Progettazione consapevole e controllata delle strutture in acciaio in zona sismica

L'ingegnere Vincenzo Nunziata propone al mondo scientifico e professionale, attraverso l'articolo che segue, un nuovo metodo di progettazione in zona sismica, lo strength ductility design per la progettazione consapevole e controllata delle strutture in acciaio in zona sismica. Ecco la prima parte che rappresenta solo l'inizio di una serie di contributi testuali che l'ingegnere pubblicherà sul Nostro Magazine.
 
La ragione principale del nuovo metodo è stata il pericolo che una trattazione troppo complicata della progettazione strutturale in zona sismica, come previsto dall’attuale normativa, possa ridurre la sicurezza anziché incrementarla, come si è potuto constatare dal crollo di edifici o strutture nuove negli ultimi anni.
 
La trattazione classica è basata su principi teorici che difficilmente trovano riscontro nei casi di strutture reali interessate da sismi violenti, ma sono stati testati solo in laboratorio o mediante analisi numeriche agli elementi finiti. Tali principi sono favoriti nelle applicazioni dalle norme vigenti, anche se non universalmente accettati dalla comunità scientifica internazionale ma soprattutto non sufficientemente compresi e “metabolizzati” dai professionisti, costretti nella progettazione ad affidarsi a software di calcolo di tipo chiuso in special modo per le formule e procedure di verifica mutevoli in base alle norme che si avvicendano sempre più con maggiore frequenza.
 
Sulla base delle precedenti considerazioni è stato elaborato dall'ingegnere Nunziata un metodo semplificato per la progettazione in zona sismica, nel rispetto delle norme vigenti (NTC 2018), che consente al progettista strutturale una maggiore consapevolezza delle procedure e principi adottati ed in definitiva un maggior controllo dei risultati. Tale metodo si è indicato come “Progettazione per resistenza e duttilità o Strength Ductility Design”. Il metodo si basa su presupposti scientifici e filosofici di tipo generale e può essere applicato oltre che per l’acciaio, oggetto del presente articolo, anche al cemento armato, con le dovute correzioni che contraddistinguono le due diverse tipologie strutturali e realizzative.

Strength Ductility Design

Secondo il metodo di progettazione per resistenza e duttilità (o strength ductility design), in zona sismica: “le strutture presenteranno un comportamento elastico-resistente per il terremoto di progetto (spettro elastico, q≤1,5) con verifica della duttilità a livello deduttivo secondo una progettazione consapevole e controllata”. 
 
Per una corretta progettazione strutturale, in particolare in zona sismica, bisogna seguire delle fasi successive il cui rispetto nei punti significativi condurrà in conclusione alla realizzazione di una struttura caratterizzata da una Classe di Rischio Sismico (CRS) più o meno performante. Le classi di rischio sismico previste sono tre, con livello di sicurezza crescente: CRS/A – CRS/2A – CRS/3A, come di seguito definite.

Le fasi previste nella progettazione per resistenza e duttilità sono le seguenti:

1. Criteri generali di progettazione e regola d’arte
2. Criteri di analisi teorica e calcolo
3. Prescrizioni costruttive e controllo di esecuzione
4. Assegnazione della classe di rischio sismico.

Le fasi indicate oltre che facilmente memorizzabili fanno parte già parzialmente (escluso la fase 4) del bagaglio culturale del progettista strutturale[1] e vogliono essere una regola da osservare il più possibile e che sia duratura nel tempo.
 
Ogni fase principale sarà divisa in “sottofasi” di cui occorrerà tener conto per una corretta progettazione strutturale in zona sismica. L’osservanza di alcuni criteri generali di progettazione a regola d’arte, principi teorici e di calcolo, prescrizioni costruttive e di esecuzione, verrà premiata assegnando degli indici sismici IS più o meno alti, la cui somma finale condurrà alla definizione della Classe di Rischio Sismico (CRS) dell’edificio progettato. 

Criteri generali di progettazione e regola d’arte

Si vogliono introdurre alcuni concetti di progettazione strutturale a carattere generale anche di tipo filosofico in quanto la progettazione in zona sismica contiene in sé tutte le possibili azioni statiche e dinamiche a cui una struttura deve o potrebbe far fronte durante la sua vita nominale e i criteri generali per affrontare tali azioni in condizioni di sicurezza.
 
Per fare ciò occorre dimenticare per un momento di avere a disposizione dei potenti mezzi per il calcolo strutturale, computer e software, e immaginare la struttura nella propria mente nella sua configurazione tridimensionale fatta di forma, dimensioni e sezioni; escludendo per il momento schemi di calcolo unifilari, vincoli, modelli di analisi e quant’altro. 
 
Ripercorreremo insomma, in maniera sintetica e semplificata, il percorso mentale utilizzato dai nostri antenati ingegneri strutturisti, che in passato si chiamavano in altro modo, edili, costruttori, capomastri, che ha consentito la realizzazione di magnifiche opere strutturali nel corso dei secoli: ponti, templi, chiese, ancora oggi integri e funzionali, senza l’ausilio né dei mezzi di calcolo né della meccanica delle strutture o scienza delle costruzioni, ma solo delle capacità personali e artistiche e della buona “regola d’arte”. Quest’ultima è fondamentale per una corretta progettazione, altrimenti ci troveremmo a dover reinventare sempre cose o tecniche già sperimentate e utilizzate da altri; purtroppo essa è sempre più trascurata nell’insegnamento e nell’attività professionale.
 
In zona sismica le azioni cui una struttura dovrà far fronte sono essenzialmente di due tipi: 
 
1. azioni statiche: ovvero azioni che hanno a che fare con i carichi verticali o pesi permanenti ed accidentali;

2. azioni sismiche: ovvero azioni che hanno a che fare con il moto vibratorio che il terreno trasmette alla struttura in presenza di sisma.
 
Lo strutturista tra le infinite soluzioni a disposizione dovrà scegliere quella migliore che in funzione della specifica tipologia strutturale e destinazione d’uso consenta di affrontare tali azioni. Un buon progetto di un edificio in zona sismica dovrebbe coinvolgere fin dalla sua ideazione più figure professionali specialistiche, e in particolare il progettista architettonico e il progettista strutturale.
 
Se un progetto architettonico non è stato pensato anche in termini strutturali, come purtroppo accade nella maggioranza dei casi, anche il più bravo strutturi-sta che lo dovrà calcolare non potrà far altro che proporre la meno peggiore tra le soluzioni, per permetterne la realizzazione, ma certamente non efficiente dal punto di vista sismico[2].

La progettazione strutturale a regola d’arte dovrebbe tener conto di almeno 4 caratteristiche principali che la struttura dovrà possedere, massimizzandone le efficienze, ovvero:

•  qualità dei materiali

•   forma

•  iperstaticità e sovradimensionamento

•  regolarità e semplicità strutturale.

Qualità dei materiali

Alla base di tutto ciò che si costruisce ci sono i materiali e, anche se ovvio, possiamo dire che a parità di condizioni un edificio costruito con materiali di qualità, che consentono prestazioni meccaniche superiori, dimostra una maggiore resistenza alle azioni sismiche. Nella progettazione strutturale molte volte si dà quasi per scontato che i materiali impiegati siano di qualità, rinunciando persino a seguire in cantiere le fasi di getto del calcestruzzo e messa in opera o delegando tale importante funzione (propria dello strutturista), con le gravi conseguenze che possono verificarsi (figura 1.1).  

Figura 1.1 Materiali scadenti
 
Solo il giudizio esperto dello strutturista potrà immediatamente valutare in fase di esecuzione, eventualmente verificare e trovare riscontro mediante prove (obbligatorie per legge), la qualità dei materiali adoperati anche in riferimento alla destinazione d’uso e alle condizioni ambientali.

La forma di un edificio

La forma di un edificio ha un’importanza fondamentale nella progettazione antisismica e strutturale, tant’è che gli antichi architetti e ingegneri prediligevano forme semplici di tipo rettangolare o scatolare (figura 1.2), regolari e doppiamente simmetriche, senza che ciò influenzasse minimamente la qualità artistica e funzionale dell’edificio.

A differenza del passato i moderni architetti e ingegneri preferiscono oggi forme “strane” (figura 1.3) e complesse anche da realizzare, irregolari e asimmetriche e pertanto con elevato grado di pericolosità sismica oltre che statica.

Possiamo immaginare l’edificio come una “stecca” infissa nel terreno, di forma non necessariamente rettangolare, ma anche a L (figura 1.4), a T, a C, ecc.; in presenza di sisma, le vibrazioni del terreno vengono trasmesse alla stecca infissa, che si sposta, si deforma e ruota (si torce) intorno a un punto (baricentro delle rigidezze) che si trova nella parte più rigida della forma in pianta dell’edificio (rettangolo con inerzia maggiore).

Tale rotazione comporterà che alcuni elementi strutturali saranno più sollecitati di altri, per cui saranno richiesti dei pilastri o setti maggiorati con eccessive ar-mature per poter far fronte allo stato di sollecitazione senza che l’edificio crolli.

Figura 1.2 Palazzo Farnese, Vignola 1547-1565 circa, forma regolare

Figura 1.3 Forme irregolari

Figura 1.4 Edificio non simmetrico

Il fatto che alcuni (pochi) elementi strutturali siano molto più sollecitati di altri non è consigliabile in zona sismica, anzi da evitare, e ciò può essere fatto essenzialmente
inserendo dei giunti sismici che trasformano la forma complessa in un insieme di forme semplici (figura 1.5).

Figura 1.5 Edifici simmetrici giuntati

In presenza di forme irregolari, l’aiuto che può venire per raggiungere la simmetria strutturale dall’uso di elementi quali pilastri allungati in una direzione sfavorita (setti, nuclei) è veramente modesto, in quanto la forma con la relativa inerzia globale è preponderante.

Scientificamente parlando possiamo dire che l’azione di un terremoto su un edificio o su una generica struttura si manifesta mediante delle accelerazioni strutturali dovute al moto del terreno che, in base a noti principi di dinamica, si possono rappresentare con delle forze di inerzia equivalenti prevalentemente orizzontali agenti a livello dei vari piani dell’edificio dove si assume concentrata la massa relativa al piano[3].

Il punto in cui a livello di piano si immagina applicata tale forza è detto baricentro delle masse, esso corrisponde approssimativamente al baricentro geometrico della forma relativa al piano. Alle forze di inerzia applicate ai piani fanno equilibrio le forze resistenti a taglio dei vari elementi strutturali di cui si compone la struttura: telai, setti, nuclei, la cui risultante è applicata nel baricentro delle rigidezze.
 
Risulta evidente che un’eccessiva distanza o eccentricità tra il baricentro delle rigidezze e il baricentro delle masse produce un momento torcente di piano che oltre a incrementare gli spostamenti incrementa le sollecitazioni agenti sugli elementi più distanti dal baricentro delle rigidezze intorno al quale tende a ruotare la struttura. Una buona progettazione strutturale in zona sismica deve tendere a eliminare o ridurre tale eccentricità[4] al fine di eliminare o ridurre il momento torcente relativo. Ciò può essere fatto per forme dell’edificio rettangolari o simili mediante una opportuna disposizione degli elementi strutturali, mentre per le forme più complesse con l’inserimento di giunti sismici laddove è possibile.

Iperstaticità e sovradimensionamento

• l’iperstaticità ha a che fare con la ridondanza di vincoli statici strettamente necessari al sostegno della struttura. La struttura ha maggiori capacità di adattarsi a situazioni di carico e sollecitazioni non previste o semplicemente più gravose di quelle considerate. L’eventuale rottura di uno o più elementi strutturali non conduce a un collasso improvviso e catastrofico; 

• il sovradimensionamento ha a che fare con la ridondanza delle sezioni e delle caratteristiche meccaniche dei materiali. Tale caratteristica comporta uno stato tensionale nei materiali in esercizio (affaticamento) molto basso, che produce due effetti favorevoli: il primo è quello che le sezioni in condizioni eccezionali (sisma) presentano idonee riserve di resistenza; il secondo è che essendo il materiale poco sollecitato conserva una maggiore durata o vita utile che inevitabilmente l’invecchiamento insidia[5].

Le attuali normative mentre premiano le strutture iperstatiche con regole sem-plificate di progettazione e riduzioni di sollecitazioni in condizioni sismiche, penalizzano invece le strutture sovradimensionate in termini di sezioni e armature, prediligendo un comportamento più “duttile” (più deformabile e in definitiva più debole) che consente di assorbire l’energia sismica con grosse deformazioni (di conseguenza maggiori danni) salvaguardando il collasso strutturale. In realtà il sovradimensionamento strutturale non è indice di cattiva progettazione quando esso è ricercato e voluto coscientemente in base ai principi della scienza e tecnica delle costruzioni, e anche se conduce a strutture più resistenti (e meno duttili) questo non vuol dire che siano caratterizzate da una minore sicurezza dal punto di vista sismico.

Regolarità e semplicità strutturale

• forma geometrica basata su figure elementari (cerchio, quadrato, rettangolo) senza eccessive rientranze o sporgenze;

• distribuzione di massa e rigidezze uniformi in pianta e in elevazione e approssimativamente simmetrica rispetto a due direzioni ortogonali.

Una struttura si dice semplice quando presenta una distribuzione di elementi resistenti (pilastri, travi, setti) strettamente necessari alla trasmissione dei carichi e delle forze laterali (sisma) nella maniera più diretta possibile[7].

In generale un edificio può dirsi regolare in pianta e in altezza quando il suo comportamento dinamico sia governato principalmente da modi di vibrare traslazionali lungo le due direzioni principali e quando tali modi siano caratterizzati da spostamenti crescenti all’incirca linearmente con l’altezza.

Una definizione più completa per le caratteristiche di regolarità in pianta e in altezza è fornita dalle NTC al par. 7.2.1.

In via semplificata si potrà tener conto, con riferimento al par. 7.2.1 delle NTC, delle sole condizioni a) e b) di regolarità in pianta, e della condizione g) di regolarità in altezza, sintetizzate nella figura 1.7.

Figura 1.7 Condizioni di regolarità in pianta e in elevazione

L’importanza della regolarità e semplicità strutturale è confermata anche dall’osservazione dei danni provocati dai terremoti passati; la storia insegna che si sono particolarmente concentrati, fino a provocarne il crollo, su strutture irregolari in pianta e in elevazione, oltre che su quelle costruite con materiali scadenti. Nella stragrande maggioranza dei casi i crolli dovuti al terremoto sono riconducibili a entrambe le cause, ovvero: irregolarità e scadente qualità dei materiali.

La regolarità e semplicità strutturale consentono anche l’utilizzo di modelli di calcolo più affidabili e che meglio rappresentano la realtà, con risultati verosimili e con minor grado di incertezza[8].

In particolare le attuali norme penalizzano la irregolarità in elevazione mediante una maggiorazione delle forze sismiche di circa +25%; mentre l’irregolarità in pianta è penalizzata con una maggiorazione delle forze sismiche variabile in base alla tipologia strutturale da 0 a +13%.

Al fine dell’assegnazione della classe di rischio sismico che tenga conto dei principi di progettazione, secondo il metodo dello strength ductility design, per i criteri di progettazione e regola d’arte si costruisce la tabella 1.1 che mette in evidenza il “peso” (indici) dei fattori che influenzano una corretta progettazione antisismica.

Si chiarisce sin d’ora che in base al metodo dello strength ductility design, anche in presenza di condizioni tutte sfavorevoli la struttura presenterà una classe di rischio sismico minima CRS/A idonea ad assorbire le sollecitazioni di progetto previste dalla norma (comportamento strutturale non dissipativo).

Tabella 1.1 – Criteri generali di progettazione