Valutazione delle vulnerabilità sismica degli edifici strategici ai fini della protezione civile - Enea
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Vulnerabilità sismica e operatività strutturale degli edifici strategici ENEA Centro Ricerche Casaccia – 20 febbraio 2020 Valutazione delle vulnerabilità sismica degli edifici strategici ai fini della protezione civile Daniele Spina Dipartimento della protezione Civile Servizio Rischio Sismico
FUNZIONE DI FRAGILITA’ Una funzione A fragility di fragilità function specifica specifies la probabilità a structure’s che una probability struttura superi of exceeding un a certain certo state limit stato of limite o un determinato interest, as a functionlivello di danno, a ground motionin funzione intensitydimeasure una misura IM di intensità (e.g. del moto PGA, Housner sismico Index, ASI)(IM) (e.g. PGA, Housner Index, ASI)
FUNZIONE DI FRAGILITA’ Le Funzioni di Fragilità possono essere ottenute secondo approcci differenti, come: i) osservazione dei danni causati da eventi sismici (Funzioni di Fragilità empiriche); ii) giudizio esperto; iii) analisi dinamiche eseguite utilizzando modelli numerici, in genere non lineari (funzioni di fragilità analitiche). Un aspetto importante nella generazione delle Funzioni di Fragilità analitiche, è la scelta dei livelli di IM in cui condurre le analisi e il numero di analisi eseguite per ciascun livello. I due metodi principali sono: 1) Analisi dinamica incrementale 2) Analisi «multi stripes»
INCREMENTAL DYNAMIC ANALYSIS Selezionato un insieme di N accelerogrammi, ciascun di essi è scalato fino a che non causa il superamento dello Stato Limite. Questo processo produce un insieme di valori di IM associati, per ciascuno degli N accelerogrammi, con il superamento dello Stato Limite. la probabilità di superamento dello Stato Limite per IM=x può essere stimata come la frazione n/N di accelerogrammi che, producono il superamento dello Stato Limite per IM=x.
MULTIPLE STRIPES ANALYSIS L’analisi dinamica è eseguita per un insieme discreto di valori di IM, per ciascuno dei quali è utilizzato un certo sotto-insieme di ni accelerogrammi. Per ciascun IM=xi, l’analisi dinamica produce un certo numero di accelerogrammi che causano o un superamento dello stato limite sugli Ni totali. La probabilità di osservare zi superamentidello Stato Limite sugli nj accelerogrammi del sotto- insieme IM= xj è fornita dalla seguente distribuzione binomiale FF lognormale
MULTIPLE STRIPES ANALYSIS 1. Si assume una certa Funzione di Fragilità (cioè si assegnano i valori di θ e β). 2. Si selezionano tre sotto-insiemi di accelerogrammi con valori di IM= θ, IM= θ+ln(β) e IM= θ-ln(β). 3. Per ciascun sotto-insieme si esegue un’analisi dinamica Monte Carlo ottenendo zi casi superamento dello Stato Limite su ni. 4. Utilizzando i dati generati al punto 3 si ottiene una nuova stima di θ e β. 5. Si ripetono i passi 3 e 4 fino a che la variazione di θ e β è al di sotto di una certa tolleranza, ottenendo la stima finale della Funzione di Fragilità.
Il MODELLO MATEMATICO UTILIZZATO PER ESEGUIRE LE ANALISI STRUTTURALI DINAMICHE E’ «SMAV»
SMAV: Seismic Model from Ambient Vibrations COME NASCE «SMAV»? PREVEDERE L’EFFICIENZA DI UN SISTEMA DI GESTIONE DELL’EMERGENZA DI UN INSEDIAMENTO URBANO DOPO IL TERREMOTO Valutazione della vulnerabilità degli «EDIFICI STRATEGICI»: - Coordinamento degli interventi - Soccorso sanitario - Intervento operativo + ESPERIENZA NELL’AMBITO DEL MONITORAGGIO (OSS) = SMAV: Seismic Model from Ambient Vibrations Valutazione della risposta degli edifici strategici esistenti a partire dalle misure di vibrazioni ambientali
SMAV: Seismic Model from Ambient Vibrations eccitazione=input Sulla base della misurazione delle vibrazioni dell’edificio in condizioni di servizio, cioè per vibrazioni di bassissima ampiezza (es. 0.00001 g) PREVEDE LA RISPOSTA DELL’EDIFICIO IN CASO DI EVENTO SISMICO Sottoposto a vibrazioni di ampiezza elevata (es. 1 g)
SMAV: Seismic Model from Ambient Vibrations A cosa serve? 1. Classificare un insieme di edifici attraverso l’Indice di Operatività Strutturale e stabilire di conseguenza una priorità per l’esecuzione delle verifiche sismiche e gli interventi strutturali. 2. Contribuire alla valutazione globale del sistema per la gestione dell’emergenza di un contesto territoriale 3. Valutare lo stato di danneggiamento di un edificio durante un terremoto Vantaggi Si basa sulle caratteristiche dinamiche effettive dell’edificio, la procedure è codificata per cui i risultati non dipendono da Avvertenze scelte soggettive. Non sostituisce le verifiche E’ completamente non invasivo: le misure sono totalmente sismiche di normativa. non distruttive e possono essere eseguite senza interrompere la funzionalità dell’edificio. Non considera meccanismi locali fuori piano (per la Costi contenuti muratura).
STRUMENTI APPLICATIVI E PRODUZIONE SCIENTIFICA Istruzioni metodologia SMAV Software VaSCO Valutazione Strutturale delle Condizioni di Operatività 2015 2019 2018
Drift di interpiano SMAV: Seismic Model from Ambient Vibrations 1. Raccolta dei dati di base (Geometria, materiali) 4. Valutazione dell’ operatività strutturale 2. Misure sperimentali in situ (analisi lineare equivalente mediante ( vibrazioni ambientali modello SMAV) sull’edificio) "#$ limite di drift di interpiano per SLD %$ Max drift di interpiano da modello SMAV 3. Analisi e modellazione (Dati per costruire il modello SMAV) ➢ Parametri modali dell’edificio attraverso Operationa Modal Analysis (OMA) ➢ Input sismico * (Spettro da RSL o se le condizioni *Ottenuto da analisi geologico-tecniche del sito lo condotte parallelamente ammettono spettro da normativa) sul terreno Fasi della metodologia
SMAV: Seismic Model from Ambient Vibrations LE FASI DELLA METODOLOGIA SMAV 2. Misure sperimentali in situ Le caratteristiche proprie di un edificio possono essere determinate a partire dalla misura della sua risposta a piccole vibrazioni ambientali. Note queste caratteristiche, è possibile costruire il modello SMAV, capace di predire il comportamento dell’edificio anche sotto l’effetto di vibrazioni maggiori, come quelle indotte da un sisma. Come si eseguono? Strumenti di misura: Punti di misura: Accelerometri o velocimetri con E’ richiesta la misura di almeno due punti per risoluzione e sensibilità idonea alla ciascun impalcato fuori terra. Il numero misura delle vibrazioni ambientali. effettivo dei punti di misura è regolato dalla complessità dell’edificio. Accelerometro biassiale
2b. MISURA DELLE VIBRAZIONI AMBIENTALI PROBLEMI: l’Analisi Modale Operativa, che avviene senza la misura della forzante dinamica applicata alla struttura, a differenza dell’analisi modale classica, non fornisce le masse sismiche associate alle forme modali sperimentali. Le forme modali sperimentali forniscono la risposta della struttura solo nei punti di misura. SOLUZIONE: Per superare queste limitazione è stato messo a punto il cosiddetto Modello a Poligoni Rigidi (RPM) che permette di stimare le masse sismiche (modali) e di calcolare la risposta sismica in tutti i punti della struttura.
MODELLO A POLIGONI RIGIDI I1, m1 I2, m2 Ogni impalcato dell’edificio è idealmente suddiviso in n poligoni per i quali si assume un comportamento rigido (secondo la giacitura orizzontale) Tutte le masse dell’edificio sono concentrate nel baricentro dei poligoni. Nell’esecuzione delle misure di rumore ambientale di dispongono due punti di misura per poligono. Normalizzazione forma modale rispetto alla matrice di massa Coefficiente di partecipazione sismico Trasformazione di coordinate
SMAV: Seismic Model from Ambient Vibrations LE FASI DELLA METODOLOGIA SMAV 3. Analisi e modellazione Estrazione dei parametri modali Segnali registrati TestLab OMA (Polymax) Parametri modali (frequenze, smorzamenti, forme modali)
PROBLEMA: Durante il terremoto l’insorgere di fenomeni non lineari nell’edificio porta a una riduzione delle frequenze proprie, che sono quindi inferiori a quelle determinate in fase 3. Frequenze e smorzamenti da OMA Frequenze e smorzamenti in condizioni di sisma * Gli smorzamenti si assumono * convenzionalmente (da Normative tecniche) pari al 5% Le frequenze sono sicuramente inferiori a quelle stimate da OMA, in funzione dell’entità del sisma, ma di quanto?
Per tener conto di ciò il modello utilizza delle curve di degrado che, per una certa deformazione raggiunta, associano la corrispondente frequenza ridotta, definite “Frequency Shift Curves” (FSCs) Curve caratteristica di decremento delle frequenze naturali con il drift medio: f/f0 rapporto tra la frequenza f durante il drift massimo e la frequenza f0 stimata da OMA & drift medio sulla struttura ( (%(() / ()( ) Campioni di punti ottenuti da modelli matematici & Le “Frequency Shift Curves” (FSCs) Blocchi lapidei squadrati Sono specifiche per ciascuna tipologia strutturale. Curve FSCs mediane per tutte le tipologie murarie Pietrame disordinato
SMAV: Seismic Model from Ambient Vibrations LE FASI DELLA METODOLOGIA SMAV Le “Frequency Shift Curves” (FSCs) 4. Valutazione dell’operatività strutturale Analisi Lineare Equivalente x fi Frequenze da fase 3. x x Drift di interpiano calcolo spostamenti & variazione frequenza NO (fi+1-fi)/fi
L’Indice di OPeratività Strutturale (IOPS) è definito come: 1 − 9? ( ) 9: ( ) Funzione di probabilità cumulata del Distribuzione di probabilità rappresentativa limite di drift per lo Stato Limite di del massimo drift . calcolato da SMAV - Danno IOPS 6 = ∫5 9: ( )[1 − 9? ]
LE FASI DELLA METODOLOGIA SMAV APPLICAZIONE AL CASO DEL MUNICIPIO DI RECANATI (MC) 1. Raccolta dei dati di base (Geometria, materiali)
2a. PROGETTO DELLE MISURE 2. Misure sperimentali in situ ( vibrazioni ambientali sull’edificio) 2b. ESECUZIONE MISURA DELLE VIBRAZIONI AMBIENTALI Strumentazione utilizzata 30 accelerometri mono-assiali PCB 393B31 (±0.5g) 5 LMS-SCADAS XS recorder a 6 canali
3. ESTRAZIONE DEI PARAMETRI MODALI TestLab OMA (Polymax)
4. VALUTAZIONE DELL’OPERATIVITA’ STRUTTURALE Input sismico: Ubicazione indagini Spettro di risposta elastico Geognostiche Masse modali (NTC e RSL - TR=100 anni) Analisi con spettro da normativa (Categoria sottosuolo B -TR=100 anni) IOPS=4 %
EVENTO Epicentro: Norcia, Perugia ML: 6.5 2016-10-30 06:40:17 (UTC) Non essendo presente un sistema di monitoraggio sull’edificio, non è disponibile la registrazione dei canali a terra e della risposta strutturale durante l’evento sismico I risultati del modello SMAV • Tr = 100 anni NTC 2008 sono stati confrontati con il • Tr = 475 anni reale stato dell’edificio riscontrato dopo l’evento Akkar, Bommer Terremoto di sismico ML: 6.5 scenario RJB: 52 Km
Sisma del 30-10-2016: danni osservati Dopo l’evento sismico del 30 ottobre l’edificio è inagibile e i danni maggiori sono stati riscontrati nella zona dove era previsto il massimo drift del modello SMAV
sisma del 30-10-2016:simulazione Risultati GMPE* : Akkar & Bommer (2010) Mw=6.5 Rjb=52 km 0.4 AB10 0.3 Sa [g] 0.2 0.1 0. 0. 1. 2. 3. 4. 5. T [s] (*)General Motion Prediction Equations
A seguito del terremoto è stata eseguita una campagna di misure in data 7 Dicembre 2016 con il fine di caratterizzare il comportamento dinamico dell’edificio post sisma. FREQUENZE E MASSE PARTECIPANTI FREQUENZE E MASSE PARTECIPANTI PRE 24/08 DA IDENTIFICAZIONE RUMORE 7 Mode Frequency [Hz] Mx [%] My [%] DICEMBRE 1 2.84 0 17 Mode Frequency [Hz] Mx [%] My [%] 2 3.22 14 3 1 2.08 33 51 3 3.57 9 75 2 2.26 14 0 4 4.51 58 2 3 3.77 49 21 81 98 96 72 IOPS = 4% (TR=100ANNI NTC08 CAT.B) IOPS = 0.03 % (TR=100ANNI NTC08 CAT.B)
Sistema modulare con sensori digitali in rete
Cenni sul modello SMAV (Seismic Model forum Ambient Vibrations) APPLICAZIONE DI SMAV IN ITALIA Sperimentazione nazionale su 37 edifici in 15 regioni (2015-2016) Collaborazione Univ. Trento-DPC: 5 scuole in provincia di Trento (2017) Convenzione Regione Liguria-Unige: 7 edifici strategici o rilevanti (2017) Convenzione CMRC-UniRoma3: 15 scuole a Roma e Provincia (2018-2019) Progetto RISVAL (Regione Piemonte): 5 edifici strategici in Val di Susa (2019) PON Governance: 30 edifici strategici fondamentali in 10 CT pilota in Basilicata, Calabria, Campania, Calabria e Sicilia (2019-2020) Progetto Urbisit 18 edifici strategici fondamentali in 6 CT in Toscana e Liguria
PON SISMICO - FASE 4 OPERATIVITA’ DEGLI EDIFICI
PON SISMICO - FASE 4 OPERATIVITA’ DEGLI EDIFICI
PON SISMICO - FASE 4 OPERATIVITA’ DEGLI EDIFICI CASI STUDIO T1 = 0.21 sec T2 = 0.20 sec T3 = 0.18 sec Mx = 0% M My = 28% M Mx = 0% M My = 64% M Mx = 91% M My = 0% M Scuola primaria “Lorenzo de’ Medici” Barberino di Mugello T1 = 0.67 sec T2 = 0.54 sec T3 = 0.39 sec Ospedale “san Giovanni Battista” Tivoli Mx = 0% M My = 80% M Mx = 74% M My = 2% M Mx = 3% M My = 0% M
PON SISMICO - FASE 4 OPERATIVITA’ DEGLI EDIFICI CASI STUDIO Scuola primaria “Lorenzo de’ Medici” Barberino di Mugello
PON SISMICO - FASE 4 OPERATIVITA’ DEGLI EDIFICI CASI STUDIO Scuola primaria “Lorenzo de’ Medici” Barberino di Mugello I punti a cui si ancorano le curve di fragilità risultano meno dispersi se si impiega il parametro integrale ASI0.1-0.5
PON SISMICO - FASE 4 OPERATIVITA’ DEGLI EDIFICI CASI STUDIO Ospedale “san Giovanni Battista” Tivoli
PON SISMICO - FASE 4 OPERATIVITA’ DEGLI EDIFICI CASI STUDIO Scuola primaria “Lorenzo de’ Medici” Barberino di Mugello Ospedale “san Giovanni Battista” Tivoli
PON SISMICO - FASE 4 OPERATIVITA’ DEGLI EDIFICI CASI STUDIO Scuola primaria “Lorenzo de’ Medici” Barberino di Mugello Ospedale “san Giovanni Battista” Tivoli
GRAZIE PER L’ATTENZIONE
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