Tecniche di Progettazione Edifici Antisismici: Nuove NTC 2008

STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA

MAPPA SISMICA MONDIALE

MAPPA SISMICA EUROPEA

EFFETTI PRINCIPALI DEL TERREMOTO

- Scuotimento del terreno

- Apertura di faglie e fratture in superficie

- Cedimenti del terreno (liquefazione)

- Maremoti / Tsunami

SCUOTIMENTO DEL TERRENO - Accelerogramma

Time [s ec]20191817161514131211109876543210

Acc

eler

atio

n [g

]

0.45

0.4

0.35

0.3

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

0

-0.05

-0.1

-0.15

-0.2

-0.25

-0.3

SCUOTIMENTO DEL TERRENO – Onde Sismiche

SCUOTIMENTO DEL TERRENO – Onde Sismiche

Onde P

Onde S

Onde di Rayleigh

Onde di Love

Onde di profondità Onde di superficie

LE FAGLIE

LE FAGLIE – La Faglia di S.Andrea

IL FENOMENO DELLA LIQUEFAZIONEPrende il nome di liquefazione un cedimento del suolo dovuto allo scuotimento di sedimenti sabbiosi saturi in acqua che assumono comportamento da liquido. Perché avvenga liquefazione è necessario che i singoli granuli di sabbia perdano il contatto reciproco: essendo il continuo della sostanza ora liquido, il sedimento si metterà a fluire come un liquido viscoso. Lo scuotimento indotto da un terremoto può provocare la liquefazione di sedimenti sabbiosi saturi in acqua, allorquando questi siano confinati da strati meno permeabili.

CATEGORIA DEL SUOLO

Categoria del suolo

Descrizione

S1 Depositi di terreni caratterizzati da valori di VS,30 inferiori a 100 m/s (ovvero 10 < Cu,30 < 20 kPa), che includono uno strato di almeno 8 m di terreni a grana fina di bassa consistenza, oppure che includono almeno 3 m di torba o di argille altamente organiche.

S2 Depositi di terreni suscettibili di liquefazione, di argille sensitive o qualsiasi altra categoria di sottosuolo non classificabile nei tipi precedenti.

Per sottosuoli appartenenti alle ulteriori categorie S1 ed S2 di seguito indicate, è necessario predisporre specifiche analisi per la definizione delle azioni sismiche, particolarmente nei casi in cui la presenza di terreni suscettibili di liquefazione e/o di argille d’elevata sensitività possa comportare fenomeni di collasso del terreno.

IL FENOMENO DELLA LIQUEFAZIONE

Particelle di terreno saturo Particelle di terreno liquefatto

Per liquefazione di un terreno s'intende il quasi totale annullamento della sua resistenza al taglio con l'assunzione del comportamento meccanico caratteristico dei liquidi. I fenomeni di liquefazione che interessano i depositi sabbiosi saturi dipendono da:

• proprietà geotecniche dei terreni• caratteristiche delle vibrazioni sismiche e loro durata• genesi e storia geologica dei terreni• fattori ambientali


Durante una sollecitazione sismica vengono indotte nel terreno delle sollecitazioni cicliche di taglio, mentre la pressione litostatica, dovuta al peso dei sedimenti sovrastanti, resta costante.

Nel terreno si possono generare fenomeni di liquefazione se la scossa sismica produce un numero di cicli tale da far si che la pressione interstiziale uguagli la pressione di confinamento. Nei depositi la pressione di confinamento aumenta con la profondità, mentre l'ampiezza dello sforzo di taglio indotto dal sisma diminuisce. La resistenza alla liquefazione quindi è maggiore con la profondità.

Quindi, maggiore è la durata di un terremoto più alta è la possibilità che si arrivi (maggior numero di cicli) alla liquefazione. Inoltre, maggiore è l'ampiezza della vibrazione e della deformazione indotta e minore è il numero di cicli necessari per giungere a tale condizione.

La probabilità che un deposito raggiunga le condizioni per la liquefazione dipende anche dallo stato di addensamento, dalla composizione granulometrica, dalle condizioni di drenaggio, dalla storia delle sollecitazioni sismiche e dall'età del deposito stesso. Tanto minore è il grado di addensamento del materiale (elevato indice dei vuoti e bassa densità relativa) tanto maggiore è la probabilità che, a parità di altre condizioni, un deposito raggiunga lo stato di liquefazione.

Per quanto riguarda la storia delle sollecitazioni sismiche su un deposito si può affermare che precedenti deformazioni moderate influiscano positivamente sulla resistenza del deposito, mentre una storia caratterizzata da alti livelli di deformazione (deposito già soggetto a liquefazione) ha effetti negativi sul potenziale di riliquefazione. I depositi sabbiosi con più alto potenziale di liquefazione sono i più recenti. A parità di composizione e di altre condizioni lo stesso deposito, se più antico, avrà sviluppato legami intergranulari e cementazioni sempre più forti con il tempo. Inoltre la struttura di un deposito antico sarà resa più stabile e omogenea per gli effetti delle vibrazioni indotte da precedenti terremoti di piccola entità.


Mappa del Rischio


Effetti della Liquefazione


Espansione laterale (lateral spread)


Perdita di portanza (loss of bearing strength)

TSUNAMI

TSUNAMIL'energia di uno tsunami è costante, in funzione della sua altezza e velocità. Quindi, quando l'onda si avvicina alla terra, la sua altezza aumenta mentre diminuisce la sua velocità. Le onde viaggiano a velocità elevate, più o meno senza essere notabili quando attraversano le acque profonde, ma la loro altezza può crescere fino a 30 metri e più quando raggiungono la linea costiera.

TSUNAMILa velocità del maremoto può essere semplicemente espressa dalla formula:

dove g è l'accelerazione di gravità e vale 9,8 m/s2, e h è la profondità del mare espressa in metri.

TSUNAMI

RISCHIO SISMICO

S. Giuliano di Puglia (CB), 31 ottobre 2002

RISCHIO SISMICO

Terremoti storici nell’area interessataEpicentro del 31 ottobre 2002

RISCHIO SISMICO

Mappa sismica nuovaMappa sismica precedente

MAPPA SISMICA 1984

1a Categoria

2a Categoria

3a Categoria

Non sismica

MAPPA SISMICA 2003

MACRO ZONAZIONE E MICRO ZONAZIONE SISMICA

MACRO ZONAZIONE SISMICA

La Microzonazione sismica rappresenta l’attività svolta ai fini di una più dettagliata suddivisione del territorio in aree in cui i valori di pericolosità sismica rispecchiano più rigorosamente le condizioni locali. L’analisi della risposta di un suolo alle sollecitazioni sismiche (Risposta Sismica Locale), costituisce la parte fondamentale delle attività di Microzonazione Sismica.

MICRO ZONAZIONE SISMICA

MAPPE SISMICHE

Mappa Sismica 2008 – Reticolo di riferimento

NORME TECNICHE PER LE COSTRUZIONI

Mappa Sismica 2008 – Reticolo di riferimento

MODELLI DI CALCOLO STRUTTURALEIMPALCATI RIGIDI O DEFORMABILI


Modello strutturale ad impalcato rigido


Modello strutturale ad impalcato deformabile

IMPALCATI RIGIDI O DEFORMABILI

Schema telaio


Deformata del telaio: Quota 3 = Piano Rigido


Diagramma del Momento Flettente del telaio: Quota 3 = Piano Rigido


Diagramma del Taglio del telaio:

Quota 3 = Piano Rigido


Deformata del telaio: Quota 3 = Piano Deformabile


Diagramma del Momento Flettente del telaio:

Quota 3 = Piano Deformabile


Diagramma del Taglio del telaio:

Quota 3 = Piano Deformabile


Piano Rigido Piano Deformabile

Deformata



Diagramma del Momento Flettente



Diagramma del Taglio

CRITERI GENERALI DI PROGETTAZIONE (D.M. 2008)

In ragione della necessità che la costruzione sia dotata di sistemi strutturali capaci, con costi accettabili, di soddisfare i requisiti di sicurezza nei confronti sia dei carichi verticali che dell’azione sismica, in siti a sismicità significativa i criteri di progettazione nei confronti delle azioni sismiche devono essere considerati già nell’impostazione della progettazione strutturale.

La costruzione deve essere dunque dotata di sistemi resistenti lungo almeno due direzioni e capaci di garantire un’adeguata resistenza e rigidezza nei confronti sia dei moti traslazionari, sia dei moti torsionali dovuti all’eccentricità tra il centro di massa ed il centro di rigidezza dell’intera struttura o anche solo di una sua porzione.

Tali moti torsionali tendono a sollecitare i diversi elementi strutturali in maniera non uniforme. A tal fine, sono da preferirsi configurazioni strutturali in cui i principali elementi resistenti all’azione sismica sono distribuiti nelle zone periferiche della costruzione e al contempo limitano l’eccentricità tra centro di massa e centro di rigidezza a ciascun livello della costruzione. Per massimizzare la rigidezza torsionale conseguita nel modo suddetto è necessario che gli orizzontamenti funzionino da diaframma rigido ai fini della ripartizioni delle forze sugli elementi verticali che li sostengono, nei modi specificati al Cap. 7.2.6 delle Norme Tecniche per le Costruzioni.

MODELLAZIONE STRUTTURALE

Schema ERRATO – Plinti non collegati


Schema CORRETTO – Plinti collegati


Schema ERRATO – Pilastri orientati secondo il lato della struttura più resistente


Schema CORRETTO – Pilastri orientati secondo il lato della struttura meno resistente


Schema ERRATO – Modello strutturale a telai non collegati


Schema CORRETTO – Modello strutturale a telai collegati


Schema SCONSIGLIATO – Distribuzione irregolare delle pareti


Schema CONSIGLIATO – Distribuzione regolare delle pareti

ANALISI SISMICA DELLE STRUTTUREBaricentro delle Masse e delle Rigidezze

ANALISI SISMICA DELLE STRUTTUREBaricentro delle Masse e delle Rigidezze

Struttura 1 Struttura 2

ANALISI SISMICA DELLE STRUTTUREPosizione del Baricentro delle Rigidezze

Traslazione e rotazione dell’impalcato rigido

ii xyus ,0

Spostamento globale del singolo elemento

ixi yuu 0

iyi xuv 0

Componenti dello spostamento globale


Rigidezza del singolo elemento

3

12h

IEK xix

3

12h

IEK y

iy

Aliquota della forza tagliante di piano che sopporta il singolo elemento

ixixixixixi yKuKyuKF 00 iyiyiyiyiyi yKuKxuKF 00

Forza tagliante di piano totale

iixxixxT yKuKF 0 iiyyiyyT xKuKF 0


Coordinate del baricentro delle rigidezze dell’impalcato

xi

ixiR K

yKY

yi

iyiR K

xKX

CORREZIONE TORSIONALEVECCHIA NORMA - D.M. ‘96

A/B > 2.5

Analisi Sismica Statica

CORREZIONE TORSIONALEMetodo dell’incremento dell’eccentricità (5% di “d”)

.

CORREZIONE TORSIONALEMetodo del coefficiente

cLx /6.01

Per edifici aventi massa e rigidezza distribuite in modo simmetrico in pianta.


Modellazioni sconsigliate

1 – Sbalzi

2 – Pilastri in falso

3 – Luci elevate

4 – Travi a spessore

ANALISI SISMICA DELLE STRUTTURE

- Analisi sismica Statica classica - Analisi sismica Dinamica classica - Analisi sismica Statica nodale - Analisi sismica Dinamica nodale

- Analisi sismica Lineare - Analisi sismica Non Lineare

ANALISI SISMICA DELLE STRUTTURE

Analisi Sismica Classica Analisi Sismica Nodale

L’EFFETTO DEL SISMA SULLE STRUTTURE

iabiletamtF var)()(

tF cos

vengono sostituite da azioni statiche equivalenti

le azioni dinamiche agenti nella struttura dovute all’accelerazione delle masse

Ipotesi Fondamentali:

- Nella pratica professionale non è necessario conoscere l’andamento nel tempo delle caratteristiche di sollecitazione in ogni sezione dell’elemento strutturale, ma è sufficiente conoscerne il valore massimo.- Nelle strutture tipiche dell’ingegneria civile (ad esempio edifici per civile abitazione) le masse strutturali sono concentrate in massima parte in corrispondenza degli impalcati (solai).- In alcuni casi (edifici in c.a.) gli impalcati possono essere considerati elementi indeformabili nel proprio piano, e quindi in grado di connettere rigidamente tutti i nodi strutturali giacenti su di essi.


Se si impone alla testa del piedritto uno spostamento orizzontale u0 (rispetto la posizione di riposo verticale) e successivamente lo si lascia libero, sul sistema si instaurerà un regime di oscillazioni libere caratterizzate da una andamento sinusoidale nel tempo con un periodo di oscillazione T0, questo è il tempo che intercorre per permettere al traverso di compiere un’oscillazione completa e ritornare nella posizione iniziale. Tale periodo, detto anche periodo proprio dell’oscillatore è legato alle due grandezze m e k (massa e rigidezza) dalla seguente relazione:

kmT 20


Oscillazione ideale (smorzamento nullo)

Oscillazione reale (smorzamento non

nullo)


L’effetto del sisma sulla struttura può essere considerato come l’applicazione al sistema di una forza di tipo sinusoidale

t

TsinFtsinFtF 2)(

L’applicazione di questa forza instaurerà sul sistema un regime di oscillazioni forzate il quale, dopo una prima fase iniziale in cui saranno presenti anche le oscillazioni libere smorzate, assumerà un forma analoga a quella delle oscillazioni libere ma con un periodo che adesso sarà quello della forzante, con uno sfasamento rispetto ad essa ed un’ampiezza delle oscillazioni che dipende dal rapporto F/k (F = valore massimo della forza, k = rigidezza del sistema) e dal rapporto dei due periodi = T0/T (T0 = periodo di vibrazione del sistema; T =

periodo di oscillazione della forza). Tale dipendenza è espressa dalla relazione seguente:

tsinKFAtsin

KFtu

2222 4)1(

1)(


. Smorzamento nullo e periodo della forzante uguale al periodo proprio della struttura, condizione detta di “risonanza” (condizione teorica).

Caso 1 (= 0 ; = 1)

Smorzamento piccolo e periodo della forzante uguale al periodo proprio della struttura. L’amplificazione è grande, ma ha valore finito.

Caso 2 (piccolo ; = 1)

Periodo della forzante molto più grande del periodo proprio della struttura. La massa segue la forza come se si trattasse di tante condizioni statiche in sequenza.

Caso 3 (= 0)

Periodo della forzante molto più piccolo del periodo proprio della struttura. Il sistema oscillante, poiché la variazione della forzante e molto rapida, non risente dell’effetto, comportandosi come se questa non fosse presente.

Caso 4 (grande)

L’EFFETTO DEL SISMA SULLE STRUTTURE.

0 kuucum t

0 kuucuum g

eqg Pumkuucum

TIPI DI ANALISI SISMICAAnalisi Sismica Statica - D.M. ‘96

iii ITRCWF

Wi = massa del piano i-esimo dell’edificio

C = coefficiente di intensità sismica

= coefficiente di struttura

R (T) = coefficiente di risposta

= coefficiente di fondazione

I = coefficiente di protezione sismica

i = coefficiente di distribuzione

n

jjj

n

jj

ii

hW

Wh

1

1

TIPI DI ANALISI SISMICAAnalisi Sismica Statica – Norme

Tecniche 2008

zi , zj = altezze dei piani i-esimo e j-esimo dalla fondazione

Wi, Wj = pesi delle masse ai piani i-esimo e j-esimo

Sd(T1) = ordinata dello spettro di progetto in corrispondenza del valore T1 del periodo

H = altezza dell’edificio, espressa in metri, a partire dal piano di fondazione

Cl = coefficiente funzione della tipologia strutturale

jj

ihi Wz

WziFF

4/311 HCT

gWTSF d

h

)( 1

W = peso complessivo della struttura

TIPI DI ANALISI SISMICAAnalisi Sismica Statica - Distribuzione delle forze sismiche equivalenti sulla

struttura.

TIPI DI ANALISI SISMICAAnalisi Sismica Dinamica

Schema Strutturale

Modo n.1

Modo n.3

Modo n.7

1) Determinazione dei modi di vibrare della costruzione (analisi modale).

2) Calcolo degli effetti dell’azione sismica, rappresentata dallo spettro di risposta di progetto, per ciascuno dei modi di vibrare individuati.

3) Combinazione degli effetti relativi a ciascun modo di vibrare.


222

21 ... nTot SSSS

n

i

n

i

n

j ij

jii

SSSS

1 1 12

22

1

Radice della somma dei quadrati (SRSS)

Combinazione Quadratica Completa (CQC)

L’utilizzo dello spettro di risposta consente di calcolare gli effetti massimi del terremoto sulla costruzione associati a ciascun modo di vibrare. Poiché durante il terremoto, tuttavia, gli effetti massimi associati ad un modo di vibrare non si verificano generalmente nello stesso istante in cui sono massimi quelli associati ad un altro modo di vibrare, tali effetti non possono essere combinati tra di loro mediante una semplice somma ma con specifiche regole di combinazione, di natura probabilistica, che tengono conto di questo sfasamento temporale.


85.0

tot

effi

mm

%5mod. opartecm

TIPI DI ANALISI SISMICAAnalisi Sismica Dinamica -

Distribuzione delle forze sismiche equivalenti sulla struttura.

CRITERI DI SCELTA DEL TIPO DI ANALISI SISMICA

Requisito primario di applicabilità dell’analisi sismica statica è la regolarità della struttura.

regolarità geometrica in pianta: intendendo con essa sia la regolarità geometrica della pianta i cui elementi strutturali devono essere posti a distanze regolari, e sia la regolarità della distribuzione delle rigidezze (ossia delle inerzie) degli stessi elementi.

regolarità in elevazione: intesa come la proprietà da parte di tutti gli elementi verticali che abbiano resistenza significativa all’azione sismica di estendersi senza interruzione dalle fondazioni fino alla sommità dell’edificio, mantenendosi il rapporto tra masse e rigidezze degli impalcati pressoché costante per tutta l’altezza.distribuzione regolare dei pesi e dei carichi: assenza quindi di pannelli di tamponamento, o di carichi sia permanenti che accidentali distribuiti sugli impalcati in maniera asimmetrica.


REQUISITO DI APPLICABILITA’ DELL’ANALISI SISMICA STATICA (D.M.

‘96)

sec4.11.01 B

HT

H = massima altezza dell’edificio a partire dal piano di fondazione

B = massima dimensione in pianta dell’edificio


REQUISITO DI APPLICABILITA’ DELL’ANALISI SISMICA STATICA (Norme

Tecniche 2005)

H = massima altezza dell’edificio a partire dal piano di fondazione

Cl = coefficiente moltiplicativo funzione della tipologia strutturale, il cui valore è riportato nel prospetto seguente:

CTHCT 5.24/311

C1 = 0.085 per edifici con struttura a telaio in acciaio

C1 = 0.075 per edifici con struttura a telaio in calcestruzzo

C1 = 0.050 per edifici con qualsiasi altro tipo di struttura

SPETTRO DI RISPOSTA ELASTICO

.

),(4),(2),( 20

2

oDeovo

oa TST

TST

TS

),(4

),( 2

20

oaoDeeq TSTkTSkF

kmT 20

),( oaeq TSmF

0

0.5

1

a/g

0 1 2 3 s T Si può quindi definire una curva che inviluppa tutti gli spettri di risposta, o che viene superata solo occasionalmente

Si può diagrammare il valore della massima accelerazione ottenendo lo spettro di risposta dell’accelerogramma


CATEGORIA DEL SUOLO

.

SPETTRO DI PROGETTO

CONFINAMENTO DELLE SEZIONI IN C.A.

In genere per la progettazione delle sezione in c.a. si assume un valore di deformazione ultima del

calcestruzzo cu = 0.35 % pari a quello del calcestruzzo non confinato. Nel caso del calcolo delle curvature ultime ai fini della valutazione della capacità rotazionale da usare nelle analisi non lineari questa ipotesi risulta troppo lontana dalla realtà fisica ed è necessario valutare in maniera più raffinata la reale capacità deformativa del calcestruzzo in funzione del grado di confinamento.


Comportamento di elementi confinati e non confinati.


Distacco del copriferro dovuto a staffatura insufficiente.


Corretta staffatura di un pilastro in c.a..


Rottura diagonale per taglio di un nodo trave-pilastro non confinato.


Espulsione del copriferro e deformazione delle armature longitudinali di un nodo trave-pilastro non confinato.

Tecniche di Progettazione Edifici Antisismici: Nuove NTC 2008

Self Improvement

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