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Normativa

Le Norme Tecniche per le Costruzioni 2018 prevedono, per le costruzioni soggette ad azioni sismiche, due criteri generali di progettazione:

Comportamento strutturale non dissipativo (1 ≤q≤1.5)
Comportamento strutturale dissipativo (q>1.5)

Riportando quanto previsto dalle sopracitate norme tecniche: per comportamento strutturale non dissipativo si prevede che nella valutazione della domanda tutte le membrature ed i collegamenti rimangano in campo elastico o sostanzialmente elastico; per comportamento strutturale dissipativo si prevede, invece, che un numero elevato di membrature e/o collegamenti evolvano in campo plastico, mentre la restante parte della struttura rimane in campo elastico o sostanzialmente elastico.

La novità interessante rispetto alle precedenti norme tecniche (NTC08) riguarda proprio quest’ultima specifica, ovvero la possibilità di considerare, all’interno di strutture a comportamento dissipativo, porzioni di struttura che lavorino in campo elastico o sostanzialmente elastico. Su questo aspetto, anche se non espressamente indicato nelle precedenti normative, si era già espresso il C.S.L.P. in una nota del 27/10/2011, in merito ad una richiesta da parte della regione Piemonte sulla possibilità di progettare i pilastri del sottotetto in campo elastico, indicando che in linea di principio è possibile realizzare una struttura, nel suo complesso dissipativa, contenente una parte non dissipativa, a patto di adeguare il fattore q in funzione della regolarità.

Entrando nello specifico della progettazione di costruzioni in acciaio, il principale beneficio di avere un comportamento strutturale non dissipativo per l’intera struttura (o per porzioni di essa) è legato al fatto che, non dovendo espletare un comportamento plastico, non è necessario soddisfare nessun requisito di gerarchia delle resistenze per garantire una progettazione in duttilità. I principali vantaggi si ottengono soprattutto nel dimensionamento dei collegamenti; progettando una struttura in campo dissipativo, infatti, i collegamenti trave-colonna e colonna-fondazione devono essere progettati in modo da consentire la formazione delle cerniere plastiche rispettivamente alle estremità di travi e colonne in modo da anticipare la rottura dell’elemento rispetto a quella del collegamento stesso.

Paragrafo 7.5.4.3 – Gerarchia delle resistenze: collegamenti trave-colonna

Paragrafo 7.5.4.5 – Gerarchia delle resistenze: collegamenti colonna-fondazione

Di contro, progettare una struttura (o una porzione di essa) in campo non dissipativo significa assicurare che rimanga in campo elastico o sostanzialmente elastico. Ai fini della progettazione questo si traduce nell’utilizzare un fattore di comportamento molto ridotto (1 ≤q≤1.5), ovvero considerare le azioni provenienti dallo spettro elastico senza sfruttare la duttilità del materiale.

Sulla base dell’esperienza è possibile affermare che, per strutture in acciaio monopiano, in cui il carico da neve non fa massa sismica, non si ha quasi mai un reale beneficio nel progettare una struttura dissipativa. Nella maggior parte dei casi è infatti più vantaggioso accettare una maggiore amplificazione delle sollecitazioni piuttosto che sfruttare la capacità del materiale in campo duttile per poi garantire la gerarchia delle resistenze e la sovraresistenza dei collegamenti.

Un altro aspetto fondamentale riguarda il fatto che, per molte strutture in acciaio, è probabile che siano più gravosi i carichi statici (azioni del vento) piuttosto che il sisma, pertanto considerare l’azione sismica proveniente dallo spettro ridotto del fattore di comportamento q piuttosto che lo spettro elastico non comporta nessun beneficio nemmeno ai fini del calcolo delle sollecitazioni agenti.

Indipendente dal tipo di progettazione adottata, si illustrano in seguito le verifiche effettuate da PRO_SAP con riferimento alle prescrizioni delle nuove NTC18.

Vediamo entrambe le applicazioni:

Comportamento strutturale NON DISSIPATIVO

PRO_SAP – Comportamento strutturale non dissipativo

Il programma effettua sia per le combinazioni CON il sisma che per le combinazioni SENZA il sisma le verifiche previste dal capitolo 4 del DM08.

Il calcolo dei collegamenti è fatto sulla base delle sollecitazioni senza prevedere alcuna sovraresistenza.

Comportamento strutturale DISSIPATIVO

PRO_SAP – Comportamento strutturale dissipativo

Nelle combinazioni SENZA il sisma fa le verifiche previste nel capitolo 4 del DM08.

Nelle combinazioni CON il sisma fa le verifiche previste nel capitolo 4 del DM08, considerando però le sollecitazioni incrementate del fattore Ω

Vengono inoltre eseguite le verifiche previste nel paragrafo 7.5.4 del DM08.

Il calcolo dei collegamenti è fatto sulla base dei momenti resistenti degli elementi in modo da garantirne la sovraresistenza.

In PRO_SAP le verifiche del capitolo 7 non sono eseguite automaticamente. Nel caso si decida di progettare una struttura dissipativa è necessario attivarle manualmente in Preferenze -> Normative -> Acciaio -> Avanzate.

Per eseguire queste verifiche è necessario eseguire una procedura iterativa:

Attivare nelle normative avanzate le opzioni Applica capitolo 7.4.5 e/o Applica capitolo 7.5.5 (a seconda del tipo di struttura) lasciando inizialmente impostato il valore 1.1;
Eseguire la progettazione ignorando il messaggio sui coefficienti omega non corretti (è il primo tentativo quindi è normale che i coefficienti non siano corretti);
Identificare il valore minimo dei due omega nel menù gerarchia delle resistenze (considerando solo gli elementi strutturali dove ci si attende la formazione di cerniere plastiche)
Ritornare al passo 1) e sostituire il valore di default 1.1 con omega minimo*gamma_ov*1.1
Ripetere la progettazione per avere i risultati corretti che tengano conto della gerarchia delle resistenze.

PRO_SAP – Definizione del coefficiente Ω

Anche nel modulo di calcolo di calcolo dei collegamenti sarà necessario attivare le verifiche di sovraresistenza prima di effettuare le verifiche

PRO_CAD Nodi acciaio – Sovraresistenza dei collegamenti

Riassumendo:

Comportamento NON dissipativo:

Fattore di comportamento q ≤ 1.5
Azioni sismiche maggiori
Non è necessaria la gerarchia delle resistenze per gli elementi strutturali
Non è necessaria la gerarchia delle resistenze per il calcolo dei nodi
Conveniente per piccole strutture, ad esempio monopiano perché la neve al di sotto dei 1000 metri di quota non fa massa sismica, quindi le azioni sismiche sono modeste anche se il fattore q è piccolo.

Comportamento dissipativo:

Fattore di comportamento q >1.5
Azioni sismiche minori
Necessaria la gerarchia delle resistenze per gli elementi strutturali
Necessaria la gerarchia delle resistenze per il calcolo dei nodi
Conveniente per grandi strutture.

Ing. Mirco Basaglia

basaglia@2si.it

Le NTC 2018 introducono novità per quanto riguarda le verifiche di duttilità, infatti la tabella 7.3.III ne prevede l’obbligatorietà nei casi esplicitamente indicati dalla norma.

verifiche di duttilità

Dobbiamo verificare che i singoli elementi strutturali e la struttura nel suo insieme possiedano una capacità in duttilità:

nel caso di analisi lineare, coerente con il fattore di comportamento q adottato e i relativi spostamenti, quali definiti in 7.3.3.3;
nel caso di analisi non lineare, sufficiente a soddisfare la domanda in duttilità evidenziata dall’analisi.

La norma da la possibilità di scegliere come soddisfare la domanda per analisi lineari attraverso tre strade alternative:

Rispettando regole specifiche e dettagli per le diverse tipologie strutturali (in aggiunta alle regole previste al capitolo 4 e alla progettazione in capacità). Ad esempio per edifici in cemento armato sarà sufficiente rispettare i rapporti geometrici e i dettagli costruttivi previsti al capitolo 7.4.6
Facendo le verifiche di duttilità esplicitamente, nel seguito vedremo un esempio
Utilizzando un fattore di struttura q ≤ 1,5

Verifiche di duttilità per edifici in cemento armato progettati con analisi lineari

Vediamo ora una applicazione pratica del punto 2, ovvero poniamoci nel caso in cui la struttura abbia un comportamento dissipativo (q> 1.5), non vogliamo rispettare i requisiti previsti dalla norma, quindi dobbiamo esplicitare le verifiche di duttilità.

Le verifiche consistono nel confronto tra una DOMANDA e una CAPACITÀ, per edifici in cemento armato la verifica di travi, pilastri e pareti è esplicitata al paragrafo 7.4.4.1.2:

verifiche di edifici in C.A.

DOMANDA

Si nota come la norma definisca due domande di duttilità: in spostamento (GLOBALE) µd e in curvatura (LOCALE) µfi

La domanda di duttilità è strettamente legata al fattore di comportamento q, infatti lo scopo di questa verifica è controllare che la struttura sia in grado di dissipare energia in maniera coerente con il fattore q.

PRO_SAP fornisce per ciascun modello i valori di domanda di duttilità per ciascuna direzione perché dipende dal periodo proprio T 1 calcolati secondo quanto previsto dal paragrafo della norma 7.4.4.1.2

È sufficiente utilizzare il comando:

Dati di progetto -> analisi sismica – duttilità

Il periodo viene valutato al passo 4 dei casi di carico sismici nel caso di analisi statica, oppure è il periodo del modo di vibrare che eccita più massa in ciascuna direzione nel caso di analisi dinamica.

CAPACITÀ

Abbiamo visto che la domanda dipende dal periodo proprio T 1 e dal fattore di comportamento q adottato, ora sarà necessario valutare se la struttura ha una capacità coerente col fattore di comportamento q.

La capacità di duttilità in termini di curvatura per strutture in cemento armato dipende, oltre che dai materiali, dalle armature e dallo sforzo normale: va calcolata secondo quanto previsto dal paragrafo 4.1.2.3.4.2 delle NTC 2018, Verifiche di resistenza e duttilità.

Capacità

Si allega uno stralcio della documentazione di affidabilità con i calcoli svolti in dettaglio dall’Ing. Meringolo ( meringolo@2si.it ).

VERIFICHE

La normativa prevede due strade:

[7.4.29] una valutazione semplificata, che richiede il controllo dei volumi delle staffe di confinamento e del nucleo di calcestruzzo, ma che non si può fare per strutture prefabbricate(*).
4.4.2.2 la verifica vera e propria che consiste nel confronto tra DOMANDA di duttilità in curvatura e CAPACITÀ che abbiamo definito in precedenza, questa verifica non è sempre obbligatoria: come abbiamo ripetuto più volte se un edificio ordinario (non prefabbricato) rispetta le regole specifiche e i dettagli (in termini di armature longitudinali, trasversali, verifiche nodi, …)previste dalle NTC 2018 allora questa verifica non è obbligatoria. Per questo motivo se la verifica non è soddisfatta lo stato di progetto rimane OK.

PRO_SAP: verifiche automatiche

PRO_SAP esegue entrambe le verifiche, in particolare la seconda non compromette lo stato di progetto perché non è sempre obbligatoria; è possibile trovare le due verifiche nei menu dei risultati della progettazione di travi, pilastri e pareti:

controllo duttilità -> verifica [7.4.29]

controllo duttilità -> verifica 4.4.2.2

…in conclusione:

QUANDO?

Per prefabbricati(*), per strutture in cemento armato con q > 1.5 e nelle quali, ad esempio, voglio personalizzare le armature.

COME?

Con verifiche semplificate che tengano conto dei volumi del nucleo di calcestruzzo e delle staffe nei casi previsti dalla norma, oppure con la valutazione puntuale di domanda e capacità in termini di duttilità in curvatura.

Ing. Gennj Venturini – venturini@2si.it

(*) 7.4.5.1 TIPOLOGIE STRUTTURALI E FATTORI DI COMPORTAMENTO

[…] Nelle strutture con pilastri incastrati alla base e orizzontamenti collegati ad essi mediante cerniere fisse, la dissipazione di energia avviene unicamente nelle sezioni dei pilastri allo spiccato dalle fondazioni o dalla struttura scatolare rigida di base di cui al § 7.2.1. Per assicurare l’efficacia di tale dissipazione, in tali zone è richiesta la verifica di duttilità, indipendentemente dai particolari costruttivi adottati. A tal fine, non è consentito il ricorso alla [7.4.29] di cui al § 7.4.6.2.2.

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Progetto di strutture in acciaio con le NTC2018