Edificio antisismico: la resistenza ci protegge

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Sappiamo che un terremoto o sisma è un brusco movimento del suolo dovuto all’interazione di rocce nel sottosuolo con una improvvisa liberazione di energia che risale il terreno fino in superficie.

Un’accelerazione sismica che sollecita una struttura cede un quantitativo di energia che può essere assorbita dall’edificio in due modi differenti: con un alto livello di resistenza (comportamento non dissipativo); con un livello di resistenza più basso, ma accompagnato da grandi capacità deformative (comportamento dissipativo).

Utilizzando gli approcci della moderna progettazione antisismica è possibile dotare le strutture della resistenza o delle capacità deformative necessarie a superare gli eventi sismici in sicurezza. Nel primo caso si tratta di strutture più rigide e massive che non dissipano l’energia sismica ma rispondono attingendo alle proprie capacità di resistenza, nel secondo di strutture che dissipano energia deformandosi (anche in modo permanente).

Approccio alla progettazione antisismica

L’obiettivo principale della progettazione antisismica di un edificio ordinario è proteggere le vite umane degli occupanti in caso di terremoto. Per soddisfare ciò, la normativa prevede il rispetto di differenti condizioni prestazionali limite (chiamati Stati Limite). Tradotto sinteticamente significa progettare strutture che per azioni sismiche (forze orizzontali) più severe si danneggino senza arrivare al collasso, mentre per terremoti di bassa intensità riportino danni limitati.

Si tratta dunque di concepire la struttura affinché questa rimanga integra senza collassare per elevate forze orizzontali pur subendo dei danni, garantendo in questo modo la salvaguardia della vita degli occupanti (SLV – Stati Limite Vita), e che, per forze orizzontali minori si dimostri sufficientemente robusta da non deformarsi (o deformarsi in modo minore) per garantire l’operatività delle attività dell’edificio (SLO – Stati Limite Operatività). Si tratta dunque di controllare gli spostamenti della struttura a seguito di azioni sismiche.

Se vuoi saperne di più sulla progettazione antisismica leggi il nostro articolo
→ Edifici Antisismici: quando lo sono davvero ←

Qual è il compito del progettista? Il progettista ha il compito di prevedere come l’edificio risponderà alle azioni di progetto e di mettere in campo tutta la tecnica progettuale per definire il comportamento strutturale. Dovrà prevedere quale sarà il comportamento dell’edificio in presenza di sisma e adottare delle proprie scelte affinché la risposta sia proprio quella prevista, in grado di salvaguardare la vita degli occupanti ma anche comportamenti più prestazionali, come l’indeformabilità della struttura stessa e quindi l’assenza di danneggiamenti durante il sisma ovviando ad eventuali costi di riparazione post sisma.

Novità: il calcolo non dissipativo

Una delle principali novità delle NTC ‘18 (Norme Tecniche per le Costruzioni) è costituita dall’introduzione di un complesso coerente di prescrizioni che disciplina il calcolo sismico non dissipativo con modalità nettamente distinte dal corrente calcolo sismico dissipativo.

Se consideriamo il terremoto come energia ceduta all’edificio, la struttura può gestire questa energia in due modalità differenti in funzione del comportamento previsto:

• può incamerare l’energia fornitagli dal terremoto senza rompersi e rimanere quindi in campo elastico (comportamento non dissipativo). In questo caso la struttura deve assicurare una resistenza sufficiente a garantire i livelli di sicurezza attesi come avviene per edifici più massivi e robusti;
• può cedere l’energia fornitagli dal terremoto a piccole dosi mediante delle deformazioni non recuperabili (deformazioni plastiche) localizzate in quei punti in cui si sia certi di garantire la sicurezza complessiva della struttura (comportamento dissipativo). In questo caso la struttura deve assicurare capacità deformative tali da garantire gli spostamenti richiesti da una struttura snella.

Comportamento strutturale non dissipativo: la libertà di scelta

Le NTC ’18 non pongono limiti sulla scelta progettuale del comportamento strutturale da adottare per gli edifici in zona sismica. Il progettista è libero di scegliere se adottare un comportamento strutturale dissipativo o non dissipativo (come riportato al par. 7.2.2 – NTC ‘18).

Strutture non dissipative: come cambia il fattore di comportamento q

Quando si progetta una nuova costruzione (in zona sismica, e quindi in tutto il territorio nazionale) si esegue un’analisi utilizzando lo spettro di risposta. Lo spettro di risposta indica l‘accelerazione massima a cui sarà sottoposta la struttura durante un evento sismico con una data probabilità di accadimento.

Cos’è lo spettro di risposta? Lo spettro di risposta in termini di accelerazione è un grafico che riporta, in funzione del periodo naturale di vibrazione di una costruzione ipotizzata a comportamento indefinitamente elastico, l’accelerazione massima che subirà quando sarà investita da un evento sismico con una data probabilità di accadimento. Dal grafico si vede la riduzione dello spettro elastico all’aumentare del fattore di comportamento.

Nel caso di strutture non dissipative, si utilizzerà uno spettro di progetto ottenuto riducendo le ordinate dello spettro elastico mediante il fattore di comportamento q_ND per strutture non dissipative (come definito al par. 7.3.2 – NTC ’18).

Tale fattore di comportamento (ex fattore di struttura) è compreso fra 1 e 1.5 e si calcola partendo dal valore del fattore di comportamento della struttura considerata dissipativa e in classe di duttilità media CD”B”.

• q_CD“B” : fattore di comportamento per strutture dissipative in classe di duttilità bassa
• q_ND : fattore di comportamento per strutture non dissipative

Per le strutture non dissipative l’azione sismica avrà un valore maggiore rispetto alle strutture dissipative, perché le strutture non dissipative prediligono la resistenza a scapito della duttilità.

La differenza tra comportamento dissipativo e non dissipativo sta nella strategia di protezione passiva dal sisma.

• Il comportamento strutturale dissipativo si basa sulla duttilità e presuppone l’accettazione del danneggiamento strutturale;
• Il comportamento strutturale non dissipativo si basa sulla resistenza e la risposta sismica della struttura dipende dalla sua rigidezza.

Comportamento non dissipativo: cosa cambia

Si evidenziano le seguenti caratteristiche delle strutture non dissipative:

• le azioni sismiche sono più elevate in quanto il fattore di comportamento è più basso;
• la resistenza del sistema sarà maggiore rispetto ad un comportamento dissipativo: le strutture non dissipative sono progettate per avere una resistenza tale da rimanere in campo elastico;
• ma non è richiesta la duttilità: pertanto non è richiesta la progettazione in capacità e di conseguenza l’applicazione del principio di gerarchia delle resistenze.

Le sezioni e i quantitativi di armatura per le strutture in cemento armato non dissipative saranno dimensionate e verificate sulla base delle sollecitazioni derivanti dall’analisi della struttura, senza considerare i momenti resistenti delle sezioni amplificati per i fattori di sovraresistenza, come accade per le strutture dissipative, nel rispetto del principio di gerarchia delle resistenze.

Esempio di travi in calcestruzzo armato fuori spessore nelle strutture dissipative

Armature in corrispondenza dell’incrocio trave-pilastro nelle strutture dissipative

Comportamento non dissipativo: i vantaggi

Il Cap. 7 – NTC ’18 prevede limitazioni geometriche sulle dimensioni degli elementi strutturali (pilastri, travi, nodi) da applicare solo per le strutture a comportamento dissipativo. Questo significa, che se si utilizza un comportamento non dissipativo, si passa dal rispetto del Cap. 7 a quello del Cap. 4 con tutta una serie di vantaggi, tra i quali:

• sarà possibile trascurare la Gerarchia delle Resistenze;
• non ci saranno più limitazioni alle dimensioni delle sezioni delle strutture portanti (come travi e pilastri), quindi sarà possibile utilizzare travi a spessore (compatibilmente con le nuove verifiche dei nodi) in ragione di travi sopra/sotto sporgenti e/o pilastri di dimensioni minori a quelle minime previste (compatibilmente con le verifiche tensionali);
• sarà possibile gestire quantitativi di armatura di travi e pilastri (armature longitudinali minime e massime, passi staffe, etc.) differenti rispetto a quelli minimi previsti dal Cap. 7.

Le strutture in Argisol

Le strutture in Argisol sono strutture a pareti portanti in calcestruzzo armato gettato in opera realizzate attraverso una casseforma a rimanere autoportante composta da lastre isolanti. Il sistema si presta bene ad essere progettato secondo un comportamento non dissipativo vista la notevole presenza di pareti portanti (esterne ed interne) in un edificio. Questa presenza diffusa di elementi portanti permette di avere una struttura particolarmente resistente sia ai carichi verticali che alle azioni orizzontali (tipo sismico) con pareti in c.a. di piccolo spessore.

L’approccio al calcolo con metodo non dissipativo permette inoltre una gestione semplificata delle armature da posizionare all’interno del cassero, che saranno a basso diametro e di tipo distribuito a passo costante in virtù invece di armature più pesanti e concentrate in un modo puntuale come accade nel caso del pilastro.

Disposizione delle barre orizzontali all’interno del cassero Argisol.

Disposizione delle barre verticali all’interno del cassero Argisol.

Nella tabella seguente i vantaggi derivanti dalla semplificazione di calcolo delle strutture a comportamento non dissipativo, quali le strutture a pareti in c.a. con casseri Argisol.

La durabilità delle strutture con Argisol e Termosolaio

La sicurezza e le prestazioni di un’opera vengono valutate in relazione agli stati limite che si possono verificare durante la vita nominale di progetto. Una struttura può garantire i livelli di sicurezza richiesti con le proprie capacità di resistenza o deformative. Le NTC ’18 riportano:

Esempio di danno strutturale a seguito del terremoto. L’intensità è stata tale da rendere l’edificio inagibile.

Esempio di danno non strutturale, si sono danneggiate solamente le finiture. Edificio agibile e danno riparabile.

Con Argisol e Termosolaio si realizzano edifici (e quindi anche strutture) altamente resistenti in grado di assicurare livelli di sicurezza antisismica maggiori rispetto ad un edificio di tipo tradizionale con paragonabili costi di costruzione.

Vuoi sapere di più sulla resistenza sismica dei sistemi a pareti?
→ Edifici Antisismici: quando lo sono davvero ←

Il sistema costruttivo realizza una struttura sismo-resistente che permette, a parità di evento sismico, maggiori performance di resistenza rispetto ad una tradizionale, in grado di non danneggiare la struttura stessa e al contempo avere deformazioni così contenute da non lesionare nemmeno le componenti non strutturali: quali le finiture, tramezzature interne, eventuali contropareti, ecc.

Questo si traduce in una sostenibilità economica durante la vita utile del fabbricato che non necessita di riparazioni da danni post terremoto, che inducono l’utente a sostenere extra spese di imprevedibile manutenzione straordinaria.

L’elevata resistenza strutturale del sistema come forma passiva di protezione alle azioni eccezionali come i terremoti.