EDIFICI
caratteristiche generali
Interazione azione-sistema strutturale
Il comportamento di una costruzione durante un terremoto dipende, oltre che
dalle caratteristiche dell'azione sismica, dalla qualità della costruzione stessa.
Questa è funzione:
• della concezione dell'edificio
• della tipologia strutturale
• del dettaglio degli elementi strutturali
• della cura della realizzazione
Dalle caratteristiche generali della costruzione dipendono:
• il comportamento della struttura
• il modello meccanico adeguato a descriverlo
• la scelta del metodo di analisi
La concezione del progetto di un edificio è di grande importanza,
specialmente in campo sismico.
E' fondamentale tenere presente che, in una costruzione, anche gli elementi
non strutturali concorrono a determinare la risposta al terremoto, sia con la
loro massa che con la loro rigidezza e resistenza; pertanto la concezione del
progetto deve riguardare sia la struttura che la "non struttura"
Principi guida della progettazione:
semplicità strutturale: assicura l'esistenza di percorsi evidenti e diretti per la
trasmissione delle forze sismiche, riducendo le incertezze insite nelle varie fasi
di progettazione ed esecuzione, e quindi rende più affidabile la previsione del
comportamento della costruzione sotto sisma
uniformità e simmetria: assicurano una distribuzione bilanciata ed adeguata
degli elementi strutturali in pianta ed in altezza, inducendo la struttura ad avere
una risposta globale uniforme, e quindi riducono i rischi legati alla presenza di
eccentricità, zone di concentrazione di sforzi e di elevata richiesta di duttilità
iperstaticità: assicura una ridondanza di elementi e quindi una più favorevole e
più ampia ridistribuzione degli effetti dell'azione sismica e dissipazione di
energia
resistenza e rigidezza flessionali secondo due direzioni ortogonali: la
presenza di due sistemi resistenti orditi secondo direzioni ortogonali e aventi
valori di rigidezza e resistenza simili assicura un buon comportamento della
struttura qualunque sia la direzione del moto sismico
resistenza e rigidezza torsionali: assicurano limitati effetti torsionali nella
struttura e quindi riducono il rischio che spostamenti differenziati, dovuti a tali
effetti nei diversi elementi strutturali, inducano sollecitazioni non uniformi
rigidezza e resistenza dei solai nel piano: assicurano capacità di
ridistribuzione delle forze indotte dal sisma sul sistema in proporzione alle
rigidezze e resistenze degli elementi resistenti
fondazioni adeguate: assicurano che l'intero edificio sia soggetto ad
un'uniforme eccitazione sismica, riducendo eventuali spostamenti differenziali
dovuti a input non sincrono
TIPOLOGIE STRUTTURALI
Telai resistenti a momento: sono costituiti da travi rigidamente connesse ai
pilastri; tipologia comunemente utilizzata per edifici in c.a.
Telai con controventi concentrici o eccentrici: è la tipologia più utilizzata
negli edifici in acciaio con elevato numero di piani
TIPOLOGIE STRUTTURALI
Sistemi a parete, singola o accoppiate: sistemi in cui la resistenza necessaria
a sopportare le forze orizzontali è interamente attribuita a pareti strutturali in
muratura o c.a.; agli altri elementi strutturali spetta il solo compito di reggere i
carichi verticali
Sistemi telaio-parete: sono costituiti da telai in cemento armato accoppiati a
pareti in muratura o c.a., i quali forniscono insieme la necessaria resistenza
alle forze del sisma, mentre ciascuno porta la sua quota di carichi verticali
TIPOLOGIE STRUTTURALI DA EVITARE
Sistemi con pilastri e travi in spessore
Sistemi con pilastri e solette in c.a.
sono poco adatti a garantire una risposta sismica soddisfacente a causa della
loro eccessiva deformabilità laterale e della difficoltà a trasferire in modo
adeguato gli sforzi di taglio fra pilastri e solette.
TELAI
Nell'ipotesi di
travi molto più
rigide dei
pilastri, il
comportamento
dei telai sotto
azioni sismiche
è caratterizzato
da:
• una distribuzione nelle colonne di momenti con andamento a farfalla, con
valore nullo in prossimità della mezzeria
• azione tagliante proporzionale ai momenti d'inerzia delle sezioni
• gli spostamenti relativi fra i piani sono proporzionali alle forze di taglio
(telai "shear type")
• la deformata è caratterizzata da spostamenti tra i piani maggiori alla base e
decrescenti con l'altezza
Telai con travi molto rigide
In generale non è facile, nella pratica, soddisfare all'ipotesi di travi
infinitamente rigide
Nell'ottica della progettazione secondo la gerarchia delle resistenze non è
neppure del tutto auspicabile: le travi troppo rigide non consentono la
formazione delle cerniere plastiche
Telai con colonne forti e travi deboli
Le travi possono ruotare; se si ha regolarità nella
distribuzione di rigidezze e resistenze lungo
l'altezza, l'effetto delle forze laterali viene assorbito
dall'intera struttura con una distribuzione uniforme
del danno
Telai con piani deboli
Esistono piani in cui le colonne sono meno resistenti delle travi: questo può
verificarsi quando la distribuzione delle rigidezze è irregolare lungo l'altezza;
allora le deformazioni si concentrano prevalentemente a livello di un piano
mentre gli altri rimangono indeformati.
Una distribuzione irregolare di rigidezze può essere determinata anche dagli
elementi non strutturali –pannelli di tamponamento in muratura o
calcestruzzo- che rendono molto più rigide le travi e concentrano le
deformazioni nelle colonne dei piani liberi.
(prof. E. Cosenza)
Nel caso che i tamponamenti lascino liberi tratti brevi dei pilastri, la
deformabilità flessionale di questi è molto limitata per cui può accadere che si
verifichi la rottura per taglio prima che si possano sviluppare le rotazioni
plastiche
Telai snelli
Nel caso di edifici alti, i telai possono risultare eccessivamente deformabili: gli
spostamenti relativi di interpiano possono superare i limiti di resistenza degli
elementi non strutturali o arrecare danni agli impianti e agli arredi
Telai controventati
Alla eccessiva deformabilità si può ovviare introducendo dei controventi:
•
•
•
la struttura risulta sufficientemente rigida
spostamenti accettabili
la concentrazione dei carichi in fondazione è accettabile (inferiore rispetto
all'irrigidimento con pareti strutturali)
il danno può ancora distribuirsi nei vari elementi, in modo che si possa
sfruttare la duttilità locale a favore di una maggiore duttilità globale
I telai controventati dal punto di vista teorico rappresentano la situazione
ottimale.
I telai controventati in c.a. presentano difficoltà tecniche di realizzazione
Nelle strutture in acciaio si possono realizzare controventi concentrici o
eccentrici, ciascuno con i propri vantaggi e svantaggi
SISTEMI A PARETE: SINGOLA O ACCOPPIATE
•
•
•
•
per le azioni laterali, si comportano come mensole
la distribuzione del taglio è proporzionale al momento di inerzia della
sezione di ciascuna parete
gli spostamenti relativi dei piani sono più alti nella parte superiore
il comportamento a mensola implica che lo spostamento della struttura
(duttilità globale) sia completamente controllato dalla rotazione alla base
(duttilità locale)
Essendo sistemi molto rigidi, sono generalmente chiamati a sopportare
notevoli azioni sismiche, a fronte di elevatissimi momenti alla base; a questo
consegue che la richiesta di duttilità ed il danno sono concentrati, piuttosto che
distribuiti nella struttura
L'utilizzo di pareti pone problemi architettonici, che possono essere in parte
superati con l'introduzione di pareti accoppiate.
Particolare attenzione deve essere posta nella progettazione e realizzazione
delle travi di collegamento fra le pareti, che devono avere una elevata duttilità
per deformarsi seguendo le pareti senza perdere la capacità portante nei
confronti dei carichi verticali.
SISTEMI TELAIO-PARETE
a causa degli opposti comportamenti del telaio e della parete, la risposta in
termini di taglio e momento di entrambi risulta alterata:
• ai piani più bassi, il muro vincola il telaio, limitandone le deformazioni
• nella parte superiore il telaio vincola la parete
• nel telaio non c'è molta differenza di taglio fra il primo e l'ultimo piano,
perciò neppure di momento
l'effetto dell'accoppiamento è quello di unire i benefici dei due sistemi: la
duttilità del telaio e la rigidezza della parete:
la struttura presenta una risposta duttile con una significativa capacità di
dissipazione di energia lungo tutta la struttura unita ad una deformabilità
accettabile
Problemi della tipologia strutturale:
• concentrazione di richiesta di duttilità alla base della parete con
conseguente danno localizzato
• la presenza di discontinuità in verticale può provocare
•formazione di un piano debole al di sopra della parete
•eccesso di carico assiale nelle colonne sottostanti la parete
REGOLARITA' STRUTTURALE
REGOLARITA' IN PIANTA
• forze di inerzia orizzontali
concentrate al livello dei solai
• ipotesi di solaio rigido nel
proprio piano
• centro di massa CM: punto del
piano in cui agisce la risultante
delle forze di inerzia
• le forze di inerzia fanno ruotare e traslare orizzontalmente il piano rispetto
al sottostante
• lo spostamento del piano induce uno spostamento di tutti i telai e delle
pareti del piano
• da tali spostamenti nascono delle forze resistenti (forze di taglio)
proporzionali alle rigidezze dei telai e delle pareti
• centro di rigidezza CR: il baricentro delle forze di taglio
• se centro di massa e centro di rigidezza coincidono, il movimento è di pura
traslazione
i telai e le pareti assorbono quote della forza di inerzia
proporzionali alle loro rigidezze
• se i centri non coincidono, nasce un momento a cui consegue una rotazione
in alcuni elementi le forze di taglio sono aumentate
aumenta lo spostamento di interpiano
è importante che centro di massa e centro di rigidezza siano il più possibile
vicini per minimizzare gli effetti torcenti
questo si può ottenere disponendo i sistemi resistenti in maniera appropriata
la regolarità in pianta permette la modellazione piana della struttura
in presenza di eccentricità è necessaria la modellazione tridimensionale
in presenza di elementi resistenti che abbiano raggiunto la plasticizzazione, la
distribuzione delle forze cambia
una volta che tutti gli elementi strutturali abbiano raggiunto lo snervamento, la
distribuzione avviene secondo le resistenze e non più secondo le rigidezze
quindi sarebbe opportuno controllare anche la posizione del centro di
resistenza
regolarità in pianta: regolarità di forma
sono preferibili forme rettangolari piuttosto che a T, L, U: gli angoli rientranti
portano a disuniformità di comportamento
edifici con piante troppo allungate sono più facilmente soggetti a moti sismici
incoerenti o poggiare su terreni con caratteristiche diverse
si può ovviare a forme irregolari in pianta disponendo dei giunti
REGOLARITA' IN ELEVAZIONE
è importante che vi sia regolarità in termini di distribuzione di rigidezze e
masse lungo l'altezza dell'edificio, onde evitare la formazione di piani deboli
REGOLARITA' IN ELEVAZIONE
sono da evitare disassamenti di travi o pilastri, in quanto individuano zone
deboli (elementi più rigidi, tozzi) dove si hanno richieste concentrate di
duttilità
la regolarità in altezza condiziona il tipo di modellazione ed il metodo di
analisi
RIGIDEZZA DEL SOLAIO NEL SUO PIANO
N.B. la rigidezza in questione è quella del solaio nel suo piano (non quella
fuori piano)
Per poter definire un solaio "infinitamente rigido (nel suo piano)" occorre che
la sua rigidezza sia molto più grande della rigidezza traslazionale delle
strutture verticali:
durante un sisma il solaio, che collega diversi elementi resistenti verticali, è
sollecitato dalle forze di inerzia e dalle reazioni offerte dagli elementi verticali;
se per queste azioni, il solaio subisce deformazioni nel suo piano, trascurabili
rispetto agli spostamenti laterali degli elementi verticali, allora può
considerarsi infinitamente rigido

s
v
in genere, per poter considerare un solaio infinitamente rigido:
• devono sussistere determinati rapporti dimensionali (rapporto
spessore/luce)
• non deve avere forma troppo allungata o articolata (v. regolarità di forma
in pianta)
• non deve contenere zone vuote, né perimetrali, né interni
E' importante che i solai siano rigidi perché:
• in fase elastica, risulta più chiara la distribuzione delle forze sismiche fra i
sistemi resistenti verticali
• la distribuzione avviene proporzionalmente alle rigidezze dei sistemi
resistenti (se la struttura è ben progettata, rigidezze e resistenze vanno
all'incirca di pari passo, perciò questo è vantaggioso)
• in fase post-elastica è in grado di ridistribuire le forze fra gli elementi
resistenti
ELEMENTI STRUTTURALI SECONDARI
Alcuni elementi strutturali dell'edificio possono venire definiti "secondari":
• sia la rigidezza che la resistenza di tali elementi vengono ignorate
nell'analisi della risposta
• tuttavia tali elementi devono essere in grado di assorbire le deformazioni
della struttura soggetta all'azione sismica di progetto mantenendo la
capacità portante nei confronti dei carichi verticali
• la scelta degli elementi da considerare secondari può essere cambiata, ma
in nessun caso può influire sulla classificazione della regolarità
Esempi
strutture con nuclei o pareti rigide e telai: ai telai possono essere affidati solo i
carichi verticali
strutture a telai in cui quelli esterni, controventati, sono adibiti a resistere alle
azioni orizzontali, mentre quelli interni solo ai carichi verticali
Nelle normative (O.P.C.M. 3431/2005, EC8) sono elencate alcune regole in
base alle quali riconoscere se un edificio è più o meno regolare.
Nella applicazione di tali regole è necessario considerare anche gli elementi
strutturali secondari e quelli non strutturali, quando abbiano caratteristiche di
massa e rigidezza tali da poter alterare la risposta della struttura.
In funzione della regolarità dell'edificio, saranno effettuate le scelte in
relazione alla modellazione della struttura, al metodo di analisi e ad altri
parametri di progetto.