EDIFICI caratteristiche generali

1. EDIFICI caratteristiche generali • Interazione azione-sistema strutturale • Il comportamento di una costruzione durante un terremoto dipende, oltre che dalle caratteristiche dell'azione sismica, dalla qualità della costruzione stessa. • Questa è funzione: • della concezione dell'edificio • della tipologia strutturale • del dettaglio degli elementi strutturali • della cura della realizzazione • Dalle caratteristiche generali della costruzione dipendono: • il comportamento della struttura • il modello meccanico adeguato a descriverlo • la scelta del metodo di analisi

2. La concezione del progetto di un edificio è di grande importanza, specialmente in campo sismico. E' fondamentale tenere presente che, in una costruzione, anche gli elementi non strutturali concorrono a determinare la risposta al terremoto, sia con la loro massa che con la loro rigidezza e resistenza; pertanto la concezione del progetto deve riguardare sia la struttura che la "non struttura" Principi guida della progettazione: semplicità strutturale: assicura l'esistenza di percorsi evidenti e diretti per la trasmissione delle forze sismiche, riducendo le incertezze insite nelle varie fasi di progettazione ed esecuzione, e quindi rende più affidabile la previsione del comportamento della costruzione sotto sisma uniformità e simmetria: assicurano una distribuzione bilanciata ed adeguata degli elementi strutturali in pianta ed in altezza, inducendo la struttura ad avere una risposta globale uniforme, e quindi riducono i rischi legati alla presenza di eccentricità, zone di concentrazione di sforzi e di elevata richiesta di duttilità

3. iperstaticità: assicura una ridondanza di elementi e quindi una più favorevole e più ampia ridistribuzione degli effetti dell'azione sismica e dissipazione di energia resistenza e rigidezza flessionali secondo due direzioni ortogonali: la presenza di due sistemi resistenti orditi secondo direzioni ortogonali e aventi valori di rigidezza e resistenza simili assicura un buon comportamento della struttura qualunque sia la direzione del moto sismico resistenza e rigidezza torsionali: assicurano limitati effetti torsionali nella struttura e quindi riducono il rischio che spostamenti differenziati, dovuti a tali effetti nei diversi elementi strutturali, inducano sollecitazioni non uniformi rigidezza e resistenza dei solai nel piano: assicurano capacità di ridistribuzione delle forze indotte dal sisma sul sistema in proporzione alle rigidezze e resistenze degli elementi resistenti fondazioni adeguate: assicurano che l'intero edificio sia soggetto ad un'uniforme eccitazione sismica, riducendo eventuali spostamenti differenziali dovuti a input non sincrono

4. TIPOLOGIE STRUTTURALI Telai resistenti a momento: sono costituiti da travi rigidamente connesse ai pilastri; tipologia comunemente utilizzata per edifici in c.a. Telai con controventi concentrici o eccentrici: è la tipologia più utilizzata negli edifici in acciaio con elevato numero di piani

5. TIPOLOGIE STRUTTURALI Sistemi a parete, singola o accoppiate: sistemi in cui la resistenza necessaria a sopportare le forze orizzontali è interamente attribuita a pareti strutturali in muratura o c.a.; agli altri elementi strutturali spetta il solo compito di reggere i carichi verticali Sistemi telaio-parete: sono costituiti da telai in cemento armato accoppiati a pareti in muratura o c.a., i quali forniscono insieme la necessaria resistenza alle forze del sisma, mentre ciascuno porta la sua quota di carichi verticali

6. TIPOLOGIE STRUTTURALI DA EVITARE Sistemi con pilastri e travi in spessore Sistemi con pilastri e solette in c.a. sono poco adatti a garantire una risposta sismica soddisfacente a causa della loro eccessiva deformabilità laterale e della difficoltà a trasferire in modo adeguato gli sforzi di taglio fra pilastri e solette.

8. TELAI Nell'ipotesi di travi molto più rigide dei pilastri, il comportamento dei telai sotto azioni sismiche è caratterizzato da: • una distribuzione nelle colonne di momenti con andamento a farfalla, con valore nullo in prossimità della mezzeria • azione tagliante proporzionale ai momenti d'inerzia delle sezioni • gli spostamenti relativi fra i piani sono proporzionali alle forze di taglio (telai "shear type") • la deformata è caratterizzata da spostamenti tra i piani maggiori alla base e decrescenti con l'altezza

9. Telai con travi molto rigide In generale non è facile, nella pratica, soddisfare all'ipotesi di travi infinitamente rigide Nell'ottica della progettazione secondo la gerarchia delle resistenze non è neppure del tutto auspicabile: le travi troppo rigide non consentono la formazione delle cerniere plastiche Telai con colonne forti e travi deboli Le travi possono ruotare; se si ha regolarità nella distribuzione di rigidezze e resistenze lungo l'altezza, l'effetto delle forze laterali viene assorbito dall'intera struttura con una distribuzione uniforme del danno

10. Telai con piani deboli Esistono piani in cui le colonne sono meno resistenti delle travi: questo può verificarsi quando la distribuzione delle rigidezze è irregolare lungo l'altezza; allora le deformazioni si concentrano prevalentemente a livello di un piano mentre gli altri rimangono indeformati. Una distribuzione irregolare di rigidezze può essere determinata anche dagli elementi non strutturali –pannelli di tamponamento in muratura o calcestruzzo- che rendono molto più rigide le travi e concentrano le deformazioni nelle colonne dei piani liberi.

11. (prof. E. Cosenza)

12. Nel caso che i tamponamenti lascino liberi tratti brevi dei pilastri, la deformabilità flessionale di questi è molto limitata per cui può accadere che si verifichi la rottura per taglio prima che si possano sviluppare le rotazioni plastiche

13. Telai snelli Nel caso di edifici alti, i telai possono risultare eccessivamente deformabili: gli spostamenti relativi di interpiano possono superare i limiti di resistenza degli elementi non strutturali o arrecare danni agli impianti e agli arredi

15. Telai controventati • Alla eccessiva deformabilità si può ovviare introducendo dei controventi: • la struttura risulta sufficientemente rigida spostamenti accettabili • la concentrazione dei carichi in fondazione è accettabile (inferiore rispetto all'irrigidimento con pareti strutturali) • il danno può ancora distribuirsi nei vari elementi, in modo che si possa sfruttare la duttilità locale a favore di una maggiore duttilità globale • I telai controventati dal punto di vista teorico rappresentano la situazione ottimale. • I telai controventati in c.a. presentano difficoltà tecniche di realizzazione • Nelle strutture in acciaio si possono realizzare controventi concentrici o eccentrici, ciascuno con i propri vantaggi e svantaggi

16. SISTEMI A PARETE: SINGOLA O ACCOPPIATE • per le azioni laterali, si comportano come mensole • la distribuzione del taglio è proporzionale al momento di inerzia della sezione di ciascuna parete • gli spostamenti relativi dei piani sono più alti nella parte superiore • il comportamento a mensola implica che lo spostamento della struttura (duttilità globale) sia completamente controllato dalla rotazione alla base (duttilità locale)

17. Essendo sistemi molto rigidi, sono generalmente chiamati a sopportare notevoli azioni sismiche, a fronte di elevatissimi momenti alla base; a questo consegue che la richiesta di duttilità ed il danno sono concentrati, piuttosto che distribuiti nella struttura L'utilizzo di pareti pone problemi architettonici, che possono essere in parte superati con l'introduzione di pareti accoppiate. Particolare attenzione deve essere posta nella progettazione e realizzazione delle travi di collegamento fra le pareti, che devono avere una elevata duttilità per deformarsi seguendo le pareti senza perdere la capacità portante nei confronti dei carichi verticali.

18. SISTEMI TELAIO-PARETE • a causa degli opposti comportamenti del telaio e della parete, la risposta in termini di taglio e momento di entrambi risulta alterata: • ai piani più bassi, il muro vincola il telaio, limitandone le deformazioni • nella parte superiore il telaio vincola la parete • nel telaio non c'è molta differenza di taglio fra il primo e l'ultimo piano, perciò neppure di momento

19. l'effetto dell'accoppiamento è quello di unire i benefici dei due sistemi: la duttilità del telaio e la rigidezza della parete: • la struttura presenta una risposta duttile con una significativa capacità di dissipazione di energia lungo tutta la struttura unita ad una deformabilità accettabile • Problemi della tipologia strutturale: • concentrazione di richiesta di duttilità alla base della parete con conseguente danno localizzato • la presenza di discontinuità in verticale può provocare • formazione di un piano debole al di sopra della parete • eccesso di carico assiale nelle colonne sottostanti la parete

20. REGOLARITA' STRUTTURALE REGOLARITA' IN PIANTA • forze di inerzia orizzontali concentrate al livello dei solai • ipotesi di solaio rigido nel proprio piano • centro di massa CM: punto del piano in cui agisce la risultante delle forze di inerzia • le forze di inerzia fanno ruotare e traslare orizzontalmente il piano rispetto al sottostante • lo spostamento del piano induce uno spostamento di tutti i telai e delle pareti del piano • da tali spostamenti nascono delle forze resistenti (forze di taglio) proporzionali alle rigidezze dei telai e delle pareti • centro di rigidezza CR: il baricentro delle forze di taglio

21. se centro di massa e centro di rigidezza coincidono, il movimento è di pura traslazione i telai e le pareti assorbono quote della forza di inerzia proporzionali alle loro rigidezze • se i centri non coincidono, nasce un momento a cui consegue una rotazione • in alcuni elementi le forze di taglio sono aumentate • aumenta lo spostamento di interpiano è importante che centro di massa e centro di rigidezza siano il più possibile vicini per minimizzare gli effetti torcenti questo si può ottenere disponendo i sistemi resistenti in maniera appropriata la regolarità in pianta permette la modellazione piana della struttura in presenza di eccentricità è necessaria la modellazione tridimensionale

23. in presenza di elementi resistenti che abbiano raggiunto la plasticizzazione, la distribuzione delle forze cambia una volta che tutti gli elementi strutturali abbiano raggiunto lo snervamento, la distribuzione avviene secondo le resistenze e non più secondo le rigidezze quindi sarebbe opportuno controllare anche la posizione del centro di resistenza

24. regolarità in pianta: regolarità di forma sono preferibili forme rettangolari piuttosto che a T, L, U: gli angoli rientranti portano a disuniformità di comportamento edifici con piante troppo allungate sono più facilmente soggetti a moti sismici incoerenti o poggiare su terreni con caratteristiche diverse si può ovviare a forme irregolari in pianta disponendo dei giunti

25. REGOLARITA' IN ELEVAZIONE è importante che vi sia regolarità in termini di distribuzione di rigidezze e masse lungo l'altezza dell'edificio, onde evitare la formazione di piani deboli

26. REGOLARITA' IN ELEVAZIONE sono da evitare disassamenti di travi o pilastri, in quanto individuano zone deboli (elementi più rigidi, tozzi) dove si hanno richieste concentrate di duttilità la regolarità in altezza condiziona il tipo di modellazione ed il metodo di analisi

27. RIGIDEZZA DEL SOLAIO NEL SUO PIANO N.B. la rigidezza in questione è quella del solaio nel suo piano (non quella fuori piano) Per poter definire un solaio "infinitamente rigido (nel suo piano)" occorre che la sua rigidezza sia molto più grande della rigidezza traslazionale delle strutture verticali: durante un sisma il solaio, che collega diversi elementi resistenti verticali, è sollecitato dalle forze di inerzia e dalle reazioni offerte dagli elementi verticali; se per queste azioni, il solaio subisce deformazioni nel suo piano, trascurabili rispetto agli spostamenti laterali degli elementi verticali, allora può considerarsi infinitamente rigido

28. in genere, per poter considerare un solaio infinitamente rigido: • devono sussistere determinati rapporti dimensionali (rapporto spessore/luce) • non deve avere forma troppo allungata o articolata (v. regolarità di forma in pianta) • non deve contenere zone vuote, né perimetrali, né interni • E' importante che i solai siano rigidi perché: • in fase elastica, risulta più chiara la distribuzione delle forze sismiche fra i sistemi resistenti verticali • la distribuzione avviene proporzionalmente alle rigidezze dei sistemi resistenti (se la struttura è ben progettata, rigidezze e resistenze vanno all'incirca di pari passo, perciò questo è vantaggioso) • in fase post-elastica è in grado di ridistribuire le forze fra gli elementi resistenti

29. ELEMENTI STRUTTURALI SECONDARI • Alcuni elementi strutturali dell'edificio possono venire definiti "secondari": • sia la rigidezza che la resistenza di tali elementi vengono ignorate nell'analisi della risposta • tuttavia tali elementi devono essere in grado di assorbire le deformazioni della struttura soggetta all'azione sismica di progetto mantenendo la capacità portante nei confronti dei carichi verticali • la scelta degli elementi da considerare secondari può essere cambiata, ma in nessun caso può influire sulla classificazione della regolarità Esempi strutture con nuclei o pareti rigide e telai: ai telai possono essere affidati solo i carichi verticali strutture a telai in cui quelli esterni, controventati, sono adibiti a resistere alle azioni orizzontali, mentre quelli interni solo ai carichi verticali

30. Nelle normative (O.P.C.M. 3431/2005, EC8) sono elencate alcune regole in base alle quali riconoscere se un edificio è più o meno regolare. Nella applicazione di tali regole è necessario considerare anche gli elementi strutturali secondari e quelli non strutturali, quando abbiano caratteristiche di massa e rigidezza tali da poter alterare la risposta della struttura. In funzione della regolarità dell'edificio, saranno effettuate le scelte in relazione alla modellazione della struttura, al metodo di analisi e ad altri parametri di progetto.