Valutare le criticità degli edifici a telaio in c.a. nei confronti delle azioni sismiche in un caso studio

Gli edifici in calcestruzzo armato, ancor più di quelli realizzati in muratura, possono manifestare evidenti criticità strutturali in presenza di eccitazione sismica. Tali criticità possono compromettere significativamente la stabilità e la capacità portante degli edifici esistenti in c.a., soprattutto di quelli realizzati in periodi non recenti; i requisiti minimi prestazionali degli elementi componenti il sistema strutturale, richiesti al tempo di costruzione, erano, infatti, diversi rispetto a quelli delle normative vigenti.

Dopo il primo articolo pubblicato su Ingenio, inerente gli approcci progettuali al miglioramento sismico  di edifici a telaio in C.A., in questo secondo intervento si presentano alcuni esempi di modellazione FEM - finite element method - che ne trattano gli aspetti di analisi numerica basata su un caso studio reale.

Differenze nella progettazione tra passato e presente

Gli edifici a telaio in calcestruzzo armato, a partire dagli anni 30 del secolo scorso, hanno avuto, con il tempo, un impiego sempre più diffuso nel panorama architettonico/abitativo funzionale italiano. In passato tale tipologia strutturale era caratterizzata da telai piani unidirezionali lungo lo sviluppo del fabbricato, collegati trasversalmente unicamente dai solai, principalmente realizzati in latero-cemento o con altri sistemi costruttivi similari dell’epoca. Tale soluzione strutturale era concepita per sopportare/resistere unicamente i/ai carichi gravitazionali, considerato che fino agli anni ‘70 solamente alcune zone, del territorio italiano, erano considerate sismiche. In tali edifici gli unici elementi in grado di dare un contributo resistente sostanziale alle azioni orizzontali sono i setti di controvento che generalmente coincidono con le pareti del vano scale: tali membrature venivano normalmente inserite unicamente negli edifici a più di 3 piani con l’unico scopo di resistere alle azioni del vento. I setti così progettati e ideati creano una forte irregolarità delle rigidezze e, viste le caratteristiche con cui sono progettati i solai, possono generare criticità nella trasmissione delle azioni trasversali tra questi, provocando frequentemente il distacco degli impalcati dagli elementi di controvento.

I numerosi eventi sismici verificatisi, che hanno provocato indiscutibili danni su una parte rilevante del territorio italiano, hanno portato un notevole sviluppo delle tecnologie costruttive e un continuo aggiornamento delle normative tecniche, portando la progettazione a seguire nuovi aspetti in passato spesso non considerati.

In particolare con il tempo si è consolidato un determinato iter di progettazione, che in maniera sintetica può essere riassunto nelle seguenti fasi: modellazione della struttura, definizione dell’azione sismica, analisi della struttura, inviluppo dei risultati e sulla base di questi la definizione delle armature all’interno degli elementi strutturali.

Al giorno d’oggi l’idea di fondo è ulteriormente cambiata, ponendo l’attenzione dei progettisti su concetti quali fragilità e duttilità dei meccanismi di collasso portando il dimensionamento a un concetto più complesso basato sulla capacità di oltrepassare il limite elastico, entrando in campo plastico, degli elementi strutturali.

Figura 1 - Esempi di telaio in c.a. realizzato negli anni ‘80

Si è partiti originariamente da una progettazione della struttura unicamente sollecitata da carichi gravitazionali, passando attraverso una progettazione degli elementi strutturali sulla base delle caratteristiche di sollecitazione, dovute all’insieme dei carichi gravitazionali e sismici, opportunamente combinati, ponendo l’attenzione principalmente sulla resistenza delle membrature, arrivando infine ad un design che non punta a massimizzare le resistenze degli elementi sulla base delle sollecitazioni di calcolo bensì a garantire che l’involucro portante nel suo insieme collassi solamente una volta esaurite tutte le sue capacità, ovvero garantendo un comportamento duttile della struttura.

Tale sistema di progettazione è definito come criterio della gerarchia delle resistenze.

L’approccio progettuale secondo la “Gerarchie delle resistenze”

Tenendo presente che il fine ultimo di una corretta progettazione antisismica è quello di creare una struttura con un’elevata capacità dissipativa, ovvero creare una struttura con una consistente riserva di resistenza in campo plastico, risulta indispensabile evitare che avvenga un collasso fragile degli elementi o meglio, innalzare in maniera opportuna la resistenza degli elementi soggetti a meccanismi di rottura fragile in modo da garantire un comportamento globale della struttura di tipo duttile.

Il concetto di duttilità

In termini generali, con duttilità si intende la capacità di un elemento di deformarsi in campo plastico, per cui, tanto più è elevata la deformazione oltre lo snervamento tanto maggiore sarà l’energia dissipata.

Il concetto di duttilità non si riferisce unicamente ad un parametro legato al materiale (deformazione) bensì risulta essere una nozione caratteristica anche della sezione (curvatura), dell’elemento strutturale stesso (rotazione) e della struttura nel suo insieme (spostamento).

La filosofia progettuale su cui si basa il criterio della gerarchia delle resistenze è quella per cui si prevede una precisa disposizione all’interno della struttura di zone puntuali in cui si concentri una rilevante dissipazione di energia, con l’obbiettivo che si attivi uno specifico meccanismo di collasso e non uno casuale, evitando in tale modo rotture fragili. Elemento fondamentale è che queste zone dissipative (cerniere plastiche) siano diffuse lungo tutta l’altezza dell’edificio evitando concentrazioni su uno stesso piano poiché ciò creerebbe la condizione di piano soffice.

Figura 2 - Meccanismo di piano debole avvenuto in un piano intermedio.

I principali aspetti sui quali il criterio della gerarchia delle resistenze pone fondamentale attenzione per garantire una maggiore dissipazione dell’energia sono:

• portare le travi a plasticizzarsi a flessione prima di raggiungere il collasso fragile per taglio, per fare questo occorre una volta dimensionata l’armatura longitudinale, progettare l’armatura a taglio facendo riferimento alla capacità resistente a flessione della trave;

Figura 3 - Esempi di telaio in c.a. realizzato rispettando moderni criteri di progettazione meccanismo pilastro forte - trave debole

• portare i pilastri a plasticizzarsi a flessione e non collassare a taglio, per fare questo occorre, in analogia alle travi, dimensionare l’armatura longitudinale e successivamente progettare l’armatura a taglio facendo riferimento alla capacità resistente a flessione del pilastro;

• la formazione delle cerniere plastiche deve avvenire prima nelle travi e solo in seguito nei pilastri, occorre per dimensionare l’armatura longitudinale dei pilastri prendere in considerazione le resistenze alle estremità delle travi che convergono nel nodo trave-pilastro (pilastro forte - trave debole).

Esempio applicativo di un edificio in c.a.

Nella definizione dell’esempio applicativo è bene ricordare che gli edifici in c.a., così come riportato nell’articolo “Criticità degli edifici a telaio in calcestruzzo armato soggetti ad eccitazione sismica” a cura del Prof. N. Gattesco pubblicato su Ingenio, sono spesso caratterizzati dai seguenti elementi di vulnerabilità sismica:

1. Resistenza globale insufficiente con conseguenti collassi locali o globali;
2. Rigidezza globale insufficiente che comporta eccessive deformazioni degli elementi non strutturali con conseguenti danneggiamenti anche durante sismi frequenti con intensità ridotta;
3. Irregolarità strutturale sia in pianta che in elevazione. Questa influenza notevolmente la risposta sismica di un edificio e può determinare concentrazioni di sollecitazioni o di spostamenti non compatibili con le capacità di resistenza e di rigidezza presenti;
4. Dettagli costruttivi insoddisfacenti con conseguente riduzione della duttilità disponibile. La duttilità locale degli elementi strutturali influenza la duttilità globale dell’edificio;
5. 'Deviazioni’ nel percorso dei carichi possono determinare il malfunzionamento del sistema globale. In presenza di disallineamenti di travi o colonne (e.g., pilastri in falso), viene a mancare la continuità dei percorsi di carico generando zone ‘critiche’ nella struttura (e.g., travi corte);
6. Giunti di ampiezza insufficiente e tali da produrre fenomeni di martellamento tra edifici adiacenti;
7. Degrado delle caratteristiche meccaniche dei materiali costruttivi.

Il primo esempio applicativo, oggetto delle presenti valutazioni (si vuole fare riferimento all’esempio riportato nel sopraccitato articolo, e precisamente quello di Figura 1.a.), considera la mera struttura in c.a., mentre nel seguente, di successiva pubblicazione, sarà valutata la presenza di pareti in c.a. (particolarmente quelle relative al vano scala/vano ascensore, tipicamente inserite in posizione eccentrica rispetto al baricentro delle rigidezze) e quella, non affatto trascurabile, di tamponamenti in muratura a chiusura del fabbricato.

Per dar forma ai contenuti poco sopra, in Tabella 1 vengono identificati i principali elementi di vulnerabilità per la tipologia strutturale degli edifici in c.a. a telaio.

Tale tabella offre un’utile chiave di lettura attraverso cui osservare gli edifici e poter riconoscere le principali carenze strutturali.

Tabella 1 - Principali elementi di vulnerabilità per edifici in c.a. con struttura a telaio.

Al fine di valutare in maniera applicativa le criticità che si possono riscontrare in un edificio intelaiato in c.a. si è proceduto nella realizzazione del modello di fabbricato tipo, con le caratteristiche geometriche rispondenti alla tipologia costruttiva, a forma rettangolare allungata uno con telai ordito unicamente nella direzione longitudinale.

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Bibliografia delle immagini

• Figura 1 - https://tecnologiaduepuntozero.altervista.org/wp-content/uploads/2018/12/4d- 10dea01b04ee39667a483f94eb7953.jpg
• Figura 2 - https://www.nippon.com/en/ncommon/contents/guide-to-japan/178609/178609.jpg
• Figura 3 - https://www.j-safe.co.uk/wp-content/uploads/2015/10/j-safe_fall-protection-for-con- crete-structure_Vinci-Construction.jpg