Analisi a spettro di risposta.


Obiettivo dell'analisi è determinare spostamenti e parametri di sollecitazione di un edificio a tre piani per effetto di una eccitazione sismica. La normativa utilizzata è quella italiana: "Norme tecniche relative alle costruzioni sismiche", D.M. 24 gennaio 1986. La procedura utilizzata può essere facilmente estesa ad altre normative.
Lo schema strutturale considerato è il seguente:



Materiale: cemento armato Schema strutturale: pilastri incastrati al suolo e solai in cemento armato. Non ci sono travi.
Pilastri: 0.5x0.35m. L'orientazione è deducibile dalla figura precedente. Solaio: Soletta piena di spessore 0.2m.
Modulo di elasticità: 30x106 kPa
Coeff. di Poisson: 0
Massa dei piani: 0.85 t/m² La massa include il 50% dei sovraccarichi accidentali (§ B.3.). Non sono incluse altre masse nell'analisi. Avendo assunto uno spessore del solaio di 0.2 m risulta una densità fittizia di 4.25 t/m3.

Grado di sismicità: S = 10. Ne segue che (§ C.6.0.) C=(10-2)/100=0.08.
Coeff. di fondazione: e = 1.0
Coeff. di struttura: b = 1.0
Coeff. di prot. sismica: I = 1.0

Modello ad elementi finiti.
Il modello consiste in 14 elementi beam, uno per ciascuna colonna, e 150 elementi plate per i solai. Ciascun elemento plate è 1x1m. La struttura è fissata al suolo mediante incastri.


Modello utilizzato.
Le caratteristiche meccaniche e geometriche utilizzate sono riassunte nel listato che segue.
 BEAM PROPERTIES TOTAL =   1 TYPE =   1 Section
 Standard: Solid Rectangle (D= 5.000E-01 B= 3.500E-01)
 Beam Type:  Normal Beam

           E =   3.0000E+07           A =   1.7500E-01
           J =   4.1765E-03           G =   0.0000E+00

         I11 =   3.6458E-03         I22 =   1.7864E-03
    Shear:L1 =   0.0000E+00    Shear:L2 =   0.0000E+00
  NodLine:L1 =   0.0000E+00  NodLine:L2 =   0.0000E+00
       UDL:1 =   0.0000E+00       UDL:2 =   0.0000E+00
        TG:1 =   0.0000E+00        TG:2 =   0.0000E+00

       Alpha =   0.0000E+00        SA11 =   0.0000E+00
     Density =   0.0000E+00        SA22 =   0.0000E+00

 Temperature Table =      0


 PLATE PROPERTIES TOTAL =   1 TYPE =   1
 ISOTROPIC     Element : LinearQuad, PlateShell, Von Mises

             E =   3.0000E+07
 Poisson Ratio =   1.5000E-01
         Alpha =   0.0000E+00
    Layers No. =   0

 Memb.Thick =   2.0000E-01 Bend.Thick =   2.0000E-01
   Pressure =   0.0000E+00    Density =   4.2500E+00

   Stress:1 =   0.0000E+00   Stress:2 =   0.0000E+00
   Stress:3 =   0.0000E+00   Stress:4 =   0.0000E+00
   Shear :1 =   0.0000E+00   Shear :2 =   0.0000E+00
   Shear :3 =   0.0000E+00   Shear :4 =   0.0000E+00

 Temperature Table =      0
 Stress-Strain Table =      0


Analisi modale
Vengono calcolati i primi 10 modi. La matrice delle masse è diagonale (lumped).

    No.      EIGENVALUES           NATURAL FREQ.           NATURAL FREQ.
                                     (RAD/SEC)             (CYCLES/SEC)

     1)    1.0982444749E+02       1.0479716002E+01       1.6678986040E+00
     2)    1.3993627414E+02       1.1829466351E+01       1.8827180439E+00
     3)    4.1727154224E+02       2.0427225515E+01       3.2510939144E+00
     4)    1.1719032547E+03       3.4233072528E+01       5.4483627102E+00
     5)    1.2484357046E+03       3.5333209656E+01       5.6234549722E+00
     6)    1.3189963162E+03       3.6317988879E+01       5.7801874534E+00
     7)    1.4303474729E+03       3.7819934861E+01       6.0192295807E+00
     8)    2.0437385632E+03       4.5207726808E+01       7.1950331877E+00
     9)    2.7462141186E+03       5.2404333014E+01       8.3404086388E+00
    10)    3.4616033328E+03       5.8835391839E+01       9.3639434401E+00

    No.           NATURAL FREQ.        	 PERIOD
                  (CYCLES/SEC)         (seconds)

     1)         1.6678986040E+00       0.599557
     2)         1.8827180439E+00       0.531147
     3)         3.2510939144E+00       0.307589
     4)         5.4483627102E+00       0.183541
     5)         5.6234549722E+00       0.177827
     6)         5.7801874534E+00       0.173005
     7)         6.0192295807E+00       0.166134
     8)         7.1950331877E+00       0.138985
     9)         8.3404086388E+00       0.119898
    10)         9.3639434401E+00       0.106793


Periodi fondamentali associati ai primi 10 autovalori (frequenze).


Modo n. 2


Modo n. 8
Introduzione dello spettro
La normativa italiana fornisce la seguente relazione (§C.6.1.1.):
- per T0 > 0.8 s R = 0.862 / T02/3
- per T0 £ 0.8 s R = 1.0
con:
R(T) coefficiente di risposta
T periodo fondamentale
Il coefficiente di risposta è rappresentato nel grafico che segue:


E' necessario una trasformazione della variabile indipendente da periodo a frequenza:
- per f0 < 1.25 Hz R = 0.862 / ( 1/f0 )2/3
- per f0 ³ 1.25 Hz R = 1.0
con f0 = 1/T0
La relazione, introdotta nel modulo "Tables Input" - "Time Factor - Spectral" - "Spectral Table", permette di definire la curva spettrale a meno del moltiplicatore m = C e b I g =0.08 x 1.0 x 1.0 x 1.0 x 9.81 = 0.7848 La relazione introdotta è: 0.862 / (1/f)^(2/3). Il tratto costante è stato inserito manualmente.
FREQUENCY= 0.0000E+0000, SPECTRA= 0.0000E+0000
FREQUENCY= 6.9444E-0002, SPECTRA= 1.4563E-0001
FREQUENCY= 1.3889E-0001, SPECTRA= 2.3118E-0001
FREQUENCY= 2.0833E-0001, SPECTRA= 3.0293E-0001
FREQUENCY= 2.7778E-0001, SPECTRA= 3.6698E-0001
FREQUENCY= 3.4722E-0001, SPECTRA= 4.2584E-0001
FREQUENCY= 4.1667E-0001, SPECTRA= 4.8088E-0001
FREQUENCY= 4.8611E-0001, SPECTRA= 5.3292E-0001
FREQUENCY= 5.5556E-0001, SPECTRA= 5.8254E-0001
FREQUENCY= 6.2500E-0001, SPECTRA= 6.3013E-0001
FREQUENCY= 6.9444E-0001, SPECTRA= 6.7598E-0001
FREQUENCY= 7.6389E-0001, SPECTRA= 7.2032E-0001
FREQUENCY= 8.3333E-0001, SPECTRA= 7.6334E-0001
FREQUENCY= 9.0278E-0001, SPECTRA= 8.0518E-0001
FREQUENCY= 9.7222E-0001, SPECTRA= 8.4596E-0001
FREQUENCY= 1.0417E+0000, SPECTRA= 8.8578E-0001
FREQUENCY= 1.1111E+0000, SPECTRA= 9.2472E-0001
FREQUENCY= 1.1806E+0000, SPECTRA= 9.6286E-0001
FREQUENCY= 1.2500E+0000, SPECTRA= 1.0003E+0000
FREQUENCY= 1.0000E+0001, SPECTRA= 1.0000E+0000


Il coefficiente di risposta deve essere moltiplicato per il coefficiente m per ottenere lo spettro delle accelerazioni. Questo viene fatto, per comodità, direttamente definendo la direzione del sisma come:
VX = 0.7848
VY = 0
VZ = 0
Alternativamente si sarebbe potuto definire direttamente lo spettro delle accelerazioni in "Spectral Table" inserendo la relazione 0.7848 x 0.862 / (1/f)^(2/3); in tal caso si doveva porre:
VX=1, VY=0, VZ=0
Viene utilizzato il metodo SRSS. La schermata del solutore è la seguente:


Il file log "FileName.PLG" è il seguente:
 STRAND6.15 SPECTRAL RESPONSE SOLVER

 Solution Started  08:56:54 on 29/11/95
 File : C:\STRAND61\SISMA
 Heading : STRAND6.1
    207 Nodes.       14 Beams.      150 Plates.        0 Bricks.

 WARNING! Thermal loads are ignored since the
          Node Temperature File does not exist.

     Load Cases =     2

     Consistent Load Vector for Beam UDLs.

     Lumped Load Vector for Plate Pressure.

     Lumped element mass matrices.

     Plate Drilling Freedoms are Suppressed.

     Sorting Nodes : GEOM METHOD
     Sort order : ZYX


     PASS NUMBER 1
     Maximum Beam Bandwidth       =     60
     at Beam Number               =      6
     Maximum Plate Bandwidth      =    138
     at Plate Number              =     25

     PASS NUMBER 2
     Maximum Beam Bandwidth       =     38
     at Beam Number               =      5
     Maximum Plate Bandwidth      =    106
     at Plate Number              =     25

     Total Disk Space Required    =        3.120 MB
     Total Disk Space Available   =      248.447 MB

 ... Creating Matrix.        20 Blocks.

 ... Sorting Elements.


 ... Calculating Spectral Values
     Assembling     14 Beams.
 WARNING! Beam Property Type   1 has Zero Shear Modulus.

 ... Beam Assembly Complete.

     Assembling    150 Plates.
 ... Plate Assembly Complete.

 ... Executing Spectral Response Solver.

     MASS MATRIX:  LUMPED

     EXCITATION SPECTRUM:  SEISMIC ACCELERATION

                 SEISMIC DIRECTION FACTORS
               X             Y             Z
            0.784800      0.000000      0.000000

     MODE   FREQUENCY (Hz)  TABLE NO.  SPECTRAL VALUE
       1       1.667899        1           1.757893
       2       1.882718        1           1.905581
       3       3.251094        1           2.499984
       4       5.448363        1           2.499986
       5       5.623455        1           2.499987
       6       5.780187        1           2.499987
       7       6.019230        1           2.499987
       8       7.195033        1           2.499988
       9       8.340409        1           2.499989
      10       9.363943        1           2.499990

 ... Calculating Mass Participation Factors.

     Total Disk Space Required    =        0.096 MB
     Total Disk Space Available   =      247.300 MB

 ... Reducing 10 Eigenvectors for non-active degrees of freedom.

     SEISMIC EXCITATION FACTORS & MASS PARTICIPATION FACTORS
     MODE     EXCITATION                        MASS.PARTIC. (%)
       1       0.000000    ( 0.535327E-011)           0.00
       2       7.211118    ( 0.721112E+001)          66.22
       3       0.000000    ( 0.804493E-011)           0.00
       4       0.002862    ( 0.286188E-002)           0.00
       5       0.007211    ( 0.721131E-002)           0.00
       6       0.000000    ( 0.181547E-008)           0.00
       7       0.173255    ( 0.173255E+000)           0.04
       8       4.673290    ( 0.467329E+001)          27.81
       9       0.000008    ( 0.756272E-005)           0.00
      10       0.085366    ( 0.853657E-001)           0.01

     Total Mass Participation Factor:  94.08 %

     MODAL DISPLACEMENT AMPLITUDE
     MODE     AMPLITUDE
       1       0.000000    ( 0.856866E-013)
       2       0.098197    ( 0.981974E-001)
       3       0.000000    ( 0.481993E-013)
       4       0.000006    ( 0.610517E-005)
       5       0.000014    ( 0.144406E-004)
       6       0.000000    ( 0.344099E-011)
       7       0.000303    ( 0.302817E-003)
       8       0.005717    ( 0.571657E-002)
       9       0.000000    ( 0.688465E-008)
      10       0.000062    ( 0.616516E-004)

 ... Maximum Displacements, Modal Combination SRSS.
     Combining      2 Blocks


 ... Beam Stresses for Mode   1

 ... Beam Stresses for Mode   2

 ... Beam Stresses for Mode   3

 ... Beam Stresses for Mode   4

 ... Beam Stresses for Mode   5

 ... Beam Stresses for Mode   6

 ... Beam Stresses for Mode   7

 ... Beam Stresses for Mode   8

 ... Beam Stresses for Mode   9

 ... Beam Stresses for Mode  10
 ... Plate Stresses for Mode   1
 ... Plate Stresses for Mode   2
 ... Plate Stresses for Mode   3
 ... Plate Stresses for Mode   4
 ... Plate Stresses for Mode   5
 ... Plate Stresses for Mode   6
 ... Plate Stresses for Mode   7
 ... Plate Stresses for Mode   8
 ... Plate Stresses for Mode   9
 ... Plate Stresses for Mode  10

 STRAND6.15 SPECTRAL REACTION RECOVERY
 File : C:\STRAND61\SISMA
 Heading : STRAND6.1
    207 Nodes.       14 Beams.      150 Plates.        0 Bricks.


     Applied Loads are Not Included.
 ... Sorting Elements.

     Assembling     14 Beams.
 WARNING! Beam Property Type   1 has Zero Shear Modulus.

 ... Beam Assembly Complete.

     Assembling    150 Plates.
 ... Plate Assembly Complete.
E' importante controllare i messaggi di esecuzione. In particolare si noti che più del 90% della massa complessiva è stata introdotta nell'analisi: il numero di modi considerati risulta cioè sufficiente. Si noti anche che si sarebbero potuti introdurre solo i modi 2,8,7, ottenendo lo stesso risultato. La figura che segue visualizza una schermata di risultati.


Diagramma dei momenti flettenti (M11) e deformata.