PROGETTAZIONE STRUTTURALE

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1 PROGETTAZIONE STRUTTURALE Guida Pratica all Applicazione del D.M e della Circ. C.S.LL.PP. 617/09 Marco Boscolo Bielo I N D I C E Capitolo 1 - PROGETTO, DIREZIONE LAVORI E COLLAUDO STATICO 1.1 INTRODUZIONE PRINCIPI FONDAMENTALI DEL D.M «NUOVE NORME TECNICHE PER LE COSTRUZIONI» GLI STATI LIMITE E LA DURABILITÀ Gli Stati Limite Ultimi (SLU) Gli Stati Limite di Esercizio (SLE) MATERIALI E COMPONENTI STRUTTURALI: IL MANUALE DI INSTALLAZIONE E DI MANUTENZIONE MATERIALI E PRODOTTI STRUTTURALI DEFINIZIONI PRELIMINARI IDENTIFICAZIONE, QUALIFICAZIONE E ACCETTAZIONE DEI MATERIALI DA COSTRUZIONE REDAZIONE DEL PROGETTO STRUTTURALE CONTENUTI GENERALI LA RELAZIONE DI CALCOLO LA RELAZIONE SUI MATERIALI GLI ELABORATI GRAFICI I PARTICOLARI COSTRUTTIVI IL PIANO DI MANUTENZIONE DELLE STRUTTURE RELAZIONI SPECIALISTICHE (RELAZIONE GEOLOGICA, RELAZIONE GEOTECNICA, RELAZIONE SULLA PERICOLOSITÀ SISMICA DI BASE) DEPOSITO DEL PROGETTO STRUTTURALE

2 1.5 LA DIREZIONE DEI LAVORI IL COLLAUDO STATICO Capitolo 2 - AZIONI SULLE COSTRUZIONI 2.1 DEFINIZIONE E CLASSIFICAZIONE IL CONCETTO DI VALORE CARATTERISTICO DELLE AZIONI CARICHI PERMANENTI PESI PROPRI DEI MATERIALI STRUTTURALI CARICHI PERMANENTI NON STRUTTURALI (CARICHI PERMANENTI PORTATI) ELEMENTI DIVISORI INTERNI (CARICHI PERMANENTI PORTATI) CARICHI DI ESERCIZIO AZIONI DEL VENTO GENERALITÀ VELOCITÀ DI RIFERIMENTO AZIONI STATICHE EQUIVALENTI PRESSIONE DEL VENTO p AZIONE TANGENZIALE DEL VENTO p f PRESSIONE CINETICA DI RIFERIMENTO q b COEFFICIENTE DI ESPOSIZIONE c e COEFFICIENTE DINAMICO c d ESEMPI APPLICATIVI DEL COEFFICIENTE DI FORMA c p E DI ESPOSIZIONE c e Edifici a pianta rettangolare con coperture piane, a falde, inclinate, curve COPERTURE MULTIPLE Azioni esterne sui singoli elementi Azioni d insieme Vento diretto parallelamente TETTOIE O PENSILINE ISOLATE TRAVI AD ANIMA PIENA E RETICOLARI Travi isolate Travi multiple TORRI E PALI A TRALICCIO Sezione rettangolare o quadrata Sezione circolare Corpi sferici PRESSIONI MASSIME LOCALI Edifici a pianta rettangolare con coperture piane, a falde inclinate, curve. Coperture multiple, tettoie e pensiline isolate Corpi cilindrici e sferici 8

3 2.6 AZIONI DELLA NEVE CARICO NEVE VALORE CARATTERISTICO DEL CARICO NEVE AL SUOLO COEFFICIENTE DI ESPOSIZIONE COEFFICIENTE TERMICO CARICO NEVE SULLE COPERTURE Coefficiente di forma μ per le coperture Coperture a 1 o 2 falde μ Copertura ad una falda con o senza vento Copertura a 2 falde con o senza vento Coperture multiple a più falde μ 1, μ Coperture cilindriche μ Coperture adiacenti o vicine a costruzioni più alte μ s e μ w Effetti locali Accumuli in corrispondenza di sporgenze Neve aggettante dal bordo di una copertura Carichi della neve su barriere paraneve ed altri ostacoli 2.7 AZIONI DELLA TEMPERATURA GENERALITÀ TEMPERATURA DELL ARIA ESTERNA TEMPERATURA DELL ARIA INTERNA DISTRIBUZIONE DELLA TEMPERATURA NEGLI ELEMENTI STRUTTURALI AZIONI TERMICHE SUGLI EDIFICI Capitolo 3 - AZIONI SISMICHE 3.1 CONCETTI ELEMENTARI CENNI DI ANALISI LINEARE DINAMICA: SISTEMI AD UN GRADO DI LIBERTÀ - SPETTRI DI RISPOSTA ELASTICI SMORZAMENTO RELATIVO ν, PERIODO PROPRIO DI OSCILLAZIONE T CONSIDERAZIONI ELEMENTARI SULLA FUNZIONE DEL TRAVERSO INFINITAMENTE RIGIDO RIPARTIZIONE DELL AZIONE SISMICA SUI PIEDRITTI LO SPETTRO DI RISPOSTA ELASTICO IN ACCELERAZIONE DETERMINAZIONE PROBABILISTICA DEGLI STATI LIMITE PER LE AZIONI SISMICHE DEFINIZIONI DEGLI STATI LIMITE PER AZIONI SISMICHE PROBABILITÀ DI SUPERAMENTO DEGLI STATI LIMITE

4 3.7.3 VITA NOMINALE CLASSI D USO PERIODO DI RIFERIMENTO PER L AZIONE SISMICA LO SPETTRO DI RISPOSTA ELASTICO IN ACCELERAZIONE S e DEL D.M PARAMETRI FONDAMENTALI DI PROGETTO: a g, F 0 e T* C VALUTAZIONE DEL PERIODO DI RITORNO T R LA FUNZIONE S e DELLO SPETTRO ELASTICO IN ACCELERAZIONE ORIZZONTALE Definizione del diagramma spettrale Parametri Geotecnici e Topografici per la costruzione del diagramma Categorie di sottosuolo Condizioni topografiche Amplificazione stratigrafica Amplificazione topografica COMPONENTI DEL MOTO SISMICO E LIVELLI DI AZIONE LA FUNZIONE S e DELLO SPETTRO ELASTICO IN ACCELERAZIONE VERTICALE SPETTRO IN TERMINI DI SPOSTAMENTO DELLE COMPONENTI ORIZZONTALI RIGIDEZZA FLESSIONALE E TORSIONALE RIGIDEZZA FLESSIONALE RIGIDEZZA TORSIONALE ECCENTRICITÀ FRA BARICENTRO DELLE MASSE E DELLE RIGIDEZZE FLESSIONALI ALCUNI ESEMPI DI ECCENTRICITÀ FRA BARICENTRO DELLE MASSE E DELLE RIGIDEZZE FLESSIONALI Eccentricità accidentale Altri tipi di eccentricità Capitolo 4 - MODELLAZIONE STRUTTURALE SISMICA 4.1 DALLO SPETTRO ELASTICO DI RISPOSTA ALLO SPETTRO DI PROGETTO IL CONCETTO DI «FATTORE DI STRUTTURA» GENERALITÀ OPERATIVE IL CONCETTO DI DUTTILITÀ SPETTRI DI RISPOSTA DI PROGETTO PER GLI STATI LIMITE SPETTRI DI PROGETTO PER GLI STATI LIMITE ULTIMI SPETTRI DI PROGETTO PER GLI STATI LIMITE DI ESERCIZIO CONFRONTO FRA SPETTRI DI PROGETTO PER SLE, SLU IN FUNZIONE DELLE CLASSI DI DUTTILITÀ

5 4.4 LA PROGETTAZIONE SISMICA REQUISITI NEI CONFRONTI DEGLI STATI LIMITE CRITERI GENERALI DI PROGETTAZIONE GERARCHIA DELLE RESISTENZE (CAPACITY DESIGN) Concetti elementari relativi all energia dissipata da strutture iperstatiche La «filosofia delle Norme Tecniche per le Costruzioni» L importanza della «regolarità» Regolarità in pianta Regolarità in altezza Precisazioni della Circolare 617/09 sulla «regolarità» Distanza tra costruzioni contigue (giunti sismici) Altezza massima dei nuovi edifici Edifici in muratura non armata e in legno in Zona Sismica di Categoria Edifici in muratura non armata e in legno in Zona Sismica di Categoria 2, 3, Altri edifici in Zone Sismiche di Categoria 1, 2, 3, Limitazione dell altezza in funzione della larghezza stradale 4.5 IL «FATTORE DI STRUTTURA» q NEL D.M IL FATTORE DI STRUTTURA q PER COSTRUZIONI REGOLARI IN PIANTA IL FATTORE DI STRUTTURA q PER COSTRUZIONI NON REGOLARI IN ALTEZZA I CRITERI DI MODELLAZIONE IN ZONA SISMICA MODELLAZIONE TRIDIMENSIONALE ELEMENTI SECONDARI E TOMPAGNI ORIZZONTAMENTI INFINITAMENTE RIGIDI ORIZZONTAMENTI NON INFINITAMENTE RIGIDI ECCENTRICITÀ ACCIDENTALI PROGETTAZIONE DI ELEMENTI STRUTTURALI «SECONDARI» ED ELEMENTI NON STRUTTURALI - VALUTAZIONE DELLA RIGIDEZZA IL «PIANO DEBOLE» I TOMPAGNI E IL MECCANISMO DI PUNTONE DIAGONALE VERIFICHE DEGLI ELEMENTI NON STRUTTURALI VERIFICHE DEGLI ELEMENTI NON STRUTTURALI IN TERMINI DI CONTENIMENTO DEL DANNO Costruzioni in Classe d Uso I o II Costruzioni in Classe d Uso III o IV 4.8 CRITERI DI PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI VERIFICHE DEGLI IMPIANTI VERIFICHE DEGLI IMPIANTI IN TERMINI DI MANTENIMENTO DELLA FUNZIONALITÀ

6 4.9 METODI DI ANALISI E CRITERI DI VERIFICA ANALISI LINEARE O NON LINEARE ANALISI STATICA O DINAMICA ANALISI LINEARE STATICA O DINAMICA Analisi Lineare Statica Un esempio di Analisi Lineare Statica Analisi lineare dinamica (analisi modale) I modi di vibrare La partecipazione dei modi di vibrare I modi di vibrare in strutture «regolari» Esempio di calcolo dinamico dei modi di vibrare ANALISI NON LINEARE STATICA O DINAMICA Analisi non lineare statica (Pushover) Esempio di Analisi non lineare statica (Pushover) Analisi non lineare dinamica VALUTAZIONE DEGLI SPOSTAMENTI COSTRUZIONI RICADENTI IN ZONA SISMICA DI CATEGORIA Capitolo 5 - IL METODO SEMIPROBABILISTICO AGLI STATI LIMITE 5.1 CONSIDERAZIONI PRELIMINARI MODELLI DI VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA LA VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA NEL D.M CARATTERIZZAZIONE DELLE AZIONI ELEMENTARI COMBINAZIONI DI CARICO AZIONI NELLE VERIFICHE AGLI STATI LIMITE STATI LIMITE ULTIMI CRITERI DI VERIFICA AGLI STATI LIMITE ULTIMI VERIFICHE DEGLI ELEMENTI STRUTTURALI IN TERMINI DI RESISTENZA Particolarità per gli orizzontamenti VERIFICHE DEGLI ELEMENTI STRUTTURALI IN TERMINI DI DUTTILITÀ E CAPACITÀ DI DEFORMAZIONE VERIFICHE DEGLI ELEMENTI NON STRUTTURALI E DEGLI IMPIANTI CRITERI DI VERIFICA AGLI STATI LIMITE DI ESERCIZIO VERIFICHE DEGLI ELEMENTI STRUTTURALI IN TERMINI DI RESISTENZA VERIFICHE IN TERMINI DI CONTENIMENTO DEL DANNO AGLI ELEMENTI NON STRUTTURALI VERIFICHE DEGLI IMPIANTI IN TERMINI DI MANTENIMENTO DELLA FUNZIONALITÀ

7 Capitolo 6 - IL CALCESTRUZZO ARMATO 6.1 INDICAZIONI SUL CALCESTRUZZO NEGLI ELABORATI PROGETTUALI CLASSE DI RESISTENZA E DIMENSIONI DEI PROVINI CLASSE DI CONSISTENZA La consistenza come indice di lavorabilità Misura della consistenza DIAMETRO MASSIMO DEGLI AGGREGATI I CONTROLLI NEL CALCESTRUZZO CONTROLLI DI QUALITÀ VALUTAZIONE PRELIMINARE DELLA RESISTENZA PRELIEVO DEI CAMPIONI Preparazione dei Provini Stagionatura Determinazione della resistenza CONTROLLO DI ACCETTAZIONE Controllo di tipo A Controllo di tipo B Prescrizioni comuni per entrambi i criteri di controllo (Tipo A e B) CONTROLLO DELLA RESISTENZA DEL CALCESTRUZZO IN OPERA PROVE COMPLEMENTARI PRESCRIZIONI RELATIVE AL CALCESTRUZZO CONFEZIONATO CON PROCESSO INDUSTRIALIZZATO COMPONENTI DEL CALCESTRUZZO LEGANTI AGGREGATI AGGIUNTE ADDITIVI ACQUA DI IMPASTO MISCELE PRECONFEZIONATE DI COMPONENTI PER CALCESTRUZZO CARATTERISTICHE MECCANICHE DEL CALCESTRUZZO RESISTENZA A COMPRESSIONE RESISTENZA A TRAZIONE MODULO ELASTICO COEFFICIENTE DI POISSON COEFFICIENTE DI DILATAZIONE TERMICA RITIRO VISCOSITÀ DURABILITÀ E VITA DI SERVIZIO DURABILITÀ DEL CALCESTRUZZO E DURABILITÀ DELLA STRUTTURA VITA DI SERVIZIO

8 6.6 ACCIAI PER CEMENTO ARMATO CONTROLLI DI PRODUZIONE IN STABILIMENTO E PROCEDURE DI QUALIFICAZIONE IDENTIFICAZIONE E RINTRACCIABILITÀ DEI PRODOTTI QUALIFICATI ACCIAIO PER CEMENTO ARMATO B450C - CARATTERISTICHE MECCANICHE ACCIAIO PER CEMENTO ARMATO B450A - CARATTERISTICHE MECCANICHE ACCERTAMENTO DELLE PROPRIETÀ MECCANICHE CARATTERISTICHE DIMENSIONALI E DI IMPIEGO FORNITURE E DOCUMENTAZIONE DI ACCOMPAGNAMENTO RETI E TRALICCI ELETTROSALDATI PROCEDURE DI CONTROLLO PER ACCIAI DA CEMENTO ARMATO ORDINARIO BARRE E ROTOLI Controlli sistematici in stabilimento Generalità Prove di qualificazione Procedura di valutazione Prove periodiche di verifica della qualità Tolleranze dimensionali Controlli su singole colate o lotti di produzione Controlli nei centri di trasformazione Controlli di accettazione in cantiere Prove di aderenza PROCEDURE DI CONTROLLO PER ACCIAI DA CEMENTO ARMATO ORDINARIO - RETI E TRALICCI ELETTROSALDATI Controlli sistematici in stabilimento Prove di qualificazione Prove di verifica della qualità Controlli su singoli lotti di produzione Controlli di accettazione in cantiere TABELLE DI DIAMETRI E PESI PER BARRE E RETI ELETTROSALDATE 270 Capitolo 7 - RESISTENZE E VERIFICHE NELLE COSTRUZIONI IN CALCESTRUZZO ARMATO NORMALE 7.1 TIPOLOGIA DI CALCESTRUZZO METODI DI ANALISI STRUTTURALE PER LE COSTRUZIONI IN CALCESTRUZZO ARMATO ANALISI ELASTICA LINEARE Ridistribuzioni dei momenti per travi e solette continue Ridistribuzioni dei momenti nelle travi continue dei telai ANALISI PLASTICA ANALISI NON LINEARE EFFETTI DELLE DEFORMAZIONI VERIFICHE AGLI STATI LIMITE

9 7.3.1 VERIFICHE AGLI STATI LIMITE ULTIMI Resistenze di calcolo dei materiali Resistenza di calcolo a compressione del calcestruzzo Resistenza di calcolo a trazione del calcestruzzo Resistenza di calcolo dell acciaio Tensione tangenziale di aderenza acciaiocalcestruzzo Resistenza a sforzo normale e flessione (elementi monodimensionali) Ipotesi di base Diagrammi di calcolo tensione-deformazione del calcestruzzo Diagramma Parabola-Rettangolo Diagramma Triangolo-Rettangolo (o bi-lineare) Diagramma Rettangolo (Stress-Block) Diagrammi di calcolo tensione-deformazione dell acciaio Diagramma con curva bilatera elastoplastica a ramo orizzontale Diagramma con curva bilatera finita con incrudimento 7.4 VERIFICHE A FLESSIONE E PRESSOFLESSIONE PER LO SLU UN ESEMPIO INTRODUTTIVO: VERIFICA A FLESSIONE RETTA IL CASO GENERALE: VERIFICA A PRESSOFLESSIONE DEVIATA VERIFICA A FLESSIONE DEVIATA INTERPRETAZIONE DELLE FORMULE DI VERIFICA VERIFICHE A TAGLIO PER LO SLU CONCETTI INTUITIVI ELEMENTARI PER LO SCHEMA DEL COMPORTAMENTO A TRALICCIO DELLE TRAVI IN CALCESTRUZZO ARMATO IL TRALICCIO DI MöRSCH VERIFICHE DI ELEMENTI CON ARMATURA TRASVERSALE RESISTENTE A TAGLIO Verifica di resistenza a taglio compressione Verifica di resistenza a taglio trazione Verifica globale di resistenza a taglio Armature longitudinali nella combinazione col taglio Casi particolari Componenti trasversali Carichi in prossimità degli appoggi: possibile riduzione di V Ed per carichi concentrati applicati a distanze inferiori a 2d Carichi appesi o indiretti ELEMENTI CHE NON RICHIEDONO ARMATURA AL TAGLIO VERIFICHE DI PUNZONAMENTO DI LASTRE SOGGETTE A CARICHI CONCENTRATI

10 7.7 RESISTENZA NEI CONFRONTI DELLE SOLLECITAZIONI TORCENTI CONSIDERAZIONI DI BASE PREMESSE INERENTI ALLA COGENZA DI VERIFICA A TORSIONE CALCOLO DELLA RESISTENZA E CONDIZIONI DI VERIFICA ESEMPI DI CALCOLO SOLLECITAZIONI COMPOSTE TORSIONE, FLESSIONE E SFORZO NORMALE TORSIONE E TAGLIO RESISTENZA DEGLI ELEMENTI TOZZI NELLE ZONE DEI NODI: LO SCHEMA TIRANTE-PUNTONE RESISTENZA A FATICA PILASTRI COMPRESSIONE SEMPLICE CERCHIATURE VERIFICHE DI INSTABILITÀ PER ELEMENTI SNELLI Snellezza limite per pilastri singoli Effetti globali negli edifici METODI DI ANALISI PER LE VERIFICHE DI STABILITÀ Analisi elastica lineare Analisi non lineare 7.12 VERIFICA DELL ADERENZA TRA BARRE DI ACCIAIO E CALCESTRUZZO CONSIDERAZIONI GENERALI SULL ADERENZA ESEMPIO 7.18: DETERMINAZIONE DELLA LUNGHEZZA DI ANCORAGGIO MINIMI DI NORMA VERIFICHE AGLI STATI LIMITE DI ESERCIZIO GENERALITÀ VERIFICHE DI DEFORMABILITÀ DEFORMAZIONE FLESSIONALI DI SOLAI E TRAVI Metodologia generale Valori pratici Algoritmo semplificato per travi e solai di luce fino a 10 m VERIFICA DELLE VIBRAZIONI VERIFICHE DI FESSURAZIONE Definizione degli stati limite di fessurazione Combinazioni di azioni Condizioni ambientali Sensibilità delle armature alla corrosione Scelta degli stati limite di fessurazione Verifica allo stato limite di fessurazione Determinazione di w d mediante calcolo diretto 16

11 Metodo proposto dalla Circolare 617/ Metodo proposto dalle Circolare 265/96 AA.GG/STC Esempio 7.19: Verifica fessurazione con metodo proposto dalla Circolare 617/ Verifica di w d con metodo tabellare VERIFICA DELLE TENSIONI DI ESERCIZIO Tensione massima di compressione del calcestruzzo nelle condizioni di esercizio Tensione massima dell acciaio in condizioni di esercizio Esempio 7.21: Verifica di condizioni di esercizio 7.14 VERIFICHE PER SITUAZIONI TRANSITORIE VERIFICHE PER SITUAZIONI ECCEZIONALI VERIFICHE MEDIANTE PROVE SU STRUTTURE CAMPIONE E SU MODELLI Capitolo 8 - CRITERI DI CALCOLO SPECIFICI PER LE AZIONI SISMICHE 8.1 CONCETTI GENERALI UN ESEMPIO INTRODUTTIVO DI GERARCHIA DELLE RESISTENZE A FLESSIONE ERRORI DA EVITARE IN FASE DI DIREZIONE DEI LAVORI UN ALTRO ESEMPIO SUL TAGLIO CARATTERISTICHE DEI MATERIALI CONGLOMERATO ACCIAIO TIPOLOGIE STRUTTURALI E FATTORI DI STRUTTURA TIPOLOGIE STRUTTURALI FATTORI DI STRUTTURA DIMENSIONAMENTO E VERIFICA DEGLI ELEMENTI STRUTTURALI COMBINAZIONI DI CARICO VERIFICHE DI DUTTILITÀ TRAVI Sollecitazioni di calcolo Verifiche di resistenza a flessione Verifiche di resistenza a taglio PILASTRI Sollecitazioni di calcolo Verifiche a pressoflessione Limitazione di resistenza a compressione Verifica semplificata a pressoflessione Verifiche a taglio 17

12 8.4.5 NODI TRAVE-PILASTRO: I MECCANISMI RESISTENTI «A PUNTONE DIAGONALE» O «A CONFINAMENTO» PARETI Sollecitazioni di calcolo Verifiche di resistenza Pressoflessione Taglio TRAVI DI ACCOPPIAMENTO DEI SISTEMI A PARETI Capitolo 9 - DETTAGLI COSTRUTTIVI PER IL CALCESTRUZZO ARMATO NORMALE 9.1 CONSIDERAZIONI GENERALI IL CONFINAMENTO DEL CALCESTRUZZO REGOLE DI DETTAGLIO ARMATURA DELLE TRAVI Armatura minima in zona tesa Armatura minima negli appoggi Armatura massima in zona tesa e compressa Staffatura minima ARMATURA DEI PILASTRI Barre longitudinali minime Staffatura minima COPRIFERRO INTERFERRO ANCORAGGI, GIUNZIONI DELLE BARRE, LEGATURE Ancoraggi di sovrapposizione Sovrapposizioni Lunghezza di sovrapposizione Armatura trasversale nella zona di sovrapposizione Sovrapposizioni di reti elettrosaldate di fili ad aderenza migliorata Armatura a taglio Armatura a torsione Legature e saldature delle barre Ancoraggi diretti su calcestruzzo NORME ULTERIORI PER I SOLAI Solai misti di c.a. e c.a.p. e blocchi forati in laterizio Regole generali e caratteristiche minime dei blocchi Limiti dimensionali Caratteristiche fisico-meccaniche Solai misti di c.a. e c.a.p. e blocchi diversi dal laterizio Solai realizzati con l associazione di componenti prefabbricati in c.a. e c.a.p. 9.4 REGOLE DI DETTAGLIO PER LE COSTRUZIONI ANTISISMICHE TRAVI Limitazioni geometriche 18

13 Zone critiche Armature longitudinali Armature trasversali PILASTRI Limitazioni geometriche Zone critiche Armature Armature Longitudinali Armature trasversali NODI TRAVE-PILASTRO Limitazioni geometriche Armature PARETI Limitazioni geometriche Zone critiche Armature TRAVI DI ACCOPPIAMENTO CALCESTRUZZO A BASSA PERCENTUALE DI ARMATURA O NON ARMATO Capitolo 10 - FONDAZIONI 10.1 CRITERI GENERALI DI PROGETTO ARTICOLAZIONE DEL PROGETTO CARATTERIZZAZIONE E MODELLAZIONE GEOLOGICA DEL SITO INDAGINI, CARATTERIZZAZIONE E MODELLAZIONE GEOTECNICA CHIARIMENTI DELLA CIRCOLARE 617/09 IN MERITO ALLE INDAGINI, ALLA CARATTERIZZAZIONE E ALLA MODELLAZIONE GEOTECNICA INDAGINI NEL CASO DI COSTRUZIONI DI MODESTA ENTITÀ VERIFICHE NEI CONFRONTI DEGLI STATI LIMITE ULTIMI AZIONI RESISTENZE VERIFICHE NEI CONFRONTI DEGLI STATI LIMITE ULTIMI IDRAULICI CHIARIMENTI DELLA CIRCOLARE 617/09 IN MERITO ALLE VERIFICHE ALLO SLU VERIFICHE NEI CONFRONTI DEGLI STATI LIMITE DI ESERCIZIO (SLE) FONDAZIONI SUPERFICIALI VERIFICHE AGLI STATI LIMITE ULTIMI (SLU) VERIFICHE AGLI STATI LIMITE DI ESERCIZIO (SLE) OPERE DI SOSTEGNO DISPOSIZIONI DI CARATTERE GENERALE

14 AZIONI SOVRACCARICHI MODELLO GEOMETRICO VERIFICHE AGLI STATI LIMITE Verifiche di sicurezza (SLU) Muri di sostegno Paratie Verifiche di esercizio (SLE) 10.7 CRITERI DI PROGETTAZIONE DELLE FONDAZIONI NELLE COSTRUZIONI SOGGETTE AD AZIONI SISMICHE CONCETTI BASE RELATIVI ALL INFLUENZA DELLA RIGIDEZZA DEL SOTTOSUOLO SULLO SPETTRO DI RISPOSTA IL SOTTOSUOLO NELLA COSTRUZIONE DELLO SPETTRO DI RISPOSTA DELLE NTC AZIONI SPOSTAMENTO ORIZZONTALE E VELOCITÀ ORIZZONTALE DEL TERRENO VARIABILITÀ SPAZIALE DEL MOTO SPOSTAMENTO ASSOLUTO E RELATIVO DEL TERRENO LE FONDAZIONI SEMPRE IN CAMPO ELASTICO NORME DI DETTAGLIO PER TRAVI DI FONDAZIONE NORME DI DETTAGLIO PER PALI DI FONDAZIONE COLLEGAMENTI ORIZZONTALI TRA FONDAZIONI MODELLAZIONE STRUTTURALE DELLE FONDAZIONI PRESCRIZIONI DI MODELLAZIONE DELLE NTC CARATTERIZZAZIONE GEOTECNICA AI FINI SISMICI RISPOSTA SISMICA E STABILITÀ DEL SITO Risposta sismica locale Amplificazione stratigrafica Amplificazione topografica STABILITÀ NEI CONFRONTI DELLA LIQUEFAZIONE Generalità Esclusione della verifica a liquefazione Metodologie di analisi FONDAZIONI SUPERFICIALI Aspetti generali Indagini e modello geotecnico Verifiche allo Stato Limite Ultimo (SLU) e allo Stato Limite di Danno (SLD) Capitolo 11 - INTERVENTI SU COSTRUZIONI ESISTENTI CON PARTICOLARE RIGUARDO ALLE STRUTTURE IN C.A DEFINIZIONE DI COSTRUZIONE ESISTENTE CRITERI GENERALI INTERVENTI STRUTTURALI INTERVENTI NON STRUTTURALI

15 11.3 VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA CLASSIFICAZIONE DEGLI INTERVENTI INTERVENTI DI ADEGUAMENTO INTERVENTI DI MIGLIORAMENTO RIPARAZIONI O INTERVENTI LOCALI PROCEDURE PER LA VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA E LA REDAZIONE DEI PROGETTI ANALISI STORICO-CRITICA RILIEVO CARATTERIZZAZIONE MECCANICA DEI MATERIALI LIVELLI DI CONOSCENZA E FATTORI DI CONFIDENZA AZIONI MATERIALI VALUTAZIONE E PROGETTAZIONE IN PRESENZA DI AZIONI SISMICHE COSTRUZIONI IN CEMENTO ARMATO EDIFICI MISTI CRITERI E TIPI D INTERVENTO Interventi su pilastri e colonne Interventi volti a rinforzare le pareti intorno alle aperture Interventi alle scale Interventi volti ad assicurare i collegamenti degli elementi non strutturali Interventi in fondazione Realizzazione di giunti sismici Incamiciatura in c.a Incamiciatura in acciaio Aumento della resistenza a taglio Azione di confinamento Miglioramento della giunzioni per aderenza Placcatura e fasciatura in materiali compositi PROGETTO DELL INTERVENTO Appendice 1 - Procedure di controllo su acciai da carpenteria Appendice 2 - Determinazione della velocità equivalente delle onde di taglio secondo D.M Appendice 3 - Geometria delle masse Appendice 4 - Allegato 2 alla Circolare n. 65/AAGG del 10 aprile Appendice 5 - Costruzioni in calcestruzzo armato o in acciaio: dati necessari per la valutazione Appendice 6 - Allegato A alle norme tecniche per le costruzioni: pericolosità sismica Appendice 7 - Impiego del metodo osservazionale BIBLIOGRAFIA

16 PREMESSA L entrata in vigore delle Nuove Norme Tecniche, attraverso l emanazione del D.M e la loro definitiva entrata in vigore, investe di nuove responsabilità gli operatori del settore edilizio: in particolare Progettisti, Direttori dei Lavori e Collaudatori, in una molteplicità di conoscenze tra loro correlate. Ha poco senso, ad esempio, ritenere che il progettista architettonico non debba interessarsi in prima persona del comportamento antisismico di un suo progetto, ma solo dell aspetto estetico, tanto che L Eurocodice 8, datato 1997, così cita: «La possibilità che si verifichi un terremoto deve essere considerata come un importante aspetto da tenere in conto nella fase di progettazione di un edificio in zona sismica. Questo aspetto deve essere preso in considerazione in fase dello sviluppo del progetto dell edificio in modo da consentire la definizione di un modello strutturale, che a fronte di costi accettabili, sia in grado di soddisfare i requisiti fondamentali» (antisismici - NdA). (1) Altri esempi? Il Collaudatore statico è chiamato a dare un giudizio sugli schemi statici adottati nelle relazioni di calcolo, nonché sulle azioni applicate. Il Direttore dei Lavori, in ambito operativo non può non tenere conto dei concetti derivanti dall applicazione o meno della Gerarchia delle Resistenze: in corso d opera la scelta di un area equivalente d armatura diventa problematica. Il testo del D.M contiene una serie notevole di informazioni e di algoritmi l applicazione dei quali presuppone una serie di conoscenze spesso molto approfondite. Come fare allora a coniugare l esigenza di una sintesi concettuale con quella dell analisi di tutti gli ambiti specialistici che le norme percorrono? Questo libro nasce da questa esigenza. È una impresa difficilissima ma è un tentativo che ho voluto fare. Partendo dal testo normativo del D.M è nato dunque il presente volume, che non esiterei a definire un compendio di nozioni mutuate in primo luogo dal D.M., quindi dalla Circolare applicativa del C.S.LL.PP. N 617/09, dagli Eurocodici, da cui il complesso della norma deriva, da Istruzioni Ministeriali e infine da elementi teorici utili alla comprensione di alcuni contenuti fondamentali. Cos è uno spettro di risposta in termini di accelerazione? Che significa gerarchia delle registenze? Qual è l importanza della «regolarità» in zona sismica? Queste domande rappresentano alcune tematiche che troverete svolte all interno di questa pubblicazione. Ho scelto di sviluppare gli argomenti partendo proprio dal testo della norma. A volte parafrasandolo, a volte riportandolo pari pari: il tutto in funzione di un percorso che offre una prospettiva anche didattica, per cui le tematiche sono state a volte ricomposte in ordine diverso rispetto a quello che trovate nel testo originale della norma. Accanto ai contenuti della stessa ho sviluppato alcuni gli aspetti teorici, cercando di esporli in modo semplificato, spero non semplicistico, includendo esempi e illustrazioni. Tutto il contenuto dell opera presenta le disposizioni di norma. Laddove ci sono interpretazioni personali sono chiaramente esplicitate e giustificate. La necessità di ricorrere agli Eurocodici nasce al fine di chiarire il testo del D.M., dove secondo il sottoscritto, occorrevano maggiori delucidazioni o integrazioni. In ogni caso anche il ricorso agli Eurocodici viene esplicitamente segnalato. (1) La frase è stata così ripresa nella Circolare 617/09. «In ragione della necessità che la costruzione sia dotata di sistemi strutturali capaci, con costi accettabili, di soddisfare i requisiti di sicurezza nei confronti sia dei carichi verticali che dell azione sismica, in siti a sismicità significativa i criteri di progettazione nei confronti delle azioni sismiche devono essere considerati già nell impostazione della progettazione strutturale». 5

17 I primi 5 capitoli hanno contenuto generale, ovvero possono applicarsi a tutte le tipologie strutturali (c.a., c.a.p., acciaio, legno, murature). I capitoli che vanno dal 6 al 9 sono specifici delle opere in calcestruzzo armato normale in opera. Il capitolo 10 sviluppa molte tematiche generali ma si sofferma nello specifico solo sulla tipologia delle fondazioni superficiali in ambito sismico. Infine il capitolo 11 riguarda le costruzioni esistenti: anche in questo caso l impostazione ha carattere generale, ma alcuni approfondimenti riguardano solo il calcestruzzo armato normale in opera. Ci sono, poi, altri due aspetti che ritengo importanti. Il primo è relativo al fatto che lo sviluppo dei personal computer comporta oggi la possibilità di utilizzare algoritmi di calcolo strutturale molto complessi: non è più pensabile effettuare l analisi sismica di un fabbricato, anche modesto, «a mano». Però c è un «però». Questo procedimento computerizzato sviluppa centinaia, migliaia, di equazioni matematiche. Chi è in grado di controllarle? La risposta è: nessuno. E allora il problema è che bisogna avere cognizioni di base molto solide. Di fronte all impossibilità di un controllo dell enorme mole di elaborazioni bisogna avere un altro tipo di «metro». Un «metro» che in questo libro purtroppo non troverete e dovrete cercalo altrove: nei «classici» della Statica, della Scienza e della Tecnica delle Costruzioni. Il secondo aspetto che vorrei segnalare è mutuato stavolta proprio dalla possibilità che gli elaboratori di calcolo ci offrono. In campo energetico ad esempio è stato già fatto: la certificazione energetica dei fabbricati è diventata legge dello stato. Peccato che la stesso tipo di certificazione non possa avvenire in ambito strutturale: che tra l altro, vista la sismicità dell Italia sarebbe forse molto più utile. Già, perchè, ammesso che un fabbricato abbia un consumo energetico troppo elevato: non muore mica nessuno! La stessa cosa, purtroppo, non può dirsi per la struttura portante: se a fronte di un evento sismico di ordine 100 la capacità della struttura è 101, è ben diverso rispetto al fatto che la struttura abbia una capacità di 200. Esiste un indice per la certificazione energetica: classe A, classe B e via dicendo? Bene, ne esiste uno anche per la certificazione strutturale: si chiama «duttilità» (2). Basterebbe utilizzare questo indice sull intero fabbricato e graduarlo (di fatto già si può fare con la cosiddetta Analisi Non Lineare Statica - Pushover contenuta nel D.M.). Avremmo così ottenuto una scala da utilizzare per la classificazione del fabbricato ai fini antisismici. Credo sarebbe molto utile, prima dell acquisto di un immobile, oltre che sapere se questo consuma più o meno energia, sapere anche se offre più o meno garanzie di fronte all evento sismico. A buon legislatore... Arch. Marco Boscolo Bielo (2) È ben vero che le nuove costruzioni dovranno rientrare in una delle due classi: alta (CD «A») o bassa (CD «B»), ma l attribuzione a una di queste classi è troppo forfettaria. AVVERTENZA Ove le formule, le foto e le tabelle sono tratte dal D.M «Nuove Norme Tecniche per le costruzioni» e dalla Circolare , n. 617 «Istruzioni per l applicazione delle «Nuove norme tecniche per le costruzioni»», viene riportata tra parentesi quadrata [ ] la numerazione presente nelle due disposizioni con le abbreviazioni: [NT] per le Norme Tecniche e [CNT] per la Circolare delle Norme Tecniche 6

18 Capitolo 8 CRITERI DI CALCOLO SPECIFICI PER LE AZIONI SISMICHE 8.1 CONCETTI GENERALI L impostazione generale data dal corpus normativo fornito dalle NTC prevede che le costruzioni posseggano in ogni caso una adeguata capacità di dissipare energia in campo inelastico per azioni cicliche ripetute, quali quelle che sorgono in relazione al verificarsi di un evento sismico, senza che ciò comporti riduzioni significative della resistenza. Questo Capitolo deve intendersi come naturale prosieguo del Capitolo 4 in quanto le procedure di calcolo che verranno descritte sono una conseguenza delle trattazioni là riportate. Molti concetti, come ad esempio: la duttilità, il fattore di struttura, la gerarchia delle resistenze e altri ancora, trovano qui gli algoritmi che il progettista strutturale deve applicare al fine di una corretta progettazione antisismica. Prima di addentrarsi nell esposizione di dette formule sembra opportuno avvicinarsi mediante alcune esemplificazioni UN ESEMPIO INTRODUTTIVO DI GERARCHIA DELLE RESISTENZE A FLESSIONE Nel paragrafo intitolato «La Filosofia delle NTC» si sono evidenziati i fattori che regolano la progettazione strutturale antisismica. Tra questi, uno dei fondamentali, è rappresentato dal fatto che la rottura deve avvenire prima sulle travi e poi sui pilastri. Sia allora dato un nodo come quello rappresentato in figura 8.1 e si voglia imporre, secondo le disposizioni delle NTC, che le cerniere plastiche si formino nelle travi anzichè nei pilastri. In campo elastico deve sempre essere soddisfatto l equilibrio dei momenti: M t1 + M t2 + M p1 + M p2 = 0 (8.1) dove con M t sono indicati i momenti alle estremità delle travi convergenti nel nodo e con M p, quelli relativi al pilastro. Considerando che sotto l effetto del sisma, normalmente, i segni dei momenti nelle travi sono concordi tra loro e quelli dei pilastri discordi, si può anche scrivere: M t1 + M t2 = M p1 + M p2 (8.2) 358

19 Figura 8.1 Progettando le sezioni delle travi in modo che i loro momenti resistenti siano rispettivamente M tr1 e M tr2, sotto l azione del sisma si avrà la seguente successione di eventi: 1) Le azioni orizzontali aumentano per effetto dell accelerazione al suolo e, in una prima fase in cui i momenti non raggiungono i valori ultimi, sarà rispettata la condizione equilibrata (8.2). 2) Continuando a crescere l azione sismica, i momenti nelle travi (e nei pilastri) cresceranno anch essi fino a raggiungere i valori M tr1 e M tr2 in corrispondenza dei quali siano M ps1 e M ps2 i corrispondenti valori del momento sui pilastri. Per una generica trave è valida la relazione che vede: M tr1 / M t1 > 1 (8.3) D altra parte, quando il momento nella trave ha raggiunto il valore M tr1, il momento nel pilastro ha raggiunto a sua volta il valore M ps1 > M p1. La trave, oltre il valore M tr1, non è più in grado di resistere e si rompe. Conseguentemente alla rottura non è più in grado di trasferire il momento sul pilastro. Perciò M ps1 è il valore massimo di momento che il pilastro assume in conseguenza del raggiungimento del massimo valore di momento M tr1 sulla trave. È sufficiente, dunque, progettare il pilastro in modo che abbia un momento resistente > M ps1 per essere certi che nel pilastro la cerniera non si formerà mai. Questo è il concetto racchiuso in una delle formule contenute nelle NTC che di seguito riportiamo: ΣM C,Rd γ Rd ΣM b,rd (8.4) [NT 7.4.4] Detto M b,rd il momento resistente dell estremità di una trave convergente nel pilastro, si deve ricavare il momento resistente del pilastro M C,Rd, a partire dal valore di M b,rd moltiplicato per un coefficiente > 1. Le NTC fissano il valore di questo coefficiente γ Rd, in funzione della classe di duttilità che si vuole dare alla struttura, ovvero: 359

20 γ Rd = 1,3 per CD»A» γ Rd = 1,1 per CD»B». In altre parole γ Rd rappresenta un incremento del momento di calcolo che varia dal 10% al 30% a seconda della classe di duttilità. Evidentemente nella formula (8.4) il segno di sommatoria sta a significare che il ragionamento di cui sopra va fatto per tutte le travi convergenti nel nodo, per le due direzioni in cui si ipotizza agire il sisma e per ciascuna combinazione sismica prevista, per cui il valore resistente nei pilastri è dato dalla somma dei singoli valori resistenti. Questo criterio che, come è stato detto, prende il nome di Gerarchia delle Resistenze, impone dunque la gerarchia di collasso voluta tra gli elementi strutturali, cominciando il dimensionamento dai più «deboli» in base alle sollecitazioni desunte dalla soluzione del modello statico del telaio. Gli altri elementi invece si progettano non in base a queste, ma prendendo come base di calcolo per il loro dimensionamento la resistenza degli elementi concorrenti, adeguatamente maggiorata ERRORI DA EVITARE IN FASE DI DIREZIONE DEI LAVORI Una conseguenza molto importante della gerarchia delle resistenze è che vanno evitate sovraresistenze non esplicitamente previste dal progettista strutturale. Per comprendere il concetto si faccia riferimento ad un nodo in cui confluiscano una sola trave ed un pilastro. Sia M Ed = danm il valore del momento nei due elementi derivanti dalle azioni conseguenti al sisma di una certa combinazione. Questo valore rappresenta un valore di equilibrio del nodo in ottemperanza alla (8.2), o in altre parole: la trave trasmette il momento dovuto all azione sismica al pilastro. Supponiamo che il momento resistente della trave sia stato progettato per: M b,rd = danm > M Ed Conseguentemente, in applicazione della gerarchia delle resistenze, si decida per applicare la classe di duttilità CD «A» e dunque si dimensioni il pilastro con una valore di momento resistente pari ad almeno: γ rd x M b,rd = 1,3 x danm = danm Sia M C,Rd = danm il valore di resistenza assegnato al pilastro. Supponiamo ora che in fase di esecuzione, per motivi di carattere contingente occorra una modifica in opera, ad esempio di geometria della trave (magari per far passare qualche condotta non prevista anzitempo). Se qualcuno decide di modificare gli esecutivi di progetto e magari opta poi di «rafforzare» il tutto aumentando l armatura perché pensa di operare a vantaggio di sicurezza, non è detto stia agendo correttamente. Se il momento ultimo della trave a seguito di tali modifiche, diventasse danm, quanto visto in merito alla gerarchia delle resistenze verrebbe vanificato, poiché la cerniera plastica si formerà per prima nel pilastro (che invece ha una resistenza fino a danm) con possibile perdita dell equilibrio del sistema. 360

21 8.1.3 UN ALTRO ESEMPIO SUL TAGLIO Un altro meccanismo nel quale si applica la gerarchia delle resistenze è nel dimensionamento a taglio. Poichè le travi devono garantire un certo valore di resistenza a momento flettente M b,rd nelle estremità, sarebbe una bella beffa se in quei punti si avesse una rottura per taglio prima del raggiungimento del momento ultimo M b,rd. Per far fronte a detto inconveniente la progettazione a taglio non assume i valori desunti dal calcolo dell eventuale telaio soggetto alle combinazioni di azioni sismiche, ma i valori di taglio si fanno discendere dai momenti resistenti delle sezioni di estremità della trave stessa. A tale scopo una generica trave appartenente alla maglia di un telaio e incastrata alle estremità, viene considerata come isostatica (vedi figura 8.2) e assoggettata a un sistema di tagli, per così dire «reali», derivanti dai carichi gravitazionali verticali G k + ψ 2j Q k, e «fittizi», ovvero derivanti dai momenti resistenti di calcolo della stessa alle sue estremità M b,rd moltiplicati per un coefficiente di sovraresistenza che vale: γ rd = 1,2 per CD «A» γ rd = 1,0 per CD «B». In tali condizioni per ciascuna delle 2 direzioni principali della costruzione sulla quale agisce l azione sismica, si ha lo schema di carico di figura 8.2. Il valore del taglio di calcolo sarà dato dalla somma algebrica dei 4 casi elementari rappresentati: I. Carichi permanenti + accidentali; II. Carichi permamenti; III. Condizione di momento resistente ultimo per la trave in cui vengono tese alle estremità le fibre inferiori; IV. Condizione di momento resistente ultimo per la trave in cui vengono tese alle estremità le fibre superiori. Con conseguente segno algebrico dei valori del taglio dei singoli casi elementari. 361

22 Figura CARATTERISTICHE DEI MATERIALI Dopo aver brevemente evidenziato alcuni aspetti di carattere introduttivo passiamo ora all esposizione delle regole per il calcolo sismico contenute nel D.M.. 362

23 8.2.1 CONGLOMERATO È ammesso solo l uso di conglomerato di classe C20/ ACCIAIO L armatura ammessa per le barre è solo la B450C. È consentito l utilizzo di acciai di tipo B450A purchè: 1) i diametri siano compresi tra 5 e 10 mm, per le reti e i tralicci; 2) si usi per l armatura trasversale (staffatura) unicamente se è rispettata almeno una delle seguenti condizioni: a) elementi in cui è impedita la plasticizzazione mediante il rispetto del criterio di gerarchia delle resistenze; b) elementi secondari, strutture poco dissipative con q 1,5. Gli elementi strutturali possono essere considerati secondari quando si assuma che il loro contributo alla resistenza orizzontale del sistema sia nullo. Ad esempio una biella costituita da un pilastro in c.a. in cui la base e la sommità dello stesso non sia in grado di trasmettere momento flettente nelle due direzioni principali in cui si assume agente il sisma. Il pilastro dovrà essere opportunamente armato per tale scopo. 8.3 TIPOLOGIE STRUTTURALI E FATTORI DI STRUTTURA TIPOLOGIE STRUTTURALI Le strutture sismo-resistenti in cemento armato sono classificate nelle seguenti tipologie: I. strutture a telaio, nelle quali la resistenza alle azioni sia verticali che orizzontali è affidata principalmente a telai spaziali, aventi resistenza a taglio alla base 65% della resistenza a taglio totale; II. strutture a pareti, nelle quali la resistenza alle azioni sia verticali che orizzontali è affidata principalmente a pareti, singole o accoppiate, aventi resistenza a taglio alla base 65% della resistenza a taglio totale (1) ; III.strutture miste telaio-pareti, nelle quali la resistenza alle azioni verticali è affidata prevalentemente ai telai, la resistenza alle azioni orizzontali è affidata in parte ai telai ed in parte alle pareti, singole o accoppiate; questa categoria è ulteriormente divisa in: (1) Una parete è un elemento strutturale di supporto per altri elementi che ha una sezione trasversale caratterizzata da un rapporto tra dimensione massima e minima in pianta superiore a 4. Si definisce parete di forma composta l insieme di pareti semplici collegate in modo da formare sezioni a L, T, U, I ecc. Una parete accoppiata consiste di due o più pareti singole collegate tra loro da travi duttili («travi di accoppiamento») distribuite in modo regolare lungo l altezza. Ai fini della determinazione del fattore di struttura q una parete si definisce accoppiata quando è verificata la condizione che il momento totale alla base prodotto dalle azioni orizzontali è equilibrato, per almeno il 20%, dalla coppia prodotta dagli sforzi verticali indotti nelle pareti dalla azione sismica. 363