JERK: gli effetti delle azioni sismiche impulsive e crisi locali nelle strutture in muratura

L'importanza del Jerk in ingegneria sismica

Il jerk, derivata prima dell’accelerazione sismica e terza dello spostamento, finora scarsamente considerato, è la componente fondamentale delle azioni impulsive corrispondenti al contenuto in alta frequenza del moto sismico.

Accelerogramma 3D - tracciato dal vettore accelerazione - per Castelluccio di Norcia, 30.10.2016: i 6 secondi circa di accelerazioni al suolo non inferiori a 0.250 g

Intensità 3D per l'evento di Castelluccio: confronto fra accelerazione e jerk per l'intervallo di tempo caratterizzato da almeno una componente di accelerazione non inferiore a: 0.010 g a sinistra (da 16.330 a 55.715 s)

Il susseguirsi continuo delle variazioni di accelerazione per intensità e per direzione nel corso dell'evento sismico, determina impulsi (martellamento, scrollamento, scuotimento, ecc.) che, nelle strutture in muratura, generano crisi locali delle connessioni, fenomeni disgregativi e accumulo del danno con riduzione progressiva della duttilità.

Forza impulsiva per unità di massa, definita dall'integrale del jerk fra due zeri consecutivi, corrispondenti a massimi e minimi locali dell'accelerazione

Il monitoraggio del jerk sismico triassiale negli edifici in muratura potrebbe fornire informazioni sui danni causati dall'evento più significative rispetto al monitoraggio dello spostamento orizzontale di interpiano.

Castelluccio di Norcia, 30.10.2016: spettro di Fourier di accelerazione e jerk per la componente Verticale

Nell'approfondimento, al fine di migliorare la capacità resistente nei confronti del fenomeno impulsivo sono proposte soluzioni per il consolidamento strutturale finalizzate al rinforzo tridimensionale dei collegamenti e al miglioramento della resistenza delle murature.

Collegamenti verticali dell’intonaco armato alla struttura muraria in corrispondenza dei collegamenti con i solai. Caso del solaio da conservare, con orditura in acciaio, vincolato alla muratura interna all’edificio

Il riferimento alle azioni sismiche impulsive è contenuto nella Normativa Tecnica vigente:
D.M. 17/01/2018, Circolare n.7 del 21/01/2019 e documenti collegati, tra cui le "Istruzioni per la valutazione della Robustezza delle Costruzioni" (CNR-DT 214/2018). 

Francesco Pugi e Massimo Mariani durante l'evento di Ingenio dedicato all'ingegneria Sismica

Dallo studio delle caratteristiche caotiche del sisma al Jerk

Nel percorso di studio sviluppato dagli Autori sono stati posti in evidenza alcuni aspetti, relativi al moto sismico ed alla conseguente risposta strutturale, finora ignorati o scarsamente considerati: le caratteristiche caotiche del fenomeno fisico, la natura impulsiva dell'accelerazione, la rilevanza della componente verticale ed i suoi effetti negativi sulle strutture, la memoria del danno generato, la disgregazione muraria, quali frequenti cause di crisi per gli edifici esistenti.

Relativamente alla componente sismica verticale, per i metodi di analisi strutturale più diffusi in campo professionale, come lo studio dei meccanismi di collasso e l'analisi statica non lineare, sono state sviluppate, in conformità alle Norme vigenti, integrazioni volte a migliorare la qualità del risultato delle elaborazioni attraverso la completa rappresentazione dell'azione sismica.

Nell'articolo: "La componente sismica verticale è sempre da considerare perché rilevante vicino e lontano dalla sorgente" (Mariani e Pugi [9]), l'analisi degli accelerogrammi dei terremoti italiani più significativi dal 1976 ad oggi¹, condotta attraverso elaborazioni numeriche e grafiche con metodi appositamente messi a punto dagli Autori, ha posto in evidenza la natura fisica spaziale del moto sismico.

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¹ Gli eventi sismici analizzati sono, in ordine cronologico a partire dal più recente: Italia Centrale, 30.10.2016; Accumuli, 24.08.2016; Emilia, 29.05.2012; L'Aquila, 06.04.2009; Umbria-Marche, 26.09.1997; Irpinia, 23.11.1980; Valnerina, 19.09.1979; Friuli, 06.05.1976.

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L'accelerazione, il principale parametro del moto sismico in ingegneria strutturale, è stata identificata come grandezza vettoriale: la traiettoria tracciata ad ogni istante dal vettore costituisce l'estensione al campo tridimensionale degli accelerogrammi piani.

Lo studio dell'accelerogramma spaziale consente nuovi sviluppi riguardanti le variazioni dell'accelerazione e la natura impulsiva del fenomeno sismico.

Un approfondimento sul Jerk, i suoi effetti, e le soluzioni

E' sulla base di questo percorso realizzato dagli Autori, dello studio degli accelerogrammi, della valutazione degli effetti riscontrati nei diversi terremoti, delle simulazioni con modelli costantemente affinati e dal confronto con il mondo accademico e professionale che nasce un approfondimento sul Jerk applicato all'ingegneria sismica.

Nella prima parte del presente lavoro, attraverso un'indagine condotta sulla totalità delle registrazioni relative agli eventi citati¹, rese disponibili da ITACA², viene presentato uno studio sulle variazioni di accelerazione sismica e sui criteri di definizione dei corrispondenti parametri rappresentativi. Successivamente si analizzano gli effetti sulle costruzioni, con particolare attenzione verso gli edifici esistenti in muratura.

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² ITACA è l'archivio italiano di forme d'onda accelerometriche (ITalian ACcelerometric Archive). Nel 2019 è stata pubblicata la versione 3.0 realizzata dal Gruppo di Lavoro ITACA nell’ambito dell’accordo tra Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) e Dipartimento della Protezione Civile (DPC) (2012-2021).

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Si delinea finalmente un percorso progettuale che, partendo dallo studio del contenuto impulsivo del moto sismico e delle conseguenze sulle strutture, conduce verso la proposta di particolari costruttivi in grado di contrastare i danneggiamenti locali, quali le disgregazioni e le crisi delle connessioni e di conferire all'edificio consolidato la necessaria robustezza, originariamente scarsa e insufficiente.

PARTICOLARI COSTRUTTIVI

Questo articolo fa parte di una serie di contributi a firma di Massimo Mariani in cui si vuole mettere al centro l'analisi dei particolari costruttivi nei diversi interventi di consolidamento delle strutture o nelle opere provvisionali.

Ecco il piano degli articoli sui Particolari Costruttivi:

-"Rinforzo di piano di edifici in muratura con fasce di ristilatura armata esterna e intonaco armato interno";
-"Cerchiature delle aperture nelle strutture murarie per mezzo di profilati piatti di acciaio";
-"Interventi di consolidamento di solai in latero-cemento e in acciaio con profilati piatti";
-"Rinforzo di solai in legno con travi, funi e tenditori di acciaio";
-"Rinforzo strutturale con fasce-tiranti di acciaio con il "Metodo-Dispositivo Massimo Mariani”;
-"Consolidamento e restauro degli edifici in muratura: interventi sulle volte";
-"Consolidamento e rinforzo di strutture su solai, capriate e altro";
-"Consolidamento e restauro: il caso di capriate, volte a botte, di edifici dall'interno ed esterno";
-"Opere provvisionali per la messa in sicurezza di dissesti strutturali dell'elevato";
- "Jerk: effetti delle azioni sismiche impulsive e crisi locali nelle strutture in muratura";
- "Jerk sismico e sollecitazioni impulsive: progettazione di rinforzi delle murature"

PER IL QUADRO GENERALE DELLE OPERE DELL'AUTORE > www.massimomarianistudio.com

ARTICOLI DEGLI AUTORI

[1] Mariani M.: Terremoto e caos: un nuovo percorso di analisi del comportamento dei sismi, Ingenio, 23.12.2017

[2] Mariani M., Pugi F.: Effetti negativi del sisma verticale sul comportamento delle pareti esistenti in muratura, Ingenio, 25.07.2018

[3] Mariani M., Pugi F., Francioso A.: Sisma verticale: amplificazione della vulnerabilità degli edifici esistenti in muratura, Ingenio, 01.10.2018

[4] Mariani M., Pugi F., Francioso A.: Sisma verticale: modellazione e analisi in ambito professionale sugli edifici esistenti in muratura, Ingenio, 20.12.2018

[5] Mariani M., Pugi F.: Circolare NTC2018: finalmente si dovrà progettare considerando il sisma verticale, Ingenio, 18.02.2019

[6] Mariani M., Pugi F.: Circolare NTC2018: "sisma verticale" da considerare in entrambe le analisi non lineari statica e dinamica, Ingenio, 12.03.2019

[7] Mariani M., Pugi F.: "Sisma verticale" nelle NTC 2018: edifici esistenti e comportamento strutturale "atteso", Ingenio, 03.04.2019

[8] Mariani M., Pugi F., Francioso A.: Vertical component of the seismic action: amplified vulnerability of existing masonry buildings, CompDyn 2019, Crete, Greece, 24–26 June 2019

[9] Mariani M., Pugi F.: La componente sismica verticale è sempre da considerare perché rilevante vicino e lontano dalla sorgente, Ingenio, 07.11.2019

Con il Jerk ci sono anch'io ...

Qualche anno fa, durante il Congresso degli Ingegneri di Perugia, ebbi la fortuna di intervistare Massimo Mariani. Quando realizzo un'intervista tecnica non mi preparo quasi mai una serie di domande, solo la prima, perchè mi piace ascoltare l'intervistato, e incalzarlo poi sui punti che più mi hanno colpito o che mi sono meno chiari. In quell'occasione Massimo mi parlò della memoria del danno, ovvero del danno che una struttura muraria accumula nel tempo, anche con sismi di piccola entità. Rimasi colpito, e gli proposi così di partecipare a una serie di incontri sul territorio italiano, non solo per raccontare queste considerazioni ma anche per avviare un confronto, con figure accademiche e professionali. Grazie al contributo di alcune aziende riuscimmo a realizzare un "viaggio" di 30 tappe attraverso l'Italia, e man mano che il viaggio proseguiva, Massimo, forse stimolato anche dai tanti incontri, proseguì nei suoi studi. Fu in uno dei primi di questi che conobbe Francesco Pugi, con cui avviò fin da subito una collaborazione e un confronto continuo, che ha portato a una serie di pubblicazioni su Ingenio che ne disegnano gli stati di avanzamento. E passo dopo passo si è giunti a questa pubblicazione sul Jerk, 200 pagine di approfondimento tecnico e scientifico con analisi e proposte di soluzione. E non solo perchè ho promosso il loro incontro, e non solo perchè ho ospitato questa serie di pubblicazioni, che hanno superato le 80 mila letture, ma anche per l'essere stato tante volte coinvolto in loro lunghe discussioni durante le nostre tappe del viaggio, durante le telefonate che poi sono seguite, in piccola parte mi sento anch'io partecipe di questo percorso. 

Vorrei aggiungere un particolare. Con Massimo abbiamo condiviso 30 incontri con i professionisti, e devo evidenziare che mai uno di questi si è concluso al momento della "fine dei crediti professionali". Ogni incontro è proseguito, anche di un paio di ore, per l'interesse che la trattazione di queste tematiche richiamava tra gli ingegneri e architetti presenti. Per questo suggerisco al lettore di leggere con attenzione questo documento che alleghiamo, arricchito con video e particolari costruttivi, e poi riprendere anche le altre pubblicazioni che Mariani e Pugi hanno regalato ad Ingenio.

Buona lettura.

Andrea Dari