Progettazione delle strutture a telaio in cemento armato: cosa cambia con le NTC2018 attraverso un caso studio

NTC 2018: che cosa cambia nella progettazione delle strutture a telaio in cemento armato gettato in opera

Le modifiche nel modo di concepire un fabbricato con cui il tecnico si deve rapportare alla luce delle nuove norme tecniche 

Novità normative: la verifica di resistenza dei nodi trave-pilastro 

Le NTC 2018 e la relativa circolare applicativa hanno introdotto numerose modifiche nella progettazione e nella verifica delle strutture dissipative in c.a., soprattutto qualora si scelga di operare in classe di duttilità media (CD”B”). Tali modifiche hanno interessato in maniera più o meno significativa tutti i tipi di elementi strutturali.

Nel caso di travi e pilastri, le novità più rilevanti sono state l’introduzione delle verifiche di duttilità in forma analitica e l’obbligo della verifica di resistenza dei nodi trave-pilastro per tutte le strutture, sia dissipative che non dissipative (nelle NTC2008 erano previste per le sole costruzioni in CD”A”). Quest’ultima modifica si è rivelata, come vedremo, particolarmente penalizzante se applicata a strutture geometricamente concepite secondo schemi progettuali tradizionali e di ampia diffusione.

Nel caso delle pareti sismo-resistenti, le novità sono state ancor più rilevanti, principalmente per quanto riguarda le verifiche a taglio delle strutture in CD”B”: da un lato, infatti, è stato incrementato il coefficiente di amplificazione delle sollecitazioni di calcolo e dall’altro sono cambiate le modalità stesse di esecuzione delle verifiche. Anche in questo caso, quindi, si è raggiunta una maggiore uniformità tra le verifiche richieste per le strutture in CD ”A” e CD “B”.

Quindi, nonostante le NTC2018 non abbiano cambiato in maniera sostanziale il modo di progettare strutture in c.a., come invece avvenne nel passaggio dal DM 1996 alle NTC 2008, le novità introdotte sono comunque sufficienti per mettere in discussione alcune tecnologie costruttive da sempre in uso nell’ambito delle costruzioni civili. Il presente articolo si pone come obbiettivo di mettere in evidenza quest’ultimo aspetto. Per fare ciò, ci si è rifatti ad un caso pratico: si è considerato il progetto di un fabbricato adibito ad abitazione civile e redatto in conformità alle NTC 2008 e lo si è sottoposto nuovamente a verifica utilizzando le NTC 2018. I risultati di tale confronto sono descritti nei paragrafi seguenti.

Progettazione di una struttura in c.a.: confronto dei risultati ottenuti applicando le NTC 2008-2018

Descrizione del fabbricato oggetto del confronto 

La scelta del fabbricato su cui basare il confronto tra le due normative è nata da una contingenza reale, che si è presentata al tecnico autore del dimensionamento. Il progetto originale – che rappresenta il primo termine del nostro confronto - è stato redatto prima dell’entrata in vigore le NTC 2018. In tempi recenti, la committenza ha commissionato al tecnico un fabbricato dalle medesime caratteristiche dimensionali; questi si è pertanto trovato nella condizione di rieseguire le verifiche utilizzando le nuove norme. L’inciso serve per precisare che si tratta di una situazione tutt’altro che improbabile nella pratica. 

Il fabbricato presenta una struttura piuttosto semplice: ha una pianta rettangolare, di dimensioni 10 x 19 m e si sviluppa per un’altezza massima 7.10 m. Sono presenti un piano terra e un piano primo, sormontato da una copertura monofalda in legno. Il solaio del primo impalcato, invece, è in latero cemento e ha uno spessore di 28 cm. Non ci sono livelli interrati e le fondazioni sono costituite da una platea in c.a. In elevazione, la struttura portante è costituita da telai in c.a. che si sviluppano in direzione trasversale e longitudinale: i pilastri hanno sezioni 30x50 cm, mentre le travi sono ricalate sul perimetro del fabbricato (con base pari a 30 cm e altezze di 40-50 cm) e in spessore di solaio all’interno. Il fabbricato è stato studiato realizzando un modello tridimensionale agli elementi finiti; su tale modello sono state eseguite un’analisi statica lineare e un’analisi dinamica modale. Il software utilizzato è CMP Analisi strutturale, sviluppato e commercializzato dalla ditta Namirial Spa; il modello è illustrato sinteticamente nella figura seguente:

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La struttura rientra in classe d’uso II e le è stata dimensionata in funzione di una vita nominale pari a 50 anni. Essendo una struttura a telaio a più piani e più campate, il fattore di struttura adottato è q=2.76. Il terreno di fondazione rientra in categoria C.

Il passaggio da NTC 2008 a NTC 2018

Nella sua prima versione, il progetto era stato redatto facendo riferimento alle NTC 2008. Le armature assegnate alle travi e ai pilastri sono tali da soddisfare le verifiche di resistenza, di gerarchia delle resistenze e contemporaneamente rispettare i requisiti minimi imposti dalla normativa. Parimenti, la geometria delle travi e pilastri è tale da garantire il soddisfacimento delle verifiche di deformabilità. In un secondo momento, lo stesso modello è stato sottoposto a verifica secondo le indicazioni delle NTC2018. Dal punto di vista delle sollecitazioni sismiche agenti, non si osservano variazioni; stessa cosa dicasi per le verifiche di resistenza e di gerarchia delle resistenze. Anche le verifiche di duttilità allo spiccato dei pilastri risultano soddisfatte; il rispetto dei controlli normativi sull’armatura minima previsti dal DM 2008 sono tali da garantire il soddisfacimento della duttilità richiesta dalle NTC2018. I problemi arrivano però eseguendo le verifiche dei nodi trave-pilastro come da paragrafo 7.4.4.3 delle NTC2018; salvo casi sporadici, i coefficienti di sfruttamento risultano maggiori dell’unità, indice di verifica non soddisfatta.

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Già dai valori dei coefficienti si intuisce che le travi in spessore, tradizionalmente utilizzate nei telai interni dei fabbricati di civile abitazione, risultano fortemente penalizzate nelle verifiche dei nodi trave-pilastro. Appare comunque evidente come l’armatura assegnata in uno progetto redatto in conformità con le NTC2008, debba essere completamente rivisto alla luce delle indicazioni delle NTC 2018.

Come intervenire per adeguare la progettazione dei nodi alle NTC2018

È interessante capire come poter intervenire sulla struttura in modo tale da renderla adeguata alle NTC2018. Come è emerso dalle considerazioni precedenti, il problema principale è costituito dalla verifica dei nodi travi-pilastri. Grazie alla possibilità messa a disposizione dal codice di calcolo Namirial CMP di visualizzare i dettagli delle verifiche eseguite, possiamo capire, nodo per nodo, come intervenire per risolvere le carenze. Prendendo ad esempio un pilastro del telaio perimetrale, di sezione 50x30, connesso a travi ricalate di dimensione 30x40 in direzione longitudinale e una trave in spessore in direzione trasversale di dimensioni 35x28 in direzione trasversale; visualizzando le verifiche più gravose nel nodo si ottengono i seguenti risultati:

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Il report contenente i dettagli delle verifiche indica che la crisi avviene lato acciaio; il problema pertanto può essere risolto aggiungendo armatura orizzontale all’interno del nodo.

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Prendiamo ora un pilastro interno, sempre di dimensioni 50x30, su cui poggiano travi in spessore di dimensione 78x28 in direzione longitudinale e travi ricalate di sezione 30x50 in direzione trasversale. Anche in questo caso, i dettagli delle verifiche dicono che la crisi avviene sempre lato acciaio, ma le carenze sono molto più evidenti; infatti, anche disponendo staffe ad interasse molto ravvicinato, la verifica risulta comunque non soddisfatta.

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Nel caso di nodi confinati, si può tuttavia fare appello a quanto precisato nella Circolare applicativa delle NTC2018, la quale, in merito alle verifiche dei nodi trave-pilastro dice:

La verifica di resistenza dei nodi indicate nel presente paragrafo si applicano a strutture in CD”A” e, limitatamente ai nodi non interamente confinati, in CD”B””.

Tale frase non va infatti intesa in contrapposizione con la norma ma piuttosto ad integrazione della stessa, non essendo chiaramente esplicitato in quest’ultima la categoria di strutture cui applicare le verifiche dei nodi.

Rimane infine il problema dei nodi del secondo telaio esterno, caratterizzato da pilastri di sezione 50x30 e travi in spessore di sezione 44x28 in direzione longitudinale e ricalate di sezione 30x50 in direzione trasversale. Trattandosi di nodi non interamente confinati ed essendo presenti travi in spessore, non rimane altra possibilità se non quella di sostituire la trave in spessore con una trave ricalata. 

Le travi in spessore, che tradizionalmente vengono utilizzate in fabbricati di civile abitazione nei telai interni, risultano fortemente penalizzate nelle verifiche dei nodi trave-pilastro. Questo è legato a vari fattori:

  • l’altezza ridotta della trave fa sì che il nodo trave-pilastro abbia dimensioni contenute;
  • nelle travi in spessore la quantità di acciaio lato strettamente necessario per soddisfare le verifiche risulta maggiore;
  • anche quando la funzione portante nei confronti dei carichi verticali non richiede una considerevole armatura, i minimi normati di percentuali di acciaio rispetto all’area del calcestruzzo impongono una quantità di armatura sufficiente a rendere difficile la verifica di resistenza del nodo.

In casi di strutture costituite da semplici telai bidirezionali come quello in esame, non pare più possibile l’utilizzo estensivo della “trave in spessore” che la consuetudine progettuale è solita prediligere all’interno dei fabbricati se non a patto di inserire armature orizzontali molto fitte (nell’esempio sono state utilizzate staffe di diametro 12mm a passo 6 cm). Le alternative possibili sono probabilmente due:

  • la sostituzione con travi ricalate;
  • limitarne l’utilizzo a nodi completamente confinati;
  • modificare il telaio in modo tale che le travi in spessore funzionino a tutti gli effetti come elementi “secondari”. Questo scopo potrebbe essere perseguito con l’aggiunta di setti sismo-resistenti nella direzione di orditura delle travi stesse.

Resta comunque evidente come lo schema statico adottato in uno progetto redatto in conformità con le NTC2008, debba essere significativamente rivisto alla luce della verifica dei nodi prevista dalle NTC 2018.

Il software utilizzato nello studio della struttura è Namirial CMP Analisi Strutturale, il programma che la software house propone ai professionisti che si occupano di progettazione strutturale.

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Fonte articolo Namirial