Seismic structural analysis and design

Conoscenza e comprensione

Al termine dell'insegnamento lo studente conoscerà i principi fondamentali della dinamica delle strutture e dell'ingegneria sismica, con particolare riferimento alla modellazione dinamica di sistemi a uno e più gradi di libertà, all'analisi della risposta sismica delle strutture e ai principali criteri di progettazione in zona sismica.

Lo studente acquisirà inoltre conoscenze sui sistemi innovativi di protezione sismica, quali isolamento alla base, dissipazione supplementare di energia e sistemi di controllo delle vibrazioni, tecniche di rinforzo tradizionali, comprendendone i principi fisici di funzionamento, i modelli matematici e i criteri di progettazione.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Al termine dell'insegnamento lo studente sarà in grado di:

• modellare sistemi strutturali dinamici a uno e più gradi di libertà;
• determinare i principali parametri dinamici delle strutture;
• eseguire analisi sismiche mediante spettro di risposta e analisi modale;
• valutare gli effetti della duttilità e dello smorzamento sulla risposta strutturale;
• progettare e verificare sistemi di isolamento sismico e dissipazione supplementare di energia;
• valutare l’efficacia di tecniche di rinforzo tradizionale su edifici esistenti;
• sviluppare modelli numerici mediante software di calcolo strutturale;
• confrontare criticamente differenti strategie di protezione sismica e di miglioramento del comportamento strutturale.

Autonomia di giudizio

Lo studente svilupperà la capacità di interpretare i risultati delle analisi dinamiche e sismiche, valutandone criticamente l'affidabilità e i limiti. Sarà inoltre in grado di confrontare differenti soluzioni progettuali per la mitigazione del rischio sismico e di individuarne vantaggi e criticità in relazione agli obiettivi di progetto.

Abilità comunicative

Lo studente sarà in grado di illustrare i principi teorici e le scelte progettuali adottate utilizzando una terminologia tecnico-scientifica appropriata e di discutere criticamente i risultati di analisi numeriche e casi studio reali.

Capacità di apprendimento

Lo studente acquisirà gli strumenti metodologici necessari per approfondire autonomamente tematiche avanzate della dinamica strutturale, dell'ingegneria sismica e delle tecnologie innovative di protezione sismica.

Sono considerate importanti le seguenti conoscenze:

• equilibrio dei sistemi di forze;
• cinematica e statica dei corpi rigidi;
• stato tensionale e deformativo nei solidi;
• comportamento meccanico dei materiali;
• concetti di rigidezza e deformabilità;
• principi fondamentali dell'analisi strutturale;
• elementi di algebra lineare e calcolo matriciale.

La frequenza non è obbligatoria.

Essa è tuttavia fortemente consigliata, in particolare per le esercitazioni numeriche, le attività di laboratorio, le dimostrazioni sperimentali e l'analisi dei casi studio, che costituiscono parte integrante del percorso formativo e favoriscono il raggiungimento dei risultati di apprendimento attesi.

1. Fondamenti di dinamica delle strutture

1. Oscillatore elementare (SDOF).
2. Vibrazioni libere non smorzate.
3. Vibrazioni libere smorzate.
4. Risposta a eccitazioni armoniche.
5. Risonanza e coefficiente di magnificazione dinamica.
6. Formulazione della risposta nello spazio delle variabili di stato.
7. Risposta a forzanti di tipo gradino e impulso.
8. Spettro di risposta elastico.

2. Sistemi a più gradi di libertà

1. Equazioni del moto di sistemi MDOF.
2. Modi propri e frequenze naturali.
3. Ortogonalità modale.
4. Analisi modale classica.
5. Smorzamento classico e non classico.
6. Cenni all'analisi modale complessa.

3. Analisi sismica delle strutture

1. Modellazione dell'azione sismica.
2. Analisi modale con spettro di risposta.
3. Fattori di partecipazione modale.
4. Masse partecipanti.
5. Combinazione modale.
6. Spettro elastico e spettro di progetto.
7. Duttilità e comportamento inelastico.
8. Principi di progettazione sismica secondo la normativa vigente.

4. Sistemi di protezione sismica

1. Principi dell'isolamento sismico.
2. Dispositivi elastomerici e a scorrimento.
3. Proprietà meccaniche e modellazione costitutiva degli isolatori.
4. Progettazione di edifici isolati alla base.
5. Dissipazione supplementare di energia.
6. Dissipatori viscosi, isteretici e viscoelastici.
7. Modellazione e progettazione di strutture dissipative.

5. Miglioramento sismico e applicazioni innovative

1. Strategie di miglioramento e adeguamento sismico.
2. Sistemi di isolamento sismico applicati a edifici esistenti.
3. Torri dissipative e sistemi a massa accordata (Tuned Mass Dampers).
4. Sistemi ibridi di isolamento e dissipazione.
5. Analisi critica di casi studio nazionali e internazionali.
6. Valutazione dei benefici in termini di riduzione della domanda sismica e incremento della resilienza strutturale.

6. Applicazioni numeriche e progettuali

1. Modellazione FEM e DMEM di strutture soggette ad azione sismica.
2. Implementazione numerica di isolatori e dissipatori.
3. Analisi comparativa tra struttura convenzionale e struttura protetta.
4. Sviluppo di un elaborato progettuale.
5. Discussione critica dei risultati ottenuti.

Materiale didattico principale

[T1] Slides e dispense fornite dai docenti durante il corso.

[T2] Chopra A.K., Dynamics of Structures: Theory and Applications to Earthquake Engineering, 5th Edition, Pearson.

Testi di approfondimento

[T3] Clough R.W., Penzien J., Dynamics of Structures, Computers & Structures Inc.

[T4] Muscolino G., Dinamica delle Strutture, McGraw-Hill Italia.

[T5] Dolce M., Ponzo F.C., Di Cesare A., Arleo G., Progetto di Edifici con Isolamento Sismico, IUSS Press.

[T6] Christopoulos C., Filiatrault A., Principles of Passive Supplemental Damping and Seismic Isolation, IUSS Press.

Materiale integrativo

Articoli scientifici, linee guida tecniche, documenti normativi e casi studio reali saranno messi a disposizione dal docente durante il corso per approfondire particolari applicazioni di isolamento sismico, dissipazione supplementare di energia e controllo delle vibrazioni.

Modalità di verifica dell'apprendimento

L'apprendimento viene verificato mediante:

• discussione di un elaborato progettuale sviluppato durante il corso;
• prova orale sugli argomenti trattati nell'insegnamento.

L'elaborato progettuale consiste nella modellazione e nell'analisi sismica di una struttura, con particolare attenzione all'eventuale impiego di sistemi innovativi di protezione sismica quali isolatori alla base, dissipatori supplementari di energia o sistemi di controllo passivo delle vibrazioni.

Nel corso della prova orale saranno valutati:

• il livello di conoscenza e comprensione degli argomenti trattati;
• la capacità di applicare gli strumenti teorici alla soluzione di problemi ingegneristici;
• la capacità di interpretare criticamente i risultati delle analisi;
• la proprietà di linguaggio tecnico-scientifico;
• la capacità di collegare differenti argomenti del programma.

L'elaborato progettuale costituisce parte integrante della valutazione finale e contribuisce ad accertare la capacità dello studente di applicare autonomamente le conoscenze acquisite.

Criteri di attribuzione del voto

Insufficiente (<18/30)

 Conoscenze frammentarie o lacunose, scarsa capacità di applicazione dei concetti teorici e utilizzo improprio del linguaggio tecnico.

18-21/30

Conoscenza essenziale degli argomenti principali e capacità applicative limitate ai casi più semplici.

22-25/30

Discreta conoscenza degli argomenti, capacità di eseguire analisi e interpretazioni corrette con limitata autonomia critica.

26-28/30

Buona conoscenza teorica e applicativa, capacità di sviluppare ragionamenti autonomi e discutere criticamente i risultati ottenuti.

29-30 e lode

Conoscenza approfondita e completa degli argomenti, elevata capacità critica, piena padronanza degli strumenti analitici e progettuali e ottima proprietà di linguaggio tecnico-scientifico.

La verifica dell'apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere. A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l'Integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del proprio Dipartimento.

1. Derivare l'equazione del moto di un oscillatore ad un grado di libertà e discuterne la risposta dinamica.
2. Illustrare il significato fisico dello smorzamento e confrontare i principali modelli di smorzamento impiegati nell'analisi strutturale.
3. Definire il concetto di spettro di risposta e descriverne l'utilizzo nell'analisi sismica.
4. Discutere il significato del fattore di partecipazione modale e della massa partecipante.
5. Illustrare le ipotesi alla base dell'analisi modale con spettro di risposta.
6. Spiegare la differenza tra spettro elastico e spettro di progetto.
7. Descrivere il comportamento inelastico di una struttura e il ruolo della duttilità nella progettazione sismica.
8. Spiegare i principi fisici dell'isolamento sismico e i vantaggi rispetto alla progettazione convenzionale.
9. Descrivere il comportamento meccanico di isolatori elastomerici e dispositivi a scorrimento.
10. Illustrare il principio di funzionamento dei dissipatori viscosi e dei dissipatori isteretici.
11. Confrontare una struttura convenzionale e una struttura dotata di sistemi di protezione sismica in termini di domanda sismica e prestazioni attese.
12. Discutere un caso studio reale di miglioramento sismico mediante isolamento alla base.
13. Discutere un caso studio reale di miglioramento sismico mediante tecniche di rinforzo tradizionale.
14. Illustrare il principio di funzionamento dei Tuned Mass Dampers (TMD) e le principali applicazioni in ingegneria strutturale.
15. Descrivere vantaggi e limitazioni dei sistemi innovativi di protezione sismica nel contesto delle costruzioni nuove e degli edifici esistenti.
16. Presentare e discutere criticamente l'elaborato progettuale sviluppato durante il corso.