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Che cosa è la regolarità strutturale in zona sismica

Categorie Sismica

Già negli anni ’60 si è cominciato a discutere del problema sulla regolarità strutturale e di come essa influenzi sensibilmente il comportamento di una struttura durante un sisma. Oggi, la regolarità è uno degli aspetti fondamentali da considerare nella progettazione in zona sismica. Una caratteristica che serve per garantire che la costruzione risponda ad un terremoto raro danneggiandosi anche in maniera significativa, senza provocare perdite di vita umane. Il tutto conservando un certo margine di sicurezza nei confronti del collasso per azioni orizzontali, oltre che una parte della resistenza e rigidezza nei confronti delle azioni verticali.

La regolarità strutturale

La regolarità racchiude in sé anche il concetto di semplicità strutturale. Essa consente di creare un modello della struttura che meglio rappresenti il reale comportamento della stessa, aumentando il margine di sicurezza dell’analisi. Le NTC2018 al §7.2.1 dividono la regolarità strutturale in regolarità in pianta e in altezza. Per ciascuno di essi forniscono le condizioni da rispettare. La mancanza di una delle regolarità comporta una riduzione del fattore di comportamento da inserire nei calcoli e, quindi, della sovraresistenza della struttura sulla quale poter fare affidamento in fase di progetto. La riduzione può arrivare addirittura al 30%, che comporta un aumento dell’accelerazione di progetto di quasi il 40%.

La regolarità in pianta

Secondo le NTC18, una struttura è regolare in pianta se:

  • La distribuzione di masse e rigidezze è approssimativamente simmetrica rispetto a due direzioni ortogonali. La forma in pianta è compatta, ossia il contorno di ogni orizzontamento è convesso.
  • Il rapporto tra i lati del rettangolo circoscritto alla pianta di ogni orizzontamento è inferiore a 4.
  • Ciascun orizzontamento ha una rigidezza nel proprio piano tanto maggiore della corrispondente rigidezza degli elementi verticali strutturali.

Creare una struttura con distribuzione di masse e rigidezze il più possibile simmetrica permette di avvicinare tra loro il baricentro delle masse e il baricentro delle rigidezze. Perché è importante questo aspetto? Nel baricentro delle masse è applicata la forza sismica, mentre nel baricentro delle rigidezze è applicata la reazione uguale e contraria.

Che cosa è la regolarità strutturale in zona sismica
Gli enormi danni a seguito del terremoto di Amatrice.

Avere i due baricentri vicini consente di ridurre il più possibile il braccio della coppia che si genera, riducendo gli effetti torsionali sulla struttura durante il sisma. Gli effetti torsionali sono molto dannosi. Questo perché vanno a sollecitare maggiormente gli elementi resistenti più centrifugati, ripartendo in modo non uniforme i meccanismi di plasticizzazione e portando ad una riduzione della duttilità globale della struttura.

Regolarità strutturale, cosa fare nella progettazione

Bisogna, quindi, prestare molta attenzione al posizionamento degli elementi resistenti verticali e di eventuali vani scale, nonché alla distribuzione delle tamponature. Il problema dove nasce? Mentre controllare la posizione del baricentro delle rigidezze è abbastanza semplice, la posizione del baricentro delle masse gode di una certa aleatorietà dovuta ai carichi variabili.

Infatti al §7.2.6 le NTC2018 prescrivono che per tenere conto delle incertezze nella localizzazione delle masse si deve attribuire un’eccentricità accidentale al baricentro delle masse stesse. Avere il rapporto tra i lati del rettangolo che non rispettano il limite superiore pari a 4 significa creare una struttura con pianta molto allungata. Il che comporta un possibile sfasamento dell’azione sismica tra gli elementi più lontani nonché una maggiore sollecitazione degli stessi.

Comportamento della scuola Romolo Capranica di Amatrice, struttura non regolare in pianta, durante il terremoto 2016. PH: wikipedia.it

E’ necessario quindi realizzare un orizzontamento schematizzabile come un elemento con rigidezza infinita nel proprio piano. Così facendo si riducono gli spostamenti dei suoi punti a soli tre gradi di libertà, permettendo di ripartire le forze agli elementi portanti verticali secondo il metodo di Engesser. Si crea quindi con più semplicità il modello strutturale da analizzare, riducendo gli oneri computazionali e i relativi errori.

La regolarità in altezza

Secondo le NTC18, una struttura è regolare in altezza se:

  • Tutti i sistemi resistenti alle azioni orizzontali si estendono per tutta l’altezza della costruzione.
  • Massa e rigidezza rimangono costanti o variano gradualmente, senza bruschi cambiamenti, dalla base alla sommità della costruzione.
  • Il rapporto tra la capacità e la domanda allo SLV non è significativamente diverso, in termini di resistenza, per orizzontamenti successivi.
  • Eventuali restringimenti della sezione orizzontale della costruzione avvengono con continuità da un orizzontamento al successivo.

Se ad un certo piano si interrompe di colpo un sistema resistente può essere difficile prevedere una risposta sismica dell’edificio, in particolar modo se si entra in campo plastico. Lasciare costanti massa e rigidezza lungo l’altezza della struttura oppure farle variare in modo graduale fa parte dei principi di buona progettazione. Maggiore attenzione invece bisogna prestare nel rapporto in termini di resistenza tra la capacità e la domanda allo SLV tra un orizzontamento e il successivo, che non deve essere significativamente diverso.

Regolarità in altezza e piano debole

Quando giunge un terremoto molto forte la struttura deve essere in grado di dissipare più energia possibile prima che crolli. Questo è possibile solo se si rispettano i criteri imposti dal Capacity Deign. Ovvero si punta a distribuire i meccanismi di plasticizzazione su un maggior numero di elementi possibili prima che la struttura diventi labile. Immaginando di avere una struttura a telaio in cemento armato, affinché dissipi la maggior energia possibile prima che collassi si devono formare cerniere plastiche in tutte le travi e infine ai piedi dei pilastri, attivando quello che viene definito meccanismo globale, o duttile.

Che cosa è la regolarità strutturale in zona sismica
Differenza tra meccanismo globale e meccanismo locale.

Se tra un orizzontamento e l’altro vi è una brusca variazione della resistenza dei pilastri, si abbassa l’azione orizzontale massima che può sopportare quel piano e si può creare il cosiddetto meccanismo di piano debole. Ossia collasso del piano stesso dissipando la minore energia possibile. Ed è quello che bisogna evitare assolutamente.

Che cosa è la regolarità strutturale in zona sismica
Esempio di attivazione del meccanismo di piano debole a seguito del terremoto de L’Aquila nel 2009. PH: tafterjournal.it

di Giuseppe Mattera

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