L’isolamento sismico nelle NTC 2018: un’analisi di ENEA

Paolo Clemente - ENEA Centro Ricerche Casaccia, Roma Giovanni Bongiovanni - ENEA Centro Ricerche Casaccia, Roma Giacomo Buffarini - ENEA Centro Ricerche Casaccia, Roma Fernando Saitta - ENEA Centro Ricerche Casaccia, Roma 23/01/2018 8808

Introduzione

Anche le nuove Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC 2018) prevedono la possibilità di utilizzare l’isolamento sismico per ridurre la risposta sismica orizzontale di una struttura, incrementando il periodo fondamentale della costruzione per portarlo nel campo delle minori accelerazioni di risposta oppure limitando la massima forza orizzontale trasmessa. In entrambe le strategie, che possono essere utilizzate anche in combinazione, le prestazioni dell’isolamento possono essere migliorate attraverso la dissipazione nel sistema di isolamento di una consistente aliquota dell’energia meccanica trasmessa dal terreno alla costruzione.

Le NTC 2018 si riferiscono sia al progetto di nuove costruzioni che all’adeguamento di quelle esistenti, nelle quali “un sistema d’isolamento sismico sia posto al di sotto della costruzione medesima, o sotto una sua porzione rilevante, allo scopo di migliorarne la risposta nei confronti delle azioni sismiche orizzontali”.

Al tema sono dedicati il capitolo 7.10, per quel che riguarda gli aspetti di progettazione e esecuzione, nel quale in realtà non si riscontrano molte differenze rispetto alle norme precedenti, e il capitolo 11.9 relativo ai dispositivi, per i quali le innovazioni, invece, sono significative.

L’isolamento sismico non è ancora diffuso adeguatamente e anche la sua introduzione nelle norme tecniche italiane è relativamente recente, pertanto si ritiene utile un breve excursus storico. Successivamente si riportano le principali modifiche introdotte nelle NTC-2018 rispetto alle precedenti. 

L’isolamento sismico nelle Norme Tecniche

L’Italia è stata uno dei primi paesi a utilizzare l'isolamento sismico, soprattutto nel campo dei ponti, ed è attualmente il quinto paese al mondo per applicazioni di sistemi di isolamento sismico, dopo Giappone, Cina, Russia e USA. Nonostante ciò, fino al 2003 è mancata nel nostro paese una normativa specifica e questa è senz’altro la principale causa dell’uso molto limitato di questa tecnologia fino a quel momento. Infatti, proprio per la mancanza di una normativa dedicata, i progetti che prevedevano l’isolamento sismico dovevano essere approvati da una commissione speciale del ministero dei lavori pubblici (oggi ministero delle infrastrutture).

Il primo riferimento tecnico, le Linee guida per progettazione, esecuzione e collaudo di strutture isolate dal sisma, apparve nel 1998 ma, non avendo forza di legge, l’obbligo dell’approvazione da parte del ministero rimase, con le conseguenti lungaggini.

Come spesso è accaduto, è stato un evento sismico, quello di San Giuliano di Puglia del 31 ottobre 2002 (magnitudo 5.4), che scosse l’opinione pubblica soprattutto per il crollo della scuola Francesco Jovine e la morte di 27 bambini e la loro maestra, ad accelerare il processo di revisione delle norme, che sfociò nell’Ordinanza PCM 3274 del 20 marzo 2003. La nuova normativa sismica, ispirandosi all’Eurocodice 8, introdusse aspetti innovativi quali l’obbligo del metodo semiprobabilistico agli stati limite anche per le costruzioni in zona sismica e la possibilità di utilizzare sistemi di isolamento sismico e di dissipazione di energia senza sottoporli ad approvazioni ministeriali.

Purtroppo, all’emanazione della OPCM 3274/2003 seguì un periodo di confusione, nel quale coesistevano diverse normative, che durò fino al luglio 2009 quando, a seguito di un altro evento sismico, il terremoto dell’Aquila del 6 aprile 2009, le NTC 2008 (D.M. Infrastrutture del 14 gennaio 2008) divennero le uniche norme tecniche vigenti.

Sin dal 2003, la presenza di una normativa dedicata aveva incoraggiato l’uso dell’isolamento sismico, soprattutto per strutture strategiche e di particolare rilevanza, come scuole e ospedali, per le quali sono richiesti livelli di sicurezza maggiori, che non possono essere raggiunti con le tecniche tradizionali. Per gli edifici ordinari, invece, per i quali sono richiesti livelli di sicurezza inferiori, l’adozione dell’isolamento sismico ha trovato inizialmente ostacoli nei costi conseguenti. Al riguardo va ricordato che le norme italiane consentono di progettare la sovrastruttura con le azioni sismiche effettive, molto minori di quelle relative agli edifici a base fissa; di conseguenza, il maggior costo in fondazione può essere bilanciato, con una buona progettazione, dal minor costo in elevazione.

Affidando la sicurezza dell’intera struttura a pochi dispositivi, le norme richiedono che questi siano progettati con un livello di sicurezza maggiore. Pertanto, le NTC prevedono, come ben noto, due stati limite ultimi:

> lo stato limite di salvaguardia della vita (SLV), relativo alla sovrastruttura, cui corrisponde un evento sismico con probabilità di superamento del 10% nella vita di riferimento VR; 

> lo stato limite di collasso (SLC), relativo ai dispositivi di isolamento, cui corrisponde un evento sismico con probabilità di superamento del 5% nella vita di riferimento. 

I concetti essenziali e le modifiche introdotte dalle NTC 2018

Nel progettare un sistema di isolamento sismico va tenuto conto che i dispositivi esplicano innanzitutto la funzione di sostegno dei carichi verticali; devono poi avere una bassa rigidezza in direzione orizzontale, garantire la dissipazione di energia, il ricentraggio del sistema e un vincolo laterale, con adeguata rigidezza, sotto carichi orizzontali di servizio (non sismici).

La sovrastruttura e la sottostruttura si devono mantenere in campo sostanzialmente elastico garantendo l’assenza di danni significativi in occasione del terremoto di progetto. Per questo la struttura può essere progettata con riferimento ai particolari costruttivi richiesti per le costruzioni in “zone a sismicità molto bassa”, con deroga, per le strutture in c.a., a quanto previsto per le strutture a comportamento dissipativo (§ 7.4.6) e per le strutture da ponte (§ 7.9.6). Secondo le NTC-2018 sono tali quelle zone caratterizzate, allo SLV, da agS ≤ 0.075g. In precedenza le norme facevano riferimento alla zona 4, caratterizzata da ag ≤ 0.05g, quindi definita sulla base della sola pericolosità di base riferita al suolo rigido, senza tener conto dell’amplificazione sismica locale.

Si ribadisce che al sistema d’isolamento, per il ruolo critico che esso svolge, è richiesta un’affidabilità superiore. Tale affidabilità si ritiene conseguita se il sistema d’isolamento è progettato e verificato sperimentalmente secondo quanto stabilito nel § 11.9.

Modellazione e analisi strutturale (§ 7.10.5)

Uno degli aspetti più importanti riguarda la variabilità nel tempo delle caratteristiche meccaniche dei dispositivi di isolamento. Le NTC 2018 prescrivono di adottare, nelle analisi di progetto, quelle più sfavorevoli che si possono verificare durante il periodo di riferimento VR considerato, mentre le precedenti norme facevano riferimento alla vita utile. Si devono, pertanto, eseguire più analisi per ciascuno stato limite da verificare, attribuendo ai parametri del modello i valori estremi più sfavorevoli ai fini della valutazione delle grandezze da verificare e coerenti con l’entità delle deformazioni subite dai dispositivi. Nel caso in cui i valori estremi (massimo oppure minimo) differiscano di non più del 20% dal valor medio, si potranno adottare i valori medi delle proprietà meccaniche del sistema di isolamento. Le norme precedenti limitavano tale possibilità alle costruzioni di classe d’uso I e II.

Per quanto riguarda la modellazione, le NTC 2018 ribadiscono che la sovrastruttura e la sottostruttura devono essere modellate come sistemi a comportamento elastico lineare aventi rigidezza corrispondente al comportamento strutturale non dissipativo. Il sistema di isolamento può essere modellato, in relazione alle sue caratteristiche meccaniche, come avente comportamento visco-elastico lineare oppure con legame costitutivo non lineare. La deformabilità verticale degli isolatori dovrà essere messa in conto quando il rapporto tra la rigidezza verticale del sistema di isolamento Kv e la rigidezza equivalente orizzontale Kesi è inferiore a 800. Inoltre, se ritenuta rilevante ai fini della risposta sismica della struttura isolata, è opportuno tenere in conto l’eventuale interazione terreno‐struttura (§ 7.9.3.1).

Le tipologie di analisi previste sono quelle dell’analisi lineare statica, l’analisi lineare dinamica e l’analisi non lineare dinamica; non può essere usata l’analisi statica non lineare. Per l’analisi dinamica, qualora il sistema di isolamento non sia immediatamente al di sopra delle fondazioni, il modello deve comprendere sia la sovrastruttura sia la sottostruttura, a meno che (e questa è una specificazione aggiuntiva delle NTC 2018) la sottostruttura non sia assimilabile ad una struttura scatolare rigida, ossia abbia rigidezza rispetto alle azioni orizzontali significativamente maggiore di quella della struttura ad essa soprastante (§ 7.2.1).

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All'interno si affrontano i seguenti argomenti

  • Verifiche (§ 7.10.6)
    Intervento di miglioramento (§ 8.4.2)
    Dispositivi antisismici e di controllo di vibrazioni (§ 11.9)