Obiettivi Formativi

L’insegnamento di Analisi e Progetto di Strutture in Zona Sismica 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.  OF1 (Conoscenza e comprensione): 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 strutture esistenti, sulla base della tipologia strutturale e del livello di pericolosità sismica del sito  OF2 (Capacità di applicare conoscenza e comprensione): 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.  OF3 (Autonomia di giudizio): 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.  OF4 (Abilità comunicative): 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  OF5 (Capacità di apprendimento): 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 Analysis and Design of Seismic Structures 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.  OF1 (Knowledge and understanding): 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.  OF2 (Ability to apply knowledge and understanding): 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.  OF3 (Autonomy of judgment): 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.  OF4 (Communication skills): 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.  OF5 (Learning skills): 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

Modulo: A000675 - PROGETTO DI STRUTTURE IN ZONA SISMICA Il corso viene erogato mediante lezioni frontali (24 ore) ed esercitazioni in aula (24 ore) per ciascun modulo, per un totale relativo all'intero corso di 96 ore, di cui 48 di lezioni frontali e 48 di esercitazioni. Le lezioni frontali sono svolte con l'ausilio di computer, proiettando su schermo gli appunti in PowerPoint relativi all'argomento trattato. Alla fine della lezione tali appunti vengono forniti agli studenti, essendo utili come guida per lo studio a casa. Le esercitazioni vengono svolte dal docente su alcuni esempi fondamentali e successivamente dagli studenti sotto la guida del docente. Queste esercitazioni si riferiscono alla elaborazione dell’analisi e del progetto di strutture in zona sismica. Esse rappresentano un momento fondamentale di interazione e di partecipazione nel quale è incoraggiato il lavoro di gruppo e il confronto tra i risultati ottenuti. Nel corso delle esercitazioni gli studenti vengono chiamati a turno per illustrare i risultati ottenuti in modo da stimolare la loro capacità di formulare soluzioni elaborate in autonomia o in gruppo, da acquisire dimestichezza con la presentazione dei risultati e affinare la loro capacità di espressione utilizzando un linguaggio rigoroso. Il confronto tra gli studenti è volto alla loro complessiva maturazione, che va oltre il mero apprendimento della disciplina. Modulo: 152 - ANALISI DI STRUTTURE IN ZONA SISMICA Il corso viene erogato mediante lezioni frontali (24 ore) ed esercitazioni in aula (24 ore), per un totale relativo all'intero corso di 48. Le lezioni frontali sono svolte alla lavagna e/o con l'ausilio di computer, proiettando su schermo gli appunti in PowerPoint relativi all'argomento trattato. Alla fine della lezione tali appunti vengono forniti agli studenti, essendo utili come guida per lo studio a casa. Le esercitazioni vengono svolte dal docente su alcuni esempi fondamentali e successivamente dagli studenti sotto la guida del docente. Queste esercitazioni si riferiscono all’analisi di strutture soggette ad azioni dinamiche con particolare attenzione alla forzante sismica. Esse rappresentano un momento fondamentale di interazione e di partecipazione nel quale è incoraggiato il lavoro di gruppo e il confronto tra i risultati ottenuti. Nel corso delle esercitazioni gli studenti vengono chiamati a turno per illustrare i risultati ottenuti in modo da stimolare la loro capacità di formulare soluzioni elaborate in autonomia o in gruppo, da acquisire dimestichezza con la presentazione dei risultati e affinare la loro capacità di espressione utilizzando un linguaggio rigoroso.

Teaching Methods

Modulo: A000675 - PROGETTO DI STRUTTURE IN ZONA SISMICA The course is held through oral lectures (24 hours) accompanied by seminars and exercises (24 hours) for each module, with a total of 96 hours of which 48 hours of oral lectures and 48 hours for seminars and exercises. Oral lectures are held through computer, by projecting slides in PowerPoint related to the topics. At the end of each lecture, the slides are distributed among the students, and are a useful reference for homework. Exercises are performed by the Professor through fundamental examples and, afterwards, by students under the supervision of the Professor. These exercises concern the analysis and design of structures under seismic load. This is a fundamental learning step for interaction and participation, wherein team working is encouraged. During these exercises, students are examined to illustrate the results achieved, so as to trigger their critical capacity to formulate elaborated solutions based on their own work as well as in teams. Critical comparison among students is constructive to their overall maturation and learning. Modulo: 152 - ANALISI DI STRUTTURE IN ZONA SISMICA The course is held through oral lectures (24 hours) accompanied by seminars and exercises (24 hours) for a total of 48 hours. Oral lectures are held by using blackboard and/or computer, by projecting slides in PowerPoint related to the topics. At the end of each lecture, the slides are distributed among the students, and are a useful reference for homework. Exercises are performed by the Professor through fundamental examples and, afterwards, by students under the supervision of the Professor. These exercises concern the analysis of structures under dynamic and seismic loads. This is a fundamental learning step for interaction and participation, wherein team working is encouraged. During these exercises, students are examined to illustrate the results achieved, so as to trigger their critical capacity to formulate elaborated solutions based on their own work as well as in teams.

Prerequisiti

Per poter frequentare utilmente il corso di Analisi e Progetto di Strutture in Zona Sismica 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 Dinamica 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 Analysis and Design of Seismic Structures 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 Dynamics 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

Modulo: A000675 - PROGETTO DI STRUTTURE IN ZONA SISMICA La verifica dell’apprendimento è effettuata con un colloquio orale, al fine di verificare l'apprendimento degli strumenti teorici e analitici forniti durante il corso, e discussione degli elaborati assegnati per l’analisi e la progettazione di strutture soggette ad azioni sismiche. Durante la prova orale sono oggetto di valutazione il rigore metodologico e la proprietà di linguaggio nell'esposizione degli argomenti. In tal modo la valutazione finale viene riformulata tenendo conto della qualità degli elaborati scritti consegnati e della prova orale. Modulo: 152 - ANALISI DI STRUTTURE IN ZONA SISMICA La verifica dell’apprendimento è effettuata con un colloquio orale, al fine di verificare l'apprendimento degli strumenti teorici e analitici forniti durante il corso, e discussione degli elaborati assegnati per l’analisi di strutture soggette ad azioni sismiche. Durante la prova orale sono oggetto di valutazione il rigore metodologico e la proprietà di linguaggio nell'esposizione degli argomenti. In tal modo la valutazione finale viene riformulata tenendo conto della qualità degli elaborati scritti consegnati e della prova orale.

Assessment

Modulo: A000675 - PROGETTO DI STRUTTURE IN ZONA SISMICA Verification of learning is carried out through an oral exam to verify the learning of theoretical concepts of the course, and the discussion of the exercises and projects related to the analysis and the design of structures subjected to seismic loads. During the oral exam, methodological rigor and the language confidence in the presentation of the topics are also evaluated. In this way, the final evaluation is reformulated taking into account the quality of the written projects/exercises and the oral test. Modulo: 152 - ANALISI DI STRUTTURE IN ZONA SISMICA Verification of learning is carried out through an oral exam to verify the learning of theoretical concepts of the course, and the discussion of the exercises and homeworks related to the analysis of structures subjected to dynamic and seismic loads. During the oral exam, methodological rigor and the language confidence in the presentation of the topics are also evaluated. In this way, the final evaluation is reformulated taking into account the quality of the exercises and the oral test.

Programma del Corso

Modulo: A000675 - PROGETTO DI STRUTTURE IN ZONA SISMICA Modulo Progetto di Strutture in zona sismica - Dinamica sismica (richiami) o Smorzamento viscoso ed isteretico o Spettro di risposta elastico o Analisi modale o Oscillatore elasto-plastico e spettro di progetto o Fattore di riduzione delle forze e duttilità o Confronto tra risposta di un oscillatore lineare e non lineare - Azione sismica secondo le Norme Tecniche per le Costruzioni (richiami) o Approccio prestazionale o Pericolosità sismica di un sito - Filosofia generale della progettazione antisismica o Il collasso delle strutture per azione sismica o L'ipotesi di uguale spostamento o Rigidezza, resistenza e duttilità o Analisi in termini energetici o Considerazioni in tema di sicurezza sismica o L'accelerazione assoluta o Approcci progettuali alle forze e agli spostamenti: un esempio - Duttilità di elementi in calcestruzzo armato o La duttilità dei materiali, della sezione, dell'elemento, e la duttilità strutturale o Modelli costitutivi per il calcestruzzo non confinato e confinato o La duttilità del calcestruzzo confinato o Legge di Park (1975), Scott & Park (1982), Mander, Priestley e Park (1988) o La duttilità di sezioni in cemento armato o Curvature di snervamento e ultima o Sezioni inflesse a semplice e doppia armatura o Verifica della duttilità di sezioni inflesse o Progetto a duttilità controllata di sezioni inflesse o Duttilità di sezioni presso-inflesse o Influenza dello sforzo normale nella duttilità di sezioni presso-inflesse o Verifica della duttilità di sezioni presso-inflesse o Progetto di sezioni presso-inflesse a duttilità controllata o La cerniera plastica o Valutazione delle rotazioni di collasso di elementi in cemento armato o Duttilità in traslazione di strutture multipiano - Metodi di analisi strutturale o Analisi statica lineare o Analisi dinamica multi-modale o Analisi statica non lineare (pushover) o Definizione della capacità strutturale o Valutazione del punto di prestazione nel piano ADRS o Analisi dinamiche non lineari, selezione degli accelerogrammi - Criteri generali di progettazione in zona sismica o Il "Conceptual Design" nella progettazione degli edifici sismoresistenti o Dimensioni, distribuzione di masse e rigidezze, semplicità e simmetria o Ridondanza e robustezza o Regolarità strutturale: criteri o Tipologie strutturali o Sottosistemi strutturali intelaiati e a pareti o misti (telaio-parete) o Strutture a martello - Progetto e verifica degli elementi strutturali in calcestruzzo armato in zona sismica o Materiali: calcestruzzo e acciaio o Criteri di verifica in termini di resistenza e duttilità o Travi, verifica a flessione semplice e a taglio, dettagli costruttivi o Pilastri, verifica a pressoflessione e a taglio, dettagli costruttivi o Nodi trave-pilastro, verifiche, dettagli costruttivi - Progetto antisismico con dispositivi di dissipazione e di isolamento (cenni) o Caratteristiche dei dispositivi di dissipazione isteretica o Caratteristiche dei dispositivi di dissipazione viscosa o Progettazione di edifici con smorzamento supplementare o Caratteristiche dei dispositivi di isolamento di tipo elastomerico o Caratteristiche dei dispositivi di isolamento a scorrimento o Comportamento e progettazione di strutture isolate alla base Modulo: 152 - ANALISI DI STRUTTURE IN ZONA SISMICA 1. Vibrazioni libere e forzate di oscillatori elementari Vibrazioni libere non smorzate; vibrazioni libere smorzate. Vibrazioni forzate per forzante sinusoidale e periodica; equazioni del moto e risposta in termini di variabili di stato; funzioni risposta al gradino unitario e all’impulso unitario; risposta a una forzante qualunque, formulazione integrale e formulazione incrementale. Spettri di risposta per forzanti descritte da leggi analitiche. Bilancio energetico. 2. Modellazione dell’azione sismica sulle strutture Cenni sulla natura e proprietà dei terremoti. Equazioni del moto di un oscillatore elementare soggetto a un moto sismico. Calcolo della risposta di oscillatori elementari soggetti a un moto di trascinamento alla base. Spettri di un accelerogramma, spettro di risposta, spettro di progetto elastico. 3. Vibrazioni libere di strutture a più gradi di libertà Equazione del moto di strutture non smorzate, considerazioni preliminari, le equazioni di equilibrio in statica ed in dinamica. Considerazioni sulle matrici di rigidezza e d’inerzia. Condensazione statica delle equazioni del moto. Vibrazioni libere non smorzate: modi propri di vibrare, proprietà di ortogonalità degli autovettori, vibrazioni libere mediante la combinazione delle forme modali. Considerazioni sulla matrice di dissipazione: la matrice di dissipazione modale; costruzione diretta della matrice di dissipazione col metodo delle velocità; la modellazione di Rayleigh della matrice di dissipazione; considerazioni sul rapporto di smorzamento. Vibrazioni libere di strutture classicamente smorzate. Soluzione in termini di variabili di stato. 4. Vibrazioni forzate di strutture a più gradi di libertà Analisi modale, considerazioni preliminari. Spazio nodale e spazio modale. Il metodo di sovrapposizione delle risposte modali. Risposta nel dominio del tempo per strutture classicamente smorzate, formulazione integrale e formulazione incrementale: metodo dell’interpolazione costante o lineare della forzante. Bilancio energetico nello spazio modale e nodale. 5. Risposta dinamica di strutture multipiano soggette ad eccitazioni sismiche Equazioni del moto di strutture intelaiate piane e multipiano spaziali soggette ad un moto di trascinamento alla base. Considerazioni sul calcolo delle sollecitazioni. Calcolo della risposta di strutture piane e multipiano spaziali, mediante la formulazione integrale e quella incrementale. Calcolo dei massimi della risposta nodale mediante combinazione di quelli modali, valutati utilizzando la tecnica dello spettro di progetto elastico, forze statiche equivalenti.

Course Syllabus

Modulo: A000675 - PROGETTO DI STRUTTURE IN ZONA SISMICA Modulo Progetto di Strutture in zona sismica - Structural dynamics concepts (basics) o Viscous and hysteretic damping o Elastic response spectrum o Modal analysis o Elasto-plastic SDoF and inelastic design spectrum o Force reduction factor and ductility o Comparison between linear and nonlinear SDoF - Seismic action according to Italian Building Code (basics) o Performance-based approach o Seismic hazard of a site - General philosophy of seismic design o Structural collapse due to seismic action o Hypothesis of equal displacement o Stiffness, strength and ductility o Energy-based analysis o Seismic safety considerations o Absolute acceleration o Force-based and displacement-based design approaches: an example - Ductility of reinforced concrete elements o Ductility of materials, of section, of element, and structural ductility o Constitutive models for unconfined and confined concrete o Ductility of confined concrete o Park (1975), Scott & Park (1982), Mander, Priestley e Park (1988) models o Ductility of reinforced concrete sections o Yielding and ultimate curvature o Sections in bending with simple and double reinforcement o Verification of ductility of sections in bending o Ductility-based design of sections in bending o Ductility of sections in combined bending and axial force o Influence of the axial force on the ductility of sections o Verification of ductility of sections in combined bending and axial force o Ductility-based design of sections in combined bending and axial force o Plastic hinge concept o Evaluation of collapse rotation of reinforced concrete elements o Translational ductility of multi-storey structures - Structural analysis methods o Equivalent linear static analysis o Linear multi-mode dynamic analysis (with response spectrum) o Static nonlinear (pushover) analysis o Definition of the structural capacity o Identification of the performance point in the ADRS plane o Dynamic nonlinear analysis, selection of earthquake records - General criteria of seismic design o "Conceptual Design" o Dimensions, distributions of masses and stiffnesses, simplicity and symmetry o Redundancy and robustness o Structural regularity: criteria o Structural typologies o Structural framed subsystems and wall subsystems and mixed (wall-frame) systems o Hammer-like structures - Design and verification of reinforced concrete structural elements under seismic action o Materials: concrete and steel o Verification criteria in terms of strength and ductility o Beams, bending and shear verification, constructive details o Columns, combined bending with axial force and shear verification, constructive details o Beam-column joints, verification, constructive details - Design with passive energy dissipation systems and seismic isolation (basics) o Hysteretic dampers o Viscous dampers o Design of structures with supplemental damping o Elastomeric isolators o Sliding isolators o Dynamic behaviour and design of base-isolated structures Modulo: 152 - ANALISI DI STRUTTURE IN ZONA SISMICA 1. Free and forced vibrations of Single­Degree­of­Freedom (SDoF)systems Undamped and damped free vibrations, critically damped systems, undercritically damped systems, overcritically­damped systems. Free­vibration decay method, resonant amplification method. Response to harmonic and periodic loadings. Equations of motion and response in state-variables. Response to unit step function and to impulsive load. Response to general dynamic loading: analysis through the time domain, formulation of response integral, numerical evaluation of response integral. Response spectra for deterministic loads. Energy balance. 2. Modelling of strong ground motions Introductory elements on seismicity measures of earthquake size. Equation of motion free field surface ground motions. Response spectrum shapes, peak ground accelerations, design response spectra, strategies of seismic design. Husid function. 3. Undamped Free Vibrations of Multi-Degree-of Freedom (MDoF) systems Selection of the degrees of freedom, dynamic equilibrium condition. Evaluation of structural property matrices: Elastic properties (flexibility, stiffness), Mass properties (lumped mass matrix, consistent mass matrix), Damping properties. Static condensation of stiffness matrix. Analysis of vibration frequencies. Analysis of vibration mode shapes, orthogonality conditions. Analysis of free vibrations by using mode superposition: normal coordinates, undamped uncoupled equations of motion, uncoupled equations of motion in presence of viscous damping. Construction of proportional viscous damping matrices, Rayleigh damping, alternative formulation. Solution of motion’s equations in state-variable. 4. Analysis of MDOF dynamic response by modal analysis Modal analysis, nodal (or geometric) space and modal (or generalized) subspace, mode-superposition method. Response to general dynamic loading by step-by-step method in state variables. Energy balance in modal and nodal spaces. 5. Deterministic earthquake response Motion’s equations of plane and spatial structures subjected to earthquake motion. Earthquake response of structures by means of response spectra: SRSS and CQC Combination of modal responses. Equivalent static force method