Ingegneria sismica -Teoria 1

Università degli Studi della Basilicata

Scuola di Ingegneria

Ingegneria sismica

I parte

Anno Accademico 2020/2021

Appunti di Ingegneria Sismica

Indice

• Aspetti generali della progettazione antisismica ......................................................................... 3
• 1) Performance-based design ............................................................................................................ 3
• 2) Duttilità globale e duttilità locale ....................................................................................... 11
• 3) Capacity design .................................................................................................................................. 57
• 4) Fattore di comportamento .......................................................................................................... 63
• 5) NTC 2018 .................................................................................................................................................. 70
• NTC 2018 .............................................................................................................................................................. 78
• 1) Metodi di analisi ............................................................................................................................... 120
• 2) Criteri di verifica ............................................................................................................................ 165
• 3) Costruzioni in calcestruzzo ..................................................................................................... 174
• 4) Dettagli costruttivi ...................................................................................................................... 193
• Modellazione ................................................................................................................................................ 203
• Comportamento sismico ponti ............................................................................................................... 231
• Comportamento sismico delle strutture in muratura ............................................................. 278
• Isolatori sismici ........................................................................................................................................... 301
• Aspetti tecnologici e caratteristiche meccaniche dei dispositivi di isolamento 329
• Inquadramento normativo ............................................................................................................. 351
• Modellazione ........................................................................................................................................ 367
• Metodi di analisi ................................................................................................................................... 373
• Verifiche .................................................................................................................................................. 381

2 Appunti di Ingegneria Sismica

Lezione 11 (8 Aprile 2021)

Aspetti generali della progettazione antisismica

Trattata la Dinamica delle Strutture si andrà a trattare gli aspetti ingegneristici che interessano di più, parlando degli aspetti che riguardano la progettazione antisismica delle strutture, in particolare degli edifici perché si focalizza l'attenzione appunto sugli edifici e nello specifico sull'edificio in cemento armato.

Dunque gli argomenti che si tratteranno sono sostanzialmente 4 ovvero:

• 1) L'approccio progettuale che si adotta per le strutture in zona sismica che prende il nome di performance-based design, ovviamente si usano molto spesso questi termini anglosassoni nella vita di tutti i giorni, si emulano gli americani nelle cose che fanno e nei termini che loro usano però bisogna riconoscere che nel mondo in cui ci si muove molte delle cose che oggi vengono scritte nelle normative europee, italiane, ecc. sono state sviluppate in questi contesti e quindi il nome anglosassone è un po' un riconoscimento a chi queste cose le ha proposte e applicate per prima. Performance-based design significa progettazione basata sulla prestazione.
• 2) Duttilità globale e duttilità locale.
• 3) Capacity design significa progettazione in capacità.
• 4) Fattore di struttura.

Il performance-based design e il capacity design sono due punti essenziali che caratterizzano e distinguono profondamente la progettazione che si andrà a fare per le strutture in cemento armato rispetto a quella fatta in Tecnica delle Costruzioni. E dal momento che sostanzialmente tutta l'Italia è sismica, e con alcune deroghe e con alcune eccezioni quanto si dirà vale in tutta Italia, allora sostanzialmente ci si rende conto che quello che si andrà a dire ha valenza di tipo universale.

Gli altri due argomenti che si affronteranno e che rivestono una grande importanza sono il concetto di duttilità e il fattore di struttura che si è già incontrato parlando dello spettro anelastico, sarebbe un parente stretto di R ovvero il fattore di abbattimento delle ordinate spettrali che si vedrà nel contesto normativo.

In seguito si parlerà in modo approfondito del capitolo 7 delle NTC2018, la parte del capitolo rivolto agli alle strutture in cemento armato.

1) Performance-based design

Si parte con il primo punto denominato appunto performance-based design, ovvero è una procedura di progettazione in cui vengono identificati i livelli di prestazione da soddisfare al variare dell’intensità sismica correlandoli alla risposta strutturale in termini di spostamento di un punto o spostamento relativo fra punti della struttura. Questo approccio è valido sia per le strutture nuove e a maggior ragione per le strutture esistenti, è stato proposto inizialmente dagli americani e consiste nell'identificare una serie di scenari di danno, questi livelli prestazionali vanno visti come scenari di danno, per poi associare ciascuno scenario di danno selezionato ad un diverso livello di intensità sismica, richiedendo così che quello scenario di danno debba essere verificato, debba essere non superato per quel determinato livello di intensità sismica.

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Detto ciò è chiaro che a un generico punto del territorio in cui ci si trova non esiste l'intensità del terremoto in modo ben definita, il terremoto è un fenomeno probabilistico quindi esistono probabilità di accadimento o di superamento correlate a delle intensità, quindi in un certo luogo può arrivare un terremoto di bassa intensità e questo è molto più probabile rispetto a un terremoto di media intensità che, a sua volta, è più probabile di un terremoto di elevata intensità mentre è abbastanza raro l’evento estremo, quindi più semplicemente in un punto del territorio esistono delle probabilità.

Il performance-based design associa queste probabilità, e quindi questi livelli di intensità sismica, a degli scenari di danno che evidentemente saranno progressivamente più gravi ed estesi e ne richiede la verifica, la quale a rigore viene espressa in termini di spostamenti o meglio qui ci sta una precisazione da fare perché fintanto che il comportamento strutturale è un comportamento “elastico” allora ragionare in termini di spostamenti o forze è la stessa cosa, di mezzo c'è una rigidezza da considerare (una costante) quindi è indifferente, ma nel momento in cui si va in campo plastico, a quel punto evidentemente bisogna ragionare solo in termini di spostamenti. In altri termini, se in prima battuta si assume che la struttura abbia un comportamento di questo tipo (Cfr. Fig. 1), fintanto che la risposta massima della struttura si sviluppa lungo questa retta allora parlare in termini di forze o di spostamenti è equivalente perché c'è un legame univoco attraverso una = ∙ , costante ma nel momento in cui la risposta si sviluppa lungo la retta orizzontale ragionare in termini di forze è assolutamente inutile perché la forza è costante, quello che varia è lo spostamento quindi la prestazione è espressa da spostamenti crescenti.

Figura 1 Diagramma forza-spostamento.

Tornando ai livelli prestazionali, gli scenari si può dire che gli americani ne definirono 5 però dipende dalle norme, dalle linee guida è una sorta di elenco che vede via via aggravarsi, naturalmente può essere diverso, più dettagliato o meno dettagliato.

Dunque in quest'ambito si può, per il momento, fare riferimento a 5 livelli prestazionali:

• Completa operatività, è uno scenario di danno per il quale dopo l’evento sismico non vengono interrotte le attività che si svolgevano all'interno della struttura e i danni di qualsiasi tipo, strutturali o non strutturati, sono trascurabili e non occorre spendere soldi per ripararle.
• Operatività, in cui ancora una volta non vengono interrotte le attività ma ora ci sono dei danni non strutturali, sono limitati e richiedono una riparazione che potrebbe anche essere differita nel tempo (intanto ci si continua a stare all’interno).
• Riparabilità, un livello prestazionale in cui i danni iniziano a essere significativi e sono tali da interrompere anche le attività, le persone devono uscire, sono danni che riguardano estesamente le parti non strutturali (tamponature, tramezzi, l'impianto) ma anche gli elementi strutturali, tuttavia da un punto di vista tecnico ed economico questi danni sono riparabili.
• Salvaguardia della vita umana, si potrebbe avere un ulteriore scenario di danno in cui i danni sono così ingenti che addirittura potrebbe essere tecnicamente o economicamente non conveniente ripararli, e tuttavia non c'è stata perdita di vita umana. La struttura si è pesantemente danneggiata, non solo non è collassata globalmente ma neanche tanto danneggiata localmente da provocare morti o feriti gravi.
• Collasso, un livello successivo in cui la struttura va demolita, è in una condizione di incipiente collasso in cui ci potrebbe essere qualche collasso o rottura locale, tanto da mettere a rischio la vita umana.

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Figura 2 Foto che focalizzano l'attenzione sui livelli prestazionali.

Con riferimento alla riparabilità si osservano degli scenari di danno riferiti a 3 strutture differenti, i danni sono significativi, evidenti, tali anche da interrompere le attività guardando in particolare vi è una tamponatura che è saltata. Pertanto va demolita e ricostruita quindi chi ci sta dentro deve uscire ma certamente sono danni riparabili.

Potrebbero non essere danni riparabili quelli associati al livello successivo, in quanto questi danni sono danni di carattere anche strutturale che comportano distacchi di pareti, collasso a taglio di elementi murari portanti (lesioni a X) o di solai, formazione di plasticizzazioni molto evidenti in testa e al piede dei pilastri con spostamenti residui molto significativi tali da non consentire più la riparazione, ma in tutti questi casi si presume che chi ci stava dentro (a meno che non gli è caduta addosso la libreria) ha avuto la possibilità di uscire e magari anche di recuperare le sue cose.

Chiaramente questo non accade più nel momento in cui si hanno dei collassi, quando la struttura si porta in una condizione di incipiente collasso non ha più una capacità residua di affrontare una scossa di assestamento o addirittura potrebbe non portare più i carichi verticali, quindi va demolita e potrebbero esserci conseguenze sulle vite umane.

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Se si immagina di effettuare un esperimento o una simulazione numerica su una struttura che potrebbe essere ad esempio un edificio con struttura intelaiata che consiste nell'applicare un sistema di forze come mostrato in Fig. 3. Si applicano forze orizzontali che vogliono simulare le forze d'inerzia prodotte dal sisma in qualche modo, con la caratteristica che il sistema di forze non è di intensità fissata ma è una distribuzione la cui intensità viene fatta crescere progressivamente fino a portare al collasso la struttura.

Figura 3 Struttura intelaiata considerata nell'esperimento con un certo sistema di forze.

Quindi, ad esempio, potrebbe essere come in questo caso una distribuzione lineare di forze applicata ai piani che progressivamente partendo dal da una configurazione base (tipo 1 2 3 4 kN) viene fatta crescere, e nel caso della simulazione numerica applicata ad un modello non lineare sviluppa evidentemente delle plasticizzazioni all'interno della struttura e via via queste plasticizzazioni si sviluppano, crescono fino ad arrivare a una condizione ultima di collasso.

Si vedrà che questo tipo di analisi è prevista dalla normativa e prende il nome di analisi push over (spingere fino alla fine, spingere fino alla morte). Il risultato di questa analisi viene generalmente riportato in un piano in cui in ascissa si riporta lo spostamento di un punto significativo della struttura, che generalmente viene fatto coincidere con la sommità, e in ordinata viene riportata la somma delle forze applicate, quindi il taglio alla base.

Immaginando di fare quest'analisi step by step, si ottengono via via dei punti sommando le forze leggendo lo spostamento in sommità per cui alla fine si uniscono questi punti. Per una struttura ben fatta verrà fuori una curva qualitativamente di questo tipo (Cfr. Fig. 4).

Figura 4 Risultato dell'analisi condotta per l'esperimento considerato.

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Si osserva una curva che presenta un tratto iniziale elastico, e via via si perde la linearità e la pendenza della curva diminuisce fino ad arrivare ad un picco, ad un asintoto orizzontale o anche semplicemente a un picco di forza, dopo il quale essendo l'analisi condotta in controllo di spostamento, cioè facendo crescere progressivamente gli spostamenti applicati allora la forza diminuisce.

Nel tratto finale in sostanza la struttura è già in una condizione di collasso e viene accompagnata piano piano riducendo la forza e facendo comunque crescere progressivamente lo spostamento ma nel tratto discendente la struttura è già in uno stato di collasso. Su questo diagramma mostrato si possono andare a identificare i diversi livelli prestazionali/scenari di danno attraverso le barre orizzontali che si hanno al di sotto.

Si ha un livello di operatività (operational), occupazione immediata (continued occupancy), riparabilità (repairable), salvaguardia della vita (life-safe) e incipiente collasso (collapse). Questo esperimento conferma quello che si diceva in precedenza, ovvero in buona sostanza ciò che bisogna controllare sono gli spostamenti piuttosto che le forze, perché come si può osservare il passaggio da nessun danno al collasso avviene per variazioni di forza che sono molto piccole ma al tempo stesso per variazioni di spostamento che sono molto grandi.

Volendo parlare di step da compiere per applicare questa procedura di progettazione allora si avrà:

• Step 1. Il primo step è quello di definire degli obiettivi target, ovvero dei livelli prestazionali (scenari di danno) o, usando un termine familiare, stati limite. Quando si dice nessun danno, continuità nelle attività si sta esprimendo questo concetto e lo si fa n volte perché non ci si accontenta di un solo livello prestazionale ma più livelli.
• Step 2. Queste definizioni appena date sono di tipo qualitativo, ma essendo ingegneri si ragiona con i numeri non con le parole, quindi lo step 2 traduce questa visione qualitativa in una visione quantitativa, ovvero si esprime la prestazione o il danno in termini di parametri, di domanda ingegneristici, ad esempio spostamenti assoluti, spostamenti relativi, rotazioni, forze ciò cose che si possono misurare e usare per le verifiche. Per esprimere un livello prestazionale si fa riferimento a prove sperimentali, studi passati, osservazioni di terremoti passati che ci forniscono i limiti di spostamento che contraddistinguono la possibilità di limitare i danni, di poter non interrompere l'attività. In questo modo si è tradotto un concetto astratto qualitativo in un parametro ingegneristico, in questo caso lo spostamento relativo, fissando un numero, un riferimento numerico.
• Step 3. Il passo successivo è il passo più critico, più delicato ed è quello in cui si associa ad un dato livello prestazionale o ad un dato parametro ingegneristico (da verificare) il livello di intensità sismica per cui quel dato scenario, o quel dato parametro ingegneristico deve essere verificato. A tal proposito sempre gli americani definiscono una matrice (sebbene in figura fa riferimento a livelli prestazionali differenti) che fa un'operazione di correlazione dei livelli prestazionali sismici con dei livelli di intensità sismica di progetto. Si definisce una matrice 4 x 4 (Cfr. Fig. 5).

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Figura 5 Matrice che correla i livelli prestazionali sismici con dei livelli di intensità sismica di progetto.

Questa matrice ha 16 celle ma è evidente che alcune di queste sono irrealistiche, sono da scartare. Le celle da scartare sono quelle bianche per esempio è assurdo pensare di richiedere al progettista di una struttura, di basare la progettazione, di andare a verificare un incipiente collasso per un’azione sismica frequente, nessuno progetterebbe un edificio per resistere a una condizione di danno di incipiente collasso per terremoti frequenti. È chiaro che ci sono alcune celle che vanno scartate, in realtà ci si muove dalla diagonale principale a scendere in basso, e di fatto la scelta più frequente è proprio quella di muoversi lungo la diagonale principale perché è evidente che la verifica di un