interazione dinamica terreno-struttura
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INTERAZIONE DINAMICA TERRENO STRUTTURA DI EDIFICI CON FONDAZIONI SUPERFICIALI E PROFONDE EUCENTRE European Centre for Training and Research in Earthquake Engineering Carlo G. LAI, PhD La Spezia, 1 Ottobre 2011 Università degli Studi di Pavia Istituto Universitario di Studi Superiori di Pavia Sommario • Danni indotti da terremoti a sistemi fondazionali • Interazione dinamica terreno-struttura − generalità e concetti di base − interazione cinematica ed inerziale e cinematica − metodi di analisi: approccio diretto e tecnica delle sottostrutture − interazione dinamica in fondazioni superficiali e profonde • Esempi e casi studio • Riferimenti bibliografici 2 Danni indotti da terremoti a sistemi fondazionali 3 danni indotti da terremoti a fondazioni suolo rigido Izmit, Turchia, 17 Agosto 1999 (M = 7.4) Danni alla città di Adapazari 4 danni indotti da terremoti a fondazioni suolo soffice Izmit, Turchia, 17 Agosto 1999 (M = 7.4) Danni alla città di Adapazari 5 danni indotti da terremoti a fondazioni suolo soffice Izmit, Turchia, 17 Agosto 1999 (M = 7.4) Danni alla città di Adapazari 6 danni indotti da terremoti a fondazioni suolo soffice Izmit, Turchia, 17 Agosto 1999 (M = 7.4) Danni alla città di Adapazari 7 danni indotti da terremoti a fondazioni suolo soffice Izmit, Turchia, 17 Agosto 1999 (M = 7.4) Danni alla città di Adapazari 8 danni indotti da terremoti a fondazioni Rottura nel punto di connessione di una pila con un palo trivellato di un ponte all’interscambio dell’autostrada “Golden State” con l’autostrada “Foothill” durante il terremoto di San Fernando nel 1971 (da Penzien, 1971) 9 danni indotti da terremoti a fondazioni 10 danni indotti da terremoti a fondazioni 11 danni indotti da terremoti a fondazioni 12 danni indotti da terremoti a fondazioni Terremoto di Kobe, Giappone, 1995 13 danni indotti da terremoti a opere sostegno Terremoto di Niigata-ken Chuetsu 2004 (Giappone) Danni a infrastrutture viarie dovuto a collasso di opere di sostegno Koseki e al. (2005) 14 danni indotti da terremoti a opere sostegno Tatsuoka (2006) Tatsuoka (2006) 15 danni indotti da terremoti a opere sostegno Terremoto di Chi Chi 1999 (Taiwan) Danneggiamento dovuto a ribaltamento Fang et al. (2003) 16 danni indotti da terremoti a opere sostegno Terremoto di Chi Chi 1999 (Taiwan) Danneggiamento dovuto a ribaltamento (Digha di Shin-Kang) Vojoudi (2003) 17 danni indotti da terremoti a opere sostegno Tatsuoka (2006) 18 danni indotti da terremoti a opere sostegno Terremoto di Chi Chi 1999 (Taiwan) Fang e al. (2003) Terremoto di El Salvador 2001 Vojoudi (2003) 19 danni indotti da terremoti a opere sostegno Danneggiamento a strutture portuali Vojoudi (2003) Nozu e al. (2004) Terremoto di Kobe (Hyogo-ken Nanbu) 1995 (Giappone) 20 danni indotti da terremoti a opere sostegno Terremoto di Chi Chi 1999 (Taiwan) Fang et al. (2003) 21 danni indotti da terremoti a opere sostegno Terremoto di Chi Chi 1999 (Taiwan) Danneggiamento dovuto a dislocazione di faglia Vojoudi (2003) 22 Interazione dinamica terrenostruttura: aspetti generali 23 interazione dinamica terreno-struttura DEFINIZIONE GENERALE DEL PROBLEMA: “Interazione terreno-struttura è un termine usato per descrivere i fenomeni che avvengono lungo la superficie di contatto di un elemento strutturale (ad es. fondazione superficiale, fondazione su pali, muro di sostegno delle terre) con il terreno circostante e caratterizzati dall’aspetto peculiare che gli sforzi agenti lungo la superficie di contatto NON POSSONO essere definiti senza simultaneamente determinare il campo di deformazione e spostamento lungo la superficie di contatto“. La peculiarità dell’interazione terreno-struttura è l’esistenza di un ACCOPPIAMENTO tra “l’azione” (pressione di contatto) e la “reazione” (spostamento dei punti all’interfaccia terreno-struttura) lungo la superficie di contatto per cui “l’azione” può essere determinata solo CONGIUNTAMENTE alla “reazione”. Il termine “interazione” è istruttivo del significato del fenomeno poiché “l’azione” dipende dalla “reazione” e cioè dalla deformazione dell’interfaccia. 24 interazione dinamica terreno-struttura DEFINIZIONE GENERALE DEL PROBLEMA: La soluzione di un problema di interazione terreno-struttura richiede una idealizzazione del comportamento di due sistemi: • “la struttura” • “il terreno” e anche delle condizioni al contorno (o di interfaccia) (ad es. vincolo unilaterale, interfaccia liscia, incollata, etc). Il modello elastico lineare (o rigido-plastico) è una scelta naturale per rappresentare il comportamento costitutivo dell’elemento strutturale. Per quel che concerne il comportamento del “terreno”, il cosiddetto “modello di Winkler” è tra le idealizzazioni più comuni. Nella teoria dell’elasticità i problemi di interazione terreno-struttura fanno parte della categoria dei “problemi di contatto”. 25 interazione dinamica terreno-struttura DEFINIZIONE GENERALE DEL PROBLEMA: In statica il modello di Winkler è composto da una distribuzione continua di molle sconnesse lineari/non-lineari: telaio in c.a. su suolo alla Winkler 26 interazione dinamica terreno-struttura ESEMPIO: Pile Displacement MODELLO DI SUOLO ALLA WINKLER u(z,t) Equazione del moto del palo z Kh Kh(z)[uS(z,t)-u(z,t)] 4u z , t 2u z , t EI A 4 2 z t K h z u S z, t u z, t uS(z,t) Soil Deformation Induced by Seismic Excitation 27 interazione dinamica terreno-struttura MODELLO DI SUOLO ALLA MINDLIN ESEMPIO: Pile Displacement u(z,t) Equazione del moto del palo z 1 z' p(z,t) Soil Unknown Reaction uS(z,t) 4u z , t 2u z , t A pz, t 0 EI 4 2 z t L 0 G z, z ' , t pz ' , t dz ' u S z , t u z , t Soil Deformation Induced by Seismic Excitation 28 interazione dinamica terreno-struttura DEFINIZIONE GENERALE DEL PROBLEMA: • Valutazione della risposta meccanica di una struttura ad una eccitazione esterna variabile nel tempo tenendo conto della: examples of excitations kinematic interaction radiation damping a) b) c) d) deformabilità del suolo e del sistema fondazionale dissipazione di energia nel suolo per radiazione geometrica dissipazione di energia nel suolo per inelasticità di quest’ultimo inabilità della fondazione a conformarsi al moto di campo libero 29 interazione dinamica terreno-struttura DEFINIZIONE DEL PROBLEMA: CASO DELLA SORGENTE SISMICA Soil-Foundation Structure System (from Stewart et al., 1998) (adapted from Gazetas and Mylonakis, 1998) 30 interazione dinamica terreno-struttura DEFINIZIONE DEL PROBLEMA: CASO SORGENTE VIBRATORIA (from Gazetas, 1991) 31 interazione dinamica terreno-struttura METODI DI ANALISI: Come la presenza della struttura modifica il moto del terreno ? moto di ingresso in fondazione Moto in condizioni di campo libero terreno roccia 32 interazione dinamica terreno-struttura METODI DI ANALISI: la risposta del terreno influisce sulla risposta della struttura, e la risposta della struttura influisce sulla risposta del terreno interazione dinamica terreno-struttura Due fenomeni: Interazione Cinematica Interazione Inerziale La presenza di fondazioni rigide superficiali o approfondite produce una differenza tra il moto della fondazione e quella del terreno in condizioni di campo libero La risposta inerziale della struttura un taglio e un momento alla base che causano spostamenti della fondazione rispetto al moto del terreno in condizioni di campo libero 33 interazione dinamica terreno-struttura METODI DI ANALISI: Due approcci: Approccio diretto – modellazione terreno e struttura insieme Richiede un adeguato modello della struttura e del terreno in un unico codice di calcolo 34 interazione dinamica terreno-struttura METODI DI ANALISI: Approccio diretto – modellazione terreno e struttura insieme üff üff üff 35 interazione dinamica terreno-struttura METODI DI ANALISI: Approccio diretto – modellazione terreno e struttura insieme • Caratteristiche generali: - metodi discretizzazione FEM, BEM, SEM, ibridi - onere computazionale elevato (analisi 3D) - problema delle frontiere assorbenti - problema “spaziatura” alle alte frequenze - metodo rigoroso, ideale per analisi nonlineari üff - risultati sensibili a incertezza parametri suolo (from Macchi & Pavese, 1999) 36 interazione dinamica terreno-struttura METODI DI ANALISI: Due approcci: Approccio delle sottostrutture – modellazione separata IDTS Cinematica IDTS Inerziale Si possono usare diversi codici per la risposta del sistema fondazione-terreno e struttura La sovrapposizione richiede la linearità 37 interazione dinamica terreno-struttura Metodo delle sottostrutture + Da Mylonakis et al. (2006) 38 interazione dinamica terreno-struttura Metodo delle sottostrutture • Caratteristiche generali: kinematic interaction - analisi è rigorosa per sistemi lineari (teorema (di sovrapposizione, Kausel e Roësset, 1974) - metodologia applicabile anche a sistemi moderatamente non-lineari (analisi LE) inertial interaction - principale vantaggio è flessibilità (ciascuna fase di analisi è indipendente dalle altre) - effetti interazione cinematica spesso ignorati (non sempre questo è giustificato) (from Kramer, 1996) 39 interazione dinamica terreno-struttura Metodo delle sottostrutture • Interazione cinematica generalità e caratteristiche principali (from Kramer, 1996) - causata da una possibile incompatibilità tra gli spostamenti indotti dal sisma in condizioni di campo libero e la rigidezza della fondazione che si oppone a subirli; - tre sono i meccanismi per cui moto della fondazione è diverso da quello di campo libero: 1) regolarizzazione del moto del suolo in campo libero alla base di impronta della fondazione; 2) effetti dell’interramento della fondazione dovuti alla riduzione del moto sismico con la profondità; 3) scattering del campo d’onda in corrispondenza degli angoli e delle asperità della fondazione. 40 interazione dinamica terreno-struttura Metodo delle sottostrutture • Interazione cinematica generalità e caratteristiche principali (from Kramer, 1996) - può indurre nel sistema fondazionale modi di vibrazione addizionali (per es. oscillazioni flessionali e torsionali) non presenti nello moto di campo libero; - effetti interazione cinematica più difficili da valutare rispetto a quelli interazione inerziale; - nella valutazione interazione cinematica (FIM) si considerano nulle masse della struttura. 41 interazione dinamica terreno-struttura Metodo delle sottostrutture • Interazione cinematica definizione del “Foundation Input Motion” 1 2 interazione cinematica uFIM(t) deconvoluzione ub(t) ub(t) 42 interazione dinamica terreno-struttura Metodo delle sottostrutture • Interazione inerziale generalità e caratteristiche principali 1 2 funzioni impedenza dinamica (from Stewart et al., 1998) analisi dinamica sovrastruttura - effetti prodotti dalla deformabilità e dissipazione energetica nel suolo del moto vibratorio sulla risposta dinamica di una struttura; - la valutazione degli effetti dell’interazione inerziale viene compiuta in due fasi: 1) calcolo delle funzioni di impedenza dinamica (FID) al livello della fondazione; 2) calcolo della risposta dinamica della sovrastruttura vincolata alla base dalle FID e soggetta a FIM. 43 interazione dinamica terreno-struttura Metodo delle sottostrutture • Interazione inerziale generalità e caratteristiche principali (from Stewart et al., 1998) - funzioni di impedenza dinamiche (FID) sono a valori complessi; dipendono da frequenza; - FID descrivono effetti caratteristiche rigidezza e smorzamento interazione suolo-struttura; - effetti interazione inerziale sono spesso più pronunciati di quelli interazione cinematica. 44 interazione dinamica terreno-struttura Metodo delle funzioni di impedenza dinamiche • Caratteristiche generali: - metodologia generale per definire la risposta dinamica di una fondazione - assimila il sistema suolo-fondazione ad un sistema a masse concentrate - assume regime vibrazioni armonico - facilmente generalizzabile a vibrazioni non armoniche con teorema di Fourier - sono stati sviluppati abachi e codici di calcolo per fondazioni più comuni (from Gazetas, 1991) 45 interazione dinamica terreno-struttura Metodo delle funzioni di impedenza dinamiche • Definizione: (from Gazetas, 1991) equazione di equilibrio dinamico z (t ) Fz (t ) Pz (t ) mu (from Gazetas, 1991) impedenza dinamica verticale Pz (t ) K z uz (t ) 46 interazione dinamica terreno-struttura Metodo delle funzioni di impedenza dinamiche • Definizione: equazione di equilibrio dinamico z (t ) K z uz (t ) Fz (t ) 0 mu sistema ad un grado di libertà (from Gazetas, 1991) impedenza dinamica verticale K z () Kz () iCz () (from Gazetas, 1991) 47 interazione dinamica terreno-struttura Funzioni di impedenza: sistemi ad 1 grado di libertà Interpretazione fisica della rigidezza dinamica e dello smorzatore per il grado di libertà verticale Sistema privo di massa 48 interazione dinamica terreno-struttura Metodo delle funzioni di impedenza dinamiche • Generalizzazioni ad altri modi di vibrazione: (from Gazetas, 1991) modi traslazionali (3); modi rotazionali (3) (from Gazetas, 1991) accoppiamento modo rotazionale-traslazionale 49 interazione dinamica terreno-struttura Metodo delle funzioni di impedenza dinamiche • Soluzioni disponibili: abachi e formule empiriche (Gazetas, 1991) (from Gazetas, 1991) 50 interazione dinamica terreno-struttura Metodo delle funzioni di impedenza dinamiche • Soluzioni disponibili: abachi e formule empiriche (Gazetas, 1991) (from Gazetas, 1991) 51 interazione dinamica terreno-struttura Metodo delle funzioni di impedenza dinamiche • Soluzioni disponibili: abachi e formule empiriche (Gazetas, 1991) (from Gazetas, 1991) (from Gazetas, 1991) (from Gazetas, 1991) 52 abachi e formule empiriche (Gazetas, 1991) Soluzioni disponibili interazione dinamica terreno-struttura 53 abachi e formule empiriche (Gazetas, 1991) Soluzioni disponibili interazione dinamica terreno-struttura 54 interazione dinamica terreno-struttura Funzioni di impedenza dinamiche Qv M Qh kq cq kh ch cv kv Kv = kv + icv Matrice 6 x 6 a valori complessi di funzioni di impedenza 3 coefficienti translazionali 3 coefficienti rotazionali Coefficienti misti (fuori dalla diagonale principale 55 interazione dinamica terreno-struttura Funzioni di impedenza dinamiche Validità principio di sovrapposizione – ipotesi linearità Richiede previa determinazione del FIM (Foundation Input Motion) kh kq cq qFIM uFIM ch cv kv (da Kramer, 2010) 56 interazione dinamica terreno-struttura Effetto dell’interazione dinamica terreno – struttura Modello semplificato Spostamento del terreno Spostamento dovuto all’oscillazione Spostamento dovuto alla distorsione della struttura Spostamento dovuto alla traslazione orizzontale 57 interazione dinamica terreno-struttura Effetto dell’interazione dinamica terreno - struttura Modello semplificato Incremento della flessibilità e dissipazione della fondazione Allungamento del periodo Incremento dello smorzamento ~ T k kh2 1 T ku kq ~ ~ 0 ~ (T / T )3 58 interazione dinamica terreno-struttura L’allungamento del periodo è trascurabile per una struttura flessibile su suolo rigido – i suoi effetti sono sensibili con l’incremento della rigidezza relativa struttura/terreno. ~ T/T Terreno rigido Struttura flessibile h/(VsT) Gli effetti IDTS sono piccoli per strutture flessibili su siti rigidi, ma significativi per strutture rigide su terreni soffici. Terreno soffice Struttura rigida 59 interazione dinamica terreno-struttura Lo smorzamento da radiazione è trascurabile per una struttura flessibile su suolo rigido – i suoi effetti sono sensibili con l’incremento della rigidezza relativa struttura/terreno. L’importanza relativa dello smorzamento da radiazione diminuisce con l’aumento del rapporto h/r (incremento della risposta di dondolio). Terreno rigido Struttura flessibile h/(Vh/(V sT) sT) Terreno soffice Struttura rigida Gli effetti di IDTS sono piccoli per strutture flessibili su siti rigidi ma diventano significativi per strutture rigide su siti soffici. 60 interazione dinamica terreno-struttura Effetto dell’interazione terreno - struttura Modello semplificato Incremento della flessibilità e dissipazione della fondazione: IDTS può ridurre le deformazioni strutturali e i carichi Allungamento del periodo Incremento smorzamento ~ T k kh2 1 T ku kq ~ ~ 0 ~ (T / T )3 61 interazione dinamica terreno-struttura Effetto dell’interazione terreno - struttura Modello semplificato IDTS può incrementare lo spostamento totale Incremento della flessibilità e dissipazione della fondazione Allungamento del periodo Incremento smorzamento ~ T k kh2 1 T ku kq ~ ~ 0 ~ (T / T )3 62 interazione dinamica terreno-struttura Effetti benefici dell’interazione dinamica terreno-struttura sulle strutture: (da Paolucci, 2010) 63 interazione dinamica terreno-struttura IN SINTESI: • IDTS non è significativa per il caso di strutture flessibili su suoli rigidi • IDTS può essere importante per strutture rigide su soli deformabili • Il periodo fondamentale di vibrazione di un sistema terreno-struttura è più lungo di quello corrispondente ad una struttura incastrata • Lo smorzamento effettivo di un sistema terreno-struttura è maggiore del solo smorzamento strutturale • Gli spostamenti totali possono aumentare per gli effetti di IDTS – questo può essere importante per strutture alte ravvicinate • Trascurare IDTS equivale ad assumere la struttura fondata su roccia 64 fondazioni profonde PROGETTAZIONE PER AZIONI SISMICHE In presenza di moto sismico, nei pali si sviluppano sollecitazioni dovute sia alle forze inerziali trasmesse dalla sovrastruttura (interazione inerziale) sia all’interazione tra palo e terreno (interazione cinematica). È opportuno che i momenti flettenti dovuti all’interazione cinematica siano valutati per le costruzioni di classe d’uso III e IV, per sottosuoli di tipo D o peggiori, in siti a sismicità media o alta (ag > 0,25g) e in presenza di elevati contrasti di rigidezza al contatto fra strati contigui di terreno. Le analisi per la valutazione delle sollecitazioni e degli spostamenti dei pali (dovute alle azioni inerziali e all’interazione cinematica) devono tener conto della rigidezza flessionale del palo e della dipendenza della rigidezza del terreno dallo stato tensionale e deformativo. 65 fondazioni profonde PROGETTAZIONE PER AZIONI SISMICHE Azioni cinematiche Azioni inerziali (http://www.ce.washington.edu/) 66 fondazioni profonde PROGETTAZIONE PER AZIONI SISMICHE fondazioni dirette livello di falda fondazioni su pali m ateriali sabbiosi sc iolti, saturi u0 terremoto di progetto RESISTENZE DELLE SABBIE IN ASSENZA DI TERREMOTO a t substrato stabile 67 fondazioni profonde PROGETTAZIONE PER AZIONI SISMICHE Per le fondazioni miste, di cui al § 6.4.3, l’interazione fra il terreno, i pali e la struttura di collegamento deve essere studiata con appropriate modellazioni, allo scopo di pervenire alla determinazione dell’aliquota dell’azione di progetto trasferita al terreno direttamente dalla struttura di collegamento e dell’aliquota trasmessa ai pali. Nei casi in cui l’interazione sia considerata non significativa o, comunque, si ometta la relativa analisi, le verifiche SLU e SLD devono essere condotte con riferimento ai soli pali. Nei casi in cui si consideri significativa tale interazione e si svolga la relativa analisi, le verifiche SLU e SLD devono soddisfare quanto riportato ai §§ 6.4.3.4 e 6.4.3.5, ove le azioni e le resistenze di progetto ivi menzionate sono da intendersi determinate secondo quanto specificato nel presente capitolo 7. 68 fondazioni profonde PROGETTAZIONE PER AZIONI SISMICHE Azioni inerziali approccio delle sottostrutture = K + iC 69 fondazioni profonde PROGETTAZIONE PER AZIONI SISMICHE Azioni cinematiche • Metodi semplificati - NEHRP (1997) - Dobry & O’Rourke (1983) Sovrastima dei risultati - Nikolaou et al, 2001 • Metodi dinamici semplificati - DBWF • Metodi dinamici avanzati - FEM, FDM, SEM 70 fondazioni profonde PROGETTAZIONE PER AZIONI SISMICHE Azioni cinematiche Azioni cinematiche indotte dal sisma sui pali in terreni “stabili” 71 fondazioni profonde PROGETTAZIONE PER AZIONI SISMICHE Azioni cinematiche Azioni cinematiche indotte dal sisma sui pali in terreni “instabili” 72 fondazioni profonde PROGETTAZIONE PER AZIONI SISMICHE Azioni cinematiche i Cedimenti indotti dal sisma sui pali in terreni “stabili” 73 fondazioni profonde PROGETTAZIONE PER AZIONI SISMICHE Metodi semplificati (Nikolaou et al, 2001) La formula proposta da (Nikolaou et al, 2001) consente di valutare il momento sollecitante del palo in corrispondenza dell’interfaccia fra due strati di diversa rigidezza. La formula non consente di valutare il momento agente lungo il fusto del palo. La derivazione è stata ottenuta imponendo nelle analisi un’eccitazione sismica stazionaria con frequenza prossima a quella fondamentale del deposito. 74 fondazioni profonde PROGETTAZIONE PER AZIONI SISMICHE Metodi semplificati (Nikolaou et al, 2001) L M 0.042 c d d 3 0.3 EP E1 0.65 VS 2 VS1 0.5 c amax 1h1 Tensione caratteristica all’interfaccia I pedici “1” si riferiscono sempre allo strato sup. Limiti: • inapplicabile per più di 2 strati • non fornisce momento di incastro • non fornisce info su alterazione moto sismico • formule cautelative (sollecitazione armonica) Nc= numero di cicli significativo 75 Esempi e casi di studio 76 fondazioni profonde Esempi applicativi: viadotto fondato su pozzi EndEnd-bearing Large Diameter Shaft (Caisson) = 5– 5–12 m, H = 15– 15–35 m Bedrock alluvione Viadotto: cap 110 m luce (photos by courtesy Eng. U. Hegg and C. Beltrami) 77 fondazioni profonde Esempi applicativi: viadotto fondato su pozzi Metodo delle sottostrutture Inertial Interaction Complete solution Frequency dependence Ug soil bedrock bridge + = Impedance Function Kh Kq Khq + Kinematic Interaction Ug UFIM Kh Kq Khq Foundation UFIM Input Motion soil (da Beltrami, 2004) 78 fondazioni profonde Esempi applicativi: viadotto fondato su pozzi 2) Interazione cinematica 1) Analisi di risposta sismica locale (SHAKE91) Rock outcrop FIM = ? Soil at free field H Soil layers Bedrock 3) Funzioni di impedenza dinamiche (DYNA4) bedrock üg=ugeit ! eit (da Beltrami, 2004) deformable Oscillazione eit soil H Kh=?, Kq=? Khq=? Frequency dependence 79 fondazioni profonde Esempi applicativi: viadotto fondato su pozzi Validazione del modello: benchmark test con il codice di calcolo SASSI Vs=400 m/s b=5 % ROCKING FIM Vs=700 m/s b=5 % El Centro N-S 1940, PGA 0.32g , H/R=5, bedrock: Vs=1200 m/s b=2.5 % 80 fondazioni profonde Esempi applicativi: viadotto fondato su pozzi Esempio: effetti interazione cinematica viadotto With Rocking input No Rocking input Axial Force Transverse Shear Longitudinal Shear Sollecitazioni alla base delle pile P1 P2 Sforzo normale e taglio Tx, Ty P3 (da Beltrami, 2004) 81 fondazioni profonde Esempi applicativi: viadotto fondato su pozzi With Rocking input No Rocking input Torsion Transverse Moment Longitudinal Moment Sollecitazioni alla base delle pile P1 P2 P3 Momenti flettenti Mxx, Myy e torcente (da Beltrami, 2004) 82 interazione dinamica suolo-struttura Analisi dinamica Torre Santa Maria Maggiore a Guardiagrele (Chieti) Santa Maria Maggiore 18.4 m Tower Model N. elements 80 116 Mosrly bricks but some wedges and shells 83 interazione dinamica suolo-struttura Caratterizzazione meccanica dei materiali costituenti la Torre Ground level First level Second level 84 interazione dinamica suolo-struttura Caratterizzazione meccanica dei materiali costituenti la Torre Chains Contact Behaviour Masonry Behaviour Compression Tension 3.5 0.09 0.08 3 0.07 Stress [MPa] 2.5 Stress [MPa] Thickness of the leaves of the “muro a sacco” are determined from a Endoscopy Study 2 Stone Masonry 1.5 Fill 1 0.06 0.05 0.04 Stone Masonry 0.03 Fill 0.02 0.5 0.01 0 0 0.0% 0.1% 0.2% 0.3% Total Strain 0.4% 0.5% 0 0.5 1 1.5 2 Crack Displacement [mm] 2.5 3 85 interazione dinamica suolo-struttura Caratterizzazione geologica del sito di costruzione Stralcio mappa geomorfologica di Guardiagrele (CH) (da Di Francesco, 2007) 86 interazione dinamica suolo-struttura Caratterizzazione geologica del sito di costruzione 87 interazione dinamica suolo-struttura Caratterizzazione geotecnica del sito di costruzione Parametri geotecnici da prove in sito e di laboratorio desunte da siti limitrofi falda acquifera assente (da Di Francesco, 2007) 88 interazione dinamica suolo-struttura Caratterizzazione geotecnica del sito di costruzione Valori parametri dinamici ottenuti da prove geofisiche sismiche down-Hole (da Di Francesco, 2007) 89 interazione dinamica suolo-struttura Sismicità storica dell’area di studio (da Di Francesco, 2007) 90 interazione dinamica suolo-struttura Modellazione topografica del sito di costruzione Layering estimated from boreholes and outcrop inspection Boreholes 40 80 60 Topography almost constant in the N-S direction => 2D Model 120 91 interazione dinamica suolo-struttura Modellazione geotecnica e topografica del sito di costruzione 1D column model for lateral boundaries Forces and velocities recorded at boundaries Tower Interface Model Action and Compensation at boundaries Complete Topography Model Input stress history compensated for absorbing boundary effect Deconvolution Accelerogram recorded on rock site with Magnitude and Distance according to the expected Scenario and corrected for intensity corresponding the Hazard at the site. 1D column model for lateral boundaries 92 interazione dinamica suolo-struttura Modellazione geotecnica del terreno e condizioni al contorno Equal DoF constrain in Y direction N. Hex (Brick) Elements 114359 Refined mesh at the link Clayly Lime Vs = 220 m/s Vp=710 m/s LysmerKuhlemeyer boundaries in X and Z At least 12 points per wavelength at 18 Hz (vertically only) Claystone Vs = 350 m/s Vp=1340 m/s Sand Vs = 125 m/s Vp=1280 m/s < 1% Damping between 2.5 & 18 Hz 93 interazione dinamica suolo-struttura Definizione dell’azione sismica di progetto Maximum Contribution to pga Mw 4.5-5.5 R 0-10 km Higher magnitudes are selected to estimate higher contribution at 0.5 s : Mw 5.5-6.5 Longer distance to avoid near field effects R 10-20 km 94 interazione dinamica suolo-struttura Risorse computazionali e algoritmo di calcolo Solution Scheme: Explicit Dynamics Solver: Abaqus/Explicit (double precision) Calculation Time Step: 5x10-5 s Computer: 2 Xeon 5520 (2.27 GHz) 16 Threads 12 GB RAM 64 bits Performance: ~6 increments per second about 1 second of record in 1 hour of calculation 95 interazione dinamica suolo-struttura Risultati preliminari (lavori in corso) analisi dinamica (ABAQUS) N. Elements 211 111 N. Nodes 240 811 N. Variables or DOF 723 588 Velocity Plot m/s (Lateral walls are not displayed for simplicity) For real EQ the plastic strains are checked as indication of damage Tower excited by a pulse 96 Riferimenti bibliografici 97 riferimenti bibliografici • Libri di testo: - Ansal, A. [2004]. “Recent Advances in Earthquake Geotechnical Engineering and Microzonation.” Kluwer Academic Publishers, Vol.1, Edited by Ansal, A., pp. 354. - Fang, H.Y. [1991]. “Foundation Engineering Handbook.”, VanNostrand Reinhold, 2a Ediz. pp. 553, Chapter 15 - Foundation Vibrations by Gazetas, G. - Kramer, S.L. [1996]. “Geotechnical Earthquake Engineering.”, Prentice-Hall, pp. 652. - Wolf, J.P. [1985].”Dynamic Soil-Structure Interaction.”, Prentice-Hall, pp. 466. - Wolf, J.P. & Song, C. 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