Vulnerabilità delle coperture prefabbricate in calcestruzzo nei confronti dell’azione sismica verticale

I recenti terremoti italiani hanno evidenziato criticità rilevanti nelle strutture prefabbricate industriali, in particolare nei sistemi di copertura. Le elevate accelerazioni sismiche verticali registrate in eventi come L’Aquila 2009 ed Emilia 2012 hanno mostrato limiti nelle attuali pratiche progettuali, spesso focalizzate sulle sole componenti orizzontali. La ricerca presentata ad ANIDIS 2025 affronta questo tema ancora poco esplorato, analizzando in modo sistematico la vulnerabilità di tegoli e travi prefabbricate soggetti ad azione sismica verticale, sia come elementi singoli sia come sistemi accoppiati.

Contesto e motivazioni della ricerca

I terremoti dell’Aquila del 2009 e dell’Emilia del 2012 hanno rappresentato un punto di svolta nella comprensione della vulnerabilità sismica delle strutture prefabbricate industriali. In entrambi i casi, aree fortemente industrializzate hanno subito danni rilevanti, in particolare ai sistemi di copertura, mettendo in evidenza un aspetto spesso sottovalutato nella pratica progettuale: il ruolo dell’accelerazione sismica verticale. Le registrazioni accelerometriche hanno infatti mostrato valori di accelerazione verticale prossimi, e talvolta superiori, a 1 g, confermando una significativa interazione tra le componenti orizzontali e verticali del moto sismico.

La normativa corrente tende a trascurare l’azione verticale, limitandone la considerazione a specifiche tipologie strutturali. I capannoni prefabbricati, caratterizzati da grandi luci, spesso superiori ai 20–25 metri, e realizzati in calcestruzzo precompresso, rientrano tra quelle strutture per le quali questa semplificazione può risultare non conservativa. La ricerca presentata ad ANIDIS 2025 da Riccardo Baltrocchi, sviluppata con i professori Dallago e Foti, nasce proprio dall’esigenza di colmare un vuoto ancora presente in letteratura, valutando in modo sistematico la vulnerabilità di questi sistemi nei confronti dell’azione sismica verticale.

Modelli analizzati e approccio metodologico

Lo studio ha preso in esame diversi elementi tipici delle coperture prefabbricate, concentrandosi, nella presentazione, su un tegolo di tipo Ondal con luce pari a 25 metri, rappresentativo di una più ampia famiglia di elementi (Soldal, Pi Greco, tegoli a Y). Parallelamente sono state analizzate travi di copertura con la stessa luce e con rapporto luce/altezza costante, per consentire un confronto diretto tra i diversi componenti del sistema strutturale.

Un aspetto centrale della ricerca è stato il confronto tra il comportamento dei singoli elementi e quello del sistema accoppiato. In quest’ultimo caso è stata modellata una trave di copertura centrale sulla quale appoggiano, a interasse di 5 metri, i tegoli di copertura, così da investigare i possibili effetti di interazione dinamica. L’attività di calcolo ha previsto un ampio ventaglio di analisi, sia lineari sia non lineari, statiche e dinamiche, per un totale di oltre 300 simulazioni numeriche svolte principalmente con il software Strauss.

Le analisi lineari statiche hanno permesso di quantificare i momenti flettenti in mezzeria, evidenziando valori dell’ordine di 950 kNm per il tegolo Ondal e circa 5.600 kNm per la trave da 25 metri. Le successive analisi in frequenza hanno mostrato periodi fondamentali molto simili tra tegolo e trave, rispettivamente intorno a 0,40 s e 0,38 s, suggerendo fin da subito la possibilità di un’interazione dinamica significativa, poi confermata dallo studio del sistema accoppiato.

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Accelerazione verticale e stati limite strutturali

Per valutare la risposta strutturale in termini di danno, sono stati definiti tre Engineering Demand Parameters rappresentativi dei principali stati limite: fessurazione, plasticizzazione e rottura. Attraverso analisi con spettro di risposta verticale, coerente con quanto previsto dall’Eurocodice, e analisi non lineari dinamiche incrementali, è stato possibile risalire ai valori di accelerazione verticale necessari al raggiungimento di ciascuno stato limite.

I risultati hanno mostrato che, nel caso degli elementi considerati singolarmente, le travi tendono a raggiungere la rottura per valori di accelerazione verticale inferiori rispetto ai tegoli, con intervalli indicativi compresi tra 0,5 e 0,8 g per le travi e tra 0,8 e 1 g per i tegoli. Tuttavia, quando si passa alla configurazione accoppiata, il quadro cambia in modo sostanziale. L’interazione dinamica tra trave e tegoli porta infatti a un’inversione del comportamento, rendendo i tegoli gli elementi più vulnerabili, con una riduzione sensibile dell’accelerazione verticale associata allo stato limite di rottura.

Le analisi non lineari dinamiche, condotte mediante accelerogrammi artificiali spettro-compatibili incrementati fino a valori molto elevati di PGA verticale, hanno inoltre evidenziato una maggiore dispersione dei risultati rispetto alle analisi con spettro di risposta. Queste ultime si sono dimostrate generalmente più conservative, confermando il loro ruolo di strumento di progetto “a favore di sicurezza”, ma anche la necessità di affiancarle a valutazioni più avanzate quando si analizzano sistemi complessi e fortemente interagenti.

Implicazioni progettuali e sviluppi futuri

Le conclusioni della ricerca sottolineano con forza come l’accelerazione sismica verticale non possa essere trascurata nella progettazione e nella verifica delle strutture prefabbricate industriali, soprattutto per sistemi di copertura a grande luce. L’effetto di interazione dinamica tra travi e tegoli emerge come un fattore chiave, in grado di ridurre significativamente la capacità ultima di alcuni elementi, in particolare dei tegoli, quando questi vengono analizzati come parte di un sistema accoppiato piuttosto che come componenti isolati.

Dal confronto tra analisi lineari e non lineari, statiche e dinamiche, risulta evidente che una valutazione realistica della sicurezza sismica richiede modelli capaci di cogliere la complessità del comportamento strutturale sotto azioni verticali intense. In questa prospettiva, la ricerca apre la strada a sviluppi futuri orientati verso un approccio probabilistico, con la costruzione di curve di fragilità e l’estensione dello studio a un numero ancora maggiore di configurazioni strutturali. Un percorso che appare fondamentale per migliorare l’affidabilità delle verifiche e fornire ai progettisti strumenti sempre più adeguati alla reale risposta sismica dei prefabbricati industriali.

IN SINTESI
-Le accelerazioni sismiche verticali possono raggiungere valori prossimi o superiori a 1 g e incidono in modo significativo sulla risposta delle strutture prefabbricate.
-Le coperture industriali a grande luce, realizzate in calcestruzzo precompresso, risultano particolarmente sensibili a questo tipo di azione.
-L’interazione dinamica tra travi e tegoli modifica il comportamento strutturale e può rendere i tegoli l’elemento più vulnerabile del sistema.
-Le analisi con spettro di risposta forniscono risultati più conservativi rispetto alle analisi non lineari dinamiche.
-È necessario considerare modelli accoppiati e approcci avanzati di analisi per una progettazione sismica più affidabile delle strutture prefabbricate.

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