Gerarchia delle resistenze: come progettare la sicurezza sismica in campo dissipativo

L’importanza della duttilità delle strutture

Partiamo dal presupposto che in caso di terremoti di elevata magnitudo anche le nuove costruzioni, progettate con i moderni criteri antisismici, subiranno comunque dei danni, in accordo alla progettazione di tipo semiprobabilistico per la quale sia impossibile ridurre a zero il danneggiamento in caso di una forte scossa di terremoto, se non con costi economici (e dimensionamenti) incompatibili col rischio.

Meglio, infatti, permettere alla struttura una “controllata” dissipazione di energia sotto forma di deformazione e quindi di danneggiamento, in modi e limiti tali da preservare sempre almeno la salvaguardia della vita delle persone e, nel possibile, ridurre l’entità dei danni a costi e tempi facilmente riparabili. Ciò vale principalmente per eventi sismici di potenza uguale o superiore a quella attesa nella specifica area geografica in cui si trova la struttura, ossia per terremoti molto importanti, il cui accadimento avviene statisticamente entro un periodo di ritorno che può anche essere superiore alla vita utile del fabbricato.

In campo sismico c’è bisogno di maggiore duttilità delle strutture proprio per evitare rotture fragili, le quali non danno segnali di preavviso prima di verificarsi, ma tali da compromettere irreparabilmente la sicurezza complessiva del fabbricato nei confronti del rischio di collasso totale. Per duttilità si intende invece la capacità di deformarsi in campo plastico, oltre il limite elastico, dissipando una grande quantità di energia attraverso un danneggiamento progressivo che offre segnali di preavviso e concede tempo alle persone di mettersi in salvo, senza che vi siano cadute drastiche di resistenza.

La progettazione in capacità interessa i nuovi edifici sia in cemento armato (c.a.) che in acciaio o legno, anche se i difetti in assenza di essa, caratterizzanti il patrimonio edilizio esistente, riguardano prevalentemente gli edifici in c.a.

Collasso fragile e piano soffice

Uno degli esempi ricorrenti di collasso fragile dopo un forte terremoto è il cosiddetto piano soffice, quando l’edificio si “accascia” schiacciando di fatto un piano, normalmente il piano terra (piano pilotis) o l’immediato primo piano. La struttura degli altri piani sembra non subire danni irreparabili, ad eccezione purtroppo del fatale collasso del piano soffice con conseguenze gravissime per l’incolumità delle persone che abitano quel piano, oltre ovviamente alle restanti persone che insieme alle strutture subiscono l’abbassamento di una quota (fig. 1 e 2). Questo pericoloso meccanismo di collasso è dovuto nell’edilizia del passato, priva di dettagli antisismici, al fatto che il danneggiamento fragile (spesso per taglio) dei pilastri avviene prima di quello duttile delle travi, le quali in questi casi quasi sempre rimangono pressochè intatte (fig. 2).

Progettazione in capacità con la gerarchia delle resistenze

Al contrario, la progettazione in capacità, mediante il principio della gerarchia delle resistenze, garantisce che la resistenza degli elementi fragili sia maggiore di quelli duttili, al fine proprio di sfruttare tutta la duttilità e la dissipazione possibile della struttura evitando l’innesco di meccanismi fragili.

La gerarchia delle resistenze consente di progettare le armature del telaio in c.a. in modo che i meccanismi di rottura fragile, come quelli da azioni taglianti, possano verificarsi solo dopo aver esaurito tutta la capacità dissipativa delle rotture più duttili a flessione e pressoflessione.

Le regioni interessate dalla formazione delle cerniere plastiche devono essere dotate di adeguata duttilità e capacità dissipativa, garantite attraverso dettagli costruttivi in particolare nei nodi di collegamento trave / pilastro. Le zone nodali infatti dovranno essere in grado di trasferire le azioni taglianti cicliche, indotte dalla plasticizzazione delle travi, senza subire eccessive deformazioni o sfilamento delle barre (fig. 3) attraverso un adeguato confinamento con specifica armatura trasversale.

Più precisamente, all’interno degli stessi meccanismi duttili, si stabilisce una gerarchia per cui nella risposta dinamica del telaio strutturale si attivino prima le cerniere plastiche (una sorta di fusibili) alle estremità di tutte le travi, e solo dopo la loro completa plasticizzazione si potranno formare le cerniere plastiche alla base dei pilastri.

Questa gerarchia progettuale individua all’interno della struttura i meccanismi locali duttili da favorire e gli elementi strutturali in cui devono avvenire, impedendo pertanto che durante l’azione sismica i pilastri si plasticizzino prima delle travi dando innesco ai pericolosi effetti di piano soffice.