Comportamento dissipativo e non dissipativo di sistemi strutturali

Le azioni sismiche di progetto che costituiscono la domanda si definiscono a partire dagli spettri di risposta, funzione della sola pericolosità sismica di base del sito interessato. La costruzione degli spettri di progetto precedentemente introdotti è però subordinata anche alla conoscenza di ulteriori informazioni relative alle caratteristiche stratigrafiche e topografiche del sito considerato, sintetizzate rispettivamente dagli omonimi coefficienti di amplificazione, ricavabili in maniera semplificata secondo il procedimento fornito dalla norma o attraverso analisi di dettaglio, eseguite in seguito allo svolgimento di specifiche prove in sito di carattere geotecnico per la valutazione della risposta sismica locale. La domanda sismica va inoltre

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valutata in funzione del comportamento previsto per il sistema strutturale progettato, che in sostanza può essere di due tipologie:

- comportamento strutturale non dissipativo: nella valutazione della domanda si assume che tutte le membrature e i collegamenti rimangono in campo elastico. In tal caso la domanda sismica non tiene conto delle non linearità di materiale ed è calcolata attraverso un modello elastico;

- comportamento strutturale dissipativo: nella valutazione della domanda si ammette che un numero elevato di membrature e/o collegamenti evolvono in campo plastico, mentre la restante parte della struttura rimane in campo elastico. Il tal caso, la domanda sismica tiene conto della tipologia strutturale considerata e della capacità dissipativa associata alle plasticizzazioni legate alle non linearità di materiale²⁴.

Nel caso la struttura abbia comportamento strutturale dissipativo, si distinguono due livelli di capacità dissipativa o Classi di Duttilità (CD) ai fini della valutazione della domanda sismica e della progettazione di elementi strutturali e dettagli costruttivi:

- Classe di Duttilità alta (CD “A”); - Classe di Duttilità media (CD “B”).

Dal punto di vista globale, la progettazione di una struttura dotata di una certa capacità in duttilità deve essere effettuata con riferimento al criterio di gerarchia delle resistenze (capacity design), che consiste nel gestire il comportamento strutturale in modo che permetta di dissipare una parte dell’energia trasmessa dal sisma, in relazione all’entità delle deformazioni imposte sulla struttura. La dissipazione di energia avviene attraverso i cicli di isteresi, rappresentabili con l’evoluzione nel tempo del legame Momento-Curvatura (M-) delle sezioni degli elementi strutturali, che mostrano le plasticizzazioni progressive degli stessi, quando sono sottoposti ad un certo evento sismico.

I principi della gerarchia delle resistenze impongono che sia favorita la formazione di meccanismi duttili in posizioni favorevoli della struttura, al fine di ottenere un fenomeno di plasticizzazione controllato e fornire quindi una tutela nei confronti di rotture di tipo fragile, quindi improvvise, e di meccanismi indesiderati. Per raggiungere tale obiettivo, si individuano nella struttura degli specifici elementi, denominati cerniere plastiche, che devono essere progettati in modo da sviluppare un comportamento duttile quando sollecitati oltre un certo limite. Si tratta, di fatto, di elementi sacrificali, il cui meccanismo duttile anticipa i meccanismi fragili o indesiderati su elementi più importanti per la stabilità strutturale, che di contro dovranno essere progettati per essere caratterizzati da una maggiore resistenza. Ne consegue che nella progettazione di strutture con comportamento dissipativo, per qualsiasi classe di duttilità, si avranno elementi più fragili, caratterizzati da una maggiore resistenza, in quanto non è consentito che gli stessi abbandonino il limite elastico, e da elementi duttili meno

24 § 7.2.2. Criteri generali di progettazione dei sistemi strutturali – Allegato al DM 17 gennaio 2018 – Norme Tecniche per le Costruzioni

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resistenti, la cui plasticizzazione è da considerarsi come un episodio positivo, a vantaggio dell’intero sistema strutturale.

In relazione a quanto finora esposto, il legislatore ha codificato le regole da adottare nell’ambito della progettazione sismica, stabilendo che “al fine di conseguire un comportamento duttile, i telai devono essere progettati in modo che le zone dissipative si formino nelle travi piuttosto che nelle colonne”. Allo stesso modo, viene definito anche in che modo valutare la sovraresistenza di un elemento rispetto ad un altro ad esso collegato, vale a dire moltiplicando la resistenza nominale di calcolo delle zone dissipative per un opportuno coefficiente di sovraresistenza γRd, variabile in funzione della classe di duttilità scelta per la progettazione.

Figura 2.3 – Il comportamento degli elementi nelle strutture intelaiate: a) Distribuzione delle azioni orizzontali; b) Deformazione della struttura con generazione di un piano soffice dovuto alla plasticizzazione dei pilastri; c) Deformazione della struttura con plasticizzazioni concentrate sulle travi, nel rispetto della gerarchia delle resistenze

Per le strutture intelaiate, le NTC decretano inoltre al §7.5.4. quali siano le regole di progetto degli elementi che compongono lo schema strutturale portante della costruzione: Nel dettaglio, per il caso delle travi, nelle sezioni in cui è attesa la formazione delle zone dissipative deve essere verificato che:

C D ≤ 1 F_C F_GH,D ^{≤ 0,15} I_{C ,9} I_{C ,J} I_GH,D ^{≤ 0,5} dove:

- MEd, NEd e VEd sono i valori della domanda a flessione, sforzo normale e taglio; - Mpl,Rd, Npl,Rd e Vpl,Rd sono i valori della capacità a flessione, sforzo normale e taglio; - VEd,G è la domanda a taglio dovuta alle azioni non sismiche;

- VEd,M è la domanda a taglio dovuta all’applicazione di momenti plastici equiversi Mpl,Rd

nelle sezioni in cui è attesa la formazione delle zone dissipative.

Relativamente alle colonne, la loro capacità deve essere confrontata con la combinazione più sfavorevole della domanda a flessione e sforzo normale, che viene valutata come segue:

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F_C = F_{C ,9} 1,1 γ_LM F_{C ,C}

C = _{C ,9} 1,1 γ_{LM C ,C} I_C = I_{C ,9} 1,1 γ_LM I_{C ,C} in cui:

- MEd, NEd e VEd sono i valori della domanda a flessione, sforzo normale e taglio;

- NEd,G, MEd,G e VEd,G sono i valori della domanda a sforzo normale, flessione e taglio dovuta alle azioni non sismiche incluse nella combinazione delle azioni per la condizione sismica di progetto;

- NEd,E, MEd,E e VEd,E sono i valori della domanda a sforzo normale, flessione e taglio dovuta alle azioni sismiche di progetto;

- γcv è il fattore di sovraresistenza relativo al materiale;

- è il minimo valore tra gli i valutati per tutte le travi in cui si attende la formazione di zone dissipative

= ^{% GH,D , * C ,9,)}

C ,C,

essendo:

 MEd,E,i, la domanda a flessione dovuta alle azioni sismiche di progetto;

 MEd,G,i, la domanda a flessione dovuta alle azioni non sismiche incluse nella combinazione delle azioni per la condizione sismica di progetto;

 Mpl,Rd,i, il valore della capacità a flessione dell’i-esima trave. Il rapporto tra domanda e capacità taglianti deve rispettare la limitazione:

I_C

I_GH,D ^{≤ 0,5}

mentre, per verificare che il meccanismo globale dissipativo si sviluppi, occorre verificare che per ciascuna connessione trave-colonna sia rispettata la seguente condizione:

A _N,GH,D ≥ 8_D A _O,GH,D

nella quale con Mc,pl,Rd e Mb,pl,Rd si indicano, rispettivamente, le capacità a flessione della colonna, valutata per livelli di domanda a sforzo assiale in condizioni sismiche, e la capacità a flessione delle travi che convergono nel nodo da verificare, mentre con γRd si indica il fattore di sovraresistenza. Nei collegamenti trave-colonna è inoltre necessario assicurarsi che il la capacità flessionale Mj,Rd sia sufficientemente alta da rispettare la relazione:

B,D ≥ 1,1 8_{LM O,GH,D}

Un ulteriore controllo che assicuri il manifestarsi del meccanismo dissipativo nelle zone desiderate è finalizzato a garantire la resistenza dei pannelli d’anima delle connessioni nei

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confronti dei fenomeni di plasticizzazione locale e instabilità, che possono ritenersi scongiurati quando:

I_MG,C

min%I_MG,D , I_MO,D ) < 1

in cui Vvp,Ed, Vvp,Rd e Vvb,Rd rappresentano la domanda a taglio e le capacità a taglio per plasticizzazione e per instabilità del pannello. In ultimo, relativamente ai collegamenti colonna-fondazione, deve essere verificato che la capacità a flessione degli stessi Mc,Rd sia superiore rispetto al momento plastico del pilastro Mc,pl,Rd, valutata per la più gravosa domanda a sforzo normale NEd e opportunamente maggiorata.

M_U,VW ≥ 1,1 γ_{XY L,GH,D} %F_C )

Ferma restando la necessità rispettare i criteri stabiliti dalle Norme Tecniche per le Costruzioni, la capacità dissipativa legata al verificarsi dei danneggiamenti progressivi, che si manifestano sull’opera sotto forma di plasticizzazioni o cinematismi in generale, può essere valutata in maniera rigorosa, effettuando analisi non lineari che prevedano l’adozione di adeguate leggi costitutive, oppure in maniera semplificata, attraverso l’utilizzo del fattore di comportamento q che dipende della tipologia strutturale, che tiene conto implicitamente della formazione di cerniere plastiche nella struttura. Ne consegue che la sicurezza strutturale di sistemi con comportamento dissipativo può essere valutata anche attraverso analisi lineari, per le quali la domanda sismica è calcolata sulla base dello spettro inelastico di progetto, ottenuto riducendo lo spettro elastico del fattore di comportamento q. Elementi progettati per restare in campo elastico sono soggetti ad una domanda più elevata, quindi sono necessariamente caratterizzati da sezioni più resistenti rispetto a quelli progettati per subire plasticizzazioni e quindi dissipare energia. Ne consegue che la realizzazione di strutture non dissipative è più onerosa dal punto di vista economico, date le dimensioni dei profili utilizzati; d’altro canto, queste ultime riescono a resistere ad azioni più elevate, al contrario di quelle dissipative, che danneggiandosi perdono gradualmente la loro capacità in termini di duttilità e resistenza.