Il collasso strutturale

Il collasso strutturale può avvenire per collasso plastico, collasso per instabilità o perdita di rigidezza, collasso per perdita di equilibrio globale.

Il testo che segue approfondisce il tema del collasso strutturale ed è estratto dal secondo capitolo del pregevole volume "VALUTAZIONE DELLA ROBUSTEZZA DI SISTEMI STRUTTURALI E GEOTECNICI" scritto da Matteo Felitti e Francesco Oliveto e pubblicato dalla Maggioli Editore. 


Il collasso strutturale: Introduzione

Per collasso strutturale s’intende la perdita di capacità portante nel sostenere o trasmettere determinate azioni relativamente ad un elemento strutturale (trave, pilastro, controvento, parete portante, ecc.) ad un sottosistema verticale od orizzontale (telaio, impalcato, fondazione), all’intera struttura in elevazione e fondazione.

Il fallimento strutturale inizia quando il materiale è sollecitato al limite, in prossimità della sua capacità (duttile o fragile), provocando fratture o deformazioni eccessive.

Il limite dello sforzo alla rottura del materiale, del componente o del sistema rappresenta la sua capacità portante. Quando questo limite è raggiunto, si ha il danneggiamento del materiale e la sua capacità portante si riduce permanentemente, significativamente

e rapidamente.

In letteratura tecnica il collasso può avvenire tramite

le seguenti modalità:

  • collasso plastico: è un evento critico legato all’esaurimento delle risorse del materiale, della sezione, dell’elemento o struttura in termini di resistenza e/o duttilità in funzione dell’innesco di meccanismi fragili e/o duttili;
  • collasso per instabilità o perdita di rigidezza: si può verificare anche se il livello di sforzo nelle membrature è inferiore alla sua resistenza. Le azioni, se di compressione, in elementi snelli comportano una instabilità per perdita di equilibrio tramite sbandamento laterale dovuta alla perdita di rigidezza flessionale degli elementi o dell’intera struttura;
  • collasso per perdita di equilibrio globale: è un evento critico legato all’incapacità della struttura e soprattutto del sistema fondale nell’equilibrare i carichi esterni.

Esempio tipo è il ribaltamento/affondamento rigido di strutture soggette alla liquefazione ciclica del terreno di fondazione con perdita di capacità portante a carico limite.

Ai fini della valutazione della robustezza, ossia della capacità che ha la struttura di ridistribuire le azioni dovute al fallimento di un elemento portante verticale tramite percorsi alternativi di carico, solo le prime due modalità di collasso possono contribuire, in condizioni estreme, a conferire robustezza alla struttura, a patto che:

  • nel caso di collasso plastico vengano attivati meccanismi duttili e non quelli fragili dipendenti dalla resistenza;
  • nel caso di attivazione del collasso per instabilità la struttura o una sua parte possieda in condizioni estreme un comportamento post-critico stabile.

Difficilmente la struttura potrà attingere a risorse di robustezza nel caso di collasso per perdita di equilibrio globale, in quanto le cause sono esterne ed agiscono sui vincoli di connessione con il terreno di fondazione. In questi casi bisogna annullare il rischio di collasso o ridurlo al minimo tramite interventi atti ad eliminare la causa scatenante.

Il capitolo 2.1 del d.m. 17 gennaio 2018 definisce che la sicurezza e le prestazioni di un’opera o di una parte di essa devono essere valutate in relazione agli stati limite che si possono verificare durante la vita nominale di progetto, di cui al § 2.4. Definisce stato limite una condizione superata la quale l’opera non soddisfa più i requisti elencati nelle presenti norme.

In particolare, secondo quanto stabilito nei capitoli specifici, le opere e i vari sistemi strutturali devono possedere i seguenti requisiti:

  • sicurezza nei confronti di stati limite ultimi (SLU): capacità di evitare crolli, perdite di equilibrio e dissesti gravi, totali o parziali, che possano compromettere l’incolumità delle persone oppure comportare la perdita di beni, oppure provocare gravi danni ambientali e sociali, oppure mettere fuori servizio l’opera;
  • sicurezza nei confronti di stati limite di esercizio (SLE): capacità di garantire le prestazioni previste per le condizioni di esercizio;
  • sicurezza antincendio: capacità di garantire le prestazioni strutturali previste in caso d’incendio, per un periodo richiesto;
  • durabilità: capacità della costruzione di mantenere, nell’arco della vita nominale di progetto, i livelli prestazionali per i quali è stata progettata, tenuto conto delle caratteristiche ambientali in cui si trova e del livello previsto di manutenzione;
  • robustezza: capacità di evitare danni sproporzionati rispetto all’entità di possibili cause innescanti eccezionali quali ad esempio esplosioni e urti.

Il superamento di uno stato limite ultimo ha carattere irreversibile, quello di uno stato limite di esercizio può avere carattere reversibile o irreversibile.

 

Stati limite ultimi (SLU)

I principali stati limite ultimi sono elencati nel seguito:

a) perdita di equilibrio della struttura o di una sua parte, considerati come corpi rigidi;

b) spostamenti o deformazioni eccessive;

c) raggiungimento della massima capacità di parti di strutture, collegamenti, fondazioni;

d) raggiungimento della massima capacità della struttura nel suo insieme;

e) raggiungimento di una condizione di cinematismo irreversibile;

f) raggiungimento di meccanismi di collasso nei terreni;

g) rottura di membrature e collegamenti per fatica;

h) rottura di membrature e collegamenti per altri effetti dipendenti dal tempo;

i) instabilità di parti della struttura o del suo insieme.

 

SLU-EQU: perdita di equilibrio della struttura o di una sua parte

Il meccanismo di collasso comporta un contemporaneo ribaltamento e affondamento rigido dell’intera struttura, attribuito alla perdita totale di portanza del terreno di fondazione, causata dal fenomeno di liquefazione ciclica indotta da un terremoto con magnitudo opportuna.

Collasso strutturale: perdita di equilibrio della struttura o di una sua parte

SLU-STR: spostamenti e deformazioni eccessive

Deformazioni elevate in solai di calcestruzzo armato. Lo stato di danno presenta fessurazioni diffuse con ampiezze importanti che causano una perdita di rigidezza e resistenza. Le cause possono

essere molteplici: rapporto h/l basso in relazione ai carichi, fenomeni di degrado per corrosione delle armature, effetti viscosi lenti, ecc.

Collasso strutturale: spostamenti e deformazioni eccessive

SLU-STR: raggiungimento della massima capacità di resistenza di parti di strutture, collegamenti

Collasso del pannello nodale trave-pilastro, con rottura taglio-trazione nel calcestruzzo. Le cause possono essere attribuite alla scarsa presenza di armatura a taglio nel nodo, presenza di carichi elevati dovuti ad azioni di taglio delle tamponature o punzonamento del nodo per effetto della trave con soletta collaborante.

Collasso strutturale: raggiungimento della massima capacità di resistenza di parti di strutture, collegamenti

SLU/V-STR: raggiungimento della massima capacità di resistenza della struttura nel suo insieme

Collasso di una struttura in c.a in presenza di azioni sismiche.

Collasso strutturale: raggiungimento della massima capacità di resistenza della struttura nel suo insieme

 

SLU-STR/EQU: raggiungimento di una condizione di cinematismo irreversibile

Il meccanismo di collasso interessa un cinematismo che coinvolge la struttura nel suo complesso.

a) ribaltamento rigido della struttura attorno ad un lato esterno di un piano;

b) scorrimento globale della struttura rispetto al piano sottostante (in fondazione);

c) collasso globale della struttura per instabilità interna degli elementi;

d) collasso globale della struttura per rottura fragile di elementi portanti chiave.

collasso strutturale: raggiungimento di una condizione di cinematismo irreversibile Il

SLU/V-STR: collasso plastico duttile/fragile

Il meccanismo di collasso dipende dalla distribuzione delle resistenze e duttilità degli elementi del telaio:

  • a destra si ha un meccanismo di collasso duttile tipo pilastro forte-trave debole (meccanismo globale dissipativo);
  • a sinistra un meccanismo di collasso fragile per formazione di un piano debole o soft-story.

collasso Strutturale: collasso plastico duttile/fragile

SLU/V-GEO: raggiungimento di meccanismi di collasso nei terreni

Rottura generale: i piani di rottura si estendono fino a raggiungere la superficie del piano campagna;

Rottura locale: le superfici di rottura  interessano solo la zona in prossimità del cuneo sottostante la fondazione e non si estendono lateralmente;

Rottura per punzontamento: le superfici di rottura coincidono praticamente con le facce laterali del cuneo.

Il meccanismo di rottura è legato:

  • al tipo di terreno di fondazione (al diminuire della densità relativa, o della consistenza, a parità di profondità del piano di posa, si può passare da una condizione di rottura generale ad una di rottura locale e a una per punzonamento);
  • alla profondità del piano di posa (in particolare all’aumentare della profondità del piano di posa si può passare da una condizione di rottura generale ad una di rottura locale e a una per punzonamento).

Collasso strutturale: raggiungimento di meccanismi di collasso nei terreni

SLU-STR/EQU per perdita di equilibrio all’instabilità

Il meccanismo di collasso locale o globale in campo elastico o elasto-plastico dovuto all’interazione plasticità-instabilità.

A sinistra: telaio a nodi fissi con meccanismo di instabilità locale dei singoli elementi.

A destra: telaio a nodi mobili con meccanismo di instabilità globale per sbandamento laterale.

Collasso Strutturale: per perdita di equilibrio all’instabilità

 

Telaio a nodi spostabili meccanismo di piano – Effetto P-Δ

COllasso strutturale: Telaio a nodi spostabili meccanismo di piano

 

Telaio a nodi fissi – Collasso per instabilità elastoplastica dei controventi

Collasso per instabilità elastoplastica dei controventi

 

SLU-STR – Rottura di membrature e collegamenti per fatica

Collasso strutturale: Rottura di membrature e collegamenti per fatica

 

SLU-STR – Azione/Resistenza a catenaria ultima

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2.2 Collasso sproporzionato e progressivo

È opportuno distinguere il collasso sproporzionato dal collasso progressivo. Il primo si manifesta in misura maggiore rispetto ad alcuni limiti prestabiliti che definiscono la soglia tollerabile di danno, definita dalle linee guida nazionali o dalla volontà del cliente in stretta relazione con la natura dell’evento scatenante.

Tale collasso si registra se il danno finale è sproporzionato rispetto al danno iniziale provocato da una rottura locale.

Il collasso progressivo rappresenta una reazione a catena di rotture. A partire da un danno iniziale che ha interessato direttamente una porzione relativamente piccola della struttura, la rottura si propaga agli elementi vicini, che a loro volta determinano la rottura di altri elementi, con un effetto domino che può coinvolgere gran parte se non l’intera struttura.

Nello specifico, il collasso progressivo descrive la situazione in cui la struttura perde il sostegno di una o più colonne: i carichi gravitazionali vengono applicati alle travi di connessione, che agiscono come load paths alternativi e trasferiscono i carichi ai pilastri loro adiacenti.

Se gli elementi che formano questo “nuovo” load path non sono in grado di sopportare il carico aggiuntivo, il collasso si propaga, coinvolgendo con una reazione a catena l’intera struttura. Il collasso progressivo è quindi un collasso incrementale e sproporzionato.

Nel caso invece in cui i load paths siano in grado di supportare carichi ulteriori, il collasso viene fermato e limitato agli elementi venuti a mancare. In quest’ultimo caso la struttura reagisce con diversi meccanismi di resistenza che entrano in carico con una sequenza temporale dipendente dalla tipologia strutturale e dalle modalità di collasso.

 


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