Soluzioni e accorgimenti per strutture antisismiche in calcestruzzo armato

Diciamo le cose come stanno: realizzare una struttura con elevate capacità antisismiche con le tecniche tradizionali è cosa praticamente impossibile. Per quanto può contare il mio parere, la soluzione veramente efficace consiste nell’utilizzo di sistemi di isolamento sismico, ma di questo sarò felice di parlarne in altri approfondimenti. In questo articolo applicheremo le prescrizioni delle Norme Tecniche delle Costruzioni e degli Eurocodici, attraverso particolari costruttivi di semplice realizzazione ed utilizzando la comune tecnologia costruttiva degli edifici in c.a. intelaiati.

Inizio le mie riflessioni sintetizzando in un elenco i concetti più importanti della progettazione antisismica. Una struttura a telaio con buone capacità dissipative (CD”B” e CD”A”) deve seguire le seguenti regole:
  1. Pilastri progettati secondo la gerarchia delle resistenze (capacity design)
  2. Resistenza a taglio degli elementi superiore alla resistenza a flessione
  3. Elevata resistenza dei nodi travi-pilastro
  4. Fondazioni in campo sostanzialmente elastico
Voglio tranquillizzare i professionisti più esperti: le regole della progettazione in capacità non hanno cancellato l’applicazione dei classici concetti del comportamento strutturale. E’ fondamentale che il dimensionamento degli elementi consentano un comportamento globale efficace basato su:
  1. Minima eccentricità tra i baricentri di massa e rigidezze
  2. Ellisse delle rigidezze il più possibile tendente alla circonferenza
  3. Prevedibilità di comportamento in ambito dinamico (regolarità strutturale)
La modalità di collasso da preferire è quella che consente grande dissipazione energetica: ovvero la formazione delle cerniere plastiche deve avvenire all’estremità delle travi (Figura 1). In base a questo principio, la gerarchia delle resistenze (o  capacity design) si occupa della progettazione della capacità flessionale di un pilastro in modo che sia superiore a quella delle travi che convergono alle sue estremità. Così facendo si avrà la certezza che, durante l’evento sismico, la cerniera plastica si formerà prima sulle travi che sui pilastri:
Comportamento duttile

Figura 1: Comportamento duttile

Come possiamo notare dalla formula (Figura 2), tanto maggiori sono i momenti resistenti delle travi e ancor più grandi deve essere il momento resistente del pilastro al nodo considerato. Dalle mie parti (zone con ag tra 0.25g e 0.35g) c’è chi è ancora ancorato allo schema strutturale anni ’80 con pilastri di sezione 30×60 cm e travi 30×60.
Gerarchia delle resistenza travi-pilastro (capacity design)

Figura 2 : Gerarchia delle resistenza (capacity design)

Come è facile intuire con queste dimensioni l’unica soluzione percorribile è “abbondare” in armatura longitudinale per il pilastro. Questa soluzione però, oltre che rendere il pilastro più fragile, crea nel nodo un groviglio di armature che molto probabilmente causerà “nidi di ghiaia” nel getto di calcestruzzo.
I consigli che posso dare dalla mia esperienza sono:
  • Utilizzo di travi con altezza massima 50 cm (e di conseguenza lunghezze delle travi non superiori a 5 m)
  • Utilizzo di pilastri con lato pari o superiore a 60 cm
  • Utilizzo del diametro Ø14 per le armature longitudinali delle travi
  • Utilizzo del diametro Ø18 per le armature longitudinali dei pilastri
Così facendo la colonna avrà poche armature concentrate e, considerando le distanze minime dettate dalle norme tecniche, saranno già sovradimensionate rispetto alle travi. I vantaggi che ne derivano sono: una tendenza automatica al comportamento globale duttile, più facilità di soluzione della gerarchia delle resistenze, getti maggiormente uniformi, monolitici e privi di vuoti.
Soluzioni per dimensioni trave-pilastro

Figura 3: Soluzioni per dimensioni trave-pilastro

Per la resistenza a taglio degli elementi strutturali primari, i concetti legati anche in questo caso alla gerarchia delle resistenze impongono la progettazione delle armature trasversali in funzione dei momenti resistenti di estremità secondo la formula (Figura 4):
Calcolo del taglio sollecitante (capacity design)

Figura 4 : Calcolo del taglio sollecitante

Inoltre, su area, passo e diametri delle armature a taglio sono presenti delle prescrizioni normative molto restrittive. Le soluzioni che reputo necessarie nell’ottica del comportamento duttile sono:
  • Utilizzo del diametro Ø10 per le staffe sia delle travi che dei pilastri
  • Utilizzo di staffe a più bracci per i pilastri se è necessaria maggiore resistenza (in sostituzione alle legature Ø6)
Soluzione per progettazione delle staffe

Figura 5 : Soluzione per progettazione delle staffe

I vantaggi che si hanno consistono in un passo delle staffe maggiore rispetto al classico e più usuale Ø8 (e quindi più semplicità realizzativa) e maggiore protezione ai meccanismi fragili. Voglio ricordare che le legature nelle zone critiche sono obbligatorie ma non devono essere conteggiate come area resistente a taglio: utilizzare staffe chiuse aggiuntive invece aumenterà notevolmente la resistenza a taglio del lato con più bracci (Figura 5).

 

Come è noto, il punto critico delle strutture intelaiate in c.a. è il nodo travi-pilastro. L’introduzione nelle norme della progettazione delle staffe di confinamento del nodo ha reso la vita più complicata a progettisti, direttori dei lavori e maestranze. In effetti, se pensiamo che il nodo è attraversato da un grande numero di armature longitudinali, gestire in cantiere “grovigli” di barre e staffe (anche a passo di 6 cm) non è cosa agevole.
Comunque, se analizziamo le formule di verifica, vediamo che i nodi critici sono posti perimetralmente ed in particolare negli spigoli, in quanto le azioni delle travi risultano sbilanciate dalla mancanza di altri elementi nella faccia opposta del nodo (Figura 6). Inoltre, dai report fotografici relativi ai danni del sisma, notiamo che il punto in cui spesso avviene il primo crollo è lo spigolo.
Resistenza dei nodi strutturali

Figura 6 : Resistenza dei nodi strutturali

La soluzione tecnica proposta consiste nel realizzare sezioni ad “L” per i pilastri degli angoli, in modo da aumentare la sezione del nodo e creare un nucleo di calcestruzzo resistente anche in assenza di staffatura. Così facendo, rispetto alla soluzione con pilastro rettangolare, si elimina la presenza del lato debole sul quale scarica una trave più resistente.
Soluzione per pilastri d'angolo

Figura 7 : Soluzione per pilastri d’angolo

Questa soluzione ha effetti benefici anche per quanto riguarda il comportamento globale, in quanto la centrifugazione delle inerzie regolarizza la distribuzione delle rigidezze e riduce i fenomeni di deformabilità torsionale dell’edificio.

 

Veniamo adesso alla progettazione delle fondazioni. Esse sono l’interfaccia diretta con il terreno e quindi interessate direttamente dal fenomeno di trasferimento dell’azione sismica alla sovrastruttura. Una fondazione rigida sia assialmente che trasversalmente consente di ripartire l’onda sismica ad un maggior numero di elementi strutturali verticali (pilastri e pareti) mantenendo l’integrità del piede delle colonne. Per questi motivi per le fondazioni superficiali è opportuno:
  • Utilizzare sezioni minime 50×100 cm o ancor meglio sezioni a T rovesce (per fondazioni a trave rovesce)
  • Utilizzare nervature alte almeno 2 volte lo spessore della platea (nel caso di fondazioni a platea)
  • Realizzare di mensole rovesce stabilizzatrici lungo il perimetro (di lunghezza almeno 1 m)
  • Prevedere sempre collegamenti tra le fondazioni isolate (plinti e/o pali)
Particolari fondazione su platea nervata

Figura 8 : Particolari fondazione su platea nervata

Le soluzioni proposte in questo articolo contribuiscono ad aumentare la tendenza del comportamento duttile globale. In particolare sono particolarmente indicate per le strutture fino a sei o sette piani, poste anche in zone sismiche di alta categoria. Strutture più massive necessitano, o di opportuni adattamenti  delle soluzioni indicate, o di soluzioni “più aggressive” di protezione sismica. Per scelta, in questo articolo, non è stata trattata l’efficacia delle strutture a pareti o a nucleo in quanto meritano un apposito approfondimento.

Bibliografia

Seismic design of reinforced concrete and masonry buildings – T. Paulay, M. J. N. Priestley

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