Il miglioramento sismico dei capannoni prefabbricati può essere quantificato attraverso differenti metodi di analisi strutturale, scelti in funzione delle caratteristiche dell’edificio e degli interventi previsti. Il testo illustra l’impiego di modelli lineari e non lineari, con particolare attenzione ai dispositivi dissipativi installati nei collegamenti tra gli elementi strutturali. Un caso applicativo mostra come tali dispositivi possano ridurre le sollecitazioni, distribuire più uniformemente la risposta sismica e incrementare il rapporto tra capacità e domanda della struttura.

Il miglioramento sismico nei capannoni prefabbricati

Il D.M. 17 gennaio 2018 (NTC 2018) definisce il miglioramento sismico come un intervento volto ad aumentare il livello di sicurezza strutturale di una costruzione esistente, senza necessariamente raggiungere quello previsto per le nuove costruzioni. Le linee guida adottate in seguito al sisma in Emilia stabilivano ad esempio che, nelle aree colpite, l’intervento dovesse raggiungere almeno il 60% del livello di sicurezza previsto per una nuova costruzione.

Nel caso di strutture prefabbricate in cemento armato, come capannoni monopiano con pannelli di tamponamento, gli interventi di miglioramento riguardano principalmente la realizzazione di collegamenti tra gli elementi strutturali e tra questi e i tamponamenti, la riduzione della domanda sismica e l’incremento della duttilità e della resistenza degli elementi portanti.

Le misure progettuali concrete includono la realizzazione di collegamenti efficaci tra travi e pilastri e tra tegoli e travi; l’inserimento di dispositivi dissipativi nei collegamenti, oppure – dove si possono verificare, durante un sisma, dei movimenti tra elementi strutturali –, l’integrazione di collegamenti nei pannelli di tamponamento. Per aumentare ulteriormente il miglioramento si può poi prevedere il rinforzo dei pilastri con incamiciature metalliche o in FRP.

Le modellazioni numeriche per la quantificazione del miglioramento sismico

Per quantificare il miglioramento sismico conseguibile con una serie sistematica di interventi estesi all’intera struttura, in generale si ricorre ad una modellazione tridimensionale della struttura. In particolare, il D.M. 2018 al p.to 7.2.6 riporta:

Il modello della struttura deve essere tridimensionale e rappresentare in modo adeguato le effettive distribuzioni spaziali di massa, rigidezza e resistenza (…). Qualora si adotti un modello di comportamento non dissipativo, oppure un modello dissipativo che utilizza il coefficiente di comportamento q, si impiegheranno per i materiali leggi costitutive elastiche.

Si possono quindi utilizzare anche modellazioni lineari della struttura per simulare il comportamento dissipativo, associato tipicamente ad un comportamento non lineare.

Con riferimento alle differenti opzioni fornite dalla normativa per la modellazione numerica degli effetti di un terremoto, si riportano le possibili alternative per la simulazione della risposta sismica della struttura, tenendo conto del contributo dei dispositivi dissipativi.

Analisi con Forze Statiche Equivalenti

Consiste nell’applicazione, ad un modello strutturale, di forze statiche equivalenti alle forze d’inerzia indotte dall’azione sismica. Questo tipo di analisi può essere effettuata per costruzioni che rispettino specifici requisiti. Nel caso di edifici prefabbricati un utile riferimento si trova nelle linee guida Reluis 2012.

Analisi Modale con Spettro di Risposta

Consiste nella combinazione degli effetti dell’azione sismica, rappresentata mediante lo spettro di progetto, associati ai principali modi di vibrazione della struttura, determinati attraverso l’analisi modale di un modello numerico. È il metodo più comunemente utilizzato per l’analisi sismica lineare delle strutture.

La capacità dissipativa viene considerata mediante il fattore di comportamento q, che considera in modo sintetico gli effetti di plasticizzazione locale e duttilità strutturale.

Analisi Push-Over

Consiste nell’applicazione di una distribuzione di forze orizzontali crescenti monotonamente ed equivalenti alle forze d’inerzia indotte dall’azione sismica, a un modello strutturale non lineare. L’analisi statica non lineare consente di quantificare in modo distinto la capacità dissipativa dei dispositivi e della struttura.

Analisi Time History

Consiste nel calcolo della risposta sismica della struttura mediante integrazione delle equazioni del moto. In questo caso si utilizza un modello non lineare della struttura e le storie temporali del moto del terreno. È il tipo di analisi più sofisticato oggi disponibile e richiede l’utilizzo di storie temporali di eventi sismici. Con l’analisi TH è possibile quantificare il miglioramento sismico anche in strutture complesse.

Quantificazione del miglioramento conseguibile con dispositivi Sismocell: un caso reale

Nel contesto del miglioramento sismico di capannoni prefabbricati, la modellazione può essere realizzata – tenendo in considerazione in modo esplicito il contributo dissipativo dei dispositivi –, con un’analisi non lineare semplificata nella modellazione della struttura. Nel caso dei dispositivi dissipativi Sismocell, l’obbiettivo è di mantenere la struttura in campo elastico lineare, concentrando la dissipazione di energia e quindi il danneggiamento sui dispositivi. Quindi, la modellazione non lineare può essere semplificata assegnando le proprietà non lineari ai soli dispositivi e assumendo per la struttura un comportamento elastico lineare.

A titolo esemplificativo, si presenta il caso di un capannone prefabbricato, rappresentato mediante un modello numerico. Per il calcestruzzo è stato adottato un comportamento elastico lineare, mentre nei collegamenti tra gli elementi strutturali sono stati inseriti i dispositivi dissipativi Sismocell, modellati attraverso legami costitutivi non lineari.

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La struttura presenta dei pilastri longitudinali in calcestruzzo armato di dimensioni cm 60 x 50 ed altezza pari ad 8,50 m dal pavimento finito, con due allineamenti di pilastri collegati longitudinalmente da travi precompresse a doppio T di altezza pari a 1.20 m, per una luce massima di 22,50 m. Trasversalmente alle travi sono orditi i tegoli di copertura a doppio T di altezza pari a 50 cm e di luce di 14,70 m.

Nell’area di testata dell’edificio è presente una zona a due piani, con i pilastri dotati di mensole di appoggio su cui sono poggiate le travi e i solai realizzati in pannelli alveolari precompressi di altezza 20 cm con getto integrativo di 5 cm. Completano l’edificio i pannelli di tamponamento verticali, poggiati su di un cordolo di fondazione.

Una prima verifica con modello elastico lineare della struttura, nell’ipotesi di vincoli a cerniera tra gli elementi, ha fornito un valore del rapporto capacità/domanda pari a circa il 50% dell’azione sismica di sito allo SLV. La condizione limite di resistenza si raggiunge per massimo momento flettente alla base dei pilastri di dimensioni 60x50 cm con un’armatura complessiva di 8 barre diametro 22 mm.

Per l’analisi dinamica non lineare sono state individuate 7 storie temporali (accelerogrammi) di eventi sismici significativi che risultano soddisfare i requisiti di spettro-compatibilità per il sito considerato. Nel modello i fusibili dissipativi tipo SismoBox taglia 7,2 kN tra tegoli e travi e SismoCell SC-30 tra travi e pilastri, sono stati inseriti come link non-lineari in cui si concentra la dissipazione.

Con un’analisi dinamica non lineare è possibile individuare le zone in cui i dispositivi risultano attivarsi maggiormente. Nel caso specifico, i dispositivi più sollecitati risultano essere quelli in prossimità della zona a due livelli della struttura. Verificando i pilastri per le massime sollecitazioni ottenute con l’inserimento dei dispositivi, si trova un rapporto capacità/domanda incrementato e pari all’83% di quello di una nuova struttura.

Oltre a regolarizzare la struttura, l’effetto dei dispositivi è quindi anche quello di ridurre le sollecitazioni e distribuirle in modo più omogeneo tra i diversi elementi strutturali.

La principale irregolarità nel caso considerato è prodotta dalla presenza di una porzione di struttura a due livelli e in prossimità di tale zona i dispositivi risultano attivarsi maggiormente. Dove si attivano i dispositivi la sollecitazione trasferita viene limitata al valore della taglia.

Per concludere, l’applicazione dei dispositivi Sismocell ha dimostrato come sia possibile incrementare in modo significativo la sicurezza sismica dell’edificio senza dover ricorrere a interventi invasivi e concentrando la dissipazione di energia e il danneggiamento esclusivamente sui dispositivi.

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Riferimenti normativi

FAQ - Miglioramento sismico dei capannoni: analisi e modelli

1. Che cosa si intende per miglioramento sismico di un capannone prefabbricato?

È un insieme sistematico di interventi finalizzati ad aumentare il livello di sicurezza della costruzione esistente. A differenza dell’adeguamento, il miglioramento non comporta necessariamente il raggiungimento delle prestazioni previste per una nuova costruzione, salvo specifiche prescrizioni applicabili al caso in esame.

2. Quali sono gli interventi più comuni sui capannoni prefabbricati?

Gli interventi più frequenti comprendono il collegamento tra travi e pilastri, tra tegoli e travi e tra struttura e pannelli di tamponamento. Possono essere previsti anche dispositivi dissipativi e interventi di rinforzo dei pilastri mediante incamiciature metalliche o materiali compositi.

3. Come si quantifica il miglioramento sismico?

Il miglioramento viene quantificato confrontando la capacità della struttura con la domanda sismica prevista per il sito. Il confronto è generalmente espresso mediante indicatori o rapporti di sicurezza riferiti agli stati limite considerati.

4. Quali analisi possono essere utilizzate?

In relazione alle caratteristiche della struttura si possono impiegare l’analisi con forze statiche equivalenti, l’analisi modale con spettro di risposta, l’analisi statica non lineare push-over e l’analisi dinamica non lineare time history.

5. Qual è la funzione dei dispositivi dissipativi?

I dispositivi dissipativi assorbono una parte dell’energia trasmessa dal sisma e limitano le forze trasferite agli elementi strutturali. Possono inoltre contribuire a distribuire le sollecitazioni in modo più uniforme all’interno della costruzione.

6. Perché si utilizzano accelerogrammi spettro-compatibili?

Gli accelerogrammi spettro-compatibili permettono di simulare l’andamento temporale dell’azione sismica in coerenza con lo spettro previsto per il sito. Sono utilizzati nelle analisi dinamiche non lineari per valutare la risposta della struttura e l’attivazione dei dispositivi dissipativi.