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Progetto di Costruzioni Antisismiche (moduli I e II) | Seismic design

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I modulo | Fall semester

Obiettivi generali|General learning outcomes

Il corso ha l’obiettivo principale di fornire a tutti gli allievi ingegneri civili le basi teoriche e gli strumenti analitici per comprendere il comportamento dinamico delle costruzioni soggette ad azione sismica, al fine di permettere una lettura e un’applicazione consapevole delle norme tecniche per la progettazione delle nuove costruzioni. Il corso è preparatorio e integrato al modulo II di Progetto di Costruzioni Antisismiche, nel quale lo studente redige il progetto strutturale completo di un edificio in cemento armato in zona sismica. Esso inoltre fornisce la base necessaria ad affrontare i corsi più avanzati sulla valutazione e la riabilitazione delle strutture esistenti in zona sismica.

Main objective of the course is to provide all civil engineering students with the theoretical bases and quantitative tools to understand the dynamic behaviour of structures and civil works subjected to the seismic action, with the final goal of allowing correct application of the modern code provisions for seismic design. The course is integrated with the following Module II, during which students carry out the complete structural design of a reinforced concrete building in a seismic area. It also provides the necessary bases for more advanced courses on seismic assessment and retrofit/upgrade of structures.

Obiettivi specifici|Specific learning outcomes

  1. Conoscenza e capacità di comprensione.
    Al completamento del corso lo studente conosce le basi della risposta strutturale all'azione sismica. Comprende inoltre le incertezze associate alla valutazione dell’azione sismica e della capacità strutturale in regime di risposta non lineare. Conosce i principi della protezione sismica delle strutture e le principali strategie di progetto di strutture in zona sismica, con particolare riferimento agli edifici. Ha ampliato il proprio bagaglio di conoscenze nella disciplina della Tecnica delle Costruzioni, in merito a tematiche più avanzate di quelle affrontabili durante la laurea triennale in Ingegneria Civile. 
  2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione.
    Al completamento del corso lo studente: a) è in grado di valutare l’azione sismica di normativa in un sito d’interesse, di determinare le proprietà dinamiche fondamentali che influenzano la risposta di una struttura in tale sito e di effettuare delle verifiche preliminari del comportamento della stessa; b) conosce la differenza tra l’azione di progetto/verifica e l’azione registrata in un sito durante un evento e non effettua confronti impropri tra le due; c) è in grado di comprendere come la concezione strutturale d’insieme, legata alle scelte architettoniche, influenzi il successivo comportamento dinamico della struttura sotto sisma e di tenerne conto in fase di progetto; d)  è in grado di riconoscere i particolari costruttivi e le impostazioni dell’organismo strutturale che portano a comportamenti difettivi ed evitarli; e) comprende infine le limitazioni e il grado di convenzionalità dei metodi di analisi utilizzati nella progettazione corrente. 
  3. Autonomia di giudizio.
    Alla fine del corso lo studente possiede le basi necessarie ad affrontare il progetto di un edificio nel Modulo II, durante il quale sviluppa autonomia di giudizio attraverso il confronto con un caso studio reale.
  4. Abilità comunicative.
    Alla fine del corso lo studente deve poter sostenere una discussione tecnica sulle tematiche del corso con altro professionista del settore. All'acquisizione di tale capacità è rivolta l’attenzione estrema verso l’utilizzo appropriato di un linguaggio tecnico rigoroso, durante le lezioni e in sede di svolgimento dell’esame orale.
  5. Capacità di apprendimento.
    Alla fine del corso lo studente dev'essere in grado di proseguire lo studio in modo autonomo sulle tematiche attinenti il corso. All'acquisizione di tale capacità è rivolta l’attenzione verso il materiale didattico, attraverso il quale lo studente viene familiarizzato con le fonti autorevoli nella letteratura tecnica internazionale.
  1. Knowledge and understanding skill. 
    At the end of the course students have a basic knowledge of the fundamentals of the structural response to dynamic actions. Further, they understand the uncertainties associated with the prediction of seismic action and of structural capacity in the nonlinear regime. Finally, they know the principles of seismic protection and the main strategies for the design of seismic-resistant structures, with emphasis on buildings. Students have also widened their background with respect to more advanced topics in structural design than those covered during the Bachelor degree in Civil Engineering.
  2. Applying knowledge and understanding skill.
    At the end of the course the students: a) can evaluate the design seismic action in a site of interest, determine the main dynamic properties of a structure and carry out preliminary verification of the structural performance; b) understand the difference between design seismic action and seismic action recorded at a site during a specific event, avoiding ill-funded comparisons; c) understand the choices, strongly related to the  architectural layout, that have an impact on the ensuing dynamic behaviour of the structure subjected to seismic action; d) identify the construction details and conceptual design choices leading to defective behaviour and avoid them; e) understand the limitations and degree of conventionality in the current design methods.
  3. Making judgement skill.
    At the end of the course the students have acquired the necessary bases to work on the design of a building during Module II, through which they exercise and reinforce their judgement skill by facing the problems of a real  case-study.
  4. Communication skill. 
    At the end of the course the students can engage in technical discussion with another specialist in the field. Specific focus on the use of a rigorous technical language during lectures and the oral examination is aimed at ensuring the acquisition of this skill.
  5. Learning skill.
    At the end of the course the students can carry on self-learning on the course topics. Acquisition of this skill is ensured by the selection of the lecture notes, through which the students are familiarized with the authoritative sources of information in the international scientific and technical literature.

Prerequisiti|Required prior knowledge

Per poter comprendere i contenuti dell’insegnamento e conseguire gli obiettivi di apprendimento, all’inizio delle attività didattiche è necessario che lo studente possegga in termini operativi le seguenti conoscenze:

  1. Variabili aleatorie, distribuzioni di probabilità, probabilità congiunta e condizionata.
  2. Elementi base della statistica descrittiva: media e varianza campionaria.
  3. Integrale semplice e doppio, derivate prima e seconda, equazioni differenziali lineari.
  4. Prodotto tra matrici, determinante di una matrice, autovalori e autovettori.
  5. Unità di misura derivate, multipli e sottomultipli.
  6. Equazione armonica.
  7. Risultante e relativa posizione di un sistema di forze applicate.
  8. Baricentro di corpi pesanti.
  9. Reazioni vincolari di sistemi isostatici.
  10. Caratteristiche di sollecitazione di una trave, anche continua, in equilibrio.
  11. Momento di inerzia assiale di figure piane elementari e composte.
  12. Tensioni e deformazioni normali e tangenziali nella trave di Saint Venant.
  13. Tensioni principali negli stati di tensione piani.
  14. Nozioni di base del comportamento delle strutture in cemento armato (resistenza a taglio e a flessione, modalità di rottura duttile e fragile, calcolo degli spostamenti di un elemento fessurato, deformazioni lente dovute a viscosità e ritiro).
  15. Metodo semi-probabilistico agli stati limite per la verifica degli elementi strutturali.

Risulta inoltre utile che lo studente possegga le seguenti conoscenze relative agli aspetti tecnologici delle costruzioni:

  1. Tipologie di solai in cemento armato gettato in opera e prefabbricato.
  2. Tecnologia del calcestruzzo strutturale.
In order to understand the topics of the course and achieve the learning outcomes, at the beginning of teaching activities it is necessary that the student has an operative knowledge of:

  1. Random variables, probability distributions, joint and conditional probability.
  2. Descriptive statistics: sample mean and variance.
  3. Simple and double integral, first and second derivative, linear differential equations.
  4. Matrix product and determinant of a matrix, eigenvalues and eigenvectors.
  5. Derived units of measures, their multiples and submultiples.
  6. Harmonic equation.
  7. Resultant and position of a system of applied forces.
  8. Centroid.
  9. Reaction forces of statically determinate systems.
  10. Internal forces of a statically determinate or indeterminate beam in equilibrium.
  11. Axial second moment of inertia of elementary and composite two-dimensional figures.
  12. Normal and shear stresses and strains in the Saint Venant beam.
  13. Principal stresses in a plane stress state.
  14. Fundamentals on the behaviour of reinforced concrete structures (bending and shear strength, ductile and brittle failure, displacement of cracked beam/slab, time-dependent strains due to creep and shrinkage).
  15. Partial factors method for the verification of structural members.

It would also be useful for students to know elements of building science such as:

  1. Typologies of precast and cast-in-place concrete floor systems.
  2. Structural concrete technology.

Program|Syllabus

Il corso affronta i seguenti temi, ognuno si articola su più lezioni, per il numero di ore approssimativo indicato:
  1. Descrizione probabilistica dell’azione sismica (pericolosità sismica di un sito) e determinazione dell’azione di progetto/verifica delle strutture (spettro di risposta): ~ 10 ore; 
  2. Calcolo della risposta dinamica delle strutture in campo lineare (oscillatore semplice, risposta nel tempo e in frequenza, strutture discrete a più gradi di libertà, analisi modale): ~ 15 ore;
  3. Introduzione alle strategie e tecnologie per la protezione sismica degli edifici (gerarchia delle resistenze e duttilità; isolamento sismico; controventi dissipativi; sistemi a controllo del danno, ad es: PRESSS/PRESLAM): ~ 5 ore;
  4. Comportamento ciclico non elastico di strutture in cemento armato (materiali, sezione, elemento e struttura, con particolare riferimento a travi, pilastri, setti e nodi) e altri temi appartenenti alla disciplina della Tecnica delle Costruzioni di interesse generale con riferimento agli edifici: ~ 25 ore;
  5. Modellazione all’elaboratore: ~ 5 ore.
The course covers the following topics, each developed over multiple lectures, for the approximate number of hours indicated:
  1. Probabilistic description of the seismic action (probabilistic seismic hazard analysis); Design/verification seismic action (response spectrum): ~ 10 hours ;
  2. Fundamentals of structural dynamics in the linear range (single degree of freedom systems, frequency and time-domain solution of forced vibrations; multi-degree of freedom systems, modal analysis): ~ 15 hours;
  3. Introduction to strategies and technologies for the seismic protection of buildings (ductility and capacity design; seismic isolation; dampers; damage control systems, e.g. PRESSS/PRESLAM systems): ~ 5 hours;
  4. Inelastic cyclic behaviour of reinforced structures (at the material, section, member and structural level, with emphasis on beams, columns, shear walls and joints) and other topics in Structural design of general interest regarding buildings: ~ 25 hours;
  5. Brief on finite element modelling: ~ 5 hours.

Testi|Textbook

Dispense del corso, selezione di articoli tecnici disponibili liberamente sul sito del Docente e il testo di Cinuzzi e Gaudiano "Principi di progettazione per strutture di edifici in cemento armato" (link).

Lecture notes, a selection of technical papers from the international literature available freely on Instructor's website, plus the textbook in two volumes by Cinuzzi and Gaudiano (in Italian).

Testi per ampliare | Additional sources
  1. Arbizzani, E. (2011). Tecnologia dei sistemi edilizi. Progetto e Costruzione. Maggioli Editore.
  2. Allen, E., & Iano, J. (2013). Fundamentals of building construction: materials and methods. John Wiley & Sons.
  3. Chopra, A. K. (2007). Dynamics of structures: theory and applications to earthquake engineering. Upper Saddle River, NJ: Pearson/Prentice Hall.
  4. Moehle, J. P. (2015). Seismic design of reinforced concrete buildings. New York: McGraw-Hill Education.
  5. Fardis, M. N. (2009). Seismic design, assessment and retrofitting of concrete buildings: based on EN-Eurocode 8 (Vol. 8). Springer Science & Business Media.
  6. Collins, M. P., & Mitchell, D. (1997). Prestressed concrete structures. Response Publications.
  7. Ghali, A., Favre, R., & Elbadry, M. (2014). Concrete structures: Stresses and deformations: Analysis and design for serviceability. CRC Press.
  8. Priestley, M. J. N., Calvi, G. M., & Kowalsky, M. J. (2007). Direct displacement-based design of structures. Pavia, Italy.
  9. Pinto, P. E., Giannini, R., & Franchin, P. (2004). Seismic reliability analysis of structures. Pavia: IUSSpress.
  10. Kramer, S. L. (1996). Geotechnical Earthquake Engineering. Prentice Hall, New Jersey.
  11. Zalewski, W. (1998). Shaping structures statics Waclaw Zalewski and Edward Allen drawings by Joseph Iano. John Wiley & Sons.
  12. Allen, E., & Zalewski, W. (2009). Form and forces: designing efficient, expressive structures. John Wiley & Sons.

II modulo | Spring semester

Obiettivi generali|General learning outcomes

Il corso ha l’obiettivo principale di fornire gli strumenti analitici per progettare e verificare un edificio in cemento armato in zona sismica ai sensi delle norme tecniche per la progettazione del nuovo e l’intervento sull’esistente. Il corso segue ed è integrato con il modulo I di Progetto di Costruzioni Antisismiche, nel quale lo studente ha acquisito le basi teoriche per poter svolgere il progetto. Il corso è inoltre coordinato con quello parallelo di Fondazioni . Il corso infine ha l’obiettivo di familiarizzare gli studenti con gli strumenti operativi utilizzati in un contesto professionale, in termini di programmi di analisi strutturale e ambienti BIM.

Main objective of the course is to provide students with the quantitative tools to design, model and verify a reinforced concrete building in a seismic area, with the final goal of allowing correct application of the modern code provisions for seismic design. This module follows and is integrated with Module I, where students acquire the theoretical bases to carry out the project. Further, the course is coordinated with the course on Foundations design. Finally, the course has also the objective of familiarizing students with actual tools used in a professional environment, in terms of structural analysis and BIM software.

Obiettivi specifici|Specific learning outcomes

  1. Conoscenza e capacità di comprensione.
    Al completamento del corso lo studente conosce i metodi di progetto, modellazione e verifica degli edifici in cemento armato soggetti alle azioni permanenti, variabili e sismica.
  2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione.
    Al completamento del corso lo studente: a) è in grado di concepire un sistema strutturale resistente di un edificio in cemento armato, adatto a sopportare le azioni permanenti, variabili e sismica garantendo il rispetto dei requisiti di prestazione minimi stabiliti dalla normativa; b) è in grado di modellare il sistema strutturale in ambiente BIM tridimensionale, dal quale produrre disegni di carpenteria ed esportare un modello verso un programma di calcolo; c) è in grado di effettuare l’analisi del modello tridimensionale dell’edificio, istituito secondo criteri di buona pratica della modellazione, e di eseguire i controlli a mano necessari a garantire l’affidabilità dei risultati; d) è in grado di progettare la disposizione delle armature tenendo conto dei requisiti di prestazione e della modalità costruttiva, per le tipologie di elementi strutturali considerate; e) è in grado di effettuare le verifiche degli elementi strutturali di ogni tipologia considerata ai sensi della normativa tecnica; f) è in grado di produrre elaborati grafici di carpenteria e armatura.
  3. Autonomia di giudizio.
    Alla fine del corso lo studente ha acquisito autonomia di giudizio sulle scelte progettuali attraverso il confronto con un caso studio reale.
  4. Abilità comunicative.
    Alla fine del corso lo studente ha consolidato la propria capacità di comunicazione tecnica sulle tematiche del corso stesso, attraverso il continuo confronto durante il lavoro sul progetto con i colleghi del gruppo e con il docente.
  5. Capacità di apprendimento.
    Alla fine del corso lo studente è in grado di proseguire lo studio in modo autonomo sulle tematiche attinenti il corso. All'acquisizione di tale capacità è rivolta l’attenzione verso il materiale didattico, attraverso il quale lo studente viene familiarizzato con le fonti autorevoli nella letteratura tecnica internazionale.
  6.  
  1. Knowledge and understanding skill.
  2. At the end of the course the students know the methods for design, modelling and verification of reinforced concrete buildings subjected to permanent, variable and seismic actions.
  3. Applying knowledge and understanding skill.
  4. At the end of the course the students: a) can design the load-bearing structural system of a reinforced concrete building fit to resist permanent, variable and seismic actions while meeting the minimum performance requirements set forth in the code; b) can model the structural system in a BIM environment, produce outline concrete drawings and export a model to a structural analysis software; c) can carry out the structural analysis of the model, set up according to best modelling practice, and perform sanity checks through hand calculations in order to ensure confidence in the results; d) can design reinforcement layouts accounting for performance requirements and construction practice, for all member typologies considered; e) can check code compliance of members’ performance; f) can produce reinforced concrete structural drawings.
  5. Making judgement skill.
  6. At the end of the course the students have gained judgement skills on the design choices by facing a realistic design case-study.
  7. Communication skill. 
  8. At the end of the course the students have reinforced their communication skills on the topics of the course through continuous interaction with their team mates and the Instructor during the project development.
  9. Learning skill.
  10. At the end of the course the students can carry on self-learning on the course topics. Acquisition of this skill is ensured by the selection of the lecture notes, through which the students are familiarized with the authoritative sources of information in the international scientific and technical literature.

Prerequisiti|Required prior knowledge

Per poter comprendere i contenuti dell’insegnamento e conseguire gli obiettivi di apprendimento, all’inizio delle attività didattiche è necessario che lo studente possegga in termini operativi le conoscenze attese alla fine del I modulo.

È inoltre necessaria la conoscenza di base dei programmi Excel, Word, PowerPoint e Autocad (tutti disponibili gratuitamente per gli studenti Sapienza dal portale distribuzione software di ateneo).

In order to understand the topics of the course and achieve the learning outcomes, at the beginning of teaching activities it is necessary that the student has command of the expected  knowledge and skills from module I.

It is further necessary that students have at least average skills with the Excel, Word, PowerPoint e Autocad softwares (all freely available to Sapienza students through the university software distribution portal).

Program|Syllabus

Il corso affronta i seguenti temi, ognuno si articola su più lezioni, per il numero di ore approssimativo indicato:
  1. Concezione strutturale della struttura portante dell’edificio: ~ 10 ore;
  2. Modellazione all’elaboratore (modellazione in ambiente BIM e di calcolo strutturale, con particolare attenzione alla buona pratica di modellazione per la determinazione della risposta e alla produzione degli elaborati progettuali di carpenteria e armatura): ~ 20 ore;
  3. Norme tecniche per le costruzioni: disposizioni per la progettazione delle nuove costruzioni (stati limite e periodo medio di ritorno dell’azione, metodi di analisi, classi di duttilità, gerarchia delle resistenze, dettagli costruttivi, verifiche): ~ 5 ore;
  4. Lavoro di gruppo al progetto supervisionato dal docente: ~ 25 ore.
The course covers the following topics, each developed over multiple lectures, for the approximate number of hours indicated:
  1. Conceptual design of the load-bearing structure of a building: ~ 10 hours;
  2. Computer-based modelling (in a BIM environment and in a structural analysis software, with focus on interface issues, good modelling practice for the purpose of response analysis, and the production of design drawings): ~ 20 hours;
  3. Seismic design code for new structures (limit states and associated mean return period of the seismic action, analysis methods, ductility classes, capacity design, detailing, verifications): ~ 8 hours;
  4. Supervised team work on the project: ~ 25 hours.

Testi|Textbook

Dispense del corso e selezione di articoli tecnici disponibili liberamente sul sito del Docente.
Norme tecniche più recenti (attualmente NTC 2018)

Lecture notes and a selection of technical papers from the international literature available freely on Instructor's website.
Latest national technical norms (currently NTC 2018).