IL QUADRO NORMATIVO: DEFINIZIONE DELL AZIONE SISMICA DI RIFERIMENTO. ing. Francesco Monni

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1 IL QUADRO NORMATIVO: DEFINIZIONE DELL AZIONE SISMICA DI RIFERIMENTO ing. Francesco Monni

2 Le norme che regolano gli interventi su costruzioni esistenti in muratura (anche di carattere storico e monumentale) sono: - D.M. 14 gennaio Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC 08); - Istruzioni per l applicazione delle Norme Tecniche per le Costruzioni (D.M. 14 gennaio 2008) del 26 febbraio 2009; - Circolare Ministero per i Beni e le Attività Culturali del 5 giugno Linee Guida per la valutazione e riduzione del rischio sismico del patrimonio culturale con riferimento alle norme tecniche per le costruzioni ;

3 Definizione dell azione sismica di riferimento È necessario scegliere l azione sismica di riferimento che servirà poi per procedere con la valutazione della sicurezza, effettuando le verifiche previste. Al cap. C8.3 delle Istruzioni per l applicazione delle NTC 08, viene specificato che la valutazione dell entità dell azione sismica dovrà tener conto di: localizzazione del SITO della VITA NOMINALE dell opera V N, della CLASSE D USO dell edificio (coefficiente C U ) quindi del PERIODO DI RIFERIMENTO V R (funzione di V N e C U ) della CATEGORIA DI SOTTOSUOLO e della CATEGORIA TOPOGRAFICA In secondo luogo, si rende necessario definire un LIVELLO DI PROTEZIONE SISMICA DI RIFERIMENTO, sulla base della prestazione attesa dalla costruzione (STATI LIMITE).

4 Vita nominale, classi d uso e periodo di riferimento cap delle NTC 08: la VITA NOMINALE di un opera strutturale V N è intesa come il numero di anni nel quale la struttura, purché soggetta alla manutenzione ordinaria, deve potere essere usata per lo scopo al quale è destinata Viene inoltre precisato al cap.c2.4.1 delle Istruzioni per l applicazione delle NTC 08, che la Vita Nominale (V N ) di una costruzione, così come definita al delle NTC, è la durata alla quale deve farsi espresso riferimento in sede progettuale, con riferimento alla durabilità delle costruzioni, nel dimensionare le strutture ed i particolari costruttivi, nella scelta dei materiali e delle eventuali applicazioni e delle misure protettive per garantire il mantenimento della resistenza e della funzionalità

5 La vita nominale dei diversi tipi di opere è quella riportata nella Tab. 2.4.I delle NTC Le verifiche sismiche di opere provvisorie o strutture in fase costruttiva possono omettersi quando le relative durate previste in progetto siano inferiori a 2 anni.

6 cap delle NTC 08: in presenza di azioni sismiche, con riferimento alle conseguenze di una interruzione di operatività o di un eventuale collasso, le costruzioni sono suddivise in CLASSI D USO così definite: Classe I: Costruzioni con presenza solo occasionale di persone, edifici agricoli. Classe II: Costruzioni il cui uso preveda normali affollamenti, senza contenuti pericolosi per l ambiente e senza funzioni pubbliche e sociali essenziali. Industrie con attività non pericolose per l ambiente. Ponti, opere infrastrutturali, reti viarie non ricadenti in Classe d uso III o in Classe d uso IV, reti ferroviarie la cui interruzione non provochi situazioni di emergenza. Dighe il cui collasso non provochi conseguenze rilevanti. Classe III: Costruzioni il cui uso preveda affollamenti significativi. Industrie con attività pericolose per l ambiente. Reti viarie extraurbane non ricadenti in Classe d uso IV. Ponti e reti ferroviarie la cui interruzione provochi situazioni di emergenza. Dighe rilevanti per le conseguenze di un loro eventuale collasso.

7 Classe IV: Costruzioni con funzioni pubbliche o strategiche importanti, anche con riferimento alla gestione della protezione civile in caso di calamità. Industrie con attività particolarmente pericolose per l ambiente. Reti viarie di tipo A o B, di cui al D.M. 5 novembre 2001, n. 6792, Norme funzionali e geometriche per la costruzione delle strade, e di tipo C quando appartenenti ad itinerari di collegamento tra capoluoghi di provincia non altresì serviti da strade di tipo A o B. Ponti e reti ferroviarie di importanza critica per il mantenimento delle vie di comunicazione, particolarmente dopo un evento sismico. Dighe connesse al funzionamento di acquedotti e a impianti di produzione di energia elettrica.

8 Secondo il cap delle NTC 08 le azioni sismiche su ciascuna costruzione vengono valutate in relazione ad un periodo di riferimento V R che si ricava, per ciascun tipo di costruzione, moltiplicandone la vita nominale V N per il coefficiente d uso C U il valore del coefficiente d uso si può ricavare dalla tabella seguente (tab. 2.4.II delle NTC 08).

9 Il PERIODO DI RIFERIMENTO V R di una costruzione, valutato moltiplicando la vita nominale V N (espressa in anni) per il coefficiente d uso della costruzione C U (V R = V N C U ), riveste notevole importanza in quanto è utilizzato per valutare, fissata la PROBABILITÀ DI SUPERAMENTO P VR corrispondente allo stato limite considerato (Tabella delle NTC 08), il PERIODO DI RITORNO T R dell azione sismica cui fare riferimento per la verifica. (In statistica il PERIODO DI RITORNO di un evento è il tempo medio di attesa tra il verificarsi di due eventi successivi. Il termine è spesso utilizzato in ingegneria idraulica, idrologia, geologia, in vulcanologia e in sismologia per valutare il grado di rarità di un evento, quindi la sua probabilità di verificarsi. Un periodo di ritorno più lungo indica cioè un evento più raro, meno probabile)

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11 La valutazione della sicurezza: definizione degli stati limite di riferimento Al cap. 2.3 della Circolare del Ministero per i Beni e le Attività Culturali del 5 giugno Linee Guida per la valutazione e riduzione del rischio sismico del patrimonio culturale con riferimento alle norme tecniche per le costruzioni, si definiscono i (tre) seguenti stati limite: - SLU (stato limite ultimo) Sotto l'effetto della azione sismica di riferimento, caratterizzata da una probabilità di superamento del 10% in 50 anni, opportunamente modulata in termini di differenti probabilità di eccedenza o di coefficiente di importanza, la struttura, pur subendo danni di grave entità, mantiene una residua resistenza e rigidezza nei confronti delle azioni orizzontali e l intera capacità portante nei confronti dei carichi verticali.

12 - SLD (stato limite di danno) Sotto l'effetto della azione sismica, caratterizzata da una probabilità di superamento del 50% in 50 anni, opportunamente modulata in termini di differenti probabilità di eccedenza o di coefficiente di importanza, il manufatto nel suo complesso non subisce danni gravi che ne giustifichino l interruzione d'uso in conseguenza di eventi sismici che abbiano una maggiore probabilità di occorrenza rispetto a quella della azione sismica di riferimento per lo stato limite ultimo. - SLA (stato limite di danno ai beni artistici) I beni artistici contenuti nel manufatto (apparati decorativi,ecc.) subiscono, in occasione di un terremoto di livello opportuno (in genere quello preso in considerazione per lo stato limite di danno), danni di modesta entità, tali da poter essere restaurati senza una significativa perdita del valore culturale.

13 Nel cap delle NTC 08 vengono definiti i (quattro) seguenti stati limite (suddivisi in stati limite di esercizio e stati limite ultimi) nei confronti delle azioni sismiche: Gli STATI LIMITE DI ESERCIZIO sono: - Stato Limite di Operatività (SLO): a seguito del terremoto la costruzione nel suo complesso, includendo gli elementi strutturali, quelli non strutturali, le apparecchiature rilevanti alla sua funzione, non deve subire danni ed interruzioni d'uso significativi; - Stato Limite di Danno (SLD): a seguito del terremoto la costruzione nel suo complesso, includendo gli elementi strutturali, quelli non strutturali, le apparecchiature rilevanti alla sua funzione, subisce danni tali da non mettere a rischio gli utenti e da non compromettere significativamente la capacità di resistenza e di rigidezza nei confronti delle azioni verticali ed orizzontali, mantenendosi immediatamente utilizzabile pur nell interruzione d uso di parte delle apparecchiature.

14 Gli STATI LIMITE ULTIMI sono: - Stato Limite di salvaguardia della Vita (SLV): a seguito del terremoto la costruzione subisce rotture e crolli dei componenti non strutturali ed impiantistici e significativi danni dei componenti strutturali cui si associa una perdita significativa di rigidezza nei confronti delle azioni orizzontali; la costruzione conserva invece una parte della resistenza e rigidezza per azioni verticali e un margine di sicurezza nei confronti del collasso per azioni sismiche orizzontali; - Stato Limite di prevenzione del Collasso (SLC): a seguito del terremoto la costruzione subisce gravi rotture e crolli dei componenti non strutturali ed impiantistici e danni molto gravi dei componenti strutturali; la costruzione conserva ancora un margine di sicurezza per azioni verticali ed un esiguo margine di sicurezza nei confronti del collasso per azioni orizzontali.

15 N.B.: la definizione di SLU - Stato limite ultimo secondo la Circolare Ministero per i Beni e le Attività Culturali del 5 giugno 2007 corrisponde con quello che nelle NTC 08 al cap viene definito come: Stato Limite di salvaguardia della Vita (SLV), quando il periodo di riferimento V R, dato dal prodotto tra il valore relativo alla vita nominale V N, e il coefficiente relativo alla classe di utilizzo C U, corrisponde a 50 anni (vedi cap. 2.4 e tab. 2.4.I e tab. 2.4.II). Secondo il cap. 8.3 delle NTC 08 la valutazione della sicurezza e la progettazione degli interventi sulle costruzioni esistenti potranno essere eseguiti con riferimento ai soli SLU; nel caso in cui si effettui la verifica anche nei confronti degli SLE i relativi livelli di prestazione possono essere stabiliti dal Progettista di concerto con il Committente. Le Verifiche agli SLU possono essere eseguite rispetto alla condizione di salvaguardia della vita umana (SLV) o, in alternativa, alla condizione di collasso (SLC).

16 Nel cap. C delle Istruzioni per l applicazione delle NTC 08, relativamente agli edifici esistenti in muratura, si precisa che: La valutazione della sicurezza degli costruzioni esistenti in muratura richiede la verifica degli stati limite definiti al delle NTC, con le precisazioni riportate al 8.3 delle NTC e nel seguito. In particolare si assume che il soddisfacimento della verifica allo Stato limite di salvaguardia della vita implichi anche il soddisfacimento della verifica dello Stato limite di collasso.

17 Ai quattro stati limite sono stati attribuiti (v. Tabella3.2.I delle NTC 08) valori della probabilità di superamento P VR pari rispettivamente a 81%, 63%, 10% e 5%, valori che restano immutati quale che sia la classe d uso della costruzione considerata; tali probabilità, valutate nel periodo di riferimento V R proprio della costruzione considerata, consentono di individuare, per ciascuno stato limite, l azione sismica di progetto corrispondente.

18 Quindi, una volta valutato preliminarmente il periodo di riferimento V R della costruzione (espresso in anni), ottenuto come prodotto tra la vita nominale V N, fissata all atto della progettazione ed il coefficiente d uso C U che compete alla classe d uso nella quale la costruzione ricade, si ricava poi, per ciascuno stato limite e relativa probabilità di superamento P VR nel periodo di riferimento V R, il periodo di ritorno T R del sisma. Si utilizza a tal fine la relazione:

19 ottenendo, per i vari stati limite, le espressioni di T R in funzione di V R riportate nella tabella C.3.2.I delle Istruzioni per l applicazione delle NTC 08. ( 2 ) I limiti inferiore e superiore di TR fissati dall appendice A delle NTC sono dovuti all intervallo di riferimento della pericolosità sismica oggi disponibile; per opere speciali possono considerarsi azioni sismiche riferite a TR più elevati.

20 Categorie di sottosuolo, condizioni topografiche e classificazione del suolo di fondazione Ottenuti i valori di T R corrispondente allo Stato Limite considerato, si possono infine ricavare, al variare del sito nel quale la costruzione sorge, l accelerazione del suolo a g e gli altri parametri (il valore massimo del fattore di amplificazione dello spettro in accelerazione orizzontale F O, ed il periodo di inizio del tratto a velocità costante dello spettro in accelerazione orizzontale T C *) che definiscono la forma dello spettro di risposta di progetto per ciascun sito. Secondo quanto riportato nel cap delle NTC 08 e precisato al cap. C3.2.2 delle Istruzioni per l applicazione delle NTC 08, quando le condizioni del sito di riferimento rigido in generale, non corrispondono a quelle effettive è necessario tenere conto delle condizioni stratigrafiche del volume di terreno interessato dall opera ed anche delle condizioni topografiche, poiché entrambi questi fattori concorrono a modificare l azione sismica in superficie rispetto a quella attesa su un sito rigido con superficie orizzontale (situazione presa come riferimento per la formulazione delle espressioni che servono per valutare l azione sismica). Tali modifiche, in ampiezza, durata e contenuto in frequenza,

21 sono il risultato della risposta sismica locale. (Si denomina risposta sismica locale l azione sismica quale emerge in superficie a seguito delle modifiche in ampiezza, durata e contenuto in frequenza subite trasmettendosi dal substrato rigido). Le modifiche sopra citate corrispondono a: EFFETTI STRATIGRAFICI, legati alla successione stratigrafica, alle proprietà meccaniche dei terreni, alla geometria del contatto tra il substrato rigido e i terreni sovrastanti ed alla geometria dei contatti tra gli strati di terreno; EFFETTI TOPOGRAFICI, legati alla configurazione topografica del piano campagna. La modifica delle caratteristiche del moto sismico per effetto della geometria superficiale del terreno va attribuita alla focalizzazione delle onde sismiche in prossimità della cresta dei rilievi a seguito dei fenomeni di riflessione delle onde sismiche ed all interazione tra il campo d onda incidente e quello diffratto. I fenomeni di amplificazione cresta-base aumentano in proporzione al rapporto tra l altezza del rilievo e la sua larghezza.

22 Gli effetti della risposta sismica locale possono essere valutati con metodi semplificati oppure eseguendo specifiche analisi. I metodi semplificati possono essere adoperati solo se l azione sismica in superficie è descritta dall accelerazione massima o dallo spettro elastico di risposta; non possono cioè essere adoperati se l azione sismica in superficie è descritta mediante accelerogrammi. Nei metodi semplificati è possibile valutare gli effetti stratigrafici e topografici. In tali metodi si attribuisce il sito ad una delle categorie di sottosuolo definite nella Tabella 3.2.II delle NTC 08 (A, B, C, D, E) e ad una delle categorie topografiche definite nella Tabella 3.2.IV delle NTC (T1, T2, T3, T4). In questo caso, la valutazione della risposta sismica locale consiste nella modifica dello spettro di risposta in accelerazione del moto sismico di riferimento, relativo all affioramento della formazione rocciosa (categoria di sottosuolo A) su superficie orizzontale (categoria topografica T1).

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27 RICAPITOLANDO, IN SINTESI: - L azione sismica è valutata in condizioni di campo libero su sito di riferimento rigido a superficie orizzontale, riferendosi ad una forma spettrale e ad un periodo di ritorno differente sito per sito e costruzione per costruzione. - La pericolosità sismica di un sito è descritta dalla probabilità che, in un fissato lasso di tempo, in detto sito si verifichi un evento sismico di entità almeno pari ad un valore prefissato. Come già detto anche in precedenza, nelle NTC 08, tale lasso di tempo, espresso in anni, è denominato periodo di riferimento V R e la probabilità è denominata probabilità di eccedenza o di superamento nel periodo di riferimento P VR. Ai fini della determinazione delle azioni sismiche di progetto nei modi previsti dalle NTC 08, la pericolosità sismica del territorio nazionale è definita convenzionalmente facendo riferimento ad un sito rigido (di categoria A ) con superficie topografica orizzontale (di categoria T1 ), in condizioni di

28 campo libero, cioè in assenza di manufatti. Le caratteristiche del moto sismico atteso al sito di riferimento, per una fissata P VR, si ritengono individuate quando se ne conosca l accelerazione massima ed il corrispondente spettro di risposta elastico in accelerazione. In particolare, i caratteri del moto sismico su sito di riferimento rigido orizzontale sono descritti dalla distribuzione sul territorio nazionale delle seguenti grandezze, sulla base delle quali sono compiutamente definite le forme spettrali per la generica P VR : a g = accelerazione massima al sito; F O = valore massimo del fattore di amplificazione dello spettro in accelerazione orizzontale; T C * = periodo di inizio del tratto a velocità costante dello spettro in accelerazione orizzontale. Il valore di a g è desunto direttamente dalla pericolosità di riferimento, attualmente fornita dall Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, mentre F O

29 e T C * sono calcolati in modo che gli spettri di risposta elastici in accelerazione, velocità e spostamento forniti dalle NTC 08 approssimino al meglio i corrispondenti spettri di risposta elastici in accelerazione, velocità e spostamento derivanti dalla pericolosità di riferimento. Le azioni di progetto in base alle quali valutare il rispetto dei diversi stati limite considerati, si definiscono quindi a partire dalla pericolosità sismica di base. Questa può essere espressa in termini di accelerazione orizzontale massima attesa (a g ) o in termini di ordinate dello spettro di risposta elastico in accelerazione (S e ) in funzione del periodo proprio di vibrazione della struttura in esame. (cap. 3.2 NTC 08). Per arrivare ad una precisa definizione dell azione sismica, è necessario effettuare complesse operazioni di interpolazione e combinazione dei dati di input citati in precedenza, che sono state effettuate utilizzando il foglio di calcolo fornito dal Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici (scaricabile on-line)

30 Grandezze caratterizzanti il moto sismico nel sito di Ascoli Piceno al variare di vita nominale, classe d uso e periodo di riferimento (sono in evidenza i valori relativi allo Stato limite di salvaguardia della vita, che è il livello di sicurezza minimo previsto dalle NTC 08) Vita nominale (V N ) Coefficiente d'uso (C U ) Periodo di riferimento (V R ) Stato Periodo Acc. orizzontale Fattore Periodo inizio tratto Spettro di risposta Limite di ritorno massima al sito di amplificazione velocità costante elastico T R (anni) a g (m/s 2 ) F O T C * (s) S e [T B <T<T C ] (g) (1) V N 50 SLO C U 1 SLD V R (V N x C U ) 50 SLV SLC V N 50 SLO C U 1.5 SLD V R (V N x C U ) 75 SLV SLC V N 50 SLO C U 2 SLD V R (V N x C U ) 100 SLV SLC V N 100 SLO C U 1 SLD V R (V N x C U ) 100 SLV SLC V N 100 SLO C U 1.5 SLD V R (V N x C U ) 150 SLV SLC V N 100 SLO C U 2 SLD V R (V N x C U ) 200 SLV SLC

31 IMPORTANTE: come citato sempre al cap. C8.3 delle Istruzioni per l applicazione delle NTC 08, saranno i proprietari o i gestori delle singole opere, siano essi enti pubblici o privati o singoli cittadini, a definire il provvedimento più idoneo, eventualmente individuando uno o più livelli delle azioni commisurati alla vita nominale restante ed alla classe d uso, rispetto ai quali si rende necessario effettuare l intervento di incremento della sicurezza entro un tempo prestabilito pertanto spetterà alla committenza precisare i parametri relativi alla vita nominale ed alla classe d uso dell edificio od eventuali incrementi nei confronti del livello di sicurezza minimo previsto dalla normativa.

32 ESEMPIO: IL SOFTWARE SPETTRI-NTC - VERS Le formule e le tabelle utilizzate in questa presentazione sono state tratte da: - D.M. 14 Gennaio Norme tecniche per le costruzioni - Circolare C.S.L.P. del 26 febbraio Istruzioni per l applicazione delle Norme Tecniche per le Costruzioni di cui D.M. 14 gennaio 2008 Questa presentazione è stata redatta esclusivamente ad uso didattico

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3. Azioni sismiche. Le probabilità di superamento P VR nel periodo V R di riferimento dell azione sismica sono riportate alla successiva tabella: 3. Azioni sismiche Per la norma le azioni sismiche devono essere valutare partendo dalla pericolosità sismica di base del sito di costruzione. Si ricorda che la pericolosità sismica, intesa in senso probabilistico,

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