Vincitore Cat. A Premi ISI PER LA RICERCA
Articolo di approfondimento
Qualificazione sismica degli elementi non strutturali sensibili alle accelerazioni.
Sviluppo di uno spettro di piano target indipendente dalle caratteristiche dell’edificio e di un nuovo protocollo di prova in accordo alle NTC 2018
Ing. Martino Zito, Ph.D – Libero professionista
Pubbl. 11 giugno 2026
Introduzione
Negli ultimi decenni, gli eventi sismici hanno evidenziato in modo sempre più chiaro il ruolo cruciale degli elementi non strutturali (EnS) nel determinare il livello di danno complessivo degli edifici, nonché le conseguenze in termini di perdite di vita umana, economiche e interruzione delle funzionalità. In molti casi, infatti, il danneggiamento degli EnS può risultare predominante rispetto a quello della struttura portante, compromettendo l’operatività di edifici strategici e causando significative perdite economiche e costi di riparazione. Per tale motivo, la qualificazione sismica degli EnS rappresenta oggi un tema centrale sia nella ricerca sia nella pratica ingegneristica, nonché nell’ambito della certificazione di prodotto.
Le procedure attualmente adottate per la certificazione sismica si basano prevalentemente su prove sperimentali, spesso condotte mediante tavola vibrante, con l’obiettivo di riprodurre le azioni sismiche e valutare la risposta dinamica degli EnS. Vari protocolli di prova sono stati sviluppati e sono tipicamente adottati in letteratura e nella pratica. Tuttavia, tali protocolli presentano alcune criticità, legate in particolare alla definizione della domanda sismica, alla rappresentatività delle condizioni di prova e alla limitata capacità di generalizzazione dei risultati.
Alla luce di tali limitazioni, emerge la necessità di sviluppare un approccio sistematico e protocolli più affidabili, in grado di stimare in maniera affidabile e robusta la capacità degli EnS. In questo lavoro viene pertanto proposto un protocollo di prova innovativo per la valutazione e la qualificazione sismica di EnS mediante prove su tavola vibrante. Il protocollo è sviluppato sulla base di una revisione critica dei metodi esistenti, degli avanzamenti più recenti nella letteratura scientifica e dell’esperienza sperimentale maturata nel settore, con l’obiettivo di superare le principali criticità individuate e migliorare l’affidabilità delle procedure di prova.
In particolare, l’attenzione è posta sulla definizione della domanda sismica e delle storie di carico, attraverso l’introduzione di spettri di risposta richiesti (RRS) sviluppati considerando la domanda sismica degli EnS attualmente adottata dalla normativa italiana. Il protocollo proposto mira a integrare la stima delle proprietà dinamiche alla valutazione dei parametri prestazionali significativi, con riferimento a stati di danno e livelli di prestazioni compatibili con gli stati limite definiti nelle norme internazionali.
1. Metodologia
I protocolli di prova analizzati sono ampiamente utilizzati nella letteratura scientifica, in particolare AC156 [1] e FEMA 461 [2]. I protocolli AC156, FEMA 461 e ISO 13033 [3] sono stati sviluppati per valutare e/o qualificare le prestazioni sismiche di elementi generici e, tra questi, il protocollo AC156 è l’unico esplicitamente finalizzato alla certificazione sismica. Tuttavia, alcuni studi recenti hanno evidenziato potenziali criticità del protocollo AC156, sia in termini di domanda spettrale (RRS) [4-6] sia di severità del danno [7]. Altri protocolli sono invece finalizzati a specifiche infrastrutture critiche, come quelle di telecomunicazione, elettriche o nucleari. La maggior parte dei protocolli non definisce in modo chiaro le condizioni di applicabilità in funzione della sensibilità al danno e alla risposta degli EnS.
L’obiettivo dei protocolli esistenti è spesso quello di verificare se l’elemento testato soddisfi determinati requisiti di funzionalità o stabilità, secondo un criterio di tipo “pass/fail”. Nel caso della qualificazione industriale da parte dei produttori, prescritta dalle norme, questo approccio non consente una valutazione sismica generalizzabile.
I protocolli di prova dovrebbero includere criteri e procedure per la stima delle proprietà dinamiche (DPs) e dei parametri prestazionali significativi (SPPs) degli elementi da testare. Le proprietà dinamiche sono necessarie per una valutazione sufficientemente accurata della domanda sismica in conformità alle normative (per esempio, [8,9]). I parametri prestazionali significativi rappresentano grandezze quantitative utilizzate per valutare sia la domanda sia la capacità sismica degli EnS e per verificarne le condizioni di sicurezza. La definizione di tali parametri dipende dalla sensibilità dell’elemento alla risposta e al danneggiamento indotti dall’azione sismica. Gli SPPs possono essere selezionati tra grandezze inerziali o deformative, oppure come combinazione di entrambe, in funzione dei meccanismi di risposta e danneggiamento rilevanti per l’elemento in esame. Le procedure sperimentali consentono di stimare la capacità sismica, mentre le normative definiscono generalmente gli approcci e le formulazioni per la valutazione della domanda, che può dipendere anche dalle proprietà dinamiche sia degli edifici sia degli EnS.
Per elementi sensibili all’accelerazione, la capacità sismica può essere espressa in termini di accelerazione di picco al piano (PFA) o sull’elemento (PCA). Per elementi sensibili agli spostamenti o alle deformazioni, la capacità può essere espressa tramite l’Interstory Drift Ratio (IDR) o mediante specifiche misure di spostamento o deformazione (δ), in funzione delle deformazioni rilevanti ai fini del danneggiamento. Infine, per elementi caratterizzati da una risposta combinata, è necessario considerare congiuntamente entrambe le tipologie di parametri, tenendo conto dei relativi meccanismi di risposta.
La Tabella 1 riassume alcune raccomandazioni tecniche per l’implementazione di un approccio unificato alla valutazione sismica degli EnS mediante prove sperimentali, individuando i parametri e le caratteristiche chiave per la qualificazione degli EnS più comuni e rappresentativi. Un approccio unificato non dovrebbe limitarsi alla selezione dei parametri chiave e dei protocolli di prova, pur rappresentando questo un passo fondamentale. È infatti necessario che le procedure sperimentali siano progettate e implementate in modo da massimizzare l’informazione ottenuta, garantendo sistematicità e completezza nella caratterizzazione della risposta e del danneggiamento degli elementi testati. In particolare, le proprietà dinamiche dovrebbero essere stimate in corrispondenza dei diversi stati di danno, al fine di analizzare l’evoluzione del comportamento del sistema, mentre ciascuno stato di danno, dalle condizioni di operatività fino al collasso, dovrebbe essere associato a specifiche soglie dei parametri prestazionali.
La definizione tecnica degli stati di danno (DS) associati agli stati limite oggetto della verifica di sicurezza si basa su criteri o correlazioni danno–DS (schede di danno) e dipende fortemente dalla tipologia, dalle caratteristiche e dalla configurazione degli EnS. Il danneggiamento degli EnS durante le prove dovrebbe essere valutato al termine di ciascuna prova di prestazione sismica mediante un’ispezione delle condizioni fisiche del campione e la compilazione di apposite schede di rilievo del danno. Il raggiungimento degli stati di danno deve essere associato a soglie di parametri di intensità o parametri ingegneristici di domanda (EDP) efficaci.
La selezione del campione di prova deve essere effettuata in funzione degli obiettivi del produttore e dei requisiti previsti dalle normative di riferimento. In particolare, il campione deve essere più o meno rappresentativo della linea produttiva, in relazione all’ampiezza e alla rappresentatività attese dei risultati di qualificazione. In generale, il campione di prova dovrebbe rappresentare una condizione conservativa, al fine di ottenere la minima capacità sismica associata al sistema in esame.
2. Definizione di un nuovo protocollo di prova
Il programma di carico è implementato mediante prove di identificazione dinamica e prove di valutazione delle prestazioni sismiche. Le prove di valutazione della prestazione sismica dovrebbero essere eseguite mediante una procedura incrementale. I livelli di intensità sismica iniziale, intermedio e finale devono essere scelti in funzione del comportamento atteso e del danneggiamento del campione rispetto agli obiettivi prestazionali, e devono essere compatibili con le capacità della tavola vibrante e della strumentazione disponibile. Prima e dopo ciascuna prova di valutazione della prestazione, deve essere eseguita una prova di identificazione dinamica rispetto a ciascuna direzione principale del campione per valutare le proprietà dinamiche dell’EnS e la loro evoluzione durante le prove incrementali.
Per l’identificazione dinamica del campione di prova, nel presente studio si raccomanda l’impiego di prove con segnale di rumore bianco ottenuto tramite un processo stazionario casuale uniforme [11]. I picchi di accelerazione del segnale devono essere pari a circa 0.10 ± 0.05 g; tale livello di intensità consente di evitare il danneggiamento del campione, sebbene in alcuni casi possano essere adottati valori inferiori (o superiori). Il segnale dovrebbe presentare un contenuto energetico significativo nell’intervallo di frequenze compreso tra 1 e 32 Hz, una durata minima di 60 s e una frequenza di campionamento pari a 200 o 400 Hz.
Lo studio sviluppa una procedura robusta per la generazione dei segnali di prova, articolata in più fasi, tra cui la generazione del segnale di base e la compatibilità con lo spettro di risposta richiesto (RRS). Gli spettri di risposta richiesti (RRS) sono stati sviluppati sulla base della formulazione di domanda sismica (Sa) degli EnS indicata dalle NTC 2018 [9] e dalla Circolare esplicativa alle NTC [12]. La nuova formulazione degli RRS è basata su un intervallo ampio e rappresentativo di periodi fondamentali degli edifici, compreso tra 0.1 e 2.0 s, definito sulla base di scenari edilizi europei rappresentativi [13, 14]. Ciò permette di generalizzare le risultanze della prova, estendendo le capacità stimate a qualsiasi sito ed edificio compatibile con le condizioni di cui sopra.
La Figura 1 mostra gli spettri di risposta al piano adimensionali per z/H = 1, ottenuti considerando tale intervallo di periodi (smorzamento pari al 5%). Lo spettro RRS sviluppato è illustrato in Figura 1. La relativa formulazione è riportata nell’Equazione (1), in cui i parametri f0, f1 e f2 assumono valori pari rispettivamente a 1.00, 1.40 e 12.5 Hz.
Considerando la condizione più significativa z/H = 1 e PGA=0.5 g, sono stati confrontati i segnali generati secondo la procedura descritta e compatibili con lo spettro RRS proposto (segnali da #1 a #7), con gli spettri RRS dei protocolli esistenti e con spettri di segnali di piano naturali registrati su edifici reali (set 1 FM e set 2 FM) e ricavati dal Center for Engineering Strong Motion Data (CESMD) [16], rispettivamente nelle Figure 2a e 2b. L’intervallo di frequenze corrispondente al plateau del RRS proposto è più ampio rispetto a quello degli altri protocolli. Sebbene alcuni spettri dei protocolli esistenti presentino ordinate leggermente superiori in intervalli di frequenza ristretti, lo spettro RRS proposto risulta complessivamente il più conservativo. I protocolli esistenti forniscono ordinate spettrali significativamente inferiori rispetto a quelle degli spettri dei segnali del protocollo proposto (Figura 2a) e, in alcuni casi, inferiori alle risposte mediane delle FM dei Set 1 e Set 2 (Figura 2b). Ciò evidenzia la superiorità del RRS e dei segnali di prova sviluppati e, complessivamente, del protocollo sviluppato.
Figura 2. Confronto tra gli spettri di risposta RRS/input relativi ai protocolli esistenti e (a) gli spettri dei segnali generati secondo il nuovo protocollo di prova descritto NPS e (b) gli spettri FM, considerando un PGA pari a 0,50 g. Tutti gli spettri si riferiscono a uno smorzamento del 5% [15].
3. Conclusioni e sviluppi futuri
Il presente lavoro ha illustrato lo sviluppo e la validazione di un protocollo innovativo per la qualificazione sismica degli EnS mediante prove su tavola vibrante. Il protocollo integra una revisione critica dei metodi esistenti, gli avanzamenti più recenti nella letteratura e l’esperienza sperimentale maturata nel settore. L’elemento più innovativo è rappresentato dalla definizione delle storie di carico, basata su una formulazione della domanda sismica coerente con le normative e sviluppata considerando un’ampia variabilità dei periodi strutturali. Questo approccio consente di ottenere input sismici più rappresentativi e generalizzabili.
La validazione analitica del protocollo, condotta attraverso il confronto con registrazioni di segnali di piano reali e con protocolli esistenti, evidenzia una maggiore coerenza spettrale e una migliore rappresentatività della domanda sismica. L’approccio sviluppato è inoltre flessibile ed estendibile a diverse tipologie di componenti e condizioni applicative.
Studi successivi [17] hanno validato ulteriormente il protocollo sviluppato considerando EnS modellati come sistemi ad un grado di libertà con comportamento isteretico, fornendo coefficienti parziali di sicurezza da applicare alle capacità valutate sperimentalmente al fine di garantire un adeguato livello di affidabilità.
Il protocollo sviluppato è stato assunto come riferimento per l’European Assessment Document (EAD) 090062-01-0404 Kits for external wall claddings mechanically fixed” (OJEU: Decision (UE) 2024/237), confermando la sua affidabilità e robustezza ai fini della qualificazione degli EnS.
Ringraziamenti
Si ringraziano il prof. Gennaro Magliulo e il dott. Danilo D’Angela, promotori e relatori della tesi di Dottorato di cui questo articolo presenta un breve estratto.
Riferimenti
- ICC-ES AC156; Acceptance Criteria for Seismic Certification by Shake-Table Testing of Nonstructural Components. International Code Council (ICC): Washington, DC, USA, 2012
- FEMA 461; Interim Testing Protocols for Determining the Seismic Performance Characteristics of Structural and Nonstructural Components. FEMA:Washington, DC, USA, 2007
- British Standards Institution (BSI). Bases for Design of Structures-Loads, Forces and Other Actions-Seismic Actions on Nonstructural Components for Building Applications; British Standard Institution: London, UK, 2013; pp. 1–54.
- Perrone D., Brunesi E., Decarro F., Peloso S., Filiatrault A. Seismic Assessment and Qualification of Non-structural Elements in Europe: a Critical Review. 4th International Workshop on the Seismic Performance of Non-Structural Elements (SPONSE), Pavia, Italy: 2019.
- Anajafi, H.; Medina, R.A. Evaluation of ASCE 7 Equations for Designing Acceleration-sensitive Nonstructural Components Using Data from Instrumented Buildings. Earthq. Eng. Struct. Dyn. 2018, 47, 1075–1094.
- Petrone C, Magliulo G, Manfredi G. Floor response spectra in RC frame structures designed according to Eurocode 8. Bull Earthq Eng 2016;14:747–67.
- D’Angela D, Magliulo G, Cosenza E. Towards a reliable seismic assessment of rocking components. Eng Struct 2021;230:111673.
- Comité Européen de Normalisation (CEN). Eurocode 8: Design of Structures for Earthquake Resistance; Comité Européen de Normalisation (CEN): Brussels, Belgium, 2005.
- Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti (MIT). (2018). Aggiornamento delle Norme tecniche per le costruzioni Decreto 17 gennaio 2018, 23–35 (in Italian).
- Zito M, Nascimbene R, Dubini P, D’Angela D, Magliulo G. Experimental seismic assessment of nonstructural elements: testing protocols and novel perspectives. Buildings 2022;12:1871.
- Clough, R.W., & Penzien, J. (2003). Dynamics of structures. Computers & Structures, Inc
- Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti (MIT). (2019). Istruzioni per l’applicazione dell’«Aggiornamento delle Norme tecniche per le costruzioni» di cui al decreto ministeriale 17 gennaio 2018 (in Italian).
- Housner,G.W.,Martel, R. R.,&Alford, J. L. (1953). Spectrum analysis of strong-motion earthquakes. Bulletin of the Seismological Society of America, 43(2), 97–119.
- Rodriguez, D., Perrone, D., Filiatrault, A., & Brunesi, E. (2021). A probabilistic strong floor motion duration model for seismic performance assessment of non-structural building elements. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 50(15), 4161–4179.
- Zito M, D’Angela D, Maddaloni G, Magliulo G. A shake table protocol for seismic assessment and qualification of acceleration-sensitive nonstructural elements. Comput Aided Civ Eng 2022:mice.12951.
- CESMD. Center for Engineering Strong Motion Data 2017. 〈www.strongmotioncenter.org〉. Download on October 31st 2017.
- Danilo D’Angela, Gennaro Magliulo, Chiara Di Salvatore, Martino Zito, Seismic assessment and qualification of acceleration-sensitive nonstructural elements through shake table testing: Reliability of testing protocols and reliability-targeted safety factors, Engineering Structures, Volume 301
Articolo letto 465 volte
ASSOCIATI A ISI
Iscriviti alla Newsletter
Associazione ISI
Ingegneria Sismica Italiana
Sede legale e operativa
via Flaminia, 21
00196 Roma (RM)
Sede territoriale di Catania
c/o ANCE Catania
Viale Vittorio Veneto,109
95127 Catania (CT)
Contatti
segreteria@ingegneriasismicaitaliana.it
ingegneriasismicaitaliana@pec.it
(+39) 331 2696084
© 2026 ISI Ingegneria Sismica Italiana • All Rights Reserved • Partita iva 02562780029 • Codice Fiscale 96063240186 • Privacy & Cookie Policy