Ricerche e soluzioni antisismiche

Costruire ex novo e ristrutturare in sicurezza è possibile se si impiegano validi strumenti di mitigazione del rischio sismico?

Assolutamente, ritengo che i progettisti abbiano a disposizione strumenti e soluzioni tecniche in grado di rispondere pienamente alla questione sismica. Sicuramente i progettisti nell’ambito strutturale già da decenni hanno imparato a progettare strutture sismo-resistenti, tenendo conto di quanto previsto dal legislatore. Solo negli anni più recenti, invece, si è posta una maggiore attenzione verso il tema impianti, elementi secondari e non strutturali in genere. Anche per gli elementi non strutturali si possono individuare sistemi e soluzioni idonei per l’impiego in zona sismica ed esistono strumenti di calcolo utili in fase progettuale che vediamo essere sempre più richiesti ed apprezzati dai progettisti. Ad esempio la recente introduzione del sistema Hilti MQS per lo staffaggio antisismico di impianti ha avuto un riscontro molto positivo. Infine, la famiglia dei software di calcolo Profis può aiutare il progettista nella scelta dei fissaggi idonei o nell’individuazione del supporto adatto in funzione dei carichi sismici agenti.

Di fatto, la problematica sismica degli edifici trova efficace soluzione nella conoscenza delle strutture e di come queste rispondano alle azioni sismiche.

Quanto conta l’idoneità degli ancoranti per azioni di tipo sismico?

Un corretto approccio alla progettazione in condizioni sismiche, sia per elementi strutturali che non strutturali, non può prescindere dalle condizioni in cui il materiale base viene effettivamente a trovarsi durante il terremoto. La struttura in risposta al movimento del suolo subirà spostamenti e quindi deformazioni nei suoi elementi costitutivi. Queste deformazioni portano alla formazione e apertura di fessure negli elementi in calcestruzzo. Conseguentemente tutti gli ancoranti destinati a trasferire carichi sismici devono essere idonei per l’impiego in calcestruzzo fessurato e la loro progettazione deve essere basata sull’assunzione che le fessure nel materiale base abbiano cicli di apertura e chiusura per la durata del movimento del terreno. Un ancorante certificato per essere impiegato in un calcestruzzo fessurato, con fessure di 0.3 mm, non è automaticamente idoneo a resistere ad azioni sismiche, questo rappresenta solo un prerequisito.

Durante un evento sismico i carichi ciclici nella struttura e nell’ancoraggio avvengono simultaneamente. Ne consegue che l’ampiezza delle fessure varia tra un valore minimo e massimo ed i fissaggi saranno caricati ciclicamente. Per valutare correttamente le prestazioni di un ancorante sottoposto ad azioni sismiche sono quindi necessari test secondo procedure specifiche. Solo gli ancoranti certificati sulla base di tali procedure saranno adatti.

Ancoranti generalmente idonei per resistere ad azioni sismiche sono quelli a cui può essere data una coppia di serraggio controllata e mantenuta e sono in grado di “espandersi” nuovamente quando si verifica la fessurazione. Sono altresì idonei gli ancoranti che hanno un meccanismo basato sulla tenuta attraverso ingranamento nel materiale base (meccanismo di resistenza “per forma”) come nel caso di ancoranti sottosquadro. Inoltre, in alcuni ancoranti chimici sono state riconosciute buone prestazioni per resistere alle azioni sismiche. Ancoranti ad espansione a controllo di spostamento dovrebbero essere evitati considerando che le loro prestazioni sotto azione sismica si sono dimostrate inadeguate.

Siete un’azienda sempre all’avanguardia nella ricerca. Verso quale direzione vi state muovendo, e quali le prossime novità che vedremo sul mercato, in tema di soluzioni antisismiche?

Hilti investe ogni anno circa il 5% dei suoi ricavi nella Ricerca e nello sviluppo di soluzioni nuove e più sicure. Stiamo lavorando su molti fronti. Da un lato continueremo ad investire sui sistemi di ancoraggio certificati ETA C2 ed ETA C1 dove già siamo leader di mercato. Dall’altro lato miglioreremo ulteriormente le nostre soluzioni di supporto degli impianti in genere, rendendole ancora più complete nella componentistica per offrire un pacchetto ancora più completo ai progettisti e agli installatori.  Lavoreremo poi anche sul tema della protezione passiva al fuoco, dove già abbiamo dati sulle soluzioni capaci di performare correttamente dal punto di vista “antisismico”. Da ultimo saremo sul mercato con software sempre più innovativi e con servizi di ingegneria dedicati a progettisti e imprese. Credo che tutto questo possa testimoniare l’impegno di Hilti per il tema della sicurezza sismica.

La normativa europea ed italiana, rispetto agli standard di progettazione negli Stati Uniti, come cambia il modo di progettare gli ancoraggi?

Per l’adeguata progettazione sismica di un ancorante post-installato il primo passo inizia con la corretta definizione dei carichi agenti. Negli Stati Uniti l’ASCE 7 stabilisce i metodi per la definizione dell’azione sismica, mentre le prestazioni di un ancorante devono essere valutate in accordo con l’ACI318 Appendix D e l’ AC308 nel caso di ancoranti chimici. I documenti di prequalifica, redatti in conformità alle procedure di test e criteri di accettazione pubblicati (ACI 355.2 con ICC-ES AC193 e AC308), forniscono dati validi ed organizzati appositamente per la progettazione.

Seguendo lo stesso procedimento di progettazione, in Europa, la definizione delle azioni è valutabile attraverso la EN 1998:2004 (Eurocodice 8). Fino al rilascio della EN 1992-4, in programma per il 2015, il Technical Report 045 (TR045) redatto dall’EOTA fissa lo standard per la verifica sismica di una connessione acciaio calcestruzzo. Questa documento è allineato all’ ETAG 001 Annesso E, la nuova linea giuda europea per la definizione dei test di prequalifica sismica di ancoranti. Ne consegue che il quadro europeo è oggi finalmente armonizzato e consente la progettazione di un ancorante post-installato in condizioni sismiche.

La Tabella 1 da una visione dei campi di applicazione delle diverse linee guida o norme sopra citate. I metodi di progettazione presentati rappresentano lo stato dell’arte per la sperimentazione dei fissaggi e progettazione di ancoranti per calcestruzzo a livello mondiale. Si noti che anche se non tutti, la maggior parte dei paesi del mondo fanno riferimento ad uno di questi metodi per la progettazione di ancoranti.

Tabella 1. Inquadramento normative per la progettazione sismica degli ancoranti

Definizione dell’azione sismica

Il punto di partenza per la definizione delle azioni sismiche è lo spettro sismico di progetto. Nel caso degli Stati Uniti si fa riferimento ad una categoria sismica di progetto (SDC) e lo spettro sismico di progetto si ottiene mappando l’accelerazione massima (breve periodo, 0.2s) e quella per periodo di 1,0s, mentre in Europa la pericolosità sismica è definita dall’accelerazione di picco al suolo (PGA) e nessuna SDC è stabilita. Vi è tuttavia una chiara definizione di sismicità bassa e molto bassa, basata sull’accelerazione di progetto al suolo, e nel caso si rientri nella sismicità molto bassa non occorre considerare alcun particolare criterio di verifica.

L’influenza della tipologia di suolo è considerata in entrambi i metodi mediante un coefficiente basato sulla correlazione tra le classificazioni del suolo considerando i limiti di velocità di propagazione delle onde di taglio e la descrizione del suolo. Basato sul rischio associato ad una impropria prestazione sismica, la classificazione degli edifici è definita nello stesso modo da entrambi le normative, ed i corrispondenti coefficienti di importanza sono assegnati con valori simili (anche se in fasi differenti del metodo di progettazione).

Considerando quanto sopra menzionato, ci si aspetterebbe che le equazioni per ricavare lo spettro sismico di progetto siano diverse tra le due metodi ma, considerando una classe di importanza dell’edificio ed un tipo di terreno equivalenti, la forma risultante e l’accelerazione spettrale sono molto simili. Semplificando, si può dire che matematicamente i due modelli puntano a differenti coordinate dello spettro di progetto (Fig. 2.1.). Si noti che lo spettro di risposta di progetto secondo l’ASCE7 non contempla l’influenza dell’importanza dell’edificio (considerata successivamente nella progettazione) e pertanto il confronto è effettuato considerando lo spettro risultante volutamente scalato di questo coefficiente.

Figura 5. Spettro di risposta di progetto secondo Eurocodice 8 ed ASCE 7

Un ulteriore confronto è stato effettuato tra la forza di taglio sismica di base calcolata usando la EN1998-1: 2004 e la ASCE7. Valutando le diverse espressioni per alcune applicazioni pratiche delle due norme si può affermare che i valori sono decisamente coincidenti. Dalla forza di taglio sismica di base possono essere utilizzati diversi metodi ben noti per determinare il carico agente ad ogni quota della struttura.

Inoltre, confrontando gli spettri sismici di progetto risultanti per classi di importanza e tipologie di suolo equivalenti (con S il coefficiente del tipo di suolo), è possibile correlare il grado di sismicità europea con la categoria sismica di progetto americana, come espresso nella Tabella 2.

Tabella 2. Confronto tra grado di sismicità europeo e categoria sismica di progetto (SDC) per classi di influenza I, II, III

Come unica importante eccezione alla Tabella 2, in caso di un edificio di classe di importanza IV e un grado di sismicità bassa o superiore la corrispondente categoria sismica di progetto è C o superiore. Ciò significa che per edifici che, nel caso di collasso potrebbero rappresentare un sostanziale pericolo per l’ambiente o la comunità (ad esempio ospedali, caserme dei pompieri, centrali energetiche), il progetto deve prevedere tutte le particolari prescrizioni sismiche.

Resistenza sismica di progetto degli ancoranti

Le prescrizioni di progetto per il dimensionamento degli ancoranti a sisma sono definite dall’ACI 318 Appendix D o dal recente EOTA TR045. Entrambi i regolamenti per la progettazione prevedono il metodo Concrete Capacity (metodo della capacità del calcestruzzo) per calcolare le resistenze caratteristiche degli ancoranti. Le differenze tra le due norme si evincono nelle assunzioni alla base delle equazioni di progetto che in parte danno luogo a diversi coefficienti. Secondo il metodo CC le resistenze di progetto sono calcolate per carico di trazione e taglio considerando tutte le possibili modalità di rottura.

Tutti i concetti di sicurezza discussi calcolano le resistenza e le sollecitazioni basandosi su coefficienti di sicurezza parziali. Il principale requisito per la progettazione con le normative discusse è che la sollecitazione fattorizzata E sia minore o uguale alla resistenza R fattorizzata (Eqn. 2.1.). Entrambe i metodi fattorizzano la sollecitazione caratteristica E_k attraverso il coefficiente parziale di sicurezza gamma (Eqn. 2.2.).

Per la resistenza caratteristica vi è una differenza concettuale poiché la norma europea divide la resistenza caratteristica Rk con un coefficiente parziale di sicurezza gamma (Eqn. 2.3.) mentre quella americana moltiplica la resistenza caratteristica Rk con un coefficiente riduttivo della resistenza phi (Eqn. 2.4 .). L’effetto di questi coefficienti è comunque lo stesso riducendo il valore caratteristico al livello di quello di progetto. La resistenza di progetto Rd è generalmente molto simile per tutte le modalità di rottura indipendentemente dalla normativa adottata.

Come per la nuova linea guida di progettazione europea, EOTA TR045, la progettazione incorpora tre approcci progettuali di seguito descritti. Si noti che tutti e tre gli approcci sono accettabili nell’ambito della relativa condizione di applicazione. La tabella 3 fornisce una panoramica di queste diverse opzioni di progetto.

Tabella 3. Approcci di progetto sismici previsi dalla linea guida europea TR045

Si noti che l’ACI 318 considera anch’esso i tre approcci progettuali che sono concettualmente identici a quelli presentati dalla EOTA TR045. La differenza principale, che tuttavia ha le stesse intenzioni di base, deriva dal fatto che “la progettazione elastica”, definita secondo linea guida europea ha un approccio differente nella normativa americana. Nell’ACI 318 questo approccio di progetto considera i carichi derivanti da una normale progettazione sismica (non elastica) e introduce un coefficiente riduttivo (consigliato pari a 0.4) applicato direttamente su tutte le modalità di rottura del calcestruzzo. È opinione degli autori che le nuove norme europee hanno reso gli approcci di progetto più chiari rispetto all’interpretazione dell’ACI 318.

Link utili

www.hilti.it/sismico
www.hilti.it/profis-software
www.hilti.it/sistemi-ancoraggio
www.hilti.it/normativa-linee-guida-riferimenti

Consiglia questo approfondimento ai tuoi amici

Commenta questo approfondimento