Elementi non strutturali: funzionalità di progettazione integrata di FaTA Next

La struttura di un edificio e gli elementi non strutturali (detti anche "elementi secondari" o "componenti non portanti") interagiscono in modi diversi, ma essenziali per il corretto funzionamento e la sicurezza dell'intera costruzione. Questi elementi, non partecipano direttamente al supporto dei carichi, tuttavia, la loro interazione con la struttura è cruciale in vari modi.

Oltre alle considerazioni nei riguardi dell’analisi statica di un edifico, in particolare, gli elementi non strutturali possono modificare il comportamento sismico. L'interazione tra struttura e questi componenti è un aspetto fondamentale nella progettazione integrata di un edificio.

In sintesi, la progettazione strutturale deve tenere conto delle interazioni tra la struttura e gli elementi non strutturali.

Questo richiede una progettazione attenta, che considera non solo la resistenza e la stabilità della struttura, ma anche come gli altri componenti influenzino o siano influenzati dal comportamento della struttura stessa.

In questo articolo approfondiremo tre problematiche legate agli elementi non strutturali fondamentali per un edificio in calcestruzzo armato:

• Solai
  
• Tamponature
  
• Scale.

Per i solai, approfondiremo come il peso proprio influisce nel comportamento sismico della struttura, quantificando analiticamente l’incremento di domanda sismica per tre diverse tipologie: edifici che si sviluppano in altezza; edifici che si sviluppano in pianta; piccoli edifici monofamiliari.

Per le tamponature analizzeremo, per un edificio esistente, la problematica della verifica fuori piano, intervenendo con i sistemi FRCM ai fini della diminuzione della vulnerabilità.

Le scale sono una parte la cui modellazione riveste un ruolo molto importante ai fini del comportamento sismico di una costruzione. Per questi elementi, approfondiremo l’impatto che esse hanno per la definizione delle strutture “deformabili torsionalmente”, anche nel caso di strutture apparentemente “regolari” e simmetriche.

  

  

I vari esempi sono stati elaborati con FaTA Next, software di calcolo FEM sviluppato per la progettazione integrata e l’analisi strutturale sia di edifici nuovi che esistenti, che consente di valutare l’interazione della struttura con le varie componenti di un edificio.

FaTA Next
Dall’esperienza di oltre 40 anni di sviluppo di software dedicati alla progettazione strutturale nasce FaTA Next, il nuovo software per la modellazione, l’analisi e la verifica di strutture. Il software consente di affrontare diverse problematiche strutturali, che vanno da semplici analisi di tipo lineare a quelle più complesse come non lineari e persino gli effetti del degrado strutturale.

  

Incidenza del peso dei solai sul comportamento della struttura

Progettare ai nostri giorni vuol dire ad avere numerose alternative che riguardano i componenti strutturali e non strutturali. Per i solai esistono in commercio diverse tipologie costruttive, che si diversificano in particolar modo per l’alleggerimento, sviluppate considerando anche i requisiti energetici degli edifici.

Dal punto di vista strutturale, l’utilizzo di diversi tipi di solaio può incidere, come vedremo, sul comportamento globale della struttura, in funzione delle sue dimensioni.

Nell’articolo metteremo a confronto due comuni tipologie molto diffuse:

• Solai in latero-cemento (con pignatte)
• Solaio in c.a. con alleggerimento in polistirolo (tipo Plastbau®)

Per lo svolgimento dei confronti utilizzeremo il software di progettazione strutturale FaTA Next, il quale consente l’utilizzo di 13 diverse tipologie di solaio, partendo dalla progettazione dell’elemento secondario fino a considerarlo nell’ambito della progettazione dell’intera struttura.

Tutte le tabelle che seguono sono derivate direttamente dall’esaustiva relazione di calcolo generate da FaTA Next.

Per la valutazione considereremo tre casi tipici, caratterizzati da diversa incidenza dei solai:

• A. Edifici che si sviluppano in altezza;
  
• B. Edifici che si sviluppano in pianta;
  
• C. Piccoli edifici monofamiliari.

     

  

La diversa incidenza dei solai può essere calcolate in termini di volume degli elementi. I valori per le tre strutture sono rispettivamente:

• A. 13.9 %
• B. 16.3 %
• C. 19.5 %

Per la struttura A, in fase di progetto lo spessore strutturale dei solai dovrà attenersi a 21 cm, quindi analizzeremo i due seguenti casi:

  

Nel caso del solaio con polistirolo è presente una parte inferiore di 3 cm per l’isolamento termico.

Il confronto che faremo sarà in termini di massa, periodi di vibrazione principali, e tagliante sismico alla base.

Per quanto riguarda i modi di vibrare le variazioni tra i casi A1 e A2 sono molto limitate. Le forme modali variano solo ed esclusivamente nei valori dei periodi:

 

  

In termini di accelerazione di progetto l’incidenza dei solai non è tale da modificarne l’entità. I periodi di vibrazione fondamentali di entrambe le strutture ricadono nel plateau definito dallo spettro da normativa (NTC 2018),

  

  

In termini di massa la variazione totale si attesta al 5.6% (vedi tabella sotto):

  

  

In termini di taglio sismico le variazioni per le due direzioni seguono quelle delle masse, e sono entrambe pari a 5.4%:

  

  

Per la struttura B, in fase di progetto lo spessore strutturale dei solai dovrà attenersi a 24 cm, per la presenza di travi a spessore di solaio, quindi analizzeremo i due seguenti casi:

  

  

Nel caso del solaio con polistirolo è presente una parte inferiore di 4 cm per l’isolamento termico.

Si riportano le forme modali principali dei due casi B1 e B2:

  

  

Anche in questo caso in termini di accelerazione di progetto l’incidenza dei solai non è tale da modificarne l’entità. In termini di massa la variazione totale si attesta al 5.6% (vedi tabella sotto):

 

  

In termini di taglio sismico si ha un diverso valore per le due direzioni dovuto alla diversa rigidezza della struttura. Nella direzione Y abbiamo un valore che rispecchia l’aumento delle masse (7.5 %), mentre lungo X il valore si riduce a 3.3%:

  

  

Per la struttura C analizziamo i due casi C1 e C2, per i quali in fase di progetto lo spessore strutturale dei solai sarà pari a 20 cm:

 

 

Nel caso del solaio con polistirolo è presente una parte inferiore di 4 cm per l’isolamento termico.

Si riportano le forme modali principali dei due casi C1 e C2:

  

  

Dalle tabelle dei modi di vibrare notiamo che per la struttura con solai in polistirolo sono necessari un numero minore di modi di vibrare ai fini del raggiungimento delle masse eccitate, pari all’85% del totale.

Anche in questo caso in termini di accelerazione di progetto l’incidenza dei solai non è tale da modificarne l’entità. In termini di massa la variazione totale si attesta al 9.6% (vedi tabella sotto):

  

  

In termini di taglio sismico si ha un diverso valore per le due direzioni dovuto alla diversa rigidezza della struttura. Nella direzione X abbiamo un valore che rispecchia l’aumento delle masse (9.8 %), mentre lungo X il valore si riduce a 8.1%:

 

  

Tutte le differenze riportate sono a discapito del solaio in latero-cemento in quanto più pesante.

In conclusione, abbiamo visto che l’utilizzo di solai più leggeri riveste maggior importanza nel caso di strutture di piccole dimensioni. In ogni caso, però, si ottengono variazioni di tutti i parametri fondamentali misurati.

Nei casi A e B il peso del solaio ha minor influenza anche perché il solaio piano calpestabile ha carico d’esercizio pari a 2 kN/m² (e coefficiente sismico pari a 0.3) rispetto alle coperture, per le quali si utilizzano 0.5 kN/m² (e coefficiente sismico pari a 0).

In tutti gli esempi, anche se non riportati, si sono riscontrati aumenti dei coefficienti di sicurezza delle verifiche strutturali nel caso del solaio Plastbau®, in modo particolare per travi e nodi.

Nel caso di miglioramento di strutture esistenti o sopraelevazione, l’utilizzo di solai più leggeri potrebbe essere una delle soluzioni da percorrere per favorire la diminuzione della domanda per le varie verifiche, sia globali che locali.

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Gli altri argomenti trattati nell'articolo:

• Influenza del vano scala sul comportamento della struttura
  
• Vulnerabilità e interventi sulle tamponature