Sistemi minimi per la progettazione sismica di ponti con diverse soluzioni per lo schema di vincolo

Procedura di facile applicazione per ottimizzare il processo iterativo di scelta della soluzione di vincolo nella progettazione di un ponte nuovo o per interventi di miglioramento sismico di ponti esistenti.

Nell'articolo la descrizione delle caratteristiche dei dispositivi principali in commercio e l'analisi dei singoli schemi di vincolo più frequenti con i relativi sistemi minimi in senso longitudinale e trasversale.


Scegliere lo schema di vincolo di un ponte: le possibili soluzioni

Il comportamento di un ponte sottoposto all’azione sismica è principalmente governato dal sistema di connessione (“schema di vincolo”) progettato tra la sovrastruttura (impalcato) e le sottostrutture (pile e spalle).

La scelta dello “schema di vincolo” rappresenta quindi l'aspetto cruciale della concezione strutturale sismica di un ponte di nuova progettazione e assume grande rilevanza per un’efficace progettazione degli interventi di miglioramento/adeguamento sismico di ponti esistenti, con una notevole ripercussione sui costi di tali opere.

Le possibilità a disposizione del progettista sono molteplici. Accanto alle soluzioni tradizionali che prevedono appoggi fissi, monodirezionali e multidirezionali, i dispositivi attualmente disponibili in commercio consentono diverse soluzioni strutturali, quali, ad esempio,

  • l’impiego di Shock Transmitters

  • la dissipazione dell’energia sismica mediante smorzatori viscosi

  • l’isolamento dell’impalcato rispetto alle sottostrutture

  • l’accoppiamento di isolatori e dissipatori.

Al fine di fornire al progettista un quadro completo delle possibili scelte per lo schema di vincolo più adatto al caso in esame, in questa memoria si passano in rassegna diverse soluzioni tecniche identificando modelli minimi con un numero discreto di gradi di libertà, utili per l’analisi preliminare del comportamento sismico del ponte.

Per ogni soluzione la memoria fornisce i sistemi dinamici minimi elaborati in due direzioni del moto nel piano (longitudinale e trasversale), nel caso di impalcato rettilineo infinitamente rigido, trasversalmente ed assialmente. L’analisi del ponte mediante i sistemi minimi consente al progettista di valutare e confrontare velocemente, attraverso simulazioni dinamiche non lineari con accelerogrammi, le prestazioni sismiche ottenibili con i diversi dispositivi.

Questa memoria ha come obiettivo quello di fornire un supporto ordinato e di facile applicazione per il progetto di nuovi ponti o di interventi di miglioramento/adeguamento sismico di ponti esistenti, ottimizzando il processo iterativo di scelta della soluzione di vincolo (Merli et al. 2005), in base ai dispositivi di protezione sismica disponibili (Soong & Dargush1997, Christopoulos & Filiatrault 2006, Patel 2013, Tomaselli et al. 2006b). Recentemente ci si affida sempre più spesso ai software di calcolo che non permettono la piena comprensione fisica del sistema da parte del progettista: la riduzione a sistemi dinamici minimi (Chopra 2001) diventa quindi uno strumento di controllo semplice e potente al tempo stesso (Silvestri et al. 2010, Palermo et al. 2018).

 

I dispositivi di protezione sismica per i ponti

Il panorama dei dispositivi di protezione sismica in commercio risulta piuttosto vario, comprendendo decine di prodotti con caratteristiche ed ambito d’uso diversi. In questa sede si fa riferimento alle tre tipologie di dispositivi più diffuse per l’adeguamento sismico degli impalcati da ponte: Shock Transmitters, dissipatori (viscosi), isolatori.

Shock Transmitters

Lo Shock Transmitter (nel seguito ST), altrimenti noto come Shock Transmission Unit (Patel 2013) o Shock Absorber o Lock Up Device, è un dispositivo di protezione sismica costituito da un pistone in acciaio inossidabile, all’interno di un cilindro a tenuta stagna che contiene fluidi siliconici estremamente stabili nel tempo e in un ampio intervallo di temperatura.

Il comportamento dello ST è legato alle velocità relative che si sviluppano all’estremità dello stesso e segue una legge costitutiva Forza- Velocità non lineare del tipo F=cvα con α> 1 (in genere pari a 2). A causa della loro legge costitutiva, gli ST hanno la peculiarità di non opporre significativa resistenza quando sottoposti a velocità basse, associate ad esempio a spostamenti lenti come quelli dovuti alle deformazioni termiche.

Viceversa, se investiti da segnali impulsivi, come nel caso del sisma (velocità elevate in breve tempo), esplicano la loro funzione di reazione fino alla loro massima capacità. Quest’ultima è teoricamente maggiore rispetto alla forza che devono trasmettere alla sottostruttura in base al sisma di progetto,per un marcato incrudimento della legge costitutiva. Tali caratteristiche permettono di realizzare vincoli temporanei che si attivano durante il sisma e consentono di ridistribuire le forze associate al sisma anche alle sottostrutture su cui vengono predisposti.

Teoricamente rigidi, nella realtà questi vincoli sono cedevoli, con rigidezza elevata ma non infinita (ottenibile dal rapporto tra forza massima di progetto e una percentuale della semicorsa del pistone). Inoltre i dispositivi sono provvisti di snodi sferici alle estremità e lavorano sia in trazione che compressione, assicurando grande flessibilità di impiego e la possibilità di essere integrati con gli apparecchi di appoggio a costituire un unico dispositivo. Garantiscono le loro prestazioni anche dopo ripetuti cicli di sollecitazione.
 

Dissipatori (o smorzatori)

In commercio esistono molteplici dispositivi di dissipazione dell’energia sismica in ingresso nel sistema strutturale (dispositivi fluido-viscosi, visco-elastici, metallici o isteretici, ecc.) che assolvono il problema di protezione sismica abbattendo lo spettro elastico di progetto, conferendo alla struttura rapporti di smorzamento anche fino a valori attorno a ξ= 50% - 60% (Tomaselli et al. 2001, 2006b).

Il presente lavoro si concentra sui dispositivi fluido-viscosi (Viscous Dampers), di frequente applicazione nel caso degli impalcati da ponte. Questi sono strutturalmente molto simili agli ST descritti precedentemente, costituiti da un pistone in acciaio inossidabile, all’interno di un cilindro a tenuta stagna, pieno di un fluido siliconico altamente viscoso ed estremamente stabile nel tempo e in un ampio intervallo di temperatura.

Il comportamento dello smorzatore viscoso è legato alle velocità relative che si sviluppano all’estremità dello stesso e segue una legge costitutiva Forza-Velocità non lineare del tipo F=cvα, con α< 1 (in genere variabile tra 0.10 e 0.15). L'esponente minore di 1 per i Viscous Dampers è ottenuto con un circuito idraulico diverso da quello degli ST. Tale curva di lavoro permette di esplicare una reazione viscosa anche per valori relativamente bassi di velocità.

Si fa notare come un esponente α troppo piccolo (α< 0.10) porterebbe il dispositivo a trasferire alla struttura quasi la totalità della forza di progetto anche per velocità molto basse, ovverosia anche in condizioni di esercizio, mentre il valore di riferimento (0.10 < α< 0.15) garantisce sostanzialmente un tetto alla forza massima trasmessa dal dispositivo, a tutela della struttura di supporto, beneficio non ottenibile con valori di α maggiori.

I dissipatori viscosi si dividono in due tipi in base al vincolo che esplicano in esercizio, in assenza di sisma. I primi sono dissipatori liberi di scorrere allungandosi o accorciandosi senza apprezzabili attriti se soggetti a basse velocità (ad es. a causa di deformazioni termiche) qui chiamati Thermic Viscous Damper (TVD); i secondi sono dissipatori che,attraverso valvole aggiuntive, assicurano un vincolamento rigido anche nei confronti delle azioni lente e pertanto si definiscono "fissi in esercizio",qui chiamati Viscous Damper (VD). Questi ultimi possono essere utilizzati per realizzare il punto fisso in esercizio o su un’unica pila (solitamente quella centrale) o su un’unica spalla, definita quindi "spalla/pila resa fissa", o "spalla/pila fissa in esercizio". Il comportamento dinamico è invece il medesimo per le due tipologie di dissipatori.

Come gli ST, i VD/TVD sono provvisti di snodi sferici alle estremità e lavorano sia in trazione che compressione, assicurando grande flessibilità di impiego e la possibilità di essere integrati con gli apparecchi di appoggio a costituire un unico dispositivo. Garantiscono le loro prestazioni anche dopo ripetuti cicli di sollecitazione, e non richiedono né manutenzione, né sostituzione a seguito di un evento sismico.
 

Isolatori

Gli isolatori sono dispositivi utilizzati con l'obiettivo primario di aumentare il periodo proprio di oscillazione di un sistema e con l'obiettivo secondario di incrementare anche lo smorzamento complessivo della struttura, riducendo in entrambi i casi l’ordinata dello spettro elastico di progetto. Ogni isolatore è infatti caratterizzato da un proprio smorzamento equivalente (ξeq) che comunemente può variare tra il 10% ed il 15%. Le due funzioni sono sempre accoppiate in parallelo indipendentemente dalla tipologia utilizzata.

Gli isolatori di uso più frequente sono:

  • (i) elastomerici armati, dove lo smorzamento è dato dall’isteresi della gomma;

  • (ii) elastomerici con nucleo in piombo, dove il piombo dissipa energia tramite la propria plasticizzazione (il piombo è un materiale che può subire infinite plasticizzazioni successive senza rottura, quindi il dispositivo non necessita di sostituzione a seguito di un evento sismico);
  • (iii) isolatori a scorrimento a singola o doppia superficie curva (raggio equivalente di curvatura fino a 4÷5 m), dove lo smorzamento si esplica per attrito tra un opportuno materiale di scorrimento certificato CE e superfici curve in acciaio inox lucidato a specchio.

Si noti che ognuno di questi dispositivi risulti essere autocentrante, anche se con diversa efficienza in base alla tipologia.

Un isolatore a scorrimento per ponti

Un isolatore a scorrimento (per gentile concessione di Matildi+Partners, Bologna).

...CONTINUA.


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Articolo tratto dagli atti del XVIII Convegno ANIDIS - Ascoli Piceno 2019