Introduzione all’interazione dinamica terreno-struttura: approccio FEMA 2020 – ASCE 2022

Nei primi mesi del 2022 l’ASCE (American Society of Civil Engineers) ha recepito ed aggiornato le recenti linee guida della FEMA (Federal Emergency Management Agency) pubblicate nell’autunno 2020.

L’approccio ASCE 2022 rappresenta un interessante riferimento quale metodo per la valutazione della domanda sismica “considerando gli effetti di interazione terreno-struttura”, come espresso dalle NTC 2018 (punto 7.2.6) che nel merito rimandano a “metodi e modelli di comprovata validità”.

Analogamente ad altre norme/linee guida tecniche, anche le linee guida statunitensi FEMA 2020 – ASCE 2022 prevedono due tipi di analisi: analisi dinamica lineare (modale) e analisi “time history” dinamica non lineare.

Il metodo che si va a descrivere nel seguito riguarda l’applicazione relativa all’analisi modale: si sviluppa attraverso la valutazione di vari elementi strutturali e geotecnici (smorzamento ovvero “damping” e rigidezza del terreno) e risulta apprezzabile per la sua sostanziale semplicità e schematicità.

Prendendo spunto ed esaminando dapprima alcune indicazioni generali dell’Eurocodice EC8 - Parte 5^ e poi alcune parti specifiche delle linee guida NIST 2012 (NIST - National Institute of Standards and Technology), vengono qui affrontate le tematiche relative all’interazione dinamica terreno-fondazione-struttura per arrivare ad approfondire tutta una serie di aspetti derivanti dall’applicazione delle linee guida FEMA 2020 e ASCE 2022.

Vengono poi illustrati e sviluppati gli aspetti strutturali e geotecnici del problema, facendo ricorso al metodo delle impedenze dinamiche, che prevede l’utilizzo di molle e smorzatori all'interfaccia tra fondazione e terreno, adeguatamente dimensionati in base a considerazioni geotecniche.

Tutto ciò con l’obiettivo di valutare l'azione sismica agente sulla struttura, tenuto conto degli effetti derivanti dall’allungamento del periodo proprio di vibrazione e dall'aumento del damping del sistema, causa la presenza di molle e smorzatori alla base.

L’Eurocodice EC 8 – Parte 5^

Esaminando la Sezione 6 – Interazione terreno struttura dell’EC 8 Parte 5^, appare subito chiaro per quali tipi di strutture si debba tenere conto dell’Interazione dinamica terreno-struttura (DSSI), poiché trascurarla potrebbe essere a sfavore della sicurezza: si tratta di strutture per vari aspetti particolari, ovvero strutture in cui gli effetti del secondo ordine risultino significativi, strutture con fondazioni massicce o profondamente interrate, strutture tipo torri e ciminiere, strutture fondate su terreni molto deformabili.

Strutture, dunque, per cui l’interazione dinamica col terreno andrà preferibilmente analizzata con metodi accurati.

La stessa Sezione 6, in una nota, rimanda poi all’Appendice Informativa D per comprendere gli effetti generali della DSSI.

In particolare il punto D.2 differenzia il comportamento delle ordinarie strutture da edificio da quello delle strutture elencate nella Sezione 6 e puntualizza che <<per la maggior parte delle comuni strutture per edifici, gli effetti di SSI (ndr. Soil Structure Interaction) tendono ad essere benefici, poiché riducono i momenti flettenti e le forze di taglio nei vari elementi della sovrastruttura>>.

Per queste strutture di tipo ordinario, dunque, tenere conto della DSSI è a discrezione del progettista e ad esse si rivolge il metodo semplificato di calcolo dell’azione sismica secondo l’approccio FEMA 2020 – ASCE 2022.

L'interazione dinamica Terreno-Fondazione-Struttura nelle Linee Guida A NIST 2012

Secondo le indicazioni contenute nel NIST 2012, la presenza stessa di una fondazione sul terreno causa una variazione, in termini di riduzione, del moto sismico di campo libero (“free field motion”) trasformandolo nel cosiddetto FIM (“foundation input motion”).

In particolare il FIM “foundation input motion” differisce dal moto “free field” a causa dell’INTERAZIONE CINEMATICA, che può essere sintetizzata in due effetti sostanziali : l’effetto dell’approfondimento della fondazione all’interno del terreno (il cosiddetto effetto “embedment”) e l’effetto ‘mediativo’ della piastra di base ovvero l’operazione di ‘livellamento’ delle onde incidenti da parte della fondazione stessa (il cosiddetto effetto “base-slab averaging”), effetto tanto maggiore quanto più elevata è l’area di base della fondazione. Tutto ciò prescindendo dall’inerzia della sovrastruttura e della fondazione.

L’interazione dinamica terreno struttura prevede poi l’aspetto di INTERAZIONE INERZIALE che si riferisce a spostamenti e rotazioni originati al livello fondazione a causa delle forze inerziali sviluppate nella sovrastruttura sotto l’azione del FIM “foundation input motion”.

In particolare, l’inerzia sviluppata in una struttura che vibra genera l’insorgere di azioni di taglio alla base, momenti flettenti e torcenti; queste azioni generano spostamenti e rotazioni all’interfaccia terreno-fondazione. Questi spostamenti e rotazioni sono possibili solo a causa della flessibilità del sistema terreno-fondazione, che contribuisce in modo significativo alla flessibilità strutturale complessiva (e all’allungamento del periodo proprio del fabbricato). Inoltre questi spostamenti generano una dissipazione di energia, a causa di effetti di smorzamento per radiazione della fondazione e a causa di fenomeni di isteresi del terreno, effetti che possono influire in modo significativo sullo smorzamento (damping) complessivo del sistema.

Questi effetti vengono appunto definiti effetti di INTERAZIONE INERZIALE.

L’interazione dinamica terreno-fondazione-struttura (simbolo DSSI) richiede:

1. La valutazione delle proprietà dinamiche del terreno
2. La valutazione del moto “free field”
3. La valutazione delle funzioni di trasferimento necessarie per trasformare il moto “free field” nel moto FIM (“foundation input motion”)
4. L’utilizzo di molle e smorzatori atti a rappresentare la rigidezza e il damping all’interfaccia terreno-fondazione
5. L’esecuzione di una analisi combinata di risposta del sistema struttura/ molle/smorzatori a seguito dell’applicazione del FIM (“foundation input motion”).

I concetti sopra descritti vengono ben evidenziati nell’immagine seguente.

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All'interno dell'articolo viene trattato l'approccio FEMA 2020 - ASCE 2022