Evoluzione delle NORMATIVE per la progettazione delle strutture in zona sismica

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1 Evoluzione delle NORMATIVE per la progettazione delle strutture in zona sismica CLASSIFICAZIONE SISMICA DEL TERRITORIO Miglioramenti delle conoscenze e proposte di classificazione sismica del territorio INGEGNERIA SISMICA E STRUTTURALE Radicali cambiamenti delle normative sismiche sulla base dei risultati dei numerosi lavori di ricerca sperimentale e teorica svolti in tutto il mondo.

2 DM08 MODELLAZIONE DELLA STRUTTURA E DELL AZIONE SISMICA Inoltre gli effetti sulla struttura dell azione sismica sono combinati applicando la seguente espressione (analisi in campo lineare): E=1.0 Ex Ey (E=0.30 Ex + 1.0Ey) L azione sismica deve essere combinata poi con le altre azioni: G 1 +G 2 +E+ 2j Q kj

3 DM08 METODI DI ANALISI ANALISI LINEARE ANALISI NON LINEARE ANALISI STATICA ANALISI DINAMICA

4 DM08 METODI DI ANALISI L analisi statica lineare consiste nell applicazione di forze statiche equivalenti alle forze di inerzia indotte dall azione sismica il periodo del modo di vibrare principale nella direzione in esame (T1) non superi 2,5 T C ot D e che la costruzione sia regolare in altezza. Per costruzioni civili o industriali che non superino i 40 m di altezza e la cui massa sia approssimativamente uniformemente distribuita lungo l altezza, T 1 può essere stimato, in assenza di calcoli più dettagliati, utilizzando la formula seguente: T 1 =C t H 3/4 (C t =0.075 costr. in c.a. a telaio)

5 DM08 METODI DI ANALISI Analisi statica lineare G 1 +G 2 + 2i Q ki è un coefficiente pari a 0,85 se la costruzione ha almeno tre orizzontamenti e se T 1 < 2T C, pari a 1,0 in tutti gli altri casi;

6 DM08 METODI DI ANALISI Analisi statica lineare Per gli edifici, se le rigidezze laterali e le masse sono distribuite simmetricamente in pianta, gli effetti torsionali accidentali di cui al 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; L e è la distanza tra i due elementi resistenti più lontani, misurata allo stesso modo.

7 DM08 METODI DI ANALISI Analisi 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%.

8 DM08 METODI DI ANALISI Analisi dinamica lineare Per 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:

9 DM08 METODI DI ANALISI Analisi 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 , moltiplicata per l eccentricità accidentale del baricentro delle masse rispetto alla sua posizione di calcolo, determinata come in

10 DM08 METODI DI ANALISI Analisi 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).

11 DM08 METODI DI ANALISI Analisi 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

12 Evoluzione delle NORMATIVE per la progettazione delle strutture in zona sismica INGEGNERIA SISMICA E STRUTTURALE 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

13 Evoluzione delle NORMATIVE per la progettazione delle strutture in zona sismica INGEGNERIA SISMICA E STRUTTURALE ASPETTI INNOVATIVI E MIGLIORATIVI DELLE NUOVE NORME Livelli di prestazione correlati alla risposta della struttura al variare dell intensità sismica

14 Evoluzione delle NORMATIVE per la progettazione delle strutture in zona sismica INGEGNERIA SISMICA E STRUTTURALE ASPETTI INNOVATIVI E MIGLIORATIVI DELLE NUOVE NORME SCOPO delle norme in caso di EVENTO SISMICO SIA PROTETTA LA VITA UMANA SIANO LIMITATI I DANNI OPERATIVITA DELLE STRUTTURE STRATEGICHE

15 Evoluzione delle NORMATIVE per la progettazione delle strutture in zona sismica INGEGNERIA SISMICA E STRUTTURALE ASPETTI INNOVATIVI E MIGLIORATIVI DELLE NUOVE NORME PARAMETRI CONDIZIONANTI RIGIDEZZA RESISTENZA DUTTILITA (richiesta e disponibile)

16 Evoluzione delle NORMATIVE per la progettazione delle strutture in zona sismica INGEGNERIA SISMICA E STRUTTURALE ASPETTI INNOVATIVI E MIGLIORATIVI DELLE NUOVE NORME APPROCCIO PRESTAZIONALE Per terremoti di piccola e media intensità: la struttura deve avere sufficiente rigidezza per assicurare che vengano minimizzati i danni non strutturali e sufficiente resistenza per assicurare che vengano minimizzati i danni strutturali.

17 Evoluzione delle NORMATIVE per la progettazione delle strutture in zona sismica INGEGNERIA SISMICA E STRUTTURALE ASPETTI INNOVATIVI E MIGLIORATIVI DELLE NUOVE NORME APPROCCIO PRESTAZIONALE Per terremoti di elevata intensità: la struttura deve avere sufficiente duttilità per potersi deformare in campo plastico senza perdita eccessiva di resistenza, ovvero pur ammettendo gravi danni si evita la perdita di vite umane.

18 Evoluzione delle NORMATIVE per la progettazione delle strutture in zona sismica INGEGNERIA SISMICA E STRUTTURALE ASPETTI INNOVATIVI E MIGLIORATIVI DELLE NUOVE NORME STATI LIMITE PER AZIONI SISMICHE esercizio

19 Evoluzione delle NORMATIVE per la progettazione delle strutture in zona sismica INGEGNERIA SISMICA E STRUTTURALE ASPETTI INNOVATIVI E MIGLIORATIVI DELLE NUOVE NORME STATI LIMITE PER AZIONI SISMICHE ultimo

20 Evoluzione delle NORMATIVE per la progettazione delle strutture in zona sismica esempio Stato Limite di Esercizio Piccoli urti (frequenti): assenza di danneggiamento del veicolo

21 Evoluzione delle NORMATIVE per la progettazione delle strutture in zona sismica esempio Stato Limite Ultimo Maggior parte dell energia assorbita dalla parte frontale dell auto salvaguardando gli occupanti

22 Evoluzione delle NORMATIVE per la progettazione delle strutture in zona sismica esempio Collasso della struttura!

23 Evoluzione delle NORMATIVE per la progettazione delle strutture in zona sismica esempio Soluzione progettuale antieconomica e non sempre possibile!

24 DM08 CRITERI PROGETTUALI Le costruzioni soggette all azione sismica, non dotate di appositi dispositivi dissipativi, devono essere progettate in accordo con i seguenti comportamenti strutturali: a) comportamento strutturale non-dissipativo; b) comportamento strutturale dissipativo.

25 DM08 CRITERI PROGETTUALI Nel comportamento strutturale non dissipativo, cui ci si riferisce quando si progetta per gli stati limite di esercizio, gli effetticombinatidelleazionisismicheedellealtreazionisono calcolati, indipendentemente dalla tipologia strutturale adottata, senza tener conto delle non linearità di comportamento (di materiale e geometriche) se non rilevanti. Nel comportamento strutturale dissipativo, cui ci si riferisce quando si progetta per gli stati limite ultimi, gli effetti combinati delle azioni sismiche e delle altre azioni sono calcolati, in funzione della tipologia strutturale adottata, tenendo conto delle non linearità di comportamento (di materiale sempre, geometriche quando rilevanti e comunque sempre quando precisato).

26 DM08 CRITERI PROGETTUALI Nel caso la struttura abbia comportamento strutturale dissipativo, si distinguono due livelli di Capacità Dissipativa o Classi di Duttilità (CD): - Classe di duttilità alta (CD A ); - Classe di duttilità bassa (CD B ). La differenza tra le due classi risiede nella entità delle plasticizzazioni cui ci si riconduce in fase di progettazione; per ambedue le classi, onde assicurare alla struttura un comportamentodissipativoeduttileevitandorotturefragiliela formazione di meccanismi instabili imprevisti, si fa ricorso ai procedimenti tipici della gerarchia delle resistenze.

27 Evoluzione delle NORMATIVE per la progettazione delle strutture in zona sismica Progettazione delle strutture in zona sismica basata sul criterio di GERARCHIA DELLE RESISTENZE

28 Obiettivo meccanismo ultimo della struttura di tipo DUTTILE e DISSIPATIVO Tra tutti i possibili meccanismi di crisi della struttura si assegna gerarchicamente la resistenza maggiore al meccanismo più fragile. Progetto basato sulle resistenze.

29 materiale duttile materiale fragile

30 1 resistenza maggiore agli elementi duttili F R 1 R 2 R 1 >R 2 F meccanismo ultimo di tipo fragile!

31 2 resistenza maggiore agli elementi fragili F R 2 R 1 R 2 >R 1 F meccanismo ultimo di tipo duttile!

32 Attenzione: bisogna garantire la gerarchia delle resistenze a tutti i livelli strutturali MATERIALE SEZIONE ELEMENTO STRUTTURA F

33 D.M Strutture di cls MATERIALE acciaio materiale responsabile della duttilità B450C B450A È il tipo di acciaio da utilizzare per le strutture in cemento armato ( ) 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 q 1,5.( )

34 D.M Strutture di cls MATERIALE Cosa cambia tra le due classi di acciaio? B450C B450A Tensione nominale di snervamento (f y,nom ) 450 MPa 450 MPa Tensione nominale di rottura (f t,nom ) 540 MPa 540 MPa Tensione caratteristica di snervamento (f y,k ) >450 MPa >450 MPa Tensione caratteristica di rottura (f t,k ) >540 MPa >540 MPa sono gli stessi per le due classi

35 D.M Strutture di cls MATERIALE Cosa cambia tra le due classi di acciaio? B450C B450A Resistenza/snervamento (f t /f y ) k Allungamento caratteristico (A gt ) k 7.5% 2.5% Diametri consentiti 6-40mm 5-10mm

36 D.M Strutture di cls MATERIALE Fattori che caratterizzano le due classi di acciaio

37 D.M Strutture di cls MATERIALE acciaio materiale responsabile della duttilità B450C B450A

38 D.M Strutture di cls MATERIALE acciaio materiale responsabile della duttilità I valori caratteristici devono essere dimostrati dal produttore direttore dei lavori prelievo dei campioni in cantiere B450C B450A 425 fy 572 Agt 6% 1.13 ft/fy fy 572 Agt 2% ft/fy 1.03

39 D.M Strutture di cls MATERIALE Come si traducono in fase di calcolo? ud =0.9 uk = %=6.75%>1%

40 D.M Strutture di cls SEZIONE Meccanismo duttile garantito dallo snervamento dell acciaio sezioni debolmente armate c Valori elevati della curvatura in condizioni ultime s

41 D.M Strutture di cls SEZIONE sezioni fortemente armate c Bassi valori della curvatura in condizioni ultime s

42 D.M Strutture di cls SEZIONE D.M.08: Limitazioni sulle armature metalliche H B comp f f yk A tesa B H ; comp yk A comp B H 0.25 ; 0.5 [zone critiche] comp comp B450C =0.31% Limitazioni imposte sia all armatura tesa sia all armatura compressa

43 D.M Strutture di cls SEZIONE esempio =1.4/f yk comp = =3.5/f yk comp =0.25

44 D.M Strutture di cls SEZIONE esempio momento [knm] debolmente armata fortemente armata curvatura

45 D.M Strutture di cls SEZIONE Esempio: l armatura compressa ha un effetto positivo sulla curvatura ultima 300 momento [knm] rcom=0.71r rcomp=0.29r curvatura

46 D.M Strutture di cls SEZIONE Perché ci interessa la duttilità a questo livello? 300 q momento [knm] rcom=0.71r rcomp=0.29r curvatura La duttilità della sezione si riflette sul comportamento ultimo dell elemento. q f

47 D.M Strutture di cls SEZIONE 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

48 D.M Strutture di cls SEZIONE esempio momento [knm] debolmente armata fortemente armata curvatura

49 D.M Strutture di cls STRUTTURA 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)

50 D.M Strutture di cls STRUTTURA Travi: prevalentemente inflesse Nodi trave-pilastro Pilastri: pressoinflessi Entrambi gli elementi sono costituiti dagli stessi materiali di base e dalle stesse tipologie di armature metalliche.

51 momento [kn/m] Gerarchia delle Resistenze D.M Strutture di cls STRUTTURA Cosa accade in termini di duttilità locale? 0% 10% Nc 20% Nc 40% Nc 80% Nc curvatura Effetto dello sforzo normale sulla curvatura ultima.

52 D.M Strutture di cls STRUTTURA 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: NO! TRAVI FORTI COLONNE DEBOLI

53 D.M Strutture di cls STRUTTURA 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: OK! COLONNE FORTI TRAVI DEBOLI

54 D.M Strutture di cls STRUTTURA Come si persegue questo obiettivo? F q M q M F Sollecitazione di progetto: M = M q + M F

55 D.M Strutture di cls STRUTTURA Approccio classico vecchie norme F q Travi: M Rd M max Pilastri: M Rd (N) M max (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!

56 D.M Strutture di cls STRUTTURA 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.

57 D.M Strutture di cls Esempi di collasso per taglio STRUTTURA

58 D.M Strutture di cls STRUTTURA 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.

59 D.M Strutture di cls STRUTTURA Approccio nuova normativa F q Colonne forti travi deboli Resistenza pilastri > resistenza travi M Rd,trave M Rd,pilastro >M Rd,trave

60 D.M Strutture di cls STRUTTURA Approccio nuova normativa M Rd,trave M Rd,trave M Rd,trave M Rd,trave M M Rd, colonna Rd Rd, trave

61 D.M Strutture di cls STRUTTURA Approccio nuova normativa F E il taglio? q M Rd,trave G k + Q k G k M Rd,trave M Rd,trave M Rd,trave V In entrambe le direzioni i j G Q L MRd,sup MRd,inf k 2 k Rd L V i j G L MRd,sup MRd,inf k 2 Rd L

62 D.M Strutture di cls STRUTTURA Approccio nuova normativa Ciò vale anche per i pilastri F q M Rd,pil M Rd,pil V M i Rd,sup L M j Rd,inf V Rd