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7.2.2. Criteri generali di progettazione dei sistemi strutturali

Indice interno

Norma

La progettazione può essere svolta per:

  • comportamento strutturale non dissipativo: la struttura è progettata per resistere alle azioni sismiche senza sfruttare la capacità dissipativa della struttura. Le sollecitazioni di progetto si calcolano assumendo il fattore di comportamento \(q = 1\);

  • comportamento strutturale dissipativo: la struttura è progettata per resistere alle azioni sismiche sfruttando la risposta non lineare dei materiali e la capacità dissipativa della struttura. Le sollecitazioni di progetto si calcolano assumendo un fattore di comportamento \(q > 1\).

Nel caso di comportamento strutturale dissipativo, si distinguono due livelli di Classe di Duttilità:

  • Classe di Duttilità Alta (CD"A");
  • Classe di Duttilità Bassa (CD"B").

La differenza fra le due classi risiede nella entità delle plasticizzazioni che si intendono sviluppare nella struttura sotto le azioni sismiche e nel valore del fattore di comportamento \(q\) adottato.

Progettazione in capacità

Per le strutture progettate per comportamento dissipativo, si adotta il criterio della gerarchia delle resistenze (progettazione in capacità), secondo cui si conferisce alle zone non dissipative una sovraresistenza sufficiente a consentire lo sviluppo delle cerniere plastiche nelle sole zone dissipative. A tal fine si amplificano le sollecitazioni negli elementi non dissipativi mediante il fattore di sovraresistenza \(\gamma_{Rd}\).

I valori del fattore di sovraresistenza \(\gamma_{Rd}\) per le diverse tipologie strutturali sono riportati nella Tab. 7.2.I.

Tab. 7.2.I – Fattori di sovraresistenza \(\gamma_{Rd}\)

Tipologia strutturale \(\gamma_{Rd}\) CD"B" \(\gamma_{Rd}\) CD"A"
Strutture in c.a. — elementi duttili (travi, pilastri) 1,0 1,3
Strutture in c.a. — elementi fragili (nodi, taglio) 1,1 1,3
Strutture prefabbricate — elementi duttili 1,0 1,3
Strutture prefabbricate — elementi fragili 1,1 1,3
Strutture in acciaio — concentricamente controvento 1,1 1,1
Strutture in acciaio — eccentricamente controvento 1,1 1,1
Strutture in acciaio — a telaio 1,1 1,3
Strutture composte acciaio-calcestruzzo — a telaio 1,1 1,3
Strutture composte acciaio-calcestruzzo — controvento 1,1 1,1
Strutture in legno 1,3 1,3
Strutture in muratura – –
Ponti 1,3 –

Zone dissipative

Le zone dissipative devono essere progettate in modo tale da possedere la duttilità e la resistenza necessarie a sviluppare i meccanismi dissipativi previsti. I dettagli costruttivi nelle zone dissipative devono essere tali da consentire la formazione di cerniere plastiche, assicurando che non si verifichino rotture fragili prima del raggiungimento della capacità deformativa ultima.

Spostamenti relativi in appoggi mobili

Per le strutture con appoggi mobili, lo spostamento relativo di progetto \(\Delta\) si calcola come:

\[\Delta = d_{Es} + d_{Eg}\]

dove \(d_{Es}\) è lo spostamento relativo fra le parti della struttura dovuto alla deformabilità della struttura stessa e \(d_{Eg}\) è lo spostamento relativo al suolo.

Circolare

C7.2.2. Criteri generali di progettazione dei sistemi strutturali

Le prescrizioni normative servono a garantire che l'organismo strutturale sia dotato di sistemi resistenti disposti almeno secondo due direzioni distinte, capaci di garantire un'adeguata resistenza e rigidezza nei confronti sia dei moti traslazionali, sia dei moti torsionali, dovuti all'eccentricità tra il centro di massa ed il centro di rigidezza dell'intera struttura o anche solo di una sua porzione, che tendono a sollecitare i diversi elementi strutturali in maniera non uniforme.

Al riguardo, nel caso degli edifici, sono da preferirsi configurazioni strutturali in cui i principali elementi resistenti all'azione sismica sono distribuiti nelle zone perimetrali, così da massimizzare la rigidezza torsionale della costruzione. Per sfruttare al meglio la rigidezza torsionale conseguita nel modo suddetto è necessario che gli orizzontamenti, ai fini della ripartizione degli effetti delle componenti orizzontali dell'azione sismica, tra gli elementi verticali che li sostengono, funzionino da diaframma rigido nei modi specificati al § 7.2.6 delle NTC.

Per quanto riguarda gli effetti della componente verticale dell'azione sismica, le tipologie costruttive che maggiormente risentono delle accelerazioni verticali indotte dal sisma, nonché i livelli di pericolosità per i quali tale componente deve essere considerata nel progetto, sono indicati al § 7.2.2 delle NTC. Per gli elementi soggetti a tali azioni e per quelli di supporto dei medesimi è ammesso l'uso di modelli parziali che tengano conto della rigidezza degli elementi adiacenti.

In generale non si tiene conto della variabilità spaziale del moto sismico e si adotta per esso una rappresentazione di tipo "puntuale", quale è quella che prevede l'utilizzo degli spettri di risposta adottando un unico valore di accelerazione del suolo per tutti i punti di contatto tra esso e la struttura.

Quando, per l'estensione del sistema di fondazione, non è realistica l'ipotesi che l'intera costruzione sia soggetta ad una eccitazione sismica uniforme, è necessario considerare la variabilità spaziale del moto di cui al § 3.2.4 delle NTC.

Le NTC distinguono due tipi di comportamento strutturale:

a) non dissipativo; b) dissipativo.

Specificando, per ciascun comportamento, i corrispondenti criteri di modellazione dell'azione sismica e della struttura.

Le NTC consentono al progettista di optare per uno dei due comportamenti, in relazione al particolare problema progettuale. Il comportamento strutturale non dissipativo (a) richiede che la struttura abbia resistenza tale da rimanere in campo sostanzialmente elastico per tutti gli stati limite considerati. Il comportamento strutturale dissipativo (b) si basa sulla duttilità e presuppone dunque l'accettazione del danneggiamento strutturale come strategia di protezione passiva per i terremoti di progetto agli stati limite ultimi.

Nel caso di comportamento strutturale non dissipativo (a) la risposta sismica della struttura dipende, essenzialmente, dalle sue caratteristiche di rigidezza e resistenza; in caso di comportamento strutturale dissipativo (b), dalle caratteristiche di rigidezza, resistenza e dalla capacità di sviluppare deformazioni cicliche in campo plastico (duttilità).

L'insieme delle prescrizioni contenute nelle NTC, finalizzate al conseguimento dei prefissati livelli di duttilità, costituisce la "progettazione in capacità".

Quando si opta per il comportamento non dissipativo (a) le azioni sismiche di progetto sono più elevate, ma la duttilità necessaria è molto contenuta e dunque non è richiesta la progettazione in capacità e l'adozione dei dettagli costruttivi riportati al Capitolo 7; quando, invece, si opta per il comportamento dissipativo (b), le azioni sismiche di progetto sono minori, ma la duttilità necessaria è più elevata e dunque è richiesta la progettazione in capacità e di dettagli costruttivi specifici.

Il comportamento dissipativo (b), ammette, in generale, un danneggiamento della costruzione, eventualmente anche esteso ma controllato, per i livelli di azione relativi a SLV e SLC e un possibile danneggiamento, di entità comunque limitata, per lo SLD.

A ciò fanno eccezione le strutture dotate di isolamento alla base, per le quali anche i requisiti riferiti agli stati limite ultimi vengono conseguiti evitando significative escursioni in campo plastico degli elementi strutturali della sovrastruttura e della sottostruttura (si veda al § 7.10.2 delle NTC).

Nelle costruzioni dissipative e prive di specifici dispositivi antisismici o di controllo delle vibrazioni, ai fini di un buon comportamento dissipativo d'insieme, le deformazioni inelastiche devono essere distribuite nel maggior numero possibile di elementi duttili per contenere l'entità delle plasticizzazioni.

In funzione della tecnologia costruttiva e dei materiali utilizzati, è dunque possibile separare i meccanismi deformativi fragili o scarsamente dissipativi, dai meccanismi duttili ai quali è invece possibile associare, mediante adeguati accorgimenti, significativa capacità di dissipare energia.

La progettazione del comportamento dissipativo, effettuata secondo le NTC, è mirata a garantire l'attivazione di meccanismi deformativi, locali e globali, che concentrino la domanda di duttilità negli elementi più duttili (ad es. le travi) invece che negli elementi meno duttili (ad es. le pareti o i pilastri, particolarmente quelli soggetti a sforzi normali di compressione rilevanti) e che impediscano l'attivazione di meccanismi fragili (ad es. rottura a taglio di pareti, travi o pilastri, rottura di nodi trave-pilastro), sia locali sia globali, o globalmente instabili.

La duttilità d'insieme della costruzione si ottiene, in definitiva, individuando gli elementi ed i meccanismi resistenti ai quali affidare le capacità dissipative e localizzando, all'interno del sistema strutturale, le zone in cui ammettere la plasticizzazione, in modo da ottenere un meccanismo deformativo d'insieme stabile, che coinvolga il maggior numero possibile di fonti di duttilità locale.

Nell'ambito del comportamento strutturale dissipativo, il progettista può decidere di conseguire la Classe di Duttilità Alta (CD"A"), a elevata capacità dissipativa, oppure la Classe di Duttilità Media (CD"B"), a media capacità dissipativa, rappresentando, dunque, le lettere "A" e "B" una mera tipizzazione.

La scelta della CD"A" rispetto alla CD"B" si traduce in un'ulteriore riduzione delle azioni di progetto, ma implica richieste di duttilità più elevate e, in generale, un maggiore onere in termini di dettagli costruttivi.

La norma definisce i criteri progettuali per conseguire il livello di duttilità prefissato; l'insieme di tali criteri costituisce la "progettazione in capacità".

In particolare, al fine di garantire il comportamento duttile locale e globale, fatta la distinzione tra elementi/meccanismi fragili e duttili, per ciascun elemento si determina:

  • la domanda in termini di resistenza, stabilendo, in base a considerazioni di equilibrio, una "gerarchia delle resistenze" tra elementi/meccanismi fragili (più resistenti) e elementi/meccanismi duttili (meno resistenti);
  • la domanda in termini di duttilità nelle zone destinate a plasticizzarsi, cui deve essere garantito un comportamento inelastico dissipativo e stabile in condizioni cicliche.

Si progettano quindi, in termini di resistenza e/o duttilità, le corrispondenti capacità.

Per conseguire gli obiettivi insiti nella progettazione in capacità, si impiegano fattori di sovra resistenza \(\gamma_{Rd}\) opportunamente differenziati tra le due classi di duttilità.

Le NTC prescrivono che il comportamento duttile vada perseguito sia a livello locale sia a livello globale. A tal fine viene prescritto un fattore di sovra resistenza \(\gamma_{Rd} \geq 1{,}25\) per i meccanismi globali fragili rispetto ai meccanismi globali duttili.

Per una struttura alla quale si richiede un comportamento duttile e che abbia al suo interno pareti di controventamento tozze (particolarmente suscettibili di rottura a taglio) e telai duttili, ciò comporta l'assunzione di \(\gamma_{Rd}\) locali sulle pareti tali da assicurare che, per attivare un meccanismo globale che veda la rottura a taglio delle pareti, occorrano azioni sismiche maggiori, almeno di un fattore 1,25, delle azioni richieste per attivare il meccanismo a telaio.

Al riguardo è bene chiarire che, nel caso di strutture a telaio, l'applicazione della progettazione in capacità è finalizzata, a livello globale, ad impedire l'attivazione di meccanismi instabili di piano, a livello locale, a controllare le plasticizzazioni nei pilastri senza escluderle in assoluto.

Proprio per questa ragione, in accordo con la UNI EN1998, per la pressoflessione di pilastri o colonne si adotta un fattore di sovraresistenza \(\gamma_{Rd}\) unico e pari a 1,3, sia per la CD"A" sia per la CD"B". Per lo stesso motivo, non essendo possibile escludere che, durante l'evento sismico, si abbiano plasticizzazioni in alcuni pilastri, alle zone di estremità di tutti i pilastri primari deve essere garantito un comportamento dissipativo.

I valori dei fattori di sovra resistenza \(\gamma_{Rd}\), distinti per tipologia strutturale e Classi di Duttilità, sono riportati nella Tabella 7.2.I delle NTC.

I principi della progettazione in capacità sono alla base della progettazione antisismica e si applicano ogni qual volta si voglia favorire un determinato comportamento strutturale a livello locale sia globale.

Analogamente, se si vuole valutare la massima domanda a taglio in un elemento strutturale, si determina, in base a semplici considerazioni di equilibrio, il valore del taglio in equilibrio con le azioni esterne (ad es. il carico verticale distribuito in una trave) e con la capacità a flessione (momenti resistenti) nelle sezioni di estremità, analizzando, per quanto riguarda i versi delle sollecitazioni, le diverse situazioni possibili in condizioni sismiche.