Risposta sismica degli edifici prefabbricati: riduzione degli effetti delle irregolarità

L’articolo analizza il ruolo delle irregolarità strutturali nella risposta sismica degli edifici prefabbricati, evidenziando come tali condizioni determinino una concentrazione delle sollecitazioni in punti specifici della struttura, con conseguente aumento del rischio di danni o collassi. Il testo richiama le NTC 2018, che considerano la regolarità in pianta e in altezza un requisito centrale della progettazione antisismica e indicano, negli interventi sugli edifici esistenti, la necessità di ridurre le condizioni che generano forti irregolarità. Attraverso un caso studio e modellazioni numeriche, viene mostrato come la presenza di tamponamenti interni distribuiti in modo non uniforme possa alterare il comportamento dinamico della struttura prefabbricata, aumentando in modo rilevante le sollecitazioni su tegoli, travi e collegamenti. L’uso di dispositivi a fusibile dissipativo Sismocell, diversamente dagli altri collegamenti, consente di ridurre e redistribuire le forze, migliorando la risposta sismica complessiva dell’edificio.

---

Irregolarità strutturali e risposta sismica: il ruolo dei dispositivi a fusibile dissipativo Sismocell nei prefabbricati

La regolarità strutturale è uno dei principali requisiti di un edificio antisismico e la normativa tecnica ne definisce i criteri, penalizzando le strutture che presentano irregolarità e definendole soggette, a parità di condizioni, a un’azione sismica maggiore. La differenza nella risposta sismica della struttura si traduce infatti oltre che in differenti sollecitazioni sugli elementi strutturali, anche in una concentrazione di azioni in pochi punti della struttura irregolare.

Parole chiave: irregolarità strutturali prefabbricati, risposta sismica edifici industriali, dispositivi antisismici Sismocell, fusibile dissipativo prefabbricati, modellazione FEM edifici prefabbricati, sollecitazioni trave pilastro sismica, miglioramento sismico capannoni prefabbricati, distribuzione tagli pilastri prefabbricati, sicurezza antisismica irregolarità strutturali, interventi antisismici su strutture non regolari

Importanza della regolarità strutturale nelle NTC 2018

Nelle Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC 2018), nei primi paragrafi del capitolo dedicato ai criteri generali di progettazione antisismica, si legge che: “Le costruzioni devono avere, quanto più possibile, struttura iperstatica caratterizzata da regolarità in pianta e in altezza.”

La regolarità in pianta degli edifici industriali in c.a. monopiano è essenzialmente legata al fatto che la distribuzione di masse e rigidezze deve essere approssimativamente simmetrica rispetto alle due direzioni ortogonali dell’edificio.

Le irregolarità nella struttura possono essere indotte da molteplici cause, come:

• presenza di tamponamenti interni e/o esterni disposti nella larghezza dei pilastri e distribuiti in modo irregolare;
• presenza di porzioni di edificio con soppalchi pesanti;
• presenza di porzioni di edificio più rigide collegate alla struttura, generalmente zone uffici, ecc.

L’effetto degli elementi che provocano l’irregolarità può essere differente al crescere dell’azione sismica. A seconda dell’intensità del terremoto, i tamponamenti che irrigidiscono la struttura possono essere soggetti a ribaltamento fuori piano e quindi variare la propria configurazione durante il sisma.

Sempre le NTC 2018, nel capitolo dedicato alle costruzioni esistenti, al paragrafo che riguarda i criteri di intervento, indica che dovranno essere curati gli aspetti relativi alla: “riduzione delle condizioni (anche legate alla presenza di elementi non strutturali), che determinano situazioni di forte irregolarità (sia planimetrica sia altimetrica, degli edifici, in termini di massa, resistenza e/o rigidezza)”.

Viene quindi indicato che la regolarità strutturale è sicuramente uno degli aspetti principali da considerare negli interventi di miglioramento sismico delle strutture esistenti.    

Caso pratico: confronto tra struttura irregolare e regolare

L’effetto della presenza di irregolarità nelle strutture prefabbricate è stato oggetto di valutazione in differenti casi concreti attraverso modellazioni numeriche. In tutte le situazioni analizzate è riscontrabile il doppio effetto prodotto dalle irregolarità: incremento delle sollecitazioni e concentrazione dei valori massimi in poche posizioni.

Di seguito un esempio reale con modelli numerici che evidenzia le differenze nella distribuzione di sollecitazioni negli elementi strutturali, nel caso di presenza di irregolarità in pianta o meno, in una struttura prefabbricata. Il confronto riguarda gli effetti di un sisma, in una zona a media intensità sismica, sul capannone esistente con le irregolarità in pianta e la stessa struttura in una situazione ideale, senza irregolarità.   

L’edificio in oggetto presenta una palazzina uffici sul fronte separata da un giunto dal resto del capannone e una parte a doppio livello su di un lato. I pannelli di tamponamento sono disposti su tutto il perimetro dell’edificio e sono posizionati esternamente rispetto al filo dei pilastri. Le principali irregolarità sono dovute alla presenza di tamponamenti interni in blocchi di calcestruzzo distribuiti in modo irregolare all’interno dell’edificio. A seguire le piante degli elementi strutturali in copertura e la distribuzione dei tamponamenti interni.

La struttura prefabbricata in oggetto è irregolare, ma con l’aiuto di modellazioni numeriche è possibile operare un confronto tra situazione reale e situazione ideale (regolare). Modellando la struttura con un software FEM, il primo confronto possibile tra una struttura con tamponamenti e una senza, può essere fatto in termini di periodi propri di vibrazione. Il primo periodo proprio nei due casi mobilita all’incirca la stessa massa strutturale (70%) ma con frequenze differenti di circa il 20%.

Il primo effetto dovuto alla presenza o meno di tamponamenti che generano irregolarità nella struttura, si traduce in differenti spostamenti causati dall’azione sismica. Nel caso di assenza di irregolarità, nel caso specifico, gli spostamenti risultano maggiori di circa il 18%.   

Effetti dell’irregolarità strutturale sui collegamenti

Per quantificare le azioni sui collegamenti trave-pilastro e tegolo-trave (solitamente i primi interventi di messa in sicurezza sismica da realizzare nelle strutture prefabbricate non dimensionate per l’azione sismica), risulta utile valutare come variano le sollecitazioni assiali negli elementi di copertura.

La differenza nella risposta sismica della struttura si traduce in differenti sollecitazioni sugli elementi di copertura, molto maggiori nell’ipotesi di collegamenti rigidi. Le sollecitazioni assiali massime sui tegoli nella configurazione irregolare risultano pari a circa 100 kN, mentre nella configurazione priva di irregolarità le sollecitazioni massime arrivano a circa 21 kN.

   

Lo stesso confronto è esteso alle travi dove nella condizione con irregolarità le sollecitazioni assiali massime risultano pari a circa 450 kN, mentre nel caso di edificio regolare le sollecitazioni massime sono limitate a circa 140 Kn.

Risulta quindi evidente come in presenza di irregolarità strutturali, per effetto dell’azione sismica, si generano, sulle connessioni rigide realizzate con elementi metallici, delle sollecitazioni che difficilmente possono essere assorbite da carpenteria e ancoraggi post-installati.

In aggiunta, qualora i collegamenti fossero sufficientemente resistenti alle azioni sismiche, si verifica che la sollecitazione trasmessa sui pilastri risulterebbe ampiamente superiore alla resistenza di questi ultimi.

Quindi, con la realizzazione dei soli collegamenti rigidi in una struttura irregolare, non si consegue in tal senso un beneficio da un punto di vista sismico. Al contrario, collegamenti rigidi causano un incremento di sollecitazione sismica sulla struttura.

Regolarizzazione del comportamento strutturale con dispositivi a fusibile dissipativo Sismocell

Per regolarizzare la struttura una possibile soluzione teorica può ovviamente essere quella di rimuovere tutte le tamponature interferenti. La soluzione è nella maggior parte dei casi nella pratica improponibile perché le partizioni generalmente in questa tipologia di edifici individuano ambienti con differente destinazione d’uso e spesso anche compartimentazioni antincendio.

    

Un’alternativa per la regolarizzazione del comportamento strutturale è l’impiego di dispositivi a fusibile dissipativo Sismocell.

I dispositivi sono pensati per consentire lo spostamento reciproco degli elementi collegati al raggiungimento della soglia di attivazione, caratteristica della specifica taglia impiegata. La forza trasmessa dal dispositivo rimane pressoché costante fino al raggiungimento del fine corsa. Questa peculiarità dei dispositivi Sismocell consente di ridurre le sollecitazioni che si concentrano in pochi punti sulla struttura irregolare.

L’effetto di “ ridistribuzione” delle sollecitazioni dei dispositivi Sismocell , con conseguente regolarizzazione del comportamento strutturale, è stato verificato anche con modellazioni numeriche non lineari. La modellazione dei dispositivi è stata realizzata considerando due differenti tipologie di capannone industriale, a singola campata e a doppia campata. In entrambi i casi, le sollecitazioni indotte dall’azione sismica, in assenza di dispositivi, sono più elevate nei pilastri centrali dove si scarica maggiore massa sismica. Con l’inserimento dei dispositivi si verifica, oltre alla riduzione del taglio totale alla base dei pilastri, una ridistribuzione con riduzione del taglio nei pilastri centrali.

  

L'inserimento di dispositivi a fusibile dissipativo Sismocell migliora il comportamento sismico delle strutture, anche in assenza di irregolarità. Questi, consentono di ridistribuire le sollecitazioni tra gli elementi strutturali, riducendole e rendendole più uniformi. Questo effetto è evidente nei grafici riportati sopra, che mostrano come la sollecitazione di taglio alla base dei pilastri, in presenza di dispositivi, sia ridotta e distribuita in modo uniforme.

In presenza di irregolarità, come tamponamenti o altri elementi irrigidenti la struttura, l'effetto di regolarizzazione è ulteriormente amplificato. Questo perché i dispositivi limitano la forza trasmessa ai punti di maggiore sollecitazione, riducendo la probabilità che la struttura subisca danni in caso di evento sismico.

---

FAQ

Quali sono gli elementi che possono creare irregolarità nei prefabbricati?
Pianta non simmetrica, tamponamenti non uniformi, blocchi uffici, soppalchi e distribuzione disuniformi di massa o rigidezza sono considerate “irregolarità” nella struttura dell’edificio e possono alterare il comportamento complessivo della struttura.

Perché le irregolarità aumentano il rischio sismico?
Perché rendono meno uniforme la risposta della struttura al sisma e concentrano le sollecitazioni in punti specifici dell’edificio.

Cosa prevedono le NTC 2018 su questo tema?
Le NTC 2018 richiamano l’importanza della regolarità in pianta e in altezza delle strutture, indicando la necessità di contenere le irregolarità per migliorare la sicurezza sismica. Le strutture irregolari vengono penalizzate amplificando l’intensità dell’azione sismica con cui effettuare le verifiche degli elementi.

Quali vantaggi offrono i fusibili dissipativi rispetto ai collegamenti tradizionali rigidi?
I dispositivi a fusibile dissipativo permettono di ridurre e distribuire in modo più equilibrato le sollecitazioni sismiche tra gli elementi della struttura. Questo consente di limitare le concentrazioni di forza, migliorare il comportamento globale dell’edificio e ridurre il rischio di danni localizzati. I collegamenti rigidi, invece, trasferiscono direttamente le forze sismiche agli elementi strutturali, senza operare nessuna ridistribuzione delle sollecitazioni.

Come agiscono i dispositivi dissipativi Sismocell?
Consentono di ridurre e ridistribuire le forze sismiche tra gli elementi collegati, contribuendo a una risposta più omogenea della struttura.

I dispositivi Sismocell sono utili solo negli edifici irregolari?
No. Migliorano la resistenza sismica anche negli edifici regolari, dissipando parte dell’energia sismica, ma nelle strutture irregolari il loro contributo risulta ancora più evidente.