Sicurezza sismica di componenti non strutturali di elevato valore: effetti di amplificazione con la quota

Questo lavoro tratta il tema della sicurezza sismica dei componenti non strutturali di elevato valore, e dell’effetto sulla loro risposta dell’amplificazione dell’azione sismica con la quota.

Si considerano in particolare oggetti semplicemente appoggiati, per i quali devono essere svolte verifiche di stabilità nei riguardi di oscillazione e ribaltamento. Tra i metodi di verifica presenti in letteratura, in questo lavoro si fa riferimento a quelli basati sulle misure di intensità (IM) in accelerazione e velocità. Si esaminano due differenti tipologie di edifici in c.a., una con struttura sismoresistente a telaio ed una a parete. Per entrambe le configurazioni si ricavano gli spettri di piano in accelerazione sia con metodi semplificati che mediante analisi time-history lineari e non lineari. Si valuta inoltre l’incremento della velocità con la quota allo scopo di mettere a punto indicazioni e strumenti operativi per una valutazione speditiva della sicurezza sismica di elementi contenuti di elevato valore. 


Seismic safety of remarkable non structural elements: dynamic amplification with height

Sicurezza sismica di componenti non strutturali di elevato valore: effetti di amplificazione con la quota

Berto L.1, Bovo Marco2, Rocca I 1, Saetta Anna1*, Savoia Marco2

1 Department of Architecture Construction Conservation, University IUAV of Venezia, Italia

2 Department of Civil, Chemical, Environmental, and Materials Engineering, University of Bologna. Italy

* Associato ITC-CNR con incarico di collaborazione


1 Introduzione

In questo lavoro si affronta il tema della sicurezza sismica dei componenti non strutturali di elevato valore.

Appartengono a tale categoria tutti quegli elementi che, per ragioni economiche o di importanza strategica, non devono subire danneggiamenti in caso di eventi calamitosi (e.g. apparecchiature mediche, impianti, server dati, beni esposti o immagazzinati) e devono quindi essere protetti.

Molto spesso si tratta di oggetti semplicemente appoggiati (free standing objects) o debolmente collegati alla struttura, che presentano quindi un comportamento dinamico indipendente dalla struttura stessa. In tali casi è necessario eseguire sia verifiche di stabilità dell’oggetto (nei confronti dell’instaurarsi di possibili moti rigidi: scivolamento, oscillazione e ribaltamento) sia verifiche di resistenza dell’oggetto stesso, nonché degli eventuali sistemi di fissaggio.

Lo studio della risposta all’azione sismica dei beni contenuti in un edificio, e l’eventuale progettazione di sistemi mitigazione del rischio (e.g. fissaggio, isolamento), devono necessariamente tenere conto della loro localizzazione all’interno dell’edificio.

Nei casi in cui si tratti di oggetti o elementi posti in quota, la determinazione dell’azione sismica richiede di fare riferimento a metodi e valutazioni specifiche, che considerino l’effetto filtro che la struttura esercita sul moto del componente secondario. Molte di queste valutazioni, soprattutto nei casi in cui gli elementi siano caratterizzati da masse significativamente minori rispetto alla massa totale dell’edificio, si basano sull’approccio “a cascata” (e.g. Vukobratovic & Fajfar, 2017), per il quale i sistemi primario (edificio) e secondario (elemento contenuto) si considerano dinamicamente disaccoppiati e possono essere analizzati separatamente.

Seguendo questo approccio, i segnali sismici ottenuti in corrispondenza del piano sul quale è posizionato l’oggetto, o i rispettivi spettri di risposta, sono usati come input per il sistema secondario. In alternativa, possono essere utilizzati anche spettri di piano semplificati.

In questo lavoro gli spettri di piano in accelerazione vengono determinati sia con approcci analitici di letteratura sia con generazione diretta a partire da analisi time-history della struttura. Particolare attenzione viene rivolta agli elementi free standing, per i quali è necessario conoscere, oltre alla variazione dell’accelerazione con la quota, anche quella della velocità, per la quale ad oggi si hanno limitate indicazioni normative e di letteratura.

Tali aspetti vengono indagati con riferimento a due diverse tipologie di comportamento strutturale tipiche degli edifici in c.a.: un edificio a telaio, che presenta deformabilità prevalentemente a taglio lungo l’altezza; e un edificio a pareti snelle, con deformabilità flessionale.

Da sottolineare come, volendo riferirsi ad oggetti di elevato valore, si ritengono significativi i risultati ottenuti da analisi elastica, senza considerare la riduzione dell’amplificazione di picco dovuta al comportamento non lineare. Inoltre, per tali oggetti, è spesso necessario garantire condizioni di stabilità nei confronti dell’oscillazione, oltre che ovviamente nei confronti del ribaltamento.

 


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SAIE In Calcestruzzo: l'evento nazionale dedicato al progettare e costruire in calcestruzzo


 

AMPLIFICAZIONE CON LA QUOTA: SPETTRI DI PIANO SECONDO DIFFERENTI APPROCCI

Aspetto fondamentale per la valutazione della sicurezza sismica di un elemento non strutturale è la caratterizzazione dell'azione sismica agente sull’oggetto.

Come anticipato, è necessario tenere conto dell’effetto filtro esercitato dalla struttura primaria che, con la sua risposta dinamica, modifica l’azione sismica a livello del terreno, alterandone sia il contenuto in frequenza che l’ampiezza.

È evidente che una valutazione accurata della risposta dinamica di un elemento posto all’interno di una struttura soggetta ad azione sismica richiederebbe sofisticate analisi numeriche che considerino il moto accoppiato di struttura ed elemento. Nel caso in cui gli elementi presentino una massa molto più piccola rispetto a quella della struttura principale, ad esempio mille volte inferiore (Vukobratovic & Fajfar, 2017), come è il caso di molti beni contenuti, si può considerare il moto disaccoppiato, adottando il cosiddetto “approccio a cascata”, in cui struttura ed elemento secondario vengono analizzati separatamente.

In tale ambito si colloca il metodo basato sulla formulazione degli spettri di risposta di piano (floor response spectra).

Tali spettri possono essere ricavati secondo approcci diversi, caratterizzati da diverso livello di accuratezza:

  • per generazione diretta, a partire dai segnali di piano ottenuti con analisi time-history della struttura, soggetta ad una serie di accelerogrammi spettrocompatibili applicati a terra. Tale analisi può essere svolta in ambito lineare o non lineare, utilizzando modelli costitutivi del materiale appropriati;
  • mediante relazioni analitiche presenti in normativa in letteratura, in cui l’amplificazione con la quota viene espressa in funzione di alcune caratteristiche della struttura e dell’oggetto (e.g. periodi propri, smorzamento). Anche in questo caso sono disponibili formulazioni più o meno semplificate, che si riferiscono solo al primo modo di vibrare della struttura o a più modi, e considerano un comportamento elastico della struttura e dell’oggetto o, in alcune recenti proposte (e.g. Lagomarsino 2015, Vukobratovic & Fajfar, 2017), anche il comportamento non lineare.

Tra le formulazioni semplificate più frequentemente utilizzate, nel presente lavoro si sono analizzate quella proposta dall’Eurocodice 8 (EC8, 2004), ripresa nella normativa italiana (NTC08), e quella delle norme neozelandesi (NZS 1170.5, 2004). Entrambe si riferiscono al solo primo modo di vibrare dell’edificio. Secondo EC8, lo spettro di risposta di piano a quota z dal livello di fondazione è:

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con T e T1 rispettivamente il periodo principale dell'elemento non strutturale e della struttura nella direzione considerata hed altezza dell'edificio.

La normativa NZS 1170.5 determina l’azione sismica di progetto agente sugli elementi nonstrutturali attraverso una formulazione in forze, che scritta in termini di spettro di piano diventa:

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dove CHi(z) e Ci(T) sono rispettivamente il coefficiente di altezza di piano e il coefficiente che definisce la forma spettrale relativa all’elemento non strutturale (Figure 1) e g l’accelerazione di gravità.

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Figure 1 NZS1170.5: floor spectra coeff. a) CHi(z); b) Ci(T) / NZS1170.5: coeff. dello spettro di piano: a) CHi(z); b) Ci(T)

 

A queste formulazioni semplificate si è recentemente aggiunta quella proposta in una bozza della Circolare esplicativa delle NTC2018 (nel seguito indicata come Bozza C.2018-Semp) che prevede:

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dove =, J G => sono parametri definiti in accordo con il periodo fondamentale di vibrazione della costruzione (Table 1).

 

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Sempre nell’ambito delle formulazioni di tipo analitico, lo spettro di risposta di piano può essere valutato in modo più dettagliato considerando, mediante decomposizione modale, il contributo dei modi di vibrare ritenuti più significativi.

Una formulazione di questo tipo è stata proposta ad esempio in Lagomarsino (2015) ed adottata anche in CNR DT 212/2013, in Sullivan et al. (2013) e più di recente in Vukobratovic & Fajfar (2017).

Nel presente lavoro, tra le formulazioni di tipo analitico, si fa riferimento alla proposta presentata nella bozza di Circolare delle Norme Tecniche 2018, nel seguito indicata come Bozza C.2018-Nmodi, dove l'accelerazione cui è soggetto l’elemento non strutturale posto al piano j-esimo per effetto del modo di vibrare i-esimo della struttura è data da:

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essendo Si(Ti) l’ordinata spettrale relativa al modo iesimo (normalizzata rispetto a g ed eventualmente ridotta attraverso il fattore di comportamento q della costruzione); Γi il fattore di partecipazione modale e ψij la componente j-esima della forma modale iesima normalizzata al valore massimo, ed R il fattore di amplificazione dell'elemento non strutturale, che dipende dal coefficiente di smorzamento O dell’elemento e dal rapporto T/Ti secondo la relazione:

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L’accelerazione cui è soggetto il componente si ottiene combinando opportunamente le risposte relative ai diversi modi (4) e, in forma approssimata, può essere valutata come la somma degli effetti relativi ai diversi modi.

 

3 VALUTAZIONE DI VULNERABILITA’ DI ELEMENTI FREE STANDING

Nel caso di oggetti o componenti semplicemente appoggiati, la valutazione di vulnerabilità richiede la verifica dell’equilibrio limite con riferimento all’instaurarsi di moti rigidi (oscillazione, ribaltamento, scivolamento). I metodi di analisi utilizzabili si possono suddividere in: a) semplificati, che fanno riferimento alle principali proprietà geometrico/inerziali dell’oggetto e ad alcune misure di intensità sismica (PGA, PGV, spostamento spettrale, etc.), e.g. Lagomarsino 2015, Lam & Gad 2008, utili per valutazioni speditive; b) avanzati, basati sull’analisi dinamica non lineare, che comportano l’integrazione numerica delle equazioni del moto. I primi possono essere applicati a diverso livello di approfondimento, approssimando l’oggetto con un parallelepipedo equivalente fino a considerarne la reale geometria.

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L'ARTICOLO COMPLETO E' DISPONIBILE IN ALLEGATO


KEYWORDS: non structural element; floor response spectra; remarkable element; seismic amplification with height / elementi non strutturali; spettri di piano; elementi di elevato valore; amplificazione sismica con la quota


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