Progettazione di edifici in acciaio a bassa danneggiabilità in zona sismica mediante il metodo per resistenza e duttilità

In questa memoria verrà illustrato un nuovo metodo di progettazione in zona sismica semplificato proposto dall’autore denominato “Strength Ductility Design”. Il motivo principale per il quale è stato elaborato questo metodo è il pericolo che una trattazione troppo complicata della progettazione strutturale in zona sismica possa ridurre la sicurezza anziché incrementarla, come si è potuto constatare dal crollo di edifici o strutture nuove negli ultimi anni.

Secondo il metodo di progettazione per resistenza e duttilità (o strength ductility design), in zona sismica: “le strutture presenteranno un comportamento elastico-resistente per il terremoto di progetto (spettro elastico, q≤1,5) con verifica della duttilità a livello deduttivo secondo una progettazione consapevole e controllata”.

Per una corretta progettazione strutturale in zona sismica bisognerà seguire delle fasi successive il cui rispetto nei punti significativi condurrà in conclusione alla realizzazione di una struttura caratterizzata da una Classe di Rischio Sismico (CRS) più o meno performante. Le classi di rischio sismico previste sono tre, con livello di sicurezza crescente: CRS/A – CRS/2A – CRS/3A, come di seguito definite.

Un nuovo metodo di progettare in zona sismica

Viene proposto dall’Autore del presente articolo al mondo scientifico e professionale un nuovo metodo di progettazione in zona sismica, lo “strength ductility design”.

La ragione principale del nuovo metodo è stata il pericolo che una trattazione troppo complicata della progettazione strutturale in zona sismica, come previsto dall’attuale normativa, possa ridurre la sicurezza anziché incrementarla, come si è potuto constatare dal crollo di edifici o strutture nuove negli ultimi anni.

La trattazione classica è basata su principi teorici che difficilmente trovano riscontro nei casi di strutture reali interessate da sismi violenti, ma sono stati testati solo in laboratorio o mediante analisi numeriche agli elementi finiti. Tali principi sono favoriti nelle applicazioni dalle norme vigenti, anche se non universalmente accettati dalla comunità scientifica internazionale ma soprattutto non sufficientemente compresi e “metabolizzati” dai professionisti, costretti nella progettazione ad affidarsi a software di calcolo di tipo chiuso in special modo per le formule e procedure di verifica mutevoli in base alle norme che si avvicendano sempre più con maggiore frequenza.

Sulla base delle precedenti considerazioni è stato elaborato dall’Autore un metodo semplificato per la progettazione in zona sismica, nel rispetto delle norme vigenti (NTC2018-EC8), che consente al progettista strutturale una maggiore consapevolezza delle procedure e principi adottati ed in definitiva un maggior controllo dei risultati.

Tale metodo si è indicato come “Progettazione per resistenza e duttilità o Strength Ductility Design”. Il metodo si basa su presupposti scientifici e filosofici di tipo generale e può essere applicato oltre che per l’acciaio, oggetto del presente articolo, anche al cemento armato, con le dovute correzioni che contraddistinguono le due diverse tipologie strutturali e realizzative.

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Progettare secondo il metodo Strength Ductility Design

Secondo il metodo di progettazione per resistenza e duttilità (o strength ductility design), in zona sismica: “le strutture presenteranno un comportamento elastico-resistente per il terremoto di pro-getto (spettro elastico, q≤1,5) con verifica della duttilità a livello deduttivo secondo una progetta-zione consapevole e controllata”.

Per una corretta progettazione strutturale, in particolare in zona sismica, bisogna seguire delle fasi successive il cui rispetto nei punti significativi condurrà in conclusione alla realizzazione di una struttura caratterizzata da una Classe di Rischio Sismico (CRS) più o meno performante. Le classi di rischio sismico previste sono tre, con livello di sicurezza crescente: CRS/A – CRS/2A – CRS/3A, come di seguito definite.

Le fasi previste nella progettazione per resistenza e duttilità sono le seguenti:

1. Criteri generali di progettazione e regola d’arte
2. Criteri di analisi teorica e calcolo
3. Prescrizioni costruttive e controllo di esecuzione
4. Assegnazione della classe di rischio sismico.

Le fasi indicate oltre che facilmente memorizzabili fanno parte già parzialmente (escluso la fase 4) del bagaglio culturale del progettista strutturale e vogliono essere una regola da osservare il più possibile e che sia duratura nel tempo.

Ogni fase principale sarà divisa in “sottofasi” di cui occorrerà tener conto per una corretta progettazione strutturale in zona sismica. L’osservanza di alcuni criteri generali di progettazione a regola d’arte, principi teorici e di calcolo, prescrizioni costruttive e di esecuzione, verrà premiata assegnando degli indici sismici IS più o meno alti, la cui somma finale condurrà alla definizione della Classe di Rischio Sismico (CRS) dell’edificio progettato.

Criteri generali di progettazione a regola d’arte

Un buon progetto di un edificio in zona sismica dovrebbe coinvolgere fin dalla sua ideazione più figure professionali specialistiche, e in particolare il progettista architettonico e il progettista strutturale.
Se un progetto architettonico non è stato pensato anche in termini strutturali, come purtroppo accade nella maggioranza dei casi, anche il più bravo strutturista che lo dovrà calcolare non potrà far altro che proporre la meno peggiore tra le soluzioni, per permetterne la realizzazione, ma certamente non efficiente dal punto di vista sismico.

La progettazione strutturale “a regola d’arte” dovrebbe tener conto di almeno 4 caratteristiche principali che la struttura dovrà possedere, massimizzandone le efficienze, ovvero:

• qualità dei materiali
• forma
• iperstaticità e sovradimensionamento
• regolarità e semplicità strutturale.

Dato la spazio a disposizione per l’articolo, tra le caratteristiche si tratterà solo la “forma”, rimandando al testo dell’Autore “Teoria e pratica delle strutture in acciaio 4a Ed.” per una trattazione più approfondita.

L'importanza della Forma degli edifici nella progettazione

La forma di un edificio ha un’importanza fondamentale nella progettazione antisismica e strutturale, tant’è che gli antichi architetti e ingegneri prediligevano forme semplici di tipo rettangolare o scatolare (Fig. 1), regolari e doppiamente simmetriche, senza che ciò influenzasse minimamente la qualità artistica e funzionale dell’edificio.

A differenza del passato i moderni architetti e ingegneri preferiscono forme “strane” (Fig. 2) e complesse anche da realizzare, irregolari e asimmetriche e pertanto con elevato grado di pericolosità sismica oltre che statica.

Possiamo immaginare l’edificio come una “stecca” infissa nel terreno, di forma non necessariamente rettangolare, ma anche a L (Fig. 3), a T, a C, ecc.; in presenza di sisma, le vibrazioni del terreno vengono trasmesse alla stecca infissa, che si sposta, si deforma e ruota (si torce) intorno a un punto (baricentro delle rigidezze) che si trova nella parte più rigida della forma in pianta dell’edificio (rettangolo con inerzia maggiore).

Tale rotazione comporterà che alcuni elementi strutturali saranno più sollecitati di altri, per cui saranno richiesti dei pilastri o setti maggiorati con eccessive armature per poter far fronte allo stato di sollecitazione senza che l’edificio crolli.

Il fatto che alcuni (pochi) elementi strutturali siano molto più sollecitati di altri non è consigliabile in zona sismica, anzi da evitare, e ciò può essere fatto essenzialmente inserendo dei giunti sismici che trasformano la forma complessa in un insieme di forme semplici (Fig. 4).

In presenza di forme irregolari, l’aiuto che può venire per raggiungere la simmetria strutturale dall’uso di elementi quali pilastri allungati in una direzione sfavorita (setti, nuclei) è veramente modesto, in quanto la forma con la relativa inerzia globale è preponderante.

Scientificamente parlando possiamo dire che l’azione di un terremoto su un edificio o su una generica struttura si manifesta mediante delle accelerazioni strutturali dovute al moto del terreno che, in base a noti principi di dinamica, si possono rappresentare con delle forze di inerzia equivalenti prevalentemente orizzontali agenti a livello dei vari piani dell’edificio dove si assume concentrata la massa relativa al piano.

Il punto in cui a livello di piano si immagina applicata tale forza è detto baricentro delle masse, esso corrisponde approssimativamente al baricentro geometrico della forma relativa al piano. Alle forze di inerzia applicate ai piani fanno equilibrio le forze resistenti a taglio dei vari elementi strutturali di cui si compone la struttura: telai, setti, nuclei, la cui risultante è applicata nel baricentro delle rigidezze (Fig. 5).

Risulta evidente che un’eccessiva distanza o eccentricità tra il baricentro delle rigidezze e il baricentro delle masse produce un momento torcente di piano che oltre a incrementare gli spostamenti incrementa le sollecitazioni agenti sugli elementi più distanti dal baricentro delle rigidezze intorno al quale tende a ruotare la struttura. Una buona progettazione strutturale in zona sismica deve tendere a eliminare o ridurre tale eccentricità al fine di eliminare o ridurre il momento torcente relativo. Ciò può essere fatto per forme dell’edificio rettangolari o simili mediante una opportuna disposizione degli elementi strutturali, mentre per le forme più complesse con l’inserimento di giunti sismici laddove è possibile.

Al fine dell’assegnazione della classe di rischio sismico che tenga conto dei criteri generali di progettazione, secondo il metodo dello strength ductility design, si costruisce la tabella 1 che mette in evidenza il “peso” (indici) dei fattori che influenzano una corretta progettazione antisismica.

Si chiarisce sin d’ora che in base al metodo dello strength ductility design, anche in presenza di condizioni tutte sfavorevoli la struttura presenterà una classe di rischio sismico minima CRS/A idonea ad assorbire le sollecitazioni di progetto previste dalla norma (comportamento strutturale non dissipativo).



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L'articolo continua coi seguenti paragrafi:

• Analisi teorica e calcolo
• Prescrizioni costruttive e controllo di esecuzione
• Assegnazione classe di rischio sismico

Articolo è tratto tra le memorie del XXVII Congresso CTA