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EARTHQUAKE RESISTANT STRUCTURES
WALTER SALVATORE
Academic year2023/24
CourseSTRUCTURAL AND BUILDING ENGINEERING
Code198HH
Credits6
PeriodSemester 1
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
COSTRUZIONI IN ZONA SISMICAICAR/09LEZIONI60
SILVIA CAPRILI unimap
WALTER SALVATORE unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Lo studente che completa il corso con successo sarà in possesso di una buona conoscenza delle tematiche riguardanti l'ingegneria sismica, con particolare riferimento alla progettazione di nuove costruzioni con struttura di calcestruzzo armato, acciaio e muratura.

 

Knowledge

The student who successfully completes the course will achieve a good knowledge of issues concerning earthquake engineering, with particular reference to the design of new buildings with reinforced concrete, steel and masonry structures.

Modalità di verifica delle conoscenze

Prova orale

Assessment criteria of knowledge

Oral exam

Capacità

Lo studente sarà valutato sulla base della capacità dimostrata nel discutere i contenuti del corso, utilizzando la terminologia appropriata e motivando adeguatamente ed approfonditamente le scelte progettuali adottate in occasione dello svolgimento dell'esercitazione progettuale. 

 

Skills

The student will be evaluated on the basis of the ability demonstrated in discussing the contents of the course, using the appropriate terminology and adequately and thoroughly justifying the design choices adopted when carrying out the design exercise.

Modalità di verifica delle capacità

Prova orale e progetto dell'anno

Assessment criteria of skills

Oral examination and project of the year

Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Nozioni di scienza delle costruzioni e tecnica delle costruzioni, prevalentemente.

Prerequisites

Notions of building science and construction technology, mainly.

Programma (contenuti dell'insegnamento)

Introduzione generale

  • Origine dei terremoti e definizioni generali (distanza epicentrale, ipocentrale, focale, ecc.).
  • Descrizione delle onde sismiche: tipologia, onde di volume, onde di superficie. Propagazione delle onde sismiche. Risposta sismica locale. Cenni sui metodi di valutazione della velocità delle onde sismiche.
  • La misura dei terremoti: misure oggettive, stima basata sulla valutazione di grandezze fisiche e stima basata sull’energia rilasciata dal sisma (Scala di Magnitudo). Misure soggettive e scale macrosismiche. Correlazione tra misure soggettive e misure oggettive dei terremoti.
  • Sismicità storica e sismicità strumentale. La pericolosità sismica Probabilità di superamento e periodo di riferimento di un evento sismico. Definizione del concetto di rischio sismico.

Azione sismica e livelli di verifica.

  • Sicurezza e prestazioni attese: livelli di azione sismica vs. livelli di prestazione strutturale. Stati Limite (ultimi e di esercizio).
  • Definizione dello spettro di risposta: significato e valutazione dello spettro di risposta di un dato accelerogramma. Riferimento alla formulazione proposta dalle attuali Norme Tecniche per le Costruzioni con definizione dei vari parametri e loro definizione. Vita nominale, coefficiente d’uso e vita di riferimento di una costruzione.

Progettazione anti-sismica

  • Criteri di progettazione antisismica. Concetto di regolarità strutturale: in pianta ed in elevato, con riferimento a quanto previsto da normativa. Significato di semplicità strutturale e di ridondanza.
  • Definizione del concetto di duttilità: il sistema ad un grado di libertà elasto-plastico.
  • Dalla duttilità materiale alla duttilità strutturale: individuazione dei diversi livelli di duttilità del materiale, duttilità di sezione, duttilità di elemento e duttilità di struttura e dei legami tra loro intercorrenti, con applicazioni a strutture in calcestruzzo armato e in acciaio. Importanza della duttilità e della verifica in duttilità, con riferimento a quanto previsto per le nuove costruzioni.
  • La progettazione in capacità, finalità e metodologia di applicazione.
  • Concetto di fattore di comportamento: significato, campo di applicazione e formulazione. Determinazione del fattore di struttura e collegamento tra fattore di struttura e concetto di duttilità.
  • Definizione delle principali tipologie strutturali per le costruzioni in calcestruzzo armato (MRF, strutture a pareti, strutture a nucleo) ed in acciaio (MRF, CBF, EBF, strutture duali), con evidenziazione del comportamento strutturale e vantaggi/svantaggi di ciascuna delle diverse tipologie.

Criteri di modellazione, analisi strutturale e verifica

  • Introduzione generale alle diverse tipologie di analisi. Analisi lineari e non lineari, statiche e dinamiche. Concetto di non linearità geometrica e del materiale: coefficiente di sensitività ai fenomeni del secondo ordine, metodo di calcolo e distinzione della tipologia di analisi in funzione di esso.
  • Criteri generali di modellazione lineare delle strutture. Modellazione di elementi strutturali, non strutturali (elementi di tamponamento e varie metodologie semplificate di modellazione) e dell’interazione terreno-struttura, con riferimento alla modellazione medesima della fondazione.
  • Metodi di analisi lineare delle costruzioni. Criteri di applicabilità dell’analisi statica equivalente e motivazioni. Analisi statica lineare: determinazione delle forze statiche equivalenti, illustrazione della formulazione proposta dalle attuali Norme Tecniche per le Costruzioni. Analisi dinamica lineare: criteri di applicabilità e motivazioni. Analisi modale dei sistemi strutturali a molti gradi di libertà, calcolo delle forze statiche associate ai vari modi significativi di vibrare, metodi di combinazione lineare delle azioni e valutazioni degli effetti della variabilità spaziale del moto. Determinazione delle eccentricità accidentali.
  • Criteri generali di modellazione non-lineare delle strutture. Descrizione dei fenomeni di non-linearità del materiale e geometrici. Metodologie di modellazione non-lineare delle costruzioni: modellazione non lineare a plasticità diffusa e a plasticità concentrata.
  • Metodi di analisi non-lineare delle costruzioni. Criteri di applicabilità e motivazioni. Analisi statica non-lineare: criteri generali e metodologia; definizione delle distribuzioni di azioni orizzontali previste da normativa e spiegazione. Metodologia proposta da normativa. Metodo N2 e rappresentazione grafica su piano accelerazione/spostamento (AD). Determinazione del fattore di struttura da analisi statica non-lineare. Analisi dinamica non-lineare: criteri generali e metodi di applicazione. Selezione degli accelerogrammi da impiegare, numero e tipologia (accelerogrammi naturali, artificiali, generati). Interpretazione dei risultati con riferimento alle prescrizioni normative.
  • Criteri generali di verifica. Criteri di verifica in resistenza, rigidezza e duttilità; metodi di verifica nel caso analisi lineare e di analisi non lineare.

Costruzioni di calcestruzzo: criteri di progetto

  • Introduzione alla progettazione sismica delle costruzioni di calcestruzzo armato: progettazione in capacità, criteri specifici per le costruzioni di c.a. Metodologie di analisi da impiegare e definizione del fattore di comportamento/struttura per le costruzioni di c.a. Approfondimenti specifici per la modellazione delle costruzioni in c.a. in campo lineare e non-lineare. Criteri di progettazione e verifica degli elementi strutturali (travi, pilastri e pareti): dimensionamento, criteri di dettaglio e criteri di verifica. Criteri generali per il dimensionamento delle strutture di fondazione.
  • Fenomeni di confinamento ed aderenza per le costruzioni di c.a. in zona sismica: definizione del concetto di confinamento e ruolo svolto nelle costruzioni, introduzione ai principali modelli di confinamento proposti in letteratura e dalle normative di comprovata validità. Definizione del concetto di aderenza acciaio/calcestruzzo, ruolo e significato dell’aderenza nelle costruzioni di c.a., introduzione ai principali modelli di confinamento proposti in letteratura e dalle normative di comprovata validità.

Costruzioni di muratura: criteri di progetto

  • Introduzione generale alla progettazione di costruzioni in muratura. Criteri generali di progettazione statica delle costruzioni di muratura. Definizione delle caratteristiche meccaniche del materiale. Approfondimenti sulla modellazione delle costruzioni di muratura e relative problematiche.
  • Definizione del fattore di struttura/comportamento per le costruzioni in muratura. Criteri di progettazione specifici per la zona sismica e precisazioni sulle metodologie di analisi. Criteri e metodi di verifica delle costruzioni in muratura.

Costruzioni di acciaio

  • Introduzione alla progettazione sismica delle costruzioni di acciaio con diversa tipologia strutturale: progettazione in capacità, criteri specifici per le varie tipologie. Metodologie di analisi da impiegare e definizione del fattore di comportamento. Approfondimenti specifici per la modellazione delle costruzioni di acciaio in campo lineare e non-lineare.
  • Criteri di progettazione sismica degli elementi strutturali per le varie tipologie strutturali (strutture a telaio, strutture con controventi concentrici e strutture con controventi eccentrici): dimensionamento, criteri di dettaglio e criteri di verifica. Metodi di progetto dei collegamenti (tra elementi e a livello di fondazione).

 

Syllabus
  • General introduction
  • Origin of earthquakes and general definitions (epicentral distance, hypocentral, focal, etc.).
  • Description of seismic waves: types, volume waves, surface waves. Propagation of seismic waves. Local seismic response. Hints on methods of seismic wave velocity assessment.
  • The measurement of earthquakes: objective measurements, estimation based on the evaluation of physical quantities, and estimation based on the energy released by the earthquake (Magnitude Scale). Subjective measurements and macroseismic scales. Correlation between subjective and objective measurements of earthquakes.
  • Historical seismicity and instrumental seismicity. Seismic hazard Probability of exceedance and reference period of a seismic event. Definition of the concept of seismic hazard.
  • Seismic action and verification levels.
  • Safety and expected performance: seismic action levels vs. structural performance levels. Limit states (ultimate and operational).
  • Response spectrum definition: meaning and evaluation of the response spectrum of a given accelerogram. Reference to the formulation proposed by the current Technical Standards for Construction with definition of the various parameters and their definition. Nominal life, coefficient of use and reference life of a building.
  • Anti-seismic design.
  • Anti-seismic design criteria. Concept of structural regularity: in plan and elevated, with reference to what is required by regulations. Meaning of structural simplicity and redundancy.
  • Definition of the concept of ductility: the elasto-plastic one-degree-of-freedom system.
  • From material ductility to structural ductility: identification of different levels of material ductility, section ductility, element ductility and structure ductility and the links between them, with applications to reinforced concrete and steel structures. Importance of ductility and verification in ductility, with reference to what is expected for new construction.
  • Design in capacity, purpose and methodology of application.
  • Concept of behavior factor: meaning, scope and formulation. Determination of structure factor and connection between structure factor and ductility concept.
  • Definition of the main structural types for reinforced concrete (MRF, wall structures, core structures) and steel (MRF, CBF, EBF, dual structures) constructions, highlighting structural behavior and advantages/disadvantages of each of the different types.
  • Modeling criteria, structural analysis and verification.
  • General introduction to the different types of analysis. Linear and nonlinear, static and dynamic analyses. Concept of geometric and material nonlinearity: sensitivity coefficient to second-order phenomena, calculation method and distinction of the type of analysis according to it.
  • General criteria of linear modeling of structures. Modeling of structural, nonstructural elements (infill elements and various simplified modeling methods) and soil-structure interaction, with reference to the same modeling of the foundation.
  • Methods of linear analysis of constructions. Criteria for applicability of equivalent static analysis and rationale. Linear static analysis: determination of equivalent static forces, illustration of the formulation proposed by the current Technical Standards for Construction. Linear dynamic analysis: applicability criteria and rationale. Modal analysis of structural systems with many degrees of freedom, calculation of static forces associated with the various significant modes of vibration, methods of linear combination of actions and evaluation of the effects of spatial variability of motion. Determination of accidental eccentricities.
  • General criteria for nonlinear modeling of structures. Description of material and geometric nonlinearity phenomena. Nonlinear modeling methodologies of constructions: diffuse plasticity and concentrated plasticity nonlinear modeling.
  • Methods of nonlinear analysis of constructions. Applicability criteria and rationale. Nonlinear static analysis: general criteria and methodology; definition of normative horizontal action distributions and explanation. Methodology proposed by standards. N2 method and graphical representation on acceleration/displacement (AD) plane. Determination of structure factor from nonlinear static analysis. Nonlinear dynamic analysis: general criteria and methods of application. Selection of accelerograms to be used, number and type (natural, artificial, generated accelerograms). Interpretation of results with reference to normative requirements.
  • General verification criteria. Verification criteria in strength, stiffness and ductility; verification methods in the case linear analysis and nonlinear analysis.
  • Concrete constructions: design criteria.
  • Introduction to seismic design of reinforced concrete constructions: design in capacity, specific criteria for reinforced concrete constructions. Analysis methodologies to be used and definition of behavior/structure factor for reinforced concrete constructions. Specific insights for modeling of reinforced concrete constructions in linear and nonlinear field. Design and verification criteria for structural elements (beams, columns and walls): sizing, detailing criteria and verification criteria. General criteria for sizing of foundation structures.
  • Confinement and adhesion phenomena for reinforced concrete constructions in seismic zones: definition of the concept of confinement and its role in constructions, introduction to the main confinement models proposed in the literature and by proven standards. Definition of the concept of steel/concrete adhesion, role and significance of adhesion in reinforced concrete constructions, introduction to the main confinement models proposed in the literature and by the standards of proven validity.
  • Masonry construction: design criteria
  • General introduction to the design of masonry constructions. General criteria for the static design of masonry constructions. Definition of mechanical properties of the material. Insights into the modeling of masonry constructions and related issues.
  • Definition of structure/behavior factor for masonry constructions. Specific design criteria for seismic zone and clarification of analysis methodologies. Criteria and methods for verification of masonry constructions.
  • Steel constructions.
  • Introduction to seismic design of steel constructions with different structural types: design in capacity, specific criteria for different types. Analysis methodologies to be used and definition of behavior factor. Specific insights for modeling steel constructions in linear and nonlinear field.
  • Seismic design criteria of structural elements for various structural types (frame structures, structures with concentric bracing and structures with eccentric bracing): sizing, detailing criteria and verification criteria. Design methods of connections (between elements and at foundation level).
Bibliografia e materiale didattico
  • Progettazione sismo-resistente di edifici in cemento armato. M. Mezzina, D. Raffaele, G. Uva, G.C. Marano. Città studi edizioni, Bari
  • Criteri di Progettazione Antisismica degli Edifici, L.Petrini, R. Pinho, G.M. Calvi, IUSS press, Pavia.
  • Valutazione degli edifici esistenti in Cemento Armato, G. Manfredi, A. Masi, R., Pinho, G. Verderame, M. Vona, IUSS press, Pavia
  • Progetto Antisismico di Edifici in Cemento Armato, E. Cosenza, G. Maddaloni, G. Magliulo, M. Pecce, R. Ramasco, IUSS press, Pavia
  • Edifici con Struttura di Acciaio in Zona Sismica F.M. Mazzolani, R. Landolfo, G. Della Corte, B. Faggiano, IUSS press, Pavia
  • Kappos, Andreas, and G. G. Penelis. “Earthquake resistant concrete structures.” CRC Press, 2014.
  • R. Capozucca, “Teoria e tecnica delle strutture in muratura”, Pitagora Editrice Bologna
Bibliography
  • Progettazione sismo-resistente di edifici in cemento armato. M. Mezzina, D. Raffaele, G. Uva, G.C. Marano. Città studi edizioni, Bari
  • Criteri di Progettazione Antisismica degli Edifici, L.Petrini, R. Pinho, G.M. Calvi, IUSS press, Pavia.
  • Valutazione degli edifici esistenti in Cemento Armato, G. Manfredi, A. Masi, R., Pinho, G. Verderame, M. Vona, IUSS press, Pavia
  • Progetto Antisismico di Edifici in Cemento Armato, E. Cosenza, G. Maddaloni, G. Magliulo, M. Pecce, R. Ramasco, IUSS press, Pavia
  • Edifici con Struttura di Acciaio in Zona Sismica F.M. Mazzolani, R. Landolfo, G. Della Corte, B. Faggiano, IUSS press, Pavia
  • Kappos, Andreas, and G. G. Penelis. “Earthquake resistant concrete structures.” CRC Press, 2014.
  • R. Capozucca, “Teoria e tecnica delle strutture in muratura”, Pitagora Editrice Bologna
Modalità d'esame

Esame orale

Assessment methods

Oral exam

Updated: 04/09/2023 15:31