T - Dipartimento di Analisi e Progettazione Strutturale - Università ...
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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