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Pier Paolo Diotallevi

Professore a contratto

Dipartimento di Architettura

Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali

Temi di ricerca

Parole chiave: Strutture in calcestruzzo armato Affidabilità sismica Dissipatori fluido-viscosi Modelli non lineari Indici di danno Isolamento alla base Azione sismica verticale Identificazione dinamica Progettazione sismica Procedure di pushover

1) Sviluppo di modelli per l'analisi statica e dinamica non lineare di strutture in calcestruzzo armato: modelli a plasticità diffusa; modelli a fibre; capacità deformativa al collasso.
2) Studio del comportamento sismico e dei criteri di progettazione di strutture in c.a.: influenza della componente verticale del sisma; valutazione del danneggiamento; influenza dei tamponamenti in muratura; progettazione secondo l'Eurocodice 8; metodologie innovative basate su approcci agli spostamenti.
3) Procedure di pushover per la stima della risposta sismica: metodi semplificati per la stima della risposta sismica; procedure di pushover standard, multi-modali ed adattive; procedure di pushover per edifici irregolari in pianta.
4) Inserimento di dispositivi per il controllo degli effetti del sisma: isolamento alla base di strutture soggette a sismi epicentrali; impiego di dissipatori fluido-viscosi per il miglioramento e l'adeguamento sismico di edifici esistenti.
5) Analisi di affidabilità e approcci probabilistici per strutture soggette ad azione sismica: determinazione della pericolosità sismica; influenza del parametro di misura dell'intensità del sisma; calcolo della probabilità di collasso di strutture in c.a.
6) Valutazione della vulnerabilità sismica di edifici in muratura: analisi dei meccanismi di collasso.
7) Identificazione dinamica di strutture mediante prove di vibrazione forzata: prove di vibrazione forzata su edifici, ponti e passerelle pedonali; identificazione nel dominio delle frequenze.
8) Studi sperimentali su elementi di calcestruzzo: elementi realizzati con aggregati naturali o riciclati; durabilità.
9) Lastre piane e lastre curve.
10) Sistemi spaziali di irrigidimenti.



1) Si sono studiati i modelli analitici e si sono realizzati codici di calcolo per l'analisi statica e dinamica non-lineare di strutture in calcestruzzo armato. E' stato formulato e messo a punto autonomamente un modello di tipo globale basato sull'introduzione dei legami momento-curvatura dei tronchi costituenti gli elementi strutturali. Un aspetto che è stato approfondito in modo particolare ha riguardato la valutazione dell'incidenza dello sforzo normale e delle sue variazioni sul comportamento dei pilastri. Per confronto è stato poi perfezionato un modello a fibre diffuso in ambito scientifico, più raffinato nel descrivere gli effetti dello sforzo normale, ma poco agevole per svolgere estese indagini numeriche. Entrambi i modelli sono stati tarati e verificati attraverso il confronto con risultati sperimentali reperibili in letteratura.
Successivamente si è proceduto alla realizzazione ed implementazione di un nuovo modello a fibre capace di includere l'interazione taglio-flessione nella risposta non lineare degli elementi in c.a. soggetti a carico ciclico. Nel modello è stato applicato un legame costitutivo biassiale per le fibre di calcestruzzo. Il modello teorico, implementato in un codice di calcolo, è stato validato tramite confronti teorico-sperimentali ed è stato utilizzato per valutare l'incidenza della deformabilità per taglio in campo non lineare di elementi tozzi in c.a.
Un ulteriore aspetto su cui si è concentrata l'attenzione è stato lo studio della capacità deformativa al collasso di elementi strutturali in c.a. presso-inflessi. In particolare si è considerato lo scorrimento delle barre lungo l'elemento e nelle zone di ancoraggio e si è tenuto conto dell'effetto del confinamento del calcestruzzo all'interno del nucleo staffato.

 

2) Diverse misurazioni in recenti terremoti hanno evidenziato il manifestarsi di forti accelerazioni verticali del suolo, soprattutto nelle zone epicentrali. Ciò ha portato ad un rinnovato interesse sugli effetti della componente verticale del sisma, ritenuti in genere trascurabili. In questa ricerca si sono studiati gli effetti dell'azione sismica verticale con riferimento ad un vasto insieme di strutture intelaiate in c.a. progettate secondo l'Eurocodice 8. A tale fine sono state svolte analisi dinamiche non lineari sia con modelli a fibre che di tipo globale. Il confronto tra questi si è rivelato necessario per l'importanza, in presenza della componente verticale, dei fenomeni di interazione momento-sforzo normale. I risultati sono stati esaminati in termini di diversi parametri di risposta, evidenziando gli effetti delle variazioni di sforzo normale prodotti dall'azione sismica verticale sul danneggiamento e sulla  resistenza a taglio.
I risultati delle analisi dinamiche sono stati analizzati introducendo, inoltre, indici capaci di quantificare in modo sintetico il danneggiamento subito e di dare una misura del grado di sicurezza nei confronti del collasso. Si sono considerati indici di danno basati sulla duttilità, sull'energia dissipata, ed indici combinati. Essi sono stati adoperati per costruire le curve di danno tipiche per una data struttura in c.a. in funzione dell'intensità del sisma.
Lo studio della risposta sismica di telai in c.a. è poi proseguito estendendo le analisi al caso di telai con tamponamenti in muratura. I danneggiamenti riscontrati in recenti eventi sismici hanno evidenziato, infatti, che i tamponamenti, generalmente trascurati nel calcolo, possono causare effetti determinanti. Un ulteriore aspetto della ricerca ha riguardato i criteri di progettazione. In particolare si sono utilizzati i risultati delle analisi dinamiche non lineari per verificare alcuni parametri e criteri di progettazione dell'EC8, tra cui il coefficiente di struttura e la gerarchia delle resistenze. Successivamente si è iniziato uno studio sugli approcci innovativi basati sugli spostamenti, nei quali, rispetto alle metodologie correnti basate sulle forze, gli spostamenti vengono assunti come parametro di progetto fondamentale.

 

3) L'analisi di pushover, ovvero l'analisi statica non lineare condotta applicando forze laterali gradualmente crescenti fino al raggiungimento di un determinato stato limite, può costituire una alternativa sia ai metodi convenzionali di analisi lineare, che ai metodi più complessi fondati su analisi non lineari di tipo dinamico. La previsione ed il controllo della risposta inelastica rappresenta infatti un aspetto fondamentale della progettazione sismica. L'impiego dell'analisi di pushover richiede particolare attenzione riguardo ad alcuni aspetti, tra cui la valutazione della domanda sismica e la definizione di una appropriata distribuzione di forze laterali. Riguardo al primo aspetto sono stati confrontati i metodi semplificati basati sull'individuazione di un oscillatore equivalente alla struttura: metodo N2, metodo dello spettro di capacità e metodo del coefficiente di spostamento. Con riferimento al secondo aspetto si è eseguita una campagna di indagini numeriche per valutare l'efficacia sia di procedure standard, basate su una singola distribuzione di forze invariante, sia di procedure più avanzate, tra cui quelle  multi-modali, finalizzate ad includere gli effetti dei modi di vibrare superiori, e quelle adattive, finalizzate a tenere conto della variazione del vettore delle forze laterali durante l'analisi in campo non lineare. L'efficacia è stata studiata tramite il confronto con analisi dinamiche non lineari per livelli crescenti di intensità sismica. Le procedure sono state applicate ad una ampia casistica di telai piani in c.a. medio alti regolari ed irregolari in elevazione. Inoltre si è affrontato il problema dell'estensione ad analisi in 3D, particolarmente sentito nel caso di edifici irregolari in pianta. Si è così studiata l'efficacia della procedura multi-modale applicata ad un insieme di edifici con diversi valori dell'eccentricità tra centro delle masse e delle rigidezze e del momento polare d'inerzia delle masse di piano.

 

4) L'utilizzo di tecnologie innovative come l'introduzione di isolatori alla base o di smorzatori all'interno dell'edifico appare una soluzione promettente sia per il controllo degli effetti del sisma in nuovi edifici, sia per l'adeguamento di edifici esistenti, per i quali l'obiettivo di soddisfare i requisiti dei nuovi edifici è spesso particolarmente oneroso e di difficile realizzazione. Ciò si evidenzia soprattutto nel caso di edifici strategici.
Inizialmente si è valutata l'efficacia di un possibile adeguamento sismico tramite l'introduzione alla base di isolatori elastomerici ad elevato smorzamento. Una volta progettato il sistema di isolamento si è passati all'analisi della risposta della struttura, sviluppando un modello tridimensionale con legge a parametri variabili per gli isolatori ed assumendo un comportamento non lineare per la sovrastruttura. In particolare si è studiato l'effetto dei sismi epicentrali sulla risposta degli edifici isolati alla base e si è valutato l'impiego di  smorzatori viscosi alla base per mitigare gli effetti di tali sismi sugli isolatori.
Riguardo all'impiego di dissipatori si sono esaminate, applicate e confrontate le procedure di progettazione presentate in letteratura, e successivamente si sono sviluppati casi studio relativi all'adeguamento sismico di edifici esistenti di tipo ospedaliero. Si sono quindi studiati i criteri di progettazione, modellazione ed analisi per dissipatori di tipo fluido-viscoso lineare e non lineare introdotti in edifici in c.a., considerando il comportamento non lineare degli elementi strutturali e valutando i contributi energetici in gioco. Tale aspetto è stato affrontato anche in collaborazione con l'University at Buffalo. Inoltre è stata proposta una nuova procedura semplificata di progettazione per strutture con dissipatori fluido-viscosi di tipo non lineare.

 

5) Nell'ambito dell'approccio di progettazione sismica di tipo prestazionale le attuali tendenze sono volte ad un inquadramento rigoroso del metodo di tipo probabilistico. Lo scopo della ricerca è stato quello di studiare l'applicazione di un approccio probabilistico completo denominato “Metodo 2000 SAC/FEMA” per il calcolo della probabilità di collasso di strutture in c.a. soggette ad  azione sismica. Si è svolta l'analisi di pericolosità sismica con il metodo di Cornell per alcuni siti nazionali, e si sono determinate le curve di domanda tramite analisi dinamiche non lineari di tipo incrementale. Per la capacità si sono considerati sia meccanismi di crisi per flessione che per taglio. Il metodo è stato applicato a diverse strutture intelaiate in c.a. Si è quindi studiata l'influenza della misura di intensità sismica sia sulla valutazione della pericolosità che della domanda sismica e quindi sul calcolo della probabilità di collasso.
L'aspetto relativo alle misure di intensità sismica è stato poi approfondito nell'ambito di uno studio in collaborazione con il Blume Earthquake Engineering Center della Stanford University. La misura  di intensità deve possedere infatti determinate proprietà, come la computabilità della pericolosità, l'efficienza, la sufficienza e la robustezza al processo di scala nelle analisi dinamiche. Si sono esaminate tali proprietà per le più comuni misure di intensità sismiche e si è cercato di superare alcuni inconvenienti di esse. In particolare è stata proposta una nuova misura basata su una media dell'accelerazione spettrale per un certo intervallo di periodi.

 

6) L'obiettivo della ricerca è di sviluppare strumenti di analisi e di verifica per la valutazione della vulnerabilità sismica degli edifici di muratura, con riferimento alla modellazione del comportamento non lineare della struttura e all'influenza dei meccanismi di collasso, in particolare di quelli locali fuori dal piano. Questi ultimi rappresentano in genere la modalità più probabile di collasso degli edifici esistenti di muratura.
La valutazione della sicurezza delle pareti murarie per sollecitazioni fuori del piano può essere condotta con modelli a blocchi rigidi. Si possono adottare approcci basati sulle forze (analisi cinematica lineare) o sugli spostamenti (analisi cinematica non lineare). Come evidenziato da recenti ricerche, in genere le condizioni di collasso di pareti fuori dal piano vengono raggiunte per valori eccessivi di domanda di spostamento. La determinazione della capacità e della domanda di spostamento sembra essere dunque l'elemento fondamentale per caratterizzare il comportamento delle pareti fuori dal piano. Tuttavia sono ancora pochi gli studi che prendono in considerazione l'influenza di alcuni parametri importanti, quali l'attrito e la deformabilità degli impalcati.
In questa ricerca l'analisi dei meccanismi locali fuori piano è stata effettuata anche attraverso analisi dinamiche, con lo scopo di effettuare valutazioni accurate della domanda di spostamento e di studiare l'applicabilità di metodi semplificati. Per tenere conto della deformabilità degli impalcati si sono considerati modelli a più gradi di libertà rimuovendo l'ipotesi che gli spostamenti alla base e in sommità siano uguali ed in fase.  Per questi modelli si sono ricavate le equazioni del moto e si sono sviluppati algoritmi di integrazione.

 

7) Nell'ambito di questa ricerca sono stati applicati due metodi di identificazione nel dominio delle frequenze, relativamente all'analisi di vibrazioni forzate, ed un metodo tempo-frequenza, relativamente allo studio di vibrazioni libere e ambientali. In particolare, le strutture esistenti vengono eccitate attraverso prove dinamiche in sito e la risposta viene acquisita attraverso accelerometri. Il segnale registrato viene successivamente processato al fine di ottenere i parametri modali della struttura. Si costruisce puntualmente, attraverso la trasformata di Fourier dell'accelerazione acquisita, una Funzione di Risposta in Frequenza (FRF) in modulo e in fase, e da essa si definiscono le frequenze naturali del sistema, gli indici di smorzamento e le deformate modali. Si sono poi svolti confronti con modelli ad elementi finiti. 
La FRF è stata anche ottenuta attraverso i diagrammi di Lissajous. Riportando sull'asse delle x l'input che eccita la struttura e sull'asse delle y l'output della stessa, si rappresenta il segnale in ingresso ed in uscita valutati alla stessa frequenza e si ottiene una serie di punti che si distribuiscono secondo un'ellisse. L'ellisse che meglio approssima il loro andamento è ottenuta attraverso i minimi quadrati e da considerazioni geometriche su di essa si risale puntualmente alla FRF in modulo e fase. Una successiva analisi dell'ellisse permette di stimare la bontà delle frequenze naturali del sistema ottenute dai picchi della FRF. In questo senso la somma delle distanze al quadrato dei singoli punti dall'ellisse può essere un indice con cui stimare la qualità del segnale registrato e quindi stabilire la validità di ciascuna presunta frequenza naturale.
I parametri modali di una struttura sono infine calcolati attraverso le trasformate di Wavelet che permettono uno studio del segnale acquisito contemporaneamente nel dominio del tempo (smorzamento) e della frequenza (frequenze naturali).

 

8) Sono state eseguite prove di resistenza meccanica su cubetti e prove di carico su elementi strutturali confezionati con calcestruzzi realizzati sia con aggregati naturali, sia con aggregati riciclati presenti in diverse proporzioni. L'obiettivo è stato di saggiare i diversi comportamenti e l'affidabilità del comportamento statico per strutture realizzate con materiali di riciclo. I primi risultati hanno indicato che l'impiego di aggregati riciclati, in sostituzione degli aggregati naturali, può rappresentare una valida alternativa dal punto di vista tecnico, strutturale ed anche economico a quello dei materiali tradizionali.
Un ulteriore aspetto esaminato riguarda il problema generale della durabilità delle opere architettoniche ed edilizie in ambiente marino, avvalendosi della possibilità di monitorare le costruzioni, poi abbattute, di Punta Perotti, rimaste per oltre una decina d'anni esposte alle condizioni aggressive tipiche del litorale barese.
Sono state studiate le correlazioni tra qualità ed esposizione delle opere in calcestruzzo all'ambiente marino, ricavando conclusioni generali anche per eventuale riciclo dei prodotti di demolizione in nuovo calcestruzzo.