Progettare in zona sismica [Adriano]

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Progettare in zona sismica

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Progettare in zona sismica

Indice PROGETTARE IN ZONA SISMICA - 1 ..........................................................................................8 1. L’origine del terremoto ............................................................................................................. 9 2. Le onde sismiche ..................................................................................................................... 9 Onde Di Superficie ........................................................................................................... 10 3. La classificazione sismica ...................................................................................................... 11 4. Il rischio sismico ..................................................................................................................... 13 Pericolosità sismica .......................................................................................................... 13 Rischio sismico................................................................................................................. 13 I fattori del rischio sismico ................................................................................................ 13 PROGETTARE IN ZONA SISMICA - 2 ........................................................................................ 18 La manifestazione dell’azione sismica sulle strutture ................................................................. 19 5. Il comportamento strutturale in funzione del tipo di carico ..................................................... 21 Il comportamento strutturale................................................................................................... 22 6. Il performance-based design.................................................................................................. 23 La duttilità.............................................................................................................................. 25 7. Materiali fragili ........................................................................................................................ 26 8. Materiali duttili ........................................................................................................................ 27 9. La dissipazione di energia...................................................................................................... 27 PROGETTARE IN ZONA SISMICA - 3 ........................................................................................ 29 La duttilità: una risorsa preziosa. ............................................................................................. 30 10. I livelli di duttilità ..................................................................................................................... 30 Duttilità di materiale......................................................................................................... 30 Calcolo duttilità struttura c.a. ............................................................................................ 31 Duttilità di sezione............................................................................................................ 31 Duttilità di elemento ......................................................................................................... 31 Duttilità di struttura.......................................................................................................... 32 11. I vantaggi della duttilità........................................................................................................... 33 La gerarchia delle resistenze (capacity design) ......................................................................... 33 12. Finalità della gerarchia delle resistenze ................................................................................. 34 13. Modalità della gerarchia delle resistenze ............................................................................... 35 14. Aspetti di particolare attenzione ............................................................................................. 36 PROGETTARE IN ZONA SISMICA - 4 ........................................................................................ 38 Le indicazioni principali della OPCM 3274 ......................................................................... 39 15. Normativa nazionale e relative note....................................................................................... 39 16. Versione informatizzata OPCM 3274..................................................................................... 39 17. Documenti regionali ............................................................................................................... 39 Regione ....................................................................................................................... 40 PIEMONTE ................................................................................................................... 40 18. Le caratteristiche della normativa .......................................................................................... 41 19. Esame dettagliato Articolo 1 .................................................................................................. 44 20. Indice OPCM 3274 Cap. 1- 4 con commenti.......................................................................... 45 PROGETTARE IN ZONA SISMICA - 5 ........................................................................................ 50 COMMENTO SCHEMA GENERALE C.A. ACCIAIO ........................................................................ 52 21. Modello elementi finiti............................................................................................................. 52 22. Azioni sismiche ...................................................................................................................... 52 23. Calcolo sollecitazioni.............................................................................................................. 52 pag 3

Progettare in zona sismica 24. Verifica elementi..................................................................................................................... 52 25. Disegno armature e particolari costruttivi............................................................................... 53 COMMENTO MODELLO ELEMENTI FINITI................................................................................. 55 26. GEOMETRIE.......................................................................................................................... 55 Analisi progetto architettonico........................................................................................... 55 Scelta sistema costruttivo ................................................................................................. 55 Scelta elementi primari/secondari...................................................................................... 55 Definizione geometria....................................................................................................... 56 Predimensionamento sezioni ............................................................................................. 56 Definizione rigidezze......................................................................................................... 56 Interazione struttura-terreno ............................................................................................ 56 27. CARICHI ................................................................................................................................ 56 Analisi carichi verticali ......................................................................................................56 Pesi/masse sismiche......................................................................................................... 57 Coefficiente di combinazione............................................................................................. 57 Eccentricità accidentale .................................................................................................... 57 28. REGOLARITÁ ........................................................................................................................ 58 Verifica regolarità orizzontale ............................................................................................ 58 Verifica regolarità verticale................................................................................................ 59 Scelta modello .................................................................................................................59 29. DISTANZE ............................................................................................................................. 59 Verifica distanze e altezze................................................................................................. 59 PROGETTARE IN ZONA SISMICA - 6 ........................................................................................ 61 COMMENTO SCELTA AZIONI SISMICHE ................................................................................... 63 30. PROTEZIONE SISMICA ........................................................................................................ 63 Destinazione d’uso – Livello di protezione – Fattore di importanza....................................... 63 31. INFLUENZA TERRENO......................................................................................................... 63 Analisi del terreno – Categoria suolo – Parametri spettri ..................................................... 63 32. INTENSITÁ SISMICA............................................................................................................. 64 Comune di edificazione – Zona sismica – Accelerazione ag .................................................. 64 33. DUTTILITÁ STRUTTURALE.................................................................................................. 64 Sistema costruttivo........................................................................................................... 65 Tipologia strutturale ......................................................................................................... 65 Classe duttilità ................................................................................................................. 65 La regolarità .................................................................................................................... 65 Fattore di struttura (definizione) ....................................................................................... 66 34. Spettri di risposta elastico ...................................................................................................... 66 35. Spettri di progetto orizzontale per Stato Limite Ultimo (SLU)................................................. 66 36. Spettro di progetto orizzontale per Stato Limite di Danno (SLD) ........................................... 66 37. Verifica analisi sismica verticale............................................................................................. 67 COMMENTO METODI DI ANALISI ............................................................................................ 69 38. Analisi statica lineare ............................................................................................................. 69 39. Analisi dinamica modale ........................................................................................................ 69 40. Analisi statica non lineare ...................................................................................................... 70 41. Analisi dinamica non lineare .................................................................................................. 71 PROGETTARE IN ZONA SISMICA - 7 ........................................................................................ 72 Sintesi di dinamica strutturale.................................................................................................. 73 42. La dinamica delle strutture ..................................................................................................... 73 Oscillazioni libere non smorzate ........................................................................................ 73 Descrizione dello schema .............................................................................................. 73 Descrizione del fenomeno fisico ..................................................................................... 73 pag 4

Progettare in zona sismica Trattazione analitica...................................................................................................... 74 Considerazioni .............................................................................................................. 75 Oscillazioni libere smorzate ............................................................................................... 76 Descrizione dello schema .............................................................................................. 76 Carico istantaneo - Telaio smorzato ............................................................................... 76 Descrizione del fenomeno fisico ..................................................................................... 76 Trattazione analitica...................................................................................................... 77 Confronto tra le risposte ................................................................................................... 78 Oscillazioni forzate ...........................................................................................................78 Carico permanente - intensità variabile .......................................................................... 79 Descrizione del fenomeno fisico ..................................................................................... 79 Trattazione analitica...................................................................................................... 79 Considerazioni .............................................................................................................. 81 Oscillazioni forzate con eccitazione “random” ..................................................................... 81 Descrizione dello schema .............................................................................................. 81 Descrizione del fenomeno fisico ..................................................................................... 82 Trattazione analitica...................................................................................................... 82 Considerazioni .............................................................................................................. 82 PROGETTARE IN ZONA SISMICA - 8 ........................................................................................ 83 Lo spettro di risposta .............................................................................................................. 84 43. Eccitazione per spostamento del sostegno............................................................................ 84 Descrizione dello schema .............................................................................................. 84 Spostamento variabile al piede ...................................................................................... 84 Trattazione analitica...................................................................................................... 84 44. Risposta sismica dell’oscillatore semplice ............................................................................. 85 45. Lo spettro elastico .................................................................................................................. 86 Zona 1: as=at ............................................................................................................... 87 Zona 2: as>at ............................................................................................................... 87 Zona 3: as Ms. Se Ms > 6,5 allora avremo Mb < Ms Gutemberg e Richter scoprirono negli anni "50, una regola semplicissima: se un terremoto A libera due volte l'energia di un terremoto B, quello A è quattro volte meno frequente di B, cioè ogni volta che l'energia raddoppia, il terremoto diventa quattro volte più raro Allo stato attuale è praticamente impossibile prevedere i terremoti. La scala Mercalli misura l'intensità del terremoto basandosi su effetti macrosismici (danni a persone e manufatti) ed è quindi una misura molto imprecisa, perché i danni rilevati dipendono anche dalle caratteristiche delle strutture, dalla densità abitativa, dall'importanza artistica di determinati edifici e da altre variabili indipendenti dal terremoto stesso. Le zone che hanno riportato gli stessi danni, vengono racchiuse da delle linee dette isosiste. Ad ogni isosista corrisponde un grado di intensità, dipendente dagli effetti prodotti dal terremoto all'interno dell'area racchiusa dall'isosista stessa. L'intensità massima, si avrà in corrispondenza dell'epicentro e poi man mano che ci si allontana dall'epicentro, avremo delle intensità via via minori. I gradi d'intensità, vengono attribuiti alle varie zone, sulla base di una scala, nella quale vengono riportati i gradi ed i relativi effetti. Grado Descrizione degli effetti I Non percepito salvo che in casi particolari; animali inquieti; fronde che stormiscono; porte e lampadari che oscillano. II Percepito solo da persone sdraiate, soprattutto ai piani alti degli edifici. III Percepito in casa; la maggioranza però non riconosce il terremoto; tremito simile a quello dovuto al passaggio di un carro leggero; la durata della scossa può essere valutata. IV Finestre, piatti e porte vibrano; i muri scricchiolano; vibrazione simile a quella dovuta al passaggio di carri pesanti; percepito da molti in casa, da pochi all'esterno. V Percepito quasi da tutti; molti vengono svegliati; oggetti instabili possono cadere; gli intonaci possono rompersi. VI Percepito da tutti; mobili pesanti vengono rimossi; i libri cadono ed i quadri si staccano dal muro; le campane suonano; danni occasionali ai camini; danni strutturali minimi. VII Panico; difficoltà a conservare la posizione eretta; percepito anche dagli automobilisti;

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Progettare in zona sismica danni minimi agli edifici di buona fattura; danni considerevoli agli altri; onde nei laghi e negli stagni. VIII Disturba la guida di autoveicoli; la struttura degli edifici è interessata fino alle fondamenta, muri di separazione abbattuti; i camini vibrano o cadono; danni lievi solo alle costruzioni antisismiche; i mobili pesanti vengono rovesciati. IX Panico generale; danni considerevoli anche alle costruzioni antisismiche; caduta di edifici; danni seri ai bacini ed alle tubazioni sotterranee; ampie fratture nel terreno. X La maggior parte delle opere in muratura è distrutta, compresi anche gli edifici antisismici; rotaie deformate debolmente; grandi frane. XI Poche case rimangono in piedi; i ponti distrutti; ampie fessure nel terreno; rotaie fortemente piegate. XII Distruzione totale; gli oggetti sono addirittura proiettati in aria.

4.

Il rischio sismico

Pericolosità sismica La pericolosità sismica è qualunque effetto fisico diretto (ad es. movimento rapido del suolo) o indotto (ad es. instabilità dei versanti), capace di causare perdite sulle attività umane. Nella OPCM 3274, come per l’Eurocodice 8, si assume come pericolosità di riferimento il valore dell’accelerazione orizzontale su suolo rigido (PGA) che ha probabilità di superamento pari al 10% in 50 anni (cioè con periodo di ritorno di 475 anni). Rischio sismico Il rischio sismico indica genericamente le perdite attese (vittime e danni diretti, ma anche danni indiretti) per effetto dei terremoti. Il rischio sismico è dunque legato alla probabilità che si verifichi un evento sismico di date caratteristiche, e al danno che tale evento può arrecare. In senso probabilistico, esso definisce la probabilità che un livello prefissato di perdite causate da terremoti sia superato entro un dato periodo di tempo in un sito, insieme di siti oppure un area. Si noti che, per effetto di questa definizione il rischio è cumulativo, vale a dire mette in conto le perdite complessive generate da terremoti diversi, eventualmente riportate su base annua. Per quanto riguarda il danno, è necessario distinguere il danno alle persone e il danno alle strutture. Attualmente si ritiene di imporre due diverse condizioni di progetto: Le strutture devono possedere sufficienti riserve di resistenza, oltre il limite elastico, per sopportare le azioni di un terremoto di grande intensità senza giungere al collasso. Questa condizione si riferisce alla salvaguardia della vita umana. Le strutture devono essere progettate in modo da poter sopportare in regime elastico le sollecitazioni indotte da terremoti la cui intensità corrisponde, con riferimento alle caratteristiche sismiche della zona in esame, ad un periodo di ritorno dell'ordine della vita nominale della struttura (si assume in generale per gli edifici normali per abitazioni un tempo di ritorno dell'ordine di 100 anni), quindi di intensità minore rispetto a quanto indicato al punto precedente. Questa condizione tende soprattutto a limitare i danni per le costruzioni. I fattori del rischio sismico Il rischio sismico è il risultato della combinazione di tre fattori: Pericolosità - Vulnerabilità Esposizione. Pericolosità: dipende da intensità e frequenza dei terremoti, che non si possono modificare, né realizzare previsioni. La conoscenza della pericolosità porta però a calibrare gli interventi, adottando criteri per la classificazione sismica in modo coerente con le norme tecniche.

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Progettare in zona sismica Vulnerabilità: è possibile ridurre il danno atteso alle costruzioni ed agli impianti migliorando le caratteristiche strutturali e non strutturali. Gli interventi previsti sono correlati alla pericolosità e alle prestazioni attese, in particolare le norme tecniche tengono conto della classificazione avendo chiari gli obiettivi di sicurezza da raggiungere. Esposizione: la conoscenza del grado di esposizione sismica del territorio e quindi i possibili danni al patrimonio abitativo e alle popolazioni sono fattori importanti per interventi di edificazione e programmazione territoriale. Inoltre è necessario distinguere le opere strategiche e rilevanti (per afflusso di persone) per le quali sono richiesti livelli di sicurezza coerenti con la funzione (ad es. ospedali, caserme, ecc.). In particolare per gli edifici esistenti sono previste campagne di controllo e mappatura del livello di sicurezza in funzione di futuri interventi. Il decreto 3685 del 21-10-03 indica in elenco gli edifici interessati:

“ELENCO A: STRATEGICI 1. Edifici in tutto o in parte ospitanti funzione di comando, supervisione e controllo, sale operative, strutture ed impianti di trasmissione, banche dati, strutture di supporto logistico per il personale operativo (alloggiamenti e vettovagliamento), strutture adibite all’attività logistica di supporto alle operazioni di protezione civile (stoccaggio, movimentazione, trasporto), strutture per l’assistenza e l’informazione alla popolazione, strutture e presidi ospedalieri, il cui utilizzo abbia luogo da parte dei seguenti soggetti istituzionali: Organismi governativi; Uffici Territoriali di Governo; Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco; Forze Armate; Forze di Polizia; Corpo Forestale dello Stato; Agenzia per la Protezione dell’Ambiente e per i Servizi Tecnici; Registro Italiano Dighe; Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia; Consiglio Nazionale delle Ricerche; Croce Rossa Italiana; Corpo Nazionale Soccorso Alpino; Ente Nazionale per le strade e Società di gestione autostradale; Rete Ferroviaria Italiana; Gestore della Rete di Trasmissione Nazionale, Proprietari della Rete di Trasmissione Nazionale, delle Reti di Distribuzione e di impianti rilevanti di produzione di energia elettrica; Associazione di volontariato di protezione civile operative in più Regioni. ELENCO A: STRATEGICI 2. Opere infrastrutturali Autostrade, strade statali e opere d’erte annesse; Stazioni aeroportuali, eliporti, porti e stazioni marittime previste nei piani di emergenza, nonché impianti classificati come grandi stazioni; Strutture connesse con il funzionamento di acquedotti interregionali, la produzione, il trasporto e la distribuzione di energia elettrica fino ad impianti di media tensione, la produzione, il trasporto e la distribuzione di materiali combustibili (quali oleodotti, gasdotti, etc…), il funzionamento di servizi di comunicazione a diffusione nazionale (radio, telefonia fissa e mobile, televisione). ELENCO B: RILEVANTI 1. Edifici Edifici pubblici o comunque destinati allo svolgimento di funzioni pubbliche nell’ambito dei quali siano normalmente presenti comunità di dimensioni significative, nonché edifici e strutture aperti al pubblico suscettibili di grande affollamento, il cui collasso può comportare gravi conseguenze in termini di perdite di vite umane; Strutture il cui collasso può comportare gravi conseguenze in termini di danni ambientali (quali ad esempio impianti a rischio di incidente rilevante ai sensi del D.P.R. 18 maggio 1988, n. 175 e successive modifiche ed integrazioni, impianti nucleari di cui al decreto legislativo 17 marzo 1995, n. 230 e successive modifiche ed integrazioni); Edifici il cui collasso può determinare danni significativi al patrimonio storico, artistico e culturale (quali ad esempio musei, biblioteche, chiese)

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2. Opere infrastrutturali Opere d’arte relative al sistema di grande viabilità stradale e ferroviaria, il cui collasso può determinare gravi conseguenze in termini di perdite di vite umane, ovvero interruzioni prolungate del traffico; Grandi dighe.” Per questi edifici quindi, anche in zona 4, è necessario realizzare il progetto antisismico. È utile ricordare che il livello di protezione al danno sismico è definito sulla base di una scelta “politica”: attraverso la zonazione, in pratica la definizione delle zone soggette a verifica sismica, la PGA, cioè l’accelerazione al suolo imposta per ogni zona, la destinazione d’uso, si definisce dove e quanto intensa è l’azione sismica di progetto. Ovviamente estendere o ridurre questi parametri significa ridurre o aumentare il rischio sismico. Come si vedrà meglio in seguito questi criteri rappresentano i pilastri della OPCM 3274. Per quanto riguarda la zonazione si riporta l’attuale mappa sismica italiana, in confronto alla precedente e ad una nuova ipotesi presentata ad aprile 2004.

Mappa sismica italiana al 1984

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Progettare in zona sismica

Mappa sismica secondo OPCM 3274

Mappa sismica aggiornata ad aprile 2004 e non ancora in vigore

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Progettare in zona sismica La OPCM 3274 prevede nel tempo aggiornamenti alla zonazione sismica. Per quanto riguarda l’accelerazione al suolo (PGA) sono previsti i seguenti valori per ogni zona: Zona 1 2 3 4

Valore di ag 0,35 0,25 0,15 0,05

La OPCM 4374 conferisce alle Regioni la possibilità di aumentare o ridurre di un livello i comuni di appartenenza, mentre per la zona 4 resta facoltà di applicare o meno la verifica sismica.

“Art. 2 - 1. Le regioni provvedono … all’individuazione, formazione ed aggiornamento dell’elenco delle zone sismiche. In zona 4 è lasciata facoltà alle singole regioni di introdurre o meno l’obbligo della progettazione antisismica." Per questo le Regioni italiane hanno deliberato in merito (ed in modo difforme tra di loro). Alcune, come Piemonte e Lombardia, non hanno reso obbligatorio la progettazione antisismica, altre, come la Regione Liguria hanno imposto tale analisi. Per maggiori dettagli è necessario esaminare le singole delibere regionali. Restano comunque soggette a verifica sismica gli “ (art. 2 comma 3) …edifici di interesse

strategico e delle opere infrastrutturali la cui funzionalità durante gli eventi sismici assume rilievo fondamentale per le finalità di protezione civile, sia degli edifici e delle opere infrastrutturali che possono assumere rilevanza in relazione alle conseguenze di un eventuale collasso…” sia di proprietà pubblica che privata. Quindi, per esempio, i centri commerciali, locali di ritrovo, ecc. sono soggetti a progettazione antisismica anche se in zona 4. O.P.C.M. 3274 - punto 4.7 FATTORI DI IMPORTANZA

Ai sensi di quanto prescritto al punto 2.5, gli edifici sono suddivisi in tre categorie, cui corrispondono le definizioni ed i fattori di importanza indicati nella tabella seguente: TABELLA 4.3: FATTORI DI IMPORTANZA Categoria Edifici Fattore di importanza Edifici la cui funzionalità durante il terremoto ha importanza I 1.4 fondamentale per la protezione civile (ad esempio ospedali, Edifici importanti in relazione alle conseguenze di un II 1.2 eventuale collasso (ad esempio scuole, teatri) III Edifici ordinari, non compresi nelle categorie precedenti 1.0

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PROGETTARE IN ZONA SISMICA - 2

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La manifestazione dell’azione sismica sulle strutture Esaminando una struttura soggetta a soli carichi verticali (peso proprio, folla, neve, ecc.) le grandezze in gioco, relativamente ai carichi, sono: 1) Carichi verticali gravanti sulla struttura 2) Reazioni offerte dai vincoli esterni (terreno, altre strutture). Note quindi le caratteristiche della struttura (geometria delle sezioni, lunghezze degli elementi, materiali e vincoli) si può esaminare il comportamento statico, modellando la struttura in modo compiuto ed ottenendo le grandezze in gioco, comprese le sollecitazioni in ogni punto della struttura.

Le onde sismiche, illustrate nella parte precedente, si manifestano tramite lo spostamento del terreno con relativa velocità ed accelerazione, sia verticale sia orizzontale. Nella figura seguente è illustrato solo l’effetto di accelerazione orizzontale, perché l’accelerazione verticale è in genere trascurata nel calcolo sismico. Il suo effetto è assimilabile ad una quota parte del carico verticale utilizzato per il progetto della struttura. L’accelerazione verticale del terreno varia da 0,05 - 0,4 g e corrisponde ad una variazione del carico verticale verso l’alto o il basso pari ad un valore compreso tra il 5% ed il 40%. Considerando pari a 3 il coefficiente di sicurezza globale della struttura, questa variazione non induce un aggravio particolarmente pesante e quindi in genere è trascurata. Può essere presa in considerazioni in casi particolari, per esempio nel caso di elementi senza sostegno diretto in fondazione, come pilastri o travi in falso e per elementi orizzontali di luce superiore a 20 m. In questo caso è necessario tenere in conto anche la componente verticale, in modo simile alla componente orizzontale. In ogni caso l’effetto è di produrre un movimento alla struttura, misurato anch’esso in termini di spostamento, velocità ed accelerazione; il tutto con variazione nel tempo, e con valori assolutamente casuali.

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Rispetto quindi alla struttura soggetta a soli carichi verticali, si manifestano altre due entità da esaminare: l’effetto dell’azione dinamica, visualizzato con le forze orizzontali 3) e la dissipazione 4) che la struttura è in grado di realizzare. Per il principio di D’Alembert le forze dinamiche sono pari alla massa della struttura per la sua accelerazione.

È importante rilevare alcuni aspetti di grande importanza che hanno ripercussione in tutta l’analisi sismica: 1. Le forze dinamiche sono del tutto convenzionali, non hanno in altre parole un riscontro fisico. Non si tratta di un carico effettivo, come potrebbe essere il vento o un’altra azione orizzontale. Sono entità poste solo per convenzione matematica ed anzi sono prodotte dalla struttura stessa, nel senso che sono le caratteristiche di massa e rigidezza della struttura a determinarne l’entità. 2. Si può quindi affermare che, in un certo senso, è il progettista a definire le azioni sismiche, perché sono calcolate in base alla distribuzione delle rigidezze, alla tipologia dell’edificio ed altri parametri legati alla duttilità strutturale. Ovviamente il dato di partenza è la PGA, vale a dire l’accelerazione al suolo. La struttura funziona quindi da filtro, caricandosi secondo le proprie caratteristiche fisico-meccaniche. 3. La dissipazione effettuata dalle strutture è un potente strumento in grado di mitigare le azioni orizzontali. pag 20

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Vale, infatti, la seguente espressione: EI = (EP + EC) + (EV + Em) dove: EI = energia in ingresso (originata dal sisma) Energia di tipo conservativo (si manifesta un travaso tra le due entità a causa del movimento della struttura e della deformazione elastica: la somma totale è costante nel tempo) EP= energia potenziale elastica (accumulata nella struttura a causa della deformazione) EC= energia cinetica (dovuta al movimento della struttura e scambiata con la EP) Energia di tipo non conservativo (l’energia è in parte dispersa a causa della sua trasformazione in calore, rumore e per fenomeni isteretici) Ev= energia dissipata – viscosità (l’energia è dissipata a causa degli attriti generatisi durante il movimento delle fondazioni e la struttura e tra gli elementi non strutturali) Em= energia dissipata – isteresi (l’energia è dissipata a causa della deformazione plastica della struttura, con decadimento della capacità portante delle sue componenti) Si nota inoltre che maggiore è la quantità di energia dissipata, minore è la quantità di energia di competenza della quota conservativa. Durante la fase di picco il sisma apporta una gran quantità di energia che sarà suddivisa tra le varie forme. Inizialmente l’energia dispersa sarà minima, in seguito si potranno verificare fenomeni di decadimento della portanza strutturale, e se la struttura manifesta capacità dissipativa, EP e EC si riducono. Questo ad una condizione: che la struttura sia dotata di buona duttilità. In caso contrario si potrebbe verificare il collasso dovuto a rottura improvvisa di qualche componente strutturale.

5.

Il comportamento strutturale in funzione del tipo di carico

Le strutture soggette a soli carichi verticali, di solito sono calcolate disaccoppiando gli elementi strutturali. Per esempio, il solaio della figura trasmette i carichi alla trave di bordo, la quale scarica sui pilastri. In questo caso il muro a destra risentirà marginalmente di questo carico, e questo consente di “scollegare” i singoli elementi trattandoli in modo separato. Tipici esempi sono le travi continue ed i pilastri calcolati con solo carico assiale.

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Viceversa l’effetto sismico attiva la massa attraverso la forza d’inerzia relativa; questo induce l’analisi spaziale della struttura, perché l’interazione reciproca è totale. Solo in pochissimi casi, dotati di regolarità ben definita dalla normativa, è possibile ricondursi ad una situazione piana, mai alla trave singola o continua.

Il comportamento strutturale Dopo aver esaminato l’origine ed il modo di manifestarsi di un evento sismico esaminiamo come si comportano le strutture soggette al terremoto. Occorre prima di tutto sottolineare la caratteristica particolare del sisma visto come condizione di carico, relativamente ai carichi di solito gravanti sulle strutture: Caratteristica Probabilità di accadimento Intensità

Effetti Costi di costruzione

A) Condizioni di carico non sismiche (peso proprio, carichi variabili) Certa per alcuni condizioni (es. peso proprio), facile da determinare per altre condizioni (carichi variabili, neve, vento) Valutata con ragionevole sicurezza

B) Evento sismico Molto bassa e di valutazione meno certa rispetto ad A)

Difficile da prevedere, stimata in linea di massima, con buona probabilità di superamento del valore previsto Valutabili con ragionevole sicurezza Di complessa valutazione, potenzialmente rovinosi Secondo il valore del mercato delle Decisamente superiori ad A), se si costruzioni vogliono ottenere strutture con livello di danneggiamento basso o nullo per eventi sismici di alta intensità. Di poco superiore ad A) se si realizzano strutture duttili e si accetta la possibilità di danneggiamento.

Dall’esame di queste caratteristiche si evince quanto preponderante sia l’aleatorietà nel caso sismico e quanto le grandezze in gioco si differenziano rispetto alla progettazione non sismica.

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Progettare in zona sismica Per questo l’ingegneria sismica ha escogitato nuove strategie, al fine di ottenere ragionevoli livelli di sicurezza, mantenendo accettabile il costo di costruzione.

6.

Il performance-based design

Il performance-based design è la logica ispiratrice della OPCM 3274 e questa metodologia si può tradurre come “Progettazione basata sulla richiesta di prestazioni strutturali”, indicando come fine ultimo il rispetto di standard prestazionali predefiniti in funzione del tipo di terremoto e del rischio sismico di riferimento. L’ottica è concentrata sul reale comportamento strutturale, tenendo in conto l’evoluzione oltre la fase elastica, su come la struttura si deve comportare (quindi sui benefici attesi) in base alle ipotesi di sisma previste. È di grande importanza l’ottica alla “prestazione”, da cui derivano le cosiddette normative di tipo prestazionale, di cui fanno parte tutti gli Eurocodici, e la OPCM 3274, derivata appunto da EC8. Si tratta di un’impostazione non nuova anche per il tecnico italiano: iniziando a richiedere la resistenza caratteristica del calcestruzzo in alternativa ad indicazioni sui dosaggi di materiali, si è lasciata libertà al produttore del materiale che è maggiormente responsabilizzato, richiedendo invece una prestazione relativa alla resistenza media garantita, da cui trarre certezze per i calcoli; l’ottica è quindi rivolta ai risultati ed alle attese. Per comprendere meglio questa metodologia è necessario porre alcune premesse, da cui ne scaturiscono dirette conseguenze di carattere operativo (e normativo). 1. Al crescere dell’intensità dell’azione sismica, corrisponde un diverso degrado strutturale, come indicato nella figura seguente:

Evoluzione taglio alla base – spostamento laterale della struttura. (da Petrini, Pinho, Calvi – Criteri di progettazione antisismica – IUSS Press).

Come si può vedere, prendendo come parametro lo spostamento laterale ed il taglio alla base, ad un aumento dello spostamento, corrisponde inizialmente un livello di taglio crescente e il comportamento della struttura resta in fase elastica, situazione tipica in caso non sismico. Aumentando lo spostamento si ha il superamento della fase elastica e l’inizio del danneggiamento. Da questo momento in avanti l’operatività si riduce, mantenendosi ancora la possibilità di riparare la struttura a causa dei danni subiti. pag 23

Progettare in zona sismica In seguito si raggiunge il limite di riparabilità, cioè il limite di convenienza economica al recupero della struttura. Da notare il limite di salvaguardia della vita umana, cioè di una situazione in cui la struttura, seppur gravemente danneggiata, è ancora in grado di soddisfare quest’importante richiesta, perché è disponibile ancora una buona capacità portante ai carichi verticali, pur in precarie condizioni generali. Ovviamente si tratta di una situazione molto critica, ma occorre anche ricordare che la durata dell’evento sismico varia da pochi secondi a 20-30 secondi, e che quindi tutta la sua prestazione è concentrata in questo breve lasso di tempo. In ultimo si arriva al collasso, situazione da evitare in ogni caso. Si rileva ancora che il livello di prestazione manifestato implica situazioni di analisi anche molto complesse, e che fino ad oggi erano sostanzialmente ignorate dalla vecchia normativa. 2. Il compito primario di un progettista è sempre la salvaguardia della vita umana, soprattutto in caso di eventi eccezionali, e solo in seguito la prevenzione dei danni materiali in modo da ridurre gli eventuali costi di ripristino. 3. Come già visto, ad eventi sismici di intensità maggiore corrisponde una probabilità minore di accadimento, occorre quindi fissare i livelli di probabilità della prestazione che saranno diversi in funzione del diverso livello di protezione sismica richiesta. In pratica una bassa intensità sismica ha una maggiore probabilità di accadimento: sarà quindi più facile che la struttura sia impegnata nel garantire la prestazione di riparabilità. Diventa accettabile invece, proprio per la bassa probabilità di accadimento di un sisma di elevata intensità, che si possa raggiungere il livello limite di salvaguardia della vita umana, ovviamente da non superare. 4.

Per questo le prestazioni considerate devono prendere in conto non solo di fattori di tipo tecnico, ma considerare anche livelli prestazionali di tipo socio-economico. Si tratta di armonizzare istanze di tipo etico, tecnico ed economico. In questo senso la progettazione sismica diventa sempre più vicina alla progettazione automobilistica: nessuno pretendere che un’automobile andando a sbattere contro un muro a 100 km/h non subisca danni; l’importante è che si salvi il guidatore. Mentre si richiede che superando un piccolo ostacolo non si subiscano danni, cioè la struttura si mantenga in fase elastica, al limite sia comunque riparabile. Se invece si richiedesse il mantenimento della condizione elastica in qualsiasi fase, sarebbe necessario usare mezzi dotati di grandissima resistenza (carri armati?) in grado di soddisfare qualsiasi esigenza. Tradotto tutto questo in termini economici significa un notevole aumento di costi, a fronte di eventi che potrebbero anche non succedere durante il periodo di vita della struttura; l’accettazione di danni strutturali per eventi sismici deriva da queste considerazioni.

5. Il calcolo secondo le tensioni ammissibili (TA) si basa sul confronto delle sollecitazioni che nelle varie sezioni della struttura si sviluppano per via di un terremoto di progetto, con le sollecitazioni massime ammissibili dai materiali che le compongono. Non fornisce quindi informazioni relativamente al superamento della fase elastica, che abbiamo visto essere assai probabili nell’evoluzione del comportamento strutturale. Inoltre l’analisi degli spostamenti costituisce una verifica successiva. Il metodo PBD (Performance-Based Design), inverte il processo di progettazione: gli spostamenti sono il parametro primario di controllo per gli edifici in base ai valori attesi dal sisma, in funzione della sua intensità. Si tratta quindi di uno strumento più aderente alla realtà, in grado di cogliere aspetti significativi del comportamento strutturale, in particolar modo per la situazione sismica che

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Progettare in zona sismica presenta caratteristiche peculiari. 6. Per ogni tipologia costruttiva diventa quindi necessario analizzare l’effettivo comportamento superata la fase elastica, e pur in uno sforzo di generalizzazione, tenere in conto le caratteristiche proprie di ogni modalità costruttiva (cls. armato, acciaio, strutture miste, muratura, legno, ecc.). Per questo la normativa, come si vedrà meglio in seguito, illustra nei primi capitoli i principi generali di progettazione, e in appositi capitoli le specifiche per ogni tipo di costruzione. Occorre comunque registrare che, pur rappresentando un’affascinante metodologia di calcolo, potenzialmente molto più aderente alla realtà dei metodi tradizionali di analisi strutturale, il metodo PBD, nella OPCM 3274, è fortemente mediato dalle analisi già sperimentate. Sono, infatti, presenti ben quattro metodi di analisi, dalla più tradizionale analisi sismica equivalente, all’analisi dinamica non lineare, passando dall’analisi modale e dall’analisi elastica statica non lineare. Nel caso di strutture in c.a. si opera ancora in fase elastica, salvo progettare gli elementi secondo gli stati limite (EC2), accontentandosi di indicare particolari costruttivi in grado di operare secondo le modalità desiderate. Non sono quindi effettuate verifiche dirette, e del resto non sono ancora disponibili strumenti software in grado di operare con facilità e sicurezza. In altri casi, per esempio per il calcolo di murature, le metodologie sono più sviluppate ed operative, e data la natura particolare del materiale, diventa quasi obbligatorio procedere mediante analisi avanzate (analisi push-over) che saranno illustrate in seguito, superando il calcolo secondo le tensioni ammissibili ed il vecchio metodo POR ormai obsoleto. In questo caso il risparmio economico, che non è il fine ultimo ma che certamente va preso in considerazione, diventa importante. Resta in ogni caso uno strumento di grande interesse, che apre una finestra su potenzialità che di sicuro interessare ai tecnici strutturisti, cui è demandata un’importante fase della progettazione.

La duttilità Per quanto sopra è necessario quindi esaminare una caratteristica importante nel calcolo sismico: la duttilità, in altre parole la capacita di mantenere una buona resistenza anche al superamento della fase elastica.

L’immagine sopra riporta il tipico andamento di una struttura fragile, che raggiunge il collasso al termine della fase elastica. Si fa notare che il concetto di duttilità, definita sin’ora in modo qualitativo, ha una precisa valutazione numerica e la definizione è riportata nella figura.

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Progettare in zona sismica

La duttilità µ è quindi il rapporto tra la deformazione a rottura e la deformazione al limite della fase elastica. Ovviamente si tratta di una forma ideale, perché il comportamento dei materiali è in genere non cosi schematico, come nel caso dell’acciaio.

La duttilità si manifesta in diversi modi, a livello di materiale (ad esempio il cls., che convenzionalmente ha la rottura al 0,35% ha minore duttilità rispetto all’acciaio, che invece ha rottura convenzionale pari al 1%). Si manifesta anche a livello di sezione, di comportamento di singolo elemento (trave o pilastro),

7.

Materiali fragili

Tra le diverse modalità per suddividere i materiali, una di queste è il comportamento alla rottura, o meglio il comportamento al termine della fase elastica e il momento di rottura.

La prima categoria è costituita da materiali fragili, ad es. ad una lastra di vetro, che manifestano rottura improvvisa.

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Progettare in zona sismica

Il tipico andamento è quello riportato sotto.

8.

Materiali duttili

Altri materiali con caratteristica duttile, al raggiungimento della fase elastica non aumentano la loro capacità portante, ma continuano a manifestare comunque resistenza. Esaminiamo una molla alla quale è applicata una forza. Se la forza è di bassa entità, al rilascio si ha un ritorno alla situazione iniziale.

Se si supera un certo valore, cioè oltre il limite elastico, si ha uno stiramento.

La forza applicata non aumenta ma si ottiene una notevole deformazione. Rilasciando la forza la deformazione resta permanente o quasi, salvo un piccolo ritorno elastico.

Il diagramma forza-spostamento assume quindi la forma riportata nella figura.

9.

La dissipazione di energia

È interessante analizzare, anche se pur in modo qualitativo, l’evoluzione dell’aspetto energetico per le due tipologie di materiali. Le applicazioni di questo si vedranno meglio in seguito.

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Progettare in zona sismica

Nel primo caso non si ha dispersione di energia, in quanto non superando la fase elastica, il lavoro compiuto per ottenere la deformazione è completamente restituito attraverso la reazione elastica di ritorno.

Per i materiali duttili invece, sottoposti a cicli di carico, si ottiene un diagramma simile alla figura sopra, dove la zona azzurra rappresenta l’energia dissipata per isteresi, in quanto la deformazione segue il percorso a-b b-c c-d.

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Progettare in zona sismica

PROGETTARE IN ZONA SISMICA - 3

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Progettare in zona sismica

La duttilità: una risorsa preziosa. 10.

I livelli di duttilità

Per descrivere in modo completo il comportamento di una struttura duttile nei diversi stadi al variare del carico applicato, occorre prendere in conto le seguenti grandezze: Rigidezza: è rappresentata dalla pendenza α del tratto iniziale della risposta elastica idealizzata; lega spostamenti e carichi in campo elastico-lineare. È utile per terremoti di piccola e media intensità per minimizzare i danni non strutturali (piccoli spostamenti in campo elastico-lineare) Resistenza: massima forza Fy che l’elemento strutturale (nonché l’intera struttura) può sopportare rimanendo (approssimativamente) in campo elastico.

È utile per terremoti di media intensità al fine di far rimanere in campo elastico-lineare e minimizzare i danni strutturali

Duttilità: rapporto tra il massimo spostamento indotto nella struttura e lo spostamento al limite del comportamento elastico (du/de). È utile per terremoti di elevata intensità al fine di sopportare elevati spostamenti, pur ammettendo danni rilevanti, senza arrivare al crollo.

Nel caso di comportamento fragile, sono presi in esame solo i valori di rigidezza e resistenza. É possibile definire differenti “livelli” di duttilità in riferimento alla caratteristica presa in esame (materiale, sezione, ecc.) con relazioni di reciproca dipendenza. Duttilità di materiale É intesa come la massima deformazione plastica che un materiale può subire prima della rottura rapportata al limite elastico; i materiali sono rappresentati in modo schematico, per esempio nel caso del csl. si usa lo schema a parabola rettangolo con il valore di deformazione convenzionale limite pari al 3,5 per mille, mentre per l’acciaio la deformazione limite è pari al 10 per mille.

(da Petrini, Pinho, Calvi – Criteri di progettazione antisismica – IUSS Press).

Le figure riportano il diagramma sforzo-deformazione per acciaio e cls. Per quanto riguarda l’acciaio sono richieste le seguenti caratteristiche: Allungamento uniforme al carico massimo: esu,k > 8% (frattile 10% inferiore) • Rapporto fra resistenza e tensione di snervamento: 1.15 < ft/fy < 1.35 (valore medio) pag 30

Progettare in zona sismica • Rapporto fra valore effettivo e valore nominale della tensione di snervamento: fy eff/fy nom < 1.25 (valore medio) Da notare come il confinamento incide nel caso del cls., aumentando in modo sensibile la deformazione, le tensioni relative e di conseguenza la duttilità. Calcolo duttilità struttura c.a. Duttilità di materiale µ = εu/εe εu: deformazione ultima, εe: deformazione al limite elastico Per quanto riguarda il cls: εu= 3,5/1000 εe= 2/1000 µc vale 3,5/2 = 1,75. Nel caso dell’acciaio tipo Fe B 44K: εu= 10/1000 εe= 430/1,15/206.000 = 1,81/1000 µs = 10/1,81 = 5,52 > µc = 1,75 Risulta quindi evidente quanto interesse ci sia nel fare in modo che la rottura avvenga per snervamento dell’acciaio piuttosto che per rottura del cls. Duttilità di sezione É intesa come la massima curvatura plastica raggiungibile, e dipende dalla forma della sezione e dalla duttilità dei materiali che la costituiscono; per una sezione in flessa in c.a. la duttilità è circa 8 ed è determinata dalla crisi del cls. compresso. L’uso di materiali duttili è condizione necessaria, ma non sufficiente per aumentare la duttilità della sezione.

(da Petrini, Pinho, Calvi – Criteri di progettazione antisismica – IUSS Press).

La curvatura di snervamento è generalmente raggiunta con lo snervamento dell’acciaio. La curvatura ultima è invece generalmente associata al raggiungimento della deformazione ultima a compressione del calcestruzzo. La duttilità si riduce alla presenza di elevati sforzi normali ed elevate armature longitudinali. La duttilità flessionale della sezione aumenta con la presenza di armatura trasversale elevata che favorisce il confinamento del calcestruzzo. Duttilità di elemento È la capacità di resistere a rotazioni o spostamenti superato il campo elastico mantenendo lo stesso di livello di forza e momento resistente. Dipende dalla duttilità dei materiali utilizzati e dalla duttilità delle sezioni trasversali degli elementi; (nodi trave-colonna, travi, colonne, …) In particolare, nel caso di c.a. dipende dalla lunghezza della zona affetta da plasticizzazione. pag 31

Progettare in zona sismica

(da Petrini, Pinho, Calvi – Criteri di progettazione antisismica – IUSS Press).

Duttilità di struttura Deriva dalla duttilità dei singoli elementi strutturali e dalla loro disposizione relativa all’interno del telaio.

La struttura di sinistra dispone di maggiore duttilità rispetto a quella di destra perché, a parità di spostamento δ, la rotazione γ1 è decisamente minore rispetto alla rotazione γ2. Diventa quindi dominante la rotazione per il condizionamento del collasso. In questo caso gli elementi critici sono i valori di spostamento/rotazione che, nelle normative moderne, hanno sostituito i parametri di tensione. L’analisi non lineare (push-over analisys) consente di evidenziare il comportamento duttile della struttura. Si ottiene incrementando le forze agenti e valutando l’effettivo comportamento della struttura al superamento della fase elastica. 7000000

F69

6000000

37 M25

F70 38 M26

F71 39 M27

F72 40 M28

F73

F75

F74

41 M29

F76

43

42 M30

M31

F77

F78

44

45

46

M32

M33

M34

F79 47 M35

48 M36

Base Shear [N]

5000000

25 F58

4000000

26

27

F59

28

F60

29

F61

3000000

M13

M14

M15

M16

30

F62

F63

32

F64

M19

M18

M17

31

33

F65

M20

F66

M21

34

F67

M22

35

F68

M23

36

M24

first floor 2000000

second floor third floor

13

F47

14

F48

15

F49

16

F50

17

F51

18

F52

19

F53

20

F54

21

F55

22

F56

23

F57

24

1000000

M1

M2

M3

M4

M5

M6

M7

6

7

M8

M9

M10

M11

M12

0 0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25 Interstory Drift [%]

0,3

0,35

0,4

0,45

F37

0,5

1

F38 2

F39 3

(da manuale d’uso software 3 Muri – S.T.A. DATA srl).

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F40 4

F41 5

F42

F43 8

F44 9

F45 10

F46 11

12

Progettare in zona sismica La figura sopra riporta il risultato di una push-over analisys effettuata su di una parete in muratura, in cui a sinistra risulta l’andamento delle forze relativamente allo spostamento orizzontale. A destra si evidenzia invece il grado di deterioramento dei maschi e delle fasce con l’individuazione dei punti di maggiore debolezza (zone con colore tendente al rosso) e resistenza (colore blu).

(da Petrini, Pinho, Calvi – Criteri di progettazione antisismica – IUSS Press).

La figura riporta lo spostamento in funzione delle forze orizzontali, con l’evidenza dei vari fenomeni di degrado di una struttura in c.a. all’aumentare dello spostamento orizzontale.

11.

I vantaggi della duttilità

Si riporta quindi un elenco dei vantaggi derivanti dalla progettazione di strutture in cui è favorito il comportamento duttile: 1. Nell’ipotesi di superamento delle azioni sismiche si evitano rotture di tipo fragile, pericolose perché si manifestano mediante collassi improvvisi. 2. Tramite i cicli d’isteresi si ottiene dissipazione d’energia, riducendo quindi l’accelerazione e gli spostamenti della struttura perché si riducono le azioni sismiche. 3. Si ottiene un risparmio economico: le forze sismiche, come si vedrà meglio in seguito, risultano ridotte rispetto all’ipotesi di struttura elastica per carichi molto rari. 4. Aumenta il periodo proprio poiché lo smorzamento indotto dalla dissipazione allontana ulteriormente la struttura dalla risonanza con il movimento del terreno, riducendo l’azione sismica.

La gerarchia delle resistenze (capacity design) Visti quindi i grandi vantaggi della duttilità esaminiamo le indicazioni progettuali utili per favorire questa importante caratteristica. Tradizionalmente le strutture sono calcolate in modo che le sollecitazioni di progetto siano minori della resistenza offerta dagli elementi strutturali (S < R). In questo modo però non si hanno indicazioni di quello che succede riguardo ai meccanismi di rottura, con possibilità di rottura fragile.

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Progettare in zona sismica

(da Petrini, Pinho, Calvi – Criteri di progettazione antisismica – IUSS Press).

In questa figura è evidente quanto il primo meccanismo sia preferibile al secondo dove con la plasticizzazione di pochi elementi si raggiunge il collasso. Al contrario nel primo caso si devono creare un numero elevato di cerniere prima di raggiungere il crollo. Si ricorda che per le strutture intelaiate il collasso si ottiene quando si ottiene una struttura ipostatica, con un numero ridotto di vincoli in grado di realizzare movimenti come corpo rigido. Se si esamina il fenomeno dal punto di vista della resistenza non si rileva nessun spunto di critica, risulta evidente invece che andando a valutare il meccanismo di collasso la prima soluzione è nettamente preferibile alla seconda.

12.

Finalità della gerarchia delle resistenze

Con la gerarchia delle Resistenze gli elementi sono progettati, oltre alle azioni esterne, affinché abbiano una certa resistenza relativa, cercando di creare in questo modo meccanismi di rottura preferenziale. Per realizzare il massimo controllo sul comportamento strutturale anche in assenza di dati precisi, si possono definire strategie per indirizzare il comportamento strutturale in fase critica, operando verso modalità di crisi più favorevoli al raggiungimento delle prestazioni di salvaguardia della vita umana. Si devono evitare meccanismi di collasso fragile o altri meccanismi indesiderati (rottura a taglio, collasso di collegamenti trave-colonna, plasticizzazione delle fondazioni o di un qualsiasi elemento che sarebbe dovuto restare elastico). Ricorre ancora una volta un parallelo automobilistico, pensando alla scocca progettata per assorbire gli urti, con punti di cedimento preferenziale (ad esempio il piantone dello sterzo). Si distinguono due zone: a. Zone dissipative la cui resistenza è inferiore alla domanda b. Zone non dissipative la cui resistenza è superiore alla domanda

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Progettare in zona sismica Si dispongono le zone dissipative in modo tale che si attivi il modo di rottura scelto in fase di progetto per evitare il collasso di tipo fragile. Le zone in cui si verificano cedimenti (cerniere plastiche) devono essere distribuite lungo tutta la struttura senza concentrazioni in corrispondenza di un unico impalcato (il cosiddetto “piano soffice") e devono svilupparsi solo sulle travi e non lungo le colonne - eccetto che alla base dell'edificio.

13.

Modalità della gerarchia delle resistenze

Per applicare correttamente i principi della gerarchia delle resistenze occorre determinare le sollecitazioni di progetto in particolari zone mediante condizioni di equilibrio che tengano conto della formazione delle cerniere plastiche e del relativo aumento di resistenza nelle zone adiacenti. Per esempio se si desidera che la rottura avvenga nelle travi, occorre realizzare i pilastri in funzione della resistenza relativa alle travi stesse. Al fine quindi di massimizzare la duttilità è utile ottenere i seguenti meccanismi: •

Pilastri più resistenti delle travi: favorisce meccanismi in cui per arrivare al collasso si devono formare un maggior numero di cerniere, rispetto a quello con le cerniere posizionate agli estremi dei pilastri. La normativa prevede per il c.a. la progettazione in Alta Duttilità CD “A”, dove i momenti flettenti di calcolo nei pilastri si ottengono moltiplicando i momenti derivanti dall’analisi per un fattore di amplificazione a:

(da Petrini, Pinho, Calvi – Criteri di progettazione antisismica – IUSS Press).

•

Nodi trave-pilastro più resistenti di travi e pilastri: il nodo è un punto particolarmente critico, in cui si verifica una forte concentrazione di tensioni; la conservazione di questo elemento è fondamentale per l’integrità dell’intera struttura.

•

Resistenza a taglio maggiore della resistenza flessionale: la rottura per taglio è meno duttile rispetto alla rottura per flessione, in particolare se questa avviene nel caso del c.a. per snervamento dell’acciaio.

•

Resistenza dei diaframmi di piano (solai) maggiore di quella offerta dagli elementi (travi, pilastri) collegati: il solaio, oltre al sostegno per i carichi verticali, ha l’importante compito di distribuire le azioni sismiche su tutta la struttura. Un suo cedimento prematuro porterebbe alla possibile concentrazione di sollecitazioni in alcuni punti a discapito di altre parti.

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Progettare in zona sismica •

14.

Resistenza delle fondazioni maggiore di quella della sovrastruttura: il cedimento delle opere di fondazione può creare meccanismi di collasso che possono portare la struttura ad un rapido deterioramento.

Aspetti di particolare attenzione

Oltre a quanto sopra indicato, si riportano ulteriori indicazioni per ottenere una buona duttilità globale: a. Elementi strutturali disposti in continuità per scaricare correttamente le forze a terra: evitare pilastri in falso o travi che non scaricano direttamente sui pilastri b. Ridondanza di elementi strutturali in grado di ridistribuire le sollecitazioni evitando rotture fragili: la duplicazione di elementi offre ulteriori margini di sicurezza che consentono anche cedimenti di alcune parti c. Buona regolarità relativamente alla distribuzione di masse, rigidezza e resistenza: si ottiene con una pianta regolare e una distribuzione uniforme dei carichi, evitando zone di concentrazione sia orizzontali che verticali. d. Abbondante staffatura negli elementi: come si evidenzia nella figura seguente, un piccolo risparmio di materiale (staffe nei pilastri) ha portato all’esplosione della struttura.

La mancanza di staffe nei nodi consente alle armature verticali di instabilizzarsi facilmente, espellendo il copriferro e perdendo rapidamente di funzionalità.

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Progettare in zona sismica

e. Evitare situazioni con pilastri di lunghezza ridotta: accadono rotture per taglio estremamente fragili

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Progettare in zona sismica

PROGETTARE IN ZONA SISMICA - 4

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Progettare in zona sismica

Le indicazioni principali della OPCM 3274 La nuova normativa sismica (OPCM 3274 e successive integrazioni) ha introdotto modifiche sostanziali alla normativa precedente. Non si tratta, infatti, di un semplice aggiornamento ma sono previste numerose novità che introducono quanto già contenuto nella letteratura tecnica da anni e prescritto nelle principali normative estere.

15.

Normativa nazionale e relative note

Si riporta l’elenco dei documenti che interessano la nuova normativa sismica: Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n. 3274 – 20/03/2003: documento iniziale relativo alla nuova normativa sismica. Nota DPC – 4/6/2003: Nota esplicativa dell’Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n. 3274 del 20 marzo 2003. Documento esplicativo Gruppo di lavoro OPCM 3274 – Note relative ai criteri adottati per la redazione della nuove norme. Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n. 3316 – 2/10/2003: integrazioni e correzioni alla OPCM 3274. Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n. 3333 – 23/01/2004: dilazione circa l’applicazione della OPCM 3274 per alcune tipologie di edifici. Nota DPC – 29/3/2004: Elementi informativi sull’Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n. 3274 del 20 marzo 2003. Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n. 3362 – 12/7/2004: interventi finalizzati alla riduzione del rischio sismico, ripartizione dei fondi. Decreto 21/10/2003: Disposizioni attuative dell'art. 2, commi 2, 3 e 4 dell'ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n. 3274 del 20 marzo 2003. Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n. 3379 – 5/11/2004: dilazione di sei mesi della scadenza del 8/11/2004, spostando al 8/5/2005 l’inizio dell’applicazione della OPCM 3274.

16.

Versione informatizzata OPCM 3274

Per consultare agevolmente la normativa è possibile scaricare dal sito: http://www.stadata.com/note/help3274.zip la normativa in formato help di Windows. Gli articoli sono presentati singolarmente e sono presenti i rimandi tra le varie parti.

17.

Documenti regionali

Si riportano le indicazioni regionali relative alla progettazione in zona 3 e 4 con i riferimenti normativi.

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Progettare in zona sismica Regione PIEMONTE

Documento normativo D.g.r. n° 61-11017 del 17 novembre 2003, BUR n. 48 del 27/11/2003 D.g.r. n° 64-11402 del 23 dicembre 2003, BUR n. 53 del 31/12/2003 Circolare n° 1/DOP del 27 aprile 2004, BUR n. 17 del 29/04/2004

LIGURIA

D.g.r. n° 530 del 16 maggio 2003, BUR n.24 del 11 giugno 2003 D.g.r. 7 novembre 2003 n.7/14964, BUR n.48 del 24 novembre 2003

LOMBARDIA

PROVINCIA AUTONOMA DI TRENTO

Circolare 8 gennaio 2004

VENETO

D.g.r. n° 67 del 3 dicembre 2003, BUR n.6 del 3 gennaio 2004 L.r. n° 27 del 7 novembre 2003, BUR n. 106 del 11 novembre 2003

FRIULI VENEZIA GIULIA

D.g.r. n° 2325 del 1 agosto 2003

EMILIA ROMAGNA

D.g.r. n° 1435 del 3 dicembre 2003, BUR n.6 del 3 gennaio 2004

TOSCANA

D.c.r. n° 169 del 8 ottobre 2003. D.g.r. n° 679 del 7 luglio 2003. D.g.r. n° 604 del 16 giugno 2003

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Zona 3 e 4 Zona 3 e 4 considerate a "bassa sismicità" secondo l'art. 18 della legge 64/1974. In zona 4 solo le strutture “strategiche “ e "rilevanti” devono essere progettate secondo la normativa sismica Nessuna indicazione Zona 3 e 4 considerate a "bassa sismicità" secondo l'art. 18 della legge 64/1974 e pertanto escluse dall'applicazione delle procedure di controllo previste dalla L.r. n.46/85 e regolamento attuativo. In zona 4 solo le strutture “strategiche” e "rilevanti " devono essere progettati secondo la nuova normativa sismica Zona 3 e 4 considerate a "bassa sismicità" secondo l'art. 18 della legge 64/1974. La normativa sismica si applica anche in zona 4. In zona 4 le opere “strategiche “ e “rilevanti” devono essere realizzate con le caratteristiche richieste per l'edificazione in zona sismica 3 Zona 3 e 4 considerate a "bassa sismicità" secondo l'art. 18 della legge 64/1974. In zona 4 solo le strutture “strategiche “ e “rilevanti” devono essere progettate secondo la normativa sismica Non esiste obbligo di progettazione antisismica in zona 4. Zona 3 e 4 considerate a "bassa sismicità" secondo l'art. 18 della legge 64/1974. Obbligo della progettazione antisismica in zona 4. Zona 3 e 4 considerate a "bassa sismicità" secondo l'art. 18 della legge 64/1974. Obbligo di progettazione antisismica in zona 4

Progettare in zona sismica MARCHE LAZIO

MOLISE CAMPANIA

PUGLIA

BASILICATA CALABRIA SICILIA

18.

D.g.r. n° 1046 del 29 luglio 2003, BUR del 4 settembre 2003 D.g.r. n° 766 del 1 agosto 2003

L.r. n° 13 del 20 maggio 2004, BUR n. 11 del 1 giugno 2004 D.g.r. n° 334 del 31 gennaio 2003, BUR n.9 del 24 febbraio 2003 D.g.r. n° 248 del 24 gennaio 2003, BUR n.9 del 24 febbraio 2003 D.P.g.r. n° 196 del 27 marzo 2003, BUR n. 14 del 31 marzo 2003 Circolare g.r. n° 1667/SP del 5 novembre 2003, BUR 54 del 17 novembre 2003 D.g.r. n° 153 del 2 marzo 2004, BUR n.33 del 18 marzo 2004

D.g.r. n° 2000 del 4 novembre 2003, BUR n.82 del 27 novembre 2003 D.g.r. n° 47 del 10 febbraio 2004, BUR n.9 del 15 maggio 2003 D.g.r. n° 408 del 19 dicembre 2003

Nessuna indicazione Zona 3 e 4 considerate a "bassa sismicità" secondo l'art. 18 della legge 64/1974. In zona 4 solo le strutture “strategiche “ e “rilevanti” devono essere progettate secondo la normativa sismica. Nessuna indicazione Nessuna indicazione

Zona 3 e 4 considerate a "bassa sismicità" secondo l'art. 18 della legge 64/1974. In zona 4 solo le opere “strategiche “ e “rilevanti” hanno l'obbligo della progettazione antisismica, in conformità alle norme tecniche previste per la zona sismica 3 Nessuna indicazione Nessuna indicazione Obbligo di progettazione antisismica per le opere site in zona 4

Le caratteristiche della normativa

La normativa “Norme tecniche per il progetto, la valutazione e l’adeguamento sismico degli edifici”, è suddivisa in quattro parti: all. all. all. all.

1 2 3 4

criteri individuazione zone (riporta l’elenco dei comuni suddivisi per zona sismica) calcolo edifici ponti opere di fondazione e sostegno dei terreni

L’allegato 2, oltre alle indicazioni per gli edifici nelle varie tipologie previste, presenta una parte generale, valida anche per gli altri allegati. I capitoli da 1 a 4 sono di carattere generale. Dal capitolo 5 in poi sono trattati problemi specifici per i diversi sistemi costruttivi. Tra le principali caratteristiche si pone l’accento sulle seguenti: pag 41

Progettare in zona sismica

CALCOLO AGLI STATI LIMITE I principi ispiratori sono ripresi da normative internazionali (Usa, Nuova Zelanda) ed in particolare dall’Eurocodice 8. Per questo il metodo di calcolo utilizzato è quello agli stati limiti, sia per il calcolo delle sollecitazioni sia per la verifica dei singoli elementi.

CARATTERE PRESTAZIONALE DELLA NORMATIVA Seguendo la logica adottata dagli Eurocodici “la normativa ha carattere prestazionale, vale a dire sono dichiarati gli obiettivi della norma ed i metodi utilizzati sono giustificati”. Il concetto di “prestazionale” si contrappone al concetto di “prescrittivo” che caratterizzava la norma precedente. La differenza tra questi termini è la stessa che, per esempio, si rileva tra imporre dosaggi per la realizzazione del calcestruzzo (prescrizioni) o il richiedere una resistenza caratteristica garantita (prestazione), lasciando al produttore il compito di realizzare quanto richiesto. Questo in teoria; in pratica sono riportate una serie di regole in modo non molto dissimile dalle normative precedenti, in cui si fa fatica ad immaginare che il progettista possa agire in modo difforme, pur avendone facoltà.

NUOVA CLASSIFICAZIONE SISMICA Nell’allegato 1 della OPCM 3274 è riportato l’elenco dei comuni italiani con la loro classificazione sismica. L’elemento principale consiste nell’aver suddiviso il territorio in Zone (1-4) con diversi valori d’intensità sismica, comprendendo quindi tutta l’Italia. Questo significa che tutte le aree sono soggette alla normativa, anche se, su decisione regionale, alcune aree possono essere esentate dall’applicazione della normativa stessa, escluso gli edifici strategici (cioè che per importanza devono essere particolarmente tutelati – es. caserme, ospedali, ecc.) e rilevanti, cioè che per probabilità d’affollamento possono costituire un pericolo in caso di sisma (es. grandi magazzini, luoghi pubblici e privati, ecc.). La classificazione è da intendersi provvisoria, nell’attesa che le singole regioni decidano in merito, anche in funzione di nuovi criteri di zonizzazione del rischio sismico e a nuove analisi del territorio.

DECRETI REGIONALI PER MODIFICA ZONAZIONE NAZIONALE E ZONA Ogni regione ha facoltà di definire il livello di analisi della zona 4 e può quindi imporre o meno la verifica sismica. Nel caso questa non sia richiesta, continuano a valere le indicazioni seconde quanto indicato dal D.M 16 Gennaio 1996 (vedi tabella sopra circa la normativa regionale). Ha facoltà inoltre di aumentare o ridurre di un livello la zona di ogni comune di competenza. Per questo è necessario verificare le delibere in merito per ogni regione.

CONTROLLO EDIFICI ESISTENTI Al fine di adeguare gli edifici esistenti sono previste campagne di controllo per mapparne il livello di sicurezza, soprattutto per gli edifici strategici (scuole, caserme, municipi, ecc.) a partire dalle zone a maggiore pericolosità sismica (zone 1, 2). Per questo sono stati stanziati finanziamenti ed emanata un’apposita normativa tecnica (OPCM n. 3362 – 12/7/2004, Decreto 21/10/2003).

ACCURATA VALUTAZIONE DEL TERRENO La determinazione delle azioni sismiche è fortemente condizionata dal tipo di terreno su cui si trova la struttura. Passando dalla migliore alla peggiore categoria del terreno, è prevista la maggiorazione dell’azione sismica del 35%. È importante quindi procedere ad analisi accurate della categoria del terreno per valutarne la natura mediante prove dirette.

DUTTILITÀ STRUTTURALE Rispetto all’analisi alle TA, che considera solo il comportamento elastico, il caso sismico richiede pag 42

Progettare in zona sismica l’attento esame del comportamento delle strutture soggette a sollecitazioni intense e di breve durata che comporta il superamento della fase elastica. In effetti, l’esperienza dimostra che le strutture dispongono di una riserva di capacità in grado di assolvere la loro funzione anche di là del limite elastico. Ovviamente alla condizione di subire un degrado, anche serio, ma non tale da comprometterne il funzionamento. (Vedi capitoli relativi alla duttilità delle strutture)

AUMENTO DELLA DUTTILITÀ ATTRAVERSO LA GERARCHIA DELLE RESISTENZE Per quanto visto circa la duttilità, il processo di degrado delle strutture, superato il limite elastico, segue dei percorsi prevedibili, anzi programmabili. Le strutture raggiungono il collasso quando si sono creati dei cinematismi, vale a dire si sono formate tante cerniere plastiche da consentire un moto rigido. Se la rottura avviene attraverso un elemento duttile, si otterrà una rottura non improvvisa, e per un certo tempo, la struttura mantiene la sua funzionalità.

VALUTAZIONE DELLA REGOLARITÀ Una struttura regolare può assorbire le azioni orizzontali senza deformazioni eccessive mantenendo una buona duttilità. Per questo la norma considera la regolarità come una componente importante, indicando una serie di criteri per verificarla. Gli aspetti principali che qualificano la regolarità sono: semplicità strutturale, simmetria, iperstaticità, resistenza e rigidezza flessionale nelle due direzioni ortogonali, rigidezza e resistenza torsionale, rigidezza e resistenza dei solai nel loro piano. La norma prevede che l’assenza di regolarità strutturale è compensata dalla maggiorazione delle azioni sismiche. Per esempio, nel caso del c.a. è prescritta una quota aggiuntiva pari al 25% dell’azione sismica.

CONTROLLO DEGLI EDIFICI ESISTENTI È previsto l’obbligo di verifica per gli edifici sensibili e strategici da compiersi entro il 2008. Per quest’aspetto è stato emanato un apposito decreto che indica le modalità operative per l’effettuazione dei controlli.

INTERVENTI SUGLI EDIFICI ESISTENTI La normativa prevede una serie di regole per quanto riguarda l’intervento di miglioramento o adeguamento per gli edifici esistenti, fornendo indicazioni sui criteri ed i metodi di calcolo da applicare.

INDICAZIONE PER NUOVE TIPOLOGIE DI EDIFICI La norma fornisce indicazioni anche per tipologie costruttive non previste in precedenza, in particolare per quanto riguarda le strutture miste in acciaio-cls. ed in legno.

PROGETTAZIONE DI EDIFICI ISOLATI SISMICAMENTE Adeguandosi alle conoscenze tecniche ormai consolidate è prevista, senza le formalità che prima erano necessarie, la possibilità di adottare meccanismi alternativi alla presa in conto delle azioni sismiche alle sole strutture portanti. In questo modo è possibile ridurre l’azione sismica mediante dissipatori che si affiancano alle strutture portanti, o mediante sistemi di isolamento che impediscono la propagazione dell’azione sismica dal terreno alla struttura.

INDICAZIONI SPECIFICHE PER PONTI E TERRENI, OPERE DI SOSTEGNO, STABILITÀ DEI PENDII E FONDAZIONI IN ZONA SISMICA Gli allegati 3 e 4 si occupano in modo specifico del progetto dei ponti, opere di fondazione e terreni.

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Progettare in zona sismica

19.

Esame dettagliato Articolo 1

Nell’art. 1, che si riporta con alcuni commenti, sono indicati i concetti di base della normativa stessa; si tratta di un punto fondamentale in quanto tutti gli aspetti maggiormente rilevanti sono qui elencati e oggetto di indicazioni dettagliate nella restanti parti della norma. Testo normativo Art. 1. OGGETTO DELLE NORME Le presenti norme disciplinano la progettazione e la costruzione di nuovi edifici soggetti ad azioni sismiche, nonché la valutazione della sicurezza e gli interventi di adeguamento e miglioramento su edifici esistenti soggetti al medesimo tipo di azioni. Lo scopo delle norme è di assicurare che in caso di evento sismico…

…sia protetta la vita umana…

…siano limitati i danni…

Commento É definito il campo d’applicazione della norma sia per le nuove costruzioni sia per interventi sull’esistente.

É denunciato il carattere prestazionale della normativa, cioè l’esplicita indicazione degli obiettivi da raggiungere. La possibilità di utilizzare anche metodi alternativi fornisce al progettista ampie possibilità operative, aggiornando in automatico la normativa allo sviluppo delle conoscenze tecniche. Questa richiesta di prestazione, fondamentalmente di natura etica, è soddisfatta con la richiesta di verifica allo Stato Limite Ultimo (SLU), quindi con la necessità di mantenere la struttura in condizioni tali da consentire l’evacuazione in sicurezza dagli edifici e la difesa delle persone. Questo significa che la struttura, pur subendo anche gravi danneggiamenti, deve mantenersi in condizione di stabilità. Per questo viene fatto richiamo, anche se implicitamente, alla duttilità strutturale, che supplisce ed integra la resistenza. Questa richiesta di prestazione, sostanzialmente di natura economica, è soddisfatta con la richiesta di ridurre i danni e rimanere quindi in campo elastico non superando lo stato limite di danno (SLD). Si fa notare l’apparente incongruenza tra questa richiesta e la precedente: rispettando la limitazione dei danni è ovviamente rispettata la protezione della vita umana. In seguito sarà chiarito che le due richieste sono da verificare in occasione di condizioni sismiche diverse: di maggiore intensità per lo SLU, di minore intensità per lo SLD.

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Progettare in zona sismica

…e rimangano funzionanti le strutture essenziali agli interventi di protezione civile. Le considerazioni di carattere generale, nonché le indicazioni relative all’azione sismica, di cui al capitolo 3, possono essere utilizzate come riferimento, in quanto applicabili, per la progettazione di strutture diverse dagli edifici, qualora non sia disponibile una norma specifica.

In aggiunta alle prescrizioni contenute nelle presenti Norme, le strutture devono soddisfare le prescrizioni contenute nella normativa vigente relativa alle combinazioni di carico non sismiche.

20.

Per l’importanza di alcune strutture sono previste condizioni più gravose al fine di ottenere un maggior livello di sicurezza. Pur essendo nel seguito indicate le principali tipologie strutturali, questo capoverso sancisce che tutte le strutture, anche se non normate, sono soggette a verifica sismica. Questa indicazione estende quindi l’applicazione della normativa a tutte le strutture che, per materiale o tipologia o sistema costruttivo, non sono citate nella normativa. In questo caso valgono i principi generali da adattare, a cura del progettista, per il caso in esame. Ovviamente la struttura deve resistere anche alle condizioni di carico non sismiche.

Indice OPCM 3274 Cap. 1- 4 con commenti

Indice articoli 1. Oggetto delle norme 2. Requisiti di sicurezza e criteri di verifica 2.1. Sicurezza nei confronti della stabilità (stato limite ultimo - slu) 2.2. Protezione nei confronti del danno (stato limite di danno - sld) 2.3. Soddisfacimento dei requisiti generali

2.4. Prescrizioni relative ai terreni di fondazione 2.5. Livelli di protezione antisismica 3. Azione sismica 3.1. Categorie di suolo di fondazione

3.2. Calcolo dell’azione sismica 3.2.1 Zone sismiche

Sintesi e commenti Vedi tabella sopra É stabilita la verifica a SLU É stabilita la verifica a SLD (trattandosi di un requisito economico, la richiesta è estesa anche agli elementi non strutturali). Procedura di calcolo per la verifica allo SLU: 1. Scelta dell’azione sismica 2. Adozione di un modello meccanico (vedi p. 4.4) 3. Scelta di un metodo di analisi (vedi p. 4.5) 4. Esecuzione verifiche resistenze e compatibilità degli spostamenti 5. Adozione regole di dettaglio Caratteristiche ideali dei terreni. Classificazione del terreno (vedi p. 3.1) Definizione di diverse categorie in base alla loro importanza: γI = fattore di importanza Definizione del tipo di terreno (A, B, C, D, E) in funzione di Vs30 (velocità media di propagazione delle onde di taglio) mediante prove dirette o prove Nspt. Definizione di ag in base alla zona sismica (la definizione della zona per ogni comune si trova in all. 1).

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Progettare in zona sismica

3.2.2 Descrizione dell’azione sismica 3.2.3 Spettro di risposta elastico

3.2.4 Spostamento e velocità del terreno 3.2.5 Spettri di progetto per lo stato limite ultimo 3.2.6 Spettro di progetto per lo stato limite di danno 3.2.7 Impiego di accelerogrammi 3.3 COMBINAZIONE DELL’AZIONE SISMICA CON LE ALTRE AZIONI

4. CRITERI GENERALI DI PROGETTAZIONE 4.1 SISTEMI COSTRUTTIVI 4.2 DISTANZE ED ALTEZZE 4.3 CARATTERISTICHE GENERALI DEGLI EDIFICI 4.3.1 Regolarità

4.3.2 Elementi strutturali secondari

Il moto sismico è definito tramite lo spettro di risposta elastico con due componenti ortogonali indipendenti. Definizione degli spettri di risposta elastici verticali ed orizzontali in funzione del tipo di terreno (S, Tb,Tc,Td), zona (1-4), smorzamento viscoso equivalente (in %) Definizione di spostamento e velocità Definizione degli spettri di risposta per SLU in funzione del tipo di terreno, zona, del parametro di regolarità, del parametro tipologia di costruzione, della classe di duttilità definito (A o B) Definizione degli spettri di risposta per SLD ricavati da Spettro di risposta elastico / 2,5 Possibilità di utilizzare accelerogrammi artificiali. Modalità di combinazione carichi sismici con carichi verticali. I coef. γg e γq sono = 1, mentre per l’analisi dei carichi verticali sono rispettivamente 1,4 ed 1,5. Necessità di analisi diverse per SLU e SLD. Definizione combinazione di carico solo per analisi dinamica (tab. 3.4 – 3.5) Elenco dei sistemi costruttivi previsti Definizione altezze edifici per i diversi sistemi costruttivi e distanza dal ciglio stradale. Condizione di regolarità in pianta: configurazione compatta e simmetrica rispetto a due direzioni ortogonali in relazione alla distribuzione di massa e rigidezza rapporto lati rettangolo at

0,8 0,7 0,6

Sd(T)

0,5

Accelerazione del terreno

as=at

0,4 0,3 0,2

asat In questa zona si ha amplificazione dell’accelerazione della struttura dovuta a fenomeni di risonanza. Zona 3: as