Confronto tra le vigenti normative italiane e americane sull’isolamento sismico di edifici

Criteri di progetto, analisi e verifica sperimentale

Questo articolo si pone l’obiettivo di fornire un agile confronto tra l’approccio normativo per l’isolamento sismico degli edifici di nuova costruzione in Italia e negli Stati Uniti, presentando succintamente similitudini e differenze nell’impostazione dell’analisi, progettazione e realizzazione di tali sistemi strutturali. 

L’isolamento sismico: l'evoluzione della normativa

L’isolamento sismico è ormai riconosciuto come una tecnologia matura per proteggere efficacemente gli edifici nei confronti delle azioni sismiche. Nell’era moderna, le prime implementazioni di tale tecnologia risalgono alla fine degli anni Settanta. All’epoca, l’isolamento sismico era percepito come costoso, complicato e di lenta progettazione e realizzazione. Il progresso dell’applicazione nelle due decadi seguenti è stato modesto fino agli eventi sismici di Northridge, negli Stati Uniti nel 1994, e Kobe, in Giappone nel 1995.

A seguito di quegli eventi, una riesamina dei benefici dell’isolamento sismico da parte della comunità tecnica e scientifica ne mise in risalto i numerosi vantaggi in termini di prestazione in caso di eventi sismici di alta intensità, soprattutto se rapportati ai costi-benefici conseguenti alla riduzione dell’interruzione delle attività commerciali e dei costi di riparazione e ricostruzione.

L’analisi, la progettazione, e la costruzione di un sistema d’isolamento richiede considerazioni sulle prestazioni dinamiche attese della struttura isolata sismicamente, che sono affrontate in modi diversi nelle moderne normative sulle costruzioni.

La prima normativa tecnica statunitense che ha incluso requisiti per edifici isolati sismicamente è l’Uniform Building Code (UBC) del 1991 (UBC 1991), la cui stesura era basata sulle raccomandazioni da parte dell’Associazione degli Ingegneri Strutturisti della California (SEAOC 1989). Negli anni seguenti, prescrizioni di normativa sono state implementate nel documento di riferimento nazionale per la progettazione di edifici, l’ASCE/SEI 7 (ASCE 2017) della Società Americana di Ingegneria Civile (American Society of Civil Engineering).

Prescrizioni semplificate per la progettazione di interventi di adeguamento e miglioramento degli edifici esistenti sono anche contenute fin dal 2007 nel documento ASCE/SEI 41 (ASCE 2007), mentre i concetti e principi fondamentali dell’isolamento per ponti stradali sono stati introdotti per la prima volta dall’Associazione Americana dei Funzionari delle Strade e dei Trasporti (AASHTO) nel 1991, attraverso le linee guida per il progetto dell’Isolamento sismico di ponti stradali (AASHTO 1991).

In Italia i primi riferimenti tecnici sull’isolamento sismico, senza forza di legge, sono state le Linee guida per la progettazione, esecuzione e collaudo di strutture isolate dal sisma, apparse nel 1998 (Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici 1998) e la progettazione, verifica e collaudo di tali sistemi è oggi regolata dalle Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC-2018) (Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici 2018). 

L’evoluzione di tali normative ha portato, negli anni, all’introduzione dei requisiti minimi da seguire per un approccio che include la considerazione dei diversi obiettivi prestazionali che gli edifici isolati devono conseguire in risposta ai diversi livelli di azione sismica.

Tale approccio prestazionale richiede, per esempio, la verifica della funzionalità dell’edificio in caso di terremoti di modesta entità e l’adozione di misure per evitare la perdita di funzionalità dei sistemi di isolamento anche in caso di eventi sismici estremi.

Il raggiungimento di questi obiettivi prestazionali è ottenuto attraverso specifiche considerazioni sul tipo di intelaiatura strutturale e la configurazione dell’edificio, i materiali, i dettagli strutturali e non strutturali e tiene conto dell’incertezza associata all’azione sismica.

Al tempo stesso, le modifiche delle normative hanno avuto l’intento di semplificare, nel tempo, l’implementazione della tecnologia e, possibilmente, di renderla sia più economica, sia di più semplice realizzazione, con l’obiettivo finale di estenderne l’utilizzo. Questo articolo si pone l’obiettivo di fornire un agile confronto tra l’approccio normativo per l’isolamento sismico degli edifici di nuova costruzione in Italia e negli Stati Uniti, presentando succintamente similitudini e differenze nell’impostazione dell’analisi, progettazione e realizzazione di tali sistemi strutturali.

Impostazione normativa attuale

Nelle NTC-2018 l’isolamento sismico è trattato nel capitolo 7 sulla progettazione sismica degli edifici, specificamente nella sezione 7.10.

In tale sezione si affrontano essenzialmente i requisiti generali di progettazione, i criteri di scelta dell’azione sismica di progetto, le procedure di analisi strutturale per strutture isolate e la revisione della progettazione.

I criteri di qualificazione ed accettazione dei dispositivi d’isolamento e, di conseguenza, le prove sperimentali sugli stessi sono presentati in una sezione separata (sezione 11.9) del capitolo 11 sui materiali e prodotti ad uso strutturale.

LEGGI L'APPROFONDIMENTO

L’isolamento sismico nelle NTC 2018: un’analisi di ENEA

Nelle ASCE/SEI 7, le prescrizioni sull’isolamento sismico e sulle prove sperimentali sono, invece, riportate in un capitolo a sé stante, il capitolo 17, con lo scopo di sottolineare la sostanziale differenza di questo sistema di protezione sismica dai sistemi basati sulla progettazione in duttilità di tipo tradizionale.

Segue un’analisi dettagliata delle due normative, in termini di requisiti generali di progettazione, criteri di qualificazione ed accettazione sperimentale dei dispositivi e metodi di modellazione ed analisi per edifici isolati.

Requisiti generali di progettazione

Prestazioni simili per i dispositivi d'isolamento

Attraverso i requisiti generali di progettazione, entrambe le normative NTC e ASCE/SEI 7 richiedono simili prestazioni per i dispositivi d’isolamento, e specificamente:

Stabilità sotto azione sismica e carichi verticali: i dispositivi del sistema d’isolamento devono essere in grado di sostenere, senza rotture, gli spostamenti valutati per un’azione sismica riferita allo Stato Limite di Collasso (SLC), corrispondente al livello del massimo terremoto atteso (MCE nelle ASCE/SEI 7), inclusi possibili effetti torsionali. Tuttavia, la definizione di spostamento massimo differisce tra le due normative. Ad una prima analisi, sembrerebbe che la valutazione degli spostamenti massimi nella norma italiana sia più cautelativa, almeno per dispositivi a comportamento marcatamente non lineare, come gli isolatori a scorrimento, in quanto aggiunge allo spostamento sismico di progetto lo spostamento residuo risultante da un terremoto di entità minore, specificamente al livello dello Stato Limite di Danno (SLD), rappresentativo dell’effetto di una possibile scossa avvenuta precedentemente al massimo terremoto atteso (§ 7.10.6.2.2). Tuttavia, la normativa americana, pur non includendo gli effetti di alcuno spostamento residuo, amplifica lo spostamento torsionale attraverso l’aggiunta di un’eccentricità accidentale della massa sismica dal centro di rigidezza del sistema d’isolamento, pari al 5% della dimensione dell’edificio nella direzione perpendicolare all’azione sismica, come richiesto anche dalla normativa italiana, ma in aggiunta richiede che lo spostamento massimo non sia minore del 115% dello spostamento calcolato senza effetti torsionali. La normativa americana può risultare, quindi, più cautelativa di quella italiana per isolatori a comportamento sostanzialmente lineare, quali gli isolatori in gomma armata la cui stabilità, tra l’altro, può essere severamente compromessa dall’entità della deformazione laterale. Invece i due approcci risultano sostanzialmente comparabili in termini di spostamenti attesi in caso di sistemi a comportamento non lineare, seppure sulla base di una differente interpretazione del comportamento sismico del sistema.

Trazione nei dispositivi: la trazione deve essere generalmente impedita negli isolatori sotto i carichi di progetto ma entrambe le normative ammettono eccezioni nel caso in cui detta trazione non provochi danneggiamento del dispositivo. Le ASCE/SEI 7 specificano, in aggiunta, che qualora ci fosse un sollevamento del dispositivo per effetto di una forza di trazione, come può accadere in isolatori a scorrimento attritivo, tale sollevamento è permesso a patto che non comporti eccessive sollecitazioni e instabilità negli elementi strutturali o negli altri dispositivi di isolamento.

Controllo di movimenti indesiderati: in entrambe le normative si ammettono dispositivi di fine corsa a condizione che permettano lo spostamento massimo di progetto. Per azioni di servizio, quali le azioni del vento, sono richiesti vincoli laterali di adeguata rigidezza, per i quali le ASCE/SEI 7 specificano che la rigidezza deve essere almeno pari alla rigidezza laterale dei piani superiori. La normativa italiana è, invece, più attenta ai movimenti sismici indesiderati e specifica ulteriori condizioni per limitare gli effetti di movimenti torsionali, richiedendo che la proiezione del centro di massa della sovrastruttura sul piano degli isolatori ed il centro di rigidezza del sistema sottostruttura-isolamento siano, per quanto possibile, coincidenti. Inoltre, per evitare spostamenti verticali differenziali, le NTC-2018 richiedono che le tensioni di compressione sui dispositivi siano per quanto possibile uniformi e, nel caso di sistemi d’isolamento con dispositivi di diverso tipo, di porre attenzione ai possibili effetti della differente deformabilità verticale dei dispositivi stessi. 

Forze di ricentraggio: le normative hanno gli stessi requisiti per garantire il ricentraggio del sistema dopo l’evento sismico di progetto, richiedendo che l’incremento di forza resistente degli isolatori tra il 50% e il 100% dello spostamento di progetto, non includente gli effetti torsionali, sia almeno il 2,5% del peso dell’edificio in condizioni sismiche.

Protezione dal fuoco e dagli effetti ambientali: mentre le NTC-2018 specificano che i dispositivi possono non essere protetti da possibili effetti derivanti da attacchi del fuoco, chimici o biologici se si prevedono dispositivi che, in caso di distruzione degli isolatori, siano idonei a trasferire il carico verticale alla sottostruttura, le ASCE/SEI 7 richiedono necessariamente tale protezione, come anche che si considerino gli effetti ambientali che possano influire sull’invecchiamento, la viscosità sotto carichi di lunga durata e gli effetti di fatica e temperatura.  

Forti differenze per le prestazioni richieste alle sottostrutture e sovrastrutture

Per quanto riguarda la sottostruttura e la sovrastruttura, ovvero le strutture al di sotto ed al di sopra del sistema d’isolamento, le prestazioni richieste dalle norme italiane ed americane differiscono significativamente ed in particolare:

Sottostruttura: per entrambe le normative, la sottostruttura di un edificio isolato deve rimanere in campo sostanzialmente elastico sotto le azioni sismiche di progetto. La differenza risiede nelle azioni usate per verificare tale requisito, visto che le NTC-2018 adottano, per le verifiche di resistenza, le azioni sismiche allo Stato Limite di salvaguardia della Vita (SLV), mentre le ASCE/SEI 7 adottano le azioni sismiche allo SLC. Siccome il massimo terremoto atteso allo SLC nelle normative americane è 1,5 volte il terremoto di progetto allo SLV, questo requisito comporta una resistenza maggiore di almeno il 50% rispetto ai requisiti italiani.

Sovrastruttura: per le NTC-2018 la sovrastruttura si deve mantenere in campo sostanzialmente elastico sotto le azioni di progetto allo SLV. Per questo livello di azione le forze sismiche di progetto per la sovrastruttura possono essere ridotte attraverso un fattore di comportamento pari a 1,5, per lo più rappresentativo della sovraresistenza strutturale piuttosto che di un’escursione in campo plastico del sistema strutturale. Contrariamente, le ASCE/SEI 7 richiedono la progettazione della struttura per le azioni sismiche allo SLC ed ammettono, per questo livello di azione, una limitata escursione in campo plastico della sola sovrastruttura. Il fattore di comportamento adottato per la progettazione della sovrastruttura è posto pari al valore minimo tra 2 ed i 3/8 del fattore di comportamento dell’equivalente sistema strutturale non isolato. In caso di significative irregolarità in pianta o in elevazione, il fattore di comportamentoè ulteriormente ridotto del 30%. Tuttavia,  un fattore di comportamento superiore a 2 è ammesso se si esegue un’analisi statica non lineare della sovrastruttura che dimostri una resistenza pari ad almeno il 110% del massimo taglio alla base calcolato negli isolatori per lo SLC. Un semplice confronto tra le due normative può essere effettuato tramite il confronto tra gli spettri di risposta utilizzati per la progettazione della sovrastruttura, come mostrato in Figura 1. Assumendo lo stesso livello di sismicità e regolarità, in elevazione ed in pianta, per la sovrastruttura isolata, dopo la riduzione apportata dal fattore di struttura, lo spettro di progetto delle ASCE/SEI 7 presenta ordinate più elevate del 12,5% rispetto allo spettro delle NTC-2018. Dato il maggiore livello di azioni di progetto nelle ASCE/SEI 7, in sostanza, l’approccio della normativa italiana, basato sul livello SLV delle azioni sismiche, implicitamente accetta un livello di danneggiamento superiore a quello della normativa americana per l’azione sismica allo SLC. Nelle NTC-2018, tuttavia, la mancata necessità di adottare pratiche di progettazione basate sulla capacità e dettagli costruttivi per garantire la duttilità rende gli effetti di tale danneggiamento inevitabilmente non controllati. 

Figura 1. Spettri di progetto per la sovrastruttura: a) normativa Italiana NTC-2018, b) normativa USA ASCE/SEI 7. 

Diaframmi: contrariamente alle NTC-2018, le ASCE/SEI 7 richiedono specificatamente che il diaframma all’interfaccia tra sovrastruttura e dispositivi d’isolamento abbia resistenza e duttilità sufficiente a ripartire le forze tra i dispositivi per azioni sismiche allo SLC.

Spostamenti d’interpiano: nelle NTC-2018, la verifica degli spostamenti d’interpiano è considerata una verifica dello SLD. La verifica è ritenuta soddisfatta se tali spostamenti sono inferiori a 2/3 dei valori ammissibili per edifici non isolati, ovvero tra lo 0.133% e lo 0.667% dell’altezza d’interpiano, in funzione del tipo di sistema strutturale e di tamponature utilizzate. Per le ASCE/SEI 7, tale verifica è condotta, invece, per le azioni allo SLC ed i limiti accettabili per tali spostamenti, che includono l’escursione in campo plastico, sono significativamente più elevati, ovvero l’1.5% dell’altezza d’interpiano per analisi semplificate e il 2% nel caso di analisi dinamiche con accelerogrammi. La verifica degli spostamenti d’interpiano per le normative americane è dunque fondamentalmente finalizzata a prevenire eccessi di danneggiamento e ridurre gli effetti secondari delle deformazioni strutturali sotto carichi verticali (effetto P-delta). Per una sovrastruttura intelaiata con tamponature ordinarie, ad esempio, il massimo spostamento interpiano imposto dalle NTC-2018 allo SLD è pari allo 0.333% dell’altezza d’interpiano, mentre per le ASCE/SEI 7 può essere finanche pari al 2% allo SLC. Considerato che le azioni allo SLC sono generalmente 3 o 4 volte superiori alle azioni allo SLD e che le limitazioni della normativa americana sono 6 volte maggiori di quelle della normativa italiana, nel caso specifico la normativa italiana richiede che la sovrastruttura debba essere dalle 1,5 alle 2 volte  più rigida rispetto alla stessa struttura progettata secondo la normativa americana. Tale requisito ha l’effetto di rendere il sistema di isolamento più efficace, in quanto forza la sovrastruttura a comportarsi come un blocco sostanzialmente rigido sul supporto flessibile creato degli isolatori, ma al tempo stesso rende il requisito di rigidezza per la verifica agli SLD possibilmente dimensionante per la struttura, forzando implicitamente il progettista ad introdurre una sovraresistenza, associata alla richiesta di rigidezza aggiuntiva, che ha il potenziale effetto di evitare danni strutturali anche per azioni sismiche agli SLC.

Un ulteriore aspetto progettuale che richiede attenzione riguarda l’accessibilità agli isolatori e le eventuali connessioni, particolarmente quelle degli impianti, fra la struttura isolata e il terreno o le parti di strutture non isolate.

Accessibilità: per permettere la manutenzione e sostituzione dei dispositivi d’isolamento, entrambe le normative richiedono che la sovrastruttura debba essere concepita in modo da assicurare l’accesso e rendere i dispositivi stessi ispezionabili e sostituibili. In aggiunta, le NTC-2018 sono più attente alla manutenzione straordinaria del sistema d’isolamento, in quanto richiedono di prevedere adeguati sistemi di contrasto, idonei a consentire l’eventuale ricentraggio dei dispositivi.   

Connessioni: mentre le NTC-2018 richiedono un diverso livello di prestazione in funzione del livello dell’azione sismica, richiedendo che le eventuali connessioni, strutturali e non, fra la struttura isolata e l’esterno, debbano assorbire gli spostamenti allo SLD senza danno o limitazione d’uso e che solo le connessioni del gas e di altri impianti pericolosi che attraversano i giunti di separazione debbano essere progettate per consentire gli spostamenti allo SLC, le ASCE/SEI 7 sono più restrittive, richiedendo che tutti gli elementi che attraversano i giunti di separazione siano capaci di resistere agli spostamenti allo SLC. In aggiunta, le ASCE/SEI 7 richiedono che tali elementi siano in grado di accomodare, a lungo termine, eventuali deformazioni permanenti del sistema d’isolamento.

Criteri di qualificazione e accettazione sperimentale

I dispositivi d’isolamento, essendo responsabili dell’integrità strutturale dell’intero sistema, devono essere sottoposti a prove sperimentali di qualificazione ed accettazione, rispettivamente per la determinazione delle cosiddette proprietà meccaniche medie (nominali) da usare nella modellazione e per verificare che le proprietà dei dispositivi utilizzati siano conformi alle proprietà nominali. L’approccio di qualificazione e accettazione differisce significativamente nella normativa italiana e americana. Le NTC-2018 richiedono che, per la qualificazione e l’accettazione, i dispositivi siano conformi alla norma europea armonizzata UNI EN 15129 (CEN 2018) mentre le ASCE/SEI 7 includono i protocolli di prova ad i criteri di accettazione nella sezione sull’isolamento sismico. Poiché le prove sperimentali per la verifica del comportamento meccanico dipendono dal tipo di isolatore, per brevità, in questo contributo si fa esemplificativamente riferimento agli isolatori a scorrimento attritivo al fine di fornire un confronto indicativo tra le prescrizioni normative. 

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