Requisiti di sicurezza, azione sismica, criteri di progetto, metodi di analisi e verifiche per edifici

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1 ORDINE DEGLI INGEGNERI DELLA PROVINCIA DI BERGAMO Corso di aggiornamento professionale Dott. Ing. Giulio Pandini IX Corso Università degli Studi di Bergamo - Facoltà di Ingegneria Dalmine 7 Novembre 2003 Normative tecniche per le costruzioni in zona sismica e classificazione sismica del territorio nazionale Requisiti di sicurezza, azione sismica, criteri di progetto, metodi di analisi e verifiche per edifici Prof. Paolo E. Pinto Università di Roma La Sapienza

2 Progetto sismico di edifici Requisiti di sicurezza Azione sismica Criteri generali di progetto Metodi di analisi Verifiche 1

3 Requisiti di sicurezza Al verificarsi dell azione sismica di progetto: E d - Danni gravi agli elementi strutturali e non strutturali - Residua resistenza e rigidezza nei cfr. di azioni orizzontali - Capacità di sostenere i carichi gravitazionali Al verificarsi dell azione sismica E d / Danni leggeri ad elementi strutturali e non strutturali - Continuità dell uso Fattore di importanza γ I 1 applicato ad E d (tre categorie: γ I = 1.0 ; γ I = 1.2 ; γ I = 1.4) 2

4 Soddisfacimento dei requisiti Condizioni da rispettare - Corretta assunzione dell azione sismica di progetto - Modellazione strutturale realistica - Metodi di analisi appropriati - Rispetto delle regole di progetto degli elementi (resistenza assoluta e relativa) - Adozione dei dettagli necessari per la duttilità 3

5 Azione sismica Spettri elastici di Sito S a a g S 2.5 a g S (2.5 a g S) T C /T (2.5 a g S) T C T D /T 2 T B T C T D T CLASSE S T B T C T D A B,C,E D

6 Azione sismica: fattore di sito Criteri fattore unico: S che amplifica l intera forma spettrale standard dipendenza del fattore S dal valore medio su H = 30m di una delle tre grandezze: VS N ( terreni coesivi) SPT C U V S = 30 h V i S i N SPT = 30 h N i SPT i limiti: indipendenza da T e da PGA 5

7 Amplificazione locale del moto sismico Modello piano semplificato moto in A moto in B se G R >> G i 6

8 Azione sismica: classi di sito Classi di sito: A, B, C, D, E fattore S Siti speciali: S 1, S 2 studi ad hoc D C B A V S << m/sec 30m < >800 V S (<15) (<70) (<15 50) (<70 250) (>50) (> 250) N SPT [kpa] C U 7

9 Azione sismica: classi di sito Classe E Studi di Amplificazione Locale 30 m V S classi C o D V S classe A 5 20 Classe S 1 Depositi contenenti uno strato H 10m di argille soffici o limi ad alto limite di plasticità (PL > 40) e contenuto d acqua Classe S 2 Depositi di terreni suscettibili di liquefazione. Qualsiasi profilo diverso da A, B, C, D, E, S 1 8

10 Azione Sismica di progetto Spettri di Progetto per analisi lineari (statiche o dinamiche) S a 2.5 a g S a g S 2.5 a g S/q 0.2 a g S T B T C T D T 9

11 Base teorica del fattore q S a S e (T) Equal displacement rule F e Struttura elastica S d (T) T R =475 anni F y Struttura anelastica S S e d ( T ) ( T ) = F F e y T = u y = µ y ε = u 10 S d ( T ) = S ( T ) e 1 µ q

12 Spettri iso-probabili a duttilità assegnata ottenuti con analisi dinamica non lineare η = F y / ( A M ) Forza di progetto per una struttura di periodo T e duttilità disponibile µ D F y = η, ( T µ ) A M COEFFICIENTE DI STRUTTURA q ( T, µ ) = η ( T, µ = 1) η( T, µ ) µ T 11

13 Azione sismica DS e (T) DS e (T) = S e (T) (T C /2π) 2 Spettri elastici in spostamento T B T C T D T T E PGD = a g ST C T D T F CLASSE T E T F A B C,D,E

14 Combinazione dell azione sismica con le altre azioni ai fini delle verifiche allo SLU e SLD γ I G ψ ψ E k, P k ji ψ2i ji ψ0i γ I E + G Azione sismica per lo SL in esame k + ψ2i Q ψ0i Q P ki ki k + 13 i ( ψ Q ) Valore caratteristico del carico permanente e della precompressione finale per lo SLU per lo SLD (vento) (vento) 0 < ψ2 0, 8 i < 0 < ψ 0 10, i < ji ki Valore quasi-permanente di Q i Valore raro di Q i (magazzini) (magazzini) Masse da considerare presenti per la determinazione di E ( ϕ ψ ) G k + Q i ji ki

15 Criteri di progettazione EDIFICI Criteri generali: forme semplici, simmetriche, con organismi strutturali iperstatici e regolari Regolarità strutturale: In pianta: forma compatta, simmetrie di masse e rigidezze In altezza: i) elementi resistenti ad azioni orizzontali estesi a tutta altezza ii) variazione graduale di massa e di rigidezza con l altezza iii) rapporto tra resistenza di piano effettiva e resistenza richiesta uguale a tutti i piani 14

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17 Elementi strutturali secondari Alcuni degli elementi degli edifici possono essere definiti: secondari Gli elementi secondari non vengono introdotti nell analisi Occorre verificare che essi possano assorbire le deformazioni della struttura sotto l azione sismica di progetto (sufficiente duttilità) La scelta degli elementi secondari non può determinare il passaggio da struttura irregolare a struttura regolare 15

18 Criteri di progettazione Gerarchia delle resistenze tra elementi/meccanismi strutturali Pilastri più resistenti delle travi Nodi trave-pilastro più resistenti di travi e pilastri Pareti in c.a.: elevazione più resistente della sezione di base Resistenza a taglio maggiore della resistenza flessionale Resistenza dei diaframmi di piano (solai) maggiore di quella offerta dagli elementi (travi, pilastri) collegati Resistenza delle fondazioni maggiore di quella della sovrastruttura 16

19 Modellazione della struttura Strutture regolari : ammissibilità di due modelli piani (dir. X e dir. Y) Strutture irregolari : modello globale 3D Contributo delle tamponature: ove appropriato (indicazioni specifiche) Controllo della effettiva rigidezza del solaio Rigidezza degli elementi in c.a.: ridotta per tener conto della fessurazione opzioni: a) rigidezza secante a snervamento b) 50% della rigidezza non fessurata Eccentricità accidentale: sostamento del baricentro delle masse pari a ± 0,05 L (L= dimensione massima dell edificio in direzione perpendicolare all azione sismica) 17

20 Metodi di analisi Metodo Applicabilità Statico lineare Edifici regolari in pianta T 2,5 sec Dinamico lineare (analisi modale + S d (T)) Tutti gli edifici Statico non lineare.. Edifici regolari in pianta ed in altezza Dinamico non lineare Tutti gli edifici 18

21 Analisi statica lineare Metodi di analisi Analisi modale approssimata, arrestata al 1º modo ed assumendo una forma del modo ad andamento lineare con l altezza Risultante delle forze orizzontali: F b = S d ( T ) W λ (λ=0,85 se n 3 e T 2T C, λ=1 negli altri casi) Distribuzione lungo l altezza: Effetto eccentricità accidentale F i = F b Zi Wi Z W i i i i F i = F b Modello 3D: dall analisi 2 modelli piani: fattore amplificativo δ = 1+ 0, 6 x L 19

22 Metodi di analisi Analisi dinamica modale Metodo standard Numero di modi da considerare: Tutti quelli che hanno massa partecipante superiore al 5% Il numero necessario per raggiungere una massa partecipante superiore all 85% Combinazione delle massime risposte modali: Se tutti i periodi differiscono tra loro di almeno il 10%: regola SRSQ Diversamente: CQC (combinazione quadratica completa) Eccentricità accidentale: per edifici regolari si può usare il fattore δ 20

23 Metodi di analisi Analisi statica non lineare Possibili utilizzi: Valutare il rapporto di sovraresistenza ai fini della determinazione di q Controllare l effettiva distribuzione della domanda inelastica in edifici progettati con fattore q Metodo di progetto sostitutivo per edifici di nuova costruzione Metodo di valutazione per la capacità di edifici esistenti 21

24 Analisi statica non-lineare Passi del metodo Metodi di analisi Determinazione del legame tra risultante delle forze applicate (distribuite secondo forme prescritte) e spostamento di un nodo di riferimento (push-over) Determinazione delle caratteristiche di un oscillatore anelastico equivalente Determinazione dello spostamento massimo dell oscillatore con impiego dello spettro di risposta elastico Conversione dello spostamento dell oscillatore in quello della struttura e verifica delle deformazioni e delle resistenze degli elementi 22

25 Analisi statica non-lineare Metodi di analisi Legame forza-spostamento generalizzato F 2 F 1 d c 2 1 a) Sono da considerare due sistemi di forze (da applicare separatamente, in alternativa A distribuzione proporzionale alle masse (risultante F 1 ) A distribuzione proporzionale delle masse per la deformata del 1º modo (risultante F 2 ) b) Si incrementa l intensità di F 1 e di F 2 fino a raggiungere per il punto di controllo uno spostamento pari ad 1,5 volte lo spostamento di progetto 23

26 Metodi di analisi Analisi statica non lineare Sistema bilineare equivalente Trasformazione delle forze e degli spostamenti F * = F / Γ 1,2 d * = d / Periodo equivalente della struttura * * m mi i T φ = 2π = 2π * * k Fy / d y Risposta massima in spostamento del sistema equivalente * ( * ) * dmax = SDe T ( * d ) max SDe T oppure ( * T T ) ( * T < T ) c Γ c φ Γ = mi i, φ = forma modale 2 i miφi = α (α fattore correttivo 1) 24

27 Verifiche: SLU Elementi duttili: travi e pilastri a (presso)flessione Verifica di resistenza: come per condizioni non sismiche Verifica di duttilità: soddisfatta con l adozione delle regole di gerarchia delle resistenze e delle regole di dettaglio costruttivo Elementi/meccanismi fragili: resistenza a taglio di travi e pilastri Verifica di resistenza: positiva se maggiore della sollecitazione massima che ad essi può essere trasmessa dagli elementi collegati Effetti del 2º ordine: trascurabili se θ = (P d r ) / (V h) 0.1 θ non può essere > 0.3 per 0.1< θ <0.3 azioni sismiche orizzontali incrementate del fattore: α=1/(1- θ ) Diaframmi-Solai: da verificarsi con le forze sismiche ottenute dall analisi amplificate del 30% 25

28 Verifiche: SLD Limitazioni dei danni Limitazioni agli spostamenti di interpiano: d r Tamponature rigidamente collegate alla struttura e dotate di rigidezza propria significativa (tamponature esterne/interne in laterizi 1 testa) d r 0, 005 h Tamponature con collegamenti elastici alla struttura d r 0, 0075 h 26