Progettazione sismica di strutture a pareti in C.A. in accordo alla bozza dei prossimi Eurocodici

L’ormai prossimo aggiornamento degli Eurocodici inerenti alla progettazione strutturale sottolinea la necessità di comprendere l’evoluzione che questi manifestano nei confronti delle versioni attuali degli stessi. Nello specifico, l’obiettivo della ricerca è quello di indagare le modifiche nella progettazione di nuove strutture in CA realizzate mediante sistemi strutturali a pareti non accoppiate, focalizzandosi sia sugli elementi sismo-resistenti primari sia su quelli secondari. In quest’ottica, il confronto fra le versioni attualmente in vigore degli Eurocodici 2 e 8 e quelle in pubblicazione viene proposto sulla base del progetto di un caso studio rappresentato da un edificio a nove piani sito a L’Aquila, ponendo l’accento sulle differenze in termini di accelerazioni sismiche di input, di sezioni resistenti dei vari elementi strutturali, capacità e della quantità di materiali impiegati.

L’obiettivo della ricerca è di indagare le differenze relative a strutture a pareti disaccoppiate in c.a. tra la 1^ e la 2^ generazione di Eurocodici

Negli ultimi due decenni gli Eurocodici hanno svolto un ruolo cruciale nel trasferimento dei principi teorici dell’ingegneria civile a quella che è la pratica progettuale utilizzata in campo professionale. Lo studio della progettazione di strutture in calcestruzzo (Eurocodice 2), acciaio (Eurocodice 3), acciaio- calcestruzzo (Eurocodice 4), legno (Eurocodice 5) e muratura (Eurocodice 6) sottolinea l’estrema adattabilità di queste norme alle tradizioni costruttive civili ed edilizie di molteplici nazioni europee, definendo altresì le modalità con cui fronteggiare alcune problematiche specifiche, come quella sismica (Eurocodice 8), condivisa da numerosi Stati.

Per questo motivo, risulta semplice comprendere il supporto che questi codici hanno fornito nello sviluppo delle normative nazionali di settore, qualora esistenti, nonché il ruolo primario nella regolamentazione del- la progettazione edilizia in tutti quegli Stati ancora sprovvisti di leggi nazionali che normano il settore delle costruzioni.

Tuttavia, colta l’importanza di questi strumenti, risulta chiara l’obsolescenza dello stato dell’arte su cui si basano le versioni attualmente in vigore degli Eurocodici, fondate su studi scientifici sviluppati nell’ultimo decennio del XX secolo o, al più, nel primo del XXI. Al fine di mantenere alta l’efficienza di questi strumenti, appare dunque evidente la necessità di aggiornare la prima generazione di queste normative europee con le novità teoriche e tecnologiche sviluppate nel corso degli ultimi 20 anni di ricerca nel campo dell’ingegneria civile, ivi includendo l’accresciuta conoscenza e comprensione di alcuni fenomeni, come quelli sismici, che, di fatto, spesso governano la progettazione delle strutture.

In quest’ottica, l’obiettivo del presente lavoro di ricerca è quello di indagare le principali differenze relative a strutture a pareti disaccoppiate in CA tra la prima e la seconda generazione di Eurocodici. Nello specifico, dipartendo dallo studio approfondito delle prescrizioni normative presenti negli Eurocodici 2 ed 8, l’analisi delle principali discordanze viene proposta sulla base di un confronto delle differenti modalità di progettazione, dei dettagli costruttivi e, conseguentemente, delle quantità di materiali e della capacità non lineare della struttura.

Sistemi a pareti disaccoppiate in c.a.

Esaminando le diverse tradizioni costruttive, le strutture in calcestruzzo armato (CA) sono sicuramente una delle categorie maggiormente diffuse, impiegate su scala mondiale in differenti tipologie di edifici. Tuttavia, focalizzandosi proprio su questa tipologia costruttiva, gli eventi sismici degli ultimi decenni hanno sottolineato il ruolo cruciale delle sollecitazioni sismiche all’interno del processo di progettazione dei sistemi strutturali in CA, evidenziando altresì le vulnerabilità del parco edilizio esistente realizzato in accordo alla prima generazione degli Eurocodici, nello specifico Eurocodice 2 ed 8.

In passato, importanti terremoti in Cile (2010) e in Nuova Zelanda (2011) hanno inoltre posto l’accento sulle differenze in termini di prestazioni attese e raggiunte di una sottocategoria ben specifica di edifici realizzati in CA, ovvero quella dei sistemi a pareti di taglio disaccoppiate, che ad oggi si presenta, anche in territorio nazionale, come una delle soluzioni più impiegate in termini di sistemi resistenti nei confronti delle spinte laterali tipiche del sisma (Henry et al. 2017).
Nonostante nelle due nazioni sopracitate fossero vigenti normative aggiornate, basate sulle moderne conoscenze in termini di comportamento di strutture a pareti disaccoppiate nei confronti delle sollecitazioni sismiche, il danneggiamento sviluppato durante questi eventi, nello specifico la rottura per schiacciamento del calcestruzzo nelle zone d’estremità dei setti, la rottura delle armature e l’instabilità globale delle pareti, hanno chiaramente dimostrato la necessità di un’ulteriore rivalutazione dei requisiti minimi necessari per questa sottocategoria di edifici.

La necessità di aggiornare le percentuali ed il passo minimo delle armature trasversali nelle zone d’estremità, unitamente ad opportune limitazioni sullo spessore e sulla snellezza delle pareti sono state indicate come primarie nel raggiungimento delle prestazioni attese dall’elemento anche dai test di laboratorio effettuati, così come valutazioni su carico assiale, drift atteso e storia di carico (Wallace 2012).

In quest’ottica, si pone come primaria un’analisi di dettaglio della seconda generazione di Eurocodici, comprendendo l’efficienza sia delle nuove disposizioni volte al raggiungimento della duttilità locale, sia del comportamento atteso dai futuri nuovi edifici in CA nei confronti delle aggiornate sollecitazioni sismiche di progetto. Alla base del confronto fra le due generazioni di codici, lo studio predittivo del nuovo codice normativo rende necessaria la comprensione delle differenti procedure di progettazione utilizzate per raggiungere i nuovi livelli di performance richiesti dalle conoscenze sviluppate nel campo della ricerca negli ultimi decenni.

Modalità di progettazione

Sebbene sia la prima che la seconda generazione di Eurocodici 2 ed 8 definisca una struttura a pareti disaccoppiate come un edificio nel quale il sistema resistente nei confronti di forzanti laterali è composto da pareti duttili in CA la cui resistenza al taglio alla base supera il 65% di quella totale, la classificazione di elementi sismici primari e secondari introduce un’importante nuova alternativa alle procedure di progettazione. (EN 1998-1:2004, prEN 1998-1-
2:2023)

Nello specifico, l’Eurocodice 8 fornisce specifiche limitazioni relative al contributo massimo in termini di rigidezza laterale del sottosistema composto dagli elementi secondari, volte ad assicurare che il comportamento dinamico dell’edificio non venga influenzato da questi elementi. Proprio nella definizione di questi vincoli, oltre alla già presente opzione che impiega un rapporto più netto in termini percentuali, pari al 15%-85%, viene introdotta una nuova possibilità nelle procedure di progettazione, basata su un contributo totale in termini di rigidezza laterale delle membrature secondarie non maggiore del 30% di quella di tutte le membrature primarie.

Nel nuovo criterio di progettazione, tuttavia, si richiede la realizzazione di due modelli dell’edificio: uno in cui vengono considerati in termini di rigidezza solamente gli elementi primari ed uno comprensivo anche delle membrature secondarie. Sulla base delle sollecitazioni più gravose dei due modelli ver- ranno effettuati il dimensionamento e la verifica degli elementi primari.

Focalizzandosi su una struttura a pareti, appare evidente che l’obiettivo ideale dell’iter progettuale sia quello di attribuire la quasi totalità delle forze sismiche al sistema resistente composto dalle pareti stesse, definite come elementi primari, mentre di realizzare gli elementi del telaio, ovvero travi e pilastri, sulla base delle sollecitazioni derivanti dai cari- chi gravitazionali, come previsto per le membrature secondarie.

Tuttavia, per raggiungere quanto auspicato, il rapporto di rigidezze proposto nell’unica definizione presente nella versione dell’attuale Eurocodice 8 sfocia in importanti sezioni degli elementi primari, difficilmente compatibili con la disposizione delle aperture e con i bisogni architettonici. Proprio per questa ragione, seguendo la prima generazione di Eurocodici, la procedura preferibile nella progettazione di strutture a pareti è quella fondata sul taglio alla base, nonostante questa porti sia ad un sovraccarico degli elementi del telaio, che di conseguenza si configurano a tutti gli effetti come elementi primari, sia a continue modifiche sezionali, volte al soddisfacimento delle verifiche a taglio e dei limiti di drift.

Parallelamente, la nuova opzione introdotta dalla seconda generazione della normativa, basata su un rapporto di rigidezze laterali fra elementi primari e secondari più modesto, permette una soluzione progettuale più ragionevole. In questa procedura, gli elementi del telaio vengono dimensionati a partire dai soli carichi gravitazionali in accordo all’Eurocodice 2 e ai dettagli relativi alla classe di duttilità 2 (DC2) per la duttilità locale dei pilastri, a prescindere dalla classe di duttilità scelta per la struttura.

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La presente relazione è stata presentata agli ICC 2024 (Firenze, 19-21 giugno 2024).