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Comportamento non lineare di strutture in cemento armato: analisi numerica con modelli a fibre e prove sperimentali su elementi strutturali

Informazioni tesi

  Autore: Fabio Pulvirenti
  Tipo: Laurea liv.II (specialistica)
  Anno: 2010-11
  Università: Università degli Studi di Catania
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria civile e ambientale
  Relatore: Loredana Contrafatto
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 251

Nella presente tesi è stato affrontato il problema della modellazione del comportamento non lineare delle strutture in calcestruzzo armato mediante l’utilizzo di un particolare modello numerico appartenente alla categoria degli elementi finiti discreti, in base ai quali la generica struttura è idealizzata come un insieme di elementi collegati tra loro (elementi beam-column), dotati di una propria formulazione capace di cogliere il comportamento non lineare medio, cioè al livello della singola sezione. Sono possibili due tipi di formulazione: a) non linearità concentrata (lamped nonlinearity), b) non linearità diffusa a tutto l’elemento beam-column (distribuited nonlinearity member models).
Si è proceduto inizialmente a una disamina tra le diverse formulazioni disponibili in letteratura, per poi concentrare lo studio a una specifica categoria di elemento beam-column: la formulazione basata sulla flessibilità e sulla discretizzazione a fibre delle sezioni.
In tale modello l’elemento beam-column è discretizzato secondo un determinato numero di sezioni collocate lungo lo stesso in prefissate posizione (punti di controllo o di integrazione); le sezioni sono a loro volta discretizzate in un certo numero di parti, o fibre, distinte per il calcestruzzo e per le barre di armatura. La formulazione dell’elemento, fondata sull’interpolazione del campo delle forze e sul calcolo della flessibilità dell’elemento, consente lo sviluppo di un algoritmo risolutivo non lineare particolarmente “robusto”, in grado di trattare le non linearità tipiche degli elementi in c.a. quali ad esempio il comportamento softening.
Con il codice di calcolo OpenSees è stato possibile applicare questo tipo modello numerico per la simulazione del comportamento rea-le delle strutture in c.a. utilizzando in particolare l’elemento beam-WithHinges: un elemento beam-column con formulazione basata sul concetto di flessibilità (integrazione del campo delle forze) con de-scrizione del comportamento delle sezioni basata sul modello a fibre e che utilizza un particolare metodo di integrazione che limita l’estensione delle zone non lineari a una lunghezza prefissata. Nel tratto al di fuori delle “cerniere plastiche” il comportamento rimane in campo elastico ed è definito in termini di rigidezza equivalente.
Il comportamento del modello è comunque fortemente legato ai legami costitutivi uniassiali utilizzati per la rappresentazione del comportamento delle fibre. Un’ampia parte di questo lavoro è quindi dedicata allo studio comparativo tra i modelli più completi presenti attualmente in letteratura sia per il calcestruzzo che per l’acciaio.
Al fine di verificare l’attendibilità e l’accuratezza del modello numerico studiato si è proceduto alla simulazione di prove sperimentali su pilastri in c.a., soggetti a forze laterali cicliche, condotte in precedenza da vari autori, affrontando di volta in volta diversi scena-ri: entità del confinamento, snellezza dell’elemento, valore dello sforzo di compressione. Dalle simulazioni sono emerse la variabilità e la forte dipendenza dei risultati nei confronti del valore di rigidezza equivalente e soprattutto nella lunghezza della cerniera plastica. Si è proceduto così a un’analisi parametrica al fine di osservare proprio l’influenza che la lunghezza della cerniera plastica ha sulla risposta non lineare dell’elemento.
I risultati ottenuti per le simulazioni hanno mostrato una buona corrispondenza con i risultati sperimentali confermando la validità del modello numerico così definito a descrivere il comportamento isteretico degli elementi strutturali e quindi a caratterizzare la rispo-sta sismica delle strutture. Si è potuto osservare che l’attendibilità migliora soprattutto nei casi di risposta ciclica di tipo stabile, cioè caratterizzata dall’assenza di fenomeni di degrado associati a crisi di ti-po fragile, perdita di aderenza delle barre, effetto pinching.
In sostanza si ha una buona corrispondenza con il comportamento reale nel caso di elementi snelli, sollecitati prevalentemente a pressoflessione. Il campo di applicazione più adatto in tal senso interessa soprattutto le analisi non lineari delle strutture intelaiate in calce-struzzo armato. A questo scopo si è condotta un’analisi comparativa su un telaio piano, progettato secondo le indicazioni della normativa italiana, tra i software OpenSees e SAP2000, in modo da osservare quali differenze si ottengono con le due modellazioni.
Dai risultati è emerso che il modello in OpenSees, grazie alla formulazione a fibre delle sezioni, è in grado di cogliere in modo efficace l’influenza della variazione dello sforzo normale causata dalle azioni orizzontali sul comportamento non lineare della struttura.

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Introduzione La simulazione della risposta non lineare di un sistema strutturale sog- getto ad azione sismica è uno fra i più importanti obiettivi dell’odierna ingegneria sismica strutturale. I terremoti intensi deformano la struttu- ra oltre i limiti convenzionali di elasticità dei singoli elementi che la compongono con una escursione a carattere ciclico. La conoscenza delle zone “preferenziali” della struttura nelle quali si prevede la concentra- zione di deformazione, e dunque di dissipazione energetica, consente un progetto mirato a contenerne nel modo più sicuro ed efficiente il dan- neggiamento progressivo e quindi ad assicurarne un livello di sicurezza idoneo alla destinazione d’uso. In queste zone avviene quella che comu- nemente è denominata “plasticizzazione”. La risposta del sistema strutturale è pertanto fortemente condizio- nata dal comportamento in ambito non lineare delle parti degli elementi strutturali che si “plasticizzano” durante il sisma. Nell’ottica di una formulazione analitica della risposta strutturale la maggiore difficoltà sta nel carattere ciclico delle escursioni in campo non lineare: un model- lo numerico che sia accurato ed efficiente deve essere in grado di coglie- re il comportamento isteretico dei materiali utilizzati e di tener conto dei fenomeni di degrado progressivo nei cicli di carico, scarico e ricarico, sia in termini di rigidezza che di resistenza. Lo studio presente in questa tesi è pertanto volto alla definizione, attraverso il software OpenSees, di un elemento beam-column da utiliz- zare per la simulazione della risposta non lineare di strutture in c.a. che sia in grado di cogliere i fenomeni che maggiormente condizionano il comportamento non lineare, quali ad esempio il confinamento del calce-

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Parole chiave

cemento armato
non linearità
opensees
softening
nonlinear beam column
modelli a fibre
prove sperimentali di laboratorio
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