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Duttilità strutturale

Duttilità strutturale: la resistenza degli edifici in caso di sisma

Tempo di lettura stimato: 6 minuti

La capacità di deformarsi senza rompersi permette alle strutture in acciaio di essere sicure anche in caso di sisma. Scopri di più sulla duttilità strutturale

La duttilità dei singoli elementi strutturali che costituiscono le comuni costruzioni civili e industriali è un indicatore fondamentale, seppur non unico, per caratterizzare la resistenza di tali strutture agli effetti di un terremoto. Quando si parla dell’intera struttura, questo indice è denominato duttilità strutturale.

In zone ad elevato rischio sismico, la duttilità strutturale assume un ruolo di particolare rilevanza in quanto riflette la capacità della struttura di resistere, oltre i limiti elastici, a terremoti di elevata intensità. Vediamo come la gestione di tutti questi aspetti, anche con l’aiuto di specifici software per il calcolo strutturale, possa aiutare i progettisti a creare strutture sicure anche in caso di eventi sismici rilevanti.

Che cos’è la duttilità strutturale

La duttilità strutturale si riferisce alla capacità di una struttura, o in generale di un materiale, di deformarsi senza rompersi o collassare in modo catastrofico sotto l’azione di carichi o sollecitazioni. In altre parole, una struttura duttile è in grado di subire deformazioni significative senza perdere la sua integrità strutturale o la capacità di sostenere carichi.

La duttilità si manifesta a due livelli distinti: la duttilità strutturale locale, che riguarda la capacità dei singoli elementi di una struttura di deformarsi e la duttilità strutturale globale, che si riferisce alla capacità complessiva della struttura di assorbire deformazioni plastiche.

Più precisamente la valutazione dei parametri di duttilità va fatta in termini di deformazione se riferiti al materiale, in termini di curvatura (o rotazione) se riferiti alla sezione (o all’elemento) e in termini di spostamento se riferiti all’intera struttura.

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È importante notare che a costruzioni con elevati livelli di duttilità dei singoli elementi, non corrispondono automaticamente altrettante elevate capacità dissipativa dell’intera struttura. Questa capacità è influenzata da vari fattori, tra cui i dettagli costruttivi, la posizione e il numero delle cerniere plastiche e l’estensione della deformazione plastica richiesta a ciascuna cerniera.

Infine, la duttilità strutturale globale, rappresentata dal rapporto tra lo spostamento ultimo consentito e lo spostamento al limite elastico, è essenziale per la capacità dissipativa complessiva dell’edificio. La corretta progettazione strutturale, orientata verso un meccanismo di plasticizzazione noto come “Capacity Design“, mira ad ottenere un alto livello di duttilità globale, assicurando così una maggiore sicurezza e resistenza alle costruzioni in caso di terremoti.

Materiali come l’acciaio e leghe di alluminio sono spesso utilizzati in strutture che richiedono duttilità, come edifici sottoposti a carichi sismici. Gli ingegneri strutturali progettano le strutture tenendo conto della duttilità per garantire che siano in grado di sopportare le sollecitazioni e di comportarsi in modo sicuro anche in situazioni estreme.

Duttilità e resistenza delle strutture agli eventi sismici

La capacità di una struttura di resistere a un terremoto è strettamente correlata alla sua capacità di dissipare l’energia sismica. Questo processo avviene solo quando la struttura entra in una fase post-elastica, generando meccanismi che permettono di dissipare l’energia attraverso elevate deformazioni plastiche permanenti concentrate in zone critiche, conosciute come cerniere plastiche.

Il principio chiave alla base della progettazione strutturale in zone sismiche è che, per resistere senza crolli a terremoti di elevata intensità, la struttura deve considerare le risorse oltre i limiti elastici. Al contrario, se la struttura è progettata per resistere al terremoto mantenendo una risposta in fase elastica, mancherà di capacità dissipativa. In questo caso, l’energia sismica assorbita durante il movimento del suolo viene accumulata come deformazione elastica e restituita integralmente durante la fase di scarico, senza lasciare deformazioni residue, fessurazioni o fenomeni di degrado.

La progettazione di elementi strutturali con elevate rigidezze flesso-torsionali, necessarie per mantenere la struttura in fase elastica, comporterebbe strutture sovradimensionate e non economiche, in particolare per costruzioni ordinarie. Di conseguenza, l’approccio da preferire è quello di realizzare strutture sismoresistenti capaci di avere una sufficiente capacità di deformazione plastica. Questo si ottiene sfruttando la duttilità locale delle sezioni, consentendo alla struttura di assorbire e dissipare l’energia sismica attraverso deformazioni plastiche concentrate in specifiche zone critiche.

Per progettare una struttura nel rispetto delle norme tecniche vigenti, eseguire le verifiche di duttilità, resistenza, deformabilità, di gerarchia delle resistenze di aste e nodi, ecc., è possibile utilizzare un software per il calcolo strutturale dell’acciaio.

Modello 3D struttura in acciaio

Modello 3D struttura in acciaio

L’utilizzo di software specifici ti aiuta ad evitare gravosi errori di progettazione e a rispondere pienamente a tutte le verifiche della normativa vigente in materia. Inoltre, è un valido supporto per eseguire analisi rapide su ogni aspetto del progetto e per studiare nel dettaglio anche strutture complesse con capriate, controventi, nodi, ecc.

In questo video ti mostro le potenzialità e il supporto che può offrirti un software per il calcolo strutturale dell’acciaio.

Duttilità del calcestruzzo e dell’acciaio

La duttilità del calcestruzzo e dell’acciaio è un concetto fondamentale nella progettazione strutturale, soprattutto in ambito sismico. Esaminiamo la duttilità di entrambi i materiali, illustrando i grafici tensione/deformazione associati.

Calcestruzzo

Il diagramma tensione-deformazione del calcestruzzo è generalmente diviso in due fasi principali: elastica e plastica.

  • Fase Elastica
    • inizia con una fase elastica, dove lo stress (tensione) è proporzionale alla deformazione
    • raggiunto il limite elastico, il calcestruzzo inizia a comportarsi in modo plastico
  • Fase Plastica
    • il calcestruzzo continua a deformarsi plasticamente con l’aumentare dello sforzo
    • si raggiunge il punto di rottura, dove il calcestruzzo cede e la deformazione continua senza aumentare lo sforzo.

La duttilità del calcestruzzo è influenzata dal rapporto tra la deformazione ultima e la deformazione al limite elastico. Quanto maggiore è questo rapporto, tanto più duttile è il calcestruzzo.

Acciaio

Il comportamento dell’acciaio è notevolmente più duttile rispetto al calcestruzzo. Il suo grafico tensione/deformazione mostra:

  • Fase Elastica:
    • durante questa fase, il materiale subisce deformazioni elastiche reversibili. Ciò significa che, se il carico viene rimosso, il materiale torna alla sua forma originale senza deformazioni permanenti. La pendenza della curva in questa fase rappresenta il modulo di Young, che misura la rigidità del materiale
    • raggiunto il limite elastico, l’acciaio inizia la fase di snervamento plastico. È il punto in cui il materiale inizia a deformarsi plasticamente, cioè la deformazione diventa permanente anche dopo la rimozione del carico. La tensione a questo punto è chiamata “tensione di snervamento”
  • Fase Plastica
    • dopo lo snervamento, l’acciaio subisce deformazioni plastiche significative senza un aumento significativo della tensione. La pendenza di questa fase è detta “modulo di flusso” ed è associata alla deformazione plastica
    • la deformazione continua finché si raggiunge il punto di rottura, ma a differenza del calcestruzzo, l’acciaio offre una significativa capacità di deformazione plastica senza rottura immediata. La tensione massima raggiunta prima della rottura è chiamata “tensione di rottura”.
grafico-tensione-ammissibile-acciaio

Grafico tensione ammissibile acciaio

La duttilità dell’acciaio è indicata dal rapporto tra la deformazione ultima e la deformazione al limite elastico. Grazie a questo comportamento plastico, l’acciaio offre una significativa capacità di dissipare energia durante eventi sismici.

In breve, la duttilità del calcestruzzo e dell’acciaio è essenziale per garantire che le strutture possano sopportare carichi sismici attraverso deformazioni plastiche senza cedere catastroficamente. La progettazione sismica mira a sfruttare la duttilità di entrambi i materiali per massimizzare la capacità di assorbire e dissipare l’energia sismica.

L’acciaio, dunque, non arriva subito a rottura ma grazie alla sua duttilità riesce a dissipare l’energia sismica proprio grazie alla sua capacità di deformarsi.  Ci sono, però, alcune situazioni estreme che portano l’acciaio ad assumere un comportamento “fragile”, vediamo quali sono.

La rottura fragile

La rottura fragile dell’acciaio è un tipo di rottura che avviene senza una significativa deformazione plastica precedente e il materiale passa dallo stato elastico allo stato di rottura senza evidenti segni di avvertimento. Questo comportamento è in contrasto con la rottura duttile, in cui il materiale subisce deformazioni plastiche significative prima della rottura.

Ecco le principali cause associate alla rottura fragile dell’acciaio:

Sollecitazioni tensionali elevate

La rottura fragile è spesso associata a sollecitazioni tensionali elevate, specialmente in presenza di fessure o difetti microstrutturali.

Temperatura bassa

La rottura fragile è più probabile a basse temperature. Questo fenomeno è noto come rottura fragile a bassa temperatura. Esposto alle basse temperature la resilienza dell’acciaio può diminuire, favorendo la rottura senza deformazione plastica significativa.

Presenza di difetti strutturali

La presenza di difetti strutturali come inclusioni, fessure o impurità può promuovere la rottura fragile. Questi difetti possono fungere da punti di innesco per la propagazione di fratture.

Velocità di carico elevata

Carichi applicati rapidamente o in modo improvviso possono favorire la rottura fragile. Questo è noto come rottura fragile dinamica.

La comprensione della rottura fragile è essenziale per evitare fallimenti strutturali in situazioni in cui questa modalità di rottura potrebbe essere problematica, ad esempio in condizioni di bassa temperatura o in presenza di sollecitazioni tensionali elevate ed improvvise.

 

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