Calcolo per il dimensionamento dello staffaggio sismico di un impianto

Francesco Maria Sebastiani


Scritto da 

Tempo di lettura: 5 minuti

Un impianto tecnologico si definisce antisismico se dotato di un sistema che lo renda resistente all’azione orizzontale del sisma, evitando spostamenti relativi che potrebbero danneggiare le condotte e i suoi sistemi di ancoraggio con l’edificio ospitate.

L’azione sismica non è unidirezionale ma va scomposta nelle due direzioni principali della condotta, nei due versi alternativamente, come mostrato nell’immagine a seguire:

Staffaggio_sismico

ne consegue che il sistema antisismico, o più comunemente definito Staffaggio sismico, dovrà essere composto da elementi che vadano a far fronte all’azione sismica rispettivamente nella direzione trasversale e longitudinale della condotta, tramite rinforzi trasversali (transverse bracing) e rinforzi longitudinali (longitudinal bracing), visto che “gli impianti non possono essere vincolati alla costruzione contando sull’effetto dell’attrito, bensì debbono essere collegati ad essa con dispositivi di vincolo rigidi o flessibili ”, come la Normativa Tecnica sulle Costruzioni menziona al capitolo Criteri di progettazione degli impianti (C 7.2.4).

Tali rinforzi, si distinguono poi in singoli o doppi, a seconda si gli elementi resistenti adottati nel sistema sono in grado di far fronte ad azioni di compressione senza instabilizzarsi o meno; per evitare l’eventuale instabilità l’elemento viene raddoppiato e fatto lavorare solamente a trazione, altrimenti l’elemento singolo deve essere dimensionato per tale deformazione.

Nell’immagine seguente viene mostrata la condotta sollecitata all’azione sismica trasversale e longitudinale, i sui cinematismi conseguenti e i sistemi resistenti al sisma singoli e doppi: 

Staffaggio_sismico

Staffaggio_sismico

Staffaggio_sismico

Staffaggio_sismico

Staffaggio_sismico

Staffaggio_sismico

 

Dimensioniamo ora gli elementi del Sistema antisismico, andando innanzitutto a quantificare la forza sismica agente; adottiamo a tal proposito un’analisi statica lineare, utilizzando la relazione della forza statica equivalente agente nel baricentro della condotta, fornita dalle Norme Tecniche sulle Costruzioni, qui di seguito riportata:

 

Staffaggio_sismico

 

Le condizioni di utilizzo per tale relazione sono che ciascun elemento dell’impianto non deve eccedere il 30% del carico permanente totale del solaio su cui è collocato o il 10% del carico permanente totale dell’intera struttura, altrimenti viene richiesto uno studio specifico, come ben prescrivono le Norme.

Esplicitando il termine Sa relativo all’accelerazione massima che l’elemento strutturale subisce durante il sisma, la relazione della Forza sismica Fa diviene:

 

Staffaggio_sismico

 

I parametri contenuti in quest’ultima relazione, come abbiamo già avuto modo di vedere negli articoli precedenti, sono raggruppabili in capitoli come qui di seguito riportato:

Parametri dell’edificio ospitante

H            altezza della costruzione ospitante a partire dal piano di fondazione;

T1            periodo fondamentale di vibrazione della costruzione ospitante nella

direzione considerata

Parametri pericolosità sismica del sito

ag            accelerazione massima del terreno su sottosuolo tipo A da considerare nello

stato limite in esame;

Parametri sottosuolo e topografia del sito

SS            coefficiente amplificazione stratigrafica;

ST            coefficiente amplificazione topografica;

Parameri delle condotte

Z             quota del baricentro della condotta (elemento non strutturale) a partire dal

piano di fondazione;

Wa         peso dell’elemento;

qa                 fattore di struttura dell’elemento;

Ta            periodo fondamentale di vibrazione della condotta (elemento non strutturale);

 

Tali parametri in parte sono noti conoscendo l’impianto da realizzare, l’edificio ospitante e il sito su cui insiste, altri sono determinabili tramite altri parametri intermedi come mostrato dal seguente grafico e di cui abbiamo già ampiamente avuto modo di descrivere negli articoli precedenti:

Staffaggio_sismico

Determinato il valore della forza statica equivalente del sisma e successivamente ripartito fra tutti i sistemi antisismici dell’impianto nelle due direzioni principali e nei due versi alternativamente, siamo ora in grado di procedere con il dimensionamento degli elementi che reagiranno a tale sollecitazione  semplicemente mettendo in equilibrio statico le singole strutture del sistema antisismico ed effettuando infine le dovute verifiche di resistenza.

Nell’immagine seguente, vengono riproposti gli schemi statici che emergono da tali equilibri, facendo distinzione tra elementi che, oltre a resistere a trazione, resistono anche a compressione, e quindi dotati di accorgimenti atti a far fronte all’instabilità che si può presentare per carico di punta, ed elementi che resistono solamente a trazione; da qui, come citato precedentemente, le due famiglie di sistemi antisismici, uno singolo e l’altro doppio.

Staffaggio_sismico

Tali schemi sono di riferimento per il sisma che agisce sia trasversalmente che longitudinalmente alla condotta, nei due versi alternativamente ( F(-X) , F(+Y) , F(-Y) , F(+Y) ) e la loro risoluzione per brevità è stata fatta graficamente per mezzo del “poligono della funicolare” .

Calcolate le azioni che agiscono su ogni elelemnto (F1 e F2), non ci resta altro che verificare le aste a trazione e/o compressione a seconda dei casi descritti; di seguito i diagrammi di flusso logico per le rispettive verifiche:

Verifica a trazione:

 

Staffaggio_sismico

 

Verifica a compressione senza pericolo di instabilità per carico di punta:

 

Staffaggio_sismico

 

Verifica a compressione con correzione per pericolo di carico di punta:

 

Staffaggio_sismico

 

 

Verificate le sezioni degli elementi resistenti, lo staffaggio sismico risulta perfettamente dimensionato per rendere l’impianto resistente al sisma.

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