LA SEZIONE "STRUTTURA" DEL SISTEMA

La sezione "Struttura" del software AESP, che opera nel sistema eRiskZone, è configurata sulla base delle caratteristiche e dei parametri strutturali necessari per l'analisi semplificata di vulnerabilità sismica.

Attraverso l'interfaccia l'utente può caratterizzare la propria struttura in maniera semplice ed efficace: non è infatti richiesta l'immissione diretta di alcun dato numerico né, tantomeno, alcuna descrizione letterale. Sono presenti semplici strumenti, come il menu a discesa, la barra di scorrimento e la casella di opzione, che consentono di selezionare, tra le varie possibilità, quella corrispondente alla configurazione della struttura in esame. Agendo sui vari parametri si riesce ad indagare una casistica abbastanza ampia, rappresentativa di buona parte del patrimonio edilizio italiano e delle più comuni situazioni in cui si possono imbattere professionisti e tecnici delle Amministrazioni pubbliche. Alcuni parametri sono stati caratterizzati in modo da renderli coerenti con le prescrizioni della normativa vigente.

Le informazioni richieste dalla sezione "Struttura" fanno riferimento a 6 distinti aspetti: tipo di edificio (destinazione), tipologia strutturale, epoca di costruzione, numero di piani, altezza media di interpiano, parametri di regolarità (al momento limitati al caso di edificio regolare sia in pianta sia in altezza).

Tipo di edificio

• Classe 1: vita utile di 50 anni, periodo di ritorno da considerare per i fenomeni naturali coinvolti 500 anni. Riguarda le costruzioni il cui uso prevede normali affollamenti, senza contenuti pericolosi per l'ambiente e senza funzioni pubbliche e sociali essenziali. Industrie con attività non pericolose, reti viarie e ferroviarie la cui interruzione non provoca situazioni di emergenza.

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

Tipologia strutturale

Nell'analisi di una costruzione, la caratterizzazione della struttura rappresenta uno dei passi fondamentali, in quanto solo conoscendo questo aspetto è possibile schematizzare la risposta alle azioni sollecitanti, procedendo con adeguati modelli e procedure di calcolo.

La prima discriminante di qualsiasi valutazione è rappresentata dal materiale strutturale che incide tanto sulle possibili configurazioni resistenti, gli schemi strutturali appunto, quanto sugli aspetti tecnologici ed architettonici. Tra i materiali più diffusi si possono citare il calcestruzzo armato, l'acciaio, la muratura e il legno; per ognuno di essi, inoltre, è possibile individuare delle sotto-categorie tenendo conto di ulteriori differenziazioni, quali i sistemi resistenti o le tecniche costruttive.

Il software AESP è stato sviluppato per fornire un prima valutazione circa la sicurezza di una struttura ubicata sul territorio italiano, pertanto si è cercato di individuare un insieme di tipologie strutturali rappresentative proprio della nostra realtà nazionale. Un altro aspetto che ha inciso sulla scelta è stata la modellazione della risposta sismica; l'approccio semplificato del Capacity Spectrum Method infatti, è attualmente disponibile solo per determinate tipologie.

La principale fonte presa a riferimento per la classificazione tipologica è costituita dalla scala macrosismica europea EMS-98 (European Macroseismic Scale) (Grunthal, 1998), che riporta una descrizione dettagliata delle tipologie strutturali più diffuse e aderenti al contesto europeo. In particolare, va sottolineato che la scala EMS-98 dedica molta attenzione alla classificazione delle costruzioni in muratura, tipicamente le più comuni e sovente vulnerabili, soprattutto nell'area mediterranea.

Assunta come base, la suddetta classificazione è stata quindi integrata dalle proposte di Giovinazzi e Lagomarsino (2001) per quanto concerne le costruzioni in muratura, e dalla classificazione delle norme americane FEMA 178 (BSSC, 1992) e 310 (ASCE, 1998) per le strutture in acciaio e calcestruzzo armato.

• Telai in acciaio a nodi rigidi (S1): strutture costituite dai telai di colonne e travi in acciaio. I telai sviluppano la loro rigidezza attraverso connessioni a momento parziali o totali. In alcuni casi, i nodi trave-colonna hanno una limitata capacità di resistenza al momento, ma in altri casi le travi e le colonne sono connesse come telai a nodi rigidi, in modo da resistere completamente alle forze laterali. Le forze laterali sono trasferite ai telai grazie agli orizzontamenti che possono essere realizzati con diverse tecnologie. I telai sono distribuiti uniformemente nella struttura per resistere alle azioni laterali in entrambe le direzioni orizzontali. Rispetto agli edifici con setti, le strutture intelaiate sono più flessibili e, pertanto, sono soggette a spostamenti di interpiano maggiori che possono provocare maggiori danni non strutturali.

• Telai in acciaio controventati (S2): si tratta di strutture intelaiate in acciaio costituite da travi e colonne, del tutto simili ai telai a nodi rigidi, eccetto che nel sistema di resistenza alle azioni laterali, non più demandato alle connessioni travi-colonne, bensì ad appositi controventi.

• Telai in calcestruzzo armato (C1): si tratta di strutture in calcestruzzo armato simili, per concezione della risposta strutturale, ai telai in acciaio a nodi rigidi. Lo schema strutturale consiste in telai formati da travi e pilastri connessi da nodi resistenti alle sollecitazioni flettenti e taglianti; in tal modo la struttura è in grado di resistere sia alle azioni verticali che a quelle orizzontali. In generale, il comportamento dei telai in calcestruzzo armato è influenzato da alcuni parametri quali il rapporto tra l'altezza delle colonne e la lunghezza delle travi, le caratteristiche geometriche e di armatura degli elementi strutturali, nonché le proprietà meccaniche dei materiali (calcestruzzo e acciaio). A titolo di esempio, gli edifici progettati in assenza di normativa sismica sono generalmente caratterizzati da pilastri con un'armatura a taglio pari al minimo previsto dalla norma ordinaria, cioè una condizione sensibilmente carente nei confronti dell'azione orizzontale indotta dal sisma, in quanto suscettibile di produrre rotture fragili localizzate che possono provocare il collasso dell'intera struttura. Viceversa le costruzioni progettate secondo i moderni criteri normativi sono in grado di garantire un comportamento duttile che, sotto l'azione del sisma, consente di sviluppare grandi deformazioni, senza giungere ai meccanismi di rottura fragile localizzata o generale (collasso).

• Setti in calcestruzzo armato (C2): il sistema resistente alle azioni orizzontali è rappresentato da pareti di taglio in calcestruzzo che, generalmente, sono anche setti portanti. Si tratta di strutture caratterizzate da una rigidezza maggiore rispetto ai telai in c.a., tuttavia se i setti non sono distribuiti uniformemente in pianta e in elevazione diventano temibili gli effetti torsionali. Negli edifici meno recenti si rilevano sovente setti piuttosto estesi in cui si sviluppano bassi livelli tensionali ma, per contro, caratterizzati da deboli armature e scarsa connessione con gli altri elementi strutturali, specialmente le travi.

• Telai prefabbricati in calcestruzzo armato (PC): si tratta di edifici costituiti da telai di pilastri e travi prefabbricati in calcestruzzo che sostengono diaframmi di piano e di copertura anch'essi prefabbricati. Generalmente, le travate sono sostenute dai pilastri attraverso opportune mensole predisposte sugli stessi elementi verticali. Le forze laterali sono equilibrate dai telai che sviluppano la loro rigidezza attraverso i nodi trave-pilastro, questi possono essere rigidamente connessi attraverso giunti saldati oppure mediante successivo getto di chiusura del nodo.

• Muratura di pietra grezza (M1): si tratta di costruzioni minori nelle quali vengono utilizzate pietre non lavorate e malta di qualità scadente, che danno origine a costruzioni pesanti e di scarsa resistenza alle azioni orizzontali.

• Case in terra o con mattoni crudi (M2): si tratta di costruzioni presenti solo in aree di limitata estensione, dove le caratteristiche dell’argilla consentivano tale tecnica costruttiva, tuttavia molto varia e caratterizzata da comportamenti diversi nei riguardi del sisma: in alcuni casi la terra, semplicemente impastata con acqua, era utilizzata come un conglomerato gettato in casseforme di legno; altre volte si ha una muratura di mattoni crudi, ovvero essiccati al sole, con interposta malta che presenta, in genere, caratteristiche piuttosto scarse; infine, esistono edifici con una vera e propria intelaiatura lignea, nei quali la terra od i mattoni crudi costituiscono una tamponatura fortemente collaborante.

• Muratura di pietre sbozzate (M3): le costruzioni in pietre sbozzate o a spacco differiscono da quelle in pietra grezza in quanto le pietre hanno avuto una qualche lavorazione prima del loro impiego. La muratura presenta spesso una disposizione per corsi orizzontali, una buona alternanza dei giunti verticali ed una minore necessità di malta, anche grazie all’uso di scaglie o zeppe; inoltre, si riscontra spesso l’utilizzo di pietre più grandi, disposte trasversalmente per collegare i due paramenti nello spessore o alternate nei cantonali e nei martelli, per migliorare l’ammorsamento tra le pareti ortogonali.

• Muratura di pietre squadrate (M4): le costruzioni realizzate con pietre grandi ed accuratamente squadrate sono in genere gli edifici monumentali, i castelli, le ville, i palazzi, ecc.. Questi edifici possiedono generalmente grande resistenza e limitato degrado (per il ridotto impiego di malta).

• Muratura di mattoni (M5): si tratta delle costruzioni in muratura di mattoni, che possono presentare differenti tipologie di solaio. Gli edifici in mattoni mostrano un buon comportamento se sono presenti catene metalliche a collegamento delle pareti. In genere, la vulnerabilità è influenzata dal numero, dalla dimensione e dalla posizione delle aperture: grandi aperture comportano infatti maschi murari e cantonali di dimensioni ridotte; inoltre è preferibile una distribuzione regolare delle aperture. Infine vanno considerati gli spessori murari e la distanza tra i muri interni di spina: se eccessiva si hanno grandi facciate senza irrigidimenti perpendicolari. All’interno di tale categoria può essere effettuata un’ulteriore differenziazione in virtù della tecnologia costruttiva che caratterizza i solai, si ha così:

• Muratura di mattoni con solai in legno (M5.1);

• Muratura di mattoni con volte in muratura (M5.2);

• Muratura di mattoni con putrelle e voltine in laterizio (M5.3).

• Muratura non armata con solai in ca (M6): muratura realizzata con pietra lavorata, laterizi o blocchi di cemento con solai in c.a. Negli edifici in muratura più recenti, quelli eseguiti nella seconda metà del XX secolo, le pareti sono in genere realizzate con elementi artificiali (mattoni, laterizi forati, blocchetti in conglomerato) o con pietre tenere lavorate (tufo, calcarenite, ecc.); a livello dei solai, solitamente di tipo latero-cementizio è in genere presente un cordolo in c.a..

• Muratura armata (M7): Nella muratura armata vengono inserite barre o reti in acciaio, verticali e/o orizzontali, in fori presenti negli elementi o nei giunti orizzontali di malta; in tal modo si viene a creare un materiale composito particolarmente duttile e di elevata resistenza. La muratura confinata consiste in una muratura costruita all’interno di una maglia di colonne e travi in c.a., che tuttavia non sono armate in modo tale da essere considerate strutturalmente un telaio in c.a.; la muratura non costituisce quindi solo una tamponatura, ma rappresenta il principale elemento strutturale.

Epoca di costruzione

Il software AESP è stato sviluppato per fornire valutazioni di massima sia per gli edifici di nuova progettazione che per le costruzioni esistenti. È ormai frequentissimo che i progettisti debbano confrontarsi con il recupero del patrimonio edilizio esistente piuttosto che con la progettazione ex-novo. Si apre così un frangente complesso in cui emergono i risvolti legati alla conoscenza dello schema strutturale, della qualità dei materiali e di altri aspetti necessari per l'analisi strutturale completa, nella fattispecie sismica.

La prassi comune si basa sul reperimento di tutte le informazioni già disponibili (relazioni di calcolo, elaborati grafici, certificati di collaudo, ecc.), da verificare opportunamente sul campo, per poi procedere, se necessario, con indagini diagnostiche più o meno distruttive in funzione delle peculiarità della struttura analizzata e del livello di dettaglio richiesto. Tutto questo esula dagli obiettivi dell'applicativo AESP, tuttavia partendo da questa impostazione è stato riconosciuto un criterio per caratterizzare gli edifici esistenti: l'epoca di costruzione. Una volta individuata la tipologia strutturale più consona al manufatto in esame infatti, mediante il parametro "età" è possibile risalire al tipo di normativa vigente al momento dell'edificazione, e da questa alla risposta comportamentale della struttura sulla base di danneggiamenti reali osservati.

Tale impostazione può essere ritenuta adeguata per le strutture in cemento armato e in acciaio, due materiali strutturali che hanno visto un massiccio impiego a partire dalla fine della seconda guerra mondiale; pertanto i mutamenti della normativa hanno interessato un numero non trascurabile delle strutture realizzate.

Per quanto riguarda le strutture in muratura, la questione non può essere posta negli stessi termini in quanto, sebbene la normativa tecnica sia effettivamente migliorata nel corso degli anni, il numero di costruzioni edificate ex-novo è piuttosto limitato rispetto alla consistenza del patrimonio esistente. Un'ulteriore semplificazione proviene dalla stessa evoluzione delle costruzioni in muratura, infatti si può ragionevolmente ritenere che ogni materiale costruttivo (pietra sbozzata, pietra squadrata, mattone, ec.) sia sostanzialmente correlato con un insieme di tecnologie (volte, solai in legno, ecc.) e peculiarità costruttive (presenza di catene, ammorsamenti tra i muri, ecc.) che consentono poi di caratterizzare il comportamento della struttura.

La classificazione tipologica definita in precedenza prevede un numero significativo e sufficiente per descrivere le costruzioni in muratura rappresentative a livello nazionale, in particolare le prime 7 tipologie (muratura di pietra grezza, case in terra, muratura di pietre sbozzate, m. di pietre squadrate, m. di mattoni con solai in legno, m. mattoni con volte in muratura, m. di mattoni con putrelle e voltine in laterizio) costituiscono le murature "storiche", mentre le ultime 2 (muratura non armata con solai in ca, muratura armata) rappresentano le costruzioni più recenti.

Riassumendo, il parametro "epoca di costruzione" interviene effettivamente come parametro solo per le strutture in calcestruzzo armato e in acciaio. All'interno di AESP, la selezione dell'epoca di costruzione avviene attraverso un menu a tendina, che riporta le fasce di età individuate dalla seguente tabella.

Tabella 2
Livelli di progettazione associati all’epoca di costruzione per gli edifici in c.a. ed acciaio.

Epoca di costruzione	Livello di progettazione (Design Level)
< 1974	Pre-code
> 1974 in zone non classificate	Pre-code
1974-1996 in zone classificate	Low-Code
1996 in zone classificate	Moderate-Code
Edificio nuovo	High-Code

Gli intervalli temporali individuati in tabella corrispondono ai mutamenti più significativi della normativa antisismica italiana.

Analizzando la storia della legislazione tecnica (De Marco et al, 2000), sono tre i provvedimenti che hanno introdotto le maggiori innovazioni dal punto di vista progettuale: la legge n.64 del 1974, il D.M. 16 gennaio 1996 e l'OPCM n. 3274 del 2003.

• La legge 2 febbraio 1974, n. 64, ha innovato fortemente il quadro normativo sulla sicurezza delle costruzioni, sia in generale che nelle zone sismiche. Essa infatti ha stabilito alcuni principi generali, anche di carattere tecnico, affidando ad appositi decreti ministeriali il compito di disciplinare i diversi settori delle costruzioni. In forza dell’art. 3 della stessa legge, con il decreto del 3 marzo 1975 è stata emanata quella che si può definire la prima normativa sismica italiana in quanto, a differenza delle precedenti, si distingue per l’introduzione dello spettro di risposta in funzione del periodo proprio della struttura e la possibilità di eseguire l’analisi dinamica.

• Il Decreto Ministeriale del 16 gennaio 1996 ha consentito di utilizzare il metodo di verifica agli stati limite in aggiunta a quello alle tensioni ammissibili, inoltre ha permesso l'utilizzo di sistemi di isolamento sismico o di dispositivi per la dissipazione dell’energia trasmessa dal sisma.
  

• Infine, le più significative innovazioni sono state introdotte con l'Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n. 3274 del 20 marzo 2003. In primo luogo l’intero territorio nazionale è soggetto alla classificazione sismica, articolata in quattro zone, la cui definizione spetta alle Regioni, seguendo la proposta elaborata su scala nazionale, ma con la possibilità di elaborare mappe di pericolosità sismica a livello regionale. Sotto il profilo propriamente progettuale, l’OPCM 3274 (e successive modifiche ed integrazioni) è stata pensata ed elaborata per essere pienamente coerente con la normativa definita a livello europeo (Eurocodice 8). Infatti, per la prima volta la legge italiana rivisita la quasi totalità delle strutture (edifici, ponti, opere di fondazione e di sostegno) e, soprattutto, abbandona definitivamente il tradizionale sistema di progettazione, basato sul concetto convenzionale di “tensione ammissibile”, optando per quello più recente e rigoroso di tipo prestazionale, degli “stati limite”.

Considerando gli intervalli temporali individuati dalle normative suddette, sulla base di giudizi esperti è stato quindi associato un livello di progettazione (design level) corrispondente alle indicazioni della metodologia americana HAZUS (NIBS, 1999) che prevede 4 livelli: Pre-Code, Low-Code, Moderate-Code, High-Code.

Numero di piani

Si tratta di un parametro strutturale altamente significativo sotto il profilo della risposta sismica. Incrociando questa informazione con l’altezza media di interpiano si riesce a determinare l’altezza dell’edificio, e da quest’ultima, tenendo conto della tipologia strutturale, è possibile stimare il periodo proprio, come sarà precisato nel prossimo paragrafo. All’aumentare dell’altezza, in genere gli edifici sono penalizzati dall’azione sismica, perché aumentano le masse in gioco e quindi le stesse forze sismiche, con ripercussioni in termini di sollecitazioni sia sulla struttura in elevato sia, in particolare, sulle fondazioni. Nondimeno, l’effetto del sisma è altrettanto significativo dal punto di vista deformativo, un aspetto critico per gli elementi non strutturali e per gli effetti di interazione (es. martellamento) con le strutture adiacenti.

Altezza media di interpiano

Conoscendo l’altezza media tra due piani consecutivi ed il numero di livelli, di cui al precedente paragrafo, è possibile stimare l’altezza totale dell’edificio e, da questa, il periodo fondamentale di vibrazione della struttura. Esistono numerosi contributi in letteratura che, sulla base di formule semplificate, consentono di pervenire ad una stima del periodo della struttura.

Una tra le relazioni più utilizzate è quella che esprime la correlazione tra il periodo T [s] e l’altezza H [m] nella seguente forma:

dove C è un coefficiente moltiplicativo che dipende della tipologia strutturale (cfr. Tabella 3).

Tabella 3
Coefficienti per il calcolo del periodo fondamentale di vibrazione relativo
alle tipologie strutturali considerate

I valori del coefficiente C riportati in Tabella 3 sono stati dedotti dall’Eurocodice 8 per le tipologie S2 e C1, mentre, per quanto riguarda le murature, si è fatto riferimento a Cattari et al (2005). Infine, per le tipologie S1, C2 e PC, l’attribuzione del coefficiente C è stata effettuata sulla base di un giudizio esperto elaborato a partire dai valori di periodo forniti dalla metodologia HAZUS (NIBS 1999).

Parametri di regolarità

L’osservazione del danno a seguito di eventi sismici ha evidenziato chiaramente l’elevata vulnerabilità delle costruzioni irregolari, sia dal punto di vista planimetrico (presenza di sporgenze e rientranze, differenza consistente delle dimensioni nelle due direzioni del piano, asimmetria delle masse e delle rigidezze, ecc.) sia altimetrico (fondazioni a quote diverse, presenza di piani deboli o pilastri tozzi, variazione consistente delle masse e/o delle rigidezze passando da un piano al successivo, ecc.)

È ormai da diverso tempo che le normative tecniche hanno introdotto il concetto di regolarità strutturale, al fine di limitare tutte quelle conseguenze (effetti torsionali, martellamenti, danneggiamenti localizzati, meccanismi di piano debole, ecc.) che il sisma produce sui manufatti irregolari. Il modo più usuale per codificare la regolarità si basa sulla definizione di limiti e rapporti di tipo geometrico e meccanico. Nella fattispecie sono stati considerati i criteri di regolarità in pianta e in altezza definiti all’art. 4.3.1 dell’OPCM 3431 del 3 maggio 2005, così come riportato nella Tabella 4. Affinché un edificio possa essere considerato regolare in pianta, o in altezza, deve rispettare ognuno dei criteri richiesti dalla norma.

Tabella 4
Criteri che devono essere rispettati per la regolarità in pianta e in altezza

All’interno del sistema AESP, l’utente può scegliere la configurazione in termini di regolarità attraverso l’apposito menu a discesa che comprende le voci:

• Regolarità in pianta ed in altezza;

• Regolarità in pianta;

• Regolarità in altezza;

• Irregolare

Va sottolineato che i parametri di regolarità non intervengono nella modellazione della risposta strutturale adottata dal software, in quanto il loro contributo non è di immediata quantificazione. Tuttavia, tali aspetti rivestono grande importanza per i professionisti, infatti, proprio sulla base dei parametri di regolarità, la normativa (OPCM 3431-3274) prescrive quale sia il metodo di analisi da adottare. Questa informazione è fornita agli utenti nella sezione “Spiegazioni” del sistema AESP, soprattutto in vista di analisi di dettaglio successive alle valutazioni fornite on-line.

Al momento la scelta dell’utente è limitata al solo caso di edificio regolare sia in pianta sia in altezza.

Bibliografia

ASCE, 1998. FEMA 310: Handbook for the Seismic Evaluation of Buildings — A Pre-standard. Prepared by the American Society of Civil Engineers for the Federal Emergency Management Agency, Washington D.C.

BSSC, 1992. FEMA 178: NEHRP Handbook for the Seismic Evaluation of Existing Buildings. Prepared by the Building Seismic Safety Council for the Federal Emergency Management Agency, Washington D.C.

Cattari, S., Curti, E., Giovinazzi, S., Lagomarsino, S., Parodi, S., Penna, A. 2005. Un modello meccanico per l’analisi di vulnerabilità del costruito in muratura a scala urbana. Atti del 11° Convegno Nazionale ANIDIS: L’ingegneria Sismica in Italia, Genova, Italia.

De Marco, R., Martini, M.G., Di Pasquale, G., Fralleone, A., Pizza, A.G. 2000. La classificazione e la normativa sismica dal 1909 al 1984. Servizio Sismico Nazionale, Italia.

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Giovinazzi, S., Lagomarsino, S. 2001. Una metodologia per l’analisi di vulnerabilità sismica del costruito. Atti del 10° Convegno Nazionale ANIDIS: L’ingegneria Sismica in Italia, Potenza, Italia.

Grunthal, G. 1998. European Macroseismic Scale 1998. Chaiers du Centre Europèèn de Géodynamique et de Séismologie, Volume 15, Luxembourg.

Ministero delle Infrastrutture, giugno 2005, Norme Tecniche per le Costruzioni (testo trasmesso alla Conferenza Stato-Regioni al fine di ottenerne l'intesa prevista dall'art.54 del D.Lgs. 112/98), non ancora in vigore

NIBS, 1999. Earthquake Loss Estimation Methodology HAZUS - Technical Manual. Prepared by the National Institute of Building Sciences for the Federal Emergency Management Agency, Washington D.C.

Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n. 3274 del 20 marzo 2003 (Suppl. Ord. n. 72 alla G.U. n. 105 del 8 maggio 2003). Primi elementi in materia di criteri generali per la classificazione sismica del territorio nazionale e normative tecniche per le costruzioni in zona sismica.

Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n. 3431 del 3 maggio 2005 (Suppl. Ord. n. 85 alla G.U. n. 107 del 10 maggio 2005). Ulteriori modifiche ed integrazioni all'ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n. 3274 del 20 marzo 2003, recante «Primi elementi in materia di criteri generali per la classificazione sismica del territorio nazionale e di normative tecniche per le costruzioni in zona sismica».