Antisismica. Progettazione di strutture sismo-resistenti

Il mondo intero è stato, dalla notte dei tempi, sede di catastrofici eventi sismici che hanno determinato notevoli danni ai centri abitati e innumerevoli vittime. L’esigenza di prevenire e ridurre le conseguenze degli eventi sismici ha portato i Paesi a più elevata sismicità a dotarsi di norme per la progettazione di strutture in zona sismica volte a fornire i requisiti funzionali e le regole generali di progettazione delle strutture sismo-resistenti. È ovvio, dunque, che tutti coloro che sono coinvolti nella progettazione e costruzione di edifici, opere o ponti in zona sismica dovranno ben conoscere i requisiti necessari alla sicurezza, così come le tecnologie ed i prodotti da applicare.

La conoscenza dei suddetti requisiti funzionali e delle regole generali di progettazione antisismica, l’analisi strutturale, nonché le tecniche di calcolo rappresentano le basi per una corretta progettazione volta alla tutela della vita umana e a limitare i danni alle strutture stesse.

In Italia le strutture progettate in zona sismica, devono seguire le regole dettate dal d.m. 14 gennaio 2008 (Norme tecniche delle costruzioni) secondo cui la procedura di progetto deve mirare al controllo del meccanismo di collasso per ottimizzare lo sfruttamento delle risorse plastiche (duttilità). Ciò si traduce nell’applicazione del concetto di gerarchia delle resistenze che, in sintesi, può essere espresso affermando che l’elemento strutturale più duttile deve essere anche più debole in modo tale che il meccanismo di collasso sia di tipo duttile. Dunque, per far fronte alle forti accelerazioni determinate dal moto del suolo in fondazione, dovuto all’evento sismico, l’obiettivo principale di detti approcci progettuali è incrementare la capacità di resistenza e duttilità della struttura.

La norma offre, tuttavia, un approccio progettuale alternativo basato sull’isolamento sismico, che, piuttosto di puntare all’incremento della capacità di resistenza e duttilità della struttura, riduce l’entità del problema alla fonte, limitando drasticamente le accelerazioni, e quindi le forze sismiche, a cui la struttura viene sottoposta.

Seguendo quest’ultimo approccio, si possono sostanzialmente perseguire due vantaggi, ovvero realizzare strutture economicamente accettabili, se non convenienti, e ottenere strutture che non subiscono danni anche per terremoti devastanti,  gli stessi terremoti per i quali il d.m. 14 gennaio 2008 accetta, invece, un grave danneggiamento quasi al limite del collasso nelle strutture non isolate.

Il sistema di isolamento sismico è composto da un’interfaccia flessibile o scorrevole tra una struttura (sovrastruttura) e la sua fondazione (sottostruttura) rigidamente connessa al terreno, il cui scopo è quello di disaccoppiare il moto orizzontale del terreno dal moto orizzontale della struttura, riducendo drasticamente o eliminando totalmente anche i danni alle parti non strutturali e a persone o cose che si trovano nell’edificio al momento dell’evento sismico.

La trasmissione dei carichi verticali al terreno è assicurata mediante l’introduzione, tra sovrastruttura e sottostruttura, di particolari apparecchi di appoggio, detti isolatori, caratterizzati da una notevole rigidezza in direzione verticale e da un’elevata deformabilità in direzione orizzontale.
Il sistema di isolamento porta il periodo fondamentale del sistema strutturale in una zona dello spettro a più bassa accelerazione. Conseguentemente le accelerazioni, e quindi le forze sismiche equivalenti orizzontali, prodotte dal sisma sulla struttura isolata, risultano più basse di quelle prodotte dallo stesso sisma sulla struttura non isolata.
L’introduzione del sistema di isolamento sismico comporta, inoltre, un incremento degli spostamenti orizzontali che però si concentrano nel sistema di isolamento dove viene assorbita e dissipata gran parte dell’energia immessa dal terremoto.

La sovrastruttura si comporta alla stregua di un corpo rigido, subendo spostamenti relativi di interpiano molto contenuti e quindi danni alle parti non strutturali limitati o inesistenti.
Per l’analisi delle costruzioni isolate alla base si applicano le prescrizioni di cui ai paragrafi 7.3.3 e 7.3.4 del d.m. 14 gennaio 2008,  integrate o, se del caso, sostituite da quelle riportate al paragrafo 7.10.5.3.

Il software IperSpace MAX
IperSpace MAX, una suite completa per il calcolo strutturale agli elementi finiti (nelle immagini di questo articolo sono mostrati alcuni screenshot del programma), permette in modo agevole di effettuare tutto quanto concerne la modellazione e l’analisi strutturale delle costruzioni isolate e non.
Si presenta con un’interfaccia utente rinnovata nella forma e nella sostanza che lo rende uno strumento unico e all’avanguardia. Dispone di un’ampia casistica di isolatori elastomerici per riprodurre i principali modelli reperibili sul mercato.

L’interfaccia Space Modeler, molto intuitiva e moderna, che unisce e integra il modellatore solido a quello fem e viceversa, rende versatile e intuitiva la modellazione di strutture complesse e permette  di inserire gli isolatori elastomerici in maniera semplice ed immediata.
Il motore di calcolo adottato da IperSpace Max, denominato Space Solver®, frutto di uno studio che ha coinvolto docenti universitari di riconosciuta fama, ingegneri di chiara esperienza e programmatori di massimo livello, permette l’analisi statica e dinamica in ambito lineare, con possibilità di tener conto anche degli effetti del secondo ordine (non linearità geometrica).

Una volta definite le rigidezze (verticale e orizzontale) e lo smorzamento viscoso di ciascun dispositivo, la matrice di rigidezza dell’elemento isolatore viene automaticamente creata e assemblata alla matrice di rigidezza del sistema, utilizzata poi nel calcolo della soluzione.
Per un corretto funzionamento del sistema di isolamento occorre che la sovrastruttura e la sottostruttura si mantengano sostanzialmente in campo elastico. Per tale ragione la struttura può essere progettata con riferimento ai particolari costruttivi della zona 4, con deroga, per le strutture in c.a., a quanto previsto al paragrafo 7.4.6, Ntc 2008.

Il settaggio dei parametri che entrano in gioco nella definizione dei dettagli costruttivi, può essere agevolmente effettuato in ambiente Iperspace Max mediante la definizione dei criteri di progetto da associare a ciascun elemento strutturale.
Con la sua semplicità, versatilità ed affidabilità, Iperspace Max rappresenta dunque la risposta moderna alla modellazione e analisi strutturale. Tutt’ora il suo sviluppo non è terminato ma al contrario è interessato costantemente da ottimizzazioni ed estensioni che ne fanno un prodotto unico ed innovativo anche per il settore delle Murature dove viene associato al software InSide che si integra all’interno della stessa suite.

Alla pagina http://www.soft.lab.it/esempi_pratici è disponibile la documentazione tecnico – scientifica con progetti ed esempi d’isolatori sismici e altre tipologie di strutture.


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