ReLUIS WP11: nuovi strumenti per la valutazione della sicurezza sismica delle strutture in calcestruzzo armato

Il Work Package 11 del progetto ReLUIS affronta alcuni dei temi più avanzati della ricerca sulla sicurezza sismica delle strutture in calcestruzzo armato. Coordinato da Gennaro Magliulo, Enrico Spacone e Domenico Spina, il programma coinvolge numerose unità di ricerca universitarie con l’obiettivo di migliorare gli strumenti di analisi, verifica e progettazione utilizzati sia nella ricerca sia nella pratica professionale. Le attività spaziano dallo sviluppo di modelli di capacità alla modellazione numerica per analisi non lineari, fino allo studio di metodi per uniformare il rischio sismico e alla definizione di formulazioni affidabili per le connessioni prefabbricate. I risultati del WP11 sono pensati anche come supporto tecnico-scientifico alle attività del Dipartimento della Protezione Civile e all’evoluzione delle normative, in particolare in relazione agli Eurocodici di nuova generazione.

Connessioni prefabbricate e analisi sismiche: le innovazioni del WP11 ReLUIS per la progettazione strutturale

Il Work Package 11 del progetto ReLUIS rappresenta uno dei filoni di ricerca più articolati e strategici dedicati alla valutazione e alla progettazione sismica delle strutture in calcestruzzo armato. Coordinato da Gennaro Magliulo, Enrico Spacone e Domenico Spina, il programma di lavoro coinvolge 18 unità di ricerca universitarie italiane con l’obiettivo di sviluppare metodi, modelli e strumenti operativi a supporto della progettazione e della valutazione della sicurezza sismica degli edifici.

L’attività del WP11 si sviluppa lungo cinque task principali che affrontano temi complementari: la definizione di modelli di capacità degli elementi strutturali, i metodi per l’analisi non lineare e dinamica, l’applicazione del metodo del fattore globale, l’uniformazione del rischio sismico sul territorio e lo studio del comportamento delle connessioni tra elementi prefabbricati. Il filo conduttore è la volontà di fornire basi scientifiche più solide per le future evoluzioni normative e per il supporto alle attività del Dipartimento della Protezione Civile.

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Modelli di capacità e confronto con le nuove normative

Il primo task, coordinato dal professor Giuseppe Verderame, è dedicato allo sviluppo e alla verifica dei modelli di capacità per elementi e nodi in calcestruzzo armato. Il tema assume particolare rilevanza alla luce dell’introduzione degli Eurocodici di seconda generazione, che stanno ridefinendo diversi criteri di progettazione e verifica.

Le attività di ricerca si sono concentrate sia sui meccanismi duttili sia su quelli fragili, con una crescente attenzione verso questi ultimi, spesso determinanti nella valutazione della sicurezza sismica degli edifici esistenti. L’analisi è stata condotta confrontando i modelli teorici con ampi database di risultati sperimentali, oltre che con le principali normative internazionali.

Per i nodi trave-colonna, ad esempio, è stato valutato il modello di capacità proposto in letteratura da Pejovic e collaboratori, confrontandolo con un database sperimentale aggiornato al 2022. I risultati indicano una leggera sovrastima della capacità resistente: circa l’8% per i nodi esterni e circa il 10% per quelli interni, con coefficienti di variazione rispettivamente superiori al 30% e intorno al 40%. Si tratta di risultati che, pur confermando la bontà del modello, evidenziano anche l’esigenza di ulteriori affinamenti.

Un altro filone di ricerca ha riguardato la verifica delle formulazioni previste dagli Eurocodici di nuova generazione per la resistenza a taglio di travi e colonne. In particolare, è stata analizzata la versione non iterativa della formula proposta, che mostra una capacità predittiva molto vicina ai risultati sperimentali, con valori medi intorno al 96–98% della resistenza osservata.

Un’attenzione specifica è stata dedicata anche agli elementi esistenti rinforzati. Le analisi svolte indicano che alcune ipotesi presenti nella normativa italiana, come il valore del fattore α utilizzato per gli elementi confinati con camicie in acciaio, potrebbero risultare eccessivamente conservative. L’adozione di un valore pari a 1, invece dello 0,5 attualmente indicato in alcune formulazioni, produce risultati molto più vicini alle evidenze sperimentali.

Analisi non lineari e modellazione numerica delle strutture

Il secondo task, coordinato da Enrico Spacone, riguarda lo sviluppo e la calibrazione di metodi per l’esecuzione di analisi non lineari statiche e dinamiche. Si tratta di un tema centrale per la valutazione della risposta sismica degli edifici in cemento armato, soprattutto quando si analizzano strutture esistenti.

Uno degli obiettivi principali del gruppo di lavoro è la definizione di modelli numerici semplificati che consentano di simulare il comportamento degli edifici con tempi di calcolo contenuti, mantenendo al contempo una buona accuratezza. Tra i modelli sviluppati vi è uno schema in cui ciascuna colonna è rappresentata mediante molle indipendenti nelle due direzioni principali, mentre il solaio è modellato come diaframma rigido. L’assemblaggio di questi elementi porta a un modello a tre gradi di libertà nel piano, in grado di considerare anche gli effetti torsionali.

Il modello è stato progressivamente raffinato introducendo non solo i meccanismi duttili ma anche quelli fragili, in particolare le rotture a taglio nelle colonne. Inoltre, grazie alla collaborazione con l’unità di ricerca dell’Università di Roma, sono state introdotte anche le tamponature, elemento spesso determinante nella risposta sismica degli edifici.

Un altro filone di ricerca riguarda la modellazione dello smorzamento nelle analisi dinamiche non lineari. Poiché lo smorzamento viscoso utilizzato nei modelli numerici non rappresenta direttamente i meccanismi dissipativi reali delle strutture, il gruppo di lavoro ha analizzato diverse formulazioni, tra cui il modello di Rayleigh e il cosiddetto “modal damping”. Le analisi preliminari indicano che il modello modale tende a dissipare leggermente più energia rispetto al Rayleigh damping, ma senza produrre differenze drastiche nei risultati e con un aumento dei tempi di calcolo relativamente contenuto.

Particolare attenzione è stata inoltre dedicata al confronto tra diversi software commerciali utilizzati nella pratica professionale per le analisi non lineari. I risultati mostrano dispersioni molto significative, soprattutto nella definizione della rigidezza iniziale e nel comportamento post-picco. Questo evidenzia la necessità di fornire linee guida operative per i professionisti, affinché possano selezionare in modo più consapevole i parametri meccanici e le strategie di modellazione.

Fattore globale e uniformazione del rischio sismico

I task terzo e quarto, coordinati da Giorgio Monti, affrontano il tema della valutazione della sicurezza strutturale attraverso il metodo del fattore globale e della possibile uniformazione del rischio sismico sul territorio.

Nel terzo task si analizza il cosiddetto metodo del fattore globale applicato alle analisi non lineari, che prevede di valutare la resistenza della struttura a partire dai valori medi delle proprietà meccaniche e di applicare successivamente coefficienti correttivi che tengono conto delle incertezze aleatorie ed epistemiche. In particolare, l’attenzione si è concentrata sul coefficiente associato alle incertezze epistemiche, legato alla dispersione dei parametri strutturali.

Il gruppo di ricerca del Politecnico di Torino, guidato dal professor Castaldo, ha proposto una formulazione semplificata per il calcolo del coefficiente di variazione legato alla resistenza, basata sulla domanda di deformazione massima dell’armatura longitudinale. Le analisi indicano inoltre che, in una prospettiva di progettazione sostenibile e robusta, due parametri risultano particolarmente influenti: la continuità delle armature longitudinali e la presenza di armature di parete.

Il quarto task affronta invece una questione di grande rilevanza per l’ingegneria sismica europea: la relazione tra affidabilità strutturale e rischio effettivo. Gli Eurocodici stabiliscono infatti target di affidabilità attraverso indici β associati ai diversi stati limite, ma questo non implica automaticamente un livello di rischio uniforme sul territorio.

La ricerca ha evidenziato che la forma delle curve di pericolosità sismica può produrre livelli di rischio differenti anche a parità di affidabilità. Per questo motivo sono stati proposti fattori correttivi in grado di modulare i coefficienti di sicurezza in funzione della pericolosità locale, con l’obiettivo di tendere verso un rischio più uniforme. Sono allo studio due approcci principali, basati rispettivamente sulla pericolosità mediana e sulla pericolosità media.

Connessioni prefabbricate: verso nuove formulazioni per la capacità a taglio

Il quinto task, coordinato da Domenico Spina, affronta il tema della progettazione sismica delle connessioni tra elementi prefabbricati, con particolare riferimento alle connessioni con spinotto. Si tratta di un ambito ancora poco codificato nelle normative tecniche, nonostante la sua importanza per la sicurezza delle strutture prefabbricate.

L’obiettivo della ricerca è fornire al Dipartimento di Protezione Civile formulazioni affidabili per il calcolo della capacità a taglio di queste connessioni, considerando diverse configurazioni costruttive e differenti condizioni limite.

Nel primo anno di attività è stata condotta un’ampia revisione della letteratura scientifica, che ha portato alla raccolta di circa cento lavori sperimentali e teorici. Sulla base di questo materiale sono state individuate quattro principali modalità di collasso: lo snervamento della barra con schiacciamento del calcestruzzo circostante, la rottura del calcestruzzo in presenza di staffe, il distacco del copriferro laterale o frontale e il raggiungimento della resistenza a taglio dello spinotto.

Nel secondo anno si è passati allo sviluppo di modelli numerici per la simulazione delle connessioni. Sono stati adottati sia modelli macro, più semplificati e capaci di rappresentare il comportamento globale della connessione, sia modelli micro basati su codici agli elementi finiti come Abaqus, in grado di riprodurre con maggiore dettaglio i meccanismi locali di rottura.

Nel terzo anno il lavoro si concentra sulle analisi parametriche e sul confronto sistematico tra formulazioni teoriche e risultati sperimentali. Per ogni condizione limite vengono applicate diverse espressioni teoriche ai dati sperimentali raccolti in letteratura, valutando il rapporto tra capacità prevista e capacità misurata. Questo approccio consente di identificare le formulazioni più affidabili e di proporre relazioni di calcolo più robuste.

Nel complesso, il WP11 di ReLUIS rappresenta un importante passo avanti nella comprensione del comportamento sismico delle strutture in calcestruzzo armato. Le attività in corso stanno producendo risultati che non solo contribuiscono al progresso della ricerca scientifica, ma hanno anche un potenziale impatto diretto sulla pratica professionale e sull’evoluzione delle normative tecniche, con l’obiettivo finale di migliorare la sicurezza del patrimonio edilizio e infrastrutturale italiano.

IN SINTESI
-Il WP11 del progetto ReLUIS, coordinato da Gennaro Magliulo, Enrico Spacone e Domenico Spina, coinvolge 18 unità di ricerca e sviluppa strumenti avanzati per la valutazione e la progettazione sismica delle strutture in calcestruzzo armato.
-Le attività includono lo sviluppo e la verifica di modelli di capacità per elementi strutturali e nodi trave-colonna, con confronti sistematici tra modelli teorici, dati sperimentali e nuove formulazioni previste dagli Eurocodici di seconda generazione.
-Una parte centrale della ricerca riguarda i metodi per l’esecuzione di analisi non lineari statiche e dinamiche, con lo sviluppo di modelli numerici semplificati e lo studio dell’influenza delle scelte di modellazione nei software di calcolo utilizzati nella pratica professionale.
-Il progetto approfondisce inoltre il metodo del fattore globale e propone approcci per arrivare a una maggiore uniformazione del rischio sismico sul territorio, tenendo conto delle differenze di pericolosità sismica locale.
-Un task specifico è dedicato al comportamento sismico delle connessioni tra elementi prefabbricati, con l’obiettivo di individuare formulazioni affidabili per il calcolo della capacità a taglio delle connessioni con spinotto, oggi non pienamente trattate dalle normative tecniche.

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Il testo è stato elaborato mediante la trascrizione della relazione, con l'aiuto dell'IA.