Effetti dell’interazione terreno-struttura sul comportamento sismico di strutture a telaio in c.a.

La memoria (presentata al Convegno ANIDIS 2017) mostra i risultati di uno studio parametrico per valutare l’influenza dell’interazione terreno-struttura (in inglese Soil-Structure Interaction - SSI) sulla valutazione del comportamento sismico di telai 2D in calcestruzzo armato mediante analisi dinamiche non-lineari al variare di

1. proprietà meccaniche dei terreni,
2. tecniche di modellazione numerica degli effetti di SSI,
3. e livello di progettazione sismica delle strutture.

Per le proprietà meccaniche dei terreni si è fatto riferimento alle classi di terreno suggerite dall’Eurocodice 8, mentre per quanto riguarda la modellazione della SSI, si è fatto riferimento sia ad un approccio “diretto”, in cui la fondazione e la sovrastruttura sono inclusi in un unico modello e analizzati in un unico step, che ad un approccio per “sotto-strutture”, in cui la valutazione del moto a livello della fondazione è invece disaccoppiato dalla valutazione della risposta dinamica della struttura.
Per le analisi sono state prese a riferimento strutture progettate solo per carichi verticali o con un livello di progettazione sismica elevato (in accordo alle NTC 08).

Lo studio mostra che la modellazione della SSI può influenzare la stima della risposta sismica rispetto ad un comune modello su base fissa, con differenze dipendenti dalla tecnica di modellazione adottata, soprattutto in termini di massimo drift di interpiano.

I fenomeni che descrivono l'interazione struttura-terreno: l' "interazione inerziale" e l' "interazione cinematica"

Gli spostamenti e le deformazioni di una struttura durante un terremoto sono sempre influenzati dall’interazione tra: a) la struttura in elevazione, b) la fondazione e c) il terreno.

Una analisi dinamica di interazione terreno-struttura (SSI) mira a valutare la risposta complessiva di questi tre sistemi ad un certo evento sismico. 

Due particolari fenomeni fisici descrivono la SSI. Il primo, noto come “interazione inerziale”, si sviluppa nella struttura in elevazione che, a causa delle sue stesse vibrazioni, genera tagli e momenti alla base che provocano spostamenti relativi tra la fondazione e il “free-field”.
Il secondo è noto come “interazione cinematica” ed è dovuto alla presenza di elementi di fondazione rigidi, immersi nel terreno, che provocano una deviazione del moto alla base della fondazione stessa rispetto a quello di “free-field” (Stewart et al.,1998).

Generalmente, gli effetti di interazione cinematica possono essere considerati trascurabili, mentre gli effetti di interazione inerziale possono essere significativi (Stewart et al.,1999).

I vari metodi per modellare la SSI

I metodi generalmente adoperati per modellare la SSI possono essere classificati in approcci “diretti” e in approcci per “sotto-strutture”.

In un approccio “diretto” il terreno, la fondazione e la struttura in elevazione, modellati attraverso elementi finiti, sono inclusi nello stesso modello e analizzati in un singolo step. Le analisi numeriche condotte su tali modelli risultano tuttavia molto onerose da un punto di vista computazionale e pertanto sono spesso eseguite ricorrendo a metodi lineari equivalenti per approssimare il comportamento non lineare del terreno (Pitilakis & Cloteau, 2010, Pitilakis et al., 2013).

Negli approcci per “sotto-strutture” il problema della SSI è disaccoppiato nella valutazione del moto della fondazione (effetti di interazione cinematica) e nella valutazione della risposta dinamica della struttura (effetti di interazione inerziale) supportata da una serie di molle e smorzatori (impedenze della fondazione) che simulano il complesso fondazione-terreno.

Il limite principale di tali approcci è che la sovrapposizione degli effetti di interazione cinematica e inerziale richiederebbe a rigore l’ipotesi di comportamento lineare del terreno e della struttura.

In merito agli approcci per “sotto-strutture” diverse ricerche, eseguite su semplici oscillatori elastici, mostrano che l’interazione inerziale induce due effetti principali rispetto ad una configurazione su base fissa:

1. un allungamento del periodo di vibrazione, a causa della deformabilità del terreno di fondazione (Veletsos & Meek, 1974);
2. un incremento dello smorzamento complessivo del sistema, dovuto al fatto che la struttura dissipa una grande quantità di energia nel terreno durante le sue vibrazioni (Veletsos & Nair, 1975).

Questi due effetti, se accoppiati con uno spettro di progetto comunemente adottato nei moderni codici anti-sismici, conducono spesso a forze più basse nella struttura.

Per questa ragione, i professionisti spesso trascurano gli effetti della SSI in quanto si presuppone che questa possa avere solamente un effetto benefico sulla risposta strutturale e che quindi sia a vantaggio di sicurezza trascurarla.

Perchè è importante valutare l'impatto degli effetti della SSI sulla risposta sismica

Tuttavia, da un lato, alcune ricerche (Mylonakis & Gazetas, 2000) mostrano che un incremento del periodo di vibrazione fondamentale dovuto alla SSI potrebbe avere, anche per strutture moderatamente flessibili e in alcune particolari condizioni di sito, degli effetti sfavorevoli sulla domanda sismica (in termini di pseudo-accelerazione spettrale).
Dall’altro lato, considerare gli effetti della SSI potrebbe avere una giustificazione economica (Saez et al., 2008), in quanto una riduzione delle forze sismiche si può tradurre in una riduzione del quantitativo di “rinforzo” necessario, sia nel caso della progettazione di un edificio nuovo, sia nel caso del consolidamento di un edificio esistente.

Per i motivi sopra menzionati, una valutazione del potenziale impatto degli effetti della SSI sulla risposta sismica di una struttura dovrebbe sempre essere effettuata.

Nel loro lavoro, risalente al 1974, Veletsos e Meek conclusero che gli effetti della SSI sono maggiori nel caso di strutture rigide su sottosuoli deformabili. Tuttavia, le loro conclusioni erano basate sullo studio di un semplice oscillatore elastico per il quale la SSI era stata modellata attraverso una serie di molle elastiche e smorzatori viscosi.
Oggigiorno, nonostante la possibilità di effettuare analisi più rigorose, sono pochi gli studi disponibili in letteratura riguardanti lo studio degli effetti della SSI su modelli strutturali realistici (Negulescu et al., 2009, Mengke Li et al., 2014), e ancora meno sono quelli in cui la SSI è modellata attraverso approcci diretti con un più rigoroso modello non lineare di terreno (Saez et al., 2008, Pitilakis et al., 2014).

Studio degli effetti dell’interazione terreno struttura sulle performance sismiche di strutture a telaio in calcestruzzo armato mediante analisi dinamiche non-lineari

In questa memoria vengono mostrati i risultati di uno studio parametrico condotto conl’obiettivo di investigare gli effetti dell’interazione terreno struttura sulle performance sismiche di strutture a telaio in calcestruzzo armato. In particolare sono state condotte analisi dinamiche non lineari variando (1) le proprietà meccaniche dei terreni, (2) la tecnica di modellazione degli effetti di interazione e (3) il livello di progettazione sismica degli edifici.
Con riferimento al terreno, sono state prese come riferimento le differenti classi suggerite dall’Eurocodice 8 (EN 1998-1, 2004) mentre per quanto riguarda la tecnica di modellazione degli effetti di interazione si è fatto riferimento sia ad un approccio “diretto” che ad un approccio per “sotto-strutture”.
Infine, con riferimento alle strutture analizzate, sono stati presi in considerazione edifici di 4 e 8 piani, tipici del patrimonio edilizio residenziale italiano, progettati per soli carichi verticali e in accordo alle vigenti Norme Tecniche per le Costruzioni (DM 14/01/2008).

Prima di illustrare i risultati delle analisi, vengono di seguito illustrate le strutture di riferimento, i segnali accelerometrici e le proprietà meccaniche dei terreni selezionati per le analisi numeriche. Inoltre sono fornite alcune dettagli relativi all’implementazione dei modelli nel software OpenSees (Mazzoni et al., 2009).

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Articolo tratto dagli Atti del XVII Convegno ANIDIS 2017 - Pistoia
Si ringrazia l'ANIDIS per la gentile collaborazione. 

Si ricorda che il prossimo Convegno ANIDIS si terrà ad Ascoli Piceno il 15-19 settembre 2019> maggiori info sul LINK