Appunti e Progetto Struttura Sismica

Introduzione

Oggetto del presente lavoro è la progettazione di un edificio destinato a civile abitazione in classe di duttilità alta con struttura intelaiata in C.A., mediante analisi dinamica lineare e in riferimento alle “Norme indicazioni contenute nel D.M. 14/01/2008 Tecniche per le Costruzioni” e nella circolare esplicativa n. 617 del 02/02/2009 emanata dal C.S.LL.PP. dell’opera.

Descrizione

Caratteristiche architettoniche e strutturali

La pianta tipo dell'edificio è mostrata di seguito, unitamente ai parametri strutturali, alle caratteristiche strutturali principali e dell'azione sismica di riferimento. L’edificio oggetto della relazione presenta lungo la direzione X cinque campate, mentre in direzione Y quattro e si sviluppa per sei piani con altezze interpiano costanti e pari a 3 m. Il lato lungo ha direzione coincidente con quella dell’asse X del riferimento globale e il lato corto è diretto come l’asse Y. La copertura è piana e praticabile. Il vano scala è costituito da solette rampanti e un vano ascensore in struttura metallica (pertanto non verrà modellato).

• Classe di duttilità: A
• Orditura dei solai in direzione Y

Caratteristiche strutturali

• Numero di impalcati: 6 inclusa la copertura
• Altezza interpiano: 3 m
• Luce massima campata: 5 m
• Classe d’uso: 1 - struttura ad uso civile
• Vita nominale: 50 anni
• Solai in latero-cemento di spessore pari a 29.5 cm (parte strutturale: 22 cm; parte non strutturale: 7.5 cm)
• Copertura piana, accessibile per sola manutenzione
• Tamponature in mattoni forati
• Calcestruzzo di classe C 25-30
• Acciaio da C.A. di tipo B 450C

¹ NTC 2008 - 2.4.2 Classe II: costruzioni il cui uso preveda normali affollamenti, senza contenuti pericolosi per l’ambiente e senza funzioni pubbliche e sociali essenziali. Industrie con attività non pericolose per l’ambiente. Ponti, opere infrastrutturali, reti viarie non ricadenti in Classe d’uso III o in Classe d’uso IV, reti ferroviarie la cui interruzione non provochi situazioni di emergenza. Dighe il cui collasso non provochi conseguenze rilevanti.

² NTC 2008 - 2.4.1 - Vita Nominale: è intesa come il numero di anni nel quale la struttura, purché soggetta alla manutenzione ordinaria, deve potere essere usata per lo scopo al quale è destinata. Per opere ordinarie come quella in questione si può assumere V = 50 anni.

Azione sismica:

• Zona in cui è ubicato l’edificio: Potenza
• Tipo di suolo: B
• Coefficiente topografico: .

Si effettuerà:

• Analisi modale della struttura
• Esame dei modi di vibrare (forme modali, periodi di vibrazione, masse eccitate) e dei tagli di piano assorbiti dai telai nelle due direzioni principali
• Progettazione mediante analisi dinamica lineare con spettro di risposta, ai sensi della normativa sismica italiana NTC 2008. In particolare saranno progettate due travate e tre pilastrate per le quali verrà realizzato il disegno esecutivo delle armature, comprendente una distinta delle armature longitudinali e trasversali impiegate ed i particolari costruttivi di un adeguato numero di sezioni trasversali.

³ NTC 2008 – 7.2.6 - Criteri di modellazione della struttura: Gli orizzontamenti possono essere considerati infinitamente rigidi nel loro piano, a condizione che siano realizzati in cemento armato, oppure in latero-cemento con soletta in c.a. di almeno 40 mm di spessore.

⁴ NTC 2008: - 3.2.2 – Categorie di sottosuolo e condizioni topografiche: B. Rocce tenere e depositi di terreni a grana grossa molto addensati o terreni a grana fine molto consistenti.

⁵ NTC 2008: - 3.2.2 – Categorie di sottosuolo e condizioni topografiche: T1. Superficie pianeggiante, pendii e rilievi isolati con inclinazione media.

Principi fondamentali

Le Norme Tecniche per le Costruzioni 14/01/2008 definiscono i principi per il progetto, l’esecuzione e il collaudo delle costruzioni, nei riguardi delle prestazioni loro richieste in termini di requisiti essenziali di resistenza meccanica e stabilità, anche in caso di incendio e di durabilità. Esse forniscono quindi i criteri generali di sicurezza, precisano le azioni che devono essere utilizzate nel progetto, definiscono le caratteristiche dei materiali e dei prodotti e, più in generale, trattano gli aspetti attinenti alla sicurezza strutturale delle opere.

Le opere e le componenti strutturali devono essere progettate, eseguite, collaudate e soggette a manutenzione in modo tale da consentirne la prevista utilizzazione, in forma economicamente sostenibile e con il livello di sicurezza previsto dalle presenti norme. La sicurezza e le prestazioni di un’opera o di una parte di essa devono essere valutate in relazione agli stati limite che si possono verificare durante la vita nominale. Stato limite è la condizione superata la quale l’opera non soddisfa più le esigenze per le quali è stata progettata. I capitoli specifici definiscono le opere e le varie tipologie strutturali i quali devono possedere i seguenti requisiti:

• Sicurezza nei confronti di stati limite ultimi (SLU): capacità di evitare crolli, perdite di equilibrio e dissesti gravi, totali o parziali, che possano compromettere l’incolumità delle persone ovvero comportare la perdita di beni, ovvero provocare gravi danni ambientali e sociali, mettere fuori servizio l’opera;
• Sicurezza nei confronti di stati limite di esercizio (SLE): capacità di garantire le prestazioni previste per le condizioni di esercizio;
• Robustezza nei confronti di azioni eccezionali: capacità di evitare danni sproporzionati rispetto all’entità delle cause innescanti quali incendio, esplosioni, urti.

Il superamento di uno stato limite ultimo ha carattere irreversibile e si definisce collasso, mentre il superamento di uno stato limite di esercizio può avere carattere reversibile o irreversibile. La durabilità, definita come conservazione delle caratteristiche fisiche e meccaniche dei materiali e delle strutture, proprietà essenziale affinché i livelli di sicurezza vengano mantenuti durante tutta la vita dell’opera, deve essere garantita attraverso una opportuna scelta dei materiali e un opportuno dimensionamento delle strutture, comprese le eventuali misure di protezione e manutenzione. I prodotti ed i componenti utilizzati per le opere strutturali devono essere chiaramente identificati in termini di caratteristiche meccanico fisico - chimiche indispensabili alla valutazione della sicurezza.

Stati limite

Stato Limite Ultimo (SLU)

Tale stato limite prevede che sotto l'effetto della azione sismica di progetto, caratterizzata da una probabilità di superamento non maggiore del 10% in 50 anni, le strutture degli edifici, ivi compresi gli eventuali dispositivi antisismici di isolamento e/o dissipazione, pur subendo danni di grave entità agli elementi strutturali e non strutturali, devono mantenere una residua resistenza e rigidezza nei confronti delle azioni orizzontali e l’intera capacità portante nei confronti dei carichi verticali. I principali Stati Limite Ultimi, sono elencati nel seguito:

• Perdita di equilibrio della struttura o di una sua parte;
• Spostamenti o deformazioni eccessive;
• Raggiungimento della massima capacità di resistenza di parti di strutture, collegamenti, fondazioni;
• Raggiungimento della massima capacità di resistenza della struttura nel suo insieme;
• Raggiungimento di meccanismi di collasso nei terreni;
• Rottura di membrature e collegamenti per fatica;
• Rottura di membrature e collegamenti per altri effetti dipendenti dal tempo;
• Instabilità di parti della struttura o del suo insieme.

Stato limite di Esercizio (SLE)

Tale stato limite prevede che le costruzioni nel loro complesso, includendo gli elementi strutturali e quelli non strutturali, ivi comprese le apparecchiature rilevanti alla funzione dell’edificio, non devono subire danni gravi ed interruzioni d'uso in conseguenza di eventi sismici che abbiano una probabilità di occorrenza più elevata di quella della azione sismica di progetto, ma non maggiore del 50% in 50 anni, e che hanno quindi una significativa probabilità di verificarsi più di una volta nel corso della durata utile dell'opera; i danni strutturali sono di entità trascurabile per particolari categorie di costruzioni, in relazione alla necessità di mantenerle pienamente funzionali anche dopo terremoti violenti, si possono adottare valori maggiorati delle azioni, facendo riferimento a probabilità di occorrenza simili o più vicine a quelle adottate per la sicurezza nei confronti del collasso. I principali Stati Limite di Esercizio sono elencati nel seguito:

• Danneggiamenti locali (ad es. eccessiva fessurazione del calcestruzzo) che possano ridurre la durabilità della struttura, la sua efficienza o il suo aspetto;
• Spostamenti e deformazioni che possano limitare l’uso della costruzione, la sua efficienza e il suo aspetto;
• Spostamenti e deformazioni che possano compromettere l’efficienza e l’aspetto di elementi non strutturali, impianti, macchinari;
• Vibrazioni che possano compromettere l’uso della costruzione;
• Danni per fatica che possano compromettere la durabilità;
• Corrosione e/o eccessivo degrado dei materiali in funzione dell’ambiente di esposizione.

Verifiche

Le opere strutturali devono essere verificate:

• Per gli stati limite ultimi che possono presentarsi, in conseguenza alle diverse combinazioni delle azioni;
• Per gli stati limite di esercizio definiti in relazione alle prestazioni attese.

La verifica della sicurezza nei riguardi degli stati limite ultimi di resistenza si effettua con il metodo dei coefficienti parziali di sicurezza espresso dalla equazione formale: \(R_d \geq E_d\)

• R_d è la resistenza di progetto, valutata in base ai valori di progetto della resistenza dei materiali e ai valori nominali delle grandezze geometriche interessate;
• E_d è il valore di progetto dell’effetto delle azioni.

I coefficienti parziali di sicurezza, \(\gamma_M\) e \(\gamma_F\), associati rispettivamente al materiale i-esimo e all’azione j-esima, tengono in conto la variabilità delle rispettive grandezze e le incertezze relative alle tolleranze geometriche e alla affidabilità del modello di calcolo. La verifica della sicurezza nei riguardi degli stati limite di esercizio si esprime controllando aspetti di funzionalità e stato tensionale.

Materiali e caratteristiche del sistema

Materiali e resistenze di calcolo

Per quanto concerne i materiali impiegati, si è scelto di usare un calcestruzzo di classe C25/30, tipologia con valore minimo di resistenza proposto dalla normativa per strutture di tipo residenziale, (NTC08 tabella 4.1.I) ed un acciaio in barre ad aderenza migliorata B450C (NTC08 11.3.2). La determinazione delle resistenze viene effettuata con le relazioni fornite dalla normativa.

Calcestruzzo

La resistenza di calcolo a compressione del calcestruzzo, \(f_{cd}\), è pari a (NTC08 4.1.2.1.1.1):

• \(f_{ck}\) è la resistenza caratteristica cilindrica a compressione del calcestruzzo a 28 giorni;
• \(\gamma_c\) è il fattore parziale di sicurezza per il calcestruzzo pari a 1.5;
• \(\alpha\) è il coefficiente che tiene conto degli effetti di lunga durata sulla resistenza a compressione, pari a 0.85.

Per il modulo elastico \(E_c\), in sede di progettazione si può assumere (NTC08 11.2.10.3):

• \(f_{cm}\) è il valore medio della resistenza caratteristica cilindrica a compressione (NTC08 11.2.10.1). Per classi di resistenza inferiori a C50/60 si ha una resistenza media a trazione semplice (assiale) pari a (NTC08 11.2.10.2): \(f_{ctm}\)

I diagrammi costitutivi del calcestruzzo sono stati adottati in conformità alle indicazioni riportate al punto 4.1.2.1.2.2 del D.M. 14 gennaio 2008; in particolare per le verifiche effettuate a pressoflessione retta e pressoflessione deviata è adottato il modello riportato in Figura.

La deformazione massima è assunta pari a 0.0035. Si ritiene opportuno riportare un quadro riassuntivo di tutte le caratteristiche del calcestruzzo utilizzato: Cls (C25/30)

Per il coefficiente di Poisson si adotta un valore pari a 0,2 valido per calcestruzzi non fessurati (NTC08 11.2.10.4).

Acciaio

L’acciaio per cemento armato B450C è caratterizzato da un valore nominale della tensione caratteristica di snervamento e rottura da utilizzare nei calcoli (NTC08 11.3.2) e inoltre deve rispettare i requisiti indicati nella tabella 11.3.Ib. La resistenza di calcolo è data da (NTC08 4.1.2.1.1.6):

• f_yk è la tensione caratteristica di snervamento ( ) relativa ad un frattile del 5%. Nel caso in esame si è posto ;
• \(\gamma_s\) è il fattore parziale di sicurezza per l’acciaio pari a 1,15.

Il valore di progetto del modulo elastico si assume pari a (NTC08 11.3.4). I diagrammi costitutivi dell’acciaio sono stati adottati in conformità alle indicazioni riportate al punto 4.1.2.1.2.3 del D.M. 14 gennaio 2008; in particolare è adottato il modello elastico perfettamente plastico rappresentato in Figura(b).

Si riporta di seguito una tabella riassuntiva delle caratteristiche principali dell’acciaio B450C:

Vita Nominale

La vita nominale di una struttura, indicata sinteticamente con V, è il numero di anni entro il quale l’opera deve poter essere utilizzata assolvendo alle funzioni per le quali è stata costruita, escludendo interventi di manutenzione straordinaria. La vita nominale dei diversi tipi di opere, da riportare nei documenti di progetto, è quella indicata nella tabella 2.4.I al paragrafo 2.4.1 delle NTC 2008, di seguito riportata: Al punto 2 è evidenziata il valore da considerare per l’elaborato in progetto, vale a dire 50 anni.

Classi d’uso

In presenza di azioni sismiche, con riferimento alle conseguenze di una interruzione di operatività o di un eventuale collasso, in ottemperanza al paragrafo 2.4.2 dell’attuale normativa nazionale, le costruzioni sono suddivise in classi d’uso così definite:

• Classe I: Costruzioni con presenza solo occasionale di persone, edifici agricoli.
• Classe II: Costruzioni il cui uso preveda normali affollamenti, senza contenuti pericolosi per l’ambiente e senza funzioni pubbliche e sociali essenziali. Industrie con attività non pericolose per l’ambiente. Ponti, opere infrastrutturali, reti viarie non ricadenti in Classe d’uso III o in Classe d’uso IV, reti ferroviarie la cui interruzione non provochi situazioni di emergenza. Dighe il cui collasso non provochi conseguenze rilevanti.
• Classe III: Costruzioni il cui uso preveda affollamenti significativi. Industrie con attività pericolose per l’ambiente. Reti viarie extraurbane non ricadenti in Classe d’uso IV. Ponti e reti ferroviarie la cui interruzione provochi situazioni di emergenza. Dighe rilevanti per le conseguenze di un loro eventuale collasso.
• Classe IV: Costruzioni con funzioni pubbliche o strategiche importanti, anche con riferimento alla gestione della protezione civile in caso di calamità. Industrie con attività particolarmente pericolose per l’ambiente. Reti viarie di tipo A o B e di tipo C quando appartenenti ad itinerari di collegamento tra capoluoghi di provincia non altresì serviti da strade di tipo A o B. Ponti e reti ferroviarie di importanza critica per il mantenimento delle vie di comunicazione, particolarmente dopo un evento sismico. Dighe connesse al funzionamento di acquedotti e a impianti di produzione di energia elettrica.

Periodo di riferimento per l’azione sismica

Al paragrafo 2.4.3. si richiede che le azioni sismiche su ciascuna costruzione vengano valutate in relazione ad un periodo di riferimento che si ricava, per ciascun tipo di costruzione, mediante il prodotto tra la vita nominale V e il coefficiente d’uso. Il valore del coefficiente d’uso è definito, al variare della classe d’uso, come mostrato nella tabella 2.4.II, di seguito riportata, in cui la colonna di riferimento per l’edificio in progetto è evidenziata. Se si pone comunque V = 50 anni.

Analisi dei carichi e predimensionamento strutturale

Calcolo dei carichi

Un’accurata valutazione dei carichi è un requisito imprescindibile di una corretta progettazione, in particolare per le costruzioni realizzate in zona sismica. Essa, infatti, è fondamentale ai fini della determinazione delle forze sismiche, in quanto incide sulla valutazione delle masse e dei periodi propri della struttura dai quali dipendono i valori delle accelerazioni (ordinate degli spettri di progetto). La valutazione dei carichi e dei sovraccarichi è stata effettuata in accordo con le disposizioni del Decreto Ministero Infrastrutture Trasporti 14 gennaio 2008 (G.U. 4 febbraio 2008, n. 29 - Suppl. Ord.) “Norme tecniche per le Costruzioni”. La valutazione dei carichi permanenti è effettuata sulle dimensioni definitive. La normativa prevede l’analisi di tutte le azioni che possono gravare sulla struttura. In particolare le azioni vengono classificate in permanenti, variabili e sismiche. I carichi permanenti si suddividono in strutturali e non strutturali. I primi comprendono i pesi propri degli elementi costruttivi e delle finiture, mentre i secondi includono tutte le altre azioni di lunga durata che insistono sulla struttura, come eventuali impianti fissi e le azioni di precompressione. Le azioni variabili sono influenzate da fattori ambientali e dal tipo di utilizzo dell’opera, come carichi accidentali, vento e neve. Le azioni sismiche sono valutate in base alla normativa vigente e sono espresse in termini di accelerazioni al suolo.