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CRITERI GENERALI NELLA PROGETTAZIONE
DELLE STRUTTURE IN C.A. SECONDO L’ORDINANZA 3274


Mauro Dolce
Ordinario di Costruzioni in Zona Sismica
Università della Basilicata


INTRODUZIONE

Dopo più di venti anni di quasi totale immobilità, la nuova normativa per le costruzioni in zona sismica e i criteri per la classificazione emanati con l’Ordinanza 3274/2003 hanno determinato un deciso passo avanti verso l’attuazione di una strategia di prevenzione e mitigazione del rischio sismico moderna, efficace e scientificamente corretta. Negli ultimi venti anni, infatti, gli studi di ingegneria sismica hanno fatto grandi progressi, sintetizzati nelle diverse parti dell’Eurocodice 8(EC8), di cui alcune già definitivamente approvate (quella generale e relativa agli edifici e quella relativa agli aspetti geotecnici [CEN, 2003 a, b]), altre in corso di avanzato sviluppo [CEN 2003 c, 2004]. Sull’EC8, che sarà la futura normativa sismica dei paesi membri dell’Unione Europea, è stata basata la redazione delle nuove norme italiane, riportate negli allegati 2 (parte generale ed edifici nuovi ed esistenti), 3 (ponti) e 4 (opere di fondazione e terreni) all’Ord. 3274.
Nel presente articolo ci si propone di esaminare, oltre alla nuova classificazione sismica nell’ipotesi di prima applicazione riportata nell’allegato 1, alcuni aspetti fondamentali delle nuove norme, al fine di evidenziarne e chiarirne gli aspetti più innovativi. Ci si riferisce in particolare all’approccio progettuale prestazionale, alla definizione delle azioni di progetto, alle nuove procedure di progettazione, analisi e verifica volte a controllare meglio la risposta inelastica delle strutture, alla valutazione degli edifici esistenti, alla progettazione delle strutture con isolamento sismico, alla progettazione dei ponti.


CLASSIFICAZIONE SISMICA

La classificazione sismica del territorio Italiano, strumento fondamentale per la definizione delle azioni sismiche di progetto in relazione alla pericolosità del sito, si è evoluta in maniera discontinua nel tempo. Se si esamina quanto è successo nel secolo appena concluso, sintetizzato in fig. 1, ci si rende conto come i provvedimenti di classificazione fino al 1980 abbiano inseguito gli eventi, piuttosto che prevenirli. In effetti, il terremoto è un evento raro, che si manifesta in maniera statisticamente periodica: i periodi di ritorno medi degli eventi più violenti sono dell’ordine di qualche secolo. Appare, quindi, quanto mai irrazionale, sebbene comprensibile dal punto di vista emozionale, classificare come sismiche solo le zone appena colpite da un terremoto, non curandosi di valutare l’effettiva pericolosità di altre zone con una storia sismica importante, ma non recente.
Purtroppo, solo alla fine degli anni ’70, dopo che il Progetto Finalizzato Geodinamica del CNR attivato a seguito del terremoto del Friuli del 1976 aveva dato grande impulso a studi specifici, si è arrivati a definire mappe di pericolosità basate su dati e procedure scientificamente validi. Sulla base di tali mappe si è proceduto, tra il 1981 e il 1984, a classificare una cospicua porzione del territorio precedentemente ritenuto non sismico, estendendo dal 25% al 45% circa la parte di territorio italiano classificato in una delle tre categorie previste. In realtà, c’era piena consapevolezza che tali provvedimenti, pur se indispensabili all’indomani di un terremoto catastrofico quale quello Irpino-Lucano del 23.11.80, erano ancora imperfetti, tanto da rinviare la decisione di classificare nuovi territori in prima categoria, in attesa di studi per l’approfondimento della conoscenza della storia sismica dell’intero territorio e il miglioramento delle ipotesi e degli strumenti di elaborazione.
Nel 1998, un gruppo di lavoro che riuniva le competenze dei maggiori organi tecnico-scentific
operanti nel settore (il Servizio Sismico Nazionale, che aveva istituito il gruppo di lavoro, il Gruppo Nazionale per la Difesa dai Terremoti e l’Istituto Nazionale di Geofisica), raccogliendo e sintetizzando le conoscenze e lo stato dell’arte all’epoca, produsse nuove mappe di pericolosità ed una proposta di riclassificazione del territorio (proposta 1998 in fig. 1), che vedeva in zona sismica, nelle tre categorie previste, circa il 67% dell’intero territorio italiano [Gavarini et al. 1999].


Fig. 1 - Evoluzione della classificazione sismica in Italia, a partire dal 1909 (fonte DPC-SSN) - sismicità crescente per maggiore intensità del colore.

Sulla base di questo studio, rimasto inutilizzato per quattro anni, è stata redatta la nuova mappa di classificazione (v. fig. 2), base di riferimento dei provvedimenti di classificazione che le singole Regioni, competenti per legge in materia, hanno emanato successivamente all’Ordinanza 3274. Importante novità è l’assenza di aree “non classificate” e l’introduzione di una zona 4, nella quale, con facoltà di scelta delle Regioni, si progetterà con criteri semplificati e forze sismiche ridotte, atte a garantire comunque la presenza di sistemi controventanti nelle due direzioni ortogonali con una minima resistenza alle azioni laterali.


Fig. 2 - Confronto tra vecchia e nuova classificazione (fonte DPC-SSN).

È importante anche sottolineare come nell’allegato 1 della stessa Ordinanza siano contenuti i criteri generali, rigorosamente scientifici anche nella valutazione complessiva del risultato, di definizione delle future mappe di pericolosità. Dunque, oltre agli immediati improcrastinabili provvedimenti, sono state poste le basi per future soluzioni, in linea con lo stato dell’arte nazionale e internazionale, di un problema complesso e di estrema delicatezza dal punto di vista sociale, economico e politico.


APPROCCIO PRESTAZIONALE


L’aspetto fondamentale delle nuove norme è il cambiamento di approccio, che da prescrittivo diviene prestazionale. In sostanza, non si tratta più di applicare regole di progettazione, di analisi e di verifica più o meno complesse, in maniera spesso inconsapevole rispetto agli obiettivi del progetto, ma, anzi, si parte dagli obiettivi e dalla precisa enunciazione delle prestazioni che si vogliono ottenere dalla struttura e dei requisiti necessari al conseguimento di tali prestazioni, per giungere alla formulazione di criteri e regole finalizzati a tali obiettivi. In particolare, nell’”Oggetto delle Norme” (cap. 1, all. 2) è detto che: “Lo scopo delle norme è di assicurare che in caso di evento sismico sia protetta la vita umana, siano limitati i danni e rimangano funzionanti le strutture essenziali agli interventi di protezione civile”. Successivamente, nei requisiti di sicurezza e criteri di verifica, vengono definiti due livelli prestazionali, espressi come stati limite, rispettivamente, ultimo e di danno, per i quali “Sotto l'effetto dell’azione sismica di progetto … le strutture degli edifici, …, pur subendo danni di grave entità agli elementi strutturali e non strutturali, devono mantenere una residua resistenza e rigidezza nei confronti delle azioni orizzontali e l’intera capacità portante nei confronti dei carichi verticali”, come condizione relativa allo Stato Limite Ultimo, e “Le costruzioni nel loro complesso, includendo gli elementi strutturali e quelli non strutturali, ivi comprese le apparecchiature rilevanti alla funzione dell’edificio, non devono subire danni gravi ed interruzioni d'uso in conseguenza di eventi sismici che abbiano una probabilità di occorrenza più elevata di quella della azione sismica di progetto”, come condizione relativa allo Stato Limite di Danno.


Fig. 3 - Comportamento non lianeare di una struttura soggetta a forse laterali e livelli prestazionale corrispondenti (fonte Petrini et al., 2004 elaborata dall'autore).

Il preciso riferimento ad uno stato limite ultimo, per raggiungere il quale la struttura deve innanzitutto danneggiarsi e quindi subire notevoli escursioni in campo anelastico (v. fig. 3), oltre ad evidenziare chiaramente il comportamento reale di una struttura sotto un sisma violento, rispetto al quale è economicamente non conveniente, se non realisticamente impossibile, progettare per ottenere un comportamento elastico, chiarisce anche come una semplice verifica delle
sollecitazioni, o ancor di più delle tensioni (applicando il metodo delle tensioni ammissibili), possa condurre a dimensionamenti del tutto insoddisfacenti. Infatti la capacità della struttura di resistere a terremoti violenti va giudicata rispetto alla sua capacità di sostenere deformazioni (anelastiche) anche sensibilmente superiori a quelle che avvengono al limite elastico (v. fig. 3) o, in altre parole, rispetto alla sua duttilità. Si rivela così la convenzionalità di una progettazione esclusivamente riferita alle sollecitazioni, essendo l’intensità del terremoto di progetto di 3-5 volte maggiore. È evidente che un approccio basato sulle deformazioni e sugli spostamenti, pur se concettualmente corretto e già applicabile con gli strumenti progettuali e di calcolo non lineare oggi disponibili, rappresenterebbe un cambiamento troppo radicale e repentino rispetto alla normale prassi progettuale. È per questo che la nuova norma affianca all’analisi in campo elastico, con azioni opportunamente ridotte per tener conto del comportamento anelastico, e alle verifiche delle resistenze allo stato limite ultimo, speciali procedure di progetto (metodo della gerarchia delle resistenze) e specifiche prescrizioni di dettaglio, che garantiscano il corretto comportamento della struttura in campo anelastico ed una sufficiente duttilità degli elementi strutturali.


DEFINIZIONE DELLE AZIONI DI PROGETTO

L’operatività della norma diventa completa nel momento in cui vengono definite le azioni di progetto (cap. 3 del’all.2), come quelle che hanno probabilità di arrivo del 10% e del 50% circa in 50 anni, rispettivamente per i due stati limite (SLU e SLD). Prima di passare alla descrizione delle azioni di progetto, è bene chiarire che l’essenza della norma è contenuta in quanto fin qui esposto: scopi, requisiti e azioni definiscono in maniera completa i presupposti del progetto. Le parti successive della norma non fanno altro che fornire regole specifiche, per i singoli materiali e lesingole tipologie strutturali, per il conseguimento dei requisiti e l’applicazione dei criteri, che hanno invece carattere e validità generali.


Fig. 4 - Spettri di risposta elastici normalizzati delle componenti orizzontali dell'azione sismica.


Fig. 5 - Spettro di risposta elastico normalizzato della componente verticale dell'azione sismica.

Tornando alla definizione delle azioni di progetto, si nota nella nuova norma un cambiamento radicale rispetto al D.M.LL.PP. 16.01.96. Coerentemente con la necessità di percorrere tutti i passaggi necessari al conseguimento dell’obiettivo, l’azione sismica di progetto è descritta in maniera del tutto generale, attraverso gli spettri elastici delle componenti orizzontali e della componente verticale (v. figg. 4 e 5) per i diversi tipi di suolo di fondazione, e non direttamente attraverso un unico spettro di progetto, da aggiustare di volta in volta con coefficienti maggiorativi.
Riferito ad un singolo terremoto, infatti, lo spettro elastico sintetizza la risposta massima di oscillatori elementari a comportamento elastico-lineare di diverso periodo. Esso è, dunque, la rappresentazione oggettiva e sintetica delle principali caratteristiche di un terremoto o, meglio, dei possibili terremoti che si possono verificare in un dato sito, e non è legato allo specifico tipo di struttura ed al suo particolare comportamento durante un sisma.
Ai fini della progettazione della specifica struttura sottoposta ad importanti escursioni anelastiche, lo stesso spettro può essere trasformato nello strumento progettuale più adatto alla struttura e alla procedura di analisi/verifica adottata. Lo si può, infatti, trasformare in uno spettro di progetto, dividendolo per il fattore di struttura q, funzione delle caratteristiche comportamentali dell’opera in esame, per eseguire analisi dinamiche modali o statiche in campo elastico. In alternativa, si possono determinare le curve spettrali per diversi condizioni di smorzamento e rappresentarle in un piano accelerazione-spostamento (ADRS), per valutare in maniera più diretta, mediante analisi statiche non lineari, la formazione di meccanismi di plasticizzazione della struttura in campo non lineare.
Infine, si possono generare accelerogrammi artificiali o individuare accelerogrammi naturali coerenti con le caratteristiche spettrali definite dalla norma, per eseguire analisi dinamiche di simulazione in campo lineare o non lineare.
Due aspetti relativi alla definizione dell’azione sismica vanno evidenziati. Il primo riguarda gli effetti di amplificazione locale, dovuti alla filtrazione delle onde sismiche da parte degli ultimi strati di suolo deformabile attraversati, il secondo riguarda la netta differenziazione delle azioni di progetto operata dal fattore riduttivo q, in relazione alle caratteristiche specifiche dell’opera da progettare.

Fig. 6 - Fattore q e spettro di progetto normalizzato per diversi tipi di struttura in c.a. per terreno rigido (tipo A).

La considerazione dell’amplificazione locale dà luogo non più al semplice incremento delle accelerazioni sulle masse strutturali, indipendentemente dal periodo della struttura, così come operava il coefficiente di fondazione e, ma a forme spettrali totalmente diverse, cosicché strutture con periodi relativamente alti, ad esempio tra 0.5 e 1.0 sec., sono soggette ad accelerazioni che differiscono di un fattore anche superiore a 2 (v. fig. 4) se fondate su suoli con caratteristiche di rigidità diverse. Il secondo aspetto, preso in conto nel D.M. 96 attraverso il fattore di struttura moltiplicativo ß, pari a 1, 1.2 o 1.4 a seconda del sistema strutturale, ora dipende da diversi parametri, legati alla tipologia strutturale (telai, pareti, etc.), alla regolarità in elevazione, alle modalità di progettazione, alla sovraresistenza e ridondanza della struttura. Ritornando successivamente sui singoli parametri, si deve evidenziare come, in funzione di essi, il rapporto tra il minimo e il massimo valore del fattore di struttura q, e quindi dell’entità dell’azione di progetto, è ora superiore a 3, coerentemente con la capacità differenziata di strutture diverse di sostenere terremoti violenti senza collassare (v. fig. 6).


REGOLARITÀ STRUTTURALE

Tornando ai parametri che contribuiscono a definire il fattore di struttura q, va sottolineata l’importanza che la nuova norma attribuisce alla regolarità strutturale, chiamando in causa non solo la progettazione delle strutture (troppo spesso ridotta a mero “calcolo”) ma l’impostazione complessiva del progetto, a partire dalle forme architettoniche. Chiunque abbia avuto esperienze di rilievi di danno post-sisma ha potuto constatare direttamente il netto peggioramento delle prestazioni strutturali in presenza di irregolarità di vario tipo, verificando l’importanza della simmetria, della compattezza di forma, dell’uniforme distribuzione di elementi non strutturali rigidi e resistenti, come tamponature e tramezzature in muratura (v. fig. 7).
La normativa distingue la regolarità in pianta da quella in elevazione, adottando provvedimenti diversi, sulla modellazione e sul fattore di struttura, atti a contrastare gli effetti negativi che i diversi tipi d’irregolarità producono sul comportamento sismico di una struttura. Infatti, un calcolo elastico convenzionale può garantire il corretto comportamento della struttura fino al limite elastico, ma non può fornire predizioni realistiche del comportamento non lineare, particolarmente qualora la struttura presenti situazioni di debolezza localizzata, ad esempio di un piano rispetto agli altri, o di concentrazione di tensioni, che possano determinare comportamenti locali fragili. Occorre, infatti, tener sempre ben presente che l’azione dinamica del sisma, quando la struttura viene impegnata in campo anelastico, tende a concentrare la domanda di spostamento (o duttilità) negli elementi di maggior debolezza, portandoli rapidamente al collasso, e con loro tutta la struttura. È questo il caso del cosiddetto piano debole, situazione che si crea quando gli elementi strutturali verticali hanno brusche variazioni di rigidezza, particolarmente ai piani bassi o, situazione ancor più frequente, quando tamponature e tramezzature sono presenti a tutti i piani tranne che ad uno (classico è il cosiddetto piano pilotis). In quest’ultimo caso la progettazione delle strutture interessate viene giustamente penalizzata con incrementi significativi delle sollecitazioni di progetto.

Fig. 7 - Collasso del piano terra di un edificio con irregolarità in elevazione, determinate dall'assenza di tamponature e tramezzature al piano terra.

Pur se appare difficile fornire criteri semplici e oggettivi per definire la regolarità in pianta e in elevazione, le nuove norme propongono criteri quantitativi di tipo geometrico e meccanico, che sicuramente servono a guidare il progettista nelle sue scelte progettuali. Sembra, però, più opportuno che il progettista stesso maturi una sensibilità rispetto al problema della regolarità strutturale, giudicando direttamente le situazioni in cui il comportamento anelastico della struttura possa discostarsi sensibilmente da quello elastico.


PROCEDURE DI PROGETTO: CAPACITY DESIGN E DETTAGLI COSTRUTTIVI

La capacità di una struttura di sostenere grandi deformazioni anelastiche è determinata dalla capacità duttile dei singoli elementi strutturali e dalla distribuzione delle deformazioni anelastiche tra i diversi elementi.
La capacità duttile del singolo elemento strutturale è ottenibile solo con un’attenta calibrazione delle resistenze rispetto ai diversi possibili meccanismi di rottura (a flessione, a taglio, etc.) che possono avvenire nell’elemento stesso. È ben noto, infatti, che le rotture a taglio di elementi monodimensionali, come travi, pilastri e pareti snelle, sono fragili, mentre quelle a flessione sono duttili, se vengono curati i dettagli costruttivi. Occorrerà in generale che la crisi in tali elementi avvenga per flessione piuttosto che per taglio. D’altra parte è anche noto che la compressione riduce la duttilità disponibile, così come, per quanto già detto, la plasticizzazione di tutti i pilastri di un piano, a formare un meccanismo di piano soffice, porta a richieste di duttilità concentrate e insostenibili da parte dei pilastri. Infine è anche evidente che la rottura di un nodo trave-pilastro presenta il duplice inconveniente di essere fragile ed indurre una rapida labilizzazione delle strutture intelaiate, determinando la cernierizzazione delle travi e dei pilastri che convergono in quel nodo. È dunque regola unanimamente riconosciuta quella per cui occorre favorire la formazione di cerniere plastiche nelle travi piuttosto che nei pilastri, evitando la rottura dei nodi. S’individua, così, una vera e propria gerarchia delle resistenze, all’interno dello stesso elemento strutturale e tra i vari elementi strutturali, il rispetto della quale permette di conseguire capacità duttili nelle strutture in c.a. altrimenti impensabili. In sostanza, il meccanismo ideale di plasticizzazione, in una struttura intelaiata, vede la formazione di cerniere plastiche solamente alle estremità delle travi e, eventualmente, alla base dei pilastri del piano terra (v. fig. 8), così da formare una meccanismo duttile con un solo grado di labilità, dal quale siano esclusi gli elementi e i meccanismi di rottura fragile.


Fig. 8 - Meccanismi di rottura duttile (a sinistra) e fragile (a destra) dii un telaio multipiano.

L’applicazione del metodo della gerarchia delle resistenze richiede un approccio totalmente diverso dal classico approccio finalizzato alla realizzazione di strutture a “uniforme resistenza”, la cui pratica attuazione avveniva progettando tutte le parti strutturali unicamente sulla base delle sollecitazioni ottenute dall’analisi elastica. È evidente che, da un lato, l’”uniforme resistenza” non garantisce di per sé un buon comportamento duttile, per la fragilità di alcuni meccanismi di rottura che si svilupperebbero contemporaneamente ad altri meccanismi duttili, dall’altro, che le approssimazioni del modello e le differenze tra sollecitazioni resistenti e di calcolo (legate, nel c.a., alla discretizzazione dei diametri dei tondini di acciaio, ai requisiti minimi di armatura previsti, in quantità e disposizione, alle differenze tra resistenze effettive e di progetto dei materiali), determinano maggiorazioni incontrollate di resistenza, che portano all’anticipazione dei meccanismi fragili.



Fig. 9 - Applicazione della gerarchia delle resistenze nella progettazione dei pilastri a flessione (a destra) e delle travi a taglio (a sinistra).

La procedura di progetto deve, perciò, partire dalla determinazione delle resistenze delle parti deputate alla dissipazione d’energia con meccanismi duttili (estremità delle travi nei telai), sulla base dei risultati dell’analisi elastica e delle effettive caratteristiche dell’elemento (geometria e armature nel c.a.). Successivamente, attraverso semplici equazioni d’equilibrio locale (equilibrio alla rotazione intorno al nodo, equilibrio alla rotazione di travi e pilastri – v. fig. 9) riferite alle sollecitazioni resistenti opportunamente maggiorate dei meccanismi duttili, si arriva alla progettazione delle resistenze delle parti non deputate alla dissipazione di energia (pilastri e nodi) e dei relativi meccanismi fragili (taglio nelle travi, nei pilastri, nei nodi).
Ovviamente, ad una progettazione attenta ai meccanismi di rottura a livello di struttura e di elemento occorre affiancare una progettazione attenta dei dettagli strutturali, che condizionano a livello locale l’effettivo sviluppo della duttilità richiesta, per garantire la corretta trasmissione delle sollecitazioni tra i diversi elementi (continuità e limiti geometrici), la prevenzione di modalità di crisi non messe in conto nel calcolo (ad esempio l’instabilità delle barre di armatura), il miglioramento delle caratteristiche di resistenza e duttilità del calcestruzzo (mediante armature di confinamento), una resistenza minima a parti strutturali cruciali e non facilmente progettabili (ad esempio i nodi trave-pilastro).
L’attenta considerazione di tutti questi aspetti relativi sia al comportamento globale che a quello locale vengono premiati con una cospicua riduzione delle azioni (ovvero da valori maggiori del fattore di struttura q, come illustrato in fig. 6). In ogni caso la norma permette di progettare senza applicare il metodo della gerarchia delle resistenze, adottando, però, azioni sismiche più gravose, così da bilanciare la minore duttilità con una maggiore resistenza. In sostanza, si ammettono due diverse modalità progettuali alternative, per realizzare strutture a “bassa duttilità” o ad “alta duttilità”.


METODO DI VERIFICA AGLI STATI LIMITE

Uno degli aspetti di maggiore impatto delle nuove norme sui progettisti sembra essere il definitivo abbandono del metodo delle tensioni ammissibili in favore del metodo degli stati limite, dopo circa un trentennio, per il progetto delle costruzioni non antisismiche, e quasi un decennio, per le costruzioni in zona sismica, di convivenza dei due metodi.
Dal punto di vista concettuale, non possono esservi dubbi che il metodo delle tensioni ammissibili, in quanto finalizzato unicamente alla verifica del non superamento delle condizioni elastiche, sia del tutto inadeguato ad una progettazione che guardi essenzialmente al comportamento della struttura in campo ampiamente non lineare.
Dal punto di vista pratico, la sostituzione dell’uno con l’altro metodo non dovrebbe comportare sostanziali difficoltà operative, essendo oramai prassi comune eseguire tutte le verifiche locali con programmi di calcolo ampiamente collaudati.


VALUTAZIONE DEGLI EDIFICI ESISTENTI

È evidente che l’applicazione delle regole valide per gli edifici nuovi, che presuppongono lo sviluppo di precisi meccanismi di plasticizzazione e, comunque, la disponibilità di una buona duttilità almeno a livello locale, mal si conciliano con i comportamenti di strutture esistenti, spesso progettate senza alcun criterio antisismico. Sono perciò richieste procedure ad hoc, in grado di cogliere il reale comportamento delle strutture, anche a costo di analisi più sofisticate, necessarie in
particolare quando si debba ricorrere a tutte le riserve di resistenza e duttilità della struttura. Per questo la norma focalizza l’attenzione soprattutto sull’analisi dei rapporti di resistenza tra i diversi elementi strutturali e sulle capacità deformative degli elementi struttura, privilegiando i metodi di analisi in campo non lineare.
Un altro aspetto molto importante riguarda la conoscenza delle strutture esistenti, sulla base della quale vengono svolti i calcoli di progetto e le verifiche di sicurezza. I livelli di conoscenza che si possono conseguire su un edificio esistente sono ben diversi quando si abbia o no disponibilità degli elaborati di progetto, di cantiere, di collaudo, e variano sensibilmente nella misura in cui si eseguano prove sperimentali sui materiali e rilievi di dettaglio.
È corretto che il livello di conoscenza conseguito porti ad una diversificazione dei livelli d’affidabilità delle valutazioni e, dunque, all’assunzione di coefficienti di sicurezza diversi in relazione ad esso. È questa la filosofia delle norme, che premiano un investimento maggiore in fase di analisi dell’esistente, assumendo coefficienti di sicurezza più bassi, e quindi resistenze di calcolo più elevate, in caso disponibilità di una documentazione completa e/o di attente valutazioni sperimentali e rilievi dettagliati.


TECNOLOGIE INNOVATIVE

Le nuove norme contengono due specifici capitoli, relativi agli edifici e ai ponti con isolamento sismico, che permettono di eseguire una progettazione pienamente coerente con i criteri e gli obiettivi generali.
L’isolamento sismico realizza una strategia di protezione sismica riducendo la domanda (forze sismiche) in maniera globale, riducendo drasticamente l’energia trasmessa dal suolo all’intera struttura. Esso consiste essenzialmente nel disaccoppiare il moto del terreno da quello della struttura, introducendo una sconnessione lungo l’altezza della struttura stessa (generalmente alla base, nel caso degli edifici, fra la pila e l’impalcato, nei ponti, come è illustrato in figura 10), che risulta quindi suddivisa in due parti: la sottostruttura, rigidamente connessa al terreno, e la sovrastruttura. La continuità strutturale, e con essa la trasmissione dei carichi verticali al terreno, è garantita attraverso l’introduzione, fra sovra- e sotto-struttura, di opportuni dispositivi, detti isolatori, caratterizzati da un’elevata deformabilità o da una bassa resistenza al moto in direzione orizzontale e, usualmente, da una notevole rigidezza in direzione verticale.


Figura 10 - Introduzione dei sistemi di isolamento in (a) edifici e (b) ponti.

L’opportunità di trattare l’isolamento sismico nelle norme deriva dal raggiunto grado d’affidabilità di questa tecnica di protezione, conseguito grazie alla lunga fase d’applicazione sperimentale in Italia e nel mondo, alla maturità raggiunta dalla tecnica e dalle tecnologie dell’isolamento, al gran numero di applicazioni, all’ampia sperimentazione con esiti positivi (compresi edifici reali soggetti a terremoti), alla posizione d’avanguardia dell’industria italiana nel mondo. Anche l’Eurocodice 8
contiene due specifici capitoli nelle parti 1 (edifici) e 2 (ponti), che permettono di eseguire una progettazione affidabile delle strutture isolate. Infatti, le peculiarità di comportamento delle strutture isolate e il ruolo cruciale svolto dai dispositivi d’isolamento richiedono la trattazione specifica di tali aspetti, in relazione alla specificità degli obiettivi del progetto rispetto ad una struttura a base fissa, alla particolarità del comportamento delle strutture isolate (metodi di analisi), al progetto e al controllo sperimentale dei dispositivi di isolamento.
Rispetto alle Linee guida del Consiglio Superiore dei LL.PP. [1998], il cui rispetto comunque non esimeva il progetto dall’iter di approvazione dello stesso Consiglio, le nuove norme conseguono gli obiettivi di semplificazione delle procedure di analisi, di più chiara definizione del ruolo dei diversi dispositivi di isolamento, di congruenza con le altre parti della norma. Nel confronto con l’Eurocodice 8, le nuove norme italiane sono più attente ad una serie di aspetti riguardanti sia i diversi metodi di analisi e la relativa applicabilità, sia i diversi tipi di dispositivi che formano un sistema di isolamento e le relative procedure di accettazione e qualificazione.
Come detto, gli obiettivi della progettazione antisismica, in generale, sono riferiti a due livelli prestazionali, denominati stato limite di danno (SLD) e stato limite ultimo (SLU). Per il primo si richiede il mantenimento in esercizio dell’opera, e dunque la sostanziale assenza di danni. Per il secondo si accetta che la struttura subisca danni anche gravi, ma tali da non pregiudicare la stabilità dell’opera. Nel caso di strutture con isolamento sismico, per l’evento SLU, gli elementi della sovrastruttura (porzione della struttura al di sopra dell’interfaccia di isolamento), devono essere verificati riducendo le sollecitazioni di un fattore di struttura q, che per le strutture intelaiate in c.a., a più piani e più campate vale circa 1.5. Ciò si traduce nella sostanziale assenza di danno strutturale, e dunque in un netto miglioramento delle prestazioni strutturali, conseguibile grazie al drastico abbattimento delle accelerazioni sulla struttura. Per la verifica SLD è richiesta la sola limitazione degli spostamenti interpiano, ai fini del danneggiamento delle parti non strutturali, e la verifica degli spostamenti all’interfaccia d’isolamento.
Le ampie potenzialità di applicazione dell’isolamento sismico determinate dall’entrata in vigore dell’Ord. 3274 sono riassunte nei grafici della fig. 11 [Dolce. Santarsiero, 2003], che mostrano il rapporto tra le accelerazioni di progetto relative allo SLU di strutture in c.a. irregolari e a bassa duttilità (fattore di struttura q=3.3) e allo SLD, progettate senza e con isolamento sismico. Tali rapporti sono interpretabili anche come rapporti tra le risultanti delle forze sismiche di progetto, e pertanto forniscono una misura dei possibili risparmi ottenibili nella costruzione della struttura e delle fondazioni con l’adozione dell’isolamento sismico. È ovvio che tali risparmi andranno a
compensare, in parte o in tutto, i maggiori costi di costruzione determinati dai dispositivi di isolamento, dai giunti e da altri dettagli strutturali necessari all’introduzione dell’isolamento sismico. Nei diagrammi di fig. 11, Tf è il periodo della struttura fissa alla base e Tis è il periodo della struttura isolata. S’ipotizza che l’isolamento abbia comportamento quasi elastico (isolatori in gomma), con smorzamento pari al 10%, e che il suolo abbia caratteristiche di media deformabilità.


Fig. 11 - Rapporti delle accelerazioni spettrali per il calcolo delle forze sismiche allo SLU e allo SLD.

I due diagrammi evidenziano le notevoli riduzioni delle forze sismiche di progetto conseguibili con l’adozione dell’isolamento. Facendo riferimento agli usuali valori dei periodi di una struttura isolata, dell’ordine di 2-2.5 sec., e di una struttura a base fissa, dell’ordine di 0.5 sec., si rileva che le forze sismiche di una struttura isolata sono circa la metà, per la progettazione allo SLU, e circa 5-6 volte più basse, per la progettazione allo SLD. Ma il vantaggio dell’isolamento sismico va giudicato soprattutto rispetto agli effetti dei terremoti più violenti. Essi, infatti, producono danni anche gravi, al limite del collasso, in una struttura a base fissa progettata secondo le norme, mentre in una struttura isolata gli stessi terremoti non producono danni sostanziali, nemmeno alle parti non strutturali.
Le nuove norme lasciano ampio margine all’innovazione, sia progettuale che tecnologica, prendendo in esame, e fornendo gli strumenti per il progetto con diverse strategie d’isolamento sismico, da quella basata sull’incremento del periodo a quella basata sulla limitazione della forza, sintetizzate nella fig. 12, e per l’applicazione di dispositivi con comportamenti diversi (isolatori in gomma e a scorrimento, dispositivi ausiliari a comportamento lineare, non lineare e viscoso)


Fig. 12 - Rapporti delle accelerazioni spettrali per il calcolo delle forze sismiche allo SLU e allo SLD.

Il mantenimento in campo sostanzialmente elastico della struttura semplifica e rende più affidabile l’intera procedura di progettazione, grazie alla migliore aderenza del modello di calcolo al reale comportamento della struttura sotto terremoti violenti. Le norme recepiscono tali vantaggi, consentendo l’esecuzione di analisi semplificate, di tipo statico, e permettendo la progettazione in “bassa duttilità”, ossia senza l’adozione di particolari regole per la determinazione delle sollecitazioni di progetto.
La corretta definizione di obiettivi, requisiti e azioni sismiche di progetto consente anche di utilizzare procedure di progetto, analisi e verifica di strutture che utilizzano altre tecnologie innovative, quali ad esempio quelle che sfruttano la dissipazione di energia in appositi dispositivi a comportamento viscoso, visco-elastico o isteretico. L’ampia gamma di metodi di calcolo utilizzabili, dallo statico lineare al dinamico non lineare, permette di affrontare con il giusto strumento tutti gli aspetti progettuali connessi all’utilizzazione di tali tecnologie.


PONTI ED ALTRE STRUTTURE

L’impostazione di carattere generale nella definizione degli obiettivi e dei requisiti prestazionali nonché delle azioni di progetto, permette di affrontare correttamente la progettazione di qualsiasi tipologia di struttura, diversa da quelle degli edifici.
L’allegato 3 dell’Ord.3274, specializza obiettivi e requisiti alla progettazione dei ponti, tipologia strutturale totalmente diversa da quella degli edifici, per morfologia e comportamento sismico, ampliando la definizione dell’azione, per tener conto dello sviluppo planimetrico di un ponte e dei conseguenti effetti del non sincronismo del moto del terreno di fondazione delle diverse pile e spalle, e fornendo regole specifiche per la determinazione del fattore di struttura q, per l’applicazione del metodo della Gerarchia delle Resistenze, per i dettagli costruttivi relativi a pile, spalle, impalcato, fondazioni e appoggi. Nello stesso allegato è presente, come già detto, un capitolo che specializza l’applicazione dell’isolamento sismico ai ponti.


RIFERIMENTI

Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri 20/03/2003 N.3274, 2003, “Primi elementi in materia di criteri generali per la classificazione sismica del territorio nazionale e normative tecniche per le costruzioni in zona sismica”.

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CEN, European Committee for Standardisation TC250/SC8/, 2004, Eurocode 8: Design Provisions for Earthquake Resistance of Structures, Part 3: Assessment and Retrofitting of Buildings, PrEN 1998-3.

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