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Dalla progettazione "statica" alla progettazione "dinamica"
Andrea Dall’Asta
Alessandro Zona
Come orientarsi verso la scelta migliore
 
Rubrica a cura di Fondazione Promozione Acciaio
 
La progettazione di una costruzione razionale ed efficace in zona sismica parte ovviamente da una sintesi del problema e dall'individuazione dei parametri principali che controllano la risposta. A differenza delle azioni gravitazionali, dirette verticalmente e dovute a peso proprio e sovraccarichi, l'azione sismica è un’azione orizzontale di tipo dinamico che produce un moto di oscillazione della costruzione sufficientemente veloce da rendere significative le azioni di massa.
Le regole e i parametri che controllavano la progettazione tradizionale, orientata principalmente a soddisfare le richieste di azioni che agiscono staticamente e sempre verso il basso, non sono più utili nel campo della dinamica e l'approccio progettuale si deve basare su parametri alternativi, individuare e soddisfare requisiti prestazionali differenti, generando sistemi e forme strutturali nuove.
Mentre l'approccio alla progettazione strutturale, di carattere statico, cercava soluzioni a partire da due caratteristiche fondamentali della struttura, la rigidezza e la resistenza, una progettazione di carattere dinamico si sviluppa sulla base di tre parametri fondamentali: la massa, il periodo proprio e la dissipazione.

Caratteristiche dinamiche: massa e periodo proprio

Il ruolo giocato dalla massa complessiva M è semplice: le forze sismiche sono direttamente proporzionali alla massa per cui più una costruzione è pesante, più subirà sollecitazioni intense.
Il secondo parametro, invece, descrive una caratteristica propria del movimento che si manifesta: una volta innescato un moto di vibrazione della costruzione, il tempo impiegato a percorrere un'oscillazione completa prende il nome di periodo proprio T e dipende solo dalle caratteristiche della costruzione. Più precisamente, il periodo proprio T, solitamente espresso in secondi, dipende dal rapporto tra la massa e la rigidezza complessive dell'edificio. A parità di massa M, costruzioni con periodi diversi subiranno azioni di diversa intensità e la relazione tra periodo della costruzione a massima forza complessiva è descritto dallo spettro elastico di risposta Sa(T) (Figura 1). Lo spettro fornisce solitamente un'accelerazione fittizia (pseudo accelerazione) che può essere interpretata come forza per unità di massa (F=Ma).
 
Spettro di risposta
Figura 1 - Relazione tra intensità dell'azione sismica e periodo della costruzione (spettro di risposta)

E' evidente che la sintesi proposta può risultare brutale per gli esperti di dinamica strutturale e la valutazione della sicurezza passa attraverso analisi più raffinate del problema. Resta comunque il fatto che massa e periodo sono i due parametri fondamentali che il progettista ha a disposizione per controllare la risposta della sua costruzione. Così come risulta evidente che questi due parametri siano già scritti nel sistema costruttivo che si sceglie per l'edificio e che gli esiti in termini di risposta sismica vengano già definiti nei momenti iniziali della progettazione e della concezione del sistema strutturale.
L'ingegneria sismica oggi è in grado di guidare la progettazione verso soluzioni che forniscono lo stesso livello di sicurezza anche utilizzando sistemi costruttivi diversi ma è evidente che soluzioni pesanti con periodo breve, ad es. costruzioni in muratura con pochi piani, devono sopportare azioni più grandi e partono svantaggiate rispetto a soluzioni leggere con periodi di vibrazione più lunghi, ad esempio costruzioni snelle in acciaio.

 
Figura 2 - Ristrutturazione di una ex filanda - nuovo centro ricerca Soremartec

Si intuisce a questo punto che il parametro massa, che influenza direttamente le forze e indirettamente il periodo, non è un parametro che riguarda esclusivamente la questione strutturale. La massa complessiva dell'edificio è fortemente influenzata dalle scelte di carattere tecnologico che si effettuano per la realizzazione dell'involucro, degli orizzontamenti, delle coperture. A prescindere dal sistema strutturale, una costruzione con pareti di chiusura verticale in mattoni pieni o semipieni subirà azioni sismiche più grandi di una con un involucro realizzato con pannelli prefabbricati leggeri. Oltre alle masse associate al peso proprio dell'edificio esistono anche le masse che derivano dalla destinazione d'uso. Anche in questo caso, la loro distribuzione è in buona parte conseguenza di una scelta del progettista. Ad esempio, la scelta della distribuzione in altezza delle masse è importante perché le masse ai piani più alti producono momenti ribaltanti più elevati. Non è quindi conveniente disporre ai piani superiori spazi destinati a biblioteche o soggetti a grande affollamento, più consono utilizzare destinazioni d'uso meno impegnative in termini di massa.
Si conclude quindi che una buona progettazione sotto l'aspetto della sicurezza sismica non è un tema confinato all'interno della concezione e del dimensionamento della struttura ma è una questione che coinvolge la progettazione nel suo insieme e tutti i soggetti che a questa partecipano.
 
Dissipazione, duttilità e rapporto costi-benefici
 
Un aspetto complementare ai precedenti ma fondamentale per la sicurezza riguarda la dissipazione di energia.
Il movimento alla base può essere interpretato come un trasferimento di energia meccanica dal terreno alla costruzione, man mano che l'energia entra il moto si manifesta con intensità crescente, al termine dell'evento il moto si riduce e la costruzione ritorna in quiete dopo che tutta l'energia entrata è stata smaltita o, più tecnicamente, dissipata. L'ampiezza del moto che si manifesta e le associate sollecitazioni sulle costruzioni sono tanto più limitate quanto più il sistema è capace di dissipare velocemente l'energia che sta entrando.
Nell'approccio convenzionale al problema, suggerito nelle principali normative internazionali ed in quella nazionale, la dissipazione di energia deriva principalmente dal danneggiamento della costruzione, danneggiamento che coinvolge inizialmente gli elementi non strutturali (tramezzi, infissi, ecc.) per arrivare alla plasticizzazione dei componenti strutturali nel caso di eventi particolarmente intensi (Figura 3).
In questa logica, tanto più una costruzione è capace di subire danni senza collassare, tanto più sarà capace di dissipare energia, il suo moto sarà più contenuto, le sollecitazioni moderate e il costo della struttura limitato.
 
 
Figura 3 - Relazione tra risposta sismica e danneggiamento della costruzione

Ovviamente, quando arriverà il terremoto, ci sarà un conto da pagare per rendere nuovamente funzionale la costruzione e questo conto sarà proporzionale al danneggiamento. Il proprietario si trova quindi di fronte all'alternativa di scegliere se investire di più nella realizzazione di una nuova costruzione o rischiare di spendere molto di più nel ripristino nel caso di terremoto. Il ventaglio delle possibilità di scelta è estremamente ampio, dipende dalla tipologia del sistema strutturale e dal progetto di dettaglio dei singoli componenti. E’ il progettista che dovrebbe guidare il committente verso la scelta migliore.
Questo aspetto viene descritto dal fattore di struttura q. Tale fattore parte dal valore unitario per le strutture progettate per non danneggiarsi e assume valori via via più grandi in base all’efficacia dei meccanismi di danneggiamento attivati per dissipare l’energia. Ciò determina una riduzione della forza sismica di progetto come illustrato nella Figura 4. In questo modo il progetto strutturale in zona sismica si compone di tre fasi: scelta del fattore di struttura in relazione alla tipologia strutturale e al livello di danno accettato in condizioni sismiche, progetto della struttura con le forze sismiche ridotte in base al fattore di struttura, attuazione di tutte le regole di dettaglio volte a garantire che la struttura abbia effettivamente la capacità di dissipare l’energia sismica in modo coerente con il fattore di struttura adottato.
 

Figura 4- Riduzione dell'azione di progetto al crescere del fattore di struttura
 
Approcci innovativi

Negli ultimi anni stanno trovando applicazione approcci più razionali ed efficaci alla questione del controllo dei parametri che definiscono la risposta sismica. La crescente diffusione di queste soluzioni è stata anche sostenuta dalla recente normativa che ne permette l’adozione senza particolari vincoli burocratici.
In sintesi, la risposta sismica può essere migliorata adottando due strategie differenti. La prima interviene sul periodo proprio della costruzione. Come evidente dallo spettro di risposta (Figura 1), se la costruzione oscilla più lentamente (periodo più lungo), le accelerazioni e le forze sismiche si riducono. Il risultato si può ottenere introducendo un sistema flessibile, chiamato isolamento sismico, tra la fondazione solidale al terreno e la parte superiore della costruzione. La seconda strategia interviene sulla dissipazione e si attua introducendo dispositivi speciali, i dissipatori sismici, che provvedono a dissipare l’energia in ingresso, evitando che questa produca un danneggiamento sulla costruzione. Le due tecniche possono anche essere combinate per ottimizzare la prestazione complessiva e sono disponibili sul mercato dispositivi di dissipazione e isolamento basati su tecnologie differenti e pensati per soddisfare le esigenze più varie.
Sotto l’aspetto del rapporto costi-benefici, queste tecniche risultano sicuramente convenienti in una valutazione complessiva nel ciclo di vita della costruzioni. In ogni caso, anche i costi iniziali di costruzione sono spesso confrontabili con quelli di una soluzione tradizionale perché i maggiori costi dei dispositivi sono in buona parte compensati dalle economie che si possono fare nella struttura, dove le sollecitazioni sono maggiormente ridotte e non è necessario adottare gli onerosi dettagli costruttivi richiesti dalla progettazione tradizionale.

Isolamento sismico
 
Figura  5 - Utilizzo di colonne in tubolari in acciaio e dispositivi di isolamento per l'adeguamento sismico di un edificio residenziale, L'Aquila
 

© Fondazione Promozione Acciaio – Architetture in Acciaio #15 “Costruzioni Sicure in Zona Sismica” – a cura di: Prof Andrea Dall’Asta, Prof. Alessandro Zona 

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