Espulsione delle tamponature e ribaltamento fuori piano: come eseguire la verifica sismica [NTC2018 e Circolare 2019]

Quando si progetta una costruzione in zona sismica, non è sufficiente che tutti gli elementi strutturali risultino verificati allo Stato Limite Ultimo e di Esercizio. Anche gli elementi non strutturali dovranno risultare verificati nei confronti degli effetti indotti dall’azione sismica. Un caso tipico riguarda la verifica delle tamponature nei confronti dell’espulsione nelle strutture intelaiate in cemento armato.

In quest’articolo vedremo nel dettaglio il problema dell’espulsione delle tamponature per effetto delle accelerazioni indotte da un evento sismico, quali sono le prescrizioni della Normativa Tecnica per il calcolo della domanda sismica e come calcolare la capacità delle tamponature nei confronti del ribaltamento e dell’espulsione fuori piano.

Alla fine dell’articolo potrai scaricare gratuitamente il Focus Normativo PDF contenente tutte le prescrizioni delle NTC2018 e Circolare 2019 sulla verifica a ribaltamento delle tamponature e un file Excel (formato *.xlsm) per eseguire la verifica sismica delle tamponature nei confronti dell’espulsione.

Tamponature: elementi costruttivi non strutturali

La Normativa Tecnica definisce gli elementi costruttivi non strutturali nel modo seguente:

Per elementi costruttivi non strutturali s’intendono quelli con rigidezza, resistenza e massa tali da influenzare in maniera significativa la risposta strutturale e quelli che, pur non influenzando la risposta strutturale, sono ugualmente significativi ai fini della sicurezza e/o dell’incolumità delle persone.

par. 7.2.3 – NTC2018

Pertanto gli elementi costruttivi non strutturali risulteranno suddivisi in due gruppi:

• gruppo 1) elementi con rigidezza, resistenza e massa tali da influenzare in maniera significativa la risposta strutturale;
• gruppo 2) elementi che influenzano la risposta strutturale solo attraverso la loro massa, ma sono ugualmente significativi ai fini della sicurezza e/o dell’incolumità delle persone.

Le tamponature degli edifici intelaiati in cemento armato sono elementi costruttivi non strutturali dotati di rigidezza nei confronti delle azioni nel piano, di massa e resistenza data dalle proprietà meccaniche dei laterizi con cui vengono realizzate.

A rigore le tamponature influenzano la risposta strutturale dell’edificio nei confronti delle azioni orizzontali, in quanto si oppongono agli spostamenti relativi dei nodi del campo di telaio in cui sono collocate. Il loro contributo nei confronti della rigidezza traslante della struttura può essere valutato mediante l’introduzione nel modello di calcolo di un’asta-pendolo che collega i nodi del telaio (te ne ho parlato in questo post).

Generalmente però, la presenza delle aperture nelle tamponature e le ridotte proprietà meccaniche dei laterizi forati rendono possibile trascurare il contributo in termini di rigidezza e resistenza alla risposta della struttura. Le tamponature pertanto vengono solitamente modellate solo in termini di massa, ovvero come carichi distribuiti applicati sulle travi della struttura.

In entrambi i casi le tamponature delle strutture intelaiate rappresentano un pericolo per la sicurezza e incolumità delle persone in quanto, in presenza di sisma, possono venire espulse dalla struttura oppure essere soggette al ribaltamento fuori piano, come mostrato nelle immagini seguenti.

Come specificato dalla Circolare 2019, uno stesso elemento strutturale, ad esempio una tamponatura rigida, può appartenere al gruppo 1 per azioni sismiche nel proprio piano medio e al gruppo 2 per azioni sismiche ortogonali al piano medio.

Tamponature: irregolarità in pianta e in altezza

La distribuzione delle tamponature in pianta e in altezza può influire sull’entità dell’azione sismica.

Nel caso di tamponature distribuite in maniera fortemente irregolare in pianta, la Normativa Tecnica prescrive di amplificare l’azione sismica incrementando di un fattore 2 l’eccentricità accidentale del baricentro delle masse.

In caso di tamponature distribuite in maniera fortemente irregolare in altezza la Normativa Tecnica prescrive di amplificare di un fattore 1.4 la domanda sismica sugli elementi verticali (pilastri e pareti) appartenenti ai livelli che presentano una significativa riduzione degli elementi non strutturali.

Verifica all’espulsione delle tamponature: come calcolare la domanda sismica

La verifica delle tamponature nei confronti dell’espulsione va eseguita confrontando la domanda sismica con la capacità. La domanda sismica si calcola applicando la seguente formula proposta dalla Normativa Tecnica:

F_a = S_a * W_a / q_a

• F_a = forza sismica agente sull’elemento non strutturale;
• S_a = accelerazione massima, adimensionalizzata rispetto all’accelerazione di gravità, che l’elemento non strutturale subisce durante il sisma;
• W_a = peso dell’elemento non strutturale;
• q_a = fattore di comportamento dell’elemento.

Formula 7.2.1 – NTC2018

Il fattore di comportamento q_a assume valore 2 per le tamponature, come riportato nella tabella C7.2.I della Circolare 2019.

Per il calcolo dell’accelerazione sismica S_a agente sulla tamponatura, la Circolare 2019 propone tre differenti metodi:

• spettri di risposta di piano;
• formulazione semplificata per elementi non strutturali, impianti, eventuali meccanismi locali;
• formulazione semplificata per costruzioni con struttura a telai

Nel seguito del post analizzeremo nel dettaglio i tre metodi di calcolo per S_a proposti dalla Circolare 2019.

Domanda sismica sulle tamponature: spettri di risposta di piano

Il metodo degli spettri di risposta di piano è il metodo più complesso fra quelli proposti per la valutazione dell’accelerazione sismica su un elemento non strutturale. Tale metodo richiede l’esecuzione dell’analisi modale dell’intera struttura, in quanto dovranno essere noti gli spostamenti di piano dei modi di vibrare e i fattori di partecipazione modale.

Tale metodo consente di ottenere l’accelerazione sismica in un qualsiasi punto della struttura, in particolare l’accelerazione S_a viene definita al piano j-esimo in corrispondenza del modo di vibrare i-esimo. Lo spettro di risposta di piano riporta le accelerazioni S_a in funzione del periodo proprio di vibrare T_a dell’elemento non strutturale.

Domanda sismica sulle tamponature: formulazione semplificata per qualunque tipologia costruttiva

Il secondo metodo di calcolo proposto dalla Circolare 2019 è una formulazione semplificata valida per qualsiasi tipologia strutturale, per impianti e meccanismi locali dell’edificio. Tale formulazione porta in conto le proprietà dinamiche della struttura, quali i modi di vibrare e lo spettro di risposta alla base dell’edificio.

Domanda sismica sulle tamponature: formulazione semplificata per strutture a telaio

Per le strutture intelaiate la Circolare 2019 propone una formulazione semplificata per il calcolo degli spettri di piano, valida nell’ipotesi di andamento delle accelerazioni sismiche sulla struttura linearmente crescenti con l’altezza. In tale formulazione l’accelerazione sismica S_a(T_a) agente sugli elementi non strutturali è funzione dei seguenti parametri:

• α = a_g/g, accelerazione sismica su sottosuolo di tipo A espressa in frazioni di g;
• S = coefficiente che tiene conto della categoria di sottosuolo e delle condizioni topografiche;
• T_a = periodo fondamentale di vibrazione dell’elemento non strutturale;
• T₁ = periodo di vibrazione fondamentale della costruzione nella direzione considerata;
• z = quota del baricentro dell’elemento non strutturale a partire dalla fondazione;
• H = altezza della costruzione a partire dalla fondazione.

Scarica il Focus Normativo sulla verifica all’espulsione delle tamponature

Tutte le prescrizioni della Normativa Tecnica NTC2018 e della Circolare 2019 riguardanti il calcolo della domanda sismica sugli elementi costruttivi non strutturali raccolte in un unico documento PDF scaricabile gratuitamente. Compila i campi qui sotto, riceverai all’istante un’email contenente il link per eseguire il download.

Verifica all’espulsione delle tamponature: come calcolare la capacità

La Normativa Tecnica prescrive le modalità e le formulazioni necessarie per il calcolo della domanda sismica sugli elementi non strutturali. Ma come si calcola la capacità? Di seguito vedremo come calcolare la capacità sismica delle tamponature nei confronti dell’espulsione e del ribaltamento fuori piano.

Per il calcolo della capacità sismica delle tamponature è possibile considerare due differenti tipi di meccanismi di danno fuori piano:

• flessione verticale: si verifica in caso di pannello di tamponatura aderente alla trave nella parte superiore a seguito della creazione di un meccanismo ad arco a tre cerniere;
• ribaltamento fuori piano: si verifica nel caso in cui il pannello di tamponatura non è aderente alla trave nella parte superiore, nell’ipotesi di trascurare il collegamento laterale con i pilastri.

In entrambi i casi si ipotizza un diagramma delle tensioni di compressione del tipo a stress-block ai fini del calcolo della capacità e quindi del momento resistente della tamponatura. Una volta determinata la profondità dell’asse neutro, uguagliando le tensioni di compressione allo sforzo normale agente, si procede al calcolo del momento resistente rispetto al baricentro della sezione.

Scarica la risorsa utility per la verifica delle tamponature [Foglio Excel formato *.xlsm]

Scarica gratuitamente la risorsa utility per la verifica all’espulsione delle tamponature di strutture intelaiate in cemento armato. Puoi scaricare il file Excel [formato *.xlsm] compilando i campi qui sotto. Riceverai all’istante una mail contenente il link per eseguire il download.

Conclusioni

La verifica delle tamponature nei confronti dell’espulsione è fondamentale per assicurare un adeguato livello di sicurezza della costruzione. Non è sufficiente infatti accertare che tutti gli elementi strutturali risultino verificati nei confronti delle sollecitazioni agenti. Anche gli elementi non strutturali, pur non influendo sul rischio di collasso della struttura, sono potenzialmente dannosi per l’incolumità delle persone in caso di espulsione o ribaltamento fuori piano.

Spero che quest’articolo abbia fatto luce sull’importanza della verifica delle tamponature nei confronti dell’espulsione per le strutture in cemento armato. Se l’hai trovato utile puoi suggerirlo ad un tuo amico su Facebook o ad un tuo collega su Linkedin cliccando sui tasti di condivisione social in fondo alla pagina.

Al prossimo post.

Marco