Criteri generali di progettazioneCriteri generali di progettazione

la corretta concezioneconcezione della costruzione sta alla base di una buona progettazione e realizzazione

il progetto deve partire dalla intuizione del comportamentointuizione del comportamento della costruzione nel suo insieme

su questa base si potrà individuare la "strutturastruttura", cioè l'insieme degli elementi che principalmente assolvono il compito di resistere alle azioni, sia quelle esterne, sia quelle generate da tutti i componenti della costruzione

attraverso una corretta modellazione della struttura, sarà possibile effettuare una affidabile previsione del meccanismo meccanismo di collassodi collasso

è importante che la progettazione della struttura sia conforme all'esigenza di realizzare il meccanismo di collasso previstorealizzare il meccanismo di collasso previsto

questo dipende fondamentalmente:

• dalla corretta progettazione ed esecuzione di tutti i dettagli costruttivi

• dalla fedeltà nella realizzazione del progetto

• dalla efficienza del sistema di controlli che dipendono dalla direzione dei lavori e dal collaudo

Fondamentale quindi che il progetto sia supportato da una corretta analisi della struttura e sia completo in merito ai dettagli costruttivi

La progettazione strutturale antisismicaLa progettazione strutturale antisismica

intesa nella sua globalità, passa attraverso le seguenti fasi, conseguenti e congruenti le une con le altre:

definizione dei criteri di progetto

definizione dei requisiti prestazionali richiesti

definizione dei livelli di verifica strutturale

determinazione delle azioni sismiche corrispondenti a ciascun livello di verifica

tipo di modellazione strutturale

tipo di analisi strutturale

procedure di verifica

definizione degliobiettiviobiettivi

(scelte politiche su basi tecniche)

fase tecnica

ObiettivoObiettivo della progettazione antisismica è di assicurare che in occasione dell'evento sismico:

• le vite umane siano protettele vite umane siano protette

• i danni siano limitatii danni siano limitati

• le opere aventi particolari funzioni rimangano le opere aventi particolari funzioni rimangano operativeoperative

Criteri progettuali e costruttiviCriteri progettuali e costruttivi in zona sismica in zona sismica

In relazione a tali obiettivi, si individuano i requisitirequisiti fondamentali delle costruzioni antisismiche:

1. resistere, subendo danni più o meno rilevanti ma senza crolli ai sismi più severi che si possono prevedere nella zona, caratterizzati da un periodo di ritorno molto elevato cioè tale che un terremoto ancor più severo risulti un evento raro

Tale requisito corrisponde al principio di salvaguardia delle salvaguardia delle vitevite umane e dei beni culturali ed economici contenuti negli edifici ed è certamente un requisito primario.

2. sopportare con danni limitati il terremoto la cui intensità corrisponde, per la zona in cui è costruito, ad un periodo di ritorno pari alla vita nominale dell'edificio stesso, vale a dire un terremoto di entità limitata, che ha però maggiori probabilità di verificarsi durante la vita nominale dell'edificio

Questo requisito corrisponde al criterio economicocriterio economico di limitazione dei danni, cioè ha lo scopo di evitare che, per i sismi che la costruzione dovrà, in senso statistico, sperimentare nel corso della sua vita nominale, si verifichino danni il cui costo di riparazione sia alto in rapporto al costo iniziale della struttura; in sostanza, tale requisito richiede che la struttura dovrà mantenersi in campo elastico e gli elementi accessori e impianti dovranno subire danni limitati.

3. In generale si accetta che le costruzioni, a fronte di eventi sismici rari, e di elevata intensità, subiscano un eventuale danneggiamento purché ne sia garantita la stabilità globale. Ciò non vale per edifici particolari la cui completa funzionalità deve essere garantita a fronte di qualsiasi evento:

• costruzioni il cui danneggiamento potrebbe comportare conseguenze ben più gravi: centrali nucleari, dighe …

• costruzioni di importanza strategica: ospedali, centri operativi, caserme VV.F., …

• infrastrutture di rilevante importanza: linee di comunicazione, ponti, …

• edifici di valore unico: opere d'arte, musei, ecc …

Nel rispetto del terzo principio enunciato, per particolari tipi di edifici riconosciuti di importanza "strategica", si adottano livelli di protezione più elevati.

Detto questo, occorre dare delle definizioni operative di quello che si intende per "evento raro", "danno limitato" …

Qui intervengono le scelte, che sono effettuate in base alle valutazioni di costi e benefici, e che portano alla definizione delle azioni di progetto ed ai livelli di verifica.

requisito 1requisito 1: a fronte dei terremoti di più elevata intensità , e quindi rari, la costruzione deve resistere senza raggiungere il collasso

AZIONE SISMICA DI PROGETTO caratterizzata da una probabilità di superamento non maggiore del 10% nella vita della costruzione

STATO LIMITE DI SALVAGUARDIA DELLA VITA: le costruzioni, pur subendo danni di grave entità agli elementi strutturali e non strutturali, devono mantenere una residua rigidezza e resistenza nei confronti delle azioni orizzontali e l'intera capacità portante nei confronti dei carichi verticali

requisito 2requisito 2: a fronte dei terremoti che hanno una significativa probabilità di verificarsi nella vita della costruzione, la costruzione, comprese le apparecchiature rilevanti, non deve subire danni gravi e interruzioni d'uso

AZIONE SISMICA corrispondente ad una probabilità di superamento non maggiore del 63% nella vita della costruzione

STATO LIMITE DI DANNO la costruzione, compresi gli elementi non strutturali e le apparecchiature in essa contenute, non deve subire danni tali da provocare interruzioni d'uso

requisito 3requisito 3: particolari costruzioni devono essere dotate di un livello di protezione sismica più elevato in funzione della loro importanza e del loro uso

AZIONE SISMICA MAGGIORATA perché riferita ad una vita di riferimento maggiore

TIPO DI COSTRUZIONE E CLASSE D'USO

Progettare una struttura per i terremoti medio-alti attesi richiedendo che questa risponda elasticamente alle sollecitazioni, comporta la realizzazione di strutture estremamente resistenti, e quindi pesanti e costose.

Un'alternativa è quella di progettare strutture che rispondano in modo elastico (quindi non si danneggino in modo significativo) per terremoti piccoli e medi, e possano rispondere in modo anelastico a terremoti medio-alti.

Il comportamento anelastico delle strutture è quindi molto importante perché, pur ammettendo la possibilità di danneggiamento, le strutture non devono collassare, devono cioè essere in grado di deformarsi anelasticamente senza subire eccessivo degrado della resistenza.

Da quanto sopra consegue:Da quanto sopra consegue:

• per eventi sismici rari, quindi di elevata intensità, si accetta, per eventi sismici rari, quindi di elevata intensità, si accetta, addirittura si preferisce, che la struttura subisca addirittura si preferisce, che la struttura subisca deformazioni anelastiche, per poterne sfruttare le risorse deformazioni anelastiche, per poterne sfruttare le risorse plastiche ovvero la plastiche ovvero la duttilitàduttilità

• per eventi sismici più frequenti, quindi per azioni sismiche per eventi sismici più frequenti, quindi per azioni sismiche ridotte, la struttura deve rimanere in campo elasticoridotte, la struttura deve rimanere in campo elastico

Queste scelte sono determinanti ai fini della definizione Queste scelte sono determinanti ai fini della definizione dell'azione sismica di progetto, della scelta dei metodi di analisi dell'azione sismica di progetto, della scelta dei metodi di analisi strutturale e dei livelli di verifica.strutturale e dei livelli di verifica.

Consideriamo il diagramma di comportamento relativo ad una prova di trazione eseguita su un materiale da costruzione: qualitativamente, il diagramma presenta un primo tratto lineare fino al valore e, oltre il quale è ancora possibile deformare il materiale, semplicemente mantenendo il carico, prima di giungere alla rottura definitiva, in corrispondenza del valore r.

=F/A

s

re

snervamento

limite elastico

rottura

DUTTILITA' STRUTTURALEDUTTILITA' STRUTTURALE

La forma del diagramma, cioè la pendenza e l'estensione del tratto lineare, l'andamento dopo il tratto elastico e soprattutto il rapporto fra r ed e, sono caratteristiche di ciascun tipo di materiale.

La capacità di sopportare grandi deformazioni dopo il raggiungimento della soglia elastica e prima della rottura, in genere misurata dal rapporto fra r ed e , è definita come la

duttilità del materialeduttilità del materiale e ne rappresenta il comportamento in fase plastica.

Poiché l'area sottesa dal diagramma di comportamento rappresenta l'energia assorbita durante la prova, si riconosce come la duttilità stia in rapporto diretto con la misura di tale energia.

=F/A

s

e r

=F/A

e

s

r

rottura fragile

rottura duttile

Se invece di un materiale semplice considerassimo di sottoporre a prova monotona un elemento strutturale, il diagramma che si otterrebbe in questo caso risulterebbe determinato dalla concorrenza di più fattori (caratteristiche dei materiali costituenti, geometria, fattori costruttivi, ecc), sarebbe perciò meno prevedibile e meno semplicemente schematizzabile, tuttavia vi si potrebbero riconoscere gli stessi elementi del diagramma precedente.

M

K

F

e r

limite elastico

limite di rottura

FFmax

Se confrontiamo i diagrammi di figura, si può constatare che i diagrammi 1 e 2, pur essendo caratterizzati dalla stessa forza massima, presentano valori di duttilità notevolmente diversi:

• il primo diagramma è rappresentativo di un comportamento fragile mentre il secondo di un comportamento duttile, nel primo caso l'energia dissipata durante la deformazione fino a rottura ha un valore notevolmente più basso che non nel secondo;

e

Fmax

FFmax

e

Nel caso che le strutture, rappresentate dai diagrammi di comportamento 1 e 2, siano soggette ai carichi di esercizio, ciò che interessa è rimanere sufficientemente lontani da Fmax, pertanto il loro comportamento è completamente identico; diversamente accade per condizioni di carico eccezionali, quando le strutture sono impegnate oltre il limite elastico ed interessa quindi rimanere sufficientemente lontani da r.

e

Fmax

FFmax

e

• Nel terzo diagramma poi si riconosce una forza massima più grande ed un'energia dissipata paragonabile a quella del secondo caso.

Per valori ancora maggiori di , la forza di inerzia non può comunque superare il valore Fmax mentre la struttura potrà sopportare valori di ancora più grandi, tanto più grandi quanto maggiore è la sua duttilità cioè la sua capacità di assorbire le deformazioni imposte dal moto del terreno senza pervenire a situazioni di crisi.

Nel caso di sollecitazione sismica, la struttura non è soggetta ad una forza esterna direttamente applicata bensì ad un moto del terreno; tale moto provoca una forza di inerzia F: finché F è inferiore ad Fmax, c'è proporzionalità fra F e .

Se, in corrispondenza di un certo valore di , si raggiunge il valore Fmax, la struttura non necessariamente raggiunge il collasso.

maxx

maxx

maxx

maxx

F

..

K

M

e

Fmax

F

Nel caso di eventi sismici di notevole entità, la sicurezza della struttura dipende dalla sua capacità di dissipare l'energia trasmessa dal terreno senza che le sue caratteristiche meccaniche degradino troppo rapidamente e venga così ad essere compromessa la sua capacità di resistere ai carichi verticali, quindi dipende in definitiva dalla sua resistenza accoppiata alla duttilità.

Di qui appare evidente come non sia esauriente progettare una struttura per le azioni sismiche semplicemente "a resistenza“, ma piuttosto per “capacità”.

La moderna progettazione strutturale antisismica consente di scegliere fra il realizzare una struttura più resistente e meno duttile oppure meno resistente ma più duttile: una volta effettuata la scelta occorre però che non solo il livello di resistenza ma anche il richiesto grado di duttilità siano garantiti.

Attribuendo alla struttura elevate doti di resistenza, la duttilità può essere ridotta, con il risultato di ottenere strutture certamente più costose ma soggette a modeste deformazioni in campo anelastico e quindi a minori danneggiamenti (diagramma 3).

Abbassando le azioni di progetto, vengono richieste maggiori doti di duttilità con il risultato di ottenere strutture economicamente più convenienti, ma soggette ad escursioni in faseanelastica indubbiamente maggiori e quindi più danneggiabili (diagramma 2).

e

Fmax

FFmax

e

Lo studio di sistemi elasto-plastici mostra che le azioni inerziali su un sistema che può dissipare energia sono molto minori di quelle di un sistema non dissipativo, un sistema cioè che si trova a funzionare solo in campo elastico: vedremo quindi come sarà possibile effettuare questa riduzione delle azioni sismiche di progetto per sistemi elasto-plastici.

Occorrerà poi vedere come progettare e realizzare le strutture in modo che la richiesta duttilità strutturale sia garantita.

Testi di consultazioneTesti di consultazione

Cerami A.: "Evoluzione storica delle normative sismiche", in in Problemi strutturali dell'ingegneria sismica, Dario Flaccovio Editore, 1992