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Regione Campania<br />

Univ. <strong>di</strong> Napoli Federico II<br />

CORSO DI AGGIORNAMENTO<br />

SULLA NUOVA NORMATIVA SISMICA (OPCM 3274/2003 e 3431/2005)<br />

Napoli, 16 maggio 2005 – <strong>Dipartimento</strong> <strong>di</strong> <strong>Analisi</strong> e <strong>Progettazione</strong> <strong>Strutturale</strong><br />

ELEMENTI DI DINAMICA DELLE COSTRUZIONI<br />

(con riferimento alle attività <strong>di</strong> controllo dei progetti strutturali<br />

svolto dagli Uffici del Genio Civile della Regione Campania)<br />

prof. ing. Giorgio SERINO<br />

<strong>Dipartimento</strong> <strong>di</strong> <strong>Analisi</strong> e <strong>Progettazione</strong> <strong>Strutturale</strong><br />

Università degli stu<strong>di</strong> <strong>di</strong> Napoli Federico II<br />

1


SINTESI DELLA PRESENTAZIONE (1)<br />

Parte I<br />

Dinamica dei sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.1 Descrizione del modello ed equazione del moto<br />

I.2 Oscillazioni libere (periodo proprio e smorzamento)<br />

I.3 Risposta a forzante armonica (concetto <strong>di</strong> risonanza)<br />

I.4 Risposta al sisma (spettri <strong>di</strong> risposta elastici)<br />

I.5 Comportamento non-lineare (duttilità, spettri <strong>di</strong> progetto)<br />

2


SINTESI DELLA PRESENTAZIONE (2)<br />

Parte II<br />

Dinamica dei sistemi a più gra<strong>di</strong> <strong>di</strong> libertà<br />

I.1 Modellazione ed equazioni del moto<br />

I.2 Oscillazioni libere (perio<strong>di</strong> e mo<strong>di</strong> propri <strong>di</strong> vibrazione)<br />

I.3 Risposta a forzante armonica (concetto <strong>di</strong> risonanza)<br />

I.4 <strong>Analisi</strong> modale con spettro <strong>di</strong> risposta<br />

I.5 Modellazione <strong>di</strong> dettaglio <strong>di</strong> e<strong>di</strong>fici multipiano<br />

3


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.1. Descrizione del modello ed equazione del moto<br />

IMPALCATO RIGIDO<br />

COLONNE<br />

SENZA MASSA<br />

Sistema ad un g.d.l.: il più semplice modello <strong>di</strong>namico<br />

4


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.1. Descrizione del modello ed equazione del moto<br />

IMPALCATO RIGIDO<br />

COLONNE<br />

SENZA MASSA<br />

Sistema ad un g.d.l.: il più semplice modello <strong>di</strong>namico<br />

5


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.1. Descrizione del modello ed equazione del moto<br />

IMPALCATO RIGIDO<br />

COLONNE<br />

SENZA MASSA<br />

Sistema ad un g.d.l.: il più semplice modello <strong>di</strong>namico<br />

6


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.1. Descrizione del modello ed equazione del moto<br />

IMPALCATO RIGIDO<br />

COLONNE<br />

SENZA MASSA<br />

Sistema ad un g.d.l.: il più semplice modello <strong>di</strong>namico<br />

7


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.1. Descrizione del modello ed equazione del moto<br />

IMPALCATO RIGIDO<br />

COLONNE<br />

SENZA MASSA<br />

spostamento<br />

tempo<br />

Oscillazioni libere al rilascio<br />

Nella realtà le oscillazioni sono sempre smorzate (sono numerose le possibili fonti <strong>di</strong><br />

<strong>di</strong>ssipazione <strong>di</strong> energia) ed è necessario introdurre nel modello un elemento smorzatore 8


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.1. Descrizione del modello ed equazione del moto<br />

rigidezza<br />

laterale, k<br />

massa, m<br />

coefficiente <strong>di</strong><br />

smorzamento, c<br />

(a) modello idealizzato della costruzione<br />

forzante<br />

esterna,<br />

p (t )<br />

Parametri del modello<br />

• massa m (inerzia)<br />

• rigidezza k (elasticità)<br />

• smorzamento c (<strong>di</strong>ssipazione)<br />

(b) equilibrio delle forze<br />

Equazione del moto<br />

f ( t)<br />

+ f ( t)<br />

+ f ( t)<br />

p(<br />

t)<br />

I D S =<br />

m u&&<br />

( t)<br />

+ cu&<br />

( t)<br />

+ ku(<br />

t)<br />

= p(<br />

t)<br />

(c) colonne<br />

(d) smorzatore<br />

Il caso della forzante esterna agente<br />

9


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.1. Descrizione del modello ed equazione del moto<br />

Spostamento totale (rispetto ad un<br />

sistema <strong>di</strong> riferimento inerziale):<br />

u<br />

t<br />

( t)<br />

= u ( t)<br />

+ u(<br />

t)<br />

g<br />

Equazione del moto<br />

f ( t)<br />

+ f ( t)<br />

+ f ( t)<br />

=<br />

I<br />

D<br />

S<br />

0<br />

[ u&&<br />

( t)<br />

+ u&&<br />

( t)]<br />

+ cu&<br />

( t)<br />

+ ku(<br />

t)<br />

=<br />

m g<br />

0<br />

mu<br />

&<br />

( t)<br />

+ cu & ( t)<br />

+ ku(<br />

t)<br />

= −mu<br />

&& ( t)<br />

g<br />

Il caso del moto sismico alla base<br />

10


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.2. Oscillazioni libere (in assenza <strong>di</strong> smorzamento)<br />

ampiezza<br />

spostamento, u<br />

tempo, t<br />

Configurazioni deformate della struttura corrispondenti agli istanti 1, 2, 3, 4 e 5<br />

Equazione e con<strong>di</strong>zioni iniziali del moto<br />

m u&<br />

( t)<br />

+ ku(<br />

t)<br />

=<br />

0<br />

2<br />

u& &(<br />

t)<br />

+ ω u(<br />

t)<br />

=<br />

0<br />

Spostamento a t = 0: u(0)<br />

Velocità a t = 0: u&(0)<br />

k<br />

in cui:<br />

ω = =<br />

m<br />

pulsazionepropria<br />

11


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.2. Oscillazioni libere (in assenza <strong>di</strong> smorzamento)<br />

ampiezza<br />

spostamento, u<br />

tempo, t<br />

Configurazioni deformate della struttura corrispondenti agli istanti 1, 2, 3, 4 e 5<br />

Soluzione<br />

u&<br />

(0)<br />

u( t)<br />

= sen ωt<br />

+ u(0)cos<br />

ωt<br />

= Acos(<br />

ωt<br />

− ψ)<br />

ω<br />

=<br />

A<br />

=<br />

⎡<br />

⎢<br />

⎣<br />

u&<br />

2<br />

(0) ⎤<br />

ω ⎥<br />

⎦<br />

2<br />

+ [ u(0)<br />

] =<br />

ampiezza delleoscillazioni<br />

12


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.2. Oscillazioni libere (in assenza <strong>di</strong> smorzamento)<br />

ampiezza<br />

spostamento, u<br />

tempo, t<br />

Configurazioni deformate della struttura corrispondenti agli istanti 1, 2, 3, 4 e 5<br />

f<br />

1<br />

= T<br />

=<br />

ω<br />

2π<br />

=<br />

frequenza propria (o naturale) del sistema<br />

T<br />

=<br />

2 π = periodo proprio (o naturale)<br />

ω<br />

del sistema<br />

13


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.2. Oscillazioni libere (in presenza <strong>di</strong> smorzamento)<br />

Deca<strong>di</strong>mento esponenziale<br />

STRUTTURA NON SMORZATA<br />

STRUTTURA<br />

SMORZATA<br />

spostamento, u<br />

tempo, t<br />

Equazione e con<strong>di</strong>zioni iniziali del moto<br />

m u&&<br />

( t)<br />

+ cu&<br />

( t)<br />

+ ku(<br />

t)<br />

=<br />

0<br />

2<br />

u &&(<br />

t)<br />

+ 2ξωu&<br />

( t)<br />

+ ω u(<br />

t)<br />

=<br />

0<br />

Spostamento a t = 0: u(0)<br />

Velocità a t = 0: u&(0)<br />

c<br />

in cui:<br />

ξ = =<br />

2 km<br />

rapporto <strong>di</strong>smorzamento<br />

14


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.2. Oscillazioni libere (in presenza <strong>di</strong> smorzamento)<br />

Deca<strong>di</strong>mento esponenziale<br />

STRUTTURA NON SMORZATA<br />

STRUTTURA<br />

SMORZATA<br />

spostamento, u<br />

tempo, t<br />

Soluzione (per ξ


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.2. Oscillazioni libere (in presenza <strong>di</strong> smorzamento)<br />

Deca<strong>di</strong>mento esponenziale<br />

STRUTTURA NON SMORZATA<br />

STRUTTURA<br />

SMORZATA<br />

spostamento, u<br />

tempo, t<br />

f<br />

D<br />

= 1 = f 1− ξ<br />

2<br />

T<br />

=<br />

D<br />

frequenza del sistema<br />

smorzato<br />

T<br />

D<br />

=<br />

2π<br />

ω<br />

D<br />

=<br />

T<br />

1− ξ<br />

2 =<br />

periodo del sistema<br />

smorzato<br />

16


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.2. Oscillazioni libere (in presenza <strong>di</strong> smorzamento)<br />

rapporto <strong>di</strong> smorzamento, ξ<br />

VALORI DI x<br />

ASSUNTI NEI<br />

CASI REALI<br />

Influenza dello smorzamento sulla frequenza naturale<br />

17


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.2. Oscillazioni libere (in presenza <strong>di</strong> smorzamento)<br />

Oscillazioni libere per <strong>di</strong>versi valori dello smorzamento<br />

1: ξ=0% 2: ξ=1% 3: ξ=2% 4: ξ=5%<br />

18


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.2. Oscillazioni libere (in presenza <strong>di</strong> smorzamento)<br />

spostamento, u<br />

tempo, t<br />

u<br />

u<br />

i<br />

i+<br />

1<br />

πξ<br />

≈ e<br />

2<br />

decremento logaritmico :<br />

δ<br />

=<br />

u<br />

log<br />

u<br />

i<br />

i + 1<br />

≈<br />

2πξ<br />

u<br />

log<br />

u<br />

i<br />

i + j<br />

=<br />

j<br />

⋅δ<br />

19<br />

≈<br />

2jπξ


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.2. Oscillazioni libere (in presenza <strong>di</strong> smorzamento)<br />

Procedura<br />

1. Imporre u (0) e rilasciare la struttura<br />

2. Registrazione della risposta al rilascio<br />

spostamento, u<br />

tempo, t<br />

3. In<strong>di</strong>viduazione del periodo T<br />

(<strong>di</strong>stanza fra due massimi successivi)<br />

4. Misura ampiezza <strong>di</strong> due picchi: u i<br />

e u i+1<br />

5. Calcolo <strong>di</strong><br />

δ =<br />

1<br />

log<br />

u<br />

i<br />

j ui<br />

+ j<br />

6. Calcolo <strong>di</strong> ξ = δ 2π<br />

Prove <strong>di</strong> rilascio per la determinazione <strong>di</strong> T e x<br />

20


igidezza<br />

laterale, k<br />

massa, m<br />

coefficiente <strong>di</strong><br />

smorzamento, c<br />

forzante<br />

esterna,<br />

p (t )<br />

Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.3. Risposta a forzante armonica<br />

Equazione del moto<br />

mu&&( t)<br />

+ cu&<br />

( t)<br />

+ ku(<br />

t)<br />

= po sen ωt<br />

2<br />

u&&<br />

( t ) + 2ξωu&<br />

( t ) + ω u(<br />

t)<br />

= ust ω sen ωt<br />

2<br />

in cui:<br />

u<br />

st =<br />

p<br />

k<br />

o<br />

Soluzione (per ξ


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.3. Risposta a forzante armonica<br />

( ω − θ)<br />

u(<br />

t)<br />

= ustD<br />

sen t<br />

1442444<br />

3<br />

Risposta a regime<br />

(stato stazionario)<br />

Fattore <strong>di</strong>amplificazione :<br />

1<br />

D =<br />

2 2<br />

( 1− β ) + ( 2ξβ) 2<br />

Angolo <strong>di</strong> fase :<br />

⎛ 2ξβ<br />

⎞<br />

= arc tan⎜<br />

⎟<br />

⎝1−β<br />

⎠<br />

θ<br />

2<br />

22<br />

Concetto <strong>di</strong> risonanza


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.3. Risposta a forzante armonica<br />

Pulsazionesistema<br />

smorzato :<br />

ω D<br />

2<br />

= ω<br />

1− ξ<br />

2<br />

Pulsazione<strong>di</strong>risonanza :<br />

ω R<br />

= ω<br />

1−<br />

2ξ<br />

23<br />

Valutazione dello smorzamento: metodo della larghezza <strong>di</strong> banda


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.3. Risposta a forzante armonica<br />

Procedura<br />

1. In<strong>di</strong>viduazione della frequenza propria<br />

come frequenza <strong>di</strong> risonanza<br />

2. Misura della larghezza <strong>di</strong> banda ∆ω<br />

3. Valutazione <strong>di</strong> ξ = ∆ω / 2<br />

Prove con vibro<strong>di</strong>na per la determinazione <strong>di</strong> T e x<br />

24


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.4. Risposta al sisma<br />

Equazione del moto<br />

mu<br />

&<br />

( t)<br />

+ cu & ( t)<br />

+ ku(<br />

t)<br />

= −mu<br />

&& ( t)<br />

g<br />

u &<br />

( t)<br />

+ 2ξωu<br />

& ( t)<br />

+ ω<br />

2<br />

u(<br />

t)<br />

=<br />

−u<br />

&&<br />

g<br />

( t)<br />

Soluzione (per ξ


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.4. Risposta al sisma (spettri <strong>di</strong> risposta)<br />

Taglio allabase al tempo t<br />

:<br />

V<br />

o<br />

( t)<br />

=<br />

f<br />

s<br />

( t)<br />

=<br />

ku(<br />

t)<br />

=<br />

mω<br />

2<br />

u(<br />

t)<br />

Momento ribaltanteal<br />

tempo t<br />

:<br />

Mo ( t)<br />

= h fs(<br />

t)<br />

=<br />

hV<br />

o<br />

( t)<br />

Valori<br />

massimi<br />

duranteil sisma :<br />

V<br />

o, max = fs,max<br />

= k max u(<br />

t)<br />

=<br />

k S<br />

d<br />

M<br />

o,max<br />

=<br />

hV<br />

o,max<br />

S d<br />

= max u(<br />

t)<br />

=<br />

26<br />

spettro <strong>di</strong>risposta dellospostamento


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.4. Risposta al sisma (spettri <strong>di</strong> risposta)<br />

Spettro <strong>di</strong>risposta dellospostamento :<br />

S<br />

max u(<br />

t)<br />

d = 2<br />

Energia max nelsistemadurante il sisma:<br />

2<br />

1 2 1 ⎛ Sv<br />

⎞ 1<br />

Emax<br />

= kSd<br />

= k⎜<br />

⎟ = mSv<br />

2 2 ⎝ ω ⎠ 2<br />

Spettro <strong>di</strong>risposta dellapseudo-<br />

accelerazione :<br />

S<br />

a<br />

= ωS<br />

v<br />

= ω<br />

2<br />

S<br />

Spettro <strong>di</strong>risposta dellapseudo-<br />

velocità :<br />

2π<br />

Sv<br />

= ωSd<br />

= Sd<br />

T<br />

d<br />

27


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.5. Comportamento non-lineare (concetti base)<br />

Mensola in acciaio: comportamento oltre il limite elastico<br />

28


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.5. Comportamento non-lineare (concetti base)<br />

Oscillatore non-lineare: comportamento a spostamento controllato<br />

29


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.5. Comportamento non-lineare (concetti base)<br />

Oscillatore non-lineare: comportamento ciclico sotto sisma 30


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.5. Comportamento non-lineare (duttilità)<br />

In<strong>di</strong>viduazione modello elasto-plastico perfetto equivalente<br />

31


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.5. Comportamento non-lineare (duttilità)<br />

Fattore <strong>di</strong> duttilità :<br />

u<br />

µ = max<br />

u y<br />

32


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.5. Comportamento non-lineare (duttilità)<br />

Confronto risposta al sisma oscillatore elastico ed elasto-plastico<br />

equivalenza in spostamento<br />

equivalenza energetica<br />

33


Parte I: Sistemi ad un solo grado <strong>di</strong> libertà<br />

I.5. Comportamento non-lineare (duttilità)<br />

Oscillatore elasto-plastico:<br />

spettri a duttilità<br />

controllata (x = 10%)<br />

Terremoto <strong>di</strong> Imperial Valley<br />

(18 maggio 1940)<br />

registrazione <strong>di</strong> El Centro NS<br />

34


LETTURE CONSIGLIATE<br />

• Roberto Ramasco, “Dinamica delle strutture”, CUEN, Napoli, 1993.<br />

• Carlo Gavarini, “Dinamica delle strutture”, ESA, Roma, 1978.<br />

• Anil K. Chopra, “Dynamics of structures: a primer”, EERI, Berkeley, 1980.<br />

• Anil K. Chopra, “Dynamics of structures: theory and applications to earthquake<br />

engineering”, 2 nd e<strong>di</strong>tion, Prentice Hall, New York, 2001.<br />

• Ray W. Clough & Joseph Penzien, “Dynamics of structures, 2 nd e<strong>di</strong>tion,<br />

McGraw-Hill International, 1993.<br />

• Alberto Castellani ed Ezio Faccioli, “Costruzioni in zona sismica: meto<strong>di</strong> <strong>di</strong><br />

analisi e criteri <strong>di</strong> progetto, applicazioni, aspetti normativi”, Hoepli, Milano 2000<br />

• Miroru Wakabayashi, “Design of earthquake-resistant buil<strong>di</strong>ngs”, McGraw-Hill<br />

International, 1986.<br />

35


SISTEMA A 1 G.D.L.: EQUAZIONE DEL MOTO<br />

m& x<br />

+ cx&<br />

+ F ( x,<br />

x&<br />

,...)<br />

= −mx&<br />

R<br />

g<br />

+<br />

F<br />

− C<br />

m && x + cx&<br />

+ F ( x,<br />

x&<br />

,...) + C = F,<br />

essendo : x = x +<br />

t<br />

R<br />

t<br />

x<br />

g<br />

36


37<br />

∫<br />

∫<br />

∫<br />

∫<br />

∫ =<br />

+<br />

+<br />

+<br />

t<br />

t<br />

t<br />

R<br />

t<br />

t<br />

t<br />

Fdx<br />

Cdx<br />

dx<br />

x<br />

x<br />

F<br />

cxdx<br />

dx<br />

mx<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

,...)<br />

,<br />

( &<br />

&<br />

&&<br />

g<br />

t<br />

g<br />

t<br />

dx<br />

dt<br />

x<br />

dx<br />

dx<br />

dx<br />

−<br />

=<br />

−<br />

= &<br />

:<br />

in cui<br />

∫<br />

∫<br />

∫<br />

∫<br />

∫<br />

∫<br />

−<br />

=<br />

−<br />

=<br />

−<br />

=<br />

t<br />

g<br />

t<br />

t<br />

t<br />

g<br />

t<br />

t<br />

t<br />

t<br />

t<br />

g<br />

t<br />

t<br />

t<br />

t<br />

t<br />

t<br />

dx<br />

mx<br />

t<br />

mx<br />

dx<br />

mx<br />

dx<br />

mx<br />

dx<br />

mx<br />

dt<br />

x<br />

mx<br />

dx<br />

mx<br />

0<br />

2<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

)<br />

(<br />

2<br />

1<br />

&&<br />

&<br />

&&<br />

&<br />

&<br />

&&<br />

&<br />

&&<br />

&&<br />

{<br />

∫<br />

∫<br />

∫<br />

∫<br />

∫ +<br />

=<br />

+<br />

+<br />

+<br />

t<br />

t<br />

g<br />

t<br />

t<br />

t<br />

R<br />

t<br />

t<br />

Fdx<br />

dx<br />

mx<br />

Cdx<br />

dx<br />

F<br />

cxdx<br />

t<br />

mx<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

2<br />

)<br />

(<br />

2<br />

1<br />

&&<br />

&<br />

&<br />

[ ] )<br />

(<br />

)<br />

(<br />

)<br />

(<br />

)<br />

(<br />

)<br />

(<br />

)<br />

(<br />

)<br />

( t<br />

E<br />

t<br />

E<br />

t<br />

E<br />

t<br />

E<br />

t<br />

E<br />

t<br />

E<br />

t<br />

E<br />

F<br />

I<br />

S<br />

I<br />

C<br />

I<br />

H<br />

E<br />

K +<br />

=<br />

+<br />

+<br />

+<br />

+ ξ<br />

SISTEMA A 1 G.D.L.: BILANCIO ENERGETICO


Per<br />

t ≥ tq<br />

(con<strong>di</strong>zion e <strong>di</strong><br />

quiete<br />

al<br />

termine<br />

dell'azione)<br />

:<br />

E + E + E = E +<br />

ξ<br />

H<br />

C<br />

I<br />

S<br />

I<br />

E<br />

F<br />

I<br />

STRATEGIE DI PROGETTAZIONE<br />

• Ridurre l’energia <strong>di</strong> ingresso<br />

E +<br />

S<br />

I<br />

E<br />

F<br />

I<br />

• Incrementare l’energia viscosa <strong>di</strong>ssipata Eξ<br />

• Incrementare l’energia <strong>di</strong>ssipata per isteresi<br />

EH<br />

• Incrementare l’energia <strong>di</strong>ssipata dalla forza <strong>di</strong> controllo<br />

E<br />

38<br />

C I


SINTESI DELLA PRESENTAZIONE (2)<br />

Parte II<br />

Dinamica dei sistemi a più gra<strong>di</strong> <strong>di</strong> libertà<br />

I.1 Modellazione ed equazioni del moto<br />

I.2 Oscillazioni libere (perio<strong>di</strong> e mo<strong>di</strong> propri <strong>di</strong> vibrazione)<br />

I.3 Risposta a forzante armonica (concetto <strong>di</strong> risonanza)<br />

I.4 <strong>Analisi</strong> modale con spettro <strong>di</strong> risposta<br />

I.5 Modellazione <strong>di</strong> dettaglio <strong>di</strong> e<strong>di</strong>fici multipiano<br />

39


Parte II: Dinamica dei sistemi a più gra<strong>di</strong> <strong>di</strong> libertà<br />

II.1. Modellazione ed equazioni del moto<br />

E<strong>di</strong>ficio “shear type”<br />

Ipotesi <strong>di</strong> comportamento<br />

1. Masse concentrate ai piani (m 1<br />

, ..., m N<br />

)<br />

2. Colonne prive <strong>di</strong> massa (le loro masse sono<br />

riportate ai piani)<br />

3. Impalcati e travi infinitamente rigi<strong>di</strong><br />

4. Colonne deformabili a flessione ma<br />

rigide assialmente<br />

5. Terreno infinitamente rigido (si trascura<br />

l’interazione suolo-struttura)<br />

40


Parte II: Dinamica dei sistemi a più gra<strong>di</strong> <strong>di</strong> libertà<br />

II.1. Modellazione ed equazioni del moto (forze esterne)<br />

E<strong>di</strong>ficio <strong>di</strong> due piani<br />

1°<br />

impalcato :<br />

f<br />

I1<br />

( t)<br />

+ f<br />

S1<br />

( t)<br />

=<br />

p ( t)<br />

1<br />

2°<br />

impalcato :<br />

f<br />

I2<br />

( t)<br />

+ f<br />

S2<br />

( t)<br />

=<br />

p<br />

2<br />

( t)<br />

m u&&<br />

( t)<br />

+ k u<br />

1<br />

2<br />

1<br />

m u&&<br />

2<br />

( t)<br />

1<br />

1<br />

( t)<br />

+ k<br />

+ k<br />

2<br />

2<br />

[ u ( t)<br />

− u ( t)<br />

]<br />

1<br />

[ u ( t)<br />

−u<br />

( t)<br />

] = p ( t)<br />

2<br />

2<br />

1<br />

= p ( t)<br />

1<br />

2<br />

⎡m<br />

⎢<br />

⎢⎣<br />

0<br />

1<br />

0<br />

m<br />

2<br />

⎤⎪⎧<br />

u&&<br />

1(<br />

t)<br />

⎪⎫<br />

⎡(<br />

k1<br />

+ k<br />

⎥⎨<br />

⎬ + ⎢<br />

⎥⎦<br />

⎪⎩ u&&<br />

2(<br />

t)<br />

⎪⎭ ⎢⎣<br />

−k2<br />

2<br />

)<br />

− k<br />

k<br />

2<br />

2<br />

⎤⎪⎧<br />

u<br />

⎥⎨<br />

⎥⎦<br />

⎪⎩ u<br />

1<br />

2<br />

( t)<br />

⎪⎫<br />

⎬ =<br />

( t)<br />

⎪⎭<br />

⎪⎧<br />

p1(<br />

t)<br />

⎪⎫<br />

⎨ ⎬<br />

⎪⎩ p2<br />

( t)<br />

⎪⎭<br />

m u&&<br />

( t)<br />

+ ku(<br />

t)<br />

= p(<br />

t)<br />

41


42<br />

Parte II: Dinamica dei sistemi a più gra<strong>di</strong> <strong>di</strong> libertà<br />

II.1. Modellazione ed equazioni del moto (forze esterne)<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎦<br />

⎤<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎣<br />

⎡<br />

=<br />

N<br />

j<br />

m<br />

m<br />

m<br />

m<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

2<br />

1<br />

O<br />

O<br />

m<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎭<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎬<br />

⎫<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎩<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎨<br />

⎧<br />

=<br />

)<br />

(<br />

)<br />

(<br />

)<br />

(<br />

)<br />

(<br />

)<br />

(<br />

2<br />

1<br />

t<br />

u<br />

t<br />

u<br />

t<br />

u<br />

t<br />

u<br />

t<br />

N<br />

j<br />

M<br />

M<br />

u<br />

)<br />

(<br />

)<br />

(<br />

)<br />

(<br />

)<br />

( t<br />

t<br />

t<br />

t<br />

p<br />

ku<br />

cu<br />

u<br />

m =<br />

+<br />

+ &<br />

&&<br />

E<strong>di</strong>ficio multipiano<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎭<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎬<br />

⎫<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎩<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎪<br />

⎨<br />

⎧<br />

=<br />

)<br />

(<br />

)<br />

(<br />

)<br />

(<br />

)<br />

(<br />

)<br />

(<br />

2<br />

1<br />

t<br />

p<br />

t<br />

p<br />

t<br />

p<br />

t<br />

p<br />

t<br />

N<br />

j<br />

M<br />

M<br />

p<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎥<br />

⎦<br />

⎤<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎢<br />

⎣<br />

⎡<br />

−<br />

−<br />

⋅<br />

⋅<br />

⋅<br />

⋅<br />

⋅<br />

−<br />

+<br />

−<br />

−<br />

+<br />

−<br />

−<br />

+<br />

=<br />

N<br />

N<br />

N<br />

k<br />

k<br />

k<br />

k<br />

k<br />

k<br />

k<br />

k<br />

k<br />

k<br />

k<br />

k<br />

k<br />

k<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

)<br />

(<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

)<br />

(<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

)<br />

(<br />

4<br />

4<br />

3<br />

3<br />

3<br />

3<br />

2<br />

2<br />

2<br />

2<br />

1<br />

k


Parte II: Dinamica dei sistemi a più gra<strong>di</strong> <strong>di</strong> libertà<br />

II.1. Modellazione ed equazioni del moto (moto sismico)<br />

E<strong>di</strong>ficio <strong>di</strong> due piani<br />

u<br />

t<br />

1<br />

( t)<br />

=<br />

u<br />

g<br />

( t)<br />

+ u<br />

1<br />

( t)<br />

f<br />

I1<br />

( t)<br />

+ f<br />

S1<br />

( t)<br />

=<br />

0<br />

u<br />

t<br />

2<br />

( t)<br />

=<br />

u<br />

g<br />

( t)<br />

+ u<br />

2<br />

( t)<br />

f<br />

I 2<br />

( t)<br />

+ f<br />

S2<br />

( t)<br />

=<br />

0<br />

m<br />

1<br />

[ u&&<br />

( t)<br />

+ u&&<br />

( t)<br />

] + k u ( t)<br />

+ k [ u ( t)<br />

− u ( t)<br />

]<br />

g<br />

1<br />

1<br />

1<br />

2<br />

1<br />

2<br />

=<br />

0<br />

m<br />

2<br />

[ u&&<br />

( t)<br />

+ u&&<br />

( t)<br />

] + k [ u ( t)<br />

− u ( t)<br />

] = 0<br />

g<br />

2<br />

2<br />

2<br />

1<br />

m u&&<br />

( t)<br />

+ k u<br />

1<br />

1<br />

1<br />

1<br />

( t)<br />

+ k<br />

2<br />

[ u ( t)<br />

− u ( t)<br />

]<br />

1<br />

2<br />

=<br />

−m u&&<br />

1<br />

g<br />

( t)<br />

m u&&<br />

2<br />

2<br />

( t)<br />

+ k<br />

2<br />

[ u ( t)<br />

− u ( t)<br />

] = −m u&&<br />

( t)<br />

2<br />

1<br />

2<br />

g<br />

mu<br />

&<br />

( t)<br />

+ ku(<br />

t)<br />

= −m1u<br />

&& ( t)<br />

g<br />

43


Parte II: Dinamica dei sistemi a più gra<strong>di</strong> <strong>di</strong> libertà<br />

II.1. Modellazione ed equazioni del moto (moto sismico)<br />

E<strong>di</strong>ficio multipiano<br />

mu<br />

&<br />

( t)<br />

+ cu & ( t)<br />

+ ku(<br />

t)<br />

= −m1u<br />

&& ( t)<br />

g<br />

Forze equivalenti al moto sismico<br />

(forze <strong>di</strong> trascinamento)<br />

44


Parte II: Dinamica dei sistemi a più gra<strong>di</strong> <strong>di</strong> libertà<br />

II.2. Oscillazioni libere (in assenza <strong>di</strong> smorzamento)<br />

Oscillazioni libere al rilascio (deformata iniziale generica)<br />

45


Parte II: Dinamica dei sistemi a più gra<strong>di</strong> <strong>di</strong> libertà<br />

II.2. Oscillazioni libere (in assenza <strong>di</strong> smorzamento)<br />

Oscillazioni libere al rilascio (deformata corrispondente al 1° modo)<br />

46


Parte II: Dinamica dei sistemi a più gra<strong>di</strong> <strong>di</strong> libertà<br />

II.2. Oscillazioni libere (in assenza <strong>di</strong> smorzamento)<br />

Oscillazioni libere al rilascio (deformata corrispondente al 2° modo)<br />

47


Parte II: Dinamica dei sistemi a più gra<strong>di</strong> <strong>di</strong> libertà<br />

II.2. Oscillazioni libere (in assenza <strong>di</strong> smorzamento)<br />

Oscillazioni libere al rilascio (deformata corrispondente al 3° modo)<br />

48


Parte II: Dinamica dei sistemi a più gra<strong>di</strong> <strong>di</strong> libertà<br />

II.2. Frequenze e mo<strong>di</strong> propri <strong>di</strong> vibrazione<br />

Frequenze e dei mo<strong>di</strong> propri <strong>di</strong> vibrazione (in assenza <strong>di</strong> smorzamento)<br />

Risoluzione<br />

del problema degliautovalori<br />

:<br />

kÖ<br />

=<br />

ω<br />

2<br />

mÖ<br />

Influenza dello smorzamento<br />

Pulsazionedel<br />

modo<br />

i-esimo (sistema smorzato) : ω = ω 1−<br />

ξ<br />

Di<br />

i<br />

2<br />

i<br />

Periodo del modo i-esimo (sistema smorzato)<br />

:<br />

T<br />

Di<br />

=<br />

2π<br />

ω<br />

Di<br />

=<br />

T<br />

1− ξ<br />

2<br />

i<br />

49


Parte II: Dinamica dei sistemi a più gra<strong>di</strong> <strong>di</strong> libertà<br />

II.3. Risposta a forzante armonica<br />

E<strong>di</strong>ficio multipiano<br />

m u&&<br />

( t)<br />

+ cu&<br />

( t)<br />

+ ku(<br />

t)<br />

= po sen ωt<br />

Una volta esaurito il transitorio iniziale:<br />

u<br />

j( t)<br />

ust,<br />

j<br />

( ωt<br />

− θ )<br />

= Dj<br />

sen j<br />

14442<br />

4443<br />

Risposta a regime<br />

(stato stazionario)<br />

50


Parte II: Dinamica dei sistemi a più gra<strong>di</strong> <strong>di</strong> libertà<br />

II.3. Risposta a forzante armonica<br />

Fattore <strong>di</strong> amplificazione<br />

(piano i-esimo):<br />

D<br />

j<br />

=<br />

u<br />

i,max<br />

u<br />

st,<br />

i<br />

51


Parte II: Dinamica dei sistemi a più gra<strong>di</strong> <strong>di</strong> libertà<br />

II.4. Risposta al sisma (analisi modale)<br />

E<strong>di</strong>ficio multipiano<br />

m & u<br />

( t)<br />

+ cu & ( t)<br />

+ ku(<br />

t)<br />

= −m1u<br />

&& ( t)<br />

g<br />

Disaccoppiamento delle equazioni del moto:<br />

Y&<br />

n<br />

( t)<br />

+ 2ξ<br />

in cui :<br />

L<br />

n<br />

n<br />

ω Y&<br />

( t)<br />

+ ω Y ( t)<br />

=<br />

=<br />

n<br />

n<br />

N<br />

∑<br />

j = 1<br />

m<br />

j<br />

Φ<br />

jn<br />

2<br />

n<br />

e<br />

n<br />

M<br />

n<br />

L<br />

−<br />

M<br />

=<br />

n<br />

n<br />

N<br />

∑<br />

j = 1<br />

u&<br />

m<br />

j<br />

g<br />

Φ<br />

( t)<br />

2<br />

jn<br />

= −<br />

L<br />

∫<br />

t<br />

n 1<br />

Yn(<br />

t )<br />

u&&<br />

M ω 0<br />

n<br />

Soluzione (per ξ


Parte II: Dinamica dei sistemi a più gra<strong>di</strong> <strong>di</strong> libertà<br />

II.4. Risposta al sisma (analisi modale)<br />

La risposta si ottiene combinando i contributi dei singoli mo<strong>di</strong>:<br />

Spostamento ai piani:<br />

u<br />

j<br />

( t)<br />

=<br />

N<br />

N<br />

∑<br />

u jn(<br />

t)<br />

=<br />

n=<br />

1 n=<br />

1<br />

∑<br />

Y<br />

n<br />

( t)<br />

Φ<br />

jn<br />

Forze statiche equivalenti :<br />

f ( t)<br />

∑=ku = ( t)<br />

=<br />

N<br />

f n<br />

( t)<br />

∑= n 1<br />

Taglio allabase :<br />

N<br />

V ( t ) = V on(<br />

t<br />

n 1<br />

o )<br />

Momento ribaltante:<br />

N<br />

M o ( t ) = M on(<br />

t )<br />

∑= n 1<br />

53


Parte II: Dinamica dei sistemi a più gra<strong>di</strong> <strong>di</strong> libertà<br />

II.4. Risposta al sisma (analisi modale)<br />

54


Parte II: Dinamica dei sistemi a più gra<strong>di</strong> <strong>di</strong> libertà<br />

II.4. Risposta al sisma (utilizzo degli spettri <strong>di</strong> risposta)<br />

I valori massimi relativi al singolo modo si ottengono con gli spettri <strong>di</strong> risposta:<br />

Ln<br />

Valore massimo della coor<strong>di</strong>nata modale n-esima : Yn<br />

max = max Yn(<br />

t)<br />

= ⋅Sd<br />

( ωn,<br />

ξ<br />

Mn<br />

Ln<br />

Spostamento al piano j (contributo modo n)<br />

: u jn,<br />

max = max u jn(<br />

t ) = ⋅Sd<br />

( ωn,<br />

ξn<br />

) ⋅Φ<br />

M<br />

, n<br />

n<br />

)<br />

jn<br />

La somma dei massimi<br />

N<br />

u j ,max ≤ u jn<br />

∑= n 1<br />

,max<br />

è eccessivamente cautelativa<br />

Una buona stima è data da:<br />

N<br />

2<br />

, max<br />

≈ ( ,max )<br />

∑= n 1<br />

u j u jn<br />

(metodo SRSS)<br />

Se perio<strong>di</strong> <strong>di</strong>fferiscono < 10%:<br />

2<br />

mn<br />

mn<br />

2<br />

βmn<br />

u<br />

j,max<br />

≈<br />

∑<br />

m<br />

∑<br />

n<br />

ρ<br />

mn<br />

u<br />

jm,max<br />

u<br />

jn,<br />

max<br />

2<br />

3 / 2<br />

8ξ<br />

(1+ β ) β<br />

ω<br />

mn<br />

m<br />

in cui ρmn<br />

=<br />

e β<br />

2<br />

2<br />

mn<br />

= (metodo CQC)<br />

(1 − β ) + 4ξ<br />

(1 + β )<br />

ωn<br />

mn<br />

55


Parte II: Dinamica dei sistemi a più gra<strong>di</strong> <strong>di</strong> libertà<br />

II.5. Modellazione <strong>di</strong> dettaglio <strong>di</strong> e<strong>di</strong>fici multipiano<br />

Effetto della rotazione dei no<strong>di</strong> e<br />

della deformazione assiale delle colonne<br />

56


Parte II: Dinamica dei sistemi a più gra<strong>di</strong> <strong>di</strong> libertà<br />

II.5. Modellazione <strong>di</strong> dettaglio <strong>di</strong> e<strong>di</strong>fici multipiano<br />

Modello spaziale dell’e<strong>di</strong>ficio<br />

Necessario in presenza <strong>di</strong>:<br />

1. significative eccentricità fra il centro <strong>di</strong><br />

massa ed il centro delle rigidezze degli<br />

impalcati;<br />

2. frequenze proprie traslazionali e<br />

rotazionali molto prossime fra loro;<br />

3. eccentricità accidentali (inevitabili);<br />

57

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