Classe di duttilità alta (CD”A”) o media (CD”B”)? Scopri cosa cambia

In fase di progettazione di una struttura in zona sismica le NTC2018 ci pongono di fronte ad una scelta: scegliere se progettare in classe di duttilità alta o media.  Nell’articolo di oggi ti parlo di tutti gli aspetti progettuali e di calcolo su cui la scelta della classe di duttilità avrà effetto e quali differenze avremo in fase di analisi e in fase esecutiva. Ti elencherò i 5 aspetti chiave su cui la scelta della classe di duttilità avrà un impatto, modificando numericamente i parametri che entrano in gioco nell’analisi o vincolando le verifiche da eseguire e i dettagli costruttivi degli elementi strutturali.

Alla fine del post potrai scaricare gratuitamente un Focus Normativo in formato PDF in cui ti riporto in un unico documento tutte le prescrizioni delle NTC2018 e della Circolare 2019 sulla classe di duttilità, contenute nei diversi capitoli e paragrafi del testo normativo.

Classe di duttilità: la definizione delle NTC2018

La Normativa Tecnica nell’ambito delle strutture dissipative dà la possibilità di scegliere fra due differenti strade progettuali:

• classe di duttilità alta indicata con la sigla CD”A”;
• classe di duttilità media indicata con la sigla CD”B”.

Le precedenti NTC2008 definivano la classe CD”B” come classe di duttilità bassa. L’entrata in vigore delle NTC2018 ha modificato la dicitura della classe di duttilità bassa in classe di duttilità media. Ecco come il testo normativo delle NTC2018 definisce le classi di duttilità. Non preoccuparti se ti risulta difficile afferrare il significato di quanto segue, ti spiegherò tutto dopo.

L’estratto del testo normativo NTC2018

CLASSI DI DUTTILITÀ

Una costruzione a comportamento strutturale dissipativo deve essere progettata per conseguire una delle due Classi di Duttilità (CD):

• Classe di Duttilità Alta (CD”A”), ad elevata capacità dissipativa;
•  Classe di Duttilità Media (CD”B”), a media capacità dissipativa.

La differenza tra le due classi risiede nell’entità delle plasticizzazioni previste, in fase di progettazione, sia a livello locale sia a livello globale.

PROGETTAZIONE IN CAPACITÀ E FATTORI DI SOVRARESISTENZA

Sia per la CD”A” sia per la CD”B”, s’impiegano i procedimenti tipici della progettazione in capacità. […]

Questa progettazione ha lo scopo di assicurare alla struttura dissipativa un comportamento duttile ed opera come segue:

• distingue gli elementi e i meccanismi, sia locali sia globali, in duttili e fragili;
• mira ad evitare le rotture fragili locali e l’attivazione di meccanismi globali fragili o instabili;
• mira a localizzare le dissipazioni di energia per isteresi in zone degli elementi duttili a tal fine individuate e progettate, dette “dissipative” o “duttili”, coerenti con lo schema strutturale adottato.

Tali fini possono ritenersi conseguiti progettando la capacità in resistenza allo SLV degli elementi/meccanismi fragili, locali e globali, in modo che sia maggiore di quella degli elementi/meccanismi duttili ad essi alternativi. Per assicurare il rispetto di tale diseguaglianza, a livello sia locale sia globale, l‘effettiva capacità in resistenza degli elementi/meccanismi duttili è incrementata mediante un opportuno coefficiente γRd, detto “fattore di sovraresistenza”; a partire da tale capacità maggiorata si dimensiona la capacità degli elementi/meccanismi fragili indesiderati, alternativi ai duttili.

par. 7.2.2 – NTC2018

Duttilità, zone dissipative e cicli di isteresi

L’energia in ingresso proveniente da un evento sismico che provoca l’oscillazione del suolo su cui si eleva una costruzione deve essere dissipata da particolari zone della struttura: le zone dissipative (le precedenti NTC2008 le definivano zone critiche). Queste zone sono localizzate alle estremità delle travi in adiacenza al nodo trave-pilastro. Le zone dissipative devono plasticizzarsi, ossia il calcestruzzo e l’acciaio che ricade in tali zone deve uscire dal campo elastico in seguito alle deformazioni subite ed entrare in campo plastico, dissipando in tal modo energia per isteresi. Cosa vuol dire per isteresi? Puoi capirlo subito osservando il grafico forza-spostamento riportato nell’immagine qui sotto.

Quelli che vedi  nel grafico forza-spostamento si chiamano  cicli di isteresi e l’area contenuta in questi cicli è una misura dell’energia dissipata dalla struttura. Più grandi sono questo cicli, maggiore sarà l’energia dissipata. Puoi leggere questo grafico come la relazione fra la forza sismica orizzontale che sollecita la struttura (asse verticale) e lo spostamento orizzontale di un nodo di sommità (asse orizzontale).

I 5 aspetti chiave su cui influisce la classe di duttilità

Ti riporto di seguito i 5 punti su cui la scelta della classe di duttilità avrà un impatto, modificando i parametri che entrano in gioco nell’analisi strutturale e ponendo delle condizioni sulle verifiche di resistenza da eseguire e sui dettagli costruttivi da adottare per gli elementi strutturali.

1. L’influenza sul fattore di comportamento

Scegliere fra classe di duttilità alta (CD”A”) o media (CD”B”) avrà un impatto in primo luogo sull’entità dell’azione sismica. Per strutture in classe di duttilità alta avremo un’azione sismica di progetto minore rispetto alle strutture in classe di duttilità media. Tale differenza si manifesta attraverso il fattore di comportamento (ex fattore di struttura nelle NTC2008) che assumerà valori diversi a seconda della scelta fra CD”A” e CD”B”. Il fattore di comportamento ridurrà le ordinate dello spettro di risposta elastico, ovvero le accelerazioni sismiche, permettendoci di ottenere lo spettro di progetto. La riduzione delle ordinate dello spettro elastico sarà maggiore per classe di duttilità alta e minore per classe di duttilità media.

2. Classe di duttilità: gerarchia delle resistenze e fattore di sovraresistenza γRd

L’armatura a taglio delle travi e l’armatura a flessione e a taglio dei pilastri dipende anch’essa dalla classe di duttilità scelta attraverso il principio di gerarchia delle resistenze e il fattore di sovraresistenza γRd applicato alle sollecitazioni.

L’armatura a taglio delle travi non viene dimensionata sulla base dei tagli sollecitanti derivanti dall’analisi della struttura, ma viene dimensionata dal taglio che si ottiene applicando all’estremità della trave i momenti sollecitanti pari al momento resistente della sezione di estremità della trave, amplificati per il fattore di sovraresistenza γRd.

Lo stesso succede per l’armatura a taglio dei pilastri. Per i pilastri inoltre l’armatura longitudinale non viene dimensionata sulla base delle sollecitazioni che derivano dall’analisi, ma sulla base dei momenti resistenti trasmessi dalle travi al nodo trave-pilastro e da questo al pilastro e amplificati per il fattore di sovraresistenza γRd.

Il valore del fattore γRd dipende dalla classe di duttilità scelta ed è più alto per la classe di duttilità alta (CD”A”) e più basso per la classe di duttilità media (CD”B”).

3. Classe di duttilità: l’influenza sulla verifica dei nodi

Le NTC2018 introducono una novità rispetto alle precedenti NTC2008 in tema di verifica di resistenza dei nodi. Il nodo trave-pilastro è definito come quella parte del pilastro che si sovrappone alle travi in esso concorrenti. La verifica di resistenza deve assicurare che il nodo trave-pilastro non collassi prima delle zone dissipative delle travi e dei pilastri ad esso adiacenti.

Le NTC2018 prescrivono di eseguire la verifica di resistenza dei nodi delle strutture in calcestruzzo armato sia per le strutture in classe di duttilità alta (CD”A”) che media (CD”B”). Tali verifiche invece non vanno eseguite nel caso di strutture non dissipative (par. C.7.4.4.3.1 Circ. 2019). Il precedente testo normativo del 2008 invece prescriveva la verifica dei nodi solo per le strutture in CD”A”, tale verifica non doveva essere eseguita per le strutture in CD”B”.

4. La presenza di travi a spessore: quando è possibile usarle

La scelta della classe di duttilità influisce sulla possibilità di utilizzare le travi a spessore nei telai resistenti all’azione sismica. Se prevediamo di utilizzare telai sismo-resistenti in cui alcune travi saranno realizzate a spessore, allora bisognerà progettare obbligatoriamente in classe di duttilità media (CD”B”) [vedi par. 7.4.3.2 NTC2018].

La struttura può essere progettata in classe di duttilità alta CD”A”, solo se le travi a spessore vengono concepite come elementi strutturali secondari, ovvero progettate per resistere ai soli carichi verticali, senza dare un contributo significativo in termini di resistenza e rigidezza alla capacità della struttura nei confronti dell’azione sismica.

I sistemi strutturali, ai sensi della vigente Normativa Tecnica, sono composti di elementi strutturali definiti primari ed eventuali elementi strutturali definiti secondari. Agli elementi strutturali primari è affidata l’intera capacità antisismica del sistema; gli elementi strutturali secondari sono progettati per resistere ai soli carichi verticali. Il contributo totale alla rigidezza ed alla resistenza sotto azioni orizzontali degli elementi secondari non può superare il 15% dell’analogo contributo degli elementi primari.

5. Classe di duttilità: i limiti sui dettagli costruttivi

A seconda della classe di duttilità scelta cambiano le prescrizioni normative sui dettagli costruttivi da adottare per travi e pilastri di strutture in calcestruzzo armato. La prima differenza riguarda la lunghezza della zona dissipativa, misurata a partire dalla faccia del pilastro su cui converge la trave:

• per CD”A” la zona dissipativa è lunga 1.5 volte l’altezza della trave;
• per CD”B” la zona dissipativa è lunga 1 volta l’altezza della trave.

Per i pilastri la lunghezza della zona dissipativa non dipende dalla classe di duttilità scelta e sarà la maggiore tra le seguenti quantità:

• l’altezza della sezione del pilastro;
• 1/6 dell’altezza libera del pilastro;
• 45 cm;
• l’altezza libera del pilastro se questa è inferiore a 3 volte l’altezza della sezione.

Cambiano anche le limitazioni riguardanti il passo massimo delle staffe da adottare nelle zone dissipative delle travi:

• per CD”A”: passo non superiore a 17.5 cm oppure 6 volte il diametro minimo delle barre longitudinali (esempio: barra longitudinale φ18, passo massimo pari a 10.8 cm)
• per CD”B”: passo non superiore a 22.5 cm oppure 8 volte il diametro minimo delle barre longitudinali (esempio: barra longitudinale φ18, passo massimo pari a 14.4 cm)

Lo stesso succede per le limitazioni riguardanti il passo massimo da adottare per le staffe nelle zone dissipative dei pilastri:

• per CD”A” passo non superiore alla minore delle seguenti quantità:
  • 1/3 del lato minore della sezione (esempio: lato minore 30 cm, passo massimo 10 cm);
  • 12.5 cm;
  • 6 volte il diametro minimo delle barre longitudinali (esempio: barra longitudinale φ18, passo massimo pari a 10.8 cm)
• per CD”B” passo non superiore alla minore delle seguenti quantità:
  • 1/2 del lato minore della sezione (esempio: lato minore 30 cm, passo massimo 15 cm);
  • 17.5 cm;
  • 8 volte il diametro minimo delle barre longitudinali (esempio: barra longitudinale φ18, passo massimo pari a 14.4 cm)

Scarica il Focus Normativo in formato PDF sulla classe di duttilità

Ho raccolto per te tutte le prescrizioni della Normativa Tecnica NTC2018 e della Circolare 2019 riguardanti la classe di duttilità di una struttura in unico documento PDF scaricabile gratuitamente. Potrai consultarlo quando avrai bisogno di riguardare velocemente le prescrizioni normative sulla classe di duttilità da utilizzare per il tuo progetto strutturale, evitando di scorrere su e giù nel file pdf del testo normativo (di ben 372 pagine!), alla ricerca di tutte le prescrizioni contenute nei diversi capitoli. Compila i campi qui sotto, riceverai all’istante un’email contenente il link per eseguire il download.

Classe di duttilità alta o media: le differenze in sintesi

Come hai potuto vedere una semplice scelta fra classe di duttilità alta o media influisce su diversi aspetti progettuali di una struttura. In quest’immagine ti riporto in sintesi le principali differenze fra le due classi di duttilità, in modo da poterle memorizzare visivamente.

Volendo sintetizzare le diverse differenze possiamo dedurre:

Strutture in classe di duttilità alta (CD”A”)

Le strutture in CD”A” avranno minore resistenza rispetto alle strutture in CD”B”. La sollecitazione sismica delle strutture in CD”A” sarà più bassa, di conseguenza i momenti resistenti di progetto delle travi saranno minori e la quantità di armatura anche; ti ricordo che una sezione meno armata è più duttile rispetto alla stessa sezione con armatura maggiore (puoi verificare la duttilità di una sezione in c.a. nel modulo per il calcolo del legame momento-curvatura nel modulo di Ver.Sez.). Una sezione meno armata, avrà maggiori capacità dissipative; le zone dissipative destinate a dissipare l’energia in ingresso del sisma saranno di lunghezza maggiore e il passo delle staffe all’interno della zona critica sarà più fitto rispetto alle strutture in CD”B”, garantendo un maggiore confinamento del calcestruzzo delle zone dissipative.

Strutture in classe di duttilità media (CD”B”)

Viceversa le strutture progettate in CD”B” avranno maggiore resistenza, in quanto l’azione sismica e le sollecitazioni saranno maggiori, così come i momenti resistenti i progetto. Di contro avranno minori capacità dissipative, la lunghezza delle zone dissipative di travi e pilastri sarà più corta e il passo delle staffe sarà meno fitto rispetto alle strutture in CD”A”.

Conclusioni: come scegliere fra classe di duttilità alta o media

Non esiste una scelta giusta e una sbagliata per la classe di duttilità; si tratta di due differenti scelte progettuali: una predilige la duttilità, l’altra predilige la resistenza. Un possibile criterio di scelta della classe di duttilità potrebbe consistere nel testare entrambi gli approcci progettuali simulando i due scenari nel proprio software di calcolo strutturale e scegliendo quello economicamente più vantaggioso in base ai quantitativi di armatura necessari nei due casi. L’unico caso in cui la classe di duttilità deve essere necessariamente media (CD”B”) è il caso in cui per i telai sismo-resistenti è previsto l’utilizzo delle travi a spessore come elementi strutturali primari. In tal caso non abbiamo scelta, dovremo optare per la classe di duttilità media.

Mi auguro che quest’articolo ti sia stato utile e che abbia fatto un po’ di luce su un aspetto rilevante della progettazione. Se vuoi suggerirlo ad un tuo amico su Facebook o ad un tuo collega su Linkedin clicca sui tasti di condivisione social in fondo alla pagina.

Al prossimo articolo.

Marco

Aggiornato il 20/9/2019, pubblicato il 9/5/2016.