CARICHI DINAMICI (SISMICA)

I carichi dinamici, a differenza di quelli statici, sono caratterizzati da una rapida variazione nel tempo, che può provocare fenomeni di risonanza e significative forze inerziali nelle strutture. Tra questi, i carichi sismici sono tra i più distruttivi. La loro natura consiste nella trasmissione dell’energia dall’epicentro del terremoto, attraverso il terreno, fino alla base dell’edificio, provocandone l’oscillazione. In Ucraina l’attività sismica è disomogenea. Secondo la ДБН В.1.1-12:2014 «Costruzione nelle aree sismiche dell’Ucraina», la maggior parte del territorio del paese rientra in zone con un’intensità di 6-7 gradi sulla scala MSK-64, mentre singole regioni, come l’oblast’ di Odessa e la Transcarpazia, possono subire effetti fino a 8-9 gradi. Un’attenzione particolare è rivolta alla zona di Vrancea (Romania), le cui oscillazioni possono propagarsi su una parte significativa dell’Ucraina sud-occidentale.

Per valutare il rischio sismico si utilizzano diversi parametri, tra cui l’accelerazione di picco al suolo (PGA), misurata in percentuale dell’accelerazione di gravità (g). Ad esempio, per una zona di 7 gradi il PGA può essere pari a 0,1g, mentre per una zona di 9 gradi può arrivare a 0,3g e oltre. La determinazione di questi parametri è alla base del calcolo dei carichi sismici di progetto sulle strutture. Gli approcci moderni richiedono non solo di garantire la resistenza, ma anche la capacità della struttura di subire deformazioni plastiche senza collassare, il che si ottiene grazie alla duttilità. Ciò si raggiunge attraverso un’armatura corretta degli elementi in cemento armato e giunzioni speciali nei telai in legno o in metallo. Gli ingegneri utilizzano spettri di risposta, che tengono conto dei periodi propri di oscillazione dell’edificio e delle caratteristiche del terreno, per modellare con precisione il comportamento dinamico. È importante comprendere che il calcolo sismico non è semplicemente l’aggiunta di forze supplementari, ma un’analisi complessa dell’interazione dinamica “terreno-fondazione-struttura”. Ciò consente di progettare edifici in grado di resistere agli effetti sismici previsti con danni minimi, preservando la vita e la salute degli abitanti.

Nel contesto ucraino, dove le mappe sismiche vengono regolarmente aggiornate, architetti e costruttori devono adattare costantemente i propri progetti ai requisiti normativi attuali. Oltre alla valutazione in gradi, si utilizzano anche i concetti di “terremoto di progetto” (RZ), “terremoto di progetto massimo” (MRZ) e “terremoto massimo possibile” (MMZ) per definire diversi livelli di sicurezza. Il RZ viene utilizzato per garantire un esercizio senza danni dopo l’evento, il MRZ per evitare il collasso delle strutture, e il MMZ per valutare i rischi negli impianti critici. Lo studio delle condizioni geologiche locali e delle potenziali sorgenti sismiche è parte integrante della fase preliminare di progettazione di qualsiasi opera in una zona a rischio sismico.

La capacità portante dei terreni è un parametro fondamentale nella progettazione di qualsiasi struttura, ma nelle aree sismicamente attive la sua analisi assume un’importanza particolare. Durante un terremoto, il terreno non solo trasmette le onde sismiche, ma può esso stesso subire deformazioni significative, che influiscono sulla stabilità della fondazione. Un fenomeno chiave è la liquefazione del terreno, quando i terreni sabbiosi o limosi saturi d’acqua perdono la propria capacità portante sotto l’azione di carichi ciclici, trasformandosi in un fluido. Ciò può portare al cedimento degli edifici, alla loro inclinazione o addirittura al collasso completo. Pertanto, oltre alle indagini geotecniche standard, nelle zone sismiche si eseguono prove dinamiche del terreno, come la prova penetrometrica statica (CPT) con possibilità di misurazione della pressione interstiziale (CPTu) o la prova penetrometrica standard (SPT), per valutare il potenziale di liquefazione.

Oltre alla liquefazione, un aspetto importante è l’effetto di amplificazione delle oscillazioni del terreno (ground amplification). Questo fenomeno si verifica quando i terreni soffici (ad esempio, argillosi o limo-argillosi) possono amplificare l’ampiezza delle onde sismiche, trasmettendo alla fondazione accelerazioni molto maggiori rispetto a quelle che si avrebbero su rocce. La risonanza può verificarsi se la frequenza propria di oscillazione del massiccio di terreno coincide con la frequenza delle onde sismiche o con la frequenza propria dell’edificio. La ДБН В.1.1-12:2014 definisce le categorie di terreno in base alle proprietà sismiche (da I a IV), il che influisce sulla scelta dei coefficienti di sismicità e dei tipi di fondazione. Ad esempio, su terreni di categoria IV (deboli, saturi d’acqua) sono necessarie misure molto più consistenti per garantire la stabilità rispetto alla categoria I (rocciosi). I metodi geofisici, come la profilatura sismica, consentono di determinare la velocità di propagazione delle onde sismiche nei terreni (Vs – velocità delle onde di taglio), un dato critico per il calcolo delle caratteristiche del massiccio di terreno e la valutazione dell’effetto di amplificazione. Tali prove sono obbligatorie per gli impianti di elevata responsabilità.

Per attenuare gli effetti negativi del terreno, gli ingegneri applicano diversi metodi: dal compattamento dei terreni, alla sostituzione degli strati deboli, fino alla realizzazione di fondazioni su pali che attraversano gli strati problematici fino a raggiungere gli strati portanti. Una profonda comprensione dell’interazione “terreno-fondazione” è determinante per minimizzare i rischi e garantire la durabilità e la sicurezza delle strutture nelle zone sismicamente attive. Errori nella valutazione della capacità portante dei terreni possono portare a conseguenze catastrofiche, motivo per cui gli investimenti in indagini geologiche di qualità sono sempre giustificati.

La scelta del tipo di fondazione ottimale per un edificio in una zona sismicamente attiva è una decisione complessa, basata sulle condizioni geologiche, sull’intensità degli effetti sismici previsti, sulle particolarità costruttive dell’edificio e sulla sua destinazione funzionale. La scelta della fondazione in una zona sismica è un fattore determinante per la trasmissione e la dissipazione dell’energia del terremoto. Esaminiamo i principali tipi di fondazione.

Fondazioni a nastro: Sebbene siano tradizionali per l’edilizia a bassa densità, nelle zone sismiche il loro impiego richiede un rinforzo. Nastri continui, collegati tra loro, garantiscono una migliore distribuzione dei carichi. Una condizione importante è la realizzazione di cordoli armati (reticoli di collegamento) al livello superiore della fondazione, che creano un disco orizzontale rigido e impediscono la separazione delle singole parti della fondazione durante le oscillazioni. Per i terreni soggetti a deformazioni non uniformi, le fondazioni a nastro possono essere meno indicate, se non è previsto un’armatura significativa e una profondità di posa adeguata. La ДБН В.2.1-10:2018 «Basi e fondazioni di edifici e strutture» regola i requisiti generali per le fondazioni, e nelle aree sismiche questi requisiti vengono rafforzati da coefficienti di sicurezza.

Fondazioni a platea (UŠP – Platea Svedese Isolata, o platea monolitica): Le fondazioni a platea monolitica, che coprono l’intera superficie dell’edificio, sono una delle soluzioni più efficaci per le zone a rischio sismico. Creano una base rigida unica, che distribuisce uniformemente i carichi sismici su un’ampia superficie di terreno. Ciò riduce significativamente il rischio di cedimenti differenziali e garantisce una migliore interazione “terreno-fondazione”. La UŠP, oltre a un’elevata capacità portante, integra sistemi di riscaldamento e isolamento termico, il che la rende una soluzione energeticamente efficiente e resistente ai sismi. Grazie alla grande superficie di contatto con il terreno, le fondazioni a platea sono anche meno soggette all’effetto della liquefazione, poiché la pressione sul terreno si distribuisce in modo più uniforme. L’armatura della platea viene calcolata per i significativi momenti flettenti generati dalle oscillazioni sismiche.

Fondazioni su pali: Nei casi di terreni deboli, saturi d’acqua o soggetti a liquefazione, le fondazioni su pali sono la scelta ottimale. Trasferiscono il carico dell’edificio attraverso gli strati deboli del terreno fino a strati più profondi e resistenti. I pali, collegati da un reticolo (ростверк), formano una struttura spaziale rigida. È importante non solo la capacità portante del palo, ma anche la sua capacità di resistere a flessione e taglio sotto carichi dinamici. La struttura del reticolo deve essere sufficientemente rigida e resistente per distribuire efficacemente le forze tra i pali e garantire il lavoro congiunto dell’intero sistema. La progettazione delle fondazioni su pali richiede un’analisi accurata dell’interazione “palo-terreno” e la considerazione dei potenziali carichi laterali durante un terremoto. Per ridurre i fenomeni di risonanza, talvolta si applicano elementi smorzatori tra il reticolo e le teste dei pali. La scelta tra pali trivellati, infissi o ad elica dipende dalle condizioni geologiche e dalla convenienza economica.

Garantire l’integrità strutturale di un edificio sottoposto a carichi sismici si basa su alcuni principi chiave, che vanno oltre il semplice calcolo di resistenza. L’obiettivo principale non è semplicemente resistere al carico, ma garantire un comportamento controllato della struttura durante il terremoto, minimizzando il rischio di collasso e proteggendo la vita umana. Questo approccio si chiama “progettazione agli stati limite” e comprende sia il primo gruppo di stati limite (resistenza, stabilità) sia il secondo (deformazioni, resistenza alla fessurazione). La ДБН В.1.1-12:2014 richiede l’applicazione di coefficienti di sicurezza speciali per materiali e carichi, nonché la considerazione della natura dinamica degli effetti.

Uno dei principi centrali è il principio della “colonna forte – trave debole”, o “capacity design”. Consiste nel garantire il collasso plastico degli elementi primari (travi, diaframmi) prima che si verifichi il collasso di quelli secondari (colonne). Questo garantisce che il telaio portante mantenga la propria stabilità, anche se singoli elementi risultano danneggiati. Tale approccio garantisce la duttilità della struttura – la capacità di assorbire e dissipare l’energia del terremoto attraverso deformazioni plastiche senza perdere la capacità portante. A tal fine si utilizzano schemi speciali di armatura degli elementi in cemento armato, che prevengono il collasso fragile.

Rigidità e dissipazione dell’energia: La struttura deve avere una rigidità sufficiente per limitare le deformazioni ed evitare spostamenti eccessivi, che potrebbero causare danni agli elementi non portanti o urti reciproci tra edifici adiacenti. Tuttavia, una rigidità eccessiva può portare a un aumento delle forze sismiche. Per questo la progettazione prevede una combinazione ottimale di rigidità e flessibilità. Per la dissipazione (dispersione) dell’energia si utilizzano dispositivi smorzatori speciali, come gli smorzatori viscosi, gli smorzatori a frizione o gli smorzatori metallici, che trasformano l’energia cinetica delle oscillazioni in calore. Questi dispositivi possono essere integrati nel telaio dell’edificio o utilizzati nei sistemi di isolamento alla base.

Regolarità della pianta e della disposizione verticale: Gli edifici con forma regolare e simmetrica in pianta e in altezza mostrano un comportamento migliore durante i terremoti. Le irregolarità, come significative variazioni di rigidità o massa ai diversi piani, nonché piante a forma di L o T, possono portare a concentrazioni di sollecitazioni e oscillazioni torsionali. In questi casi sono necessari calcoli aggiuntivi e misure costruttive, ad esempio la suddivisione dell’edificio in blocchi separati mediante giunti di dilatazione. Tutto ciò richiede all’architetto e all’ingegnere strutturista una profonda comprensione della dinamica delle strutture e una stretta collaborazione con organizzazioni geotecniche e sismologiche per ottenere dati di partenza affidabili.

La resistenza sismica di un edificio dipende in larga misura dall’affidabilità e dalla corretta progettazione dei nodi e delle giunzioni, responsabili della trasmissione dei carichi sismici tra gli elementi della struttura. Questi nodi devono essere in grado di sopportare non solo forze assiali e flettenti, ma anche significativi effetti di taglio e trazione che si verificano durante i terremoti. La loro capacità di subire deformazioni plastiche senza collassare (duttilità) è di importanza critica.

Giunzione “fondazione-colonna”: Questo nodo è la prima linea di difesa, trasmettendo le forze sismiche dal terreno alla sovrastruttura. Nelle strutture in cemento armato, le colonne sono collegate rigidamente alla platea di fondazione o al reticolo della fondazione su pali. L’armatura delle colonne deve essere immersa nel corpo della fondazione per una lunghezza di ancoraggio sufficiente e disporre di un’adeguata armatura trasversale (staffe) nella zona di raccordo. Ciò previene lo scorrimento e lo sfilamento dell’armatura durante i carichi ciclici. Per gli edifici con strutture in legno, come pannelli XLAM o legno lamellare, si utilizzano ancoraggi e fissaggi metallici, che devono essere calcolati per resistere a sfilamento e taglio. Ad esempio, speciali ancoraggi angolari o piastre perforate con bulloni garantiscono un collegamento rigido tra la parete in legno e lo zoccolo in cemento.

Nodi “colonna-trave” e “parete-solaio”: Nelle strutture intelaiate in cemento armato, questi nodi sono progettati come telai rigidi. L’armatura delle travi deve attraversare le colonne e disporre di un ancoraggio affidabile. Nei punti di giunzione si aumenta la quantità di armatura trasversale (staffe) per garantire la rigidità spaziale e prevenire il collasso prematuro del calcestruzzo. Per le pareti, in particolare in pannelli XLAM, i collegamenti con i solai vengono realizzati mediante speciali fissaggi a vite, tasselli a taglio o bulloni di ancoraggio, che garantiscono la trasmissione delle forze di taglio orizzontali. I diaframmi orizzontali rigidi (solai) devono essere collegati alle pareti in modo da lavorare come un insieme unico, distribuendo le forze sismiche tra gli elementi portanti verticali. La ДБН В.2.6-98:2009 «Strutture in legno. Disposizioni fondamentali» contiene anch’essa raccomandazioni sui fissaggi nelle strutture in legno, ma per le zone sismiche queste raccomandazioni devono essere rafforzate.

Diaframmi di rigidità e controventi: Le pareti-diaframma (in cemento armato o in materiale appositamente rinforzato, come i pannelli XLAM) sono gli elementi principali che assorbono le forze sismiche orizzontali. Le loro giunzioni con la fondazione, i solai e altri diaframmi devono essere particolarmente resistenti. Un ruolo importante è svolto anche dai controventi verticali e orizzontali, che formano un sistema spaziale e garantiscono il lavoro congiunto dell’intero edificio. Negli edifici in legno, ad esempio a telaio, si utilizzano controventi diagonali o piastre metalliche per aumentare la rigidità e la dissipazione dell’energia. Il calcolo dettagliato e la verifica di ogni nodo per le diverse combinazioni di carico sono parte integrante della progettazione sismica, poiché è l’anello più debole a determinare la resistenza dell’intero sistema.

Il pensiero ingegneristico moderno va oltre la resistenza passiva ai carichi sismici, proponendo soluzioni attive e semi-attive per la protezione degli edifici. Queste tecnologie innovative consentono di migliorare significativamente la resistenza sismica, ridurre i danni e aumentare il livello di sicurezza anche nelle regioni sismicamente più attive. Una delle più efficaci è la tecnologia dell’isolamento alla base.

Isolamento alla base (Base Isolation): Questo sistema consiste nel separare la sovrastruttura dalla fondazione mediante speciali elementi isolanti, come appoggi in gomma-metallo (cuscinetti in gomma-piombo o in gomma ad alta elasticità). Questi isolatori vengono installati tra la fondazione e la parte inferiore del telaio dell’edificio. Durante il terremoto, gli isolatori assorbono la maggior parte dei movimenti orizzontali del terreno, riducendo significativamente le accelerazioni trasmesse alla sovrastruttura. Ciò consente all’edificio di oscillare come un corpo rigido con deformazioni e danni minori agli elementi e agli impianti interni. L’applicazione dell’isolamento alla base può ridurre le forze sismiche agenti sulla struttura del 50-80%, garantendo un livello di protezione molto più elevato rispetto agli schemi rigidi tradizionali. Questa tecnologia è particolarmente efficace per impianti di importanza critica, come ospedali, data center o musei, dove la conservazione della funzionalità e dell’integrità dei contenuti è prioritaria.

Smorzatori e dissipatori di energia: Oltre all’isolamento alla base, esistono altri sistemi per la dissipazione dell’energia sismica. Gli smorzatori di massa accordati (Tuned Mass Dampers, TMD) sono grandi masse installate ai piani superiori dell’edificio e sintonizzate sulla frequenza di risonanza dell’edificio. Oscillano in controfase rispetto alla struttura principale, riducendone l’ampiezza di oscillazione. I TMD sono efficaci per gli edifici alti, soggetti a oscillazioni a bassa frequenza. Gli smorzatori viscosi, simili ad ammortizzatori idraulici, sono integrati nel telaio dell’edificio e dissipano l’energia attraverso la resistenza di un fluido viscoso. Gli smorzatori a frizione utilizzano l’attrito per trasformare l’energia cinetica in calore. Questi sistemi possono essere sia passivi sia attivi, il che consente loro di adattarsi a diverse caratteristiche degli effetti sismici.

Sistemi di controllo attivo: Sono i sistemi più complessi e promettenti, che utilizzano sensori per monitorare le oscillazioni sismiche in tempo reale e attivano meccanismi esecutivi (attuatori) per contrastare tali oscillazioni. Gli attuatori possono generare forze che contrastano i carichi sismici, oppure modificare la rigidità/le proprietà smorzanti dell’edificio. Sebbene questi sistemi siano ancora in una fase di sviluppo intensivo e molto costosi, offrono il massimo livello di protezione per strutture uniche e strategicamente importanti. Lo sviluppo di tali impianti tecnici è una direzione importante per il futuro dell’edilizia antisismica.

Il calcestruzzo, o più precisamente il cemento armato, è uno dei materiali più diffusi nell’edilizia e svolge un ruolo critico nel garantire la resistenza sismica degli edifici. La sua resistenza a compressione, unita alla plasticità dell’armatura in acciaio, crea un materiale composito capace di sopportare significativi carichi dinamici. Tuttavia, per un funzionamento efficace nelle zone sismiche, le strutture in calcestruzzo devono essere progettate ed eseguite nel rispetto di requisiti speciali.

Diaframmi di rigidità in cemento armato: Sono elementi portanti verticali che attraversano l’intera altezza dell’edificio e sono responsabili di assorbire le forze sismiche orizzontali. Sono progettati come pareti piene con un’armatura significativa. Un requisito chiave è garantire la continuità dell’armatura, in particolare di quella verticale, che deve essere saldamente ancorata nella fondazione e nei solai superiori. Le zone di raccordo dei diaframmi con travi e colonne, così come le aree attorno alle aperture, richiedono un’armatura rinforzata per prevenire la concentrazione di sollecitazioni. In Ucraina, la ДБН В.1.1-12:2014 stabilisce requisiti specifici per la percentuale minima di armatura e il passo delle staffe in tali elementi.

Telai in cemento armato: Negli edifici a telaio, la resistenza sismica è garantita dal lavoro congiunto di colonne, travi e dei nodi delle loro giunzioni. Il principio della “colonna forte – trave debole” è fondamentale, il che significa che i collassi plastici devono verificarsi nelle travi e non nelle colonne. Ciò si ottiene attraverso un’armatura adeguata: aumentando la quantità e il diametro dell’armatura longitudinale nelle colonne e armando accuratamente le zone di giunzione tra travi e colonne (nodi rigidi) con armatura trasversale (staffe). Il coefficiente di armatura volumetrica in tali zone può raggiungere il 2-3% del volume di calcestruzzo, garantendo un’elevata duttilità. Un calcestruzzo di classe non inferiore a B25 è un requisito standard per gli elementi portanti nelle zone sismiche, poiché garantisce la resistenza e la durabilità necessarie.

Fondazioni in cemento armato: Come già indicato, le fondazioni in cemento armato a platea e su pali sono la scelta migliore nelle regioni sismiche. La loro monoliticità e rigidità garantiscono un’efficace distribuzione dei carichi sismici sul terreno. L’armatura delle platee di fondazione viene calcolata per la flessione biassiale, mentre i reticoli su pali per significativi carichi flettenti e di taglio. Per garantire l’affidabilità, le gabbie di armatura devono essere accuratamente assemblate e fissate prima del getto, per evitare spostamenti durante la colata. È inoltre importante il controllo qualità del getto, la compattazione della miscela per prevenire la formazione di vuoti, che potrebbero ridurre la resistenza e la resistenza sismica dell’elemento. Un controllo continuo in tutte le fasi della costruzione è garanzia di successo.

Al termine della costruzione, garantire la resistenza sismica non si esaurisce. L’esercizio e il monitoraggio costante degli edifici nelle zone sismiche sono di importanza critica per mantenerne funzionalità e sicurezza per tutta la durata di vita. Anche l’edificio meglio progettato e costruito può subire danni da un forte terremoto, per cui è importante disporre di una strategia di valutazione e ripristino.

Valutazione post-sismica: Dopo qualsiasi evento sismico significativo, gli edifici devono essere immediatamente ispezionati da ingegneri strutturisti qualificati. L’obiettivo è una rapida valutazione del grado di danno, la determinazione della sicurezza dell’edificio per un ulteriore esercizio e lo sviluppo di un piano di lavori di ripristino. La valutazione comprende un’ispezione visiva per individuare crepe negli elementi portanti (colonne, travi, pareti, fondazioni), deformazioni, distacchi di calcestruzzo, danni alle giunzioni. Si applicano metodi strumentali, come l’esame ultrasonico del calcestruzzo, la misurazione della larghezza delle crepe, la scansione laser per individuare deformazioni nascoste. A seconda del grado di danno, l’edificio può essere classificato come: idoneo all’esercizio senza limitazioni, idoneo con limitazioni, necessitante di riparazione o da demolire. Per gli impianti di elevata responsabilità, come ospedali o scuole, una valutazione rapida e precisa è critica.

Sistemi di monitoraggio strutturale (SHM): Le tecnologie moderne consentono di implementare un monitoraggio costante dello stato degli edifici, chiamato Structural Health Monitoring (SHM). Questi sistemi comprendono una rete di sensori, come accelerometri, estensimetri, sensori di spostamento, installati sugli elementi chiave della struttura (fondazioni, colonne, solai). I sensori raccolgono continuamente dati sulle caratteristiche dinamiche dell’edificio (frequenze di oscillazione, deformazioni, accelerazioni), che vengono poi analizzati da software. In caso di individuazione di anomalie o cambiamenti nel comportamento della struttura, il sistema emette un allarme, consentendo di intervenire tempestivamente. Lo SHM è particolarmente prezioso per edifici alti, ponti e altre infrastrutture critiche. In Ucraina, l’applicazione dello SHM è in una fase iniziale, ma il suo potenziale per aumentare la sicurezza è enorme.

Manutenzione tecnica regolare: Oltre al monitoraggio post-sismico, gli edifici nelle zone sismiche richiedono una manutenzione tecnica regolare. Ciò comprende la verifica dello stato degli elementi strutturali, degli impianti tecnici, nonché la valutazione dell’impatto dell’invecchiamento dei materiali sulle loro caratteristiche di resistenza. Per le strutture in cemento armato è importante controllare la corrosione dell’armatura, per quelle in legno lo stato dei fissaggi e l’integrità del legno. Qualsiasi modifica della destinazione funzionale dell’edificio o significative ricostruzioni devono essere accompagnate da una revisione dei calcoli sismici. Ciò garantisce che l’edificio rimanga resistente ai carichi dinamici per tutto il suo ciclo di vita, in conformità con i requisiti normativi e gli standard di sicurezza vigenti.