Comportamenti strutturali: 18 modelli di calcolo per aiutare il progettista nella scelta

Le NTC 2018 hanno introdotto due differenti comportamenti strutturali per le costruzioni in zona sismica, dando la facoltà al progettista di scegliere fra:

• comportamento dissipativo: la struttura si plasticizza per resistere all’azione sismica. La strategia di difesa è il danneggiamento e la duttilità;
• comportamento non dissipativo: la struttura resta in campo elastico anche in presenza dell’azione sismica. La strategia di difesa è la resistenza.

In quest’articolo si mostra un caso studio eseguito su 18 differenti modelli strutturali al fine di mettere in luce le differenze fra il comportamento strutturale dissipativo e non dissipativo delle costruzioni in termini di quantità di acciaio e calcestruzzo necessarie nei due casi.

La completa libertà di scelta del comportamento strutturale da adottare può disorientare il progettista durante le fasi preliminari di progettazione di una costruzione in zona sismica. I risultati del caso studio riportato in questo studio potranno essere utilizzati come guida orientativa in tal senso.

Il presente articolo dal titolo “Caso studio sui comportamenti strutturali: 18 modelli di calcolo per aiutare il progettista nella scelta” è a cura di Marco De Pisapia, ingegnere civile e autore del blog www.marcodepisapia.com in cui dal 2015 pubblica ogni settimana un nuovo articolo di approfondimento sul tema dell’analisi e del calcolo strutturale.

Di seguito i punti salienti affrontati:

• panoramica illustrativa sul caso studio comparativo per i comportamenti strutturali delle costruzioni in zona sismica;
• descrizione dei modelli analizzati, degli spettri di risposta e dei comportamenti strutturali adottati;
• sintesi dei risultati ottenuti;
• suggerimenti per la scelta del comportamento strutturale;
• contenuto extra per utenti IperSpace: come impostare il comportamento non dissipativo nel software di calcolo.

Panoramica sul caso studio: comportamenti strutturali a confronto

Per analizzare le differenze fra comportamento strutturale dissipativo e non dissipativo, nel caso studio sono stati analizzati: 

• 3 modelli di calcolo di differente altezza: 3, 6 e 9 impalcati;
• 3 zone sismiche: alta sismicità con PGA =0.275 g, media sismicità con PGA = 0.200 g e bassa sismicità con PGA = 0.100 g;
• 2 comportamenti strutturali: dissipativo con fattore di comportamento q = 3.12 e non dissipativo con fattore di comportamento q = 1.5

Per ciascuno spettro di risposta (3), sono stati analizzati i 3 modelli di differente altezza (3 x 3 = 9) in combinazione sismica, sia per comportamento dissipativo che non dissipativo (2 x 9 = 18), per un totale di 18 differenti calcoli strutturali eseguiti utilizzando il software IperSpace BIM. L’analisi adottata è l’analisi modale con spettro di risposta. A valle dell’analisi è stato eseguito il progetto e verifica dell’armatura necessaria.

I modelli strutturali analizzati

I modelli analizzati riproducono tre costruzioni di differente altezza: 9, 18 e 27 metri. La superficie degli impalcati dei modelli è pari a 270 mq, la pianta è rettangolare e l’altezza di interpiano è 3 metri. Sono stati considerati nel calcolo carichi accidentali per civile abitazione. 

Dall’altezza delle costruzioni dipendono i periodi propri di vibrazione della struttura. Al crescere dell’altezza, cresceranno i periodi di vibrazione e, a seconda della zona dello spettro di risposta in cui ricadono, cambierà l’azione sismica. 

Le sezioni degli elementi strutturali primari (travi e pilastri) sono state predimensionate in maniera da ottimizzare le quantità di calcestruzzo necessarie.

Gli spettri di progetto

Il caso studio considera tre differenti zone sismiche:

• alta sismicità con PGA = 0.275 g;
• media sismicità con PGA = 0.200 g;
• bassa sismicità con PGA 0.100 g.

Gli altri parametri che definiscono gli spettri di risposta utilizzati nel caso studio sono:

• categoria di sottosuolo A
• categoria topografica T1
• F0 = 2.36
• TC* = 0.35 s
• SS = 1
• ST = 1

Si riportano nell’immagine seguente gli spettri di risposta utilizzati.

I comportamenti strutturali adottati

La differenza fra i comportamenti strutturali adottati, per la definizione dell’azione sismica, risiede nella definizione del fattore di comportamento per il calcolo dello spettro di risposta. Nell’immagine seguente sono riportati i fattori di comportamento adottati per i due differenti comportamenti strutturali.

Per comportamento strutturale non dissipativo le sezioni restano in campo elastico. Per comportamento strutturale dissipativo, le sezioni si plasticizzano. I legami costitutivi utilizzati per il calcestruzzo e acciaio sono:

• legame parabola-rettangolo per il calcestruzzo;
• legame elastico-perfettamente plastico per l’acciaio.

Il report dei risultati

I risultati ottenuti per i modelli analizzati sono elencati in un report PDF in termini di:

• quantità di acciaio;
• quantità di calcestruzzo;
• incidenza acciaio/calcestruzzo;
• incremento percentuale di armatura per comportamento strutturale non dissipativo.

Scarica il report completo in formato PDF dedicato ai comportamenti strutturali dal blog marcodepisapia.com.

Sintesi dei risultati ottenuti

Si riporta di seguito una sintesi dei risultati ottenuti dall’analisi del caso studio per ciascuna zona sismica.

Nelle zone ad alta sismicità l’incremento percentuale medio della quantità di acciaio è pari al 43% passando da comportamento strutturale dissipativo al comportamento strutturale non dissipativo (nello specifico +43% per la costruzione a 9 impalcati, +36% per la costruzione a 6 impalcati e +50% per la costruzione a 3 impalcati).

Nelle zone a media sismicità l’incremento della quantità di acciaio di armatura, passando da comportamento dissipativo a comportamento non dissipativo, si riduce di oltre la metà, attestandosi ad un valore medio del +18.7%, contro il +43% delle zone ad alta sismicità (nello specifico +20% per la costruzione a 9 impalcati, +14% per la costruzione a 6 impalcati e +22% per la costruzione a 3 impalcati).

Nelle zone a bassa sismicità gli incrementi della quantità di acciaio di armatura, passando da comportamento dissipativo a comportamento non dissipativo, diventano praticamente nulli, attestandosi ad un valore medio del +3% (+4% per la costruzione a 9 impalcati, +1% per la costruzione a 6 impalcati e +4% per la costruzione a 3 impalcati).

Conclusioni: quale comportamento strutturale scegliere in fase di progetto

L’obiettivo del caso studio analizzato è quello di fornire al progettista strutturale delle indicazioni di massima sul comportamento strutturale che conviene adottare in fase di progetto di una costruzione in calcestruzzo armato in zona sismica.  

Una volta noti il numero di piani dell’edificio e la zona sismica, è possibile utilizzare i risultati del caso studio per scegliere il comportamento strutturale da adottare. Alla luce dei risultati ottenuti, si riportano di seguito alcune considerazioni.

Zone ad alta sismicità

Nelle zone ad alta sismicità è preferibile adottare un comportamento strutturale dissipativo se si vogliono contenere le quantità di acciaio d’armatura, in particolar modo per costruzioni di modesta altezza, caratterizzate da periodi di vibrazioni minori e maggiori accelerazioni spettrali. Il modello a 3 impalcati infatti presenta l’incremento di armatura maggiore: ben il 50%.

Zone a bassa sismicità

Nelle zone a bassa sismicità è conveniente adottare un comportamento strutturale non dissipativo, in quanto non ci sono incrementi significativi nelle quantità di acciaio d’armatura. L’incremento di armatura sarà di appena il 3% rispetto al caso di struttura dissipativa. Questa considerazione vale sia per le costruzioni di elevata altezza che di modesta altezza. Tutti e tre i modelli analizzati presentano un basso incremento di armatura. Adottando un comportamento non dissipativo la costruzione non si danneggerà per proteggersi dal sisma, ma resterà in campo elastico.

Zone a media sismicità

Nelle zone a media sismicità dovrai eseguire una scelta: prediligere l’economicità o l’immediata funzionalità post-sisma. Se adotti un comportamento strutturale dissipativo, risparmierai in media circa il 20% di acciaio di armatura. La costruzione però dovrà danneggiarsi per proteggersi dal sisma e dopo un evento sismico di forte intensità richiederà interventi invasivi di ripristino o addirittura la demolizione e ricostruzione.

Se si adotta un comportamento strutturale non dissipativo, occorrerà in media il 20% in più di acciaio di armatura. Il vantaggio è che la struttura resterà in campo elastico anche in presenza di eventi sismici di forte intensità. Molto probabilmente dopo un evento sismico la costruzione richiederà interventi di ripristino minimi che riguarderanno solo i componenti non strutturali (per esempio le tamponature, i tramezzi etc.) mentre la struttura resterà intatta.

Si riassumono nell’infografica seguente i risultati del caso studio in termini di incremento percentuale di acciaio.

Come impostare il comportamento strutturale non dissipativo in IperSpace

Si mostra di seguito come impostare tutti i parametri del modello necessari per analizzare il comportamento non dissipativo delle costruzioni. Nella versione 3 di IperSpace BIM sono comunque presenti dei prototipi per le strutture non dissipative già settati per eseguire il calcolo e la verifica.

Spettro di risposta in IperSpace

Il primo valore da impostare è il fattore di comportamento per strutture non dissipative. Nella finestra di impostazioni dello spettro (Analisi -> Spettri) inserire tutti i parametri richiesti e selezionare CD”B” per la classe di duttilità.

Nella finestra relativa allo Stato Limite Ultimo vene riportato il fattore di comportamento corrispondente. Calcolare i 2/3 di tale fattore e inserire il valore ottenuto solo se inferiore ad 1.5. In caso contrario inserire il valore 1.5 per il fattore di comportamento.

NOTA: ad ogni modifica che si apporta nella sezione tipologia strutturale, il software ricalcolerà il valore del fattore di comportamento, sostituendo il valore inserito manualmente. Pertanto eseguire un controllo del fattore di comportamento presente ad ogni modifica dei parametri dello spettro. Se il fattore di comportamento è stato ricalcolato dal software, inserirlo di nuovo manualmente.

Criteri di verifica in IperSpace

Il secondo pannello di impostazioni in cui operare per impostare il comportamento non dissipativo riguarda i criteri di verifica. Nei criteri di verifica utilizzati per gli elementi strutturali presenti impostare i seguenti parametri:

• εcu = 0.002
• εfu = fyd / Es (nota: per dare validità a questo parametro, selezionare il modello incrudente per l’acciaio. Si veda il punto successivo)
• Modello incrudente acciaio: spuntare il check-box
• Ey/E0 = 0
• Min. staffe sisma: eliminare la spunta da questo check-box
• Gerarchia flessione taglio per le travi e per i pilastri: eliminare la spunta
• Gerarchia delle resistenze per i pilastri direzione Y e Z: eliminare le spunte da entrambe le direzioni.