Adeguamento sismico di edifici esistenti in cemento armato

Il patrimonio edilizio italiano è caratterizzato in buona parte da edifici esistenti in cemento armato che necessitano di adeguamento sismico. Questo perché non sono idonei a fronteggiare in sicurezza gli eventi sismici attesi. Molti edifici sono stati realizzati con approcci progettuali che non considerano il comportamento dinamico delle membrature resistenti. Vediamo quali sono le possibili soluzioni per ridurre il rischio sismico.

Isolatori, controventature e rinforzi locali per l’adeguamento di un edificio esistente

Quali sono gli interventi più performanti per l’adeguamento sismico di un edificio esistente? Come valutare se la prestazione sismica raggiunta è adeguata?

In questo focus ci occupiamo della valutazione della capacità sismica di un edificio esistente in cemento armato e dei possibili interventi di adeguamento. Nello specifico, confrontiamo i vantaggi che derivano da tre diverse soluzioni:

• inserimento di isolatori elastomerici in fondazione
• realizzazione di setti in cemento armato irrigidenti
• rinforzo locale mediante l’applicazione di tessuti fibrorinforzati FRP

Il caso studio trattato è un estratto della tesi dell’ Ing. Stefania Ravizzoli del Politecnico di Milano. La modellazione ad elementi finiti e tutte le valutazioni numeriche sono state condotte con TRAVILOG, il software per il progetto e la verifica sismica delle strutture.

Adeguamento, miglioramento o intervento locale?

Sappiamo che un edificio esistente esprime una resistenza statica nei confronti delle azioni provenienti dal suo normale utilizzo. Allo stesso modo, gli edifici esistenti hanno una loro capacità sismica che può non essere sufficiente se confrontata ai livelli prescritti dalle Norme Tecniche delle Costruzioni del 2018.

Prima di valutare gli interventi strutturali possibili è necessario avere ben chiaro quali siano i livelli di prestazione da raggiungere. Le NTC 2018 prevedono tre livelli di intervento sulle strutture esistenti. A ciascuno si associano diversi valori di prestazione da raggiungere.

Interventi locali

Consideriamo in primo luogo gli interventi locali che interessano singole parti e/o elementi del fabbricato. Per questi interventi il progetto e la valutazione della sicurezza potranno essere riferiti ai soli elementi interessati purchè si dimostri che non si modifica il comportamento delle altre parti e che miglioreranno le condizioni di sicurezza pre-esistenti.

Miglioramento sismico

In seconda istanza abbiamo gli interventi di miglioramento. In questo caso si richiede di incrementare il livello di sicurezza, seppur non occorre raggiungere quello previsto per le nuove costruzioni. È necessario eseguire un’analisi globale prima e dopo l’intervento di miglioramento e valutare come varia il rapporto tra l’azione sismica massima sopportabile dalla costruzione e quella che si utilizzerebbe nel progetto di un nuovo edificio (ζ E).

A meno di specifiche situazioni relative ai beni culturali, per le costruzioni di classe III ad uso scolastico e di classe IV, il valore di ζE deve essere comunque non minore di 0,6, mentre per le rimanenti costruzioni di classe III e per quelle di classe II il valore di ζE, deve essere incrementato di un valore comunque non minore di 0,1.

Adeguamento sismico di edifici esistenti: quando si applica

Infine abbiamo gli interventi di adeguamento sismico per i quali si richiede di ripristinare la sicurezza sismica degli edifici esistenti in modo tale da garantire la stessa prestazione attesa per nuove costruzioni.
Si tratta di interventi quali sopraelevazioni, ampliamenti, variazioni di destinazione d’uso o interventi volti a trasformare completamente il complesso resistente. In questi casi, il progetto dovrà essere riferito all’intera costruzione e dovrà riportare le verifiche pre e post intervento in cui si dimostra che ζE >=1,0.
Si accetta che ζE >= 0,80 solo in caso di variazioni di destinazione d’uso e in caso di modifiche nella classe d’uso che conducano a edifici di classe III ad uso scolastico o di classe IV.

È evidente come, passando da intervento locale ad uno di adeguamento, l’onere economico e di progettazione diventa sempre più impegnativo, fino a richiedere sistemi di consolidamento invasivi e costosi.

Nei prossimi paragrafi prendiamo in considerazione un edificio esistente in cemento armato e studiamo gli interventi in grado di garantire livelli di prestazione sufficienti per fronteggiare in sicurezza gli eventi sismici attesi e raggiungere l’adeguamento atteso.

Valutazione della prestazione di un edificio esistente in cemento armato

L’edificio esistente oggetto di studio possiede uno schema resistente in cemento armato costituito da quattro piani fuori terra, la cui altezza è pari a 4 m per il piano terra e 3,2 m per i restanti piani. La maglia strutturale è caratterizzata da un passo di 5 m ed è realizzata con calcestruzzo CLS 300 e acciaio FeB44k.  Le travi e i pilastri hanno sezioni pari a 30x55cm e armate con Φ16.

La schematizzazione e la modellazione agli elementi finiti è realizzata con il Modulo CEMENTO ARMATO di TRAVILOG e rappresenta la tipicità di questa struttura. Abbiamo quindi un corpo di fabbrica a telai bidirezionali collegati da solai in laterocemento rigidi. Si suppone un livello di conoscenza LC3 e un fattore di confidenza FC pari a 1,00. In altre parole, le resistenze dei materiali non vengono ulteriormente penalizzate (8.5.4 NTC 2018).

Le verifiche da effettuare per l’adeguamento sismico degli edifici esistenti

L’edificio è situato nel comune di Ponte nelle Alpi (BL). Ai fini della verifica si esegue un’analisi dinamica modale; le capacità dissipative vengono considerate mediante un fattore di comportamento q riduttivo delle forze elastiche. Le verifiche a flessione/pressoflessione (meccanismo di rottura duttile) sono condotte con spettri di progetto dedotti dagli spettri elastici mediante un fattore di comportamento q pari a 3. La verifica dei nodi e quella a taglio (meccanismo di rottura fragile) sono condotte con spettri di progetto dedotti dagli spettri elastici mediante un fattore di comportamento q pari a 1,5 (§ C8.7.2.2.1 della Circolare esplicativa delle NTC 2018).

Si eseguono le verifiche a pressoflessione di travi e pilastri e le verifiche dei nodi non confinati. Di seguito si riporta, oltre alle sollecitazioni, una rappresentazione grafica degli sfruttamenti per ogni verifica.

Come già stabilito il nostro obiettivo è l’adeguamento sismico dell’edificio esistente: in altre parole dobbiamo soddisfare tutte le verifiche. È quindi interessante confrontare i valori delle sollecitazioni e la variazione degli sfruttamenti tra lo stato di fatto e quello di progetto con i diversi interventi proposti.

L’analisi dello stato di fatto dimostra che l’edificio è inadeguato a fronteggiare in sicurezza gli eventi tellurici attesi.

• Le travi presentano crisi a flessione raggiungendo rapporti di sfruttamento superiori a 2
• i pilastri del piano terra vanno in crisi per presso-flessione con rapporti di sfruttamento pari a 1,8
• i nodi non confinati presentano delle tensioni di trazione troppo elevate per la staffatura presente.

Interventi per l’adeguamento sismico di un edifici esistenti in cemento armato

Adeguare sismicamente un edificio esistente in cemento armato significa incrementare la capacità di fronteggiare un terremoto fino a raggiungere il livello richiesto ad una nuova costruzione.

La strategia classica della moderna progettazione antisismica consiste nell’affidare la dissipazione dell’energia incassata dall’edificio a specifici elementi strutturali o a parti di essi (capacity design). L’effetto benefico della dissipazione energetica viene considerato mediante il coefficiente di comportamento q riduttivo delle accelerazioni spettrali legate al sisma (§3.2.3.5 NTC 2018). Adeguare una costruzione esistente realizzando rinforzi locali, ad esempio con FRP, e sistemi di controventatura rientra in questo approccio progettuale.

Un’altra possibilità per l’adeguamento sismico di edifici esistenti è rappresentata dalla strategia del periodo proprio. Consiste nell’isolare la struttura di elevazione al piano fondazione mediante l’applicazione di isolatori sismici. Tali dispositivi creano una sconnessione orizzontale tra la sovrastruttura e il terreno di fondazione; in questo modo lo spostamento fisico del dispositivo limita l’entità dell’accelerazione trasferita.

Nel nostro caso studio interveniamo valutando entrambi gli approcci progettuali. Analizziamo gli effetti degli isolatori, dell’irrigidimento trasversale e del rinforzo locale. Valutiamo la fattibilità e, confrontandone i risultati, cerchiamo di individuare quali sono gli interventi più performanti per adeguare la struttura.

Adeguamento simico di edifici esistenti in cemento armato: gli isolatori sismici

La funzione principale degli isolatori consiste nel disaccoppiare il comportamento della sovrastruttura da quello registrato a quota imposta delle fondazioni. Si differenzia il periodo di vibrazione della sovrastruttura da quello del terreno in modo da evitare effetti di risonanza distruttivi. Durante il moto oscillatorio la sovrastruttura compie oscillazioni tanto più ampie quanto minore è la sua rigidezza e la resistenza degli isolatori.
Le oscillazioni sono date in particolar modo dalla deformazione degli isolatori e, in minima parte, sono date dalle deformazioni della sovrastruttura stessa. Dunque, si può comprendere come gli isolatori siano efficaci quando riescono a ridurre fortemente le accelerazioni trasmesse. Ciò comporta:

• vantaggi diretti sulla sovrastruttura, perché si riduce l’entità delle forze di inerzia agenti;
• benefici indiretti sulla sottostruttura, perché si limitano le intensità delle forze di inerzia che subisce.

Un isolatore, come specificato dal §7.10 NTC 2018, deve:

• sostenere i carichi verticali (elevata rigidezza in direzione verticale, minima in direzione orizzontale);
• dissipare energia mediante meccanismi isteretici e/o viscosi;
• ricentrare il sistema di isolamento.

Le tipologie di isolatori presenti, ed indicate anche al paragrafo 11.9.1 delle N.T.C. 2018, sono le seguenti:

• isolatori elastomerici;
• isolatori a scorrimento (a superficie piana o a superficie curva).

Il comportamento meccanico degli isolatori elastomerici è rappresentato mediante curve caratteristiche forza – spostamento, solitamente non lineari, funzione della rigidezza equivalente K_e e del coefficiente di smorzamento viscoso equivalente x_e.
La rigidezza verticale, K_v rappresenta il rapporto tra la forza verticale di progetto e lo spostamento verticale. Il coefficiente di smorzamento viscoso equivalente generalmente compreso tra il 10% e il 15%.

Isolatori con nucleo centrale in piombo

Accanto ai tradizionali isolatori elastomerici sono stati introdotti quelli con nucleo centrale in piombo. La plasticizzazione di questi isolatori durante gli spostamenti orizzontali indotti dal sisma porta all’aumento delle capacità dissipative. Per questa tipologia il coefficiente di smorzamento viscoso equivalente può arrivare fino al 30%.

Gli isolatori a scorrimento, a superficie piana o curva, sono apparecchi di appoggio multidirezionali con superfici di scorrimento a basso attrito. L’elemento di scorrimento ha dimensioni notevoli, con forma circolare o quadrata, in quanto deve consentire ampi movimenti in ogni direzione. Hanno un coefficiente di attrito dinamico circa dell’1%, quindi il loro contributo alle forze orizzontali è quasi sempre trascurabile.

Se pure garantiscono una elevata resistenza ai carichi verticali e un elevato smorzamento, questi dispositivi trasferiscono alla sovrastruttura elevate accelerazioni di piano. Nel nostro caso studio, per poter adeguare sismicamente l’edificio in cemento armato esistente, intendiamo ridurre le accelerazione di progetto. Utilizziamo quindi sconnessioni elastomeriche.

Dimensionamento degli isolatori per l’adeguamento degli edifici

Ogni sistema edilizio è caratterizzato da un periodo proprio di vibrazione (T₁), il tempo impiegato da un corpo per compiere un’intera oscillazione causata da una perturbazione iniziale. L’obiettivo di un sistema di isolamento è almeno di triplicare il periodo proprio di partenza:

Il periodo proprio di vibrazione può essere valutato come prescritto dal §C7.3.3.2 Circolare 21 Gennaio 2019:

Tutte le fasi necessarie per eseguire il dimensionamento

Le fasi di dimensionamento sono le seguenti:

1. Scelta del periodo proprio.
2. Determinazione della rigidezza complessiva (massima) del dispositivo: l’edificio isolato si comporta sostanzialmente come uno schema a un grado di libertà:
   
   La massa totale è nota (somma delle masse di tutti gli impalcati) e T_iso è stato assegnato. Quindi si può calcolare la rigidezza complessiva
   
3. Scelta degli isolatori. Il loro numero sarà al massimo pari a quello dei pilastri. La scelta viene fatta utilizzando le tabelle fornite dai produttori. Tali tabelle forniscono la massima capacità portante, la rigidezza laterale e il massimo spostamento orizzontale.
   Lo spostamento spettrale S_De(T_iso) può essere ricavato dall’accelerazione spettrale S_e(T_iso),con la relazione.
   
   La normativa impone di controllare gli spostamenti per SLC.

Gli isolatori simici devono garantire una portanza verticale sufficiente e spostamenti orizzontali compatibili con gli spostamenti attesi. Nel nostro caso studio si considera l’SI-S 400/50, prodotto dalla FIP industriale, alla base di ogni pilastrata.

Adeguamento sismico edifici esistenti: il modello strutturale con TRAVILOG

Lo schema statico del telaio ad elementi finiti utilizzato per la valutazione delle capacità attuale dell’edificio viene modificato modellando le rigidezze orizzontali proposte dalla scheda tecnica:

Sottoponendo il telaio nelle condizioni di progetto alle stesse accelerazioni sismiche considerate nello stato di fatto si ottengono i risultati riportati di seguito.

Il modello mostra un comportamento nettamente migliore rispetto allo stato di fatto. Presenta dei momenti complessivamente minori del 50% e verifiche a pressoflessione e taglio praticamente soddisfatte.
La sovrastruttura, in questa condizione, è sottoposta ad accelerazioni sismiche inferiori rispetto a quelle di riferimento quindi, a parità di resistenze, riduco la domanda. La strategia del periodo proprio è applicabile solo nel caso in cui il primo impalcato e la sottostruttura sono fortemente rigidi, in alternativa devo valutare altre soluzioni.

Adeguamento simico di edifici esistenti in cemento armato: i controventi

I controventi sono elementi di protezione passiva nei confronti delle azioni orizzontali e sono costituiti da elementi rigidi col compito di assorbire le forze orizzontali. I controventi in generale sono in grado di:

• aumentare la rigidezza trasversale;
• incrementare la resistenza al sisma (più in generale alle forze orizzontali);
• aumentare lo smorzamento (quindi la capacità dissipativa);
• ridurre il periodo proprio dell’edificio;
• ridurre gli spostamenti complessivi e gli spostamenti d’interpiano.

È possibile raggiungere tali obiettivi con diversi sistemi di controventatura. La scelta di una tipologia piuttosto che un’altra dipende dal sistema costruttivo sul quale si interviene e dall’investimento progettuale che si intende mettere in campo.
In strutture intelaiate in acciaio risulta molto conveniente realizzare all’interno della maglia esistente delle aste diagonali in acciaio che connettono due orizzontamenti successivi. I controventi possono anche essere dotati di dissipatori.

Le strutture intelaiate in cemento armato possono essere controventate mediante diagonali in acciaio, ma è necessario prestare particolare attenzione alla progettazione del rinforzo dei nodi.
Infatti, seguendo la diffusione delle forze sismiche, i nodi rappresento la parte fragile. In questo caso una valida alternativa è rappresentata dalla realizzazione di setti in cemento armato. I setti in cemento armato non solo irrigidiscono la struttura, ma evitano che l’azione sismica si distribuisca nelle zone più fragili del sistema resistente.

Le valutazioni nel nostro caso studio

Nel nostro caso abbiamo un sistema di controventatura a setti in cemento armato. Il modello FEM di TRAVILOG viene aggiornato con l’inserimento di setti in cemento armato (cls 25/30) a tutt’altezza con uno spessore di 20 cm.

Sottoponendo il modello irrigidito mediante i setti in cemento armato alle stesse accelerazioni sismiche considerate nello stato di fatto si ottengono i risultati riportati di seguito.

Adottando sistemi di controventatura si raggiunge l’adeguamento sismico degli edifici esistenti. I momenti si riducono di circa il 40% rispetto alle flessioni raggiunte con la sovrastruttura isolata e le verifiche a pressoflessione di travi e pilastri risultano ampiamente sodddisfatte. Restano irrisolte le verifiche dei nodi non confinati. Si ritiene che un intervento di rinforzo localizzato mediante l’applicazione di tessuti FRP possa condizionare positivamente l’esito di tali verifiche.

Adeguamento simico di edifici in cemento armato: rinforzo locale con tessuti FRP

I Fiber Reinforced Polymer (FRP) sono dei compositi costituiti da fibre di rinforzo immerse in una matrice polimerica. Le fibre svolgono il ruolo di elementi portanti in termini di resistenza e rigidezza. La matrice protegge le fibre ed è in grado di trasferire gli sforzi tra l’elemento al quale il tessuto è applicato e le fibre stesse. La matrice è generalmente realizzata con resine epossidiche che polimerizzano con un opportuno reagente fino a quando non diventano un materiale solido vetroso. Le fibre, con la loro elevata resistenza a trazione, hanno il compito di assorbire gli sforzi. La matrice polimerica, invece, ha il compito di distribuzione degli sforzi e di protezione.

Per i nodi trave-pilastro l’intervento con FRP risulta, rispetto ad altre soluzioni, di più semplice realizzazione in quanto l’applicazione, oltre ad essere esterna all’elemento strutturale, si adatta alle diverse forme geometriche del nodo. L’incremento della capacità del pannello nodale e della porzione di sommità del pilastro, rispetto all’azione di taglio, si ottiene mediante applicazione di fasce diagonali di tessuto unidirezionale. Il confinamento delle estremità dei pilastri può essere realizzato mediante fasciatura con tessuto unidirezionale e consente di conferire agli stessi un significativo incremento della resistenza a taglio e delle capacità deformative. L’incremento della resistenza a taglio delle estremità delle travi è realizzabile mediante fasciatura ad U con tessuto unidirezionale.