Progettazione sismica delle opere di sostegno: verso un approccio prestazionale più efficiente

La progettazione sismica delle opere di sostegno rappresenta oggi una delle sfide più rilevanti per l’ingegneria geotecnica, soprattutto alla luce della crescente diffusione di infrastrutture in aree ad elevata pericolosità sismica. In questo contesto, i metodi tradizionali mostrano limiti evidenti nel descrivere il reale comportamento di strutture capaci di deformarsi senza collassare. Le più recenti ricerche spingono verso un approccio prestazionale, in cui la valutazione degli spostamenti e della duttilità assume un ruolo centrale. Il contributo di Giulia Viggiani si inserisce in questo filone, proponendo strumenti interpretativi e progettuali più coerenti con la risposta reale dei sistemi. Ne emerge un quadro metodologico che coniuga semplicità applicativa e maggiore affidabilità ingegneristica.

Il contributo di Giulia Viggiani, presentato in occasione dell'incontro dedicato al DPC ReLUIS 2024-26,offre uno spunto particolarmente rilevante per il dibattito contemporaneo sulla progettazione geotecnica in condizioni sismiche, soprattutto in relazione alle opere di sostegno “yielding”, ovvero capaci di sviluppare spostamenti significativi senza incorrere in collasso. Questo concetto, ormai consolidato nella cultura ingegneristica più avanzata, segna un passaggio importante da una visione puramente resistente a una più moderna, basata sulle prestazioni.

Le strutture di sostegno duttili comprendono una vasta gamma di tipologie, tra cui muri a gravità, paratie flessibili e sistemi ancorati. Il tratto distintivo è l’assenza di vincoli cinematici rigidi: tali opere possono deformarsi durante un evento sismico dissipando energia, senza che la mobilitazione della resistenza coincida con il collasso. In questo contesto, l’attenzione si sposta inevitabilmente dalla sola verifica di stabilità alla valutazione degli spostamenti e delle prestazioni globali.

Tra le varie tipologie, le paratie metalliche ancorate (anchored steel sheet pile walls) rappresentano un caso emblematico, soprattutto in ambito portuale. La loro diffusione nelle infrastrutture marittime, spesso localizzate in aree sismiche ad alta densità di traffico navale, rende imprescindibile una riflessione approfondita sulle modalità di progettazione sismica.

Limiti degli approcci tradizionali e necessità di un cambio di paradigma

La progettazione sismica delle opere di sostegno è stata storicamente affrontata mediante approcci semplificati, primo fra tutti il metodo pseudo-statico. In tale schema, l’azione sismica viene rappresentata attraverso coefficienti costanti applicati alle masse, trasformando un problema dinamico in uno statico equivalente. Sebbene questo metodo sia di facile applicazione, presenta limiti evidenti, in particolare per strutture duttili.

Nel caso delle paratie metalliche ancorate, l’utilizzo del metodo pseudo-statico conduce rapidamente a soluzioni non economicamente sostenibili all’aumentare dell’accelerazione sismica di progetto. Per valori dell’ordine di 0,2–0,3 g, risulta spesso impossibile individuare configurazioni progettuali accettabili. Questo evidenzia una criticità fondamentale: il metodo non è in grado di cogliere la reale capacità dissipativa e deformativa del sistema.

All’estremo opposto si collocano le analisi numeriche avanzate, basate su modelli agli elementi finiti o alle differenze finite, in grado di simulare il comportamento non lineare e ciclico del terreno e delle strutture. Tali strumenti consentono una valutazione accurata delle prestazioni, ma richiedono competenze elevate, una complessa calibrazione dei parametri e risorse computazionali significative, risultando difficilmente applicabili nella pratica professionale corrente.

Si configura quindi una “forbice” metodologica tra semplicità e accuratezza, che rende evidente la necessità di un approccio intermedio: sufficientemente rigoroso dal punto di vista fisico, ma al contempo applicabile in modo operativo.

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Verso una progettazione sismica prestazionale

L’approccio proposto si inserisce nel quadro della progettazione sismica prestazionale, in cui il confronto tra domanda e capacità sismica è declinato in funzione dello stato limite considerato. Per stati limite di esercizio, l’attenzione è rivolta al contenimento degli spostamenti e quindi alla rigidezza del sistema; per stati limite ultimi, l’obiettivo è evitare meccanismi fragili, valorizzando invece la duttilità.

In questo contesto, un parametro chiave è rappresentato dall’accelerazione critica, ovvero l’accelerazione necessaria a mobilitare completamente la resistenza del sistema. Essa costituisce una misura diretta della capacità sismica e assume un ruolo centrale sia nella valutazione delle forze interne sia nella stima degli spostamenti permanenti.

A differenza dei sistemi rigidi analizzati con il metodo di Newmark, le strutture di sostegno flessibili presentano una risposta più complessa. L’ipotesi di blocco rigido su base rigida non è più valida: il sistema accumula deformazioni già prima del raggiungimento dell’accelerazione critica, a causa della deformabilità del terreno e della struttura. Questo comporta la necessità di modelli che tengano conto di una fase non lineare pre-fessurativa.

L’individuazione dei meccanismi di collasso diventa quindi fondamentale. Per le paratie ancorate, si distinguono meccanismi locali (rottura al piede o dell’ancoraggio) e meccanismi globali (coinvolgenti un volume più ampio di terreno). La gerarchia delle resistenze, mutuata dall’ingegneria strutturale, guida la progettazione verso configurazioni che privilegiano meccanismi duttili nel terreno, evitando rotture fragili negli elementi strutturali.

Il ruolo dell’accelerazione critica e la stima degli spostamenti

Le analisi condotte, sia con metodi di equilibrio limite sia mediante simulazioni numeriche avanzate, mostrano un risultato di grande rilevanza pratica: le forze interne nelle strutture risultano limitate dai valori corrispondenti all’accelerazione critica. Anche quando l’azione sismica supera tale soglia, le sollecitazioni non aumentano ulteriormente, confermando la validità di utilizzare questo parametro come riferimento progettuale.

Questo aspetto è particolarmente importante perché consente di dimensionare gli elementi strutturali senza ricorrere a complesse analisi dinamiche, mantenendo un adeguato livello di sicurezza.

Per quanto riguarda gli spostamenti, invece, emerge chiaramente l’inadeguatezza del modello di blocco rigido. I risultati numerici evidenziano che deformazioni permanenti si sviluppano anche per accelerazioni inferiori a quella critica, in contrasto con le ipotesi tradizionali. Di conseguenza, è necessario adottare modelli semplificati ma più rappresentativi, come quelli basati su sistemi a un grado di libertà non lineari o su versioni generalizzate del metodo di Newmark.

Tali metodi, pur mantenendo una struttura relativamente semplice, sono in grado di riprodurre con buona accuratezza i risultati delle analisi dinamiche complete, soprattutto per livelli di spostamento compatibili con le esigenze progettuali.

Implicazioni per la normativa e prospettive future

Le riflessioni emerse aprono scenari significativi anche sul piano normativo. L’integrazione di approcci prestazionali nella progettazione geotecnica richiede una revisione dei modelli semplificati attualmente adottati, in particolare per quanto riguarda la definizione dei coefficienti di duttilità e delle relazioni tra accelerazione e spostamento.

Il superamento dell’analogia con il blocco rigido rappresenta un passaggio cruciale. Le evidenze sperimentali e numeriche indicano che le strutture di sostegno duttili possiedono una capacità di adattamento molto più articolata, che deve essere adeguatamente rappresentata nei modelli di calcolo.

In questa prospettiva, il dialogo tra ricerca e normativa – come auspicato anche nell’ambito delle attività della comunità ReLUIS – diventa fondamentale per promuovere un’evoluzione delle regole progettuali verso soluzioni più razionali, efficienti e coerenti con il reale comportamento delle opere.

L’adozione diffusa di questi approcci potrebbe consentire non solo una maggiore sicurezza, ma anche una significativa ottimizzazione economica, rendendo praticabili soluzioni che oggi risultano penalizzate da modelli eccessivamente conservativi.

IN SINTESI
-Le opere di sostegno duttili possono sopportare eventi sismici anche con grandi spostamenti, senza collasso immediato, grazie alla loro capacità di dissipare energia.
-I metodi tradizionali, come l’approccio pseudo-statico, risultano spesso troppo conservativi o inadeguati, mentre le analisi numeriche avanzate sono complesse e poco praticabili.
-L’approccio prestazionale introduce il concetto di accelerazione critica come parametro chiave per valutare la capacità sismica del sistema.
-Le forze interne nelle strutture risultano limitate dai valori associati all’accelerazione critica, anche quando l’azione sismica aumenta oltre tale soglia.
-La stima degli spostamenti richiede modelli più evoluti rispetto al blocco rigido, ma esistono metodi semplificati affidabili che possono essere utilizzati nella pratica progettuale.

DI SEGUITO L'INTERVENTO INTEGRALE DI GIULIA VIGGIANI.

Il testo è stato elaborato mediante la videoregistrazione dell'intervento, con l'aiuto dell'IA.