Metodi di calcolo per l’analisi della sicurezza sismica di edifici in c.a.

Introduzione

Come evidenziato da ogni evento sismico, il patrimonio edilizio italiano (sviluppatosi in maniera importante con il boom degli anni 60-70) presenta diffuse condizioni di criticità. In modo particolare, le strutture in c.a. ricoprirono un ruolo importante nella vulnerabilità in quanto la loro diffusione come sistema costruttivo privilegiato ha ormai superato il secolo.

Inoltre, la gran parte degli edifici in c.a. non è stata progettata seguendo adeguati criteri antisismici. Il primo documento normativo italiano in cui sono presenti dettagli costruttivi (di tipo avanzato) per strutture antisismiche è stata la Circolare LL.PP. n. 65 AA.GG del 10 aprile 1997. Nella sua stesura sono presenti indicazioni costruttive (minimi di armatura e staffatura di derivazione Eurocodice) tali da scongiurare rotture fragili. Purtroppo, essendo sotto forma di circolare, la sua applicazione non ha avuto una diffusione metodica, anche per motivi prettamente economici legati al maggior costo di realizzazione delle armature metalliche.

Inoltre, per le strutture esistenti, alle normali incertezze legate ai modelli di comportamento da utilizzare, si aggiungono le problematiche inerenti alla caratterizzazione dei materiali, dei carichi applicati e della geometria della struttura. Pertanto, la loro verifica di vulnerabilità sismica ricopre un aspetto molto delicato del calcolo strutturale.

In maniera particolare negli ultimi venti anni, la comunità scientifica si è spinta allo studio di metodi e modelli, al fine di costruire nuovi edifici più sicuri, che hanno consentito di approfondire fenomeni legati anche a quelli esistenti. La vera novità delle nuove applicazioni normative è rappresentata dallo sviluppo di criteri di modellazione affidabili (ed applicabili) per le strutture esistenti, in modo particolare per quelle in c.a. Prima dell'O.P.C.M. 3274, eccetto le applicazioni riguardanti gli edifici in muratura (e dopo eventi sismici rilevanti), la normativa italiana non si era mai dedicata alla definizione di metodi appositamente dedicati alla valutazione del grado di resistenza all'azione sismica delle strutture esistenti.

Se per gli edifici nuovi ci si rapporta sempre con l’operazione del progetto delle varie componenti, per le strutture esistenti le metodologie di analisi dipendono dalle finalità che si vogliono perseguire. Inoltre, per le strutture esistenti la valutazione della vulnerabilità dipende dalla tipologia di carichi o forze da analizzare. Relativamente agli effetti dell’azione sismica, le operazioni di verifica più comuni sono le seguenti:

Analisi di vulnerabilità
• Miglioramento
• Adeguamento

L’”analisi di vulnerabilità” consiste nello stabilire l’entità delle azioni (in questo caso l’azione sismica) che portano al non superamento dello stato limite in esame. Pertanto questo tipo di analisi, nella generalità dei casi, assume una metodica iterativa di incremento del carico, cioè l’azione sismica viene incrementata linearmente fino a quando uno dei controlli effettuati per la verifica dello stato limite risulta non superato. In particolare, ai fini sismici, conviene esprimere la resistenza della struttura in termini di accelerazione al suolo, in quanto sin dall’O.P.C.M. 3274 fino al D.M. 14/01/2008 l’azione sismica di base è legata all’accelerazione locale impressa dal sisma di progetto. Pertanto per una struttura esistente è importante valutare la PGA (Peak Ground Acceleration) tale da compromettere la stabilità di parti o dell’intera struttura.

Utilizzando il criterio dell’analisi di vulnerabilità è possibile confrontare due configurazioni differenti riguardanti un edificio esistente: ante e post interventi. Tale confronto, nel caso si ottenga un incremento dell’azione sismica assume la definizione di “miglioramento sismico”.

L’”adeguamento sismico” consiste, invece, nel superamento delle richieste di un determinato stato limite (ad esempio SLV) secondo i livelli di sicurezza delle nuove costruzioni. In pratica consiste nell’effettuare le verifiche richieste utilizzando gli spettri di progetto relativi alle nuove costruzioni, per i vari stati limite richiesti.

Relativamente ai metodi di analisi, i metodi più accreditati sono i seguenti:

Analisi lineare con spettro elastico
• Analisi lineare con fattore di struttura q
• Analisi statica non lineare (push-over)

Per i metodi lineari è necessaria la classificazione in elementi fragili e duttili. Nel caso di spettro elastico la differenziazione è in termini di verifica (elementi fragili in termini di resistenza e duttili in termini di deformazioni). Nel caso di utilizzo del fattore di struttura q, la differenza tra i due tipi di elementi è legata al diverso valore del fattore di struttura. Quest’ultimo metodo consente di valutare l’apporto dei vari rinforzi anche in termini di duttilità. Il metodo push-over, derivato dalle prime applicazioni alle pile da ponte, consente di stimare l’evoluzione di formazione delle cerniere plastiche e di conseguenza la curva di comportamento globale della struttura.

Nel presente articolo approfondiremo il calcolo della PGA resistente della struttura utilizzando l’analisi lineare dinamica, in quanto presenta una giusta via di mezzo tra affidabilità e rapidità di calcolo. Ciò verrà abbinato all’utilizzo dello spettro di progetto con l’utilizzo del fattore di struttura q, che consente di considerare, per le strutture esistenti, un’adeguata soglia di duttilità. Dopo di ciò daremo cenni sul calcolo della vulnerabilità con metodi non lineari. Infine, verrà riportato un esempio di applicazione dell’adeguamento sismico relativo ad un intervento realmente eseguito.

Quadro normativo attuale per il calcolo della PGA

Il capitolo 8 delle “Norme Tecniche per le Costruzioni” (D.M. 14/01/2008), definisce interventi e modalità di verifica relativamente alle costruzioni esistenti. In particolare il paragrafo 8.3 si addentra nella definizione di valutazione della sicurezza, specificando il carattere di stima “quantitativo” volto a stabilire se una struttura è in grado o meno di resistere alle azioni di progetto (adeguamento), oppure, volto a determinare l’entità delle azioni sopportabili (vulnerabilità). Il paragrafo 8.4 è dedicato alla definizione dei vari tipi di intervento. Oltre a quelli indicati precedentemente, è presente anche la tipologia di “intervento locale”, riguardante interventi riferiti a parti limitate dell’edificio, i quali non modificano il comportamento globale della struttura.

Le “Norme Tecniche per le Costruzioni” e la circolare esplicativa 617/2009, invece definiscono diversi tipi di stati limite da analizzare, sia per costruzioni nuove che esistenti: SLC (collasso), SLV (salvaguardia della vita), SLD (danno), SLO (operatività). Lo stato limite di collasso non può essere calcolato tramite l’analisi lineare in quanto è necessario ottenere la sequenza di formazione delle cerniere plastiche ottenuta con la ridistribuzione del comportamento sismico anche in campo plastico.

Già l’O.P.C.M. 3274 definiva tre condizioni di stato limite da analizzare: CO (collasso), DS (danno severo) e DL (danno lieve). Lo stato limite DS è assimilabile allo SLV (stato limite di salvaguardia della vita) di una costruzione nuova. Lo stato limite DL invece corrisponde per le nuove costruzioni allo SLD (stato limite di danno).

Infine, l’O.P.C.M. 3362 dell’8/07/2004 ha introdotto il concetto di indicatore di rischio, che relativo ai vari stati limite indica il grado di “pericolosità sismica” in cui versa l’edificio. Gli indicatori di rischio sono da definire sia in termini di accelerazioni che in termini di tempi di ritorno dell’evento sismico critico. La citata ordinanza ha introdotti tale parametri al fine di stabilire le priorità di finanziamento nell’ambito degli edifici pubblici di interesse strategico.