Elementi non strutturali negli edifici strategici: aspetti normativi

Lo studio di analisi sugli elementi non strutturali negli edifici strategici proposto si compone di due parti: Aspetti normativi (Parte I) e Calcolo dell’azione sismica e verifiche (Parte II).

Elementi non strutturali: il codice normativo appare ancora lacunoso

I recenti eventi di cronaca che hanno interessato da vicino la nostra nazione, testimoniano la necessità di disporre di un chiaro protocollo di design sismico da adoperare nel caso della progettazione e delle verifiche degli elementi non strutturali.

Solo negli ultimi decenni nei codici normativi nazionali si leggono le prime disposizioni da seguire in merito alle verifiche allo stato limite. A tal proposito, nel presente studio è proposta una rassegna dei codici normativi italiani susseguitisi negli anni dalla quale si evince chiaramente l’importanza, non più trascurabile, che questi elementi stiano acquisendo nell’ambito del calcolo strutturale.

In uno studio di vulnerabilità sismica la valutazione degli elementi non-strutturali deve essere considerata di equiparabile rilevanza rispetto a quella degli elementi strutturali, sebbene l’attualità ci dimostra che in alcuni casi possa risultare addirittura maggiore.

Il codice normativo nazionale, nonostante i diversi aggiornamenti sul tema, appare per certi aspetti ancora lacunoso, ad esempio: la categoria delle apparecchiature elettroniche non risulta ad oggi ancora chiaramente delineata e le disposizioni normative al riguardo appaiono pertanto poco chiare.

L’obiettivo della prima sezione dello studio proposto è chiarire il quandro normativo nel quale si opera e illustrare le indicazioni in merito allo studio di vulnerabilità sismica di un elemento non-strutturale, evidenziandone punti di forza e gap operativi.

Gli elementi non strutturali negli edifici strategici

Gli edifici di interesse strategico, ad esempio gli ospedali, sono definite come strutture la cui operatività deve risultare ininterrotta e pertanto garantita in ogni evenienza. La continuità operativa dell’edificio oltre a dover essere garantita in condizioni ordinarie, è richiesta in particolar modo nelle situazioni emergenziali in cui scenari di calamità naturali o atti terroristici possono verificarsi.

Considerando il caso pratico dell’ambito ospedaliero, le aree di primo soccorso come il dipartimento di emergenza e accettazione D.E.A. e simili aree operative assolvono una funzione cardine nella catena emergenziale (Reggio, 2013).

In tal caso, l’operatività di uno specifico settore ospedaliero è affidata oltre che alla forza lavoro del personale medico di reparto (Cimellaro, 2010) è soprattutto determinata dal funzionamento delle apparecchiature medicali e dei macchinari in esso operanti. Nel caso di una struttura ospedaliera, gli elementi non strutturali quali strumentazioni elettroniche e dispositivi medico-sanitari assumono una valenza decisamente importante e garantire la loro funzionalità durante ed in seguito ad un evento catastrofico, come ad esempio il sisma, assicura la funzionalità non solo del singolo segmento opeativo, ma dell’intero edificio.

Da un punto di vista generale, gli elementi non strutturali vengono definiti come tutte quelle componenti facenti parte o contenute nell’edificio, escluso gli elementi strutturali; gli elementi non-strutturali vengono divisi in tre categorie: componenti architettonici, impianti e apparecchiature o arredi fissi (FEMA 74, 1994).

Se si considera il verificarsi di un terremoto, a differenza di quanto accade per i codici normativi impiegati in zone interessate da intensa attività sismica, come la sopra citata normativa americana, nelle normative italiane NTC2018 non è ancora chiaramente delineata la categoria degli elementi non strutturali di tipo elettronico (Reggio, 2022). Per tale motivo, le disposizioni operative nel caso delle verifiche di vulnerabilità sismica da eseguire per la categoria in questione, appaiono ancora poco chiare.

A causa della grande etereogeneità, ogni elemento non strutturale mostra una risposta differente se sottomesso ad eccitazione sismica e conseguentemente va a rottura in maniera diversa a seconda della tipologia di elemento a cui appartiene (Reggio, 2011). Secondo le norme FEMA 356/2000, i componenti non-strutturali possono risultare vulnerabili rispetto a due parametri fondamentali ed in base a ciò vengono dunque suddivisi nelle due categorie: 1) componenti sensibili alle deformazioni; 2) componenti sensibili alle accelerazioni.

Le apparecchiature elettroniche, dovuto alla componente duale software e hardware, mostrano sensibilità rispetto ad entrambi i parametri: deformazioni ed accelerazioni. Un macchinario se sollecitato sismicamente, infatti, può danneggiarsi per rottura degli ancoraggi (sensibilità alle deformazioni) o per danneggiamento della componente elettronica (sensibilità alle accelerazioni).

Inoltre, il secondo meccanismo può risultare talvolta più deleterio del canonico meccanismo di rottura; nel secondo caso infatti il guasto non si manifesta in maniera evidente  ma è latente nel funzionamento del macchinario e pertanto più insidioso da individuare.

Gli elementi non strutturali sono dunque strettamente interconnessi nella rete dell’area operativa a cui sono destinati, tanto da influenzarne la corretta operatività o in caso contrario la completa paralisi del sistema.

Per tale ragione, nell’ambito delle analisi sismiche ha senso individuare quegli elementi non strutturali critici il cui danneggiamento porta a conseguenze irreversibili dal punto di vista operativo ed economico; per tali apparecchiature è necessario svolgere l’analisi di vulnerabilità sismica portando a termine verifiche allo stato limite ultimo e stato limite di esercizio nel caso si tratti di una struttura strategica, e ricada dunque in classe d’uso III e IV.

Elementi non strutturali negli edifici strategici: calcolo dell’azione sismica e verifiche
Nella seconda parte dell'articolo è mostrato un caso studio pratico di calcolo dell’input sismico ed esecuzione delle verifiche agli stati limite su una apparecchiatura elettro-medicale. Nel caso delle strutture strategiche, come ad esempio gli ospedali, la continuità operativa è strettamente legata alla funzionalità della rete di apparecchiature dell’area operativa a cui sono destinate. > LEGGI L'APPROFONDIMENTO COMPLETO

Quadro normativo nazionale

Il crescente interesse verso queste tematiche è confermato dal sempre più impegnato lavoro del settore della ricerca nel campo degli elementi non strutturali e dalla comparsa all’interno dei codici normativi di prescrizioni via via più dettagliate con l’avanzare degli anni. Se si analizzano i testi normativi dell’ultimo ventennio, infatti, si può notare un graduale incremento del livello di approfondimento e sebbene questo si possa considerare un notevole passo in avanti, poiché nelle normative degli anni ’90 non se ne faceva alcun cenno, la trattazione appare tuttavia lacunosa e le indicazioni fornite ancora troppo poco chiare.

Nel presente capitolo ci si propone di chiarire il quadro normativo nazionale di riferimento in merito alle verifiche agli stati limite da eseguire per gli elementi non-strutturali: in ambito nazionale italiano si passano in rassegna i codici normativi a partire dal Decreto Ministeriale del 16 Gennaio 1996 sino ad arrivare alle normative vigenti dell’anno 2018.

Decreto ministeriale del 16 gennaio 1996

Il Decreto Ministeriale del 16 Gennaio 1996 pubblicato nella Gazzetta Ufficiale della Repubblica Italiana predisposto a cura del servizio tecnico centrale del Consiglio superiore dei lavori pubblici, disciplina i criteri di calcolo progettuale, esecuzione e collaudo per le strutture situate in zone sismiche. Secondo il codice normativo, per il calcolo e la verifica degli elementi strutturali possono essere effettuate le verifiche sugli stati di tensione secondo il metodo delle tensioni ammissibili; in alternativa si  eseguono le verifiche sugli stati di sollecitazione, adottando il metodo degli stati limite. Non è ammesso tuttavia che per parti di una stessa struttura si adottino due diversi metodi di verifica. 

Nel Decreto del 1996 in alcuna sezione del testo si fa riferimento agli elementi non strutturali, né in termini di progettazione tanto meno in termini di verifica, risultando pertanto la trattazione di tale argomento del tutto assente.

Norme tecniche per le costruzioni NTC 2008

Le Norme Tecniche per le Costruzioni NTC2008, successive al DM1996 e precedenti al vigente codice normativo, introducono per la prima volta il tema degli elementi non strutturali. In termini di progettazione al paragrafo 7.2.3 Criteri di progettazione di elementi strutturali «secondari» ed elementi non strutturali viene introdotto il concetto di “elementi strutturali secondari”. Nonostante le rigidezze e le resistenze vengano considerate trascurabili nell’analisi della risposta, gli elementi non-strutturali devono comunque risultare idonei ad assorbire le deformazioni della struttura soggetta all’azione sismica di progetto.

Facendo in seguito riferimento a “gli elementi costruttivi senza funzione strutturale” si specifica che nel caso in cui il loro danneggiamento possa provocare danni a persone, devono essere verificati insieme alle loro connessioni alla struttura, per l'azione sismica corrispondente a ciascuno degli stati limite considerati. Gli effetti dell'azione sismica sugli elementi costruttivi senza funzione strutturale possono essere determinati applicando agli elementi in questione una forza orizzontale Fa la cui formulazione è fornita dal codice normativo.

Nel paragrafo successivo 7.2.4 Criteri di progettazione degli impianti si evince che anche gli “elementi di impianto” seguono le stesse regole adottate per gli elementi costruttivi senza funzione strutturale. Tuttavia, nel caso in cui l’elemento di un impianto ecceda il 30% del carico permanente totale del solaio su cui è collocato o il 10% del carico permanente totale dell'intera struttura, l’elemento in questione richiede l’esecuzione di uno specifico studio. Sebbene in termini di progettazione le disposizioni normative appaiono sufficienti, in termini di verifica risultano ancora piuttosto sommarie.

Nel caso dello stato limite di salvaguardia della vita (SLV) al paragrafo 7.3.6.3 Verifiche degli elementi non strutturali e degli impianti si legge che per gli elementi costruttivi senza funzione strutturale debbono essere adottati magisteri atti ad evitare collassi fragili e prematuri e la possibile espulsione sotto l'azione della Fa; nel caso degli impianti principali, gli elementi strutturali che sostengono e collegano i diversi elementi costituenti l’impianto, tra loro ed alla struttura principale,  devono avere resistenza sufficiente a sostenere l'azione della Fa.

In riferimento allo stato limite di esercizio (SLE) si legge al paragrafo 7.3.7.2 Verifiche degli elementi strutturali in termini di contenimento del danno agli elementi non strutturali che per le costruzioni ricadenti in classe d'uso I e II si deve verificare che l'azione sismica di progetto non produca agli elementi costruttivi senza funzione strutturale danni tali da rendere la costruzione temporaneamente inagibile, in altre parole si chiede di verificare che il danno prodotto dall’azione sismica resti circoscritto agli elementi non strutturali; mentre al paragrafo 7.3.7.3 Verifiche degli impianti in termini di mantenimento della funzionalità si evince che per le costruzioni ricadenti in classe d'uso III e IV, si deve verificare che gli spostamenti strutturali o le accelerazioni (a seconda che gli impianti siano più vulnerabili per effetto dei primi o delle seconde) che sono prodotti dalle azioni calcolate allo stato limite di operatività (SLO) non siano tali da produrre interruzioni d'uso degli impianti stessi.

Nuove norme tecniche per le costruzioni NTC 2018

Nelle vigenti Norme Tecniche per le Costruzioni NTC2018, rispetto al precedente testo normativo, vengono ribaditi i concetti già espressi per quanto riguarda l’ambito della progettazione mentre vengono trattati in maniera più approfondita i concetti relativi all’ambito delle verifiche.

Nel paragrafo 7.2.3. Criteri di progettazione di elementi strutturali secondari ed elementi costruttivi non strutturali si legge una riformulazione della definizione di elemento non strutturale, ambivalente a quella presente nel precedente codice normativo e definita come segue: “gli elementi non strutturali sono quegli elementi la cui rigidezza, resistenza e massa sono tali da influenzare in maniera significativa la risposta strutturale e quegli elementi che, pur non influenzando la risposta strutturale, sono ugualmente significativi ai fini della sicurezza e/o dell’incolumità delle persone”.

Analoga riformulazione si ha per i concetti pertinentei al paragrafo 7.2.4. Criteri di progettazione degli impianti. Come sopra accennato, la novità è introdotta al paragrafo delle verifiche 7.3 ed in particolare al paragrafo 7.3.6. Rispetto dei requisiti nei confronti degli stati limite per gli elementi strutturali (ST), elementi non strutturali (NS) ed impianti (IM).

In tal caso, si chiariscono le verifiche da eseguire a seconda dello stato limite considerato, per lo stato limite di salvaguardia della vita (SLV) e collasso (SLC) vengono eseguite le verifiche a stato limite ultimo SLU: Resistenza e Duttilità per gli elementi strutturali e Stabilità per gli elementi non-strutturali ed impianti; nel caso di stato limite di operatività (SLO) e danno (SLD) vengono eseguite le verifiche a stato limite di esercizio SLE: Rigidezza e Resistenza per gli elementi strutturali e Funzionalità per gli elementi non-strutturali (Tabella 1: Tabella 7.3 NTC2018).

Tabella 1 - Tabella 7.3 Verifiche da eseguire sugli elementi strutturali e non strutturali nel caso delle diverse classi d’uso e dei diversi stati limite (Fonte: Paragrafo 7.3.6. Rispetto dei requisiti nei confronti degli stati limite NTC2018).

L'ARTICOLO CONTINUA...

Nel proseguo si parlerà del qaudro normativo internazionale, della definizione dell'input sismico sugli elementi non strutturali secondo la normativa NTC2018.

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