Modellazione e analisi non lineare di strutture in muratura e in legno

Il lavoro di ricerca svolto ha avuto per oggetto lo studio e la definizione di modelli di calcolo e di verifica non lineari per strutture in muratura e legno. Lo studio ha riguardato principalmente la modellazione fenomenologica del comportamento non lineare di pannelli murari e connettori metallici per legno, e la conseguente implementazione delle leggi isteretiche analizzate in molle utente in diversi solutori commerciali/open-source (ABAQUS e OpenSees). In particolare il lavoro svolto si ਠarticolato nei seguenti punti: 1. strutture in muratura: a. studio del comportamento meccanico del materiale muratura e raccolta dati di letteratura b. studio di modelli isteretici fenomenologici adatti alla rappresentazione degli edifici in muratura c. scrittura di routine in Fortran per implementare il modello fenomenologico studiato (modello di Tomazevic) nel programma ABAQUS d. analisi non lineare di edifici in muratura già  studiati in letteratura ai fini della validazione del modello proposto e. studio di metodi semplificati per il calcolo sismico di edifici a schiera e scrittura di programma autonomo per l'analisi di pushover con il metodo RigStripTS f. prove di laboratorio sul comportamento di fasce murarie g. studio del modello in mesoscala incluso nel programma ADAPTIC e costruzione di modelli per la simulazione di test sperimentali tramite un meshatore sviluppato ad-hoc. 2. strutture in legno: a. studio del comportamento meccanico dei connettori metallici per le costruzioni in legno lamellare incrociato (X-lam) e a telaio leggero e raccolta dati di letteratura b. studio del comportamento ortotropo del materiale e scrittura routine per materiale utente per la sua rappresentazione in campo elastico c. formulazione di legame isteretico fenomenologico per connettori metallici (squadrette, hold-down e unioni con viti/chiodi) d. scrittura di routine in Fortran per implementare il modello fenomenologico proposto nei programmi ABAQUS e OpenSees e. studio di prove sperimentali su connettori singoli e analisi e implementazione di un metodo di taratura adatto al modello utilizzato, implementato in un programma scritto ad-hoc f. analisi di modelli non-lineari di test di laboratorio eseguiti su pareti in X-lam e a telaio leggero e di test pseudo-dinamici su edifici in X-lam monopiano, condotte con il modello sviluppato g. estensione del modello ad altre tipologie di edifici con struttura lignea. Entrambe le tipologie strutturali sono state trattate con modelli fenomenologici in modo da fornire uno strumento di calcolo non lineare per analisi statiche e dinamiche compatibile con le capacità  di calcolo attuali; ਠstata indagata inoltre la possibilità  di distribuire l'onere computazionale a pi๠computer parallelizzando l'analisi strutturale. Particolare attenzione ਠstata riservata inoltre alla capacità  sismica delle strutture analizzate, stimando in modo rigoroso l'energia dissipata in ogni analisi. A tal fine ਠstato eseguito anche uno studio sui modelli isteretici pi๠comuni atto a verificare l'attendibilità  di metodi di verifica globale in campo statico non lineare, come il metodo N2 introdotto da Fajfar e il metodo dello spettro sovra-smorzato proposto dalla norma ATC-40 statunitense. Tale studio ਠstato condotto tramite la scrittura di un programma ad-hoc per il calcolo di spettri inelastici a partire da record sismici di qualsiasi natura (registrati, artificiali o generati). I risultati ottenuti con tale strumento sono stati utilizzati per validare i metodi sopracitati e verificare la loro attendibilità  al variare del periodo strutturale e della capacità  dissipativa delle diverse tipologie strutturali. Strutture in muratura La necessità  di uno strumento di calcolo flessibile ma potente ha indotto lo sviluppo di un elemento molla che implementasse un ciclo isteretico rappresentativo del comportamento del materiale. àˆ stato scelto dalla letteratura disponibile la legge proposta da Tomazevic e Lutman nel 1996 formulata sulla scorta di numerose prove sperimentali condotte su maschi murari. Tale legge lineare a tratti si compone di una curva scheletro trilineare e di percorsi di scarico/ricarico, oltre che gli opportuni degradi di rigidezza e resistenza necessari per poter caratterizzare correttamente il comportamento del materiale muratura vicino alle condizioni di collasso. La routine implementata utilizza un set di parametri che regolano le rigidezze del sistema e l'ampiezza dei cicli, mentre la resistenza di ciascun elemento molla ਠcalcolata automaticamente sulla base del valore di sforzo normale letto durante l'analisi. Tale operazione ਠsvolta in modo disaccoppiato (cioਠਠriferita allo sforzo assiale letto al passo precedente durante l'analisi) e il valore resistente cambia sulla base del meccanismo di rottura, che il modello seleziona automaticamente. Tale strumento ਠstato utilizzato con successo per l'analisi statica non lineare della Parete D, facente parte del progetto Catania, progetto nato con l'intento di valutare la vulnerabilità  sismica di edifici storici, poi con analisi dinamiche incrementali sulla parete stessa e su altre testate da Magenes a Pavia, che hanno dimostrato tutta la potenza del modello sviluppato, permettendo di stimare correttamente la capacità  di dissipazione isteretica. Il metodo ਠstato esteso anche alle fasce di piano. Infine, il lavoro sul lato della modellazione fenomenologica ਠculminato con la formulazione di un macro-elemento, non ancora implementato, che permette di condensare le diverse molle utilizzate per ogni pannello in un solo elemento asta. I risultati con tali strumenti avanzati sono poi stati traslati in metodi e modelli per l'applicazione professionale, come il metodo RigStripTS (Amadio et al.) per il push-over di edifici in muratura e il metodo delle celle per lo studio sismico semplificato di edifici a schiera. L'analisi ਠstata approfondita con l'utilizzo del un modello a mesoscala per la modellazione dei pannelli murari, sviluppato all'Imperial College e disponibile nel software ADAPTIC (Macorini e Izzuddin). Tramite un meshatore sviluppato ad-hoc per la scrittura dei modelli, sono stati studiati diversi modelli in regime monotono. Strutture in legno Lo studio delle strutture in legno si ਠconcentrato prevalentemente sul Cross-Lam (X-lam) e sul telaio leggero, mancando nelle normative internazionali delle linee guida per il calcolo sismico di tali strutture. Con lo scopo di stimare il comportamento strutturale in campo elastico e plastico e partendo dall'ipotesi, già  documentata in letteratura, che tale tipologia costruttiva dissipa energia per i soli connettori, ਠstato formulato e implementato un modello isteretico lineare a tratti che rappresenta il comportamento ciclico in condizioni statiche e dinamiche di connettori metallici per pannelli in X-lam e per pareti a telaio leggero. Tale legame ਠstato implementato in elementi multi-molla per rappresentare ogni grado di libertà  associato al connettore. Caratteristiche come degrado di resistenza, di rigidezza, effetto di attrito e dominio di resistenza sono state proposte e implementate. Tale modello necessita di una taratura preliminare da svolgersi su prove di laboratorio cicliche di connettori singoli; ਠstata proposta una metodologia per la taratura ciclica e implementata in un software autonomo sviluppato ad-hoc. Con tale strumento sono stati riprodotti fedelmente test ciclici di laboratorio condotti su singole pareti in X-lam in diverse configurazioni, giungendo poi alla validazione tridimensionale del modello eseguita sull'edificio monopiano testato pseudo-dinamicamente dal CNR-IVALSA a Trento. àˆ stato sviluppato un programma per la meshatura automatica di modelli tridimensionali in X-lam. Analogo approccio ਠstato adottato per la tipologia a telaio leggero. Infine, ਠstata sviluppata una routine per il materiale legno che utilizza il modello ortotropo. La routine lavora in campo elastico ma puಠessere estesa al campo plastico mediante l'aggiunta del dominio resistente di Tsai e Wu, che ਠstato studiato si dimostra particolarmente adatto al materiale legno.