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Antisismica, edilizia

Modi di vibrare di un telaio “shear type” in c.a.
Modi di vibrare di un telaio “shear type” in c.a.

Definizione-Etimologia

Nell’espressione edilizia antisismica, delle due parole che la compongono la prima deriva dal latino ædes, casa, abitazione, ma anche tempio, e quindi, per estensione, fabbricato, la seconda deriva dal greco seismòs, scuotimento, terremoto.
Con tale espressione si intende indicare un tipo di  manufatti civili la cui progettazione, realizzazione e manutenzione mira a limitare i danni, per le opere e le persone, causati da un evento sismico.

Generalità

La realizzazione di fabbriche in grado di sostenere l’azione dei terremoti è un obiettivo che i costruttori si sono posti da secoli e già nell’architettura tradizionale delle aree sismiche sono spesso riconoscibili soluzioni tecniche finalizzate, in base all’esperienza, a ridurre i danni in caso di sisma. Costruzioni di altezza limitata, edifici di legno, cerchiature e controventature di legno, imperniature e staffature delle pietre, tiranti sono alcune delle soluzioni adottate nel passato per un’edilizia antisismica. 
Dai primi anni del Novecento, per difendersi dai terremoti, alle regole dell’arte del costruire sono stati a mano a mano affiancati criteri di progettazione antisismica delle strutture basati su specifiche regole di calcolo contenute nelle normative nazionali e/o internazionali. Negli ultimi trent’anni, in particolare, i criteri alla base della progettazione antisismica delle strutture sono stati rimessi profondamente in discussione passando da un concetto di resistenza a un concetto di prestazione strutturale. Si è infatti compreso che aumentare la resistenza di un edificio non significa aumentarne la sicurezza. 
La natura stessa dell’evento sismico, la cui imprevedibilità in termini di intensità e periodo di ritorno è maggiore rispetto ad altri tipi di azioni agenti sulle costruzioni, viene affrontata dalle normative moderne attraverso un metodo di progettazione e verifica delle strutture che tende a ottimizzare il rapporto fra il costo dell’opera, che deve resistere all’azione sismica secondo livelli di sicurezza codificati, e i danni causati dall’evento sismico atteso. Per ottenere tale ottimizzazione ci si avvale da un lato della classificazione sismica del territorio, che fornisce i dati necessari per la determinazione dell’azione sismica associata a un determinato periodo di riferimento TR, dall’altro della definizione di opportuni stati limite per la verifica strutturale. 
I criteri in base ai quali vengono fissati i tipi di azione da applicare sulle costruzioni, le modalità di calcolo e di verifica nella progettazione antisismica, così come molte soluzioni tecnologiche, sono tutt’oggi in continuo sviluppo in relazione ai progressi raggiunti dalla ricerca scientifica; nel presente testo si fa riferimento a quanto conforme all’attuale sistema normativo italiano ed europeo.

Criteri di progettazione architettonica e strutturale

La progettazione antisismica delle strutture richiede una notevole interazione fra i vari tecnici coinvolti nella localizzazione, ideazione, progettazione, realizzazione e nel controllo dell’opera. Tale interazione, necessaria in generale, diventa ancora più stringente nel caso della progettazione di edifici soggetti ad azione sismica. Le scelte architettoniche iniziali, riguardanti la forma del manufatto, la distribuzione dei volumi e dei pesi, la configurazione strutturale in termini di dimensioni e forma, la disposizione degli elementi strutturali e non strutturali, l’organizzazione degli impianti e i materiali utilizzati per la realizzazione dell’edificio sono determinanti per la distribuzione e l’entità delle azioni sismiche nella struttura e per l’entità e la tipologia dei danni in caso di evento sismico. D’altro canto le regole di dettaglio costruttivo imposte dalla normativa vigente per raggiungere i livelli di prestazione attesi rischiano, in mancanza di un’armonica collaborazione fra le varie competenze coinvolte nella progettazione, di svilire il contenuto architettonico degli edifici stessi. 
Nel passato le regole dell’arte di costruire in zone sismiche imponevano il rispetto di criteri formali e di soluzioni tecniche, quali la simmetria delle fabbriche, la regolarità delle aperture, le cerchiature degli edifici con catene in ferro o in legno (in particolare in presenza di elementi spingenti), l’utilizzazione di tiranti, la chiodatura delle strutture lignee di copertura ecc. 
L’introduzione diffusa dell’acciaio nelle costruzioni ha erroneamente indotto al convincimento che ogni forma potesse essere resa facilmente antisismica; pertanto nelle scuole di architettura e di ingegneria si è spesso tralasciato di insegnare le regole della corretta progettazione antisismica per concentrarsi sul calcolo delle strutture. Le norme recenti riprendono quei concetti al fine di ottenere strutture regolari aventi buone prestazioni strutturali. 
Sinteticamente possono essere elencate le caratteristiche che un edificio di moderna concezione antisismica dovrebbe possedere:

  • comportamento a diaframma dei solai;
  • buoni collegamenti;
  • bassi rapporti altezza/base;
  • interpiani di uguale altezza per uniformare le rigidezze in elevazione;
  • forma simmetrica in pianta per ridurre gli effetti torsionali;
  • stessa resistenza rispetto ai due assi principali;
  • distribuzione omogenea delle masse ai vari piani;
  • sezioni e altezza degli elementi strutturali uniformi per ridurre la concentrazione degli sforzi;
  • elementi strutturali lungo il perimetro per aumentare la rigidezza torsionale;
  • luci piccole per ridurre le tensioni negli elementi strutturali;
  • iperstaticità interna per permettere la ridistribuzione delle azioni interne, assenza di elementi verticali in falso;
  • assenza di spinte non eliminate e percorsi dei carichi diretti. 

Si ricorda inoltre che la normativa consente l’utilizzo di tecniche di nuova generazione per la riduzione degli effetti del sisma sulle costruzioni ovvero dispositivi antisismici quali dissipatori e sistemi di isolamento alla base. 
Bisogna infine ricordare che tutti gli elementi secondari della struttura, ovvero le parti della costruzione che non sono adibite alla resistenza alle azioni sismiche (quali ad esempio muri o pannelli di tamponamento, cornicioni e camini, tramezzi interni, finestre, controsoffitti, parapetti, impianti e arredamento in genere ecc.) possono rappresentare anch’essi un notevole rischio per la vita delle persone durante un evento sismico, e di conseguenza è di fondamentale importanza assicurarsi nei confronti del loro possibile danneggiamento. 
Anche sotto il profilo economico accade sovente che il maggior contributo alle perdite causate da un terremoto sia imputabile proprio al danno subito dai componenti non strutturali, che incidono in larga misura sul costo di costruzione. Così pure eventuali modifiche architettoniche in merito alla rimozione o demolizione di elementi secondari (quali ad esempio scale interne, muri di tamponamento ecc.), dovute a ragioni estetiche o di adeguamento funzionale (accessibilità, impiantistica antincendio, energetica, ecc.) eseguite dopo la realizzazione dell’opera, che provochino alterazioni della rigidezza degli elementi strutturali o modifichino la distribuzione delle masse, possono comportare notevoli ricadute sulla sismo-resistenza strutturale e condizionare la prestazione dell’intero edificio.

Metodi di analisi e di verifica

Gli effetti del sisma sulle costruzioni dipendono non solo dalle caratteristiche dell’input sismico (entità dell’accelerazione del suolo, frequenza ecc.) ma anche dal modo in cui la struttura risponde a tale input. 
Per studiare la risposta degli edifici sono stati proposti nel tempo molti metodi di schematizzazione e modellazione, per semplificare e rendere calcolabile e prevedibile in modo sufficientemente preciso il comportamento delle strutture. Tali metodi consentono di ottenere risultati sufficientemente precisi nel caso di strutture con caratteristiche geometriche e meccaniche facilmente schematizzabili, mentre sono ancora di dubbia accuratezza per quelle strutture caratterizzate da particolare complessità del comportamento e delle forme (ciò vale soprattutto per le strutture murarie storiche). 
La moderna progettazione antisismica delle strutture prevede che le prestazioni della costruzione (capacità) siano superiori agli effetti dell’azione sismica (domanda) per gli stati limite considerati.
I quattro stati limite fissati dalle attuali norme per la verifica strutturale sono:

  • lo stato limite di operatività (SLO);
  • lo stato limite di danno (SLD);
  • lo stato limite di salvaguardia della vita (SLV);
  • lo stato limite di prevenzione del collasso (SLC);

dei quali i primi due relativi ai limiti di esercizio e i secondi ai limiti ultimi.

È importante però ricordare che, per conseguire le prestazioni strutturali attese, un’accurata progettazione non è sufficiente se non è seguita da un attento controllo durante le fasi di realizzazione dell’opera (verifica della corrispondenza tra elaborati di progetto e stato di fatto, controllo in corso d’opera sulla qualità e/o sull’esecuzione dei materiali ecc.) e da una periodica manutenzione. 
L’entità delle azioni sismiche che corrispondono agli stati limite ultimi non permette, in genere, alla struttura di comportarsi elasticamente; tuttavia ciascuna struttura, in misura diversa, è in grado di sopportare deformazioni oltre il limite elastico, prima di giungere a rottura. Questa capacità, indicata con il termine duttilità, costituisce una proprietà meccanica non meno importante della stessa resistenza. 
Le normative prevedono dei criteri generali di progettazione miranti a garantire un comportamento complessivo duttile e dissipativo tramite una progettazione delle strutture secondo il criterio della gerarchia delle resistenze (o capacity design). Il soddisfacimento dei criteri di duttilità locale (specificati per i diversi materiali e le diverse tipologie costruttive tramite i dettagli costruttivi) e dei criteri di duttilità globale (ovvero le regole generali che stabiliscono i meccanismi da prevedere a livello dell’intero organismo strutturale) permette di realizzare strutture in classe di duttilità alta (CDA) o in classe di duttilità bassa (CDB) a seconda del comportamento dissipativo desiderato. 
In funzione della risposta strutturale la normativa propone metodi di analisi lineare e non lineare per la valutazione degli effetti del sisma sulle costruzioni. 
L’analisi lineare può essere utilizzata per calcolare gli effetti delle azioni sismiche per sistemi sia dissipativi che non dissipativi. 
Per la progettazione e la verifica di un edificio non dissipativo si adottano spettri di risposta elastici (calcolati assumendo un fattore di smorzamento convenzionale), mentre per la progettazione di un edificio dissipativo si adottano spettri ridotti di un fattore di struttura q, funzione del livello di danneggiamento accettato per lo stato limite considerato. 
L’analisi non lineare viene utilizzata per sistemi dissipativi e tiene conto delle non linearità di materiale e caratteristiche geometriche. Per entrambi i metodi di analisi, lineare e non lineare, l’equilibrio può essere imposto con criteri statici o dinamici. 
Il metodo di analisi lineare più diffuso per la determinazione degli effetti dell’azione sismica è l’analisi modale con spettro di risposta. Tramite l’analisi modale è possibile individuare i modi naturali di vibrare di una costruzione e le configurazioni deformate associate. 
I modi di vibrare sono una caratteristica propria della struttura e sono contraddistinti da periodi propri di oscillazione. Per un sistema a un grado di libertà il periodo proprio di oscillazione è pari a [NOTA PER AUTORE: manca qualcosa] essendo ω la pulsazione naturale, K la rigidezza e m la massa del sistema. Il più rigido fra due sistemi aventi la stessa massa avrà la maggiore pulsazione e il minor periodo, il più pesante fra due sistemi aventi la stessa rigidezza avrà la minore pulsazione e il maggior periodo. Edifici a più gradi di libertà possiedono diversi modi di vibrare ma per la progettazione di strutture regolari è importante soprattutto il periodo associato al primo modo di vibrare.  In generale comunque la deformata e lo stato di sollecitazione indotti dal sisma vengono calcolati combinando gli effetti relativi ai vari modi di vibrare. Le forze inerziali associate a ogni modo di vibrare della struttura sono proporzionali alla massa che partecipa al modo di vibrare in esame e alla accelerazione spettrale. L’accelerazione spettrale dipende anche dal tipo di suolo e dalle condizioni topografiche del sito di costruzione.
Per le sole costruzioni la cui risposta sismica, in ogni direzione principale, non dipenda significativamente dai modi di vibrare superiori, ovvero per costruzioni regolari in altezza che rispettino specifici requisiti imposti dalla normativa, è possibile utilizzare, sia per sistemi dissipativi che per sistemi non dissipativi, l’analisi statica (lineare e non lineare) che consiste nell’applicazione di forze statiche orizzontali equivalenti alle forze di inerzia indotte dall’azione sismica.

Bibliografia

Chopra A.K., Dynamics of structures, quarta edizione, Englewood Cliffs, New Jersey, 2012; Paulay T., Priestley M.J.N., Seismic design of reinforced concrete and masonry buildings, New York, 1992; d.m. 14.01.2008 (G.U. n. 29 del 04.02.2008) e relative Istruzioni applicative (Circolare M.I.T. del 02.02.2009).

 

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