Valutazione delle forze sismiche nei nodi trave-colonna incernierati: un nuovo approccio per la progettazione degli edifici prefabbricati pluripiano

La sicurezza sismica degli edifici prefabbricati passa anche dalla corretta progettazione dei collegamenti tra travi e pilastri, spesso determinanti per il comportamento della struttura durante un terremoto. Le metodologie di calcolo tradizionali possono infatti sottostimare le azioni che gravano sui nodi incernierati, soprattutto a causa dell'influenza dei modi superiori di vibrazione. Nel corso di ICC 2026, Carlo Vienni ha illustrato una ricerca che affronta questo tema proponendo una procedura analitica innovativa e una strategia di modellazione FEM in grado di migliorare la valutazione delle forze sismiche nei collegamenti. Un contributo che offre nuove prospettive per la progettazione delle strutture prefabbricate multipiano.

Il nodo trave-colonna: un elemento chiave nella risposta sismica

La progettazione sismica degli edifici prefabbricati multipiano richiede un'attenzione particolare ai collegamenti tra travi e pilastri, elementi che possono influenzare in modo determinante il comportamento globale della struttura durante un terremoto. Sebbene le analisi dinamiche lineari rappresentino oggi lo strumento più diffuso nella pratica professionale, esse presentano alcune criticità nella determinazione delle azioni realmente agenti sui nodi incernierati.

La ricerca presentata da Carlo Vienni a ICC 2026 propone una metodologia innovativa che consente di stimare con maggiore accuratezza le forze sismiche nei collegamenti, integrando un modello analitico semplificato con una strategia di modellazione agli elementi finiti. Il risultato è un approccio che migliora la progettazione, riduce il rischio di errori nelle verifiche e offre un utile supporto sia nelle fasi preliminari sia nelle analisi numeriche più avanzate.

Negli edifici prefabbricati pluripiano italiani è molto diffuso lo schema strutturale costituito da pilastri incastrati alla base e travi incernierate ai livelli superiori. Si tratta di una configurazione efficiente dal punto di vista costruttivo, ma che impone una particolare attenzione nella valutazione delle sollecitazioni agenti sui nodi del piano intermedio durante un evento sismico.

La normativa prescrive infatti che questi collegamenti siano progettati considerando le azioni derivanti dall'analisi strutturale incrementate mediante il fattore di sovraresistenza, così da evitare rotture premature prima della formazione delle cerniere plastiche alla base dei pilastri. Il problema principale consiste però nella corretta determinazione delle forze che effettivamente agiscono nei collegamenti, poiché le comuni analisi dinamiche lineari allo spettro di risposta non consentono di ricavarle direttamente.

Il motivo risiede nell'influenza dei modi superiori di vibrazione. Nei fabbricati bipiano, infatti, il secondo modo produce frequentemente movimenti in controfase tra gli impalcati, modificando significativamente la distribuzione delle forze interne. Di conseguenza, la forza agente nel piano intermedio non coincide semplicemente con la differenza tra i tagli di piano, come spesso si potrebbe essere indotti a ritenere.

Sostenibilità, AI e infrastrutture: a ICC 2026 il dialogo tra i leader mondiali del calcestruzzo
L'Italian Concrete Conference 2026 ha riunito a Bergamo i presidenti di fib e ACI insieme a CTE e AICAP, dando vita a un confronto internazionale sulle prospettive del calcestruzzo strutturale. Al centro del dibattito sostenibilità, innovazione, digitalizzazione e sviluppo delle competenze. INGENIO era Media Partner dell'evento.
LEGGI L'APPROFONDIMENTO

Un modello analitico per stimare correttamente le forze nei collegamenti

Per affrontare questa criticità, lo studio sviluppa un modello analitico bidimensionale capace di descrivere il comportamento dinamico della struttura attraverso pochi parametri geometrici e di massa facilmente determinabili.

Il modello considera una serie di pilastrate incastrate alla base collegate da travi assialmente rigide e incernierate, con le masse concentrate nei baricentri degli impalcati. Attraverso la soluzione analitica del problema dinamico vengono determinate le forme modali e le corrispondenti forze di piano generate sia dal primo sia dal secondo modo di vibrare. Una volta introdotte le ordinate dello spettro di risposta, è possibile calcolare la forza totale di piano mediante la combinazione quadratica completa (CQC), ottenendo così una formulazione chiusa facilmente applicabile nella pratica progettuale.

La forza complessiva viene quindi ripartita tra i vari collegamenti imponendo simultaneamente l'equilibrio dei nodi e quello delle campate. Questo procedimento consente di determinare le azioni che ciascun collegamento deve effettivamente trasferire, superando le semplificazioni comunemente adottate nella progettazione ordinaria.

Gli autori della relazione sono: Giovanni Menichini, Francesco Bussi, Cristina Rimbotti, Gianni Bartoli, Maurizio Orlando, Carlo Vienni, Federico Caleri.

Il contributo del secondo modo di vibrare è spesso dominante

Uno degli aspetti più interessanti emersi dalla ricerca riguarda proprio il ruolo dei modi superiori.

Applicando il modello a un edificio prefabbricato di riferimento, caratterizzato da un piano di copertura significativamente più leggero rispetto al primo impalcato, gli autori hanno osservato come il contributo del secondo modo possa diventare addirittura prevalente rispetto a quello del primo.

L'analisi parametrica, sviluppata variando sia il rapporto tra le altezze degli impalcati sia quello tra le masse dei due livelli, evidenzia infatti che all'aumentare della massa della copertura o al diminuire del rapporto tra le altezze cresce sensibilmente il peso del secondo modo nella determinazione della forza di piano.

Per gli edifici prefabbricati normalmente presenti nella pratica professionale, caratterizzati da interpiani di altezza simile e rapporti di massa generalmente compresi tra 2 e 6, il contributo del secondo modo risulta frequentemente molto significativo. Ignorarlo potrebbe quindi portare a una valutazione non corretta delle azioni nei collegamenti.

Lo studio mette inoltre in evidenza come la distribuzione delle forze lungo le pilastrate non sia uniforme: i nodi di estremità risultano maggiormente sollecitati, mentre quelli interni presentano valori inferiori. Ne deriva che assumere una distribuzione uniforme delle forze costituisce una scelta cautelativa solo per alcuni collegamenti, mentre può determinare sottostime nelle verifiche di altri nodi interni.

Dalla teoria alla pratica: una nuova strategia di modellazione FEM

Accanto al modello analitico, la ricerca propone anche una metodologia di modellazione tridimensionale agli elementi finiti che consente di ottenere direttamente le forze nei collegamenti.

L'approccio consiste nel sostituire il tradizionale vincolo di piano rigido con elementi membrana capaci di ripristinare la rigidezza del solaio, lasciando tuttavia una piccola apertura in prossimità dei nodi. All'interno di questa zona vengono inseriti elementi di collegamento che rappresentano esplicitamente la connessione tra trave e pilastro, permettendo così di leggere direttamente dagli output numerici gli sforzi normali e di taglio agenti sul nodo.

Applicando questa tecnica al caso studio analizzato, i risultati ottenuti dall'analisi numerica mostrano un'elevata coerenza con quelli ricavati mediante il modello analitico, confermando la validità dell'approccio proposto.

Pur essendo basata su alcune ipotesi semplificative, la formulazione analitica rappresenta uno strumento particolarmente utile nelle fasi di predimensionamento, nella verifica di congruenza dei risultati numerici e nella comprensione dei fenomeni dinamici che governano il comportamento dei collegamenti. Parallelamente, la nuova strategia FEM apre la strada a valutazioni molto più accurate per strutture tridimensionali reali, caratterizzate da irregolarità geometriche, distribuzioni non uniformi delle masse e azioni sismiche multidirezionali.

Il lavoro presentato a ICC 2026 evidenzia quindi come una più corretta valutazione delle forze nei nodi trave-colonna possa tradursi in progetti più affidabili e coerenti con il reale comportamento sismico degli edifici prefabbricati, contribuendo a incrementarne il livello di sicurezza senza ricorrere a eccessivi margini conservativi.

DI SEGUITO L'INTERVENTO INTEGRALE DI CARLO VIENNI.

Il testo è stato elaborato mediante la videoregistrazione dell'intervento, con l'aiuto di strumenti di IA (ChatGpT).

IN SINTESI
-Focus sulla sicurezza dei collegamenti: lo studio analizza la valutazione delle forze sismiche nei nodi trave-colonna incernierati degli edifici prefabbricati pluripiano, elementi fondamentali per garantire un corretto comportamento strutturale durante il sisma.
-Ruolo dei modi superiori di vibrazione: la ricerca dimostra che il secondo modo di vibrare può influenzare in modo determinante le forze nei collegamenti, rendendo insufficiente una valutazione basata esclusivamente sui tagli di piano tradizionali.
-Sviluppo di un modello analitico innovativo: viene proposta una formulazione semplificata che, utilizzando geometria, masse degli impalcati e spettro di risposta, consente di calcolare in modo pratico le forze sismiche nei nodi.
-Analisi parametrica e distribuzione delle forze: lo studio evidenzia come le azioni nei collegamenti non siano uniformemente distribuite lungo la struttura, mettendo in luce il rischio di sottostimare le sollecitazioni nei nodi interni con approcci semplificati.
-Nuova strategia di modellazione FEM: viene presentato un metodo agli elementi finiti che permette di ricavare direttamente le forze nei collegamenti, offrendo uno strumento di verifica più accurato e complementare al modello analitico per la progettazione delle strutture prefabbricate.