La vulnerabilità sismica delle costruzioni

La vulnerabilità sismica delle costruzioni
Prof. Ing. Franco Bontempi
Ordinario di Tecnica delle Costruzioni
Docente di Teoria e Progetto di Ponti – Gestione di Ponti e Grandi Strutture
Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale
Università degli Studi di Roma La Sapienza
franco.bontempi@uniroma1.it

19-Oct-22 La vulnerabilita' sismica delle costruzioni 2

Vulnerable - Vulnerabile
• vulnerable adj. [from Lat. vulnerabĭlis, der. to vulnerate "to hurt"]. - That can
be hurt: Siegfried was v. only in one place on the back. More com. in an
extended sense. and fig., which can be attacked, harmed or damaged: the
defensive line of the enemy is more v. on the left side; this is the most v. of
your thesis; or, referring to a person, weak, excessively sensitive, fragile: he
has a vulnerable character or personality.
• vulneràbile agg. [dal lat. vulnerabĭlis, der. di vulnerare «ferire»]. – Che può
essere ferito: Sigfrido era v. solo in un punto della schiena. Più com. in senso
estens. e fig., che può essere attaccato, leso o danneggiato: la linea difensiva
del nemico è più v. sul fianco sinistro; questo è l’aspetto più v. della tua tesi;
o, riferito a persona, debole, eccessivamente sensibile, fragile: ha un
carattere, o una personalità, vulnerabile.

1 - Structures

19-Oct-22
Structure Essential
• Micro-level:
local size of the sections, i.e., thickness, area, inertia, … materials, …
(Detailed Geometry & Materials)
• Meso-level:
form of the structural element or structural part (substructure), i.e., main
longitudinal axis, curvature, profile, …
(Global Geometry)
• Macro-level:
connections of the different structural parts
(Load Path)
La vulnerabilita' sismica delle costruzioni 5
1

Micro-level:
local size of the sections,
i.e. thickness, area,
inertia, … (Detailed
Geometry)
Meso-level:
form of the structural
element or structural part
(substructure), i.e. main
longitudinal axis, curvature,
profile, … (Global Geometry)
Macro-level:
connections of the
different structural
parts (Load Path)
19-Oct-22
Design (Optimization) Levels
La vulnerabilita' sismica delle costruzioni 6

System Decomposition
2

Transfer of loads – Loads path
3

Load
bearing
mechanisms

NB.
LOCALE – MATERIALE - DISGREGAZIONE GLOBALE – PARETE - MECCANISMO

NB.
courtesy
of
Innocenzo
Becci
–
MANINI
SPA

2 - Failures

General Failure Model
4

Swiss Cheese Model for Failure
HAZARD
I
N
-
D
E
P
T
H
D
E
F
E
N
C
E
HOLES DUE TO
ACTIVE ERRORS
HOLES DUE TO
HIDDEN ERRORS
DESIGN CLIMA
CONCEPTUAL DESIGN
DRAWINGS
CALCULATION
MATERIALS & COMPONENTS
CONSTRUCTION
USE
ACCIDENTS / EXCEPTIONS
MAINTENANCE
MONITORING

100%
Time
%
of
failure Unknown phenomena
Known phenomena
Research level Design code level
past present future
A
B
B B
C
Human
errors
Causes of System Failure
5

Errors by Reason
conoscenza
valutazione
scelta
decisione
esecuzione

Index β

Scuola Jovine di San Giuliano di Puglia

http://territorio.regione.emilia-romagna.it/codice-territorio/sismica/dossier-sentenze-della-causa-penale-conseguente-
al-crollo-delledificio-scolastico-jovine-di-san-giuliano-di-puglia

NB.
19-Oct-22 21
La vulnerabilita' sismica delle costruzioni

3 - Robustness

NTC 2018

2005

Time Horizon for a Structure
6

• È evidente che una
protratta assenza - colposa o
dolosa - della dovuta
manutenzione ordinaria
comporta la necessità di una
manutenzione straordinaria, i
cui costi non possono essere
additati a cause impreviste e
imprevedibili.
• It is evident that a
protracted absence - culpable
or malicious - of the due
ordinary maintenance entails
the need for extraordinary
maintenance, the costs of
which cannot be pointed to
unexpected and
unpredictable causes.

Structural Robustness
• Capacity of a structure (structural system) to show regular
decrease of its structural quality (integrity) due to negative causes.
• It implies:
a) some smoothness of the decrease of structural performance due
to negative events
(intensive feature);
a) some limited spatial spread of the ruptures
(extensive feature).

Structural Robustness: Intensity Feature
ATTRIBUTES
RELIABILITY
AVAILABILITY
SAFETY
MAINTAINABILITY
INTEGRITY
SECURITY
FAILURE
ERROR
FAULT
permanent interruption of a system ability
to perform a required function
under specified operating conditions
the system is in an incorrect state:
it may or may not cause failure
it is a defect and represents a
potential cause of error, active or dormant
THREATS
NEGATIVE CAUSE
STRUCTURAL
QUALITY
less robust
more robust
Nominal
configuration
Damaged
configuration

Usual
ULS
&
SLS
Verification
Format
Structural Robustness
Assessment
1st level:
Material
Point
2nd level:
Element
Section
3rd level:
Structural
Element
4th level:
Structural
System
Level of Structural Failures

“IMPLOSION”
OF THE
STRUCTURE
“EXPLOSION”
OF THE
STRUCTURE
is a process in which
objects are destroyed by
collapsing on themselves
is a process
NOT CONFINED
STRUCTURE
& LOADS
Collapse
Mechanism
NO SWAY
SWAY
Bad vs Good Collapse: Extensive Feature

Fail-Safe (ENG)
• A fail-safe in engineering is a design feature or practice that in the
event of a specific type of failure, inherently responds in a way
that will cause no or minimal harm to other equipment, the
environment or to people.
• Unlike inherent safety to a particular hazard, a system being "fail-
safe" does not mean that failure is impossible or improbable, but
rather that the system's design prevents or mitigates unsafe
consequences of the system's failure. That is, if and when a "fail-
safe" system "fails", it is "safe" or at least no less safe than when it
was operating correctly.

Synonym: Damage Tolerance
• Property of a structure relating to its ability to sustain defects
safely until repair can be realized.
• The approach to engineering design to account for damage
tolerance is based on the assumption that flaws can exist in any
structure and such flaws propagate with usage.
• In engineering, structure is considered to be damage tolerant if a
maintenance program has been implemented that will result in the
detection and repair of accidental damage, corrosion and fatigue
cracking before such damage reduces the residual strength of the
structure below an acceptable limit.

Synonym: Graceful Degradation
• Ability of a computer, machine, electronic system or network to
maintain limited functionality even when a large portion of it has
been destroyed or rendered inoperative. The purpose of graceful
degradation is to prevent catastrophic failure.
• Ideally, even the simultaneous loss of multiple components does
not cause downtime in a system with this feature.
• In graceful degradation, the operating efficiency or speed declines
gradually as an increasing number of components fail.

Cascade Effect / Chain Reaction
• A cascade effect is an inevitable and sometimes unforeseen chain
of events due to an act affecting a system.
• In biology, the term cascade refers to a process that, once started,
proceeds stepwise to its full, seemingly inevitable, conclusion.
• A chain reaction is the cumulative effect produced when one
event sets off a chain of similar events.
• It typically refers to a linked sequence of events where the time
between successive events is relatively small.

effect
time
decomposability
course predictability
Runaway: Progressive Collapse

4 – Case History

nord
sud
Struttura strategica (2000)

I - Documentazione fotografica
crollo parziale

Pilastro 11 Piano terra

nord

II - Progetto originale 1998

TIPO DI
DOCUMENTO
DATA ESECUZIONE DATA TIMBRO
DEPOSITO
SCANSIONI NOTE
TAVOLE PRIMO
PROGETTO
APRILE 1998 MAGGIO 1998 GRUPPO 1_ DA
[DOC.1] A [DOC.15]
• PRESENZA DI SETTI
• PILASTRI DIM.
VARIABILI
Presenza di setti su prima riga
e sull’ultima colonna. I pilastri
presentano dimensioni
diverse tra loro. Il pilastro
posizionato in
corrispondenza di quello
collassato (figura in rosso)
inizialmente ha dimensioni
50 x 80.
Pianta Piano seminterrato quota 590.00
Aprile 1998_DOC 03

TIPO DI
DOCUMENTO
DEPOSITO
SCANSIONI NOTE
TAVOLE PRIMO
PROGETTO
[DOC.1] A [DOC.15]
• PILASTRI DIM.
VARIABILI
Presenza di setti su prima riga
e sull’ultima colonna. I pilastri
presentano dimensioni
diverse tra loro. Il pilastro
posizionato in
50 x 60.
Pianta Piano terra quota 593.50_ Sala Polivalente
Aprile 1998_DOC 04

TIPO DI
DOCUMENTO
DEPOSITO
SCANSIONI NOTE
TAVOLE PRIMO
PROGETTO
[DOC.1] A [DOC.15]
• PILASTRI DIM.
VARIABILI
Presenza di setti su prima
riga. I pilastri presentano
dimensioni diverse tra loro. Il
pilastro posizionato in
50 x 60.
Pianta Primo piano quota 598.50_ Pub
Aprile 1998_DOC 05

III - Progetto versione 1999

TIPO DI
DOCUMENTO
DEPOSITO
SCANSIONI NOTE
TAVOLE SECONDO
PROGETTO
DICEMBRE 1998 MARZO 1999 GRUPPO 5_ DA
[DOC.44] A [DOC.55]
• FOTO DI SOLAI
• RIDOTTO NUMERO
DI SETTI
• PILASTRI
DIMENSIONI
PREVALENTEMENTE
OMOGENEE. PIL. 11
50X50
Solaio quota 593.5
Dicembre 1998_DOC 46
• Assenza di setti su prima
riga e sull’ultima colonna
(come prevedeva la prima
versione Aprile 1998).
• I pilastri presentano
dimensioni piuttosto
omogenee.
• Il pilastro posizionato in
ha una dimensione 50x50.

TIPO DI
DOCUMENTO
DEPOSITO
SCANSIONI NOTE
TAVOLE SECONDO
PROGETTO
[DOC.44] A [DOC.55]
• FOTO DI SOLAI
• RIDOTTO NUMERO
DI SETTI
• PILASTRI
DIMENSIONI
PREVALENTEMENTE
OMOGENEE. PIL. 11
50X50
Solaio quota 598.5
• Assenza di setti su prima riga e
sull’ultima colonna (come
prevedeva la prima versione Aprile
1998).
• I pilastri presentano dimensioni
piuttosto omogenee.
corrispondenza di quello collassato
(figura in rosso) ha una dimensione
50x50.
• Su questo solaio la tessitura varia.

TIPO DI
DOCUMENTO
DEPOSITO
SCANSIONI NOTE
TAVOLE SECONDO
PROGETTO
[DOC.44] A [DOC.55]
• FOTO DI SOLAI
• RIDOTTO NUMERO
DI SETTI
• PILASTRI
DIMENSIONI
PREVALENTEMENTE
OMOGENEE. PIL. 11
50X50
Solaio quota 602.5
• Assenza di setti sulla prima
riga (come prevedeva la
prima versione Aprile
1998).
• I pilastri presentano
dimensioni omogenee.
ha una dimensione 50x50.

IV - Aspetti distintivi del comportamento
strutturale globale
del progetto originale 1998

V - Modi propri di vibrare
progetto realizzato

VI - Indagini sui materiali

Pilastro 11 Piano seminterrato

Classe dichiarata
Classe reale

0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,1
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85
DISTRIBUZIONE RISULTATI PROVINI CLS
carote pilastri cubi pilastro 11 cubi certificati carote pilastro 11 fcm fck
certificati
carote

0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85
DISTRIBUZIONE RISULTATI PROVINI CLS
cubi pilastro 11 carote pilastro 11 Serie5 Serie6
certificati
carote

VII – Sintesi per la sezione collassata

Configurazione finale – evento 30/10/16 ior 55
(I)

ior 555
Configurazione finale – evento 24/08/16
(II)

ior 66
Concezione iniziale – evento 30/10/16
(III)

5 – Conclusions

To limit structural vulnerability
•First qualitative aspects (structural system, load path, ..),
then quantitative points.
•Failure model: think about the oneness, … Reason model
(consider the lack of ergonomics of the standards).
• Robustness in the main solution.

Eccesso di Norme Tecniche
• «Ma un numero di regole eccessivo comporta vari degli inconvenienti dianzi
citati e in particolare:
- l'impoverimento dell'autonomia e della creatività, in quanto l'opera del
progettista è irretita dalle norme;
- la difficoltà di discernere ciò che veramente conta;
- la sensazione di avere, al riparo delle norme, responsabilità assai alleviate;
- la difficoltà non infrequente di rendersi conto dei ragionamenti che
giustificano certe regole, rischiando di considerare queste alla stregua di
algoritmi, ossia di schemi operativi che, una volta appresi, il pensiero non è
più chiamato a giustificare.»
- Proliferazione delle normative e tecnicismo. Ultima lezione ufficiale del corso di Tecnica delle costruzioni tenuta dal prof. Piero Pozzati
- nell’A.A. 1991-'92, presso la Facoltà di Ingegneria dell'Università di Bologna (3 giugno 1992).0

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