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Strutture dissipative

Strutture dissipative e non: cosa cambia nella progettazione

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Le strutture dissipative si basano sul concetto di duttilità e implicano l’accettazione del danneggiamento come strategia progettuale. Scopri maggiori dettagli

Le Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC 2018) stabiliscono che la progettazione delle costruzioni in zona sismica può seguire due approcci strutturali distinti: uno dissipativo e uno non dissipativo. Ma cosa differenzia questi due approcci e quali implicazioni hanno sulla progettazione delle strutture? Approfondiremo i quesiti appena posti nel corso di questo articolo.

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Cosa sono le strutture dissipative?

Nell’ambito della progettazione strutturale, le strutture dissipative fanno riferimento a quei sistemi che possono ammettere fenomeni di plasticizzazione senza, tuttavia, compromettere la stabilità globale della struttura.

Questi sistemi si basano sul concetto di “duttilità” e si contrappongono alle strutture non dissipative, nelle quali si fa affidamento alla “resistenza” del materiale e tutti gli elementi sono progettati per rimanere in campo elastico.

Un approccio comune per ottenere un comportamento complessivamente duttile è quello di progettare le travi in modo che si formino cerniere plastiche alle estremità, seguendo il principio del “pilastro forte e trave debole”. Ciò significa che la struttura viene progettata in modo che le travi siano più flessibili rispetto ai pilastri. Durante un evento sismico, le travi si deformeranno e plasticizzeranno prima dei pilastri, così da consentire al sistema di dissipare l’energia sismica in modo più efficace ed evitare il collasso dell’intera struttura.

Comportamento dissipativo e non dissipativo secondo le NTC 2018

In base a quanto stabilito dalle Norme Tecniche per le Costruzioni del 2018, al paragrafo 7.2.2, le costruzioni soggette all’azione sismica, non dotate di appositi dispositivi d’isolamento e/o dissipativi, devono essere progettate in accordo con uno dei seguenti comportamenti strutturali:

  • comportamento strutturale non dissipativo: nella valutazione della domanda, tutte le membrature e i collegamenti rimangono in campo elastico o sostanzialmente elastico. La domanda derivante dall’azione sismica e dalle altre azioni è calcolata, in funzione dello stato limite cui ci si riferisce, ma indipendentemente dalla tipologia strutturale e senza tener conto delle non linearità di materiale, attraverso un modello elastico;
  • comportamento strutturale dissipativo: nella valutazione della domanda, un numero elevato di membrature e/o collegamenti evolvono in campo plastico, mentre la restante parte della struttura rimane in campo elastico o sostanzialmente elastico. La domanda derivante dall’azione sismica e dalle altre azioni è calcolata, in funzione dello stato limite cui ci si riferisce e della tipologia strutturale, tenendo conto della capacità dissipativa legata alle non linearità di materiale. Se la capacità dissipativa è presa in conto implicitamente attraverso il fattore di comportamento q, si adotta un modello elastico; se la capacità dissipativa è presa in conto esplicitamente, si adotta un’adeguata legge costitutiva.

La normativa tecnica non pone limitazioni sulla scelta del comportamento strutturale da adottare per la progettazione di edifici in zona sismica. Si rimanda al progettista la possibilità di optare tra un approccio dissipativo o non dissipativo, garantendo così una progettazione più flessibile e adatta alle particolari necessità dell’edificio considerato.

Progettazione dissipativa

Le costruzioni con comportamento strutturale dissipativo devono essere progettate in modo da conseguire una delle due classi di duttilità di seguito riportate:

  1. Classe di Duttilità Alta (CD”A”): questa classe è caratterizzata da una capacità dissipativa elevata. Significa che la struttura è progettata per assorbire e dissipare grandi quantità di energia durante un evento sismico, garantendo una maggiore resilienza e resistenza agli effetti del terremoto;
  2. Classe di Duttilità Media (CD”B”): a differenza della precedente, questa classe si caratterizza per una capacità dissipativa di livello medio, ma comunque sufficiente a garantire una risposta sismica efficace.

La differenza principale tra le due classi risiede nell’entità delle plasticizzazioni previste durante la fase di progettazione, sia a livello locale (ossia nei singoli elementi strutturali) che a livello globale (nell’intera struttura). In sostanza, la CD”A” è progettata per sopportare maggiori deformazioni plastiche rispetto alla CD”B”.

In entrambi i casi, la normativa tecnica prescrive l’impiego dei procedimenti tipici della “progettazione in capacità”, conosciuta in letteratura come capacity design. Scopriamo insieme di cosa si tratta.

Progettazione dissipativa: classi di duttilità

Progettazione dissipativa: classi di duttilità

Il concetto di capacity design (progettazione in capacità)

La progettazione in capacità si riferisce a un approccio di progettazione che ha lo scopo di assicurare alla struttura un comportamento duttile in caso di eventi sismici. Questo si attua mediante i seguenti criteri:

  • distinguere gli elementi e i meccanismi della struttura in duttili e fragili, sia a livello locale che globale. I meccanismi duttili si verificano controllando che la domanda non superi la corrispondente capacità in termini di deformazione. I meccanismi fragili si verificano controllando che la domanda non superi la corrispondente capacità in termini di resistenza;
  • evitare rotture fragili locali e l’attivazione di meccanismi globali fragili o instabili. Ciò significa progettare gli elementi e i collegamenti in modo tale che non si verifichino rotture improvvise o collassi a livello globale;
  • localizzare le dissipazioni di energia per isteresi in zone degli elementi duttili specificamente progettate, chiamate “dissipative” o “duttili”, coerenti con lo schema strutturale adottato. Questo significa identificare e progettare specifiche zone nella struttura in cui l’energia sismica può essere assorbita e dissipata in modo controllato attraverso deformazioni plastiche.

Per raggiungere questi obiettivi, bisogna fare in modo che gli elementi/meccanismi considerati fragili (ovvero quelli che tendono a rompersi o cedere in modo improvviso e senza deformazioni significative) abbiano una capacità di resistenza maggiore rispetto agli elementi/meccanismi che sono considerati duttili (ovvero quelli che possono subire deformazioni significative prima di cedere).

Al fine di assicurare il rispetto di tale diseguaglianza, si utilizza un coefficiente chiamato “fattore di sovraresistenza“, che ha lo scopo di aumentare l’effettiva capacità in resistenza degli elementi/meccanismi duttili, sia a livello locale che globale. Utilizzando questa capacità maggiorata, si dimensiona la capacità degli elementi/meccanismi fragili indesiderati. In pratica, si assicura che la resistenza degli elementi fragili sia maggiore della resistenza dei corrispondenti elementi duttili, considerando il fattore di sovraresistenza precedentemente applicato.

La normativa tecnica indica i coefficienti di sovraresistenza da utilizzare per le diverse tipologie di materiali impiegati nella costruzione di edifici e specifica, inoltre, le verifiche da eseguire per valutare la duttilità dei singoli elementi strutturali nonché della struttura nel suo complesso.

Gerarchia delle resistenze nella progettazione dissipativa

La progettazione dissipativa in capacità si basa sul concetto fondamentale di gerarchia delle resistenze. Tale approccio si riferisce all’ordine in cui si verificano i meccanismi di rottura duttili e fragili in una struttura. L’obiettivo è quello di assicurare che i meccanismi di rottura duttili (come la flessione per le travi e la pressoflessione per i pilastri) si manifestino prima dei meccanismi di rottura fragili (dovuti a sollecitazioni di taglio). In altre parole, un elemento strutturale non dovrebbe sperimentare la rottura per taglio prima di raggiungere la massima capacità di resistenza alla flessione.

Anche all’interno dei possibili meccanismi duttili che possono verificarsi in una struttura (dovuti alla flessione nelle travi e nei pilastri), è importante stabilire un ordine gerarchico durante la progettazione. Le cerniere plastiche devono formarsi prima alle estremità di tutte le travi. Solo dopo che tutte le travi si sono deformate plasticamente, le cerniere plastiche potranno manifestarsi alla base dei pilastri. Ciò consente di evitare il meccanismo di collasso di piano soffice, che si riferisce alla situazione in cui i pilastri si plasticizzano prima delle travi, il che può portare al collasso improvviso della struttura.

Gerarchie delle resistenze dei nodi Travi-Pilastro

Gerarchie delle resistenze dei nodi Travi-Pilastro |EdiLus

Progettazione non dissipativa

A differenza delle strutture dissipative, nelle quali sono ammesse plasticizzazioni controllate sotto l’azione di carichi sismici, le strutture non dissipative sono progettate in modo tale da rimanere nel campo elastico. In queste strutture, l’attenzione è focalizzata principalmente sulla resistenza piuttosto che sulla duttilità.

Nell’analisi dinamica modale con spettro di risposta delle strutture non dissipative, viene utilizzato uno spettro di progetto che tiene conto del comportamento specifico di queste strutture. Per ottenere lo spettro di progetto, si parte da uno spettro elastico di riferimento e si riducono le sue ordinate utilizzando un fattore di comportamento chiamato qND, che è definito dalla normativa tecnica. Tale fattore ha un valore compreso tra 1 e 1,5 e per calcolarlo si applica la seguente relazione:

1 ≤ qND = 2/3 ⋅ qCD”B” ≤ 1.5

In questa formula, qND rappresenta il fattore di comportamento per le strutture non dissipative, mentre qCD”B” è il fattore di comportamento per le strutture dissipative in classe di duttilità bassa. Come è facilmente intuibile, nelle strutture non dissipative l’azione sismica avrà un valore maggiore rispetto alle strutture dissipative. Questo perché le strutture non dissipative sono progettate per privilegiare la resistenza strutturale a discapito della duttilità.

Queste strutture sono, quindi, progettate con una resistenza tale da rimanere nel campo elastico in caso di eventi sismici. Le sezioni degli elementi strutturali vengono dimensionate e verificate in base alle sollecitazioni risultanti dall’analisi della struttura. Non è necessario considerare i momenti resistenti delle sezioni amplificati per i fattori di sovraresistenza, come avviene nelle strutture dissipative che seguono il principio di gerarchia delle resistenze.

Nel calcolo del momento resistente della sezione (sia in caso di flessione semplice che di pressoflessione) si considera la curvatura di prima plasticizzazione. In termini pratici, è necessario tener conto della relazione tra momento e curvatura della sezione e considerare il momento resistente corrispondente al valore minore tra la curvatura ottenuta al raggiungimento dello snervamento dell’acciaio di armatura e la curvatura ottenuta al picco della deformazione del calcestruzzo.

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Edilus

 

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