Esempio di isolamento mediante dei dispositivi a pendolo scorrevole di un grande edificio, progettato BIM

Italian Concrete Days.jpgAbstract: 

L’edificio polifunzionale del Centro Sportivo del Calcio Catania è un manufatto dal notevole profilo strutturale.

L’irregolarità in pianta della superficie coperta ha portato alla scelta di un sistema di protezione sismica di tipo passivo qual è l’isolamento alla base mediante dei dispositivi a pendolo scorrevole (friction pendulum), infatti la proporzionalità tra massa sismica e azione ricentrante dell’isolatore permette la trascurabile generazione di effetti torsionali sulla sovrastruttura malgrado una pianta fortemente irregolare.

Sotto l’aspetto tecnologico è degno di nota il processo costruttivo degli orizzontamenti a piastra bidirezionale, con alleggerimento del tipo U-boot.

Questa scelta ha permesso un notevole risparmio economico e di tempi di costruzione per via della semplificazione dell’armatura e del riutilizzo di casseforme a pannelli.

Inoltre il comportamento a piastra è risultato appropriato nei campi di solaio irregolari.

Articolo presentato in occasione degli Italian Concrete Days 2018 di aicap e CTE

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Autori

A. Russo1, V. Valotta2, I. Caliò3

1- RCC Ingegneria, Catania, Italy

2 - ECSDsrl, Milan, Italy

3 - Department of Civil Engineering and Architecture, University of Catania, Catania, Italy


The multifunctional building of Calcio Catania headquarter (CT)

L’Edificio polifunzionale del centro sportivo del Calcio Catania (CT)

1 INTRODUZIONE

1.1 Descrizione dell’edificio

L’Edificio Polifunzionale, che sorge all’interno del Centro sportivo del Calcio Catania s.p.a., è aperto al pubblico.

La struttura, di calcestruzzo armato ordinario, è costituita da una fondazione a plinti, collegati da una soletta, pilastri circolari, impalcati da 36 cm di spessore costituiti da piastre alleggerite con U-boot, struttura di copertura della zona piscine con pilastri e travi reticolari in acciaio, presollecitate.

Dal punto di vista della protezione sismica, la struttura è isolata sismicamente con dispositivi a pendolo scorrevole (friction pendulumsystem) in corrispondenza della quota del piano campagna, in testa ai pilastri del piano interrato e al di sotto dei tre piani fuori terra (tutte le elevazioni hanno un interpiano di 400 cm). La scelta di questa tecnica di protezione passiva è dovuta alla notevole irregolarità in pianta dell’edificio. Infatti, la sostanziale coincidenza tra centro di massa e centro delle rigidezze traslanti, attesa la proporzionalità fra rigidezze e sforzi assiali sui dispositivi, implica la generazione di effetti torsionali del tutto trascurabili sulla sovrastruttura, non ostante la pianta notevolmente irregolare.

Altra peculiarità dei dispostivi è la loro capacità di ricentraggio, in dipendenza del raggio di curvatura della superficie di scorrimento e del coefficiente di attrito fra questa e il pattino.

La superficie coperta è di circa 2600 m2 mentre

l’altezza complessiva dell’edificio è di 12 m.

Per consentire gli spostamenti relativi della sovrastruttura rispetto alla sottostruttura sul perimetro, si è prevista un’intercapedine di trenta centimetri di spessore, coperta da grate amovibili opportunamente costruite per consentire lo spostamento orizzontale dell’impalcato rispetto al muro d’intercapedine; inoltre è stato previsto un giunto, che consente lo spostamento relativo della sovrastruttura rispetto alle vasche delle piscine, solidali alle fondazioni.

I nuclei ascensore sono solidali alla sovrastruttura ma s’innestano all'interno della sottostruttura, flottando su appoggi multi-direzionali in fondazione.

1.2 Impianti meccanici ed elettrici

Per quanto concerne gli impianti, sia quello elettrico sia quello meccanico, sono realizzati per singolo piano, al fine di evitare l’attraversamento dei piani di isolamento.

Questa esigenza deriva dal pericolo di rottura dei sistemi meccanici che attraversano il piano di isolamento in caso di sisma: durante l’evento tellurico gli spostamenti mutui tra la struttura isolata e la sua base fissa, supererebbero la deformabilità dei sistemi meccanici verticali che attraversano il piano di isolamento causandone la rottura.

1.3 Impianti di smaltimento delle acque reflue e adduzione idrica

L’attraversamento della superficie di isolamento è stato realizzato mediante giunti deformabili, dotati di flange e contro flange, che consentono, in caso di evento sismico, lo spostamento mutuo fra parte isolata e parte fissa della struttura.

2 IL SISTEMA STRUTTURALE

2.1 Isolamento sismico

Il piano d’isolamento è realizzato in corrispondenza della sommità dei pilastri del piano interrato, ed è costituito da 65 dispositivi a pendolo scorrevole a singola curvatura, con la superficie concava posta in corrispondenzadell’estradosso del dispositivo in modo da riportare l’eccentricità sull’impalcato superiore ed ottenere così un carico sempre centrato sul pilastro. Gli isolatori previsti appartengono a tre diverse tipologie caratterizzate dallo stesso raggio di curvatura e coefficiente d’attrito ma associate a tre diversi carichi verticali limite.

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Basement BIM model / Modello BIM della sottostruttura.

La sottostruttura, ovvero la porzione di struttura a base fissa al di sotto del piano di isolamento, comprende la fondazione ed i pilastri del piano interrato.

La fondazione della struttura è costituita da plinti quadrati di lato 3.20 m e profondità 0.70 m, mutuamente collegati da un massetto armato dello spessore di 15cm.

La sovrastruttura rappresenta la porzione fuori terra dell’edificio polifunzionale, isolata alla base, costituita da quattro solai di piano posti alle seguenti quote: +0.00 m (primo solaio o piano terra, in cui si trova la piscina), +4.00 m(secondo solaio), +8.00 m

(terzo solaio) e +12.00 m (solaio di copertura).

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Building BIM model section 1 / Modello BIM dell’edificio sezione 1.

2.2 Gli altri elementi strutturali

I pilastri della sottostruttura sono tutti circolari di diametro pari a 80 cm e costituiscono un piano di posa pressoché rigido per gli isolatori.

La parte interrata è delimitata lateralmente da un muro di contenimento delle terre avente lo spessore di 40 cm.

La sovrastruttura è costituita da solai di spessore pari a 36 cm con alleggerimento del tipo U-boot di 20 cm di altezza e soletta superiore e inferiore di spessore 8 cm.

In prossimità di ogni pilastro è prevista una soletta piena, avente lo stesso spessore della parte alleggerita, tale da formare un capitello quadrato di lato prossimo ai 2.30 m (la misura esatta dipende dalla disposizione in pianta degli U-boot).

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U-boot hollow flooring block type scheme / Schema di utilizzo dell’alleggerimento del tipo U-boot.

Entro i capitelli è posta l’armatura a tagliopunzonamento, costituita da chiodi con teste, per l’ancoraggio meccanico.

I pilastri principali della sovrastruttura sono tutti circolari di diametro 70 cm, mentre i pilastri perimetrali di facciata sono quadrati di lato 40x40 cm e 50x50 cm.

I tamponamenti di chiusura sono di tre tipologie, disposti in pianta in base al progetto architettonico: (1) parete vetrata, (2) parete della galleria, costituita da due rivestimenti in pietra lavica di 3 cm posti in ambo i lati della parete in forati, (3) pareti tipiche, simili alle precedenti ma con il rivestimento in pietra lavica solo su una faccia.

La copertura in corrispondenza della piscina è realizzata con struttura reticolare in acciaio con tiranti presollecitati.

3 ANALISI STRUTTURALI

3.1 Generazione dei segnali

Gli accelerogrammi usati nelle analisi dinamiche sono di tipo artificiale e sono stati generati con il programma SIMQKE (Gasparini & Vanmarcke 1976), in modo tale da essere compatibili con lo spettro di risposta elastico stabilito in fase di progetto per il suolo tipo C, perlo stato limite in esame e per uno smorzamento relativo al critico pari a 0.05.

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Signals acceleration response spectrum and design response spectrum (horizontal component) / Spettro di risposta degli accelerogrammi e spettro elastico di progetto (componente orizzontale).

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Signals acceleration response spectrum and design response spectrum (vertical component) / Spettro di risposta dell’accelerogramma e spettro elastico di progetto (componente verticale).

3.2 Isolamento sismico

La risposta della struttura ai diversi sismi di progetto è stata valutata mediante analisi dinamiche nonlineari condotte con il programma di calcolo SAP 2000NL.

In accordo con le indicazioni della normativa (Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni 2008), riportate nel par. 7.3.4.2 sono state anche condotte analisi lineari utilizzando il programma di calcolo Master Sap; in particolare sono state effettuate analisi di tipo modale con spettro di progetto in cui il sistema di isolamento è stato modellato con un comportamento lineare, caratterizzato da una rigidezza equivalente Keff riferita allo spostamento totale di progetto per lo stato limite in esame.

Sono state, inoltre, eseguite analisi di dettaglio con il programma SAP 2000NL su porzioni significative di solai, con una modellazione agli elementi finiti che prevede l’uso di elementi plate per quanto attiene i capitelli in spessore del solaio a fungo ed elementi beam per quanto riguarda le aree alleggerite con gli U-boot.

Obiettivo di quest’ultima analisi è:

  1. controllare l’armatura a flessione negli intorni dei pilastri a causa dei picchi di momento negativo,
  2. effettuare le verifiche a taglio - punzonamento dei capitelli e della unione travetticapitelli.

Nell’ambito delle analisi dinamiche non lineari, per tenere conto della variabilità spaziale del moto sismico, nonché di eventuali incertezze nella localizzazione del centro di rigidezza rispetto al centro dimassa (imputabili alla variabilità nei valori reali dei coefficienti d’attrito dei vari dispositivi), al centro di massa è stata attribuita una eccentricità accidentale pari a 0,05 volte la dimensione dell’edificio misurata perpendicolarmente alla direzione di applicazione dell’azione sismica.

Il modello dell’edificio è stato analizzato, in ambiente SAP2000, mediante analisi dinamiche non lineari di tipo Fast Nonlinear Analysis (FNA).

I carichi statici gravitazionali sono stati applicati mediante una analisi quasi-statica anch’essa di tipo FNA.

Il percorso di carico è il seguente:

  1. Si definisce una funzione time-history di tipo “rampa”, che cresce linearmente da 0 a 1 in un intervallo di tempo pari 5 s e quindi si mantiene costante per un intervallo di tempo pari a 10 s; il valore unitario della funzione corrisponde all’applicazione integrale dei carichi gravitazionali in condizioni sismiche.
  2. Si definisce la prima analisi dinamica FNA per l’applicazione dei carichi statici mediante la funzione di tipo “rampa” definita precedentemente, caratterizzata da uno smorzamento modale molto elevato.
  3. A partire dallo stato finale di tale analisi FNA, vengono effettuate 7 analisi dinamiche FNA relative ad altrettanti gruppi di accelerogrammi spettro-compatibili; ciascun gruppo prevede l’azione simultanea di tre accelerogrammi.

Le verifiche di sicurezza da soddisfare per i diversi stati limite sono riportate nella tabella C7.1.

I della Circolare del Documento NTC2008 (Circolare 2 febbraio 2009, n. 617) in funzione della classe d’uso della struttura. Le prestazioni richieste al variare degli statilimite per strutture isolate, di classe d’uso III sono nel seguito sintetizzate:

  • SLO prestazioni richieste: contenimento del danno degli elementi non strutturali efunzionalità degli impianti;
  • SLD prestazioni richieste: contenimento del danno degli elementi non strutturali;
  • SLV prestazioni richieste: resistenza delle strutture il cui comportamento rimane prevalentemente in campo elastico;
  • SLC prestazioni richieste: capacità di spostamento degli isolatori.

4 CONCLUSIONI

...

 

L'ARTICOLO COMPLETO E' DISPONIBILE IN ALLEGATO


KEYWORDS: Flat slab; Seismic isolation systems; Friction pendulum isolators.


Nel 2020 si terrà a Napoli la terza edizione degli Italian Concrete Days organizzati da aicap e CTE. Per saperne di più collegarsi a questo LINK