Obiettivi Formativi

L’insegnamento di Dinamica delle Strutture e Progettazione Antisismica intende fornire agli allievi ingegneri del Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Civile: - le conoscenze teoriche e gli strumenti applicativi per valutare gli effetti dell'azione sismica sulle strutture, utilizzando sia metodi deterministici, sia strumenti propri della dinamica aleatoria; - le tecniche di analisi e di progettazione di strutture dotate di dispositivi e sistemi antisismici, quali isolatori sismici, dissipatori e smorzatori a massa accordata; - i criteri di progettazione delle strutture in zona sismica tenendo conto dell’influenza della non linearità del materiale, della sezione e dell’elemento nei riguardi del comportamento della struttura nel suo complesso. Lo studente acquisirà un'ampia e solida conoscenza e competenza delle metodologie di analisi e dei criteri di progettazione delle strutture tenendo conto degli effetti dell’azione sismica, anche alla luce del quadro normativo vigente. Queste conoscenze gli consentiranno di ottenere particolare sensibilità nei riguardi del corretto approccio progettuale delle opere strutturali di nuova realizzazione in zona sismica oltre che delle più opportune metodologie di verifica sismica delle opere strutturali esistenti, sulla base della tipologia strutturale e del livello di pericolosità sismica del sito. Lo studente deve dimostrare di saper utilizzare i concetti teorici e applicativi acquisiti per affrontare problematiche ingegneristiche complesse nel rispetto delle esigenze di natura tecnica ed operativa, oltre che dei requisiti normativi vigenti delle strutture in zona sismica. Notevole spazio durante il corso verrà dedicato alle esercitazioni pratiche mediante l'ausilio di strumenti informatici di calcolo codificati per affrontare i problemi strutturali che si possono presentare nella reale pratica professionale. Lo studente deve essere in grado di inquadrare in maniera autonoma la particolare tipologia strutturale e scegliere il metodo di analisi più adatto. Inoltre, lo studente deve saper formulare la migliore soluzione progettuale di strutture soggette all’azione sismica, tenendo debito conto del rapporto costi/benefici conseguibili, in relazione all’importanza dell’opera strutturale considerata. Lo studente deve dimostrare la capacità di descrivere tematiche riguardanti l’analisi ed il progetto di strutture in zona sismica con linguaggio tecnico-scientifico appropriato, attraverso relazioni scritte di accompagnamento agli elaborati progettuali prodotti durante il corso, oltre che nella verifica orale dell’apprendimento alla fine del corso. Lo studente deve essere in grado di intraprendere studi di livello superiore con un elevato grado di autonomia, tramite la consultazione di testi specialistici e pubblicazioni scientifiche (anche in lingua inglese), e tenersi sempre al passo con il progresso tecnologico specifico delle strutture in zona sismica e dell’ingegneria sismica, con particolare riguardo alle evoluzioni della normativa tecnica in materia.

Learning Goals

The course of Dynamics of Structures and Aseismic Design aims to provide students enrolled in the course of Civil Engineering with: - theoretical knowledge and applicative tools to assess the effects of the seismic action on the structures, by using both deterministic and probabilistic methods; - analysis and design techniques for structures equipped with seismic devices, such as seismic isolators, dampers and tuned mass dampers; - design criteria for seismic structures, by accounting for the influence of the nonlinearity of the material, of the section and of the element on the behavior of the structural system as a whole. The student will acquire wide and strong knowledge and skills on the analysis methodologies and design criteria for structures, accounting for the effects of the seismic action, in line with the current seismic codes. This knowledge will allow the student to obtain specific sensitivity towards the correct design approach of structures of new realization located in seismic zone, as well as appropriate verification methodologies of existing structures, depending on the structural typology and on the seismic hazard level of the installation site. The student must demonstrate the ability of using the acquired theoretical and applicative concepts to cope with complex engineering problems, in compliance with the technical and operative requirements, as well as in compliance with the current seismic codes. Extensive part of the course will be devoted to applicative lectures through codified computed-based calculation tools in order to deal with structural problems typical of the real professional life. The student must be able to identify the particular structural typology in an autonomous way, and to choose the most appropriate analysis method. Moreover, the student must be able to elaborate the best design solution of structure subjected to seismic action, having in mind the desired trade-off between performance and cost, in relationship to the importance of the considered structure. The student must demonstrate the ability of describe the subjects related to the analysis and design of seismic structures with an appropriate scientific-technical language, by means of written reports accompanying the design part during the course, as well as during the oral part of the exam at the end of the course. The student must be able to carry out advanced studies in an autonomous manner, through specialized texts and scientific publications (even in English), as well as to keep up-to-dated with the technological progress related to the seismic structures and the earthquake engineering in general, with particular attention to the evolutions of the seismic codes.

Metodi didattici

Lezioni alla lavagna, uso di mezzi audiovisivi. Ausilio allo studente per l’utilizzo di programmi di calcolo per la redazione di un elaborato avente per tema la verifica di strutture multipiano spaziali soggette all'azione sismica.

Teaching Methods

Blackboard and audiovisual media. Computer codes are adopted for the preparation of a homework on seismic analysis of spatial frame.

Prerequisiti

Per poter frequentare utilmente il corso di Dinamica delle Strutture e Progettazione Antisismica è fondamentale avere i prerequisiti fisico-matematici di base (algebra delle matrici, equazioni differenziali ordinarie, integrali) nonché conoscenze di Scienza delle Costruzioni (concetti di forze, tensioni, deformazioni, equilibrio, legami costitutivi dei materiali), di Tecnica delle Costruzioni (analisi di strutture intelaiate, comportamento di sezioni in cemento armato soggette a flessione, criteri basilari per la progettazione delle armature di elementi in cemento armato), e di Analisi Sismica delle Strutture (analisi nel dominio del tempo e della frequenza di oscillatori elementari e strutture a più gradi di libertà). Questi concetti verranno applicati con continuità nell’ambito sia delle lezioni teoriche che delle applicazioni pratiche.

Prerequisites

To attend the course of Dynamics of Structures and Aseismic Design it is necessary to have knowledge on fundamentals of Physics/Mathematics (matrix calculus, differential equations, integrals), as well as of Structural Mechanics (concepts of force, stress, strain, equilibrium, constitutive laws of materials), of Structural Engineering (analysis of frames, reinforced concrete sections under bending, basics of design of reinforcement in reinforced concrete elements), of Seismic Analysis of Structures (time-domain and frequency-domain analysis of single degree of freedom systems and multi degree of freedom systems). These concepts will be applied several times during the lectures and during the applicative parts of the course.

Verifiche dell'apprendimento

Colloquio al fine di verificare l'apprendimento degli strumenti teorici e analitici forniti durante il corso e discussione degli elaborati assegnati sull'uso di "Tecniche Innovative" per la progettazione di strutture soggette ad azioni dinamiche.

Assessment

Oral exam testing students on learning basic notions and on their skill to deal with problems like those developed during the class and discussion on homeworks related to the modeling of structures and the "Innovative Techniques" for the design of structures subjected to dynamic loads.

Programma del Corso

Modulo A) Dinamica delle Strutture Vibrazioni di oscillatori e di strutture a più gradi di libertà. Analisi dinamica deterministica di strutture discretizzate: nel dominio del tempo di strutture non classicamente smorzate. Correzione modale. Analisi nel dominio della frequenza: Funzione di trasferimento. Dissipazione isteretica lineare. Dinamica di strutture composte da sottostrutture. Tecniche di controllo delle vibrazioni (dissipatori, isolatori, massa accordata). Analisi dinamica deterministica di sistemi continui: Legge di Newton; principio di Hamilton; Trave di Eulero-Bernoulli; problema agli autovalori; frequenze naturali e autofunzioni; rapporto di Rayleigh; metodo di Rayleigh-Ritz; ortogonalità delle autofunzioni; analisi dinamica per sistemi continui; trave soggetta a carichi mobili. Elementi di teoria della probabilità, variabili aleatorie e processi aleatori. Analisi aleatoria di oscillatori lineari forzati da processi gaussiani. Formulazione integrale e differenziale. Risposta aleatoria non stazionaria. Analisi aleatoria di strutture a più gradi di libertà forzate da processi gaussiani: Analisi aleatoria nel dominio della frequenza di strutture classicamente smorzate. Strutture non classicamente smorzate. Metodi per la valutazione dell’affidabilità. Attraversamenti di barriera. Istante di primo passaggio. Fattori di picco. Simulazione Monte Carlo. Modellazione stocastica del vento e del sisma. Accelerogrammi spettrocompatibili. Modulo B) Progettazione Antisismica Filosofia generale della progettazione antisismica Il collasso delle strutture per azione sismica L'ipotesi di uguale spostamento Rigidezza, resistenza e duttilità Analisi in termini energetici L'accelerazione assoluta Approcci progettuali alle forze e agli spostamenti: un esempio Duttilità, rigidezza e resistenza La duttilità dei materiali, della sezione e dell'elemento, la duttilità strutturale La rigidezza, la risposta in regime elastico lineare Comportamento non lineare La rigidezza della sezione in flessione semplice e in presso-flessione La resistenza nel caso della flessione semplice e composta Criteri generali di progettazione Configurazione e risposta strutturale Dimensioni, distribuzione di masse e rigidezze, semplicità e simmetria Ridondanza e robustezza Regolarità strutturale: criteri Tipologie strutturali Sottosistemi strutturali intelaiati e a pareti o misti (telaio-parete) Classi di duttilità e gerarchia delle resistenze Modellazione strutturale Metodi lineari di analisi e verifica Analisi dinamica multi-modale e analisi statica lineare Metodi non lineari di analisi e verifica Definizione della capacità strutturale Valutazione del punto di prestazione Limiti di applicabilità del metodo statico non lineare Travi, verifica a flessione semplice e a taglio, dettagli costruttivi Pilastri, verifica a pressoflessione e a taglio, dettagli costruttivi Nodi trave-pilastro Diaframmi orizzontali Sistemi a parete Dettagli costruttivi di pareti e travi di accoppiamento Strutture di fondazione, fondazioni superficiali, requisiti strutturali Elementi secondari Telai con tamponamenti in muratura Progetto antisismico con dispositivi di dissipazione e di isolamento Caratteristiche dei dispositivi di dissipazione isteretica e viscosa Comportamento di strutture con smorzamento supplementare Progettazione di edifici con smorzamento supplementare Caratteristiche dei dispositivi di isolamento di tipo elastomerico ed a scorrimento Progettazione di edifici isolati alla base

Course Syllabus

Module A) Dynamics of Structures Vibrations of single- and multi-degree-of-freedom (SDOF and MDOF) systems. Deterministic dynamic analysis of discretized structures in the time domain. Nonclassically damped structures. Modal correction. Frequency-domain analysis: transfer function. Hysteretic dissipation. Structures composed of substructures. Vibration control techniques (dampers, isolators, tuned mass dampers). Deterministic dynamic analysis of continuum systems: Newton's law; Hamilton's principle; Euler-Bernoulli beam; eigenvalue problem; natural frequencies and eigenfunctions; Rayleigh ratio; Rayleigh-Ritz method; orthogonality of the eigenfunctions; dynamic analysis of continuum systems; beam subjected to moving loads. Concepts of the probability theory, random variables and random fields. Random vibration theory of linear SDOFs under Gaussian processes. Integral and differential equation. Nonstationary response. Stochastic analysis of MDOF systems under Gaussian processes: frequency-domain analysis of classically damped structures. Nonclassically damped structures. Reliability engineering. First-passage theory. Peak factor. Monte Carlo method. Stochastic modeling of wind and earthquake. Spectrum-compatible accelerograms. Module B) Seismic Design General philosophy of seismic design. Collapse of structures under seismic action. The hypothesis of equal displacement. Stiffness, strength and ductility. Energy-based analysis. Absolute acceleration. Design approaches in terms of forces and displacements: an example. Ductility, stiffness and strength Ductility of materials, of section and of element. Structural ductility. Linear and nonlinear behavior. Stiffness of section in pure bending and in combined axial force and bending. Strength for pure bending and combined axial force and bending. General criteria for the design. Distribution of mass and stiffness, regularity, symmetry and simplicity. Robustness. Structural regularity: criteria. Structural typologies. Frame structures and structures of coupled wall-frames. Ductility classes and capacity design. Structural modeling. Linear methods of analysis and design. Multi-modal anlsysis and static linear analysis. Nonlinear methods of analysis. Structural capacity definition. Estimation of the performance point. Detailing of reinforcement in beams. Detailing of reinforcement in columns. Beam-column joints. Diaphragm behavior. Wall systems. Foundation structures. Secondary elements. Masonry infilled frames. Design of structures with dampers and base isolation. Characteristics of hysteretic dampers and fluid viscous dampers. Behavior and design of structures with supplemental damping. Characteristics of base isolators (elastomeric and friction pendulum). Design of base-isolated buildings.