Capitolo 3 Prescrizioni normative

CAPITOLO 3

Prescrizioni normative

3.1 - Introduzione

La normativa tecnica del 25/03/2003 disciplina la progettazione e la costruzione di nuovi edifici soggetti ad azioni sismiche, nonché la valutazione della sicurezza e gli interventi.

L’obiettivo fondamentale delle norme è dichiarato esplicitamente nella prima parte, esse disciplinano nelle zone individuate come sismiche sia “la progettazione e la costruzione di nuovi edifici” sia “la valutazione della sicurezza e gli interventi di adeguamento e miglioramento su edifici esistenti” prefiggendosi come scopo “che in caso di evento sismico sia protetta la vita umana, siano limitati i danni e rimangano funzionanti le strutture essenziali agli interventi di protezione civile”. Le nuove norme indicano quindi come obiettivo fondamentale il conseguimento di una protezione adeguata nei confronti di due condizioni limite: uno stato di danno strutturale accentuato che prelude al collasso, ed uno stato di danno agli elementi non strutturali le cui conseguenze sono di natura per lo più economica.

3.2-Zonazione

La classificazione sismica del territorio italiano, strumento fondamentale per la definizione delle azioni sismiche di progetto in relazione alla pericolosità del sito, si è evoluta in maniera discontinua nel tempo.

Nel 1998, un gruppo di lavoro che riuniva le competenze dei maggiori organi tecnico-scientifici operanti nel settore, raccogliendo e sintetizzando le conoscenze e lo stato dell’arte all’epoca, produsse nuove mappe di pericolosità ed una proposta di riclassificazione del territorio che vedeva in zona sismica, nelle tre categorie previste, circa il 67% dell’intero territorio italiano. Sulla base di questo studio, rimasto inutilizzato per quattro anni, ed in seguito al terremoto che colpì il Molise nell’Ottobre del 2002 fu redatta la nuova mappa di classificazione, base di riferimento dei provvedimenti che le singole regioni, competenti per legge in materia, hanno emanato successivamente all’OPCM N.

Le norme individuano, come parametro atto a definire il terremoto, l’accelerazione orizzontale massima ag che questo produce nel substrato con probabilità di accadimento

del 10% in 50 anni (cioè pari ad un tempo di ritorno di 475 anni). A partire da questa osservazione e sulla base delle mappe redatte dall’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia illustrate nel capitolo precedente, il territorio italiano è stato suddiviso in zone sismiche aventi diversi valori di ag.

In particolare sono state individuate 4 zone aventi diversi valori di ag attesa, per ciascuna zona si assumerà come accelerazione di progetto l’estremo superiore dell’intervallo di definizione come illustrato nella tabella seguente.

Tabella 3.1. Zonazione

Dove PGA indica il valore dell’accelerazione di picco al suolo ricavata dagli studi probabilistici ed agR indica l’accelerazione orizzontale di ancoraggio dello spettro di

risposta elastico prescritta per suolo di tipo A per gli stati limite ultimi.

Secondo quanto prescritto dalla normativa le valutazioni di agR dovranno essere

rappresentate in termini di curve di livello con passo di 0,025g calcolate su di un numero sufficiente di punti (si considerano, infatti, gli studi effettuati dall’INGV, illustrati nel capitolo precedente che calcolano le accelerazioni di picco al suolo ai vertici di una griglia di passo pari a 0,05°). Sulla base di tali valutazioni, l’assegnazione di un territorio ad una delle zone illustrate in tabella avviene con una tolleranza pari a 0,025g.

L’OPCM 3274 (2003) considera un periodo di ritorno di 72 anni (50% di probabilità di non eccedenza in 50 anni) per lo stato limite di danno (SLD).

Zona PGA/g agR/g

4 < 0.05 0.05

3 0.05 – 0.15 0.15

2 0.15 – 0.25 0.25

La figura seguente mostra i valori di PGA raggruppati secondo i limiti previsti dall’Ordinanza 3274 della PCM per l’inserimento dei comuni in una delle quattro zone sismiche. Vale al riguardo la corrispondenza descritta in tabella 3.1:

Di seguito viene mostrata la mappa di classificazione sismica della regione Toscana (OPCM 3274 del 20/03/2003):

Mentre la seguente è la proposta più recente (Giugno 2006) che vede l’inserimento di alcuni comuni in sottozone.

Figura 3.3. Mappa di riclassificazione della regione Toscana. (proposta del Giugno 2006).

Le Norme Tecniche per le costruzioni (2005) considerano due diversi tipi di costruzioni (divise secondo classi di importanza):

Classe 1: vita utile 50 anni e periodo di ritorno da considerare per i fenomeni naturali coinvolti 500 anni (probabilità di non superamento del 90 %). Riguarda le costruzioni il cui uso preveda normali affollamenti, senza contenuti pericolosi per l’ambiente e senza funzioni pubbliche e sociali essenziali.

Classe 2: vita utile 100 anni, periodo di ritorno da considerare per i fenomeni naturali coinvolti 1000 anni. Riguarda le costruzioni il cui uso preveda affollamenti significativi, industrie con attività pericolose per l’ambiente, reti viarie e ferroviarie la cui interruzione provochi situazioni di emergenza e costruzioni con funzioni pubbliche o strategiche importanti o sociali essenziali.

E’ importante sottolineare, che la nuova Normativa classifica l’intero territorio nazionale, ponendo fine all’irrazionale dicotomia tra zone sismiche e zone non sismiche, tuttavia le norme definiscono criteri estremamente semplificati per la progettazione in zona 4, quella a più bassa pericolosità.

In particolare nella progettazione del nuovo, vengono considerati, in base alla probabilità di occorrenza dell’evento sismico due livelli di progettazione:

• Per effetto di un evento sismico che abbia una probabilità di occorrenza del 10% in 50 anni (azione sismica di progetto), la struttura non deve collassare mettendo a rischio vite umane, ma sono ammessi gravi danni agli elementi strutturali fino al punto di rendere economicamente non conveniente il recupero della costruzione (stato limite ultimo);

• Per effetto di un evento sismico che abbia una probabilità di occorrenza più elevata di quella dell’azione sismica di progetto (50% in 50 anni), la struttura, comprese le apparecchiature in essa contenute, non deve subire danni tali da provocare interruzioni d’uso (stato limite di danno);

Le norme sottolineano che, in fase di progettazione, è possibile calcolare le azioni interne per verificare la struttura in esame seguendo due strade diverse:

• È possibile calcolare, essendo noti in ogni istante di tempo gli spostamenti della struttura, le rotazioni nei nodi degli elementi strutturali e quindi ricavare le caratteristiche di sollecitazione e gli sforzi in ogni singolo elemento;

• È possibile definire ad ogni istante di tempo, nota la rigidezza k del sistema, una forza statica equivalente:

Fs = k u(t) (3.1)

Tale che, applicata al sistema, induca spostamenti uguali a quelli calcolati risolvendo l’equazione del moto; le azioni interne sono quindi calcolate ad ogni istante di tempo con un’analisi statica della struttura soggetta alla forza equivalente.

Quest’ultimo approccio è quello solitamente seguito nell’ingegneria sismica in quanto permette di trattare gli effetti del terremoto come dei carichi statici. Generalmente non è necessario calcolare Fs ad ogni istante di tempo, ma è sufficiente conoscere la massima forza agente sul sistema durante l’azione del sisma, essendo quella che ridurrà le massime sollecitazioni. Risultando quindi:

max max

2

max m u m a

Fs = ⋅ω ⋅ = ⋅ (3.2)

La Normativa, difatti, indica il metodo per valutare l’effetto di un sisma, ovvero attraverso la conoscenza dello spostamento o della pseudo-accelerazione massimi indotti dalla scossa sismica sui diversi sistemi, ciò è possibile realizzando degli spettri di risposta elastici Se (T, • ), che costituiscono un modello di riferimento per la descrizione del moto sismico in un punto della superficie del suolo.

3.3-Spettro di risposta.

Lo spettro di risposta definito dalla Normativa è un diagramma le cui ordinate corrispondono alla massima ampiezza di uno dei parametri della risposta in funzione del periodo proprio e dello smorzamento relativo di un sistema elastico ad 1-GDL. Come parametri di risposta si utilizzano lo spostamento relativo, la pseudo velocità relativa e la pseudo-accelerazione assoluta. Quindi per una data eccitazione sismica, lo spettro di risposta elastico dello spostamento SDe (della pseudo velocità SVe, della pseudo

accelerazione SAe) riassume il comportamento in termini di massimo spostamento

(pseudo-velocità, pseudo-accelerazione) di tutti i sistemi elastici 1-GDL con periodo variabile tra 0 ed • e smorzamento relativo fissato (ad esempio pari allo 0%, 2%, 5% dello smorzamento

L’accelerazione agnon può essere utilizzata direttamente per calcolarne l’accelerazione

indotta sulla struttura, poiché, per come è stata definita, non corrisponde all’accelerazione al suolo della fondazione. Infatti il terreno che si trova tra il substrato e le fondazioni, che può essere di natura molto varia, agisce come un filtro che modifica il segnale.

In particolare nelle norme sono indicate le seguenti categorie di profilo stratigrafico del suolo in fondazione:

• categoria A, formazioni litoidi o suoli omogenei molto rigidi; Vs30> 800 m/s

(eventuali strati di alterazione superficiale di spessore max =5 m.);

• categoria B, depositi di sabbie o ghiaie molto addensate o argille molto consistenti; 360 m/s < Vs30< 800 m/s ovvero NSPT> 50 o Cu > 250 kPa;

• categoria C, depositi di sabbie o ghiaie mediamente addensate o argille mediamente consistenti con spessori variabili (10-100 m.); 180 < Vs30<

360 m/s ovvero 15 < NSPT<50 o 70 < Cu <250 kPa;

• categoria D, depositi di terreni granulari da sciolti a poco addensati oppure coesivi da poco a mediamente consistenti; Vs30<180 m/s oppure NSPT<15 o Cu < 70 kPa;

• categoria E, profili di terreno costituiti da strati superficiali alluvionali; Vs30•

terreni tipo C e D e 5m.<spessore<20m. e giacenti su un materiale più rigido avente Vs30>800 m/s;

Ad esse corrispondono differenti coefficienti S di amplificazione come indicato nella Tabella 3.2:

Tabella 3.2. Spettro di risposta elastico della componente orizzontale. Valori di S, TB,

TCe TD.

In aggiunta a queste categorie, per le quali la normativa definisce le azioni da considerarsi nella progettazione, se ne definiscono altre 2:

•categoria S1: depositi che includono almeno 10m. di argille/limi di bassa consistenza, con IP>40 e con Vs30<100 m/s (10< Cu< 20kPa);

Suolo S TB(s) TC(s) TD(s)

A 1.0 0.15 0.4 2.0

B, C, E 1.25 0.15 0.5 2.0

categoria non rientrante nei casi appena descritti.

Vs30, NSPT e Cu sono valori medi riferiti al piano medio delle fondazioni.

L’appartenenza del terreno nel sito di progettazione ad una di queste categorie deve essere valutata in base a prove sperimentali. Il valore di NSPT(corrispondente al numero di colpi

necessari ad infiggere, ad una data profondità, un tubo campione o una punta chiusa di dimensioni standard mediante battitura) si ricava con prove penetrometriche dinamiche a punta aperta (SPT) o a punta chiusa (SCPT); il valore di Cu viene valutato attraverso prove penetrometriche statiche (CPT) o prove scissometriche (FVT); Vs30 è la velocità media di

propagazione delle onde di taglio entro 30 m. di profondità e viene calcolata come:

∑

Lo spettro di risposta elastico, rappresentando il massimo valore di un parametro della risposta di un sistema 1-GDL soggetto ad un dato evento sismico in funzione del suo periodo proprio, può essere utilizzato per valutare la risposta strutturale sotto una determinata azione.

Non conoscendo però l’accelerogramma che interesserà il terreno e tutto ciò che è costruito sullo stesso, le norme suggeriscono di utilizzare una forma spettrale (spettro normalizzato) indipendente dal grado di sismicità e ricavata interpolando diversi spettri di pseudo accelerazione equiprobabili ottenuti ipotizzando terremoti provenienti da diverse sorgenti. Tale forma deve poi essere moltiplicata per l’accelerazione massima calcolata a livello di fondazione (Sag). In particolare, il moto orizzontale del terreno è composto da

due componenti ortogonali indipendenti, caratterizzate da uno stesso spettro di pseudo-accelerazione che risulta definito dalle espressioni seguenti:

Spettro di risposta elastico della componente orizzontale:

B T T≤ ≤ 0 ( ) = [1+ (η ⋅2.5−1)] B g e T T S a T S (3.4a) C B T T T ≤ ≤ S_e(T)=a_gS⋅η⋅2.5 (3.4b) D C T T T ≤ ≤ T T S a T S C g e( )= ⋅η⋅2.5 (3.4c) s T T ≤ ≤4 S (T)=a S⋅η⋅2.5TCTD _(3.4d)

Dove • è un fattore che tiene conto di un coefficiente di smorzamento viscoso equivalente • se diverso dal 5% (• = 1 se • = 5%), T è il periodo proprio dell’oscillatore semplice e i valori dei parametri TB, TC e TDpossono essere assunti pari a quelli riportati

nella Tabella 3.1.

La forma dello spettro di risposta elastico è la stessa per lo Stato Limite Ultimo (ULS) e per lo Stato Limite di Danno (DLS);

Il moto verticale, qualora non vi siano informazioni specifiche, è assunto avere uno spettro pari a: B T T≤ ≤ 0 ( ) = 0.9⋅ [1+ (η ⋅3.0−1)] B g e T T S a T S (3.5a) C B T T T ≤ ≤ S_e(T)=0.9⋅a_g⋅S⋅η⋅3.0 (3.5b) D C T T T ≤ ≤ T T S a T S C g e( )=0.9⋅ ⋅ ⋅η⋅3.0 (3.5c) s T T_D ≤ ≤4 2 0 . 3 9 . 0 ) ( T T T S a T S C D g e = ⋅ ⋅ ⋅η⋅ (3.5d)

dove i parametri S, TB, TCe TDhanno i valori riportati nella Tabella 3.3.

Suolo S TB(s) TC(s) TD(s)

A,B,C,D,E 1.0 0.05 0.15 1.0

Tabella 3.3. Spettro di risposta elastico della componente verticale. Valori di S, TB, TC

e TD.

Le formule degli spettri di risposta analizzate fino ad ora, sono espresse in termini di accelerazione, da queste, tuttavia è possibile ricavare lo spettro di risposta elastico dello spostamento con la formula seguente:

      = π 2 ) ( ) (T S T T S_{De e} (3.6)

Inoltre è possibile determinare i valori dello spostamento massimo (dg) e della velocità

orizzontale massima (vg) attraverso le espressioni:

g D C g S T T a d =0,025⋅ ⋅ ⋅ ⋅ (3.7) g C g S T a v =0,16⋅ ⋅ ⋅ (3.8)

Tutti gli spettri definiti precedentemente sono applicabili a periodi di vibrazione non eccedenti 4,0 secondi. Per periodi superiori lo spettro deve essere definito attraverso studi più dettagliati. Si può aggiungere che, avendo generalmente le componenti verticali dei sismi un contenuto in frequenza a banda più stretta rispetto alle componenti orizzontali, il conseguente spettro di risposta presenta una zona di amplificazione molto più limitata: ciò determina una riduzione del numero di strutture la cui risposta può essere influenzata in modo significativo dall’azione verticale. Solitamente le tipologie strutturali più sensibili alla componente verticale (elementi orizzontali di grande luce, mensole...) hanno frequenze fuori dalla zona di amplificazione e quindi ne sono limitatamente interessate.

Infine la normativa prevede che nei casi in cui, non si riesca ad assegnare adeguatamente al profilo stratigrafico una delle categorie di terreno di fondazione elencate precedentemente, ed escludendo i terreni di tipo S1 ed S2, si debba adottare la categoria D. In caso di incertezza di attribuzione tra due categorie si deve assegnare la categoria più cautelativa.

Per ricavare l’azione sismica di progetto, la normativa indica le formule per calcolare l’azione sismica di progetto attraverso gli spettri di progetto che sono indicati di seguito, da sottolineare che, ai fini della progettazione, le capacità dissipative delle strutture possono essere messe in conto attraverso un fattore riduttivo delle forze elastiche, denominato fattore di struttura (q): B T T≤ ≤ 0 _          ₋ + ⋅ ⋅ = 1 2,5 1 ) ( q T T S a T S B g d (3.9a) C B T T T ≤ ≤ q S a T S_d( ) = _g ⋅ ⋅ 2,5 (3.9b) D C T T T ≤ ≤       ⋅ ⋅ ⋅ = T T q S a T S C g d 5 , 2 ) ( (3.9c) s T T_D ≤ ≤4 S (T) = a ⋅S ⋅2,5⋅_TC ⋅TD _{ (3.9d)}

I valori dei parametri S, TB, TC e TD sono riassunti nella Tabella 3.2, mentre i valori

numerici del fattore di struttura q sono stabiliti in funzione dei materiali e delle tipologie strutturali.

Tuttavia, la normativa impone che l’azione sismica sia: g

d T a

S ( )≥ 0,2⋅ (3.10)

Spettri di progetto della componente verticale:

B T T≤ ≤ 0 _          ₋ + ⋅ ⋅ ⋅ = 0,9 1 3,0 1 ) ( q T T S a T S B g vd (3.11a) C B T T T ≤ ≤ q S a T S_vd ( ) = 0,9⋅ _g ⋅ ⋅3,0 (3.11b) D C T T T ≤ ≤ _      ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = T T q S a T S C g vd 0 , 3 9 , 0 ) ( (3.11c) s T TD ≤ ≤4       ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = 0,9 3,0 ₂ ) ( T T T q S a T S C D g vd (3.11d)

I valori dei parametri S, TB, TCe TD sono riassunti nella Tabella 3.3.

Spettri di progetto per lo stato limite di danno:

Lo spettro di progetto da adottare per il calcolo dell’azione sismica allo stato limite di danno può essere ottenuto riducendo lo spettro di risposta elastico secondo un fattore pari a 2,5.

Inoltre la Normativa precisa che gli stati limite di collasso e di danno possono essere verificati mediante l’uso di accelerogrammi artificiali o naturali, ai quali devono corrispondere degli spettri di risposta coerenti con gli spettri di risposta elastici. La durata degli accelerogrammi, secondo quanto prescritto dalla Normativa, deve essere stabilità sulla base della Magnitudo e degli altri parametri fisici che determinano la scelta del valore di ag e S. In assenza di studi specifici, la durata della parte pseudo-stazionaria degli

accelerogrammi dovrà essere almeno pari a 10 s.

La Normativa infine, esprime le formule da adottare nella verifica allo stato limite ultimo (SLU) o di danno (SLD), in cui gli effetti della azione sismica si combinano agli effetti delle azioni dei carichi permanenti, dell’azione di precompressione e dei carichi

Si possono determinare spettri specifici per il sito in esame, corrispondenti all’effetto di un azione sismica caratterizzata da probabilità di non superamento del 10% in 50 anni (sicurezza nei confronti della stabilità - SLU) oppure da probabilità del 50 % in 50 anni (protezione nei confronti del danno - SLD). Tali spettri possono essere utilizzati purchè le ordinate non risultino, in nessun punto del campo dei periodi di interesse, inferiori all’80% delle ordinate dello spettro elastico standard.

Le costruzioni devono essere dotate di un livello di protezione antisismica differenziato in funzione della loro importanza e del loro uso, e quindi delle conseguenze più o meno gravi derivanti da un loro danneggiamento per effetto di un evento sismico, in particolare la Normativa definisce:

i gR

n a S

K = ⋅ ⋅γ (3.12)

dove •i= fattore di importanza (tabella 3)

S = fattore che considera il suolo di fondazione (nelle categorie elencate precedentemente)

Si definiscono 3 categorie di importanza degli edifici a ciascuna delle quali è associato un differente valore •icome indicato nella tabella 3:

CATEGORIA EDIFICI FATTORE DI

IMPORTANZA

I

Edifici la cui funzionalità durante il terremoto ha importanza fondamentale per la protezione civile (es. ospedali, municipi,

caserme VV.F.)

1,4

II

Edifici importanti in relazione alle conseguenze di un futuro collasso (es.

scuole, teatri) 1,2

III Edifici ordinari non compresi nelle altre

categorie. 1,0

Moltiplicare l’azione sismica per un •i • 1signifiva modificare il periodo di ritorno

dell’azione di progetto, ovvero non progettare più una struttura allo stato limite ultimo che ha probabilità di accadimento del 10% in 50 anni, bensì, ad esempio, per questa probabilità

progettarla allo SLD e allo SLU per un terremoto che ha probabilità inferiore (ad esempio con un moltiplicatore delle azioni di 1,5 si può approssimativamente ottenere un evento con probabilità di accadimento del 2% in 50 anni).