Metodologia di previsione degli effetti dei venti estremi sulle strutture civili
Autore
Fabio Minciarelli - Università degli Studi di Perugia - [1998-99]
Documenti
Abstract
Come è noto le azioni del vento sulle strutture manifestano un carattere di variabilità sia nel tempo che nello spazio. La loro modellazione rigorosa si avvale dei concetti della teoria dei processi stocastici e dei campi stocastici.
Nelle applicazioni di carattere ricorrente nel campo dell’ingegneria delle strutture è consuetudine fare uso di modellazioni semplificate della velocità, ma comunque tali da garantire un livello di sicurezza non inferiore a quello ottenibile attraverso la trattazione rigorosa.
Questi modelli semplificati, incorporati nella maggior parte delle normative tecniche specifiche, sono basati sull’impiego di un valore “caratteristico” delle azioni (o del loro effetto), Sk, moltiplicato per un opportuno coefficiente parziale ?w.
Pertanto l’azione di calcolo, Sd, si presenta nella forma: Sd=?wSk. La sicurezza strutturale è garantita se Sd è non superiore al valore della resistenza di calcolo Rd=Rk/?R.
Il valore caratteristico dell’azione, Sk, è associato a una prefissata probabilità di un suo non superamento, usualmente il 95%, nel corso della vita utile della struttura.
Invece ?w è un coefficiente non minore di uno, tale da garantire, dal punto di vista della sicurezza, l’equivalenza tra la modellazione semplificata dell’azione e quella rigorosa.
La presente tesi è appunto dedicata alla messa a punto di una metodologia di calibrazione di ?w.
A tale fine vengono preliminarmente identificate le cause di incertezza nella valutazione del carico da vento e nella previsione dei corrispondenti effetti, avvalendosi anche di risultati ottenuti in galleria del vento; quindi ciascuna di tali incertezze viene opportunamente modellata specificandone la struttura probabilistica.
Tenuto conto del numero rilevante di parametri aleatori coinvolti, la calibrazione di ?w viene eseguita applicando la tecnica Monte Carlo, simulando un numero statisticamente significativo di realizzazioni delle grandezze interessate.
Le applicazioni numeriche relative agli esempi studiati sono state sviluppate nel corso di una permanenza di cinque mesi negli Stati Uniti presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) di Gaithersburg, MD.
I risultati delle applicazioni numeriche eseguite consentono di discutere criticamente il ruolo della scelta delle distribuzioni di probabilità dei venti estremi, dell’influenza degli errori sulla simulazione della rugosità in galleria e del peso della durata della rilevazione in galleria.
Tenuto conto del suo carattere di procedura generale, la metodologia sviluppata può fornire un contributo al perfezionamento delle attuali Normative sulle azioni del vento sulle costruzioni.
Nota: il capitolo centrale della tesi è stato pubblicato nell' articolo di cui cito gli estremi qui di seguito.
Estimates of extreme wind effects and wind load factors: Influence of knowledge uncertainties, by F.Miciarelli, M.Gioffrè, M.Grigoriu, E.Simiu. PROBABILISTIC ENGINEERING MECHANICS Volume (issue): 16 (4)
http://www.itl.nist.gov/div898/winds/pdf_files/b01113.pdf
Abstract
We propose a probabilistic methodology for developing improved load factors in standard provisions for wind loads, and use it to examine: the cause of the discrepancy noted in the 1980’s between estimates of safety indices for wind and gravity loads; the relative magnitude of load factors for hurricane and non-hurricane regions; and the effect of the length of wind tunnel pressure records on the estimation of peak wind effects. According to our calculations, (1) the discrepancy between estimates of safety indices for gravity and wind loads is an artifact that can be removed by using current knowledge on probability distributions of extreme wind speeds; (2) the disregard in the ASCE 7-98 Standard of (a) knowledge uncertainties, and (b) errors inherent in the limited number of climatological data on which hurricane wind speed simulations are based, leads to incorrect wind load factor estimates; and (3) increasing beyond 30 min or even 20 min the length of pressure records used for the estimation of fluctuation peaks appears to have a relatively small effect on estimates of overall wind effects. We outline future research on wind directionality, sampling errors in the estimation of peak wind effects, and the use of probabilistic descriptions of wind effects and structural capacity to estimate probabilities of occurrence of nonlinear limit states, including structural collapse.
Nelle applicazioni di carattere ricorrente nel campo dell’ingegneria delle strutture è consuetudine fare uso di modellazioni semplificate della velocità, ma comunque tali da garantire un livello di sicurezza non inferiore a quello ottenibile attraverso la trattazione rigorosa.
Questi modelli semplificati, incorporati nella maggior parte delle normative tecniche specifiche, sono basati sull’impiego di un valore “caratteristico” delle azioni (o del loro effetto), Sk, moltiplicato per un opportuno coefficiente parziale ?w.
Pertanto l’azione di calcolo, Sd, si presenta nella forma: Sd=?wSk. La sicurezza strutturale è garantita se Sd è non superiore al valore della resistenza di calcolo Rd=Rk/?R.
Il valore caratteristico dell’azione, Sk, è associato a una prefissata probabilità di un suo non superamento, usualmente il 95%, nel corso della vita utile della struttura.
Invece ?w è un coefficiente non minore di uno, tale da garantire, dal punto di vista della sicurezza, l’equivalenza tra la modellazione semplificata dell’azione e quella rigorosa.
La presente tesi è appunto dedicata alla messa a punto di una metodologia di calibrazione di ?w.
A tale fine vengono preliminarmente identificate le cause di incertezza nella valutazione del carico da vento e nella previsione dei corrispondenti effetti, avvalendosi anche di risultati ottenuti in galleria del vento; quindi ciascuna di tali incertezze viene opportunamente modellata specificandone la struttura probabilistica.
Tenuto conto del numero rilevante di parametri aleatori coinvolti, la calibrazione di ?w viene eseguita applicando la tecnica Monte Carlo, simulando un numero statisticamente significativo di realizzazioni delle grandezze interessate.
Le applicazioni numeriche relative agli esempi studiati sono state sviluppate nel corso di una permanenza di cinque mesi negli Stati Uniti presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) di Gaithersburg, MD.
I risultati delle applicazioni numeriche eseguite consentono di discutere criticamente il ruolo della scelta delle distribuzioni di probabilità dei venti estremi, dell’influenza degli errori sulla simulazione della rugosità in galleria e del peso della durata della rilevazione in galleria.
Tenuto conto del suo carattere di procedura generale, la metodologia sviluppata può fornire un contributo al perfezionamento delle attuali Normative sulle azioni del vento sulle costruzioni.
Nota: il capitolo centrale della tesi è stato pubblicato nell' articolo di cui cito gli estremi qui di seguito.
Estimates of extreme wind effects and wind load factors: Influence of knowledge uncertainties, by F.Miciarelli, M.Gioffrè, M.Grigoriu, E.Simiu. PROBABILISTIC ENGINEERING MECHANICS Volume (issue): 16 (4)
http://www.itl.nist.gov/div898/winds/pdf_files/b01113.pdf
Abstract
We propose a probabilistic methodology for developing improved load factors in standard provisions for wind loads, and use it to examine: the cause of the discrepancy noted in the 1980’s between estimates of safety indices for wind and gravity loads; the relative magnitude of load factors for hurricane and non-hurricane regions; and the effect of the length of wind tunnel pressure records on the estimation of peak wind effects. According to our calculations, (1) the discrepancy between estimates of safety indices for gravity and wind loads is an artifact that can be removed by using current knowledge on probability distributions of extreme wind speeds; (2) the disregard in the ASCE 7-98 Standard of (a) knowledge uncertainties, and (b) errors inherent in the limited number of climatological data on which hurricane wind speed simulations are based, leads to incorrect wind load factor estimates; and (3) increasing beyond 30 min or even 20 min the length of pressure records used for the estimation of fluctuation peaks appears to have a relatively small effect on estimates of overall wind effects. We outline future research on wind directionality, sampling errors in the estimation of peak wind effects, and the use of probabilistic descriptions of wind effects and structural capacity to estimate probabilities of occurrence of nonlinear limit states, including structural collapse.
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