Hilti Seismic Academy. La progettazione di strutture in zona sismica

Hilti Seismic Academy La progettazione di strutture in zona sismica prof. ing. Diotallevi Pier Paolo Professore ordinario di Tecnica delle costruzioni Scuola di Ingegneria e Architettura Alma Mater Studiorum - Università di Bologna Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 1

SOMMARIO Rischio sismico Criteri per la valutazione della sicurezza di una costruzione Costruzione «sicura»: come si definisce? Criteri per il raggiungimento degli obiettivi della sicurezza: - duttilità - regolarità - nuovo orientamenti Conclusioni Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 2

RISCHIO SISMICO E SICUREZZA SISMICA PERICOLOSITA (Sismicità di sito) RISCHIO SISMICO ESPOSIZIONE (Addensamento attività umane) VULNERABILITA (Debolezza delle costruzioni) Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 3

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L esposizione di un territorio Persone coinvolte in un evento sismico Strutture coinvolte in un evento sismico Patrimonio coinvolto in un evento sismico Per gli eventi del 20 e 29 maggio 2012: - Area con Raggio 10 km dall epicentro persone 38.000 - Area con Raggio 20 km dall epicentro persone 200.000 - Area con Raggio 30 km dall epicentro persone 400.000 Per gli eventi del 20 e 29 maggio 2012: - Area con Raggio 30 km dall epicentro : circa 3.000 km 2 - Superficie dell Italia: circa 300.000 kmq In un area che rappresenta circa l 1% del territorio nazionale si produce circa il 2% del PIL nazionale ALTA ESPOSIZIONE Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 5

Che cosa si intende per sicurezza di una costruzione Obiettivo generale della progettazione strutturale La progettazione strutturale garantisce che una data struttura sia in grado di assolvere una data funzione con un sufficiente grado di affidabilità ed economia, su un dato periodo di tempo. L azione più rilevante che si può compiere è RIDURRE LA VULNERABILITA ovvero la debolezza della costruzione nei confronti dell azione sismica Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 6

Criteri per la valutazione della sicurezza di una costruzione Tutti i criteri di valutazione della sicurezza sismica ( e della sicurezza in generale) si basano su un confronto fra CAPACITA e DOMANDA CAPACITA : prestazioni che la costruzione riesce a dare DOMANDA: prestazioni richieste alla costruzione Condizione di sicurezza: CAPCACITA DOMANDA Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 7

STRATEGIE ANTISIMICHE Criterio generale per la valutazione della sicurezza e delle prestazioni di una costruzione CAPACITA > DOMANDA RESISTENZA: - Evento con periodo di ritorno breve - Comportamento elastico della struttura - Carattere fondamentale: capacità di resistere DUTTILITA : - Evento con periodo di ritorno lungo - Comportamento elasto-plastico della struttura - Carattere fondamentale: duttilità NUOVE STRATEGIE - Evento con periodo di ritorno lungo - Comportamento elastoplastico della struttura - Valutazioni di carattere energetico - Modifica dei comportamenti strutturali - Valutazioni nel dominio del tempo - Metodi semplificativi Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 8

Obiettivi prestazionali della progettazione sismica (nell attuale configurazione normativa) La progettazione sismica delle strutture prevede 4 diversi condizioni (stati limite) in cui la struttura può trovarsi a seguito del verificarsi di un evento sismico. Le 4 condizioni su cui viene posta l attenzione, a livello nazionale e internazionale, sono i seguenti Stati Limite: Operatività SLO Danno SLD Salvaguardia della vita umana SLV Prevenzione del collasso SLC Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 9

Stato limite operativo SLO Stato limite di danno SLD STATI LIMITE Stato limite di salvaguardia della vita umana (SLV) Stato limite di collasso SLC Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 11

STATI LIMITE SLO SLD SLV SLC INTENSITÁ SISMICA evento frequente 30 anni evento occasionale 50 anni evento raro 475 anni evento molto raro 975 anni OBIETTIVO BASE OBIETTIVO ESSENZIALE OBIETTIVO CRITICO Prestazioni Inaccettabili (per nuove costruzioni) LEGENDA Prestazioni facilmente raggiungibili Prestazioni non facilmente raggiungibili Prestazioni difficilmente raggiungibili 81% 63% 10% 5% Probabilità di eccedenza Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 15

Distribuzione di Poisson: T R VR ln( 1 P V R ) CLASSE USO STATO LIMITE P VR OPERE con V N = 50 anni I II III IV PERIODO DI RITORNO SLD 0.63 35 50 75 100 SLV 0.1 332 475 712 949 Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 16

COSTRUZIONE SICURA (con riferimento alle norme per le costruzioni) Viene fissata in 50 anni la vita media di una costruzione - La costruzione deve rimanere operativa (SLO) per l evento sismico che si presenta con un periodo di 30 anni - La costruzione non deve subire danni che ne compromettano l uso per un evento sismico che si presenta con periodo di ritorno di 50 anni (SLD) - La costruzione non deve provocare vittime per l evento sismico che si presenta con un periodo di ritorno di 475 anni (SLV) - La costruzione non deve giungere a collasso per l evento sismico che si presenta con un periodo di ritorno di 975 anni (SLC) Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 17

Le prestazioni richieste dalla norma (in sintesi): Stato Limite di Danno (SLD): a seguito del terremoto la costruzione nel suo complesso, includendo gli elementi strutturali, quelli non strutturali, le apparecchiature rilevanti alla sua funzione, subisce danni tali da non mettere a rischio gli utenti e da non compromettere significativamente la capacità di resistenza e di rigidezza nei confronti delle azioni verticali ed orizzontali, mantenendosi immediatamente utilizzabile pur nell interruzione d uso di parte delle apparecchiature. Stato Limite di salvaguardia della Vita (SLV): a seguito del terremoto la costruzione subisce rotture e crolli dei componenti non strutturali ed impiantistici e significativi danni dei componenti strutturali cui si associa una perdita significativa di rigidezza nei confronti delle azioni orizzontali; la costruzione conserva invece una parte della resistenza e rigidezza per azioni verticali e un margine di sicurezza nei confronti del collasso per azioni sismiche orizzontali. Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 18

Sono requisiti ragionevoli? Tentare una risposta richiede troppo tempo: solo qualche considerazione Impossibile dare una risposta con considerazioni esclusivamente tecnico scientifiche: è implicito il concetto di rischio residuo accettabile. In sintesi è un problema di scelte politiche. Più semplice (per esempio): - paragone tra la severità della norma nei comuni emiliani dell allegato 1 al DL 74 2012 e in alcune altre località italiane - confronto fra le prestazioni richieste dalla norma e i dati registrati nel 2012 Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 19

Due possibili letture: Azioni sismiche del maggio 2012 le scosse del maggio 2012 rappresentano un evento eccezionale la pericolosità della zona è sottovalutata I sostenitori della seconda ipotesi citano il terremoto di Ferrara del 500, confondendo il periodo di ritorno tra due scosse di una data magnitudo all interno di una zona sismogenetica abbastanza ampia con il periodo di ritorno tra due eventi di una data accelerazione in un sito. Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 20

LE METODOLOGIE E LE TECNICHE DI INTERVENTO SULLE COSTRUZIONI ESISTENTI RIPARAZIONE Eliminare il danno e riportare la costruzione nello stato antecedente l evento che ha provocato il danno MIGLIORAMENTO Conferire alla costruzione una capacità resistente maggiore di quella posseduta prima dell evento sismico ADEGUAMENTO Conferire alla costruzione una capacità resistente pari a quella di una nuova costruzione realizzata secondo le vigenti norme sismiche ANCHE INTERVENTI SMPLICI, SE BEN REALIZZATI, POSSONO ESSERE MOLTO EFFICACI PER MIGLIORARE IL COMPORTAMENTO SISMICO DELLE COSTRUZIONI Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 21

CRITERIO DI PROGETTO ALLO STATO LIMITE ULTIMO Duttilità disponibile F x m F m y F F y Diagramma Forza-spostamento Duttilità disponibile x x y x uu D = x u / x y Duttilità richiesta F m x(t) F Diagramma Forza-spostamento CRITERIO DI PROGETTO ALLO STATO LIMITE ULTIMO F y a g (t) Duttilità richiesta D = x max / x y x x y x umax -F y x ma x R D La duttilità richiesta non deve superare quella disponibile Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 22

SPETTRO DI PROGETTO ALLO STATO LIMITE ULTIMO Affidandosi alla duttilità si possono ridurre le azioni sismiche sulle strutture Livello di resistenza di una struttura soggetta a sisma ridotto rispetto a quello richiesto per rimanere in campo elastico SPETTRO DI PROGETTO: riduzione delle ordinate dello spettro di risposta elastico tramite il FATTORE DI STRUTTURA q Deformazioni plastiche richieste tanto maggiori tanto maggiore è la riduzione del livello di resistenza Progettare la struttura per rimanere in campo elastico se soggetta ad un evento eccezionale (con periodo di ritorno di 475 anni) non è ritenuto economicamente conveniente per strutture ordinarie Sfrutto la duttilità disponibile della struttura per ridurre, allo SLU, lo spettro elastico q dipende dalla duttilità disponibile della struttura Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 23

Capacity design Il Capacity Design è essenzialmente un metodo di progettazione per imporre ad una struttura una desiderata gerarchia di resistenze delle parti componenti, ed ottenere possibilmente meccanismi dissipativi favorevoli. Le norme di quasi tutte la Nazioni hanno recepito il principio, anche se espresso con diverso livello di chiarezza. La figura mostra un esempio di applicazione del criterio: il telaio dissipa energia in corrispondenza delle travate e non in corrispondenza del piano debole se si rispetta il principio di progettazione di travi deboli e pilastri forti. Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 24

Richiesta di strutture duttili (fattori che incidono sulla duttilità) Esempi di pilastri che collassano per taglio e flessione E evidente la perdita progressiva di resistenza e rigidezza nonché la minore dissipazione Terremoto di San Fernando 1971 E evidente la ridotta staffatura Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 25

REGOLARITA IN PIANTA: configurazioni in pianta favorevoli e sfavorevoli Sfavorevole Favorevole Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 26

REGOLARITA IN ALTEZZA: configurazioni in altezza favorevoli e sfavorevoli Sfavorevole Favorevole Sfavorevole Favorevole Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 27

Obiettivi e conseguenze dell isolamento sismico A) Ridurre la pseudo-accelerazione che agiscono sulla costruzione e quindi le forze sismiche sulla struttura (modificando il periodo fondamentale della costruzione) B) Porre una soglia sulla forza massime che si può trasmettere alla sovrastruttura per effetto di un sisma (facendo avvenire scorrimenti se si supera tale soglia) 1) Riduzione degli stati di sollecitazione sulla sovrastruttura 2) La sovrastruttura è sottoposta (nel suo insieme) a grandi spostamenti che devono essere controllati Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 29

PRICIPI DI FUNZIONAMENTO DELL ISOLAMENTO SISMICO A) INCREMENTO DEL PERIODO PROPRIO DELLA STRUTTURA PER ATTENUARE LE ACCELERAZIONI Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 30

B) SOGLIA DI FORZA DA TRASMETTERE ALLA STRUTTURA 1909 Disaccoppiamento del moto della struttura dal moto del terreno Limitazione della forza sfruttando la relazione di Coulomb Seismic Academy I Bologna 8 Novembre 2013 MD 31

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