Istruzioni per la valutazione della robustezza delle costruzioni
CNR-DT 214 /2018
CNR – 23 ottobre 2018
Una costruzione è progettata per resistere ad azioni di tipo e di intensità definite dalle Norme in vigore, con un livello di sicurezza che dipende dall’importanza della costruzione stessa, ed in particolare dalle conseguenze che un eventuale collasso potrebbe causare, sia in termini di perdite di vite umane che di potenziali danni ambientali.
Con il termine robustezza di una costruzione nei confronti di una azione eccezionale si intende la capacità della costruzione di evitare danni sproporzionati rispetto all'entità dell’azione che innesca un danno iniziale, azione non compresa tra le azioni di progetto, oppure tra queste compresa ma con più bassa intensità.
Tale concetto, di grande attualità ed intuitiva comprensione nelle sue linee generali, è stato introdotto nella quasi totalità delle Normative e Linee Guida per la progettazione nazionali ed internazionali, molte delle quali forniscono criteri di progettazione e di dimensionamento, sovente di tipo prescrittivo, per le più frequenti tipologie strutturali.
È tuttavia evidente che la trasposizione di tale semplice concetto in criteri e procedure di tipo progettuale non sia semplice: infatti, se da un lato esso richiede la definizione di una serie di convenzioni condivise, dall’altro non può costringere la libertà del progettista in schemi e procedure eccessivamente rigide. Solo testando nuove soluzioni e metodologie è possibile realizzare avanzamenti scientifici e tecnici in un campo innovativo come quello della mitigazione del rischio e del conseguimento di un’adeguata robustezza delle costruzioni.
Per questi motivi il CNR ha ritenuto importante promuovere, per il tramite della propria Commissione incaricata della predisposizione e analisi di norme tecniche relative alle costruzioni, la redazione di una Istruzione che chiarisca innanzitutto i concetti alla base della valutazione di robustezza di una costruzione, gli obiettivi che possono essere prefissati, i possibili approcci e le metodologie (deterministiche, probabilistiche o semi-probabilistiche), ma che definisca anche alcuni criteri per la progettazione, siano essi prescrittivi o basati su valutazioni quantitative e modellazioni.
A monte di qualsiasi analisi, è innanzitutto necessaria una corretta definizione delle possibili azioni eccezionali che possono interessare la costruzione. Le azioni possono essere definite come forze, agenti in modo statico o dinamico, la cui entità dipende dalla probabilità di accadimento considerata, oppure attraverso la definizione di uno specifico scenario, come nel caso di costruzioni di grande rilevanza, oppure di particolari eventi eccezionali, come ad esempio gli attacchi terroristici, che per loro natura non possono essere trattati su base probabilistica con metodi classici.
Inoltre, è necessario definire quando il danno ad una costruzione è da considerarsi sproporzionato rispetto all’azione, e ciò non può essere fatto se non con riferimento all’importanza della costruzione stessa (in termini di conseguenze, siano esse perdite di vite umane, danni ambientali o danni economici).
Un effettivo avanzamento della conoscenza sul tema della robustezza delle costruzioni, così come l’applicazione a casi non ricorrenti, richiede siano definite in modo appropriato le strategie di progettazione prima ancora che le possibili soluzioni, a partire dalla definizione delle azioni eccezionali da considerare come possibili scenari di progetto, alle strategie per la riduzione del rischio, alle modalità di funzionamento della struttura che deve mettere in campo tutte le possibili riserve di resistenza prima del collasso, in campo non lineare per geometria e per materiale.
È interessante anche sottolineare come le strategie per garantire la robustezza di una costruzione nei riguardi di una azione eccezionale e i criteri di progettazione della stessa nei riguardi dell’azione sismica abbiano in alcuni casi obiettivi tra loro compatibili, in altri casi invece antitetici. Infatti, se un aumento della resistenza e capacità di spostamento degli elementi resistenti verticali costituisce un vantaggio in entrambe le situazioni, le strategie di progettazione possono essere molto diverse nel caso di orizzontamenti e coperture, soprattutto se di significativa estensione. Se i classici criteri di progettazione per azioni sismiche richiedono un collegamento a livello di orizzontamenti, che devono garantire un’adeguata rigidezza e resistenza per consentire la redistribuzione delle azioni sugli elementi verticali portanti, nel caso di eventi eccezionali la compartimentazione, cioè la segmentazione ad esempio della copertura in aree tra loro non collegate strutturalmente, può essere la migliore strategia da adottare, se non l’unica, per evitare che un danno localizzato coinvolga l’intera struttura.
Per motivi diversi, è anche utile ricordare che strutture la cui forma sia stata ottimizzata, rispetto a specifiche tipologie di azioni di progetto, possono presentare problemi di robustezza nel caso di azioni eccezionali non considerate in fase progettuale, in quanto tali struttura possono non essere in grado di ammettere l’instaurarsi di percorsi alternativi dei carichi atti ad evitare il collasso.
Il tema della progettazione, almeno per costruzioni rilevanti, dovrebbe dunque essere sempre impostato su un approccio multirischio, nel quale considerare tutte le potenziali situazioni critiche, eccezionali e non, che esse possono incontrare nel corso della loro vita utile (si veda a questo proposito il Final Report della COST Action C26).
La presente Istruzione è strutturata in 8 capitoli ed un’appendice.
Nel capitolo 3 vengono affrontati i concetti di collasso sproporzionato e di collasso progressivo, e si presenta una trattazione del rischio inteso come combinazione di pericolosità, vulnerabilità, ed esposizione. In particolare, viene presentata una analisi probabilistica del rischio cui conseguono alcuni concetti sulla misura del rischio e delle perdite annue attese, nonché sull’analisi di rischio basata su scenari.
Nel capitolo 4 si introduce la definizione delle possibili strategie per la mitigazione del rischio che operano sostanzialmente su diversi livelli: dalla prevenzione dell’accadimento dell’evento, alla prevenzione del danneggiamento locale, fino alla limitazione dell’evoluzione del danneggiamento locale. In generale vengono trattati i possibili approcci di progetto, prestazionali o prescrittivi, utilizzabili per garantire adeguati livelli di robustezza.
Il capitolo 5 presenta i principi alla base di una corretta concezione progettuale della costruzione (“conceptual design” in inglese) in grado di garantire la limitazione del rischio di collasso sproporzionato. Vengono quindi presentati i principali metodi di progettazione: il metodo della resistenza locale che ha l’obiettivo di evitare il danneggiamento locale di quegli elementi il cui collasso porterebbe ad una propagazione incontrollata del danno (progettazione degli elementi chiave); il metodo basato sull’individuazione di percorsi alternativi dei carichi che richiede alla struttura di essere in grado di ridistribuire i carichi portati dagli elementi collassati in seguito al danneggiamento locale agli elementi strutturali integri; e il metodo basato sulla compartimentazione, che ha lo scopo di limitare l’estensione del collasso sproporzionato dovuto ad un collasso locale isolando la parte strutturale collassata dalla struttura rimanente.
Il capitolo 6, dopo una premessa sulle tecniche di analisi nella quale si forniscono alcuni elementi sulle strategie di modellazione strutturale e sulle tipologie di analisi, è dedicato all’esposizione dei principi che governano la progettazione per la robustezza delle costruzioni. Sono previste 4 specifiche sezioni, rispettivamente dedicate alla progettazione delle costruzioni in c.a. gettate in opera, delle costruzioni in c.a. prefabbricate, delle costruzioni di acciaio e delle costruzioni di legno. In ciascuna sezione vengono dapprima esposti alcuni casi di crolli causati da carenze nella robustezza, per poi passare a fornire indicazioni e criteri di progetto.
Il capitolo 7 tratta il tema della quantificazione probabilistica e semi-probabilistica della robustezza e introduce espressioni per una stima del fattore di sicurezza globale e, in caso di approcci semplificati, per una stima dei valori dei coefficienti parziali di sicurezza dei materiali da utilizzare per le valutazioni di robustezza. Il documento è corredato di due esempi di applicazione dei concetti esposti al caso delle costruzioni di calcestruzzo prefabbricato e di legno (capitolo 8), e di una Appendice che approfondisce alcuni aspetti relativi al comportamento membranale nelle costruzioni in calcestruzzo armato. Dato il suo carattere fondativo, non sono stati trattati nel presente Documento altri temi, pur rilevanti quali ad esempio la robustezza delle costruzioni esistenti. Tra queste, quelle a struttura muraria di particolare rilievo in Italia e di grande ricchezza tipologica funzionale e strutturale, tali da richiedere estese ed approfondite trattazioni, forse anche per tipologia (cfr. ad esempio CNT DT che tratta dei ponti esistenti in muratura).
È interessante a tal proposito ricordare che i primi principi di “robustezza strutturale” possono essere trovati nei criteri di progettazione dei ponti in muratura dell’epoca Napoleonica, che richiedevano che un ponte non collassasse nel caso in cui fosse avvenuto il cedimento completo di una pila portante. Chiaramente, a causa del collasso di una pila e dei due archi portanti da essa sostenuta, il ponte poteva reggere solo se era possibile un percorso alternativo dei carichi, ad esempio con la formazione di un arco naturale nelle murature dei due muri laterali (muri di testa). Non sono stati trattate, inoltre, costruzioni realizzate con particolari tecnologie o materiali, quali ad esempio le costruzioni di vetro. Non sono state infine trattate, per questioni di spazio, le problematiche di robustezza relative alle strutture da ponte, purtroppo così attuali ai giorni nostri in ragione dello stato in cui versano molte infrastrutture in Italia e nel mondo.
Il presente Documento Tecnico è stato redatto da un gruppo di lavoro costituito da ricercatori di molti Atenei italiani, esperti delle tematiche necessariamente coinvolte ed attivi su tavoli Normativi internazionali, al fine di condurre un’analisi completa ed organica della problematica della robustezza delle costruzioni, dalla valutazione del rischio alla modellazione numerica, dalla concezione progettuale delle costruzioni alla progettazione di dettagli costruttivi. Si ricorda infine che le Istruzioni contenute nel presente Documento Tecnico, per loro genesi e natura, non hanno valore di norma cogente ma possono costituire un prezioso ausilio, per ricercatori e progettisti, ad orientarsi tra i numerosi riferimenti bibliografici dedicati al tema, lasciandoli comunque responsabili finali delle scelte progettuali operate.
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Indice del documento:
INTRODUZIONE
1.1 PREMESSA
1.2 DEFINIZIONI
2 SCENARIO DI RISCHIO E QUANTIFICAZIONE DELL’INTENSITÀ DELLA RELATIVA AZIONE
2.1 PREMESSA
2.2 FENOMENI INDOTTI DA AZIONE SISMICA
2.2.1 Terremoto
2.2.2 Maremoto
2.3 FENOMENI NATURALI GRAVITATIVI
2.3.1 Frane di materiale sciolto
2.3.2 Colate detritiche
2.3.3 Crolli di roccia
2.3.4 Valanghe di neve
2.3.5 Eruzioni vulcaniche
2.4 CEDIMENTI DI FONDAZIONE
2.4.1 Smottamenti
2.4.2 Modificazioni del livello di falda
2.5 FENOMENI IDRAULICI
2.6 FENOMENI METEOROLOGICI
2.6.1 Trombe d’aria e tempeste
2.6.2 Formazioni di ghiaccio
2.7 INCENDIO E DETONAZIONI
2.7.1 Fuoco
2.7.2 Detonazioni in ambiente libero
2.7.3 Detonazioni in ambiente confinato
2.8 IMPATTI DI VEICOLI, IMBARCAZIONI E VELIVOLI
2.8.1 Impatto di veicoli a motore
2.8.2 Impatto di imbarcazioni
2.8.3 Impatto di velivoli
2.9 ATTI VANDALICI E TERRORISTICI
2.10 ERRORI DI CONCEZIONE/PROGETTAZIONE/ESECUZIONE
2.11 RIFERIMENTI
3 RISCHIO DI COLLASSO SPROPORZIONATO
3.1 PREMESSA
3.2 IL CONCETTO DI RISCHIO
3.3 ANALISI PROBABILISTICA DEL RISCHIO
3.4 MISURA DEL RISCHIO E DELLE PERDITE ANNUE ATTESE
3.5 ANALISI DI RISCHIO BASATA SU SCENARI
3.6 RIFERIMENTI
4 STRATEGIE PER LA RIDUZIONE DEL RISCHIO
4.1 PREMESSA
4.2 REQUISITI STRUTTURALI
4.3 STRATEGIE PER LA MITIGAZIONE DEL RISCHIO
4.4 CLASSIFICAZIONE DEGLI APPROCCI DI PROGETTO
4.4.1 Approcci prescrittivi o prestazionali
4.4.2 Metodi di progetto indiretti e diretti
4.4.3 Metodi di progetto a minaccia generica o specifica
4.5 METODI DI PROGETTO INDIRETTI
4.6 METODI DI PROGETTO DIRETTI
4.7 METODI DI RIDUZIONE DELL’ENTITÀ DELLE AZIONI ECCEZIONALI E DELL’ESPOSIZIONE DELLA STRUTTURA ALL’AZIONE
4.8 INQUADRAMENTO DELLE POSSIBILI STRATEGICHE PER LA RIDUZIONE DEL RISCHIO
4.9 RIFERIMENTI
5 CONCEZIONE PROGETTUALE PER LA ROBUSTEZZA (CONCEPTUAL DESIGN)
5.1 PREMESSA
5.2 METODO DELLA RESISTENZA LOCALE (PROGETTO DEGLI ELEMENTI CHIAVE)
5.3 EFFETTO PONTE / PERCORSO ALTERNATIVO DEI CARICHI
5.4 COMPARTIMENTAZIONE
5.5 RIFERIMENTI
6 PROGETTO PER LA ROBUSTEZZA
6.1 TECNICHE DI ANALISI
6.1.1 Modellazione strutturale
6.1.2 Tipologie di analisi
6.2 COSTRUZIONI DI CALCESTRUZZO ARMATO GETTATE IN OPERA
6.2.1 Collassi in edifici di calcestruzzo armato
6.2.2 Percorsi alternativi dei carichi ed effetti membranali negli edifici di CA
6.2.2.1 Travi di calcestruzzo armato: effetti membranali
6.2.2.1 Piastre di calcestruzzo armato: effetti membranali
6.2.2.2 Formulazioni per la valutazione degli effetti membranali
6.2.3 Incatenamenti
6.2.3.1 Incatenamenti in accordo alla EN1992-1-1
6.2.3.2 Incatenamenti in accordo alla UFC 4-023-03
6.2.4 Comportamento strutturale nei riguardi della rimozione di un pilastro
6.2.5 Progetto nei riguardi della rimozione di un pilastro
6.3 COSTRUZIONI PREFABBRICATE DI CALCESTRUZZO ARMATO
6.3.1 Premessa
6.3.2 Collassi in edifici a struttura prefabbricate
6.3.3 Criteri per il miglioramento della robustezza
6.3.3.1 Sistemi prefabbricati con schema isostatico
6.3.3.2 Sistemi prefabbricati con ridondanza strutturale
6.3.4 Sistemi prefabbricati a pannelli
6.4 COSTRUZIONI DI ACCIAIO
6.4.1 Collassi in costruzioni di acciaio
6.4.1.1 Crollo globale
6.4.1.2 Collasso parziale
6.4.2 Criteri ed approcci di intervento per le costruzioni di acciaio
6.4.2.1 Requisiti per le membrature
6.4.2.2 Requisiti generali per i collegamenti trave-colonna e trave-trave
6.5 COSTRUZIONI DI LEGNO
6.5.1 Premessa
6.5.2 Collasso in costruzioni di legno e relative strategie per garantire la robustezza
6.5.3 Coperture di grande luce
6.5.4 Sistemi a pareti
6.5.4.1 Edifici a pareti di tavole incrociate (pannelli X-lam)
6.5.4.2 Edifici a telaio leggero irrigidito
6.5.4.3 Edifici tipo “blockhaus”
6.5.5 Sistemi a telai pesanti
6.5.6 Sistemi di incatenamento orizzontale
6.5.6.1 Solai a travetti
6.5.6.2 Solai a pannelli pieni
6.6 RIFERIMENTI
7 QUANTIFICAZIONE PROBABILISTICA E SEMIPROBABILISTICA DELLA ROBUSTEZZA
7.1 APPROCCIO PROBABILISTICO E SEMIPROBABILISTICO
7.2 RIFERIMENTI
8 ESEMPI E CASI STUDIO
8.1 EFFETTI MEMBRANALI IN SOLAI CONTINUI IN PRESENZA DI CARICHI STATICI ECCEZIONALI
8.2 EDIFICI A PARETI IN X-LAM: PRESCRIZIONI PER LA ROBUSTEZZA
8.3 RIFERIMENTI
9 APPENDICE A: UN METODO SEMPLIFICATO PER LA VALUTAZIONE DEL CONTRIBUTO MEMBRANALE ALLA CAPACITÀ PORTANTE ULTIMA DI PIASTRE RETTANGOLARI DI C.A.
9.1 INTRODUZIONE
9.2 IL METODO DELLE STRISCE NEL CALCOLO DELL’AZIONE MEMBRANALE
9.3 FORMULAZIONE TEORICA PER UNA STRISCIA DI PIASTRA
9.3.1 Valutazione del massimo spostamento verticale ammissibile
9.3.2 Valutazione della massima rotazione ammissibile
9.4 RIFERIMENTI
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Fonte: CNR