Calcolo Acciaio Ntc 2018 Strutture Dissipativo E Non Dissipativo

Strutture dissipative e non dissipative secondo le Norme Tecniche per le Costruzioni 2018

Guida Completa al Calcolo delle Strutture in Acciaio secondo NTC 2018

Le Norme Tecniche per le Costruzioni 2018 (NTC 2018) introducono requisiti specifici per la progettazione delle strutture in acciaio, distinguendo tra strutture dissipative e non dissipative. Questa guida approfondisce i criteri di calcolo, le verifiche richieste e le differenze fondamentali tra i due approcci progettuali.

1. Differenze tra Strutture Dissipative e Non Dissipative

Caratteristica	Strutture Dissipative	Strutture Non Dissipative
Comportamento Sismico	Dissipazione energetica attraverso deformazioni plastiche	Comportamento elastico lineare
Fattore di Comportamento (q)	q > 1.5 (tipicamente 4-6)	q = 1.0 – 1.5
Duttilità Richiesta	Alta (CD”A”), Media (CD”B”)	Bassa (CD”C”)
Verifiche	Resistenza + Gerarchia delle Resistenze	Solo Resistenza
Costo	Maggiore (dettagli costruttivi)	Minore

Le strutture dissipative sono progettate per resistere ai terremoti attraverso la formazione di cerniere plastiche in zone predeterminate, dissipando energia. Le non dissipative, invece, devono rimanere in campo elastico anche durante eventi sismici severi, richiedendo quindi sezioni più robuste.

2. Criteri di Progetto secondo NTC 2018

1. Classificazione delle Sezioni: Le NTC 2018 adottano la classificazione Eurocodice (Classe 1-4) in base alla capacità di formare cerniere plastiche:
   • Classe 1: Sezioni che possono formare cerniere plastiche con capacità rotazionale
   • Classe 2: Sezioni che possono raggiungere il momento plastico ma con capacità rotazionale limitata
   • Classe 3: Sezioni che possono raggiungere lo snervamento ma non il momento plastico
   • Classe 4: Sezioni soggette a instabilità locale (verifica con sezione efficace)
2. Gerarchia delle Resistenze: Nelle strutture dissipative, le zone dissipative (es. travi) devono essere più deboli delle zone non dissipative (es. colonne) per evitare meccanismi di collasso fragili.
3. Fattore di Comportamento (q): Dipende dalla tipologia strutturale e dalla classe di duttilità:

   Tipologia Strutturale	CD”A” (Alta Duttilità)	CD”B” (Media Duttilità)	CD”C” (Bassa Duttilità)
   Telai a Nodi Fissi	4.0 – 5.0	3.0 – 4.0	1.5 – 2.0
   Telai con Controventi Eccentrici	5.0 – 6.0	4.0 – 5.0	2.0 – 2.5
   Strutture a Pendolo Invertito	2.0 – 2.5	1.5 – 2.0	1.0 – 1.5

4. Verifiche Sismiche: Le NTC 2018 richiedono:
   • Verifica di resistenza (SLU) con combinazioni sismiche
   • Verifica di duttilità per strutture dissipative
   • Verifica di stabilità globale (P-Δ)

3. Procedura di Calcolo Passo-Passo

La procedura per il calcolo delle strutture in acciaio secondo NTC 2018 segue questi passaggi:

1. Definizione della Geometria:
   • Dimensione delle campate e interpiani
   • Sezioni trasversali (HEA, HEB, IPE, etc.)
   • Vincoli e connessioni
2. Classificazione delle Sezioni:

   Calcolo dei rapporti larghezza/spessore (b/t) per alae e anime:

   Per anime: \( \frac{h_w}{t_w} \leq \frac{82}{\sqrt{f_y}} \) (Classe 1)

   Per alae: \( \frac{c}{t_f} \leq 9 \) (Classe 1, per acciaio S235-S355)

3. Calcolo delle Sollecitazioni:
   • Analisi lineare o non lineare (push-over per strutture dissipative)
   • Combinazioni di carico (SLU: 1.3G + 1.5Q ± 1.5E)
4. Verifiche di Resistenza:

   Flessione: \( \frac{M_{Ed}}{M_{pl,Rd}} \leq 1.0 \)

   Taglio: \( \frac{V_{Ed}}{V_{pl,Rd}} \leq 1.0 \)

   Pressoflessione: \( \frac{N_{Ed}}{N_{pl,Rd}} + \frac{M_{Ed}}{M_{pl,Rd}} \leq 1.0 \)

5. Verifiche di Stabilità:

   Instabilità flessionale (Eulero): \( \frac{N_{Ed}}{N_{b,Rd}} \leq 1.0 \)

   Instabilità laterale: \( \frac{M_{Ed}}{M_{b,Rd}} \leq 1.0 \)

6. Verifiche Sismiche Specifiche (solo dissipative):
   • Gerarchia delle resistenze: \( \sum M_{Rb} \geq 1.3 \sum M_{Rc} \)
   • Sovraresistenza: \( \Omega = \frac{R_{max}}{R_{min}} \leq 1.5 \)

4. Esempio Pratico: Calcolo di una Trave in Acciaio S275

Consideriamo una trave IPE 300 in acciaio S275 (f_y = 275 N/mm²) con luce L = 6 m, soggetta a:

• Carico permanente: G = 10 kN/m
• Carico variabile: Q = 15 kN/m
• Zona sismica 2 (a_g = 0.25g)

Passo 1: Proprietà della sezione (IPE 300)

• Altezza (h) = 300 mm
• Larghezza ala (b) = 150 mm
• Spessore ala (t_f) = 10.7 mm
• Spessore anima (t_w) = 7.1 mm
• Area (A) = 53.8 cm²
• Momento d’inerzia (I_y) = 8356 cm⁴
• Modulo elastico (W_el) = 557 cm³
• Modulo plastico (W_pl) = 628 cm³

Passo 2: Classificazione della sezione

Calcoliamo i rapporti b/t:

Ala: \( \frac{c}{t_f} = \frac{(b – t_w)/2}{t_f} = \frac{(150 – 7.1)/2}{10.7} = 6.5 \leq 9 \) → Classe 1

Anima: \( \frac{h_w}{t_w} = \frac{300 – 2 \times 10.7}{7.1} = 39.6 \leq \frac{82}{\sqrt{275}} = 4.95 \) → Non soddisfa Classe 1

Poiché l’anima non soddisfa i requisiti per Classe 1, la sezione è Classe 2 (può raggiungere M_pl ma con rotazione limitata).

Passo 3: Momento Resistente Plastico (M_pl,Rd)

\( M_{pl,Rd} = W_{pl} \times f_y = 628 \times 10^3 \times 275 \times 10^{-6} = 172.7 \text{ kNm} \)

Passo 4: Taglio Resistente Plastico (V_pl,Rd)

Area dell’anima: \( A_v = h_w \times t_w = (300 – 2 \times 10.7) \times 7.1 = 1980 \text{ mm}^2 \)

\( V_{pl,Rd} = \frac{A_v \times f_y}{\sqrt{3}} = \frac{1980 \times 275}{1.732} \times 10^{-3} = 319.5 \text{ kN} \)

Passo 5: Verifica a Flessione

Momento massimo in campata (carichi distribuiti):

\( M_{Ed} = \frac{(1.3G + 1.5Q) \times L^2}{8} = \frac{(1.3 \times 10 + 1.5 \times 15) \times 6^2}{8} = 105.75 \text{ kNm} \)

Verifica: \( \frac{105.75}{172.7} = 0.61 \leq 1.0 \) → VERIFICATO

Passo 6: Verifica a Taglio

Taglio massimo agli appoggi:

\( V_{Ed} = \frac{(1.3G + 1.5Q) \times L}{2} = \frac{(1.3 \times 10 + 1.5 \times 15) \times 6}{2} = 88.5 \text{ kN} \)

Verifica: \( \frac{88.5}{319.5} = 0.28 \leq 1.0 \) → VERIFICATO

Passo 7: Verifica Sismica (Struttura Dissipativa, CD”A”)

Fattore di comportamento: q = 4.5 (telai a nodi fissi, alta duttilità)

Forza sismica di progetto: \( F_{Ed} = \frac{F_{E}}{q} = \frac{200}{4.5} = 44.4 \text{ kN} \) (esempio)

Verifica gerarchia delle resistenze: \( \sum M_{Rb} \geq 1.3 \sum M_{Rc} \) → VERIFICATO (ipotesi di progetto)

5. Dettagli Costruttivi per Strutture Dissipative

Le NTC 2018 impongono requisiti stringenti per i dettagli costruttivi delle strutture dissipative:

• Connessioni Trave-Colonna:
  • Deve essere garantita la continuità delle alae tese
  • Bulloni ad alta resistenza (classe 8.8 o 10.9)
  • Piastre di nodi verificata a taglio e flessione
• Zone Dissipative:
  • Le cerniere plastiche devono formarsi nelle travi, non nelle colonne
  • Rinforzo locale delle anime nelle zone critiche
  • Limitazione dello snellezza (L/i ≤ 120 per travi)
• Controventi:
  • Diagonali in acciaio con snellezza ≤ 200
  • Verifica a buckling (instabilità flessionale)
• Giunti:
  • Giunti a completo ripristino di resistenza (MR)
  • Giunti a parziale ripristino (PR) solo in zone non dissipative

6. Confronto tra NTC 2018 e Eurocodice 3 (EC3)

Le NTC 2018 si basano sull’Eurocodice 3 (EN 1993-1-1) ma introducono alcune differenze:

Aspetto	NTC 2018	Eurocodice 3
Fattore di Comportamento (q)	Valori specifici per zona sismica italiana	Valori generici (dipendenti dalla tipologia)
Classi di Duttilità	CD”A”, CD”B”, CD”C” (3 livelli)	DCL (Bassa), DCM (Media), DCH (Alta)
Spettro di Risposta	Spettro elastico con parametri sismici italiani (ag, F0, TC*)	Spettro di progetto generico (Tipo 1 o 2)
Verifica Gerarchia delle Resistenze	Obbligatoria per CD”A” e CD”B”	Obbligatoria per DCM e DCH
Coefficienti Parziali	γM0 = 1.05 (resistenza acciaio)	γM0 = 1.0 (valore raccomandato)

7. Errori Comuni da Evitare

1. Sottostima delle Azioni Sismiche:
   • Utilizzare lo spettro di progetto corretto per la zona sismica
   • Considerare l’amplificazione topografica (S_T) se applicabile
2. Classificazione Errata delle Sezioni:
   • Verificare sempre i rapporti b/t per alae e anime
   • Attenzione alle sezioni saldate (classe spesso peggiore)
3. Trascurare la Gerarchia delle Resistenze:
   • Nelle strutture dissipative, le colonne devono essere più resistenti delle travi
   • Verificare con \( \sum M_{Rb} \geq 1.3 \sum M_{Rc} \)
4. Instabilità Laterale Non Considerata:
   • Verificare sempre l’instabilità laterale (LTB) per travi non vincolate lateralmente
   • Utilizzare formule di EC3 o analisi FEM per casi complessi
5. Dettagli Costruttivi Inadeguati:
   • Connessioni bullonate: verificare slittamento e resistenza a taglio
   • Saldature: controllare la penetrazione e la qualità

8. Strumenti e Software per il Calcolo

Per la progettazione secondo NTC 2018, si consiglia l’utilizzo di:

• Software Generali:
  • SAP2000 (analisi strutturale avanzata)
  • ETABS (progettazione sismica)
  • Midas Gen (analisi non lineare)
• Software per Acciaio:
  • IDEAS (progettazione connessioni)
  • Advance Steel (modellazione 3D)
  • RFEM (analisi FEM)
• Fogli di Calcolo:
  • Fogli Excel per verifiche locali (es. instabilità)
  • Script Python/Matlab per analisi parametriche

Per verifiche manuali, si possono utilizzare le tabelle ministeriali o i fogli UNI per le proprietà delle sezioni.

9. Normative di Riferimento

Oltre alle NTC 2018, i principali riferimenti normativi sono:

• UNI EN 1993-1-1: Progetto delle strutture in acciaio (Eurocodice 3)
• UNI EN 1993-1-8: Progetto dei giunti
• UNI EN 1998-1: Progettazione sismica
• Circolare Esplicativa NTC 2018 (n. 7/2019): Chiarimenti applicativi

Per approfondimenti, consultare il testo ufficiale delle NTC 2018 (D.M. 17/01/2018) e le norme UNI armonizzate.

10. Conclusioni e Best Practices

La progettazione delle strutture in acciaio secondo NTC 2018 richiede:

1. Attenzione alla Classificazione: Le sezioni devono essere correttamente classificate per evitare sovradimensionamenti o sottostime.
2. Gerarchia delle Resistenze: Fondamentale per le strutture dissipative, deve essere verificata in fase di progetto.
3. Dettagli Costruttivi: Le connessioni devono essere progettate per resistere alle sollecitazioni cicliche sismiche.
4. Analisi Sismica Accurata: Utilizzare spettri di risposta corretti e considerare gli effetti del secondo ordine (P-Δ).
5. Verifiche di Stabilità: Instabilità flessionale e laterale devono essere sempre controllate, soprattutto per elementi snelli.
6. Documentazione: Redigere relazioni di calcolo chiare, con riferimento esplicito alle NTC 2018 e agli Eurocodici.

Per progetti complessi, si raccomanda di affidarsi a ingegneri strutturisti specializzati e di utilizzare software validati per le analisi non lineari.