Guida alla progettazione: elementi in c.a. e NTC 2018 + Circolare applicativa

Metodi di calcolo e verifica del sistema strutturale in funzione della tipologia di analisi e della caratterizzazione dell’elemento

Data la complessità della struttura normativa attualmente vigente e in ottica di allinearsi all’imminente entrata in vigore della circolare applicativa, questo articolo si pone l’obiettivo di chiarire i possibili scenari progettuali con cui gli strutturisti dovranno confrontarsi per le nuove progettazioni delle strutture in c.a.

A seconda delle assunzioni fatte prima dell’inizio della progettazione, cambia la modalità di calcolo sia della domanda che della capacità della struttura in oggetto.

Entrando nel dettaglio:

Le costruzioni devono essere dotate di sistemi strutturali che garantiscano RIGIDEZZA e RESISTENZA nei confronti delle azioni verticali e orizzontali di progetto e RIGIDEZZA RESISTENZA e DUTTILITA’ nei confronti dell’azione sismica. In particolare, un sistema strutturale è composto da elementi primari (cui è affidata l’intera capacità sismica) e, eventualmente, elementi secondari (progettati per resistere ai soli carichi verticali).

La progettazione di un sistema strutturale mira a garantire che, per tutti gli elementi strutturali sia primari che secondari, il valore di ciascuna domanda di progetto sia inferiore al corrispondente valore della capacità di progetto.

Il comportamento di un sistema strutturale, o meglio dei suoi elementi primari nei confronti dell’azione sismica, determina una diversità di risposta e, di conseguenza, una diversa strategia di progettazione. Risulta dunque che:

• Un comportamento strutturale non dissipativo determina un modello elastico ovvero, nella valutazione della domanda, tutte le membrature rimangono in campo elastico.
• Un comportamento strutturale dissipativo determina che un elevato numero di membrature evolvono in campo plastico mentre la restante parte della struttura rimane in campo elastico, ovvero la domanda viene valutata tenendo conto della capacità dissipativa della struttura in esame. In particolare tale capacità dissipativa può essere presa in conto IMPLICITAMENTE attraverso il fattore di comportamento e conseguentemente adottare un modello di comportamento elastico; oppure ESPLICITAMENTE adottando una legge costitutiva non lineare per il materiale strutturale. Il controllo sulle plasticizzazioni a livello sia locale che globale si esegue in fase progettuale in funzione della scelta della classe di duttilità:
  • Classe di duttilità alta CD “A” ELEVATA CAPACITA’ DISSIPATIVA
  • Classe di duttilità media CD “B” MEDIA CAPACITA’ DISSIPATIVA

Al fine dunque di progettare correttamente gli elementi strutturali le verifiche da eseguire sono esplicitate nel seguito osservando che, quando si tratta di elemento strutturale primario, la tipologia di verifica è influenzata sia dalla tipologia di comportamento strutturale che dalla classe d’uso (CU) della struttura in oggetto nonché dallo stato limite di rifermento.

Cosa significa eseguire verifiche di Rigidezza / Resistenza / Duttilità?

Esaminiamo nel dettaglio le varie modalità da adottare:

• Verifiche di rigidezza (RIG)

La condizione in termini di rigidezza sulla struttura si ritiene soddisfatta qualora la conseguente deformazione degli elementi strutturali non produca sugli elementi non strutturali danni tali da rendere la costruzione temporaneamente inagibile. In caso di costruzioni civili e industriali questa condizione si può ritenere soddisfatta quando gli spostamenti di interpiano ottenuti dall’analisi in presenza dell’azione sismica allo SLE di progetto, funzione della classe d’uso considerata, siano inferiori ai limiti indicati nel par.7.3.6.1. DECRETO 17 gennaio 2018. Aggiornamento delle “Norme tecniche per le costruzioni”.

• Verifiche di resistenza (RES)

Si deve verificare che i singoli elementi strutturali e la struttura nel suo insieme possiedano una CAPACITÀ IN RESISTENZA sufficiente a soddisfare la DOMANDA allo stato limite considerato.

Modifica della Domanda

Come si può notare dagli schemi precedenti, la verifica di resistenza è richiesta anche allo SLD per le classi d’uso III IV; tale richiesta fa da spunto ad una serie di domande:

• Cosa fare in Classe d’uso I e II?
• Cosa significa verificare la resistenza strutturale allo SLD?
• Perché la normativa introduce questa nuova ipotesi?
• …

Le risposte sono in parte chiarite dall’aggiornamento normativo e in parte si ritrovano nella BOZZA di circolare applicativa la cui entrata in vigore dovrebbe essere imminente.

OSSERVAZIONE TEORICA: nel caso di progettazione dissipativa con fattore di struttura, quando allo SLV si adottano fattori di comportamento  elevati (mediamente superiori a 2.5), può accadere che le ordinate dello spettro SLD superino le corrispondenti ordinate dello spettro SLV. Tale costatazione si traduce con la possibile plasticizzazione degli elementi strutturali anche per eventi sismici relativamente frequenti quali quelli corrispondenti allo SLD.

In classe d’uso III IV le strategie di progettazione, coerenti con la vigente normativa, sono due e sono così individuabili:

• Il progettista potrà scegliere (nonché motivare con apposito paragrafo all’interno della relazione a corredo della progettazione) lo spettro che fornisce l’ordinata più gravosa per il periodo di riferimento della struttura in oggetto.
• Il progettista potrà usare un nuovo fattore di comportamento , ridotto rispetto a quello ipotizzato in prima fase.

Quando invece si opera in classe d’uso I e II sarà il progettista stesso a dover scegliere se accettare il danno strutturale per terremoti frequenti quali quelli allo SLD (e quindi eseguire le sole verifiche di RIG per tale stato limite) o operare come in classe d’uso III e IV.

Modifica del Fattore di Comportamento

Il nuovo fattore di comportamento  può essere ottenuto, per ciascuna direzione, dalla relazione:

Dove:

• q_ND è il fattore di comportamento non dissipativo definito
• T₁ è il periodo del primo modo traslazionale nella direzione considerata
• S_e,SLV (T₁) la risposta spettrale elastica allo SLV relativa al periodo T₁
• S_e,SLD (T₁) la risposta spettrale elastica allo SLD relativa al periodo T₁

Modifica della Capacità

• Verifiche di duttilità (DUT)

Si deve verificare che i singoli elementi strutturali e la struttura nel suo insieme possiedano una capacità in duttilità:

• nel caso di analisi lineare coerente con il fattore di comportamento q adottato e i relativi spostamenti
• nel caso di analisi non lineare sufficiente a soddisfare la domanda in duttilità evidenziata dall’analisi.

Nel caso di analisi lineare la verifica di duttilità si può ritenere soddisfatta se si verificano le seguenti condizioni, funzione della tipologia strutturale e della tipologia di elemento considerato:

La struttura oggetto di verifica presenta, comunque, zone che possiamo definire “singolari” rispetto agli schemi precedenti. Esistono sezioni per le quali la verifica di duttilità va sempre ESPLICITATA a meno di non far riferimento a dettagli costruttivi aggiuntivi rispetto a quelli standard da Capitolo 4 / Capitolo 7 NTC 2018. Queste zone singolari sono:

• le zone dissipative allo spiccato di fondazione degli elementi strutturali primari
• le zone terminali di tutti i pilastri secondari.

In tali zone o si verifica esplicitamente che la capacità in duttilità è almeno pari:

• a 1.2 volte la domanda in duttilità locale valutata in corrispondenza dello SLV nel caso si utilizzino modelli lineari
• alla domanda in duttilità locale e globale allo SLC nel caso si utilizzino modelli non lineari.

Oppure si adottano i seguenti specifici dettagli costruttivi per la duttilità.

Dettagli costruttivi per la duttilità

dove:

ω_wd  – rapporto meccanico dell’armatura trasversale di confinamento all’interno della zona dissipativa

μ_ϕ – domanda in duttilità di curvatura allo SLC

ν_d – forza assiale adimensionalizzata di progetto relativa alla combinazione sismica SLV

ε_sy,d – deformazione di snervamento dell’acciaio

h_c – profondità della sezione trasversale lorda

h₀ – profondità del nucleo confinato

b_c – larghezza minima della sezione trasversale lorda

b₀ – larghezza del nucleo confinato corrispondente a b_c

α – coefficiente di efficacia del confinamento, uguale a α=α_n α_s , con:

• per sezioni trasversali rettangolari

dove:

• n – numero totale di barre longitudinali contenute lateralmente da staffe o legature
• b_i – distanza tra barre consecutive contenute
• s – passo delle staffe

• per sezioni trasversali circolari con diametro del nucleo confinato D0 (con riferimento alla linea media delle staffe)

dove:

• D₀ – diametro del nucleo confinato D0
• n – numero totale di barre longitudinali contenute lateralmente da staffe o legature
• b_i – distanza tra barre consecutive contenute
• s – passo delle staffe
• β = 2 – per staffe circolari singole
• β = 1 – per staffa a spirale.

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• ELEMENTO STRUTTURALE PRIMARIO

• ELEMENTO STRUTTURALE SECONDARIO

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