Progettazione Sismica — Capitolo 7 NTC

Il Capitolo 7 delle NTC 2018 stabilisce i criteri generali per la progettazione delle costruzioni soggette ad azione sismica. Il principio fondamentale è che la struttura deve essere progettata per resistere senza collasso ai terremoti di forte intensità (stato limite ultimo) e senza danni significativi ai terremoti di moderata intensità (stato limite di esercizio). Le NTC 2018 definiscono quattro stati limite sismici: Stato Limite di Operatività (SLO), Stato Limite di Danno (SLD), Stato Limite di Salvaguardia della Vita (SLV) e Stato Limite di prevenzione del Collasso (SLC).

Lo SLO corrisponde a un terremoto con elevata probabilità di occorrenza (periodo di ritorno circa 30 anni per strutture ordinarie), a seguito del quale la costruzione non deve subire danni ed interruzioni d'uso significativi. Lo SLD (periodo di ritorno circa 50 anni) ammette danni lievi che non compromettono la resistenza e la rigidezza della struttura. Lo SLV (periodo di ritorno circa 475 anni) ammette danni gravi ma la struttura deve conservare una resistenza e una rigidezza residue significative nei confronti delle azioni orizzontali e l'intera capacità portante nei confronti dei carichi verticali.

Le NTC 2018 introducono il concetto di regolarità strutturale come requisito fondamentale per la progettazione antisismica. La regolarità in pianta richiede che la struttura sia compatta e approssimativamente simmetrica rispetto a due direzioni ortogonali, con un rapporto tra i lati del rettangolo circoscritto non superiore a 4. La regolarità in altezza richiede che i sistemi resistenti alle azioni orizzontali si estendano per tutta l'altezza della costruzione e che massa e rigidezza non subiscano variazioni brusche tra un piano e l'altro.

La regolarità strutturale influenza significativamente il metodo di analisi adottabile e il valore del fattore di struttura q. Le strutture regolari in pianta e in altezza possono essere analizzate con il metodo dell'analisi statica lineare, che è il più semplice. Le strutture non regolari richiedono generalmente l'analisi dinamica modale con spettro di risposta o, in casi complessi, l'analisi non lineare statica (pushover) o dinamica (time-history). La scelta del metodo di analisi è una delle decisioni progettuali più importanti e deve essere adeguatamente motivata nella relazione di calcolo.

Il fattore di struttura q è il parametro che permette di ridurre le forze sismiche elastiche per tenere conto della capacità dissipativa della struttura. Il concetto di base è che una struttura progettata per resistere in campo elastico a un terremoto severo richiederebbe sezioni enormi e costi proibitivi. Le NTC 2018 consentono di progettare la struttura per una frazione delle forze elastiche, a condizione che essa possieda un'adeguata capacità di deformazione in campo plastico (duttilità) senza perdere la capacità portante.

Il fattore q si esprime come q = q0 x KR, dove q0 è il valore massimo del fattore di struttura, che dipende dalla tipologia strutturale e dalla classe di duttilità, e KR è un fattore riduttivo che tiene conto della regolarità in altezza (KR = 1,0 per strutture regolari, KR = 0,8 per strutture non regolari). Per le strutture in cemento armato a telaio in classe di duttilità alta (CD"A"), q0 = 4,5 x alpha-u/alpha-1, dove alpha-u/alpha-1 è il rapporto tra il moltiplicatore dei carichi che induce il meccanismo plastico globale e quello che induce la prima plasticizzazione.

Le NTC 2018 definiscono due classi di duttilità: Classe di Duttilità Alta (CD"A") e Classe di Duttilità Bassa (CD"B"). La CD"A" richiede dettagli costruttivi più rigorosi (confinamento del calcestruzzo, armature di sezione minima, spaziatura massima delle staffe) ma consente valori di q più elevati e quindi forze di progetto inferiori. La CD"B" ha requisiti costruttivi meno stringenti ma valori di q ridotti. Esiste inoltre la possibilità di progettare strutture non dissipative, con q = 1,0, rinunciando completamente alla capacità duttile.

Per le strutture in acciaio, i valori di q0 dipendono dalla tipologia strutturale: telai a nodi rigidi q0 = 4 x alpha-u/alpha-1 (CD"A") o 4,0 (CD"B"), controventi a diagonale tesa q0 = 4,0 (CD"A") o 2,0 (CD"B"), controventi a V q0 = 2,5 (CD"A") o 2,0 (CD"B"). Per le strutture miste acciaio-calcestruzzo e per le strutture in legno, le NTC 2018 forniscono tabelle specifiche con i valori di q0 in funzione della tipologia strutturale e della classe di duttilità. La scelta della classe di duttilità è una decisione progettuale che influenza l'intero dimensionamento della struttura.

Lo spettro di progetto per gli SLU si ottiene dividendo le ordinate dello spettro elastico per il fattore q: Sd(T) = Se(T) / q. Tuttavia, le NTC 2018 impongono un limite inferiore per le ordinate spettrali di progetto pari a 0,2 x ag, per evitare che la riduzione per duttilità porti a forze di progetto troppo basse. Per gli SLE non si applica alcuna riduzione e si utilizza lo spettro elastico Se(T) con un fattore di smorzamento pari al 5%. Per strutture con smorzamento diverso dal 5%, lo spettro è corretto mediante il coefficiente eta = sqrt(10 / (5 + xi)), dove xi è il rapporto di smorzamento percentuale.

La gerarchia delle resistenze, nota anche come capacity design, è il principio cardine della progettazione antisismica moderna ed è esplicitamente richiesta dalle NTC 2018 per le strutture dissipative. Questo principio prevede che le zone dissipative (dove si concentra la deformazione plastica) vengano progettate con resistenza adeguata, mentre le zone non dissipative e i meccanismi fragili vengano sovradimensionati per garantire che la plasticizzazione avvenga solo nelle zone previste e secondo meccanismi duttili.

Per le strutture a telaio in cemento armato, la gerarchia delle resistenze si esprime principalmente attraverso la regola "pilastro forte — trave debole" (strong column — weak beam). Le NTC 2018 al paragrafo 7.4.4.2.1 richiedono che, in ogni nodo trave-pilastro, la somma dei momenti resistenti dei pilastri sia almeno 1,3 volte la somma dei momenti resistenti delle travi convergenti nel nodo, calcolati per i versi di applicazione del momento sismico più sfavorevoli. Questo assicura che le cerniere plastiche si formino nelle travi e non nei pilastri, evitando meccanismi di piano fragili.

Il dimensionamento a taglio degli elementi duttili segue anch'esso il principio della gerarchia delle resistenze. Il taglio di progetto nelle travi non è quello derivante dall'analisi, ma quello corrispondente alla formazione delle cerniere plastiche alle estremità, amplificato di un fattore gamma-Rd (1,20 per CD"A", 1,10 per CD"B"). Per i pilastri, il taglio di progetto è determinato analogamente, considerando la formazione delle cerniere plastiche alle estremità amplificate con gamma-Rd = 1,30 per CD"A" e 1,10 per CD"B". Questo sovradimensionamento a taglio impedisce la rottura fragile per taglio prima del raggiungimento della resistenza flessionale.

Per le strutture con controventi concentrici in acciaio, la gerarchia delle resistenze richiede che le diagonali siano gli elementi dissipativi e che colonne, travi e connessioni siano sovradimensionate rispetto alla resistenza plastica effettiva delle diagonali. Le NTC 2018 prescrivono che la resistenza di calcolo delle colonne e delle travi sia verificata per una combinazione di carichi che include la resistenza plastica delle diagonali moltiplicata per il coefficiente di sovraresistenza omega = 1,1 x gamma-ov x Omega, dove gamma-ov = 1,25 è il fattore di sovraresistenza del materiale e Omega è il rapporto tra la resistenza plastica e la sollecitazione di progetto della diagonale più sollecitata.

La gerarchia delle resistenze si applica anche ai collegamenti e alle fondazioni. I collegamenti tra elementi strutturali devono essere progettati per resistere alle sollecitazioni corrispondenti alla resistenza degli elementi collegati, non alle sollecitazioni di analisi. Le fondazioni devono essere dimensionate per le azioni trasmesse dalla sovrastruttura amplificate del coefficiente di sovraresistenza, salvo che non si esegua un'analisi non lineare che tenga conto dell'interazione suolo-struttura. Le NTC 2018 consentono di ridurre le azioni sulle fondazioni mediante il fattore Omega se la struttura è regolare e progettata con q superiore a 1,5.

Le NTC 2018 ammettono quattro metodi di analisi sismica: analisi statica lineare, analisi dinamica modale con spettro di risposta, analisi statica non lineare (pushover) e analisi dinamica non lineare (time-history). L'analisi statica lineare è il metodo più semplice e si applica a costruzioni che soddisfano le condizioni di regolarità in pianta e in altezza e il cui periodo fondamentale non supera 2,5 x TC o TD. La forza sismica totale di base Fh si calcola come Fh = Sd(T1) x W x lambda / g, dove W è il peso complessivo della costruzione, T1 il periodo fondamentale e lambda un coefficiente che vale 0,85 per edifici con almeno tre piani e 1,0 negli altri casi.

L'analisi dinamica modale con spettro di risposta è il metodo di riferimento per le NTC 2018 e si applica a qualsiasi tipo di struttura. Il metodo prevede la determinazione dei modi di vibrazione della struttura, il calcolo della risposta per ciascun modo mediante lo spettro di progetto e la combinazione dei contributi modali. Le NTC 2018 richiedono di considerare tutti i modi con massa partecipante significativa: la somma delle masse modali efficaci per ciascuna direzione deve raggiungere almeno l'85% della massa totale. La combinazione dei modi avviene tipicamente con la regola CQC (Complete Quadratic Combination), che tiene conto dell'accoppiamento modale.

L'analisi statica non lineare (pushover) consiste nell'applicare alla struttura un sistema di forze orizzontali crescenti monotonamente fino al raggiungimento di una condizione ultima. Le NTC 2018 richiedono almeno due distribuzioni di forze: una distribuzione proporzionale al primo modo di vibrazione (Gruppo 1) e una distribuzione uniforme (Gruppo 2). Il risultato dell'analisi è la curva di capacità forza-spostamento, che viene confrontata con la domanda sismica mediante la conversione nel sistema equivalente a un grado di libertà (SDOF). L'analisi pushover è particolarmente utile per la valutazione delle strutture esistenti.

L'analisi dinamica non lineare (time-history) è il metodo più accurato e consiste nell'integrazione diretta delle equazioni del moto sotto accelerogrammi compatibili con lo spettro di progetto. Le NTC 2018 richiedono almeno 7 gruppi di accelerogrammi, ciascuno composto da due componenti orizzontali e, quando necessario, una componente verticale. Gli accelerogrammi possono essere registrazioni storiche, simulati o artificiali, purché compatibili con lo spettro elastico per il sito. La risposta di progetto si assume come la media dei valori massimi ottenuti dalle 7 analisi.

Le NTC 2018 al paragrafo 7.10 disciplinano l'isolamento sismico, una strategia di protezione che consiste nell'interporre tra la struttura e il terreno dispositivi deformabili (isolatori) che allungano il periodo proprio della struttura e ne riducono drasticamente la risposta sismica. L'isolamento è particolarmente efficace per strutture rigide e con periodo naturale breve, come gli edifici in muratura o in cemento armato a pareti. I dispositivi di isolamento più diffusi sono gli isolatori elastomerici armati (con o senza nucleo in piombo), gli isolatori a pendolo scorrevole (Friction Pendulum) e i dispositivi a scorrimento piano con ricentraggio.

La struttura isolata è concettualmente suddivisa in sovrastruttura (al di sopra del piano di isolamento), sottostruttura (al di sotto) e sistema di isolamento. La sovrastruttura si comporta come un corpo quasi rigido e le deformazioni si concentrano negli isolatori. Le NTC 2018 richiedono che la sovrastruttura sia progettata per rimanere in campo elastico sotto il sisma di progetto allo SLV, con un fattore di struttura q non superiore a 1,5. Questo significa che la sovrastruttura subisce deformazioni e sollecitazioni molto inferiori rispetto a una struttura a base fissa.

I dispositivi di isolamento devono essere qualificati mediante prove di laboratorio che ne attestino le proprietà meccaniche: rigidezza orizzontale e verticale, smorzamento equivalente, spostamento massimo e durabilità. Le NTC 2018 richiedono che i dispositivi siano in grado di sostenere almeno 10 cicli di carico alla deformazione massima di progetto senza variazioni significative delle proprietà meccaniche. Il progetto deve tenere conto della variabilità delle proprietà dei dispositivi con la temperatura, l'invecchiamento e la velocità di deformazione, mediante l'applicazione di coefficienti lambda che amplificano o riducono le proprietà nominali.

La dissipazione supplementare mediante dispositivi dissipativi (smorzatori viscosi, viscoelastici, isteretici o ad attrito) rappresenta un'alternativa o un complemento all'isolamento sismico. I dispositivi dissipativi vengono inseriti nel sistema strutturale per aumentare lo smorzamento complessivo e ridurre le deformazioni e le sollecitazioni sismiche. Le NTC 2018 richiedono che i dispositivi dissipativi siano considerati come elementi non strutturali ai fini della progettazione e che la struttura sia verificata anche in assenza dei dispositivi, con un adeguato margine di sicurezza. Il progetto con dispositivi dissipativi richiede generalmente l'analisi dinamica non lineare.