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Evoluzione delle NORMATIVE per la progettazione delle strutture in zona sismica

CLASSIFICAZIONE SISMICA DEL TERRITORIO

INGEGNERIA SISMICA E STRUTTURALE

Radicali cambiamenti delle normative sismiche sulla base deirisultati dei numerosi lavori di ricerca sperimentale e teoricasvolti in tutto il mondo.

Miglioramenti delle conoscenze e proposte di classificazionesismica del territorio

Inoltre gli effetti sulla struttura dell’azione sismica sono combinatiapplicando la seguente espressione (analisi in campo lineare):

E=1.0 Ex+ 0.30 Ey (E=0.30 Ex + 1.0Ey)

L’azione sismica deve essere combinata poi con le altre azioni:

G1+G2+E+2j Qkj

DM08 – MODELLAZIONE DELLA STRUTTURA E DELL’AZIONE SISMICA

DM08 – METODI DI ANALISI

•ANALISI LINEARE

•ANALISI NON LINEARE

•ANALISI STATICA

•ANALISI DINAMICA


L’analisi statica lineare consiste nell’applicazione di forzestatiche equivalenti alle forze di inerzia indotte dall’azionesismica

• il periodo del modo di vibrare principale nella direzione inesame (T1) non superi 2,5 TC o TD e che la costruzione siaregolare in altezza.

• Per costruzioni civili o industriali che non superino i 40 m dialtezza e la cui massa sia approssimativamenteuniformemente distribuita lungo l’altezza, T1 può esserestimato, in assenza di calcoli più dettagliati, utilizzando laformula seguente: T1=Ct H3/4 (Ct=0.075 costr. in c.a. a telaio)


Analisi statica lineare

è un coefficiente pari a 0,85 se la costruzione ha almeno tre orizzontamenti e se T1 < 2TC, pari a 1,0 in tutti gli altri casi;

G1+G2+2i Qki

DM08 – METODI DI ANALISIAnalisi statica linearePer gli edifici, se le rigidezze laterali e le masse sono distribuite simmetricamente in pianta, gli effetti torsionali accidentali di cui al § 7.2.6 possono essere considerati amplificando le sollecitazioni su ogni elemento resistente, calcolate con la distribuzione fornita dalla formula (7.3.6), attraverso il fattore () risultante dalla seguente espressione:

= 1 + 0,6 x / Le

dove:

x è la distanza dell’elemento resistente verticale dal baricentro geometrico di piano, misurata perpendicolarmente alla direzione dell’azione sismica considerata;

Le è la distanza tra i due elementi resistenti più lontani, misurata allo stesso modo.

DM08 – METODI DI ANALISIAnalisi dinamica lineare- determinazione dei modi di vibrare della costruzione (analisi modale)

- nel calcolo degli effetti dell’azione sismica, rappresentata dallo spettro di risposta di progetto, per ciascuno dei modi di vibrare individuati

- nella combinazione di questi effetti.

Devono essere considerati tutti i modi con massa partecipante significativa. È opportuno a tal riguardo considerare tutti i modi con massa partecipante superiore al 5% e comunque un numero di modi la cui massa partecipante totale sia superiore all’85%.

DM08 – METODI DI ANALISIAnalisi dinamica linearePer la combinazione degli effetti relativi ai singoli modi deve essere utilizzata una combinazione quadratica completa degli effetti relativi a ciascun modo, quale quella indicata nell’espressione:

DM08 – METODI DI ANALISIAnalisi dinamica lineare

Per gli edifici, gli effetti della eccentricità accidentale del centro di massa possono essere determinati mediante l’applicazione di carichi statici costituiti da momenti torcenti di valore pari alla risultante orizzontale della forza agente al piano, determinata come in § 7.3.3.2, moltiplicata per l’eccentricità accidentale del baricentro delle masse rispetto alla sua posizione di calcolo, determinata come in § 7.2.6.

DM08 – METODI DI ANALISIAnalisi non lineare statica

L’analisi non lineare statica consiste nell’applicare alla struttura i carichi gravitazionali e, per la direzione considerata dell’azione sismica, un sistema di forze orizzontali distribuite, ad ogni livello della costruzione, proporzionalmente alle forze d’inerzia ed aventi risultante (taglio alla base) Fb.

Tali forze sono scalate in modo da far crescere monotonamente, sia in direzione positiva che negativa e fino al raggiungimento delle condizioni di collasso locale o globale, lo spostamento orizzontale dc di un punto di controllo coincidente con il centro di massa dell’ultimo livello della costruzione (sono esclusi eventuali torrini).

DM08 – METODI DI ANALISIAnalisi non lineare dinamica

L’analisi non lineare dinamica consiste nel calcolo della risposta sismica della struttura mediante integrazione delle equazioni del moto, utilizzando un modello non lineare della struttura e gli accelerogrammi



ASPETTI INNOVATIVI E MIGLIORATIVI DELLE NUOVE NORME

• APPROCCIO DI TIPO PRESTAZIONALE definizione degli obiettivi del progetto

dichiarazione dei requisiti definizione dei criteri di progetto

Livelli di protezione in relazione alle esigenze funzionali e di protezione civile ruolo attivo del progettista




•Livelli di prestazione correlati alla risposta della struttura alvariare dell’intensità sismica




SCOPO delle norme in caso di EVENTO SISMICO

• SIA PROTETTA LA VITA UMANA• SIANO LIMITATI I DANNI• OPERATIVITA’ DELLE STRUTTURE STRATEGICHE




PARAMETRI CONDIZIONANTI

• RIGIDEZZA• RESISTENZA• DUTTILITA’ (richiesta e disponibile)




APPROCCIO PRESTAZIONALE

• Per terremoti di piccola e media intensità: la struttura deveavere sufficiente rigidezza per assicurare che venganominimizzati i danni non strutturali e sufficiente resistenza perassicurare che vengano minimizzati i danni strutturali.




APPROCCIO PRESTAZIONALE

• Per terremoti di elevata intensità: la struttura deve averesufficiente duttilità per potersi deformare in campo plasticosenza perdita eccessiva di resistenza, ovvero purammettendo gravi danni si evita la perdita di vite umane.




STATI LIMITE PER AZIONI SISMICHE

esercizio




STATI LIMITE PER AZIONI SISMICHE

ultimo


esempio

Piccoli urti (frequenti): assenza di danneggiamento del veicolo

Stato Limite di Esercizio


esempio

Maggior parte dell’energia assorbitadalla parte frontale dell’autosalvaguardando gli occupanti

Stato Limite Ultimo


esempio

Collasso della struttura!


esempio

Soluzione progettuale antieconomica e non sempre

possibile!

DM08 – CRITERI PROGETTUALI

Le costruzioni soggette all’azione sismica, non dotate diappositi dispositivi dissipativi, devono essere progettate inaccordo con i seguenti comportamenti strutturali:

a) comportamento strutturale non-dissipativo;

b) comportamento strutturale dissipativo.


Nel comportamento strutturale non dissipativo, cui ci siriferisce quando si progetta per gli stati limite di esercizio, glieffetti combinati delle azioni sismiche e delle altre azioni sonocalcolati, indipendentemente dalla tipologia strutturaleadottata, senza tener conto delle non linearità dicomportamento (di materiale e geometriche) se non rilevanti.

Nel comportamento strutturale dissipativo, cui ci si riferiscequando si progetta per gli stati limite ultimi, gli effetticombinati delle azioni sismiche e delle altre azioni sonocalcolati, in funzione della tipologia strutturale adottata,tenendo conto delle non linearità di comportamento (dimateriale sempre, geometriche quando rilevanti e comunquesempre quando precisato).


Nel caso la struttura abbia comportamento strutturaledissipativo, si distinguono due livelli di Capacità Dissipativa oClassi di Duttilità (CD):

- Classe di duttilità alta (CD”A”);

- Classe di duttilità bassa (CD”B”).

La differenza tra le due classi risiede nella entità delleplasticizzazioni cui ci si riconduce in fase di progettazione; perambedue le classi, onde assicurare alla struttura uncomportamento dissipativo e duttile evitando rotture fragili e laformazione di meccanismi instabili imprevisti, si fa ricorso aiprocedimenti tipici della gerarchia delle resistenze.


Progettazione delle strutture in zona sismica basata sul criterio di

GERARCHIA DELLE RESISTENZE

Gerarchia delle Resistenze

Obiettivo meccanismo ultimo della struttura di tipo DUTTILEe DISSIPATIVO

Tra tutti i possibili meccanismi di crisi della struttura si assegna gerarchicamente la resistenza maggiore al

meccanismo più fragile.

Progetto basato sulle resistenze.


materiale duttile materiale fragile


meccanismo ultimo di tipo fragile!

1 – resistenza maggiore agli elementi duttili

F

F

R1R2 R1>R2


meccanismo ultimo di tipo duttile!

2 – resistenza maggiore agli elementi fragili

F

F

R1

R2R2>R1


Attenzione: bisogna garantire la gerarchia delle resistenze a tutti i livelli strutturali

• MATERIALE• SEZIONE• ELEMENTO• STRUTTURA

F


D.M.2008 - Strutture di clsMATERIALE

acciaio materiale responsabile della duttilità

B450CB450A

È il tipo di acciaio da utilizzare per le strutture in cemento armato (§7.4.2.2)

Utilizzo in casi particolari: •per le reti e i tralicci •armatura trasversale di elementi in cui è impedita la plasticizzazione, elementi secondari di cui al § 7.2.3, strutture poco dissipative con fattore di struttura q1,5.(§7.4.2.2)



B450C B450A

Tensione nominale di snervamento (fy,nom) 450 MPa 450 MPa

Tensione nominale di rottura (ft,nom) 540 MPa 540 MPa

Tensione caratteristica di snervamento (fy,k) >450 MPa >450 MPa

Tensione caratteristica di rottura (ft,k) >540 MPa >540 MPa

sono gli stessi per le due classi

Cosa cambia tra le due classi di acciaio?



B450C B450A

Resistenza/snervamento (ft/fy)k1.15 1.05

Allungamento caratteristico (Agt)k7.5% 2.5%

Diametri consentiti 6-40mm 5-10mm

Cosa cambia tra le due classi di acciaio?



Fattori che caratterizzano le due classi di acciaio




B450C B450A




• I valori caratteristici devono essere dimostrati dal produttore

• direttore dei lavori prelievo dei campioni in cantiere

B450C

425fy572Agt6%

1.13ft/fy1.37

B450A

425fy572Agt2%

ft/fy1.03



Come si traducono in fase di calcolo?

ud=0.9uk=0.9·7.5%=6.75%>1%


D.M.2008 - Strutture di clsSEZIONE

Meccanismo duttile garantito dallo snervamento dell’acciaio sezioni debolmente armate

s

c

Valori elevati della curvatura in condizioni

ultime



sezioni fortemente armate

s

c

Bassi valori della curvatura in condizioni ultime



D.M.08: Limitazioni sulle armature metalliche

Limitazioni imposte sia all’armatura tesa sia all’armatura compressa

1.4 3.5comp

yk ykf f

; comptesacomp

AAB H B H

B

H

0.25 ; 0.5 [zone critiche]comp comp

B450C =0.31%



esempio

30

50

214

814

30

50

214

314

=1.4/fykcomp=0.66

=3.5/fykcomp=0.25



esempio

0

50

100

150

200

250

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

curvatura

mom

ento

[kN

m]

debolmente armata

fortemente armata



Esempio: l’armatura compressa ha un effetto positivo sulla curvatura ultima

0

50

100

150

200

250

300

0 0.02 0.04 0.06 0.08

curvatura

mom

ento

[kN

m]

rcom=0.71r

rcomp=0.29r



Perché ci interessa la duttilità a questo livello?

0

50

100

150

200

250

300

0 0.02 0.04 0.06 0.08

curvatura

mom

ento

[kN

m]

rcom=0.71r

rcomp=0.29r

q

q

f

La duttilità della sezione si riflette sul comportamento

ultimo dell’elemento.



Tale aspetto è così importante che la normativa inserisce una verifica di duttilità specifica

= curvatura ultima / curvatura al limite di snervamento

fattore di duttilità in curvatura

Le limitazioni imposte dalla normativa sono funzione della duttilità globale della struttura



esempio

0

50

100

150

200

250

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

curvatura

mom

ento

[kN

m]

debolmente armata

fortemente armata


D.M.2008 - Strutture di clsSTRUTTURA

Per garantire un meccanismo ultimo duttile è necessario attribuire maggiore resistenza agli elementi “fragili”.Individuare nella struttura quali sono gli elementi caratterizzati da minori livelli di duttilità. (Attenzione: dipende anche dalla tipologia strutturale)



Travi: prevalentemente inflesse

Pilastri: presso-inflessi

Entrambi gli elementi sono costituiti dagli stessi materiali di base e dalle stesse tipologie di armature metalliche.

Nodi trave-pilastro



Cosa accade in termini di duttilità locale?

0

20

40

60

80

100

120

0 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15

curvatura

mom

ento

[kN

/m]

0%10% Nc20% Nc40% Nc80% Nc

Effetto dello sforzo normale sulla curvatura ultima.



E in termini di duttilità globale?

Duttilità affidata ai pilastri• numero ridotto di cerniere plastiche• elevate richieste di rotazione plastica• bassi livelli di duttilità locale e di dissipazione• danneggiamento di elementi “importanti”

Maggiore resistenza alle travi rispetto ai pilastri:TRAVI FORTI – COLONNE DEBOLI NO!



E in termini di duttilità globale?

Duttilità affidata alle travi• numero elevato di cerniere plastiche• basse richieste di rotazione plastica• elevati livelli di duttilità locale e di dissipazione

Maggiore resistenza ai pilastri rispetto alle travi:COLONNE FORTI – TRAVI DEBOLI

OK!



Come si persegue questo obiettivo?

F

q

Mq MF

Sollecitazione di progetto: M = Mq + MF



Approccio classico – vecchie normeF

q

Travi: MRdMmaxPilastri: MRd(N) Mmax(N) Resistenza > Sollecitazione

Non garantiamo però la gerarchia delle resistenze nei confronti di F

Al crescere di F può sopraggiungere sia la crisi delle travi sia quella dei pilastri!



Approccio classico – vecchie norme

F

q

Inoltre, al crescere di F la crisi per taglio può avvenire prima di quella per flessione.

Questo meccanismo di crisi è particolarmente “fragile”.



Esempi di collasso per taglio



Approccio nuova normativa

Obiettivi crisi per flessione nelle travi preservando i pilastri evitare meccanismi di crisi per taglio

Quindi non solo è necessario garantire che la resistenza degli elementi sia maggiore della sollecitazione di progetto ma è necessario altresì garantire la gerarchia delle resistenze.




F

q Colonne forti – travi deboliResistenza pilastri > resistenza travi

MRd,trave

MRd,pilastro>MRd,trave




MRd,traveMRd,trave

MRd,traveMRd,trave

, ,Rd colonna Rd Rd traveM M



Approccio nuova normativaE il taglio?

F

q MRd,trave

MRd,trave

Gk+Qk

MRd,trave

GkMRd,trave

,sup ,inf

2

i jRd Rdk k

Rd

M MG Q LV

L

,sup ,inf

2

i jRd Rdk

Rd

M MG LV

L

In entrambe le direzioni



Approccio nuova normativaCiò vale anche per i pilastri

F

qMRd,pil

,sup ,infi jRd Rd

Rd

M MV V

L

MRd,pil

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