Giada Gasparini

La sottoscritta ha iniziato la sua attività di studio e di ricerca presso il dipartimento DISTART della Università di Bologna negli ultimi mesi del 2001. 

Dopo un primo periodo dedicato allo studio di tematiche generali, nell'ambito della meccanica delle strutture e della dinamica applicata all'ingegneria sismica, si è applicata all'approfondimento dei seguenti temi di ricerca principali:

1. analisi dei fenomeni torsionali indotti dall'azione sismica su edifici caratterizzati da eccentricità in pianta tra “baricentro delle masse” e “baricentro delle rigidezze” (argomento della tesi di dottorato);

2. valutazione dell'affidabilità delle strutture nei confronti del rischio sismico, tramite l'analisi statistica dei valori di resistenza e di azioni  dinamiche cui sono sottoposti i sistemi e con particolare riferimento alla ricerca di Intensity Measures efficienti per la creazione di un set di sismi di riferimento, per un dato sito, da utilizzarsi in analisi dinamiche di tipo time-history;

3. studio e applicazione della metodologia progettuale innovativa del Performance Based Seismic Design;

4. inserimento di smorzatori in strutture in c.a. per la mitigazione degli effetti dell'azione sismica,

5. sviluppi analitici per la valutazione degli effetti dell'azione sismica su silos a fondo piano contenenti materiali granulari;

6. ricerca sperimentale su pannelli portanti in conglomerato cementizio armato.

Analisi dei fenomeni torsionali indotti dall'azione sismica su edifici caratterizzati da eccentricità in pianta tra “baricentro delle masse” e “baricentro delle rigidezze”

Dall'analisi dei danni indotti da recenti eventi sismici distruttivi è emerso come una notevole percentuale di crolli sia direttamente riconducibile agli effetti torsionali indotti dall'azione del sisma sulle strutture caratterizzate da una non regolarità in pianta, ovvero dalla non coincidenza in pianta tra il centro delle masse e il centro delle rigidezze (strutture eccentriche). Tali strutture, qualora sottoposte ad eccitazioni di tipo dinamico, sviluppano una risposta torsionale, la cui entità può incrementare, in maniera significativa, il picco locale della loro risposta dinamica, rispetto a quello ottenuto nel caso di sistemi equivalenti non eccentrici.

Il contributo scientifico dato da Giada Gasparini è iniziato durante la tesi di laurea e si è sviluppato nel corso dei 3 anni di dottorato e dei 3 anni di assegno di ricerca ed è stato articolato in varie fasi:

• collaborazione con il Prof. Tomaso Trombetti e con il Prof. Joel P. Conte (University of California UCSD, San Diego) nella definizione analitica di un metodo semplificato (denominato metodo ALFA) per valutare la propensione allo sviluppo di fenomeni torsionali, propria di strutture eccentriche (nel caso specifico strutture dotate di un sistema di isolamento alla base), sotto eccitazione sismica, attraverso l'identificazione di un parametro chiave, dipendente solo dalle caratteristiche del sistema, chiamato ALFA. lo studio è stato affrontato a partire dalle equazioni del moto di un sistema eccentrico ad un piano ipotizzato rigido, a tre gradi di libertà, ottenendo, tramite l'analisi modale, le risposte del sistema in termini di spostamenti e rotazioni; analizzando le componenti armoniche delle risposte con i diagrammi di Argand e tramite il paragone con i fenomeni dei battimenti (beating phenomena), è stata individuata una relazione tra la massima risposta rotazionale e il massimo spostamento che subisce la struttura in oscillazioni libere. Il rapporto tra queste due grandezze, adimensionalizzato grazie al prodotto con il raggio di inerzia dello sviluppo in pianta del sistema in oggetto, definisce il parametro ALFA. Nel caso di sistemi non smorzati, è stata ottenuta una espressione analitica esatta in forma chiusa del parametro ALFA. Nel caso di strutture dotate di smorzamento sono state invece ricavate alcune espressioni analitiche empiriche, ricavate dalla minimizzazione degli scarti quadratici medi sui dati ottenuti tramite simulazioni numeriche. In entrambi i casi, i valori di ALFA sono funzioni della eccentricità relativa del sistema, del rapporto tra le frequenze disaccoppiate longitudinali e rotazionali del sistema (parametro ), e del coefficiente di smorzamento ξ.

• Validazione sperimentale dell'affidabilità del metodo semplificato basata su dati ricavati da registrazioni di accelerografi situati in edifici esistenti (collaborazione con il Prof. J. Stewart della University of California UCLA, Los Angeles), sottoposti a sismi recenti, a seguito di estese verifiche numeriche e dell'interpretazione dei risultati ottenuti da test su tavole vibranti (Rice University e Bristol University). Una prima verifica è stata condotta nel caso di sistemi che hanno un comportamento elastico lineare, mettendo a confronto i risultati ottenuti da simulazioni numeriche e dai test delle tavole vibranti con i valori della rotazione massima calcolata sulla base del parametro ALFA non smorzato, smorzato e stocastico. Una seconda verifica è stata condotta nel caso di comportamento non lineare dei sistemi, mettendo a confronto i risultati ottenuti da simulazioni numeriche e dai test della tavola vibrante di Bristol con i valori della rotazione massima calcolata sulla base del parametro ALFA non lineare.

• Simulazioni numeriche (n. 11600) compiute su un considerevole numero di strutture rappresentative di sistemi torsio-rigidi e torsio-flessibili sottoposti a input sismico e variazione del parametro ALFA in funzione del periodo fondamentale dei sistemi. Il risultato fondamentale che si ottiene è che la media dei valori di ALFA ottenuto dalle simulazioni è sempre contenuto all'interno dell'intervallo descritto dal parametro ALFA smorzato (con indice di smorzamento pari al 5%) e del parametro ALFA non smorzato (che è stato dimostrato essere un limite superiore per tutti i casi analizzati).

• Approccio genetico per l'inserimento ottimale di smorzatori viscosi all'interno di strutture asimmetriche dotate di comportamento torsionale e verifica della sua efficacia. La procedura proposta è basata sull'utilizzo degli algoritmi genetici e fa uso di selezionati indici di prestazione (Performance Indexes) fondati sulla risposta di sistemi eccentrici a input stocastici di tipo white noise. I risultati ottenuti indicano che, al fine di ottenere strutture eccentriche caratterizzate da una ridotta risposta locale di picco, è consigliabile introdurre sistemi di smorzatori che minimizzino la risposta laterale (longitudinale e/o trasversale). Infatti, sistemi di smorzatori che minimizzano la risposta laterale della struttura mostrano anche una riduzione della risposta torsionale, cosicché anche la risposta globale risulta ridotta, mentre, al contrario, sistemi di smorzatori viscosi che minimizzano direttamente la risposta torsionale delle strutture possono causare elevate risposte dello spostamento laterale che, a loro volta, portano a elevati valori della massima risposta.

• Ricerca di una formulazione analitica del valore del parametro ALFA in campo non lineare e conseguente estensione della validità di applicazione del metodo semplificato in tale dominio. Qualora si consideri una risposta non lineare degli elementi della struttura, in modo grossolano si può dire che avviene un cambiamento della “matrice di rigidezza del sistema”, che si traduce in un cambio di posizione del centro delle rigidezze. Tale centro delle rigidezze non può essere definito in maniera univoca. In campo non lineare la ricerca in corso si sta focalizzando sull'identificazione di alcuni nuovi parametri strutturali da cui ALFA si considera dipendente; il parametro più significativo che verrà analizzato nel prosieguo dell'attività di ricerca è il coefficiente di struttura  che indica il livello di escursione in campo plastico della struttura.

E' ben noto come gli smorzatori viscosi inseriti nelle strutture siano in grado di mitigare gli effetti dinamici dovuti a sisma attraverso la dissipazione dell'energia cinetica trasmessa dal terreno alla struttura, tanto che si contano già numerose applicazioni su edifici soprattutto negli Stati Uniti e in Giappone. L'adozione di tali dispositivi per la realizzazione di controventi dissipativi è stata oggetto di numerosi studi scientifici recenti e non solo in centri di ricerca internazionali di consolidata tradizione (come, ad esempio, la State University of New York di Buffalo, la University of California di Berkeley e la Kyoto University in Giappone), ma anche in Italia.

Tra i vari dispositivi studiati (isolamento sismico alla base, controllo di tipo attivo, passivo ed ibrido), gli smorzatori sismici di tipo viscoso hanno mostrato di essere in grado di fornire prestazioni ottimali (attraverso l'incremento delle capacità dissipative del sistema strutturale “edificio+dissipatori” senza fare ricorso ad elevate richieste di duttilità negli elementi strutturali) a fronte di costi di installazione relativamente ridotti. In tale ambito, il tema dell'ottimizzazione simultanea del posizionamento e del dimensionamento degli smorzatori è apparso in parte non approfondito e di una indubbia utilità applicativa

In relazione all'utilizzo di smorzatori viscosi per la mitigazione degli effetti del sisma, Giada Gasparini ha collaborato con il Prof. Tomaso Trombetti e il Dott. Stefano Silvestri per la messa a punto una metodologia per l'individuazione e la implementazione di sistemi di smorzamento “ottimali” in relazione alla identificazione del sistema di smorzatori in grado di massimizzare la dissipazione di energia sotto input sismico a parità di costo del sistema, da inserire in strutture di tipo shear-type. Il risultato principale di tali ricerche è stata l'individuazione di una disposizione dei dissipatori viscosi ( “fixed-point placement”) basata sulle proprietà fisiche della componente proporzionale alle masse della matrice di smorzamento alla Rayleigh, in grado di fornire riduzioni fino al 70% delle sollecitazioni indotte nelle strutture dall'azione del sisma, rispetto alle prestazioni offerte dagli stessi dissipatori disposti in modo tradizionale (“inter-storey placement”).

Giada Gasparini ha effettuato una ricerca in merito ai vantaggi offerti dall'inserimento in tali strutture di smorzatori viscosi aggiuntivi aventi il fine di migliorarne il comportamento sismico, attraverso un concreto esempio applicativo, condotto con riferimento ad un edificio ad uso commerciale che presenta uno sviluppo in pianta di circa 70x80 mq, e si sviluppa su due piani per un'altezza totale di circa 10.50 m. Sono state prese in considerazione diverse soluzioni strutturali sia di tipo tradizionale che di tipo innovativo; i risultati mostrano come l'utilizzo di sistemi di controventamento di tipo tradizionale siano in grado di soddisfare i requisiti di normativa a scapito, però, di elevate ed insostenibili sollecitazioni sia nella soletta di piano, che nelle travi e nei pilastri facenti parte del sistema stesso di controventamento. Al contrario, l'inserimento di sistemi di controventamento di tipo dissipativo consente di ridurre efficacemente gli effetti del sisma, facendo rientrare le prestazioni della struttura all'interno delle limitazioni imposte dalla normativa, senza tuttavia generare azioni eccessivamente elevate nei diversi elementi strutturali (dissipatori compresi). In particolare, a parità di prestazioni offerte sulla struttura, i sistemi di controventamento di tipo dissipativo sono soggetti ad azioni all'incirca pari ad un terzo delle corrispondenti azioni che nascono nei sistemi di tipo tradizionale.

Tali attività di ricerca hanno visto la collaborazione con alcune delle maggiori ditte produttrici di smorzatori (Taylor Devices, FIP).

Analisi probabilistica della pericolosità sismica e ricerca di “Intensity Measures” efficienti per la creazione di un set di sismi di riferimento, per un dato sito, da utilizzarsi in analisi dinamiche di tipo time-history

In un framework Performance Based Seismic Design risulta centrale la determinazione della “domanda” imposta alla struttura dall'azione sismica. La domanda, in genere, viene valutata mediante una serie di analisi dinamiche non lineari utilizzando input sismici di progetto di tipo time-history (accelerogrammi) eseguite per diversi livelli sismici di progetto e mediante l'individuazione di opportuni “Engineering Demand Parameter”.

Passaggio fondamentale risulta essere pertanto la corretta identificazione degli accelerogrammi di progetto che si devono utilizzare nelle analisi. Tale identificazione è ottenuta attraverso l'associazione dell'input sismico ad un dato valore della probabilità di superamento, in un determinato periodo di osservazione, di uno specifico valore di soglia di un opportuno “Ground Motion Parameter” comunemente indicato con “Intensità Measure” (IM). Esempi: PGA o PGV, , etc.

A tal proposito, Giada Gasparini, in collaborazione con il Prof. Tomaso Trombetti e il Dott. Stefano Silvestri, ha sviluppato una analisi probabilistica di pericolosità sismica che perviene alla determinazione delle funzioni di probabilità (PDF e CDF) relative al fatto che, in una data località e in un dato tempo di osservazione, si abbiano valori di accelerazione massima del terreno (PGA) o di velocità massima del terreno (PGV) superiori a valori prefissati. Tale analisi si basa sulla metodologia di Cornell del 1968 (schematizzazione dell'occorrenza dei terremoti come processi di Poisson, legge di occorrenza di Gutenberg-Richter, …), aggiornata secondo quanto recentemente proposto in letteratura ed adattata alla realtà statistica e/o geofisica del territorio italiano attraverso la legge di attenuazione di Sabetta-Pugliese del 1996, l'analisi di completezza di Mulargia-Gasperini-Tinti del 1987 e l'utilizzo delle più recenti zonazioni sismiche (ZS4 del 1996 e ZS9 del 2004) e dei più aggiornati cataloghi parametrici dei terremoti (NT.4.1.1 del GNDT del 1997 e CPTI2 dell'INGV del 2004). E' stato implementato in un codice di calcolo l'algoritmo che consente di ottenere, per un qualsiasi sito italiano e per un prefissato tempo di osservazione, la curva di distribuzione cumulativa di probabilità (CDF) della PGA, della PGV o di una qualsiasi Intensity Measure di cui sia nota la legge di attenuazione.

A partire dai risultati delle analisi di pericolosità sismica sviluppate si è proposta una Intensity Measure di tipo vettoriale basata sulla combinazione di PGA e PGV. Al fine di identificare l'Intensity Measure “ottimale” per la creazione di gruppi di accelerogrammi che siano al tempo stesso efficienti (in termini di dispersione della risposta strutturale) e rappresentativi per un dato sito, si è confrontata con l'efficienza di tale Intensity Measure con l'efficienza di altre (sia di tipo scalare che di tipo vettoriale) proposte in recenti contributi scientifici. Analisi dinamiche non lineari di tipo time-history condotte utilizzando come input gruppi di sismi ottenuti a partire da coppie di valori di PGA e PGV hanno mostrato risultati molto meno dispersi di analisi simili condotte utilizzando come input gruppi di sismi ottenuti a partire da altre Intensità measures proposte in letteratura.

La progettazione di strutture civili in grado di fornire prefissate prestazioni sismiche risulta essere particolarmente impegnativa, data la complessa e molteplice caratterizzazione sia dell'azione sismica (non una azione, ma diverse possibili azioni caratterizzate da diverse probabilità di verificarsi) che della risposta strutturale. A tal fine, negli ultimi anni, hanno avuto particolare successo le metodologie di studio che vanno sotto il nome di Performance Based Seismic Design (PBSD)

Le fasi in cui si articola il PBSD possono essere sinteticamente riassunte come segue:

a.                  valutazione della pericolosità sismica del sito di interesse (identificazione di una serie di set “omogenei” di input sismici, ciascuno caratterizzato dalla stessa probabilità di verificarsi in un dato periodo di osservazione),

b.                  scelta dei livelli prestazionali (attraverso l'individuazione di opportuni parametri prestazionali e relativi limiti prestazionali) e degli obiettivi prestazionali di progetto: performance objectives (associazione di una probabilità ad un livello),

c.                  definizione di una soluzione progettuale in grado di soddisfare i performance objectives (attraverso lo sviluppo di una serie di analisi dinamiche incrementali - IDA e Multi IDA - della struttura in esame, in modo da confrontare le prestazioni offerte con i performance objectives),

d.                  identificazione e pianificazione dei controlli di qualità in fase di progettazione, di costruzione, di manutenzione e gestione dell'edificio, capaci di garantire il mantenimento nel tempo degli obiettivi prestazionali conseguiti in fase di progetto.

Il cuore della metodologia PBSD consiste nella capacità di definire e raggiungere specifici obiettivi prestazionali, ossia nella capacità di garantire (nei limiti della precisione ingegneristica) che la struttura si trovi ad operare nell'ambito di ciascun specifico livello prestazionale con una data probabilità.

Il gruppo di ricerca guidato dal Prof. Ing. Claudio Ceccoli, di cui Giada Gasparini fa parte, ha completato lo studio di una prima applicazione di metodologie progettuali di tipo PBSD per l'adeguamento sismico mediante isolamento alla base di un edificio in monumentale in muratura (Teatro Galli di Rimini) in relazione al progetto di ricerca PRIN 2000 “Adeguamento sismico di edifici monumentali tramite isolamento sismico e materiali innovativi”.

Nella problematica generale relativa alla valutazione delle azioni indotte dal sisma sulle pareti di silos a fondo piano contenenti materiali granulari (tipo cereale) risulta di particolare interesse la valutazione delle azioni orizzontali. Tali azioni vengono usualmente valutate (i) ipotizzando un comportamento rigido del silos e del contenuto (il che equivale a considerare silos e contenuto soggetti alle accelerazioni del terreno) e (ii) assumendo che la massa di cereale corrispondente a tutto il contenuto del silos meno (eventualmente) il cono di base avente inclinazione pari all'angolo di attrito interno del cereale venga equilibrata dalle spinte orizzontali fornite dalle pareti (supponendo che la forza sismica che nasce nel cono di base venga equilibrata per attrito alla base e pertanto non si scarichi sulle pareti). Questo approccio progettuale non è tuttavia supportato da specifici studi scientifici a riguardo; infatti, nonostante vi siano molte pubblicazioni sul comportamento sotto sisma di silos contenenti liquidi, in letteratura non sono presenti pubblicazioni a carattere scientifico relative al comportamento dinamico, e tanto meno sotto sisma, di silos a fondo piano contenenti materiali granulari.

Il contributo scientifico dato da Giada Gasparini (in collaborazione con il Prof. Ing. Tomaso Trombetti e il Dott. Ing. Stefano Silvestri) consiste in una serie di sviluppi analitici volti alla valutazione dell'effettivo comportamento di silos a fondo piano contenenti cereali soggetti ad una accelerazione costante orizzontale e ad una accelerazione costante verticale. In particolare, tali sviluppi, mantenendo valida l'ipotesi (i), hanno condotto alla determinazione analitica, sulla base di considerazioni di equilibrio dinamico e di attrito, delle effettive spinte orizzontali che nascono sulle pareti del silos.

I risultati ottenuti mostrano come le spinte orizzontali che nascono sulle pareti del silos siano sensibilmente inferiori a quelle ottenibili secondo l'ipotesi (ii). Per una migliore comprensione fisica dei risultati ottenuti, ad una espressione analitica corrispondente alle spinte orizzontali che si scaricano sulle pareti del silos è stata anche accoppiata una rappresentazione fisica dei risultati ottenuti in termini di quotaparte della massa del cereale che effettivamente grava (in termini di spinta orizzontale) sulle pareti del silos. I risultati ottenuti hanno consentito inoltre la formulazione di una procedura per la progettazione sismica di tali silos.

Il comportamento sismico di strutture a pareti portanti in conglomerato cementizio armato (c.c.a.) sta riscuotendo negli ultimi anni una particolare attenzione da parte della comunità scientifica internazionale, in quanto nell'ultimo ventennio solo pochi progetti di ricerca si sono occupati di tale argomento. La causa principale delle scarse ricerche sul tema è da imputare principalmente a problematiche legate alle imprese di costruzioni, non certamente al possibile comportamento sismico non ottimale delle strutture a pannelli portanti.

Giada Gasparini, in collaborazione con il gruppo di lavoro costituito dal Prof. Ing. Claudio Ceccoli, dal Prof. Ing. Tomaso Trombetti, dal Dott. Ing. Gilberto Dallavalle, dal Dott. Ing. Stefano Silvestri e dal Dott. Ing. Daniele Malavolta, si è occupato attivamente sia dell'organizzazione e progettazione, che della interpretazione scientifica (con sviluppo di modelli analitici in grado di cogliere il comportamento sperimentale) di prove di carico ciclico sotto azione orizzontale di pannelli in c.c.a.

Nel dettaglio, le prove riguardano due tipologie di pannelli portanti:

·        pannelli costituiti da un unico strato di calcestruzzo (di spessore pari a circa 14 cm) con opportuna armatura orizzontale e verticale (posta al centro dello spessore della parete). Tale procedimento costruttivo, denominato ISOTEX della Ditta C.&P. Costruzioni di Boretto (RE), prevede la realizzazione di pareti portanti e solai mediante il getto di conglomerato cementizio ordinario all'interno di blocchi cassero a perdere in legno-cemento (zone alvelolari di alleggerimento). Le facce a contatto di due blocchi successivi hanno forature semicircolari creando in tal modo il collegamento orizzontale (lunetta). Viene così realizzato un ordinato reticolo di cavità, verticali ed orizzontali, che, qualora riempite di conglomerato cementizio ordinario, realizzano una parete forata.;

·        pannelli costituiti da due croste esterne (di spessore apri a circa 4 cm) di calcestruzzo gettate su entrambe le facce di un pannello di alleggerimento in polistirolo opportunamente sagomato. Tale procedimento costruttivo, denominato NIDYON dal nome della ditta produttrice di Santarcangelo di Romagna (RN), prevede la realizzazione di pannelli utilizzando come materiale di base blocchi stampati di polistirene espanso (di spessore variabile con un minimo di 6cm), rete elettrosaldata ottenuta a partire da filo di acciaio in bobine (fili con diametro pari a circa 3mm) e connettori trasversali in direzione orizzontale in quantità pari a circa 40-50/mq. Si tratta di pannelli caratterizzati da notevole leggerezza e maneggevolezza, anche di lunghezze notevoli, che vengono completati in cantiere mediante getto delle due croste di calcestruzzo.

Al fine di ottenere una adeguata caratterizzazione del comportamento sismico (rigidezza, resistenza, duttilità) di tali pannelli, sono state condotte prove pseudostatiche con carico verticale costante e con carico orizzontale ciclico sia su pannelli singoli che su un sistema con pianta ad H rappresentativo di una porzione di struttura a due piani.

I risultati ottenuti mostrano un buon comportamento duttile, valori di carico orizzontale di snervamento sempre paragonabili (o addirittura superiori) ai carichi verticali di prova, il mantenimento della capacità di resistenza ai carichi verticali anche dopo il danneggiamento provocato dal carico orizzontale. Anche il degrado delle caratteristiche meccaniche dei pannelli appare sostanzialmente accettabile.

Tale attività di ricerca è volta alla redazione di Linee Guida per le verifiche sismiche di strutture a pareti portanti in conglomerato cementizio armato, sulla base della interpretazione dei risultati delle prove sperimentali condotte e sulla base delle normative tecniche vigenti.