dell affidabilità strutturale

Metodiprobabilisticiper per lavalutazione dell affidabilità strutturale Obiettivo dell esercitazione: acquisire le conoscenze necessarie per applicare i metodi probabilistici (livello III, II e semi probabilistico) ai problemi di affidabilità strutturale (condizioni di stato limite SLU e SLE). Sulla base delle nozioni acquisite, è possibile rispondere alle seguenti domande: come si definisce la funzione di stato limite per condizioni SLU e SLE? come si calcola co a la probabilità pobab àdi insuccesso con imetodi eod di livello eoiii (integrazione diretta e metodo Monte Carlo)? come si stima l indice di affidabilità mediante il metodo FORM? quali sono le differenze tra i metodi MVFOSM e AFOSM (metodi probabilistici di livello II)? 1

La funzione di stato limite In ambito strutturale, il concetto di stato limite legato ad uno specifico requisito è interpretabile come uno stato della struttura, raggiunto il quale, essa non è in grado di soddisfare il requisito. er un dato requisito di stato limite, si definiscono un dominio di insuccesso (nel quale il requisito non è soddisfatto) e un dominio di successo (nel quale il requisito è soddisfatto); il confine tra i due domini è detto stato limite. La funzione di stato limite permette di esprimere analiticamente la condizione di stato limite. Questa funzione dipende, d in generale, da unvettore di n variabili aleatorie. 2

Esempi 1) Condizione di stato limite ultimo (SLU) per sforzo normale di un asta tesa (asta 2 3) di una struttura reticolare. Dati : 8 6 7 grandezze deterministiche: L=2 m A 2 3 =1742mm 2 α=8 1 α L 2 L 3 L 4 L 5 grandezze aleatorie: : N(22, 4.4) kn f y : N(265, 18) N/mm 2 3

SLU per l asta lasta 2 3: essa si rompe se lo sforzo normale N S,2 3 dovuto ai carichi supera lo sforzo normale resistente N R,2 3 : 3 N S, 2 3 = 2 tg( α ) N = R, 2 3 A2 3 f y er questo problema, la funzione di stato limite dipende dalle 2 variabili aleatorie e f y : y g(,f y )=N R,2 3 N S,2 3 =A 2 3 f y 3/(2tg(α)) 4

Rappresentazione grafica condizione di g(,f y ) = 0 stato limite dominio i di insuccesso g(,f y ) < 0 dominio di successo g(,f y ) > 0 5

2) Condizione di stato limite di esercizio (SLE) di deformazione di una trave in calcestruzzo armato. q Dati : grandezze deterministiche: L=6 m grandezze aleatorie: q: N(12, 2.4) kn/m EI: N(12160, 610) knm 2 6

SLE di deformazione: la funzionalità della struttura viene meno se la freccia v in mezzeria supera il valore limite L/250: v = 5 384 ql EI 4 v q er questo problema, la funzione di stato limite dipende dalle 2 variabili aleatorie q e EI: g(q,ei) = L/250 v = L/250 5qL 4 /(384EI) 7

Rappresentazione grafica condizione di g(q,ei) = 0 stato limite dominio di insuccesso g(q,ei) < 0 dominio di successo g(q,ei) > 0 8

Metodi probabilistici di livello III La verifica dell affidabilità strutturale consiste nel verificare che i i,target probabilità di insuccesso (il termine vale sia per le condizioni SLU sia per le SLE) La probabilità di insuccesso i è definita dal seguente integrale: i = [ g( ) ] = 1 2,..., n 0, f ( x1, x2,..., xn ) dx1dx2 D i... dx n dominio nel quale g(x) 0 9

La probabilità di insuccesso i può essere calcolata mediante: integrazione diretta (analitica / numerica); metodo Monte Carlo. 1) Integrazione diretta: Condizione di stato limite ultimo (SLU): = i f ( x1, x2,..., xn) dx1dx2... dxn D i ( R S ) = = f R, S ( r, s) dr ds = D i R = g R ( 1, 2,..., m ) S = gs ( m+, m+ 2,..., 1 n ) 10

Il calcolo di i è facile se R ed S sono indipendenti oppure R ed S sono a distribuzione normale. Se R ed S sono indipendenti si effettua un integrazione per strisce orizzontali o verticali. + + + = R S R S ) dr r Strisce orizzontali: f ( r ) f ( s ) ds dr = f ( r ) [ 1 F ( r ] i ) D i 11

Strisce verticali: + + s i f S ( s) f R ( r) dr ds = f S ( s) FR ( s) = ds D i 12

Se R ed S sono a distribuzione normale, si definisce = R S: Se R ed S sono a distribuzione normale, si definisce R S: ( ) N σ ; 2 2 σ σ σ + = S R = S R σ σ σ + = L b bili à ò i l d S R Laprobabilità i può essere stimata nel seguente modo: ( ) ( ) = Φ = = = i S R 0 ( ) ( ) Φ i S R σ σ σ 0 CDF distribuzione N(0,1) 13

Condizione di stato limite diesercizio (SLE): i [ g ] = 1, 2,..., n) 0 = ( f ( x1, x2,..., xn ) dx1dx2... dxn D i In generale, la funzione di stato limite con riferimento agli SLE, è scritta nel modo seguente: g( 1, 2,, n ) = valore limite E( 1, 2,, n ) Effetto dll delle azioni iapplicate: es. spostamento verticale La difficoltà del calcolo di i dall espressione di g( 1, 2,, n ). dipende, di volta in volta, 14

2) Metodo Monte Carlo: Il metodo Monte Carlo permette di stimare la i mediante N simulazioni. Il metodo prevede i seguenti passi: a) definizione della funzione di stato limite g( 1, 2,, n )e caratterizzazione delle variabili aleatorie ( 1, 2,, n ) mediante distribuzione, valore medio, varianza ed eventuali correlazioni tra variabili; b) esecuzione di un ciclo di N simulazioni. In ogni simulazione: si genera un valore casuale per ognuna delle variabili aleatorie ( 1, 2,, n ); si valuta la funzione di stato limite con i valori casuali appena generati. Se g(x 1,x 2,,x n ) 0, ci si trova nel dominio di insuccesso o sulla superficie di stato limite. Se g(x 1,x 2,,x n ) > 0, si è nel dominio di successo. 15

c) concluso il ciclo di simulazioni, si stima la probabilità i utilizzando la definizione frequentista di probabilità di un evento: i = N N i numero di casi sfavorevoli (g 0) numero totale di simulazioni 16

Metodi probabilistici di livello II La verifica dell affidabilità strutturale consiste nel verificare che β i β i,target Il metodo più semplice (e più utilizzato) è il metodo FORM, che presenta due varianti: MVFOSM AFOSM 17

1) Metodo MVFOSM L indice di affidabilità β è dfii definito come il rapporto tra valore medio e deviazione standard della funzione di stato limite. β = σ dove: = g(, 2,..., 1 n Mediante uno sviluppo in serie di Taylor troncato ai termini del primo ordine è possibile ottenere delle approssimazioni di e σ : g,,..., σ 2 n ( 1 2 n n i= 1 j= 1 g i g j cov ) (, ) i j ) 18

2) Metodo AFOSM L indice di affidabilità b è dfii definito come la minima i distanza tra la funzione di stato limite e l origine dello spazio delle variabilialeatorie a distribuzione normalestandard N(0,1). La soluzione del problema mediante il metodo AFOSM richiede quattro passi: a) si scrive l espressione della funzione di stato limite g( 1, 2,, n ) per il problema inesame; b) si trasformano le variabili aleatorie ( 1, 2,, n ) in variabili aleatorie indipendenti a distribuzione normale standard ( 1, 2,, n ); 19

c) si scrive l espressione della funzione di stato limite g( 1, 2,, n ) in funzione delle variabili ( 1, 2,, n ); d) si calcola l indice di affidabilità β come distanza della superficie di stato limite (g( 1, 2,, n )=0) dall origine dello spazio ( 1, 2,, n ). 20

Metodo semi probabilistico La verifica dell affidabilità strutturale consiste nel verificare che: SLU: R d S d SLE: E d valore limite 21