Qual’ è il fattore di struttura utilizzabile per una struttura senza travi?

Edifici con solai a piastra in zona sismica: inquadramento normativo

Scopo di questo documento è di fare chiarezza sull’inquadramento normativo che i solai a piastra, alleggeriti o meno, in zona sismica dovrebbero avere.

E’ noto come il solaio a piastra sia da decenni uno dei sistemi costruttivi più utilizzati in numerosi paesi europei ed anche negli Stati Uniti: si pensi ad esempio alla California, zona ad alta sismicità.

Negli Stati Uniti le norme ACI 318 prevedono che in zone a bassa sismicità il solaio possa essere primario nel sistema sismo-resistente complessivo, con dissipazione garantita da opportuni dettagli costruttivi; nelle zone a più elevata sismicità i solai a piastra vanno invece considerati come secondari. Le membrature del sistema strutturale che resistono all’azione sismica vengono denominate elementi resistenti sismici principali, gli altri elementi secondari.

Questi ultimi non sono tenuti a rispettare tutte le regole di progetto sismico previste da EC8 e NTC08; devono solamente essere progettate per resistere ai soli carichi verticali quando sono sottoposti agli spostamenti indotti dal sisma (proprio perché collegati agli elementi principali).

Le tipologie di edificio che adottano solai a piastra sono riassumibili come segue:

1) edifici con solai a piastra su pilastri e pareti a taglio

2) edifici con solai a piastra su pilastri e nuclei

3) edifici a piastra su pilastri

4) edifici su pilastri con isolatori o dissipatori alla base

Nei primi due casi si tratta di strutture a pareti, singole o accoppiate, in cui la resistenza alle forze orizzontali è offerta per almeno il 65% dalle pareti. Tali strutture devono possedere comunque una opportuna resistenza torsionale data dalla disposizione in pianta delle pareti e dei nuclei.

Gli edifici con piastra in appoggio su soli pilastri generano una struttura sismo-resistente poco duttile e quindi penalizzate dalla normativa con un coefficiente di struttura (o di comportamento) q più basso.

Secondo la norma europea Eurocodice 8 le strutture dovrebbero soddisfare due requisiti prestazionali di seguito riassunti:

– proteggere le vite umane in caso di sisma di rara intensità;

– limitare i danni strutturali e non strutturali in caso di sisma di intensità frequente.

Il primo obiettivo viene raggiunto cercando di evitare che si raggiunga al collasso della struttura o di parti di essa mantenendo portanza orizzontale anche per scosse successive all’evento.

Le NTC08 distinguono due stati limite con severità crescente rispetto al collasso: Stato Limite di salvaguardia della Vita (SLV) e Stato Limite del Collasso (SLC).

La normativa EN 1998-1, così come le NTC08, prevedono un approccio progettuale che ammette un comportamento inelastico della struttura sfruttando le sue capacità di dissipare l’energia del sisma tramite la duttilità dei suoi elementi.

L’EC8 distingue per le strutture tre classi di duttilità: bassa, media, alta. Le NTC08 considerano solo la prima e l’ultima classe.

Il legame tra la resistenza e la capacità dissipativa della struttura è caratterizzato dal fattore di comportamento q. Questo fattore ha lo scopo progettuale di ridurre le forze ottenute con l’analisi lineare in modo tale da tenere conto della risposta non lineare della struttura e dei materiali che la compongono. La dissipazione avviene quando una parte della struttura esce dal campo di comportamento elastico del materiale che la costituisce dissipando l’energia attraverso il lavoro plastico di quella parte. Strutture con fattore q più alto sono più dissipative di strutture con fattore di struttura basso. Per strutture poco dissipative il fattore di struttura non può essere adottato superiore a q=1,5.

L’EC2 e le NTC08 prevedono che la struttura sia progettata in modo che tale dissipazione avvenga solo in parti specifiche, appositamente progettate e dettagliate, dette zone critiche o dissipative; le altre parti verranno progettate con una sovra resistenza tale da non diventare mai zone dissipative (gerarchia delle resistenze).

Per garantire il comportamento duttile è necessario che i dettagli strutturali di queste regioni devono essere tali da mantenere la capacità di trasmettere le forze necessarie e di dissipare l’energia anche in condizioni cicliche.

Le EN 1998-1 e le NTC08 contengono le regole specifiche per il progetto e la verifica di tali zone per i diversi elementi principali: travi, pilastri, pareti.

Per gli altri elementi, come ad esempio le piastre, non vengono date informazioni perché o non sono ritenuti sede di deformazioni plastiche di grande entità o perché non vengono considerati parte fondamentale del sistema sismo-resistente.

I sistemi strutturali in c.a. adatti a resistere alle azioni sismiche sono elencati del paragrafo 5.1.1.1 delle EN-1998-1, poi ripresi dalle NTC08 al punto 7.4.3.1:

– sistemi e parete;

– sistemi a telaio;

– sistemi duali (parete-equivalente o telaio-equivalente);

– pendolo inverso

– sistema a nucleo.

Tale classificazione fa riferimento solo agli elementi verticali (tranne che per i sistemi e a telaio o telaio-equivalenti) e non specificano come debbano essere gli orizzontamenti.

Secondo l’EC8 i solai a piastra possono essere utilizzati nei seguenti modi:

  1. a) Piastre e colonne elementi secondari con pareti sismo-resistenti;
  2. b) Piastre secondarie con sistema primario a telaio creato da un reticolo di travi fuori spessore e colonne. Ci si riconduce così ad uno schema primario a cui è possibile applicare la gerarchia delle resistenze.

Lo schema è realistico nel caso le travi fuori spessore siano molto alte rispetto alla piastra; nel caso in cui hanno altezza simile alla piastra queste concorrono in modo significativo alla resistenza flessionale della trave.

  1. c) Se l’edificio è isolato alla base non vi è necessità di soddisfare la gerarchia delle resistenze (EN 1998-1, par. 10.10); gli elementi strutturali possono essere progettati come non dissipativi secondo EN 1992-1-1.

Le azioni sulla sovrastruttura sono ottenuti dividendo l’azione sismica per un fattore di struttura non superiore a q=1,5.

  1. d) Le piastre che posano su soli pilastri possono essere considerate parti del sistema primario.

In questo caso devono essere progettate con un fattore di struttura q≤1,5 in modo tale da garantire che la risposta di questi elementi sia quasi interamente in campo elastico.

Questo corrisponde a considerare la struttura in classe di duttilità bassa e applicare per la sua progettazione le sole regole di EN 1992-1-1. Si ricorda che EN-1998-1 (par. 5.2.1.2) raccomanda la progettazione con classe di duttilità bassa solo in zone a bassa sismicità (accelerazione di picco del terreno ag≤0,78m/s2).

“Come caso limite, per la progettazione di strutture classificate come non-dissipative, non si tiene in alcun conto la dissipazione isteretica di energia e il coefficiente di comportamento non può essere preso, in generale, maggiore del valore di 1,5 considerato per tener conto delle sovraresistenze” (cfr. par. 2.2.2(2) UNI 1998-1:2005).

Le NTC08 al paragrafo 7.3.1: “Per tipologie strutturali diverse da quelle sopra definite, ove si intenda adottare un valore q > 1,5 il valore adottato deve essere adeguatamente giustificato dal progettista”;

Ciò conferma che l’assunzione di un fattore di struttura q=1 nel progetto sia conservativo dal momento che l’EC8 ammetterebbe di considerare un fattore q=1,50, con conseguente aumento delle forze sismiche pari al 50%.

Ovviamente tale “concessione” discende dal fatto che ogni struttura ha un “minimo di duttilità strutturale intrinseca” anche senza che vengano adottati particolari dettagli costruttivi.

Si ritiene dunque che la progettazione o la verifica strutturale per gli effetti dell’azione sismica, possa essere sempre svolta considerando una struttura come “non-dissipativa”, ovvero tenendo in considerazione l’azione sismica associata allo spettro elastico assumendo q=1. In conclusione la normativa ammette che il sistema piastra su soli pilastri possa essere principale per il sisma a causa dello sviluppo di un’azione a telaio fra piastra e pilastri che resistono all’azione orizzontale. Si riconosce dunque a tali sistemi una duttilità limitata sfruttabile solo in zone a bassa sismicità (ACI318).

In altre situazioni la piastra dovrà essere elemento strutturale secondario.

Per ridurre la discrezionalità nella scelta degli elementi secondari la EN-1998-1, par. 4.2.2 (vedi anche NTC08,par. 7.2.3) , fornisce due condizioni da rispettare:

1) il contributo totale alla rigidezza laterale di tutti gli elementi secondari deve essere inferiore al 15% del contributo totale di tutti gli elementi sismicamente primari (questo significa che gli elementi secondari devono contribuire per meno del 13% alla rigidezza laterale totale);

2) gli elementi secondari non devono contribuire a far passare la struttura da irregolare a regolare in elevazione o in pianta. Questo significa che non può dunque essere considerato secondario un elemento, colonna o parete, che non si estenda lungo tutto l’edificio.

Per gli elementi secondari valgono le regole della EN 1992 (ovvero il capitolo 4 delle NTC08) e non è necessario soddisfare il criterio della gerarchia delle resistenze e di duttilità locale, con il requisito addizionale (EN 1998-1, par. 5.7, punto 1(P)) di mantenere la resistenza nei confronti dei carichi gravitazionali sotto la più severa condizione di spostamenti indotti dall’azione sismica di progetto. Da quest’ultima verifica vengono esplicitamente escluse le piastre in quanto non soggette a deformazioni significative.

La progettazione e verifica degli elementi secondari risulta tanto più agevole quanto sono più flessibili rispetto a quelli principali e quanto più rigidi sono in assoluto questi ultimi.

Da questo punto di vista appare subito chiaro che la scelta più appropriata per edifici a piastra è quella che utilizza le pareti come sistema sisma-resistente ed i pilastri più snelli possibile compatibilmente alle verifiche a punzonamento come elementi sismicamente secondari per minimizzare la distorsione delle piastre e quindi il momento trasmesso dalla piastra ai pilastri.

E’ facile verificare che in una struttura a parete dove il centro delle rigidezze e quello delle masse sono abbastanza prossimi (struttura torsionalmente non deformabile) tale da avere i primi due modi di vibrare puramente traslazionali le combinazioni di carico che cimentano maggiormente il solaio sono quelle gravitazionali statiche e non quelle sismiche.

Questo permette, in una struttura di questo tipo, di calcolare il solaio separatamente dal resto della struttura.

Le strutture a parete hanno infine drift di piano dr assai più contenute rispetto alle strutture a telaio, entro un valore limite del 1,5% dell’altezza di interpiano h, valore ritenuto un limite superiore ragionevole di spostamento in caso di sollecitazione sismica intensa (Pan e Moehle, 1989). Strutture a parete riescono a soddisfare richieste di duttilità di spostamento di quasi il 6% contro il 1% di strutture con soli collegamenti piastra-colonna.

 

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