Azione-sismica 03 20131

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Prof Paolo FaccioArch. Elisa Fain

IL SISMA

Universit IUAV di Venezia

Corso di Consolidamento degli edifici storici

A.A. 2012-2013

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La crosta terrestre in costante movimento (teoria della tettonica); lo scorrimento di enormi

masse rocciose (placche) determina la formazione di stati tensionali nelle zone di contatto

(lungo le faglie).

Un terremoto si verifica quando gli stati tensionali superano la resistenza degli strati

rocciosi e si ha un improvviso scorrimento delle superfici a contatto con conseguente

rilascio dellenergia accumulata che si propaga nel suolo sotto forma di onde elastiche,

causando movimenti di tipo ondulatorio e sussultoriodel suolo stesso.

Cos il SISMA

Animation courtesy of Dr. Dan Russell,

Kettering University

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Le onde sismiche possono essere classificate in:

-1.Onde di volume, coinvolgono gli strati rocciosi

in profondit,

1.a. Onde P(primarie) o longitudinali, viaggiano

allinterno della terra con velocit elevatissime (6

Km/sec ca.) e sono quelle che vengono rilevate

prima; danno origine al caratteristico rombo che

accompagna il terremoto;

1.b.Onde S(secondarie) o onde di taglio otrasversali, sono pi lente e determinano un

innalzamento e abbassamento del terreno

-2. Onde di superficie, si propagano sulla

superficie della terra

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Ipocentro: punto allinterno della crosta terrestre in cui ha avuto origine il terremoto

Epicentro: corrispondente punto sulla superficie terrestre posto sulla verticale dellipocentro.

In realt il fenomeno molto pi complesso ed determinato da una sequenza di rotture

singole e scorrimenti in un tratto di decine o centinaia di Km lungo la faglia.

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Strumenti

Sismografo Accellerografo

Misura le traslazioni del terreno in tredirezioni (N-S, E-O, verticale)

Sensibile anche a terremoti di

modesta entit

Misura laccelerazione del terreno

Meno sensibile ai terremoti di

modesta entit

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Scala Mercalli (1902) basata sulla percezione umana e sullintensit del danno prodotto su

cose, persone, ambiente naturale

Misura dellintensit dellazione sismica

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Misura dellintensit dellazione sismicaNecessit di una valutazione obiettiva dellintensit di un terremoto

Dallanalisi di un elevato numero di sismogrammi si rilev che la traslazione massima del

terreno, registrata a una certa distanza dallepicentro, cresce proporzionalmente allenergia

rilasciata dal terremoto.

Scala Richter (1934) basata sulla quantit di energia rilasciata (magnitudo)

Sostanzialmente si rileva lampiezza massima di certe onde sismiche ad una distanza di 100

Km dallepicentro, per distanze diverse si adotta un apposito diagramma

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Laccelerazione di picco al suoloprodotta dal terremoto il principale indicatore per stimare

il danno potenziale su un edificio ma non sufficiente a caratterizzare il sisma.

I parametri fondamentali che caratterizzano lazione sismica:

accelerazione di picco al suolo(PGA)

durata

frequenza

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Le caratteristiche stratigrafiche e fisico-meccaniche del terreno possono amplificare o

ridurre localmente gli effetti del sisma sulledificio.

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Modifica della risposta sismica per effetto del terreno: ampli f icazione lo cale

Le onde sismiche, propagandosi nello strato pi superficiale della crosta terrestre,

subiscono riflessioni e rifrazioni causate dalle eterogeneit della crosta stessa

Cos il SISMA

Amplificazione sismica locale dellaccelerazione orizzontale del terreno di un terremoto

debole nei depositi argillosi superficiali a Citt del Messico, ben documentata

strumentalmente da sensori in pozzo a profondit diverse e in superficie

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Azione sismica

Lo scuotimento del terreno (traslazioni orizzontali e verticali) attraverso le

fondazioni imprime agli edifici degli spostamenti con conseguenti deformazioni.

Il sisma non una forza, la sua entit sugli edifici varia in funzione di alcuni

parametri da cui gli edifici sono caratterizzati.

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Azione sismica

Caratterizzazione dellazione sismica:

Il movimento del terreno pu danneggiare un edificio a causa di forze dinerzia

che nascono per effetto della vibrazione della massa delledificio stesso.

Forza dinerzia:

F=m*a

Lentit delle forze a cui sottoposto loggetto sono funzione dellaccelerazione

impressa dal sisma e dalla massa delloggetto stesso.

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Azione sismica

Caratterizzazione dellazione sismica:

lo spostamento finale di un punto soggetto allazione del sisma in generale

limitato, si tratta di un moto oscillatorio.

Il modello semplificato che rappresenta il comportamento di un edificio soggetto

allazione sismica loscillatore semplice:

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1.Sfera=massa delledificio concentrata

2.Asta(elastica)=rigidezza delledificio

4.Fondazioni+Terreno=mezzo di

trasmissione dellenergia

3.Smorzatore=capacit

dissipativa delledificio

Oscillatore semplice

Nel modello semplificato costituito dalloscillatore semplice possibile identificare i

fattori che caratterizzano un edificio e che determinano la sua risposta allazione

sismica.

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Quando questo sistema viene investito da un sisma, gli spostamenti orizzontali del

terreno comportano spostamenti al piede delloscillatore.

La massa m non subir gli stessi spostamenti e accelerazioni rilevate al piede

per linerzia del sistema e del vincolo viscoso.

u(t) = spostamento in funzione del tempo del piede delloscillatoreu=accelerazione assoluta al piede delloscillatore

x(t)= spostamento relativo della massa m rispetto al piede delloscillatore

x= accelerazione della massa m rispetto al piede delloscillatore

Laccelerazione totale adella massa m sar data dalla somma algebricadellaccelerazione x(relativa) e dellaccelerazione u (assoluta) a=x+u

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La forza esprimente lazione sismica totale agente sulloscillatore sar quindi:

F=m*a=m*(x+u)

Allazione sismica faranno contrasto (sulla direzione x):

-La reazione elastica che lasta trasmette alla massa mRe=-kx

dove k la rigidezza dellasta (dipende dal materiale e caratteristiche geometriche)

In una costruzione la rigidezza determinata dai materiali (es. c.a., muratura, legno,

ecc.) e dalle caratteristiche geometriche-costruttive (es. sistema a telaio, tipo di vincoli,

ecc.)


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1) Asta infinitamente rigida 2) Asta infinitamente elastica

Casi limite

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Periodo proprio di oscillazione


Impressa una certa accelerazione o spostamento loscillatore comincia ad oscillare

con un certo periodo proprio di oscillazione.

Periodo proprio di una struttura: il tempo (sec) impiegato da una struttura per

compiere unintera oscillazione causata da una perturbazione iniziale.

k

m2

2T

[sec]

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Periodo proprio di oscillazione

Il periodo proprio di oscillazione varia in funzione della massa e della rigidezza

delledificio:

k

m22T

[sec]

m costante, k diminuisce

k costante, m aumenta

Fenomeno della risonanza:anche il terreno caratterizzato da un periodo proprio di

oscillazione. Quando il periodo proprio di oscillazione del terreno coincide o molto

prossimo a quello delledificio, vengono incrementate le sollecitazioni a cui ledificio

sottoposto.

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3.Smorzatore=caratteristiche

materico-costruttive delledificio che

permettono di dissipare energia tramite

deformazioni

Allazione sismica faranno contrasto (sulla direzione x):(-La reazione elastica che lasta trasmette alla massa m

Re=-kx)

-La reazione esercitata dallelemento smorzante

Rv=-bx

lo smorzamento la capacit propria delloggetto di dissipare energia attraverso

fenomeni dissipativi complessi (comportamento plastico, attrito, ingranamento,

scorrimenti,)

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Il quadro fessurativo indotto da un sisma su una facciata di un edificio il risultato

delle deformazioni non reversibili attraverso cui esso ha dissipato lenergia sismica

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Ilcollasso il modo (ultimo e irreversibile) con cui la costruzione dissipa lenergia da

cui stata investita.

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Deformazione elasticaDeformazione plastica

Un corpo che segue un comportamento elastico-lineare fino a rottura (1) sottoposto

allazione sismica registra in x lo spostamento massimo e collassa.

Viceversa un corpo che segue un comportamento perfettamente plastico sottoposto

alla stessa azione si deforma indefinitamente senza rompersi (2); la deformazione

(tratto orizzontale del grafico) il modo in cui il corpo dissipa lenergia del sisma.

Il comportamento di risposta di una struttura allazione sismica direttamente legato

alla sua capacit di dissipare energia attraverso la deformazionedegli elementi

strutturalisenzaarrivare a rottura.

1) comportamento

elastico-lineare

2) comportamento

elastico perfettamente plastico

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Deformazione plastica - edilizia storica

Gli edifici storicicostruiti a regola darteseguono generalmente un comportamentoelasto-plastico; le deformazioni irreversibili e i quadri fessurativi indotti dal sisma hanno

permesso di dissipare energia sismica mantenendo ancora la costruzione distante dal

punto di collasso.

1) comportamento

elastico-lineare

2) comportamento

elastico perfettamente plastico

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Deformazione plastica - edilizia storicaNegli edifici storicicostruiti in muratura e legnole deformazioni indotte dal sisma

vengono assorbite in primo luogo da alcune parti costitutive come i nodi in

carpenteria lignea.

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Duttilit

La duttilit la capacit di un elemento strutturale di sviluppare deformazioni in campo

plastico senza una sostanziale riduzione della capacit resistente; essa misurata

come il rapporto tra la deformazione ultima vu e la deformazione al limite elastico vy.

Deformazione plastica

Dissipazione di energia

La progettazione anti-sismica delledificio pu essere finalizzata ad incrementare la

deformazione plastica (duttilit-tratto rosso della curva) prima del raggiungimento del

collasso

O ill t li

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Allazione sismica (F) faranno contrasto (sulla direzione x):

-La reazione elastica che lasta trasmette alla massa m

Re=-kx)

-La reazione esercitata dallelemento smorzanteRv=-bx

La reazione totale applicata in ogni istante alla massa m espressa dalla relazione :

R = Re + Rv= - (kx +bx)

Per lequilibrio tra azione e reazione F = R:

m*(x+u) = - (kx + bx)

Da cui si ricava lequazione del moto oscillatorio: mx+bx+kx = -mu



4.Fondazioni+Terreno=mezzo di

trasmissione dellenergia

3.Smorzatore=capacit

dissipativa delledificio

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Nella pratica non necessario conoscere la risposta della struttura ad ogni istante di

tempo.

Serve conoscere la massima risposta della struttura durante lazione del sisma in

termini d i accelerazione o spostamento.

Lo spettro di risposta il grafico che:

-assegnata una certa accelerazione (sisma di riferimento per il sito)

-assegnato un certo rapporto di smorzamento

Fornisce il massimo valore di risposta della struttura(accelerazione o spostamento)

in funzione del periodo proprio di oscillazione T

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Lo spettro di risposta elastica

k

m2

2T

[sec]

Lo spettro di risposta elastico ottenuto a partire da molti eventi sismici,

ma non riferito ad alcuno specifico terremoto reale

Lo spettro che caratterizza il sito si ottiene come inviluppo di pi spettri di risposta

-assegnata una certa accelerazione a(sisma di

riferimento per il sito)


Fornisce il massimo valore di risposta della

struttura(accelerazione o spostamento)


a(sisma di

riferimento

per il sito)

T (Periodo proprio di oscillazione)

Accelerazionemax/spostam

entomax

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Lo spettro di risposta elastico che caratterizza un sito non riferito ad un

particolare terremoto ma ottenuto come elaborazione della risposta a pi eventi

sismici.

Costruzione dello spettro di risposta

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Gli spostamenti massimi tendono a crescere allaumentare del periodo proprio;

gli spostamenti massimi diminuiscono allaumentare del fattore di smorzamento.

terremoto di El-Centro componente N-S


Risposta al terremoto di El-

Centro per edifici aventi T

diversi e stesso v (fattore di

smorzamento)


Centro per edifici aventi T

diversi e stesso v (fattore di

smorzamento)


Centro per edifici aventi lo

stesso T e diverso v (fattore

di smorzamento)

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k

m2

2T

[sec]

-assegnata una certa accelerazione a(sisma di

riferimento per il sito)


Fornisce il massimo valore di risposta della

struttura(accelerazione o spostamento)


a(sisma di

riferimento

per il sito)

T (Periodo proprio di oscillazione)

Accelerazionemax/spostam

entomax

C1

C2

Edificio1 Edificio2

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0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 1 2 3

NTC-suolo A

NTC-suolo B

NTC-suolo C

NTC-suolo D

NTC-suolo E

Spettri di risposta: NTC 2008

A terreni molto rigidi

B Depositi molto addensati

(sabbie,ghiaie moltoaddensate,argille molto consistenti)

C Depositi mediamente addensati(sabbie,ghiaie mediamente

addensate,argille mediamente

consistenti)

D Depositi scarsamente addensati

(granulari sciolti o poco addensati ocoesivi da poco a mediamente

consistenti)

E terreni costituiti da strati

superficiali alluvionali o dei tipi

C o D (sp

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Il fattore di struttura

Limpatto del terremoto sulla struttura risulter meno dannoso quanto pi essa in

grado di dissipare lenergia cinetica di cui stata investita attraverso deformazioni

plastiche.

1) comportamento

elastico-lineare

2) comportamento

elastico perfettamente

plastico

Le norme per la progettazione antisismica dimensionano le strutture in campo

elastico tenendo conto della capacit dissipativa della struttura attraverso un fattore:

-fattore di struttura (q)

che dipende dal materiale utilizzato, dalle caratteristiche dei giunti e dal tipo di

struttura

(es. calcestruzzo armato con struttura a telaio o a settiecc.)

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Il fattore di struttura

Il comportamento post-elastico e la duttilitglobale delledificio vengono riassunti

in un parametro che prende il nome di fattore di struttura (q).

La normativa per la progettazione antisismica definisce: q=Au/AYAu=accelerazione di picco che porta al crollo la struttura

Ay=accelerazione di picco che porta la struttura al limite elastico

La normativa definisce il valore di q in funzione delle tipologie strutturali e dei

materiali utilizzati per la costruzione.

In generale q aumenta proporzionalmente alla duttilit.

Il fattore di struttura comporta una

riduzione dellarisposta

massimain termini di

accelerazione (o di spostamento)data dalloggetto in risposta al

sisma (ordinata dello spettro di

risposta) che si traduce in un

abbassamento del grafico.

P i l it i i

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Pericolosit sismica

Laccelerazione attesa al suolo nel sito considerato varia in funzione della pericolosit sismica

del sito.

La classificazione sismica del territorio italiano nel corso del 900

classificazione sismica del 1909, 1927, 1937 (Fonte: Servizio Sismico Nazionale)

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Classificazione sismica del territorio

italiano (1984).

Decreto MLP del 14/07/1984 e

decreti successivi

Zone sismiche del territorio italiano(2003).

Ordinanza PCM 3274 del 20/03/2003.

ag/g0,35ag/g0,25ag/g0,15

ag/g0,05

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Testo dell'Ordinanza PCM 3519 del 28 aprile 2006 dalla G.U. n.108 del 11/05/06.

"Criteri generali per l'individuazione delle zone sismiche e per la formazione e

l'aggiornamento degli elenchi delle medesime zone"

P i l it i i NTC 2008

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Pericolosit sismica NTC 2008

La pericolosit sismica di base del sito non fa pi riferimento a una suddivisione in zone

omogenee ma definita in modo puntuale

valori di accelerazione orizzontale massima age degli altri parametri necessari alladeterminazione dellazione sismica

reticolo di riferimento i cui nodi non distano pi di 10 km

diverse probabilit di superamento in 50 anni e diversi periodi di ritorno


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P i l it i i NTC 2008

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Azione sismica di progetto: aspetti normativi

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Individuato un determinato sito, lazione sismica di riferimento da assumere per la verifica

varia in funzione degli obiettivi che la verifica si propone.

Per edifici diversi si possono accettare gradi di danneggiamento pi o meno gravi;

quindi a seguito di un sisma possibile accettare o meno che un certo edificio sia

ancora in grado di fornire tutte o alcune delle prestazioni per cui stato costruito.

NTC 2008

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Lepresenti Norme tecniche per le costruzioni definiscono i principi per il progetto,

lesecuzione ed il collaudo delle costruzioni, nei riguardi delle prestazioni loro

richieste in termini di requisiti essenziali di resistenza meccanica e stabilit,

anche in caso di incendio, e di durabilit.

-Metodo di Calcolo: SICUREZZA e PRESTAZIONI delle costruzioni devono essere

verificate rispetto al raggiungimento degli STATI LIMITE

Il metodo delle Tensioni ammissibili non pi utilizzabile se non in alcuni limitati casi

-Definizione delle azioni che devono essere usate nel progetto

Sd Rd

-Allineamento Eurocodici:

Limpostazione delle Norme tecniche maggiormente allineata con gli Eurocodici

strutturali (norme europee per la progettazione strutturale; sono 10 e suddivisi per argomento;

Eurocodice 8 - sismica )ed i relativi documenti di applicazione nazionale.

NTC 2008

SOLLECITAZIONE AGENTE DI PROGETTO CAPACITA RESISTENTE DI PROGETTO

NTC 2008: Metodo di calcolo con gli Stati Limite

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Le NTC 2008impostano la verifica della sicurezza rispetto al raggiungimento degli

Stati Limite confrontando le azioni agenti sulla struttura con la sua capacit resistente.

Ogni opera progettata in modo da fornire alcune prestazioni-soddisfare esigenze.

Def.STATO LIMITE: condizione superata la quale lopera non soddisfa pi le

esigenze per cui stata progettata.

Stato Limite Ultimo Stato Limite di Esercizio

Def.AZIONE: causa o insieme di cause capace di portare la struttura a

raggiungere uno stato limite.

AZIONE SISMICA

azione derivante da terremoti.

NTC 2008: Metodo di calcolo con gli Stati Limite

NTC 2008: Sicurezza e Prestazioni attese

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Sicurezza nei confronti di Stati Limite Ultimi (SLU)

capacit di evitare crol l i, perdi te di equi l ibr ioe dissest i gravi, totali o parziali, che possano

compromettere lincolumit delle personeovvero comportare la perdita di beni, ovveroprovocare gravi danni ambientali e sociali, ovvero mettere fuori servizio lopera;



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Sicurezza nei confronti di Stati Limite Ultimi (SLU)

Sicurezza nei confronti di Stati Limite di Esercizio (SLE)

capacit di evitare crolli, perdite di equilibrio e dissesti gravi, totali o parziali, che possano

compromettere lincolumit delle persone ovvero comportare la perdita di beni, ovveroprovocare gravi danni ambientali e sociali, ovvero mettere fuori servizio lopera;

capacit di garantire le prestazioni previste per le condizioni di esercizio;


NTC 2008: Stati Limite per lAzione Sismica

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Stato Limite di Danno(SLD):la

costruzione nel suo complesso (elementistrutturali, non strutturali, apparecchiature)

deve mantenersi immediatamente

utilizzabilepur nellinterruzioneduso di

parte delle apparecchiature

definito come stato limite da rispettare per

garantire inagibilit solo temporanee nelle

condizioni post-sismiche;

Stato Limite di immediata Operativit

(SLO):la costruzione nel suo complesso(elementi strutturali, non strutturali,

apparecchiature) non deve subire danni ed

interruzioni d'uso significativi

particolarmente utile come riferimento

progettuale per le opere che debbono restare

operative durante e subito dopo il terremoto

(osp edali , caserme, centr i del la protezione

civ i le, etc.).

NTC 2008: Stati Limite per l Azione Sismica

2 Stati Limite di Esercizio (SLE)

2 Stati Limite Ultimi (SLU)

Stato Limite di Salvaguardia della Vita

(SLV):perdita significativa di rigidezza nei

confronti delle azioni orizzontali; la

costruzione conserva invece una parte

della resistenza e rigidezza per azioni

verticalie un margine di sicurezza nei

confronti del collasso per azioni sismiche

orizzontali.

Stato Limite di prevenzione del Collasso

(SLC):la costruzione conserva ancora un

margine di sicurezza per azioni verticalied un

esiguo margine di sicurezzanei confronti del

collasso per azioni orizzontali,

particolarmente utile come riferimento

progettuale per alcune tipologie strutturali

(strutture con isolamento e dissipazione dienergia)


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Definizione dellevento sismico di riferimento: rispetto al raggiungimento di un determinato

stato limite si assume un azione di riferimento con diverse probabilit di occorrenza.

Probabilit/tempo di ritorno

Periodo di riferimento

Vita Nominale

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La struttura deve essere progettata cos che il degrado, nel corso della sua vita nominale, purch si adotti

la normale manutenzione ordinaria, non pregiudichi le sue prestazioniin termini di resistenza, stabilit efunzionalit, portandole al di sotto del livello richiesto dalle presenti norme.

Vita Nominale

Def. Vita nominale VN: il numero di anni nel quale la struttura, purch soggetta alla

manutenzione ordinaria, deve potere essere usata per lo scopo al quale destinata.

La Vita Nominale si pu intendere come il periodo di tempo tra una manutenzione

straordinaria e la successiva;deve essere precisata nei documenti di progetto.

NTC 2008: Vita Nominale, Classi duso e Periodo di

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Riferimento

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A ciascuno degli Stati Limite definiti in precedenza corrisponde una probabilit di

t PVR i di l b bilit h l i d di if i t VR

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superamento PVR; essa indica la probabilit che nel periodo di riferimento VR

si verifichi un sisma di intensit almeno pari a quella di progetto(tale da

indurre la costruzione al raggiungimento dello stato limite considerato).

PVR

Stati Limite di Eserc izio SLO 81%SLD 63%

Stati Lim ite Ult imiSLV 10%

SLC 5%

)P1ln(

VT

RV

RR

Per ciascuno Stato Limite(e relativa probabilit di superamento PVR)si determina

il periodo di ritorno TR (intervallo temporale medio fra eventi sismici diintensit almeno pari a quella di progetto-quella che porta al raggiungimento

dello SL):

Es. se VR 50 anni PVR Valore in ann i di TR

Stati Limite di EsercizioSLO 81% 30 anni TR= 0.6 VR

SLD 63% TR= VR

Stati Lim ite Ult imi

SLV 10% TR= 9.5 VR

SLC 5% TR= 19.5 VR 2475 anni

Per la verifica a ciascuno Stato Limite si stabilisce una relazione tra il periodo diritorno TRe il periodo di riferimento VR.

Definizione dellevento sismico di riferimento: es.1

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Operaordinaria

Normaleaffollamento

Definizione dellevento sismico di riferimento: es.2

7/26/2019 Azione-sismica 03 20131

58/63

Affollamenti

significativi

Grande

opera

NTC 2008: Verifica agli Stati Limite

7/26/2019 Azione-sismica 03 20131

59/63

Accelerazione orizzontale

massima del terreno,spettro di risposta

(macrozonazione)

Stato Limite Probabilit di superamento nel periodo di riferimento VR

Periodo di ritorno TR

Vita Nominale VN Classe duso (CU)X

Mappe di pericolosit sismica

)P1ln(

VT

RV

RR


7/26/2019 Azione-sismica 03 20131

60/63



7/26/2019 Azione-sismica 03 20131

61/63



7/26/2019 Azione-sismica 03 20131

62/63


NTC 2008: Verifica agli Stati Limite

7/26/2019 Azione-sismica 03 20131

63/63

Valutazione delleffetto

della risposta sismicalocale (microzonazione)

Stato Limite Probabilit di superamento nel periodo di riferimento VR

Periodo di ritorno TR

Vita Nominale VN Classe duso (CU)X

Mappe di pericolosit sismica

)P1ln(

VT

RV

RR

Azione-sismica 03 20131

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