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Problemi di interazione terreno struttura applicati ad edifici residenziali isolati alla base
12/07/2017
Davide Forcellini

L’isolamento alla base (BI) è una tecnica ben nota con molte applicazioni in tutto il mondo. Questo studio mira a considerare le simulazioni numeriche 3D di un sistema di interazione terreno-struttura applicato ad un edificio ordinario isolato alla base. In particolare, il terreno è stato eseguito con materiali isteretici non lineari e modelli avanzati di plasticità, implementati in Opensees. L'approccio proposto consente di accoppiare la valutazione della tecnica di isolamento con valutazione della risposta non lineare del terreno. A questo proposito, il lavoro si propone di valutare i casi in cui BI diventa dannoso. In particolare, il modello della struttura permette di valutare le prestazioni strutturali, considerando le accelerazioni e spostamenti a varie altezze. Questo studio supera le semplificazioni comuni nella modellazione dei terreni di fondazione. A questo proposito, può essere considerato un tentativo di proporre nuove considerazioni di progettazione per gli ingegneri e consulenti.

INTRODUZIONE
L’isolamento alla base (BI) è una delle soluzioni più convincenti al fine di proteggere le strutture dagli effetti distruttivi dei terremoti. Questa tecnica permette di separare la struttura dalla terra concentrando intenzionalmente la dissipazione di energia sismica in un unico elemento con rigidezza orizzontale controllata tra la fondazione e la struttura. Molte ricerche sono stati realizzati su questo problema, ma alcuni contributi sono stati concentrati sugli effetti dell'interazione terreno struttura (SSI). Approfondite ricerche sono state condotte in questi ultimi 30 anni per quanto riguarda gli effetti dell'interazione terreno-struttura (SSI) sulla risposta sismica di strutture di ingegneria civile. Anche se molti codici suggeriscono di trascurare SSI [1], [2] ci sono alcune ricerche cui SSI è dimostrato di essere non conservativa per sicurezza e riduzione dei costi. In tali casi, è fondamentale tener conto della SSI nelle procedure di progettazione al fine di prevedere i suoi effetti in modo più dettagliato possibile [3], [4]. La maggior parte delle pubblicazioni della SSI semplicemente introducono molle, smorzatori e masse artificiali nell'interfaccia tra la struttura e il terreno. Questo approccio è generalmente accettato poiché la modellazione SSI è un problema considerevole per simulazioni numeriche. Tuttavia, potrebbe essere non sufficientemente dettagliata al fine di modellare la complessità del problema. In particolare, la risposta del sistema è collegata direttamente con le caratteristiche dinamiche reciproche (frequenze naturali) e quindi con la massa strutturale e rigidità, suolo taglio velocità e livello di profondità [5]. Per questo motivo, deformabilità del terreno e dissipazione di energia nel terreno [6], [8], [9] possono modificare fortemente gli effetti benefici della BI. Questo studio mira a superare tutte le semplificazioni precedente considerando un 3D simulazioni numeriche di un sistema di terreno-struttura applicato a un edificio shear type isolato alla base. In particolare, il terreno è stato eseguito con materiali isteretici non lineari e modelli di plasticità avanzate. L'approccio proposto consente di guidare la valutazione della tecnica BI con valutazione della risposta non lineare del terreno. A questo proposito, il lavoro carta si propone di valutare i casi in cui BI diventa dannoso. In particolare, lo studio mostra come considerare la struttura fissa alla base non sia conservativo e sottovaluti gli effetti dinamici.

CASO DI STUDIO
Il presente lavoro mira a riprodurre la risposta sismica di una struttura di cemento isolata alla base su diversi terreni deformabili. Il terreno è stato eseguito con materiali isteretici non lineari e modelli di plasticità avanzate. Questo approccio consente di riprodurre la risposta isteretica ed elasto-plastica a taglio del terreno (tra cui deformazioni permanenti), le impedenze della fondazione e lo smorzamento del terreno applicando l'interfaccia computazionale open source OpenSeesPL [10], implementata all'interno del codice di FE OpenSees [11]. In particolare, questa piattaforma è in grado di catturare gli effetti di amplificazione e conseguente accumulo di deformazione nel terreno. Allo stesso tempo, il modello della struttura permette di valutare le prestazioni strutturali, considerando le accelerazioni e spostamenti a varie altezze. OpenSeesPL consiste in un software agli elementi finiti capace di studiare la risposta del suolo saturo come materiale bifase seguendo la formulazione u-p (dove u è lo spostamento dello scheletro del suolo e p è la pressione interstiziale). Questa interfaccia, è stata originariamente calibrata per l'analisi di pali di fondazione. Qui è stato modificato al fine di considerare la presenza di struttura del sistema – Fondazione. Basato su studi precedenti [12] [13], il terreno è stato considerato un materiale coesivo omogeneo attraverso uno strato con una profondità di 20 m, che consiste in una mesh 3D di FE (68,4 x 74,4 m x 20,5 m) composto da 2992 brickUP lineare isoparametriche 8-nodi elementi con 4025 nodi. In orizzontale la mesh è stata discretizzata in sei strati, dal centro verso l'esterno, mentre verticalmente in quattro strati di spessore 0,5 m per il primo e 6,7 m per gli altri. I limiti di base del modello sono stati fissati a 20,5 m di profondità dalla superficie del terreno (Figura 1). OpenSees è in grado di simulare la propagazione di onde reali attraverso l’utilizzo dei periodic boudaries [14], assumento cioè condizioni di simmetria nel dominio di terreno. In particolare, i gradi di libertà dei nodi del limite destro e sinistro sono stati legati insieme sia longitudinalmente e verticalmente usando il penalty method. A questo proposito, i limiti di base e laterali sono stati modellati per essere impermeabili, tale da rappresentare una piccola parte di un dominio di suolo presumibilmente infinito (o almeno molto grande) consentendo l'energia sismica di essere rimossa dal sito stesso. I confini si trovano più lontano possibile dalla struttura per ridurre qualsiasi effetto sulla risposta. Per maggiori dettagli, vedi [6] e [12]. Le connessioni tra la struttura ed il terreno sono costruite con elementi specifici, chiamati "equaldof", che sono in grado di imporre gli stessi spostamenti tra la struttura e il suolo. Il comportamento meccanico del terreno è stato modellato con un materiale implementato all’interno del codice denominato PressureIndependentMultiyield. Esso è costituito da un materiale non lineare isteretico, utilizzando un approccio multi-superficie cinematica plasticità alla Von Mises insieme a una regola di flusso associato [16] e permette di controllare l’accumulo delle tensioni di taglio ciclico, [17]. La curva di sollecitazione-deformazione non lineare è rappresentata da un rapporto iperbolico, che è definito dal modulo di taglio e le costanti di rigidezza a taglio. Per maggiori dettagli, vedere [17] e [18]. Questa formulazione costitutiva è in grado di catturare la risposta sia monotona sia isteretica elasto-plastica dei terreni il cui comportamento a taglio è insensibile alla tensione di confinamento. Secondo questa formulazione, la plasticità è esibita solo nella componente deviatorica di sforzo-deformazione, mentre la risposta volumetrica è elastica lineare. Lo studio consiste nella riproduzione di un edificio a quattro piani (piano altezza: 3,4 m, altezza totale: 13,6 m) in cemento armato, scelto in rappresentanza di edifici reali (Figura 1). Ogni colonna è stata discretizzata in sedici elementi elasticBeamColumn. Altezza totale dell'edificio è 14,1 m. I primi 0,5 m erano considerati parte della fondazione e collegati al suolo come spiegato di seguito. Lo studio può essere suddiviso in due passaggi. Primo (paragrafi 3-5), sono state effettuate delle analisi agli autovalori per valutare gli effetti reciproci di deformabilità struttura isolata e terreno sulle caratteristiche dinamiche del sistema (suolo e struttura). Il secondo passo (paragrafo 6) consiste nell’esecuzione di analisi dinamiche al fine di studiare il comportamento strutturale. La mesh è stata calibrata su un precedente studio [6]. Per tutte le analisi si è utilizzato il metodo di integrazione di Newmark con γ = 0,6 e β = 0,3. Lo smorzamento viscoso è stato considerato un 2% sulle frequenze 1 e 6 Hz.

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