La progettazione antisismica e il controllo delle strutture

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1 La progettazione antisismica e il controllo delle strutture (Approccio energetico nelle strategie di progettazione antisismica) L'azione dinamica agente su di una struttura induce sulla stessa sollecitazioni che, a seconda dell'intensità, possono pregiudicare il comfort per gli utenti, causare la sospensione temporanea delle funzioni d uso per cui lo stabile è destinato e, nei casi più gravi, possono determinare il danneggiamento di componenti strutturali fino a compromettere la stabilità complessiva della costruzione. Da sempre, il principale obiettivo da perseguire con una corretta progettazione antisismica delle strutture è quello di salvaguardia della vita umana. L adozione delle ultime norme tecniche per le costruzioni ha permesso di incrementare il livello di sicurezza delle nuove costruzioni coniugando nuove tecniche di progettazione ispirate al criterio del capacity design. Questo approccio, anche noto con il nome di gerarchia delle resistenze, si basa sul concetto di aumentare la duttilità della struttura sfruttando la capacità di deformazione plastica dei materiali utilizzati ammettendo che, per eventi sismici di grande intensità e con un ampio periodo di ritorno, la struttura registri danneggiamenti piuttosto consistenti ma tali da non pregiudicarne la stabilità, favorendo la formazioni di meccanismi capaci di sfruttare la duttilità degli elementi strutturali prima dell attivazioni di meccanismi di tipo fragile. 1

2 In questo approccio di progettazione antisismica che benché evolutivo possiamo definire di tipo tradizionale in quanto destina il sistema strutturale a sopportare sia i carichi gravitazionali che le sollecitazioni sismiche, la valutazione della sicurezza della risposta strutturale all azione sismica di una struttura si sintetizza nel rispetto della seguente disequazione: Capacità > Domanda La capacità fa riferimento alle caratteristiche di rigidezza, resistenza e duttilità della struttura, mentre la domanda è legata alle prestazioni richieste dal sisma. Sebbene la struttura, in occasione di un evento sismico violento, possa perdere di funzionalità a tal punto da non risultare neanche più riparabile, tale approccio progettuale risulta normalmente accettabile in quanto soddisfa il criterio che valuta antieconomico progettare e realizzare strutture che rimangono in campo elastico sotto azioni che si verificano molto raramente. Per alcune costruzioni questo approccio normale non può ritenersi sufficiente. La filosofia progettuale deve essere allora opportunamente diversificata per alcune tipologie di strutture in cui l assenza di danni è un requisito essenziale come ad esempio: edifici di importanza strategica per l incolumità pubblica e per la protezione civile; opere d arte infrastrutturali per le vie di comunicazione di primaria importanza; strutture che contengono componenti e materiali pericolosi. L approccio progettuale alternativo al precedente prevede, al contrario, di diminuire e addirittura eliminare l escursione plastica delle costruzioni, assumendo che la protezione della struttura dal sisma possa conseguirsi mediante l adozione di dispositivi di controllo strutturale. Si fa strada quindi l idea di predisporre sistemi resistenti specifici per le azioni orizzontali che di affianchino a quelli per i carichi verticali. 2

3 Il "controllo" del comportamento di una struttura può realizzarsi in diversi modi con un unico denominatore comune: dotare la costruzione di qualità specifiche che, nel breve intervallo di durata dell'azione dinamica, intervengono a modificare alcune caratteristiche strutturali con l'effetto di migliorarne la risposta dinamica e quindi proteggere e preservarne l integrità e le funzioni. L interpretazione del comportamento della struttura in chiave di scambio energetico consente di comprendere l approccio delle diverse strategie di controllo strutturale antisismico utilizzabili su una struttura nel tentativo di contenere i danni conseguenti all azione sismica. I terremoti sono essenzialmente fenomeni energetici nei quali enormi quantità di energia meccanica accumulata nel corso di molti anni viene rilasciata in tempi brevissimi e la loro interazione con le costruzioni antropiche è caratterizzabile anch essa come uno scambio energetico. Partendo dalla considerazione che una qualsiasi azione di tipo dinamico su di un sistema strutturale corrisponde all immissione in esso di una determinata quantità di energia (Ei), tale energia mette in moto le masse strutturali e si trasforma in diverse forme di energia, in parte accumulata e in parte dissipata non recuperabile. Pertanto l equazione che rappresenta il bilancio energetico di un siffatto sistema è pari a: E = E + I E E D Da cui si osserva che l energia in ingresso è uguale alla somma dell energia elastica e dell energia totale dissipata dalla struttura. In particolare, l energia elastica (E E ), responsabile dello scuotimento delle strutture, è somma dell energia cinetica (E k ) e dell energia di deformazione assorbita in modo elastico (Es), mentre l energia dissipata comprende le aliquote di 2 diversi fenomeni di dispersione energetica, quella relativa a fenomeni di smorzamento di tipo viscoso e quella per isteresi per il comportamento plastico dei materiali. 3

4 Quindi l equazione completa si può scrivere come: DOMANDA ENERGETICA DEL SISMA OFFERTA ENERGETICA DELLA STRUTTURA E I = E k +E S +E d +E h La mitigazione degli effetti pericolosi di un sisma inizia con la valutazione della distribuzione dell energia all interno della struttura, e dalle considerazioni fatte si comprende come le prestazioni della struttura possono essere migliorate, o meglio può essere migliorata la sua protezione nei confronti del sisma attraverso due strategie differenti. 4

5 Le tecniche di protezione sismica e di controllo del comportamento dinamico delle strutture hanno dimostrato di migliorare nettamente la protezione delle strutture e dei loro contenuti, garantendo completa integrità e piena funzionalità fino a terremoti molto violenti, oltre ad essere assolutamente affidabili per vaste applicazioni a strutture sia di nuova costruzione che esistenti. Riguardando dal punto di vista energetico l approccio alla progettazione antisismica definito in precedenza tradizionale, abbiamo esaminato come un comportamento accettabile della struttura sia correlato con la formazione di deformazioni plastiche durante l evento sismico. Ciò si riflette direttamente sull incremento di energia E D dissipata dalla struttura. Inoltre, la presenza di deformazioni plastiche riduce la rigidezza del sistema strutturale complessivo, con conseguente effetto indiretto di contenere l energia assoluta in ingresso E I. Da tali considerazioni è possibile osservare come anche la progettazione antisismica ispirata al capacity design introduce meccanismi che ripercorrono le logiche di controllo della struttura orientato a migliorare le prestazioni della risposta strutturale. L analisi dal punto di vista energetico del comportamento delle strutture consente di esaminare come obbiettivi sensibilmente differenti della progettazione antisismica delle strutture siano in realtà contenuti nel medesimo orientamento metodologico. L approccio del capacity design nella normativa tecnica nazionale Il passaggio tra le norme di vecchia e nuova concezione, fino alle vigenti NTC 2008 emanate con DM del 14 gennaio 2008, è segnato dall emanazione dell OPCM 3274 del 20 marzo 2003 in seguito all evento sismico che colpì il Molise il 31 ottobre 2002 che provocò il crollo dell edifico scolastico Francesco Jovine di San Giuliano di Puglia causando la morte di una maestra e 27 bambini. L ordinanza ( Primi elementi in materia di criteri generali per la classificazione sismica del territorio nazionale e normative tecniche per le costruzioni in zona sismica ) ridisegnava la pericolosità del territorio nazionale con una nuova classificazione sismica e, per la prima volta, si recepivano i contenuti degli Eurocodici con nuove norme con impostazione prestazionale della progettazione, rendendo obbligatorio il calcolo semiprobabilistico agli stati limite e le analisi dinamiche con spettro di risposta. L innovazione concettuale introdotta dalla filosofia progettuale del capacity design, e contenuta nelle attuali norme tecniche italiane, era il risultato di 20 anni di ricerca ed applicazioni sperimentali condotte principalmente dal professor Thomas Paulay in Nuova Zelanda dove, la nuova metodologia fu assimilata nei 5

6 codici di calcolo per la realizzazione di nuovi edifici. A poco a poco, l apprezzamento di questo approccio si diffuse internazionalmente a livello scientifico, fino alla sua introduzione nel Model Code del CEB del 1985 (Comité Euro-International du Béton - organizzazione impegnata nella ricerca per il progresso delle prestazioni delle strutture in calcestruzzo.). In seguito la metodologia fu recepita nelle disposizioni antisimiche dei codici normativi di altri paesi, come ad esempio in Canada, Giappone e nell Eurocodice 8. La definizione di capacity design fornita dallo stesso Paulay (Development in the design of ductile reinforced concrete frames Bull. of the NZNSEE -1979) è la seguente: in strutture progettate per risposta sismica di tipo duttile la localizzazione di cerniere plastiche potenziali è scelta al fine di ottimizzare la stabilità complessiva e la dissipazione di energia. Tutte le altre regioni strutturali sono dotati di resistenza supplementare in modo da rimanere in campo elastico quando le aree prescelte sviluppano il comportamento plastico. La ricostruzione del complesso scolastico Francesco Jovine in San Giuliano di Puglia (CB) ha previsto l adozione di dispositivi di isolamento sismico alla base realizzato con 61 isolatori elastomerici accoppiati con 12 dispositivi di scorrimento 6