CRITERI FONDAMENTALI DI PROGETTAZIONE

Ingegneria Sismica

CRITERI FONDAMENTALI DI PROGETTAZIONE

CRITERI FONDAMENTALI

A livello europeo è stato predisposto, e già votato favorevolmente da tutti i Paesi Membri, Italia compresa, un sistema integrato di norme (Eurocodice 8, ovvero EC8) per la progettazione antisismica delle strutture di nuova costruzione (edifici, ponti, serbatoi, torri, fondazioni, opere geotecniche) e per la valutazione della sicurezza e l’adeguamento delle strutture esistenti. I principi e i metodi adottati dall’EC8 sono in completa armonia con quelli contenuti nelle norme dei Paesi a più alta attività sismica (USA, Cina, Giappone, Sud-Est Asiatico).

La differenza sostanziale tra le norme di nuova generazione, quali l’EC8, e quelle tradizionali (ormai non più in vigore in nessun Paese Europeo) consiste nell’abbandono del carattere convenzionale e puramente prescrittivo a favore di criteri esplicitamente prestazionali. In particolare gli obiettivi della progettazione vengono dichiarati, ed i metodi utilizzati (procedure di analisi strutturale e di dimensionamento degli elementi) vengono singolarmente giustificati.

Il vantaggio di questa impostazione è duplice: fornisce al progettista la consapevolezza delle finalità e del rilievo di ogni singola operazione e consente alla Committenza di graduare le prestazioni richieste all’opera, in corso di progettazione, in relazione alle specifiche esigenze di natura sociale ed economica.

L’EC8, e con esso l’Ordinanza 3274, si pone due obiettivi fondamentali, con lo scopo di ottenere una protezione “adeguata” nei confronti di due condizioni limite:

- uno stato di danno strutturale accentuato, che prelude al collasso

- uno stato di danno agli elementi non strutturali, con conseguenze di natura essenzialmente economica

L’elemento fondamentale nei confronti di questa protezione riguarda il valore dell’azione sismica utilizzato nel progetto. L’EC8 adotta come parametro preferenziale di scuotimento il valore di picco dell’accelerazione orizzontale al suolo a_g: sono raccomandati valori caratterizzati da periodi medi di ritorno pari a 475 anni e 95 anni per le due condizioni di collasso e di danno strutturale. Tali periodi di ritorno corrispondono al 10% di probabilità di superamento rispettivamente in 50 e 10 anni. Questi valori di ag di ancoraggio dello spettro di risposta devono essere assunti costanti in un numero discreto di “zone sismiche” definite all’interno del territorio dalle Autorità Nazionali.

Capacity Design

E’ ampiamente dimostrato che le strutture progettate utilizzando le normative di nuova generazione posseggono margini di resistenza che consentono loro di resistere senza collasso ad azioni sismiche di livello ben superiore a quelle di progetto. Questi margini derivano sostanzialmente dall’applicazione in fase progettuale di due criteri fondamentali:

- GERARCHIA DELLE RESISTENZE

- REGOLE DI DUTTILITA’

I criteri di gerarchia delle resistenze e le regole di duttilità sono i cardini principali che consentono, a parità dell’azione sismica di progetto di raggiungere senza extracosto apprezzabile livelli di protezione molto elevati, attraverso una visione globale ed una possibilità di controllo della risposta delle strutture sotto azione sismica di elevato livello.

Questi due criteri stanno a fondamento di una progettazione finalizzata ad ottenere un preciso meccanismo di plasticizzazione (Capacity Design).

GERARCHIA DELLE RESISTENZE

Questo criterio consiste nell’assegnare, in fase di progetto, una resistenza differenziata ai diversi elementi strutturali, in modo che il cedimento di alcuni quello di altri. Questi ultimi, ossia quelli da proteggere, sono gli elementi il cui “cedimento” è critico nei confronti del collasso globale della struttura: esempio tipico i pilastri di un edificio. Il cedimento dei pilastri viene impedito fornendo ad essi una resistenza (di poco) superiore a quella delle travi che su di essi si innestano. Il criterio ora esemplificato con riferimento ai pilastri si estende a tutti gli altri elementi e meccanismi il cui cedimento è necessario evitare.

In particolare i meccanismi di collasso fragile o altri meccanismi indesiderati (come ad esempio la rottura a taglio, il collasso di collegamenti trave-colonna, plasticizzazione delle fondazioni o di un qualsiasi altro elemento che avrebbe dovuto restare elastico) devono essere evitati definendo le sollecitazioni di progetto in particolari zone mediante condizioni di equilibrio che tengano conto della formazione delle cerniere plastiche e del relativo aumento di resistenza nelle zone adiacenti. Le cerniere plastiche devono essere distribuite lungo tutta la struttura senza che si concentrino su un unico impalcato e devono svilupparsi, con un’adeguata sicurezza, solo sulle travi e non lungo le colonne, eccetto che alla base dell’edificio.

Questo criterio è adottato da più di due decenni dalle norme sismiche internazionali di USA, Nuova Zelanda, Messico, ed è oggi universalmente diffuso.

REGOLE DI DUTTILITÁ

Con questo criterio si progettano gli elementi strutturali in modo tale che il loro “cedimento” non pregiudichi la loro capacità portante. Il cedimento di un elemento strutturale è il raggiungimento ed il superamento della fase elastica (reversibile), per entrare in quella delle deformazioni cicliche ripetute e di grande ampiezza in campo plastico. La capacità di deformazione plastica, e quindi di resistenza oltre i limiti elastici, viene detta duttilità.

Per garantire la duttilità globale della struttura le potenziali zone in cui possono formarsi cerniere plastiche devono possedere grandi capacità di compiere rotazioni plastiche. L’obiettivo di questo criterio è quello di consentire che tali deformazioni siano sopportate dagli elementi strutturali senza che essi perdano la loro integrità e la loro funzione statica, e va sotto il nome di “regole di duttilità”.

Le regole di duttilità contenute nell’EC8 consentono di graduare con continuità questa caratteristica da conferire agli elementi strutturali, nella misura richiesta a ciascuno di essi dal suo ruolo nel meccanismo di deformazione globale della struttura.

FINALITÁ DEL CAPACITY DESIGN

Da quanto detto nei criteri fondamentali, l’obiettivo principale del Capacity Design è evitare la possibilità di formazione di meccanismi di rottura fragili e non desiderati (rottura a taglio di elementi strutturali, rottura di nodi trave-colonna, plasticizzazione delle fondazioni, ecc).

Questo lo si ottiene favorendo la distribuzione delle cerniere plastiche sull’intera struttura, senza concentrazioni su un unico piano con formazione di meccanismi a piano soffice, bensì privilegiando i meccanismi a travi deboli e pilastri forti. Per ottenere queste finalità gli effetti delle azioni di progetto su zone selezionate della struttura devono essere ricavate non dai risultati dell’analisi strutturale, ma da condizioni di equilibrio quando le cerniere plastiche (tenuto conto delle possibili sovraresistenze) si siano già formate nelle aree adiacenti alle zona selezionate.

********************************

BASIC DESIGN CRITERIA

Marco Bozza

BASIC CRITERIA

At European level has been established, and already voted favorably by all Member Countries, including Italy, an integrated system of standards (Eurocode 8 or EC8) for the seismic design of structures of new construction (buildings, bridges, tanks, towers, foundations, geotechnical works) and for the safety assessment and retrofitting of the existing structures. The principles and methods adopted from the EC8 are in complete harmony with the rules of countries with the highest seismic activity (USA, China, Japan, Southeast Asia).

The main difference between the rules of the new generation, such as EC8, and those traditional (no longer in force in any European country) is in the abandonment of conventional nature and purely prescriptive in favor of explicitly performance-based criteria. In particular the objectives of design are declared, and the methods used (procedures for structural analysis and sizing of elements) are individually justified.

The advantage of this approach is twofold: it gives to designer an awareness of purpose and importance of each transaction and allows to customer to calibrate the required performance to the structure, under planning, in relation to the specific requirements of social and economic nature.

The EC8, and with it the Ordinanza 3274, has two basic objectives ,with the scope to obtain a protection “adapted” regarding two conditions limit:

- a heightened state of structural damage, that prelude to the collapse

- a state of damage to the non-structural elements, with consequences of an essentially economic nature

In relation to this protection, the fundamental element is the value of the seismic action used in the project. As parameter preferential of shaking EC8 adopts the horizontal peak ground acceleration a_g: are recommended values characterized by average return periods of 475 years and 95 years for the two conditions of collapse and structural damage. These return periods correspond to the probability of overcoming of 10% in 50 and 10 years respectively. These values of a_g of anchor to the response spectrum must be assumed constant in a discrete number of "seismic zones" defined inside of territory from the National Authorities.

Capacity Design

Amply is demonstrated that the structures designed using the rules of new generation possess margins of resistance that enable them to withstand without collapsing to seismic actions of level far superior to those project. These margins are derived substantially from the application in design phase of two basic criteria:

- HIERARCHY OF RESISTANCES

- DUCTILITY RULES

The criteria of “hierarchy of resistances” and the “ductility rules” are the main hinge that allow, to parity of the seismic action of design, to achieve without appreciable extracost, very high levels of protection through a global vision and an opportunity of control of structural response under high intensity seismic actions.

These two criteria are the basis of design to obtain a precise plasticization mechanism (capacity design).

HIERARCHY OF RESISTANCES

This criterion consists in assigning, in phase of plan, a resistance differentiated to the various structural elements, so that the yielding of some precedes that of others. These last ones, ie those to be protected, are the elements whose "yielding" is critical by comparison to global collapse of the structure: typical example the pillars of a building. The collapse of the pillars is prevented by providing a resistance to them (slightly) higher than that of the beams that on they are grafted . The criterion now exemplified with reference to the pillar extends to all other elements and mechanisms whose collapse must be avoided.

In particular, the fragile collapse mechanisms or other undesired mechanisms (such as shear failure, the collapse of beam-column connections, plasticization of foundations or any other item that should have remained elastic) should be avoided by defining the stress project in specific areas through equilibrium conditions taking into account the formation of plastic hinges and its increase of resistance in adjacent areas. The plastic hinges must be distributed along all the structure without they are concentrated on the same level and they must be developed, with an adequate safety, only on the beams and not long the columns, except that to the base of the building.

This criterion is adopted by more than two decades by the international seismic standards of USA, New Zealand, Mexico, and today is universally diffuse.

DUCTILITY RULES

By this criterion, the structural elements are designed so that their "yielding" does not adversely affect their load-bearing capacity. The yielding of a structural element is the achievement and the overcoming of elastic phase (reversible), in order to enter in that of the repeated cyclical deformations and great amplitude into the plastic field. The plastic deformation capacity, and therefore of resistance beyond the elastic limits, is said ductility.

To ensure the global ductility of the structure, the potential zones in which the plastic hinges can be formed must have ability to make large plastic rotations. The objective of this criterion is to allow that this distortions are borne by the structural elements without that they lose their integrity and their static function, and is called "ductility rules".

The "ductility rules" contained in the EC8 allow to graduate with continuity this characteristic to structural elements, in the measure demanded to everyone of they from its role in the mechanism of global deformation of the structure.

PURPOSE OF CAPACITY DESIGN

From said how much in the fundamental criteria, the main objective of capacity design is to avoid the possibility of formation of brittle cracking and undesired mechanisms (shear failure of structural element, breaking of the beam-column nodes, plasticization of foundations, etc.).

This is achieved by facilitating the distribution of the plastic hinges on the entire structure, without concentrations on an only one floor with formation of mechanisms to "soft floor", but privileging the mechanisms to "weak-beams and strong-columns". In order to obtain these purposes the effects of the project actions on specific areas of the structure must be obtained not from the results of the structural analysis, but from equilibrium conditions when the plastic hinges (considered the possible over resistances) already have been formed in the adjacent areas to the selected zone.