzate dallasorgente che origina il sisma, dal percorso che le onde compiono fino al sito ed, infine, dallecondizioni locali.

Modifica della risposta sismica per effetto del terreno:amplificazione locale

Amplificazione sismica locale dellaccelerazioneorizzontale del terreno di un terremoto debole nei depositiargillosi superficiali (FAS e FAI) a Citt del Messico, bendocumentata strumentalmente da sensori in pozzo a

profondit diverse e in superficie (campo libero).


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Categorie del suolo di fondazione

Per la definizione dellazione sismica di progetto i terreni vengono caratterizzati daparametri: sismici Vs30 (velocit media di propagazione entro 30 m di profondit delle onde ditaglio) geotecnici NSPT(Standard Penetration Test), cu(coesione non drenata).

A Formazioni litoidi o suoli omogenei moltorigidi caratterizzati da valori di VS30 superiori a800 m/s, comprendenti eventuali strati dialterazione superficiale di spessore massimo pari

a 5 m.BDepositi di sabbie o ghiaie molto addensate oargille molto consistenti, con spessori di diversedecine di metri, caratterizzati da un gradualemiglioramento delle propriet meccaniche con la

profondit e da valori di VS30 compresi tra 360m/s e 800 m/s (ovveroresistenza penetrometrica

NSPT> 50, o coesione non drenata cu > 250 kPa).C Depositi di sabbie e ghiaie mediamenteaddensate, o di argille di media consistenza, conspessori variabili da diverse decine fino acentinaia di metri, caratterizzati da valori diVS30 compresi tra 180 e 360 m/s (15


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Spettro elastico secondo lOPCM 3274


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C i i di i i i i d i i


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C it i di tt i ti i i d i ti


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Impiego dello spettro elastico



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p g p


Duttilit strutturale: fattore di struttura



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g


Il fattore di struttura q tiene conto della duttilit del ponte ovvero della capacitcaratteristica degli elementi duttili di resistere alle azioni sismiche in campo plastico,

danneggiandosi ma non collassando. Tale coefficiente da applicare: (i) alle singole pile perciascuna delle due direzioni principali, nei casi di ponti isostatici, (ii) allintera opera, ma ancoraseparatamente per le due direzioni, per i ponti a travata continua. In questultimo caso siassumer il valore di q pi basso delle pile che fanno parte del sistema resistente alle azionisismiche per ciascuna delle due direzioni. Si possono usare valori diversi di q nelle diverse

direzioni di applicazione dellazione sismica. Si possono avere strutture con diversi elementiresistenti duttili, in questo caso bene usare il q corrispondente allelemento duttile checontribuisce maggiormente alla resistenza sismica del ponte.

Massimo per il fattore di struttura q = 3.5. Riduzioni: (i) per pile tozze, (ii) per il calcolo dellespalle, (iii) per pile fortemente compresse, (iiii) per ponti a geometria non regolare.



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Spettro di progetto: impiego del fattore di struttura


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In molti casi al posto del sistema globale si possono utilizzare sotto-sistemi. Il sistema puessere trattato diversamente in direzione longitudinale e in direzione trasversale. Nellanalisi



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

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.



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Masse

Le masse sono valutate considerando i carichi permanenti.

Analisi statica equivalente. Le masse entranonella definizione delle forze staticheequivalenti. Si utilizza una massa efficace parialla massa dellimpalcato afferente alla pila ealla massa della met superiore della pila (se

questa inferiore al 20% della massadellimpalcato).

Metodi dinamici. Per utilizzare i metodidinamici le masse sono in genere assegnate almodello come masse concentrate posizionate ainodi.

Rigidezze

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



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Metodi di analisi

Analisi modale

Si riconduce lanalisi di un sistema M-GDL (con n g.d.l.) soggetto a sisma a quello di n sistemi1-GDL, indipendenti. Per ogni sistema i modi propri di vibrare sono in numero pari al numerodei 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 stessapulsazione (pulsazione corrispondente al modo) e la stessa fase, mantenendo immutati i rapportitra le ampiezze. Per ogni oscillazione le masse raggiungono il punto di massimo spostamento nelmedesimo istante. OSS: possibile esprimere una qualsiasi deformata vibratoria del sistemacome combinazione lineare dei modi propri.


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Analisi statica lineare per sistemi a 1 g.d.l.



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Componenti dellazione sismica e loro combinazione

Analisi lineare. La risposta pu 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 noncollasso, ma implicitamente coprono anche quello di limitazione del danno. necessarioscegliere il tipo di comportamento che si vuole che il ponte abbia durante levento sismico diprogetto.

La scelta del tipo di comportamento dipende dalla sismicit del sito, dalle dimensioni egeometria del ponte e dalla presenza di isolatori o di altri vincoli che possano modificare in

modo sostanziale la risposta alle azioni sismiche.


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OSS: opportuno che le cerniere plastiche si formino nelle pile, che sono i componentistrutturali principali pi 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 puntiaccessibili per ispezione ed eventuale riparazione. In genere limpalcato deve rimanere in campoelastico. La formazione di cerniere plastiche consentita nelle solette di continuit (piastreduttili a flessione). La formazione di cerniere plastiche non ammessa in sezioni in c.a. in cui laforza 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 devonomantenersi in regime lineare sotto l'azione sismica di progetto, assumendo che in tutte le zonedove prevista la formazione di cerniere plastiche agiscano momenti flettenti da considerare

quali frattili superiori degli effettivi momenti resistenti, e dati dall'espressione: 0MRd,iIl fattore 0(fattore di "sovraresistenza") viene calcolato mediante l'espressione: 0= 0.7 + 0.2q1, nella quale q 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 duttilit dellastruttura per la dissipazione di energia; (ii) lo scopo di questo approccio progettuale quello di garantire che le cerniere

plastiche nascano l dove previsto, e non altrove, evitando lintroduzione di labilit oppure meccanismi di collasso fragile.Tutte le zone in cui non prevista la formazione di cerniere plastiche (e quindi devono rimanere in campo elastico) devonoessere dotate di una adeguata sovraresistenza non tanto riguardo alle sollecitazioni derivanti dallanalisi, ma soprattutto



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rispetto a quelle sollecitazioni che potrebbero nascere sulla struttura immediatamente prima che si formino cerniere plasticheladdove previsto che si formino.



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Apparecchi di appoggio per ponti in zona sismica (concetti generali)

Le forze sismiche sono forze dipendenti dalle masse in gioco e dallaccelerazione indotta

sulla struttura dal sisma, secondo la: F = m Sd(t).

La direzione dellaccelerazione, istante per istante, variabile nello spazio; convenzionalmentesi considerano le componenti lungo tre direzioni: quella verticale e due direzioni orizzontali, fraloro ortogonali, da combinare.

Per la direzione verticale, le modalit di trasferimento delle forze agli appoggi sonoinevitabilmente quelle del carico permanente; nelle conversazioni precedenti si visto in qualicondizioni il sisma verticale condizioni il dimensionamento dellimpalcato.

Sul piano orizzontale, il sistema di vincolo tra limpalcato le pile e le spalle deve:a) consentire il trasferimento alle pile e alle spalle (e da queste al terreno) delle azioniorizzontali in tutte le direzioni (condizione di equilibrio)

b) consentire le deformazioni, soprattutto in senso longitudinale (parallelo allasse delponte), non dipendenti da forze esterne, quali ritiro (calcestruzzo) e variazioni termiche; molto

spesso tali deformazioni, se contrastate, danno luogo a sollecitazioni di entit intollerabile.Le due esigenze sono tra loro contrastanti: un sistema di vincoli orizzontali iperstaticoconsente una migliore ripartizione delle forze orizzontali sui vincoli (minor concentrazione diforze), ma, per contro, farebbe nascere delle azioni per coazione (deformazioni impedite ocontrastate).



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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 fisicamentedistinti dagli apparecchi di appoggio classici, che garantiscono il funzionamento del ponte inesercizio; ovvero possono essere inglobati in questi costituendo un unico oggetto che svolge duefunzioni 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 plasticizzazionio rotture locali tali da dover essere sostituiti dopo questi eventi: per questo motivo essi devonoessere facilmente accessibili ed ispezionabili in tutte le loro parti. I dispositivi attualmenteprodotti possono essere raggruppati in due categorie a seconda del loro funzionamento:

i) isolatori sismici,

ii) dissipatori

Lisolamento sismico garantisce una forte riduzione dellenergia in ingresso, mediante

limpiego di dispositivi orizzontalmente molto flessibili. I dissipatori consentono invece di

dissipare una grande quantit dellenergia in ingresso.


P d il f i t di i l t i di i t i i i i i i i


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Per comprendere il funzionamento di isolatori e dissipatori sismici necessario impiegarelapproccio energetico alla progettazione sismica.

Lapproccio energetico alla progettazione sismica: domanda offertaEi EE+ EK+ Ed = EE+ EK+ (EH+ EV)

Ei lenergia 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 lenergia di deformazione elastica;

EK lenergia cinetica;Ed lenergia dissipata (attraverso distinti meccanismi, ad es. isteretico EHe viscoso EV).

La protezione sismica si pu realizzare riducendo la domanda e/o aumentando lofferta



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Lingegneria sismica ingegneria sismica tradizionale tradizionale (Capacity Capacitydesign design o Gerarchia delle resistenze Gerarchia delle resistenze) basata sul concetto diduttilit: una sufficiente duttilit (locale e globale) garantisce che la struttura non crolli, anche segravemente danneggiata, per un terremoto forte. Allatto del sisma si deve formare il maggiornumero possibile di cerniere plastiche prima del collasso. La struttura cio deve essere in gradodi dissipare la maggior quantit possibile di energia. Ci avviene attraverso il danneggiamentodegli elementi strutturali (oltre che di quelli non strutturali).

Mediante lisolamento sismico si disaccoppia il moto della struttura da quello del terrenoper ridurre gli effetti distruttivi del terremoto. Il disaccoppiamento, ottenuto attraversodispositivi detti ISOLATORI, solitamente interposti tra le pile/spalle e limpalcato, consente diridurre le accelerazioni trasmesse alla sovrastruttura, che si comporta come un corpo rigido al disopra degli isolatori. Quindi mediante lisolamento sismico si riduce lenergia in ingresso Ei.

N.B. lenergia in ingresso non una propriet intrinseca del terremoto, in quanto oltre che dallo spostamentodel terreno dipende dalla risposta strutturale. Essa dipende principalmente dal periodo fondamentale divibrazione, oltre che dallaccelerogramma applicato.



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Isolamento alla base (isolatori elastomerici).

Isolamento mediante respingenti elastici dispalla.

Isolamento mediante respingenti elastici dispalla e trasversali.

Isolatori elastomerici

Appoggi antisismici in elastomero armato realizzaticon mescole elastomeriche ad elevata capacitdissipativa, caratterizzati da una rigidezza orizzontalesufficientemente bassa da consentire un sensibileincremento del periodo proprio della struttura.



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Isolatori a reazione elastica ad andamento incrudente

Appoggi antisismici di tipo fisso o mobileunidirezionale nei quali, nella configurazione picomune, un anello in elastomero vulcanizzatolateralmente allelemento intermedio va in contrastocon lelemento di base, in modo da ridurre la rigidezzaorizzontale dellappoggio. La reazione elastica ad

andamento incrudente.

Con limpiego di dispositivi di dissipazione si aumenta invece lofferta Ed. Se si utilizzanodispositivi progettati ad hoc (dissipatori) per dissipare energia, non si ha danno negli elementistrutturali, come invece si ha con il capacity design. I dissipatori agiscono da fusibili. Quandola dissipazione di energia si ha nel sistema di isolamento si ha contemporaneamente riduzionedella domanda ed aumento dellofferta.

Isolatori elastomerici con nucleo di piombo

Sono dispositivi che aggiungono alle caratteristichedegli isolatori elastomerici quelle di dissipazione di unnucleo in piombo che si plasticizza durante un eventosismico.



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Di i t i i t ti i i i i


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Dissipatori isteretici in acciaio

Sono caratterizzati da un diagramma Forza-Spostamento indipendente dalla velocit. Modellabilicon 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.

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