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Stefano Silvestri

Professore associato

Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali

Settore scientifico disciplinare: ICAR/09 TECNICA DELLE COSTRUZIONI

Temi di ricerca

Parole chiave: edifici monumentali analisi di pericolosità sismica per la definizione dell'input sismico progettuale analisi di vulnerabilità sismica effetti torsionali in strutture asimmetriche in pianta affidabilità strutturale progettazione sismica prestazionale smorzatori viscosi comportamento sismico di silos a fondo piano contenenti materiale granulare metodologie innovative di protezione sismica prove dinamiche su tavola vibrante funzionamento strutturale dispositivi di dissipazione isteretica costruzioni a setti portanti controventi metallici isteretici strutture sismo-resistenti in paesi in via di sviluppo risposta sismica di volte in muratura dissipatori isteretici

Il gruppo di ricerca svolge da tempo attività scientifica nell'ambito dell'ingegneria sismica, con specifico riferimento a nuove metodologie per la progettazione sismica delle strutture civili. Nel dettaglio, si stanno sviluppando i seguenti temi di ricerca:
1. Inserimento di smorzatori viscosi nelle strutture, al fine di ottimizzare la mitigazione degli effetti dinamici dovuti a sisma.
2. Analisi dei fenomeni torsionali indotti dall'azione sismica su edifici caratterizzati da eccentricità in pianta tra “baricentro delle masse” e “baricentro delle rigidezze”.
3. Sviluppo di controventi dissipativi in acciaio di forma speciale (“Crescent-Shaped Braces”) per un isolamento sismico al primo piano finalizzato al raggiungimento di una molteplicità di obiettivi prestazionali in un'ottica PBSD. 
4. Risposta sismica di silos. 
5. Ricerca sperimentale, sviluppi analitici e correlazione analitico/sperimentale sul comportamento sotto carico ciclico orizzontale di strutture a pannelli portanti in conglomerato cementizio armato.
6. Analisi probabilistiche e deterministiche di pericolosità sismica (studi analitici e numerici).
7. Identificazione dell'input sismico per analisi dinamiche non lineari tramite accelerogrammi in un'ottica Performance Based Seismic Design (studi analitici e numerici).
8. Progettazione, esecuzione ed interpretazione di prove sperimentali su tavola vibrante di un edificio a 3 piani in scala reale, con sistema strutturale costituito da pannelli tozzi in c.c.a. di tipo sandwich presso il Laboratorio EUCENTRE di Pavia, nell'ambito di un progetto SERIES finanziato dalla comunità europea (FP7).
9. Valutazione della sicurezza strutturale, analisi sismiche e interpretazione dei dati di monitoraggio di edifici storici monumentali, con particolare riferimento al Duomo di Modena ed alle Due Torri di Bologna.
10. Strutture sismo-resistenti in paesi in via di sviluppo: studio del comportamento sismico di costruzioni monopiano realizzate con murature di gabbioni e di costruzioni "bhatar".

 

Il gruppo di ricerca svolge da tempo attività scientifica nell'ambito dell'ingegneria sismica, con specifico riferimento a nuove metodologie per la progettazione sismica delle strutture civili. Nel dettaglio, si stanno sviluppando i seguenti temi di ricerca:

1. Inserimento di smorzatori viscosi nelle strutture, al fine di ottimizzare la mitigazione degli effetti dinamici dovuti a sisma.
PROBLEMATICA: 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. Tuttavia, nella letteratura tecnica, il tema dell'ottimizzazione simultanea del posizionamento e del dimensionamento degli smorzatori è apparso in parte non approfondito e non ha ancora fornito criteri di validità generale. Si trovano infatti, il più delle volte, algoritmi di tipo numerico sviluppati per la sola ottimizzazione della dimensione degli smorzatori per quella specifica disposizione che li vede posizionati tra un piano e l'altro (disposizione tradizionalmente adottata negli edifici a telaio, ma non la sola possibile).
CONTRIBUTO: Dimostrazione analitica delle superiori proprietà dissipative fornite dai cosiddetti sistemi MPD (Mass Proportional Damping). Identificazione delle metodologie per la loro applicazione ad edifici a telaio. Sviluppo di una originale procedura operativa per la semplice identificazione delle caratteristiche degli smorzatori viscosi (es. coefficiente di smorzamento, esponente di smorzamento, rigidezza del fluido) che consentono di raggiungere desiderati/prestabiliti livelli di prestazione (es. riduzione nella risposta sismica rispetto a strutture senza sistema di dissipatori aggiuntivi). Identificazione dei fattori di struttura da utilizzarsi per strutture caratterizzate da elevati valori del rapporto di smorzamento, per l'accoppiamento dell'economicità data dallo sfruttamento delle capacità duttili degli elementi strutturali, con l'efficienza data dall'utilizzo di sistemi di dissipazione viscosa aggiuntivi.

2. Analisi dei fenomeni torsionali indotti dall'azione sismica su edifici caratterizzati da eccentricità in pianta tra “baricentro delle masse” e “baricentro delle rigidezze”.
PROBLEMATICA: Le strutture eccentriche, caratterizzate da “baricentro delle masse” e “baricentro delle rigidezze” non coincidenti, qualora soggette ad eccitazione sismica, sviluppano una risposta torsionale che può incrementare molto il livello deformativo degli elementi strutturali più lontani dal baricentro delle rigidezze. La risposta torsionale di strutture eccentriche può essere stimata solo con analisi tri-dimensionali che non forniscono informazioni di carattere generale, perché relative solo ad una specifica struttura soggetta ad un ben determinato input. Nell'ottica del Performance Based Design, si ricercano invece criteri di validità generale che si possano poi tradurre in semplici indicazioni progettuali da normativa.
CONTRIBUTO: Sviluppo di formule predittive per la stima dell'incremento della richiesta di spostamento (max spostamento lato flessibile) in dette strutture eccentriche rispetto alle corrispondenti strutture non eccentriche. Tali formule, sviluppate analiticamente a partire da sintetici parametri che caratterizzano le proprietà fisiche dei sistemi, hanno mostrato, sulla base sia di estese indagini numeriche parametriche, che di prove sperimentali su tavola vibrante, la loro capacità nel cogliere l'essenza di tali fenomeni.

3. Sviluppo di controventi dissipativi in acciaio di forma speciale (“Crescent-Shaped Braces”) per un isolamento sismico al primo piano finalizzato al raggiungimento di una molteplicità di obiettivi prestazionali in un'ottica PBSD.

4. Risposta sismica di silos
PROBLEMATICA: 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 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.
CONTRIBUTO: Sviluppo di formule di predizione analitica delle effettive spinte orizzontali che nascono su pareti di silos a fondo piano contenenti materiale granulare a seguito di input di tipo sismico. Le formule di predizione analitica del comportamento dinamico (basate sulle medesime assunzioni presenti nelle idealizzazioni “statiche” di Janssen e Koenen) sono oggetto in questi mesi di specifiche prove dinamiche su tavola vibrante presso l'Earthquake Centre di Bristol (finanziamento Europeo “SERIES”); i primi risultati indicano un'efficacia delle formule sviluppate nel meglio cogliere le effettive sollecitazioni sismiche sulle pareti dei silos rispetto alle prescrizioni dell'Eurocodice 8.

5. Ricerca sperimentale, sviluppi analitici e correlazione analitico/sperimentale sul comportamento sotto carico ciclico orizzontale di strutture a pannelli portanti in conglomerato cementizio armato.
PROBLEMATICA: Le costruzioni a pannelli portanti in conglomerato cementizio armato sono una tipologia costruttiva da tempo utilizzata nell'edilizia di tipo economico. In tali edifici i pannelli hanno spessori moderati (15 - 25 cm) e le percentuali di armatura sono piccole. Edifici così realizzati hanno mostrato pregevoli risorse di resistenza nei confronti di terremoti anche di elevate intensità. Analisi effettuate in seguito a tali eventi sismici hanno indicato che la sovraresistenza della struttura ha permesso di limitare la richiesta di duttilità. Tuttavia, pochi studi sperimentali ed analitici sono stati finora effettuati allo scopo di determinare le prestazioni al collasso di strutture realizzate utilizzando setti in opera con deboli percentuali di armatura.
CONTRIBUTO: Il gruppo di ricerca si è occupato 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 (svolte presso il laboratorio del centro sismico europeo EUCENTRE di Pavia) di una tipologia particolare, con blocco-cassero “a perdere”, di pannelli in conglomerato cementizio debolmente armato. Il procedimento costruttivo di tali pannelli prevede la realizzazione di pareti portanti mediante il getto di conglomerato cementizio ordinario all'interno di blocchi cassero in legno-cemento. La particolare conformazione del cassero in legno –cemento fa sì che la parete così ottenuta si caratterizzi per la presenza di zone alveolari di alleggerimento. All'interno dei blocchi, prima del getto vengono posizionate opportune armature sia orizzontali che verticali, in modo tale da costituire, a getto completato, un setto in c.a. armato. 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, elevate resistenze alle azioni orizzontali ed 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.

6. Analisi probabilistiche e deterministiche di pericolosità sismica (studi analitici e numerici).
PROBLEMATICA: 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. L'identificazione di tali gruppi di accelerogrammi associati ad un dato livello sismico di progetto è ottenuta attraverso l'associazione di un dato valore della probabilità di superamento, in un determinato periodo di osservazione, con uno specifico valore di soglia di una opportuna Intensity Measure (IM, parametro di intensità descrittivo del terremoto).
CONTRIBUTO: Il gruppo di ricerca ha sviluppato un'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 o di velocità massima del terreno superiori a valori prefissati. Si è quindi proposta una Intensity Measure di tipo vettoriale basata sulla combinazione di PGA e PGV. 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 quelli ottenuti con analisi condotte utilizzando come input gruppi di sismi ottenuti a partire da altre Intensity Measures proposte in letteratura.

7. Identificazione dell'input sismico per analisi dinamiche non lineari tramite accelerogrammi in un'ottica Performance Based Seismic Design (studi analitici e numerici).

8. Progettazione, esecuzione ed interpretazione di prove sperimentali su tavola vibrante di un edificio a 3 piani in scala reale, con sistema strutturale costituito da pannelli tozzi in c.c.a. di tipo sandwich presso il Laboratorio EUCENTRE di Pavia, nell'ambito di un progetto SERIES finanziato dalla comunità europea (FP7).

9. Valutazione della sicurezza strutturale, analisi sismiche e interpretazione dei dati di monitoraggio di edifici storici monumentali, con particolare riferimento al Duomo di Modena ed alle Due Torri di Bologna.

10. Strutture sismo-resistenti in paesi in via di sviluppo: studio del comportamento sismico di costruzioni monopiano realizzate con murature di gabbioni e di costruzioni "bhatar".