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. 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 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 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. 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 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 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

Il corso, al fine di raggiungere gli obiettivi formativi previsti, 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.

Teaching Methods

The course, in order to achieve the expected objectives, 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.

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

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.

Assessment

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.

Programma del Corso

------------------------------------------------------------ Modulo: A000675 - 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 ------------------------------------------------------------ - Vibrazioni libere e forzate di oscillatori elementari (richiami). - Vibrazioni libere e forzate di strutture a più gradi di libertà (richiami). - Complementi di analisi dinamica deterministica di strutture discretizzate: Analisi dinamica nel dominio del tempo di strutture non classicamente smorzate. Metodi di correzione modale. Analisi nel dominio della frequenza: Funzione di trasferimento per oscillatore elementare e per strutture a più gradi di libertà. Dissipazione isteretica lineare. - Elementi di analisi dinamica di strutture composte da sottostrutture; metodi di sintesi delle componenti modali. Richiami di analisi sismica di strutture multipiano spaziali. Tecniche di controllo delle vibrazioni (dissipatori, isolatori, sistemi a massa accordata). Metodi di analisi e progettazione di strutture in presenza di dispositivi di controllo passivo. - Elementi di teoria della probabilità e variabili aleatorie. - Elementi di teoria dei processi aleatori. - Analisi aleatoria di oscillatori lineari forzati da processi gaussiani. Formulazione integrale in termini di variabili di stato. Formulazione differenziale della risposta aleatoria non stazionaria. - Analisi aleatoria di strutture a più gradi di libertà forzate da processi gaussiani: Analisi aleatoria stazionaria nel dominio della frequenza di strutture classicamente smorzate per processo multivariato monocorrelato e per processo forzante multivariato-multicorrelato. Considerazioni su analisi aleatoria di strutture non classicamente smorzate. - Metodi per la valutazione dell’affidabilità nella dinamica aleatoria. Numero medio di attraversamenti di barriera da parte di processi aleatori. Istante di primo passaggio da parte di processi aleatori. Fattori di picco per processi aleatori gaussiani stazionari a media nulla. Metodo di simulazione numerica Monte Carlo. Cenni sui metodi di valutazione della sicurezza strutturale. - Modellazione stocastica dell’azione del vento e dell’azione sismica sulle strutture. Accelerogrammi spettrocompatibili. Modellazioni aleatorie non stazionarie dell’accelerazione sismica.

Course Syllabus

------------------------------------------------------------ Modulo: A000675 - 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 ------------------------------------------------------------ - Overview of Damped Free and Forced Vibrations of singledegreeoffreedom systems (SDoF). - Overview of Damped Free and Forced Vibrations of multidegreeoffreedom systems (MDoF). - Response of SDoF systems to general dynamic loading through the frequency domain analysis: Fourier response integral, discrete Fourier transforms; fast Fourier transforms; evaluation of dynamic response in frequency domain; relationship between the timeand frequencydomain; transfer functions. - Response of MDoF non-classically damped systems to general dynamic loading through the time domain analysis. - Response of MDoF classically and non-classically damped systems to general dynamic loading through the frequency domain analysis: Fourier response integral; discrete Fourier transforms; evaluation of dynamic response; relationship between the timeand frequencydomain; transfer functions matrix. - Dynamic analysis of structures composed by two or more substructures: the componentmode synthesis method; limitations of conventional structural design; seismic analysis of multi-story spatial structures (stiffness and mass matrix construction); non-conventional design of structures subjected to dynamic actions (passive damping devices, base isolations systems, tuned mass damper systems, active and semi-active control). - Fundamentals of probability theory and random processes. - Random vibrations: of linear SDoF systems under stationary and non-stationary Gaussian inputs: relationship between input and output autocorrelation functions; relationship between input and output power spectral density functions; response characteristics for narrowband systems; non-stationary mean square response resulting from zero initial conditions. - Failure analysis: characteristic frequency and bandwidth from rate of occurrence; probabilistic characterization of the time of first passage; modes of failure; probability distribution of peaks; extreme value distribution and Poisson approximation; improved estimates of the extreme value distribution; extreme value of zero-mean Gaussian responses; peak factors; Monte Carlo simulation. - Random Vibrations: of linear MDoF Systems under stationary Gaussian inputs: frequencydomain response for linear systems using normal modes; modelling of strong ground motions; design accelerograms; response spectrum compatible accelerograms; spatially correlated modelling of the wind actions on the structures and stationary meansquare structural response.