Criteri generali di progettazione
la corretta concezione della costruzione sta alla base di una
buona progettazione e realizzazione
il progetto deve partire dalla intuizione del comportamento
della costruzione nel suo insieme
su questa base si potrà individuare la "struttura", 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
di collasso
è importante che la progettazione della struttura sia conforme
all'esigenza di realizzare 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 antisismica
intesa nella sua globalità, passa attraverso le seguenti fasi,
conseguenti e congruenti le une con le altre:
definizione degli
obiettivi
(scelte politiche
su basi tecniche)
fase tecnica
definizione dei requisiti
prestazionali richiesti
definizione dei livelli
di verifica strutturale
determinazione delle azioni
sismiche corrispondenti a
ciascun livello di verifica
definizione dei criteri di progetto
tipo di modellazione
strutturale
tipo di analisi
strutturale
procedure di
verifica
Criteri progettuali e costruttivi
in zona sismica
Obiettivo della progettazione antisismica è di assicurare che
in occasione dell'evento sismico:
• le vite umane siano protette
• i danni siano limitati
• le opere aventi particolari funzioni rimangano
operative
In relazione a tali obiettivi, si individuano i requisiti 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 vite
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 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 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 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 3: particolari costruzioni devono essere dotate di un
livello di protezione sismica più elevato in funzione della loro
importanza e del loro uso
TIPO DI COSTRUZIONE E
CLASSE D'USO
AZIONE SISMICA MAGGIORATA perché riferita ad una vita
di riferimento maggiore
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:
• per eventi sismici rari, quindi di elevata intensità, si accetta,
addirittura si preferisce, che la struttura subisca
deformazioni anelastiche, per poterne sfruttare le risorse
plastiche ovvero la duttilità
• per eventi sismici più frequenti, quindi per azioni sismiche
ridotte, la struttura deve rimanere in campo elastico
Queste scelte sono determinanti ai fini della definizione
dell'azione sismica di progetto, della scelta dei metodi di analisi
strutturale e dei livelli di verifica.
DUTTILITA' STRUTTURALE
=F/A
s
snervamento
rottura
limite elastico
ee
er
e
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 ee, oltre il quale è ancora possibile deformare il
materiale, semplicemente mantenendo il carico, prima di
giungere alla rottura definitiva, in corrispondenza del valore er.
La forma del diagramma, cioè la pendenza e l'estensione del tratto
lineare, l'andamento dopo il tratto elastico e soprattutto il rapporto
fra er ed ee, 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 er ed ee , è definita come la duttilità 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
=F/A
rottura
fragile
ee er
rottura duttile
s
e
ee
er
e
F

F
Fmax
M
K
limite
elastico
e
limite di
rottura
r

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.
F

Fmax
Fmax

e e


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;
• Nel terzo diagramma poi si riconosce
F

Fmax
una forza massima più grande ed
un'energia dissipata paragonabile a
quella del secondo caso.
Fmax

e 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.

F
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 xmax .
Se, in corrispondenza di un certo valore di
si raggiunge il valore Fmax, la struttura non
necessariamente raggiunge il collasso.
M
K
..
F
Fmax
xmax ,
e

Per valori ancora maggiori di xmax , la forza di inerzia non può
comunque superare il valore Fmax mentre la struttura potrà sopportare
valori di xmax 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 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,
F
ma soggette ad escursioni in fase

Fmax
anelastica indubbiamente maggiori
e quindi più danneggiabili
Fmax
(diagramma 2).

e 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 consultazione
Cerami A.: "Evoluzione storica delle normative sismiche", in in Problemi
strutturali dell'ingegneria sismica, Dario Flaccovio Editore, 1992