Metodi dell'analisi sismica: Sfondo teorico

I metodi di analisi sismica sono strumenti fondamentali nell'ingegneria sismica, permettendo agli ingegneri di valutare la risposta strutturale di edifici e infrastrutture alle forze sismiche. Ogni metodo varia in complessità, accuratezza e richieste computazionali, adattandosi a diversi scenari di progettazione, complessità strutturali e zone sismiche.

Questo articolo offre una panoramica completa dei metodi essenziali di analisi sismica, spiegandone i principi e le applicazioni, nonché gli scenari in cui sono più efficaci. Una volta compresi questi concetti, si può esplorare il nostro prossimo articolo KB, che illustra come questi metodi possano essere implementati utilizzando i componenti aggiuntivi appropriati per RFEM 6/RSTAB 9.

Analisi Statica

Metodo dell'Equivalente Forza Laterale

Questo metodo è uno degli approcci più semplici per stimare le forze sismiche. È ampiamente usato per strutture con una configurazione regolare, simmetrica e di altezza relativamente limitata. Per tali strutture, il contributo del primo modo è tipicamente dominante, con il rapporto di massa modale partecipante della prima forma modale spesso superiore al 70-80%, rendendo accettabile considerare solo la prima forma modale della struttura. Pertanto, i valori di carico vengono determinati distribuendo lo shear di base su ogni piano in base alla prima forma modale. Questo è ottenuto definendo una forza statica derivata dalle proprietà del primo modo.

Applicazioni:

• Adatto per edifici con geometria regolare e distribuzione di massa uniforme.
• Comunemente usato per la progettazione preliminare delle strutture, oltre che per la progettazione finale di strutture semplici. Utilizzato anche per verifiche di conformità normativa.

Limitazioni:

• Ignora i modi di vibrazione superiori e i loro contributi.
• Applicabilità limitata ad edifici irregolari o alti.

Metodo della forza laterale equivalente nell'analisi sismica

Metodo di Analisi Pushover

Il metodo di analisi pushover è un altro metodo statico, ma anche non lineare poiché prevede l'applicazione di un carico statico combinato con un'analisi non lineare. La struttura viene sottoposta a forze unità nella forma del primo modo e le posizioni delle cerniere plastiche vengono determinate iterativamente. Questa analisi fornisce lo spettro di capacità, che, confrontato con lo spettro di risposta selezionato, riflette il livello di prestazione attuale della struttura. Se la struttura è irregolare o alta—significando che i modi superiori giocano un ruolo significativo—dovrebbe essere utilizzata l'analisi pushover modale. In questo caso, vengono considerati sia la prima forma modale che i modi superiori (come l'analisi modale).

Applicazioni:

• Lo scopo principale dell'analisi pushover è valutare le prestazioni sismiche delle strutture esistenti, rendendolo particolarmente prezioso per il rinforzo. Può essere utilizzato per valutare l'efficacia delle modifiche proposte.
• È utile anche per semplificare il comportamento strutturale sotto carichi orizzontali. La curva forza-deformazione risultante (curva di capacità) fornisce agli ingegneri un modo intuitivo per interpretare e comprendere il comportamento della struttura.

Limitazioni:

• Ignora i modi di vibrazione superiori e i loro contributi.
• Comune nell'ambito del design sismico basato sulle prestazioni dove l'obiettivo è garantire che la struttura funzioni adeguatamente durante un evento sismico, piuttosto che soddisfare solo le forze prescritte dal codice.

Analisi push-over nella progettazione sismica

Analisi Dinamica

Analisi dello Spettro di Risposta

Nell'analisi dello spettro di risposta, le forme modali della struttura vengono combinate con le accelerazioni corrispondenti dallo spettro di risposta. Ponderando le forme modali con le loro masse modali efficaci e applicando le accelerazioni, può essere derivato uno stato strutturale—compresi le deformazioni risultanti e le forze interne—senza la necessità di creare carichi equivalenti. I risultati dei singoli modi vengono poi combinati utilizzando tecniche di combinazione standardizzate, con la più comune che è la regola SRSS (Radice Quadrata della Somma dei Quadrati).

Le strutture possiedono gradi di libertà multipli, portando a diverse forme modali. Il contributo di ciascuna forma modale è tipicamente definito dal rapporto di massa modale partecipante, che rappresenta la massa associata a ciascuna forma modale diviso per la massa totale della struttura. Poiché calcolare per ogni modo è generalmente impraticabile, i codici di progettazione permettono che il rapporto di massa modale totale partecipante superi una certa percentuale, sebbene la soglia esatta possa variare a seconda del codice specifico o dell'appendice applicata.

Applicazioni:

• Applicabile a edifici senza un comportamento non lineare significativo, dove l'analisi elastica fornisce un livello adeguato di sicurezza, o dove la non linearità strutturale può essere semplificata usando un fattore di comportamento che tiene conto del comportamento anelastico nell'analisi dello spettro di risposta. Questo fattore può essere chiamato con nomi diversi a seconda dello standard o codice specifico utilizzato.
• Per situazioni in cui la semplicità computazionale della RSA supera la necessità di risultati dettagliati, dipendenti dal tempo.

Limitazioni:

• Presuppone un comportamento elastico lineare, rendendo inadeguato per strutture destinate a subire un comportamento non lineare significativo che non può essere adeguatamente gestito usando il fattore di comportamento.
• Rappresentazione semplificata del input sismico: Lo spettro di risposta progettuale usato nella RSA è tipicamente derivato da una rappresentazione semplificata e idealizzata del moto del suolo.

Analisi dello spettro di risposta per la progettazione sismica

Analisi nel Dominio del Tempo

Questo metodo prevede l'applicazione di registrazioni del moto del suolo dipendenti dal tempo (accelerogrammi) a un modello strutturale per simulare la sua risposta nel tempo. Fornisce risultati dettagliati, comprese le deformazioni, le accelerazioni e le forze interne a ciascun intervallo di tempo. L'analisi può essere lineare o non lineare, a seconda del modo in cui il comportamento del materiale e la risposta strutturale vengono considerati durante il processo di carico. Nel caso lineare, la struttura è modellata assumendo un comportamento elastico lineare, mentre nel caso non lineare, l'analisi tiene conto sia delle non linearità del materiale che geometriche. Pertanto, l'analisi non lineare nel dominio del tempo è l'approccio più avanzato, catturando l'intera gamma di non linearità del materiale e geometriche sotto carichi sismici dipendenti dal tempo.

Applicazioni:

• Comunemente utilizzato nelle fasi di progettazione dettagliate o per strutture in zone con alta attività sismica.
• Essenziale per strutture complesse, irregolari o altamente sensibili.

Limitazioni:

• Computazionalmente intensivo e dispendioso in termini di tempo.
• Richiede competenze nella modellazione e interpretazione.

Diagramma di accelerazione dell'analisi in funzione del tempo

Conclusione

I metodi di analisi sismica vanno da approcci statici semplici a simulazioni dinamiche altamente dettagliate, ognuno dei quali serve specifici bisogni di progettazione e complessità strutturali. La Tabella 1 fornisce una panoramica dei compromessi tra la complessità, l'accuratezza e le applicazioni pratiche di ciascun metodo. Mentre il Metodo dell'Equivalente Forza Laterale è sufficiente per edifici regolari a basso rilievo, metodi avanzati come l'Analisi Non Lineare nel Dominio del Tempo sono indispensabili per strutture complesse in zone con alta attività sismica. La scelta del metodo dovrebbe bilanciare accuratezza, richieste computazionali e requisiti del progetto, garantendo progetti resilienti che proteggano vite e infrastrutture durante i terremoti.