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LA NUOVA PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTISISMICA SECONDO LE NORME TECNICHE PER LE COSTRUZIONI DEL 2005 MAPPA SISMICA MONDIALE STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA ACCELEROGRAMMA 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 A cceleration [g] 0.2 0.15 0.1 0.05 0 - 0.05 - 0.1 - 0.15 - 0.2 - 0.25 - 0.3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Time [s ec] 12 13 14 15 16 17 18 19 20 ONDE SISMICHE ONDE SISMICHE ONDE SISMICHE 1) Onde P – Dette anche onde longitudinali, sono onde di pressione che fanno comprimere e dilatare la roccia lungo la propria direzione di propagazione, esattamente come potrebbe essere per una molla cilindrica che viene dapprima tesa e quindi lasciata andare. Raramente queste onde causano danni agli edifici. Spesso questo tipo di onde riescono ad essere avvertite dagli animali domestici "prima" del terremoto vero e proprio. 2) Onde S – Dette anche onde trasversali, sono onde di stiramento che fanno vibrare la roccia di taglio, ovvero lateralmente rispetto alla direzione di propagazione, così come potrebbe essere per una fune tesa che viene fatta oscillare. Il segnale prodotto da queste onde, di ampiezza più grande e frequenza più bassa rispetto alle precedenti, permette di conoscere la distanza dell’ipocentro del sisma rispetto al punto di misurazione, calcolando la differenza in termini di tempo tra l’arrivo tra le onde P e quello delle onde S, ovviamente conoscendo già la velocità di propagazione che ambedue le onde devono possedere per la zona in cui si sta verificando l’evento. 3) Onde L – Dette anche onde superficiali, a differenza delle onde P ed S, che possono essere definite onde di profondità, si propagano soltanto in superficie, producendo uno scuotimento orizzontale del terreno (onde di Love) e, nel contempo, oscillazioni ellittiche simili a quelle delle onde marine (onde di Rayleigh). È proprio il moto orizzontale e verticale prodotto dalle onde superficiali quello che viene maggiormente percepito e che genera i danni sulle opere. ONDE SISMICHE Onde di profondità Onde di superficie Onde di Rayleigh Onde P Onde S Onde di Love ONDE SISMICHE EFFETTI PRINCIPALI DEL TERREMOTO - Scuotimento del terreno - Apertura di faglie e fratture in superficie - Cedimenti del terreno (liquefazione) - Maremoti LE FAGLIE IL FENOMENO DELLA LIQUEFAZIONE Prende 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. IL FENOMENO DELLA LIQUEFAZIONE Particelle di terreno saturo Particelle di terreno liquefatto IL FENOMENO DELLA LIQUEFAZIONE Espansione laterale (lateral spread) IL FENOMENO DELLA LIQUEFAZIONE Espansione laterale (lateral spread) IL FENOMENO DELLA LIQUEFAZIONE Perdita di portanza (loss of bearing strength) Scala Mercalli Intensità Descrizione degli effetti Scala Richter Intensità Descrizione degli effetti I Strumentale. Sisma molto lieve non percepito dalle persone, può essere rilevata solo dagli strumenti. II Leggerissima. Percepibile esclusivamente da persone che si trovino in assoluto stato di quiete, nei piani superiori delle case o solo nelle immediate vicinanze. III Leggera. Può essere percepito nelle case dall’oscillazione di oggetti appesi, produce vibrazioni simili a quelle dovute al passaggio di autocarri leggeri. 5 L'energia sprigionata e' pari a quella della bomba atomica lanciata su Hiroshima nel 1945 IV Mediocre. Oscillazione di oggetti sospesi, movimento di porte e finestre, tintinnio di vetri. È avvertita da molte persone all'interno delle case, e da alcune all'aperto produce vibrazioni simili a quelle prodotte da un presente autotreno. 6 Sisma distruttivo in un'area ristretta 10 Km di raggio 7 Sisma distruttivo in un'area di oltre 30 Km di raggio V Forte. È avvertita da tutte le persone nelle case e da quasi tutte all'aperto causa oscillazioni di oggetti sospesi, spostamento o rovesciamento di piccoli oggetti instabili, possibile caduta di qualche soprammobile leggero, movimento di imposte e quadri, scricchiolio di mobili, sveglia di persone dormienti, ecc.. 7–8 VI Molto forte. Avvertita da tutti, produce la rottura di vetri, piatti, caduta di oggetti dagli scaffali, spostamento di mobili, barcollare di persone in moto, crepe negli intonaci, danni più evidenti ma sempre innocui su strutture fatiscenti: possibile caduta di qualche tegola o comignolo. VII Fortissima. Tremolio di oggetti sospesi, difficoltà a stare in piedi, rotture di mobili. Danni alle murature, rotture di comignoli deboli situati sui tetti. Caduta di intonaci, mattoni, pietre, tegole, cornicioni. Formazione di onde sugli specchi d'acqua. Piccoli smottamenti e scavernamenti in depositi di sabbia e ghiaia. Forte suono di campane. Risentito anche dai guidatori di automezzi. VIII Rovinosa. Danni a murature, caduta di stucchi e di alcune pareti in muratura. Rotazione e caduta di camini, monumenti, torri, serbatoi elevati. Risentito nella guida di automezzi, rottura di rami di alberi, variazioni di portata o temperatura di sorgenti o pozzi. Crepacci nel terreno e sui pendii ripidi. Distruzioni e gravi danni a circa il 25% degli edifici. IX Disastrosa. Panico generale, distruzione di murature, gravi danni ai serbatoi, rottura di tubazioni sotterranee, rilevanti crepacci nel terreno. Distruzioni e gravi danni a circa il 50% degli edifici. X Distruttrice. Distruzione di gran parte delle murature e delle strutture in legname, con le relative fondazioni. Distruzione di alcune robuste strutture in legname e di ponti, gravi danni a dighe, briglie, argini, grandi frane. Traslazione orizzontale di sabbie e argille sulle spiagge e su regioni piane. Rotaie debolmente deviate. Distruzioni e gravi danni a circa il 75% degli edifici. XI Catastrofica. Rotaie fortemente deviate, tubazioni sotterranee completamente fuori servizio. Distruzione generale degli edifici e ponti. Cambiamenti notevoli nel terreno, numerosissime frane. XII Ultracatastrofica. Distruzione pressoché totale. Spostamento di grandi masse rocciose, deviazioni di fiumi e scomparsa di laghi. Linee di riferimento deformate, oggetti lanciati in aria. 0 Sisma molto lieve 2,53 Scossa avvertita solo nelle immediate vicinanze 4–5 Può causare danni localmente Grande terremoto distruttivo magnitudo del terremoto di S. Francisco del 1906 8,4 Vicino al massimo noto energia sprigionata dalle scosse 2 x 1025 ergs 8,6 Massimo valore di magnitudo noto, osservato tra il 1900 e il 1950, l'energia prodotta dal sisma è tre milioni di volte superiore a quella della prima bomba atomica lanciata su Hiroshima nel 1945 Gradi scala Mercalli 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Gradi scala Richter 1,0 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 RISCHIO SISMICO S. Giuliano di Puglia (CB), 31 ottobre 2002 RISCHIO SISMICO Epicentro del 31 ottobre 2002 Terremoti storici nell’area interessata MAPPA SISMICA PRECEDENTE (1984) 1a Categoria 2a Categoria 3a Categoria Non sismica MAPPA SISMICA PROPOSTA (1998) 1a Categoria 2a Categoria 3a Categoria Non sismica MAPPA SISMICA ATTUALE (2003) MAPPA SISMICA ATTUALE (2004) MACRO ZONAZIONE E MICRO ZONAZIONE SISMICA MACRO ZONAZIONE SISMICA MICRO 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. MAPPE SISMICHE Mappa della pericolosità sismica in Italia. Ordinanza n.3519 del 28 aprile 2006 MAPPE SISMICHE Mappa della pericolosità sismica in Italia. Accelerazione orizzontale di picco per un periodo di tempo pari a 475 anni. L’unità di misura adottata nella mappa è “g”, cioè l’accelerazione di gravità. ZONAZIONE SISMICA REGIONE SICILIA Mappa della pericolosità sismica della Sicilia ZONAZIONE SISMICA REGIONE SICILIA VECCHIA ZONAZIONE SISMICA NUOVA ZONAZIONE SISMICA NORMATIVA ITALIANA - Decreto del Ministro dei Lavori Pubblici, 9 gennaio 1996: “Norme tecniche per il calcolo, l'esecuzione ed il collaudo delle strutture in cemento armato, normale e precompresso e per le strutture metalliche”. - Ordinanza n.3274, 20 marzo 2003: “Norma tecniche per il progetto, la valutazione e l’adeguamento sismico degli edifici”. (18 mesi di allineamento tecnico) - 8 novembre 2004 - Bozza di testo coordinato dell’Allegato 2 - Edifici, 09 settembre 2004: “Norme Tecniche per il progetto, la valutazione e l’adeguamento sismico degli edifici”. - Ordinanza n.3379, 5 novembre 2004: “Disposizioni urgenti di protezione civile.” (Proroga di 6 mesi) - 8 maggio 2005 - Ordinanza n.3431, 10 maggio 2005: (Proroga di 3 mesi) - 8 agosto 2005 - Ordinanza n.3452, 1 agosto 2005: (Proroga di 2 mesi) - 8 ottobre 2005 - Ordinanza n.3467, 13 ottobre 2005: (Proroga di 15 giorni) - 23 ottobre 2005 - Gazzetta Ufficiale n.222, 23 settembre 2005 : “Norme Tecniche per le Costruzioni”: (18 mesi di allineamento tecnico) - 23 aprile 2007 ANALISI SISMICA DELLE STRUTTURE - Analisi sismica Statica classica - Analisi sismica Dinamica classica - Analisi sismica Statica nodale - Analisi sismica Dinamica nodale ANALISI SISMICA DELLE STRUTTURE Analisi Sismica Classica Analisi Sismica Nodale IMPALCATI RIGIDI O DEFORMABILI Schema telaio IMPALCATI RIGIDI O DEFORMABILI Deformata del telaio: Quota 3 = Piano Rigido IMPALCATI RIGIDI O DEFORMABILI Diagramma del Momento Flettente del telaio: Quota 3 = Piano Rigido IMPALCATI RIGIDI O DEFORMABILI Diagramma del Taglio del telaio: Quota 3 = Piano Rigido IMPALCATI RIGIDI O DEFORMABILI Deformata del telaio: Quota 3 = Piano Deformabile IMPALCATI RIGIDI O DEFORMABILI Diagramma del Momento Flettente del telaio: Quota 3 = Piano Deformabile IMPALCATI RIGIDI O DEFORMABILI Diagramma del Taglio del telaio: Quota 3 = Piano Deformabile IMPALCATI RIGIDI O DEFORMABILI Deformata Piano Rigido Piano Deformabile IMPALCATI RIGIDI O DEFORMABILI Diagramma del Momento Flettente Piano Rigido Piano Deformabile IMPALCATI RIGIDI O DEFORMABILI Diagramma del Taglio Piano Rigido Piano Deformabile ANALISI SISMICA DELLE STRUTTURE Schema SCONSIGLIATO ANALISI SISMICA DELLE STRUTTURE Schema CORRETTO ANALISI SISMICA DELLE STRUTTURE Schema SCONSIGLIATO ANALISI SISMICA DELLE STRUTTURE Schema CORRETTO ANALISI SISMICA DELLE STRUTTURE Schema SCONSIGLIATO ANALISI SISMICA DELLE STRUTTURE Schema CORRETTO ANALISI SISMICA DELLE STRUTTURE Schema SCONSIGLIATO ANALISI SISMICA DELLE STRUTTURE Schema SCONSIGLIATO ANALISI SISMICA DELLE STRUTTURE Schema CORRETTO ANALISI SISMICA DELLE STRUTTURE Baricentro delle Masse e delle Rigidezze ANALISI SISMICA DELLE STRUTTURE Baricentro delle Masse e delle Rigidezze Struttura 1 Struttura 2 ANALISI SISMICA DELLE STRUTTURE Baricentro delle Masse e delle Rigidezze Struttura 1 Struttura 2 ANALISI SISMICA DELLE STRUTTURE Posizione del Baricentro delle Rigidezze Schema statico Effetto tagliante sul singolo elemento verticale ANALISI SISMICA DELLE STRUTTURE Posizione del Baricentro delle Rigidezze s u 0 yi , xi Spostamento globale del singolo elemento ui u0 x yi vi u0 y xi Traslazione e rotazione dell’impalcato rigido Componenti dello spostamento globale ANALISI SISMICA DELLE STRUTTURE Posizione del Baricentro delle Rigidezze K ix 12 E I x h3 K iy 12 E I y h3 Rigidezza del singolo elemento Fxi Ki u0 x yi Kix u0 x K xi yi Fyi K i u0 y xi K iy u0 y K yi yi Aliquota della forza tagliante di piano che sopporta il singolo elemento FxT Kix u0 x Kix yi FyT Kiy u0 y Kiy xi Forza tagliante di piano totale ANALISI SISMICA DELLE STRUTTURE Posizione del Baricentro delle Rigidezze YR K y K xi i xi XR K x K yi i yi Coordinate del baricentro delle rigidezze dell’impalcato L’EFFETTO DEL SISMA SULLE STRUTTURE le azioni dinamiche agenti nella struttura dovute all’accelerazione delle masse F (t ) m a(t ) var iabile vengono sostituite da azioni statiche equivalenti F cos t 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. L’EFFETTO DEL SISMA SULLE STRUTTURE 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: T0 2 m k L’EFFETTO DEL SISMA SULLE STRUTTURE Oscillazione ideale (smorzamento nullo) Oscillazione reale (smorzamento non nullo) L’EFFETTO DEL SISMA SULLE STRUTTURE L’effetto del sisma sulla struttura può essere considerato come l’applicazione al sistema di una forza di tipo sinusoidale 2 F (t ) F sin t F sin t T 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 a = T0/T (T0 = periodo di vibrazione del sistema; T = periodo di oscillazione della forza). Tale dipendenza è espressa dalla relazione seguente: u (t ) 1 (1 a 2 ) 2 4 2 a 2 F F sin t A sin t K K L’EFFETTO DEL SISMA SULLE STRUTTURE . Caso 1 ( = 0 ; a = 1) Smorzamento nullo e periodo della forzante uguale al periodo proprio della struttura, condizione detta di “risonanza” (condizione teorica). Caso 2 ( piccolo ; a = 1) Smorzamento piccolo e periodo della forzante uguale al periodo proprio della struttura. L’amplificazione è grande, ma ha valore finito. Caso 3 (a = 0) 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 4 (a grande) 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. L’EFFETTO DEL SISMA SULLE STRUTTURE . mut cu ku 0 m ug u cu ku 0 mu cu ku mug Peq TIPI DI ANALISI SISMICA Analisi Sismica Statica - D.M. ‘96 Fi Wi C RT I i 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 n i = coefficiente di distribuzione i hi W j 1 n W j 1 j j hj TIPI DI ANALISI SISMICA Analisi Sismica Statica – Norme Tecniche 2005 Fi Fh Fh S d (T1 ) W g zi Wi z j W j 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 T1 C1 H 3 / 4 H = altezza dell’edificio, espressa in metri, a partire dal piano di fondazione Cl = coefficiente funzione della tipologia strutturale W = peso complessivo della struttura TIPI DI ANALISI SISMICA Analisi Sismica Statica - Distribuzione delle forze sismiche equivalenti sulla struttura . TIPI DI ANALISI SISMICA Analisi Sismica Dinamica . 1° Modo di vibrare 2° Modo di vibrare 3° Modo di vibrare TIPI DI ANALISI SISMICA Analisi Sismica Dinamica m i eff mtot 0.85 . STot S12 S22 ... Sn2 n n n S S 2 i 1 2 i i 1 Si S j 2 j 1 1 ij Radice della somma dei quadrati Combinazione Quadratica Completa (CQC) TIPI DI ANALISI SISMICA Analisi 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. CRITERI DI SCELTA DEL TIPO DI ANALISI SISMICA REQUISITO DI APPLICABILITA’ DELL’ANALISI SISMICA STATICA (D.M. ‘96) T1 0.1 H 1.4 sec B H = massima altezza dell’edificio a partire dal piano di fondazione B = massima dimensione in pianta dell’edificio CRITERI DI SCELTA DEL TIPO DI ANALISI SISMICA REQUISITO DI APPLICABILITA’ DELL’ANALISI SISMICA STATICA (Norme Tecniche 2005) T1 C1 H 3 / 4 2.5 TC 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: 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 . 2 4 2 S a (To , ) Sv (To , ) 2 S De (To , ) To T0 T02 Feq k S De (To , ) k S a (To , ) 4 2 T0 2 m k Feq m S a (To , ) SPETTRO DI RISPOSTA ELASTICO CATEGORIA DEL SUOLO . SPETTRO DI PROGETTO PER LO S.L.U. .
