Interventi di miglioramento sismico

Gli interventi di miglioramento sismico sono una concreta necessità per il patrimonio edilizio italiano che è costituito in gran parte da edifici in muratura particolarmente vetusti. Ora grazie agli imperdibili incentivi fiscali previsti da Sismabonus e Superbonus intervenire su di essi per ripristinarne le piene funzionalità è più che un’occasione.

Superbonus nella ristrutturazione: interventi locali e sistemi FRCM a confronto

Un’opportunità che può essere colta studiando tecniche di miglioramento della prestazione antisismica sia estese a tutto l’edificio che limitate ad un intervento locale.

Come studiare dunque il comportamento di un edificio in muratura? Quali criticità indagare e quali soluzioni di intervento proporre per riparare l’edificio o raggiungere il miglioramento sismico?

In questo focus approfondiamo quali procedure è possibile mettere in atto per interpretare il comportamento di un edificio in muratura e scegliere l’intervento più adatto per incrementarne la sicurezza sismica.

Tutte le fasi del flusso di lavoro sono accompagnate dall’analisi condotta su edifici esistenti in muratura utilizzando gli strumenti offerti da TRAVILOG.

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Quali interventi su un edificio esistente?

Le richieste di intervento da parte dei nostri committenti sono sempre molto varie, ma generalmente si rende necessario realizzare opere che hanno i seguenti scopi:

• ripristino delle piena funzionalità della costruzione: si tratta di opere su singoli elementi, come travi di solaio o pilastri, o interventi estesi ad intere porzioni di costruzione, come ad esempio rinforzi su pareti in muratura;
• modifiche alla struttura portante quali ampliamenti, sopraelevazioni, incrementi volumetrici.

Per entrambe le tipologie di interventi si punta a garantire un adeguato livello di sicurezza sismica del costruito a fronte di un impegno economico sostenibile e ci si confronta con le indicazioni normative proposte nel capitolo 8 delle Norme tecniche per le Costruzioni volte sempre a garantire il miglioramento sismico delle strutture.

Ai fini della sicurezza sismica, le Norme Tecniche per le Costruzioni vincolano i professionisti a far ricadere il progetto in una delle seguenti 3 categorie (§ 8.4 delle NTC 2018):

• interventi di riparazione o locali;
• interventi di miglioramento sismico;
• interventi di adeguamento sismico.

Non sempre le richieste della committenza permettono di identificare facilmente in quale di queste  tipologia di intervento si ricade. In base alle caratteristiche della costruzione ed al suo grado di conservazione si ipotizza e si valuta la soluzione progettuale più opportuna e solo a valle dell’analisi si può dedurre se si tratta di un intervento locale, miglioramento o adeguamento sismico.

Le regole tecniche per il miglioramento gli edifici

Per ciascun tipo di intervento previsto dal § 8.4 delle NTC 2018 varia sia la modalità di analisi da condurre che la prestazione sismica che deve essere garantita.

Gli interventi locali  interessano singole parti e/o elementi della struttura. Essi non devono cambiare significativamente il comportamento globale della costruzione e sono volti a conseguire una o più delle seguenti finalità:

• ripristinare, rispetto alla configurazione precedente al danno, le caratteristiche iniziali di elementi o parti danneggiate;
• migliorare le caratteristiche di resistenza e/o di duttilità di elementi o parti, anche non danneggiati;
• impedire meccanismi di collasso locale;
• modificare un elemento o una porzione limitata della costruzione.

Per questi interventi il progetto e la valutazione della sicurezza potranno essere riferiti alle sole parti e/o elementi interessati e si dovrà documentare che gli interventi comportino un miglioramento delle condizioni di sicurezza pre-esistenti.

Per gli interventi di miglioramento sismico si richiede di incrementare il livello di sicurezza dell’intera costruzione seppur non si sia in grado di raggiungere quello previsto per le nuove costruzioni.
È necessario eseguire un’analisi globale della struttura prima e dopo l’intervento e valutare come varia il rapporto tra l’azione sismica massima sopportabile e l’azione sismica massima che si utilizzerebbe nel progetto di un nuovo edificio (ζ E).
Per le costruzioni di classe III ad uso scolastico e di classe IV, il valore di ζE deve essere non minore di 0,6, mentre per le rimanenti costruzioni di classe III e II il valore di ζE viene confrontato con un miglioramento minimo pari a 0,1.

Infine per gli interventi di adeguamento sismico si richiede di ripristinare la sicurezza sismica in modo tale da garantire la stessa prestazione attesa per edifici nuovi.
Si tratta di interventi quali sopraelevazioni, ampliamenti, variazioni di destinazione d’uso o interventi volti a trasformare completamente il complesso strutturale.

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.

Nel paragrafo che segue mostriamo come lo studio delle caratteristiche principali dell’edificio possa essere sufficiente per identificare le criticità più probabili e quindi gli interventi di ripristino o di miglioramento sismico più adeguati.

Leggere e capire le strutture esistenti

Valutare l’influenza di un qualsiasi intervento, locale o globale, su un edificio esistente, vuol dire in prima analisi prevedere come l’edificio modificherà la sua risposta alle sollecitazioni statiche e sismiche.
D’altra parte la risposta del sistema è connessa alle caratteristiche meccaniche della muratura e alle geometrie dell’edifico. È tuttavia evidente che costruire un modello numerico che rappresenti efficacemente la reale costituzione dell’edificio non può prescindere da approssimazioni e semplificazioni: il progettista deve quindi studiare la struttura portante nel modo più approfondito possibile con lo scopo principale di stabilire i possibili meccanismi di danno e di collasso che potrebbero svilupparsi nel tempo per degrado o a causa di eventi sismici.

Gli elementi fondamentali su cui si deve concentrare lo studio della costruzione sono:

• i materiali e le relative proprietà meccaniche;
• la geometria e i dettagli costruttivi;
• il quadro fessurativo e deformativo della costruzione.

È a partire dalla conoscenza di questi elementi di base che dovrebbero essere chiarite le principali criticità da cui dedurre quale intervento attuare per ottenere un miglioramento del comportamento strutturale.

Studio dei materiali che costituiscono la muratura portante

Prima di procedere nella progettazione di un qualsiasi intervento di miglioramento sismico è necessario valutare la qualità muraria dei materiali.

La capacità delle murature di resistere alle azioni statiche e dinamiche prevedibili è infatti strettamente legata alle caratteristiche dei materiali che la costituiscono e al loro grado di conservazione.

Se la muratura non è in grado di sviluppare una sufficiente capacità, qualsiasi valutazione analitica degli interventi di miglioramento sismico risulterà inefficace; l’intervento più ragionevole da porre in atto è dunque quello di ripristino delle proprietà meccaniche della muratura stessa mediante ad esempio iniezioni di miscele di malte a base di calcio idraulica naturale.

Analisi dei dettagli costruttivi

L’analisi dei dettagli costruttivi si concentra sulla valutazione dei seguenti elementi:

• tipologia ed efficacia del collegamento tra pareti verticali (ammorsamenti e tipologia di cantonali);
• deformabilità ed orditura degli orizzontamenti;
• qualità del collegamento tra solai e murature portanti;
• tipologia ed efficacia delle architravi al di sopra delle aperture;
• eventuale presenza di coperture spingenti

Questi fattori permettono di determinare se l’edificio è in grado di sviluppare un comportamento d’insieme. Se infatti le pareti non sono tra loro ammorsate è probabile che ciascuna tenderà a comportarsi indipendentemente dalle altre; viceversa un buon ammorsamento assegna alla struttura un comportamento scatolare.

Questo comportamento è ancor più marcato in presenza di orizzontamenti rigidi in grado di ridistribuire le sollecitazioni orizzontali ai setti verticali proporzionalmente alla loro resistenza.

Studio del quadro fessurativo

Durante il sopralluogo è sicuramente utile tracciare una rappresentazione grafica delle deformazioni e delle fessurazioni che emergono dall’analisi dei paramenti murari e dei dettagli costruttivi.
Il quadro fessurativo consente di avere una visione di insieme dello stato generale di conservazione dell’edificio e permette di individuare i diversi meccanismi di danno e le cause che li hanno generati.Generalmente si rilevano due categorie di meccanismi di danno: meccanismi di primo modo e meccanismi di secondo modo (Giuffrè 1993).

I meccanismi di primo modo corrispondono ai cinematismi fuori piano delle pareti: ribaltamento e flessione. Il collasso avviene per perdita di equilibrio delle strutture.
Questi cinematismi possono presentarsi in costruzioni in cui l’assenza o scarsa efficacia di collegamento tra pareti ed orizzontamenti e tra pareti negli incroci murari non garantisce l’instaurarsi di un comportamento d’insieme della costruzione: ciascuna parete tende a comportarsi in modo indipendente attivando meccanismi fuori piano.

In tali casi la verifica globale su un modello tridimensionale non ha rispondenza rispetto al suo effettivo comportamento sismico e può essere quindi effettuata attraverso un insieme esaustivo di verifiche locali.

I meccanismi di secondo modo interessano la risposta delle pareti nel proprio piano e generano danneggiamenti per flessione e taglio; la rottura avviene quindi per superamento della resistenza ultima del materiale.

Tali cinematismi si attivano in edifici in grado di sviluppare una risposta globale alla sollecitazione sismica: il buon ammorsamento delle pareti e l’efficace vincolo tra pareti ed orizzontamenti scongiurano i meccanismi di primo modo; le pareti, collaborando tra loro, riescono ad attivare una risposta nel loro piano che meglio sfrutta le capacità di rigidezza e resistenza della muratura e garantiscono un miglior comportamento globale ed una maggior sicurezza.
La rigidezza degli orizzontamenti accentua il comportamento scatolare della struttura: i solai rigidi infatti consentono la ripartizione della sollecitazione sismica tra le pareti in base alla rigidezza nel piano; ciascuna parete sarà pertanto chiamata a rispondere in modo proporzionale alla capacità intrinseca di resistere.
La verifica di sicurezza dell’edificio richiede un’analisi globale della struttura con particolare attenzione alla rappresentazione dell’efficacia dei collegamenti e della rigidezza e resistenza dei solai.

Adottando interventi che impediscono i meccanismi fuori piano delle pareti, si raggiunge il miglioramento della struttura con misure poco invasive ed economicamete sostenibili e che hanno il privilegio di migliorare significativamente la capacità gobale di risposta a sollecitazioni sismiche.

La verifica della sicurezza di un edificio in muratura

Come abbiamo anticipato, l’analisi può essere condotta sia in termini locali che globali e il tipo di analisi dipende dalla tipologia costruttiva con la quale ci si confronta e dal tipo di criticità che si vuole indagare.

L’analisi globale richiede oltra alla conoscenza delle caratteristiche meccaniche della muratura, anche di poter rappresentare in modo corretto il grado di interazione tra elementi strutturali verticali e ancora tra elementi strutturali verticali e orizzontali. Infine è necessario anche sapere descrivere il grado di interazione suolo struttura.

Il modello di calcolo necessita quindi di essere definito nella sua interezza, ovvero valutando la corretta schematizzazione strutturale attraverso un modello a telaio equivalente o un modello a macro elementi shell.

L’analisi della struttura poi può essere condotta sia in ambito lineare che non lineare, in ambito lineare vengono condotte le capacità degli elementi strutturali distinguendole per:

• resistenza a taglio,
• resistenza a flessione nel piano,
• resistenza a flessione fuori piano.

Da queste capacità e possibile poi ricondursi ad un’unica capacità dell’unità strutturale in termini di accelerazione di picco al suolo PGAc, capacità sulla quale potrà essere espresso poi il livello di miglioramento raggiunto a seguito degli interventi.

L’analisi non lineare porta invece alla valutazione delle capacità deformative degli elementi in muratura da cui è possibile ricavare la capacità dell’unità strutturale in termini di accelerazione di picco al suolo PGAc. In ambito non lineare è possibile valutare anche il comportamento della struttura in muratura secondo un modello di rottura di tipo attritivo, il modello Drucker-Prager.

TRAVILOG effettua tutte queste analisi sismiche per gli edifici in muratura, sia ambito lineare che non lineare e permetre di valutare il comportamrnto della struttura prima e dopo la realizzazione di interevnti strutturali così da poter quantificare il miglioramento sismico.

I sistemi di rinforzo FRCM

Definito il livello di sicurezza della struttura è possibile valutare gli interventi di miglioramento sismico più performanti. Il consolidamento e l’incremento di capacità di un pannello murario viene effettuato mediante l’applicazione diffusa o localizzata di sistemi compositi fibrorinforzati.

I sistemi FRCM (Fibre/Fabric Reinforced Cementitious Matrix/Mortar) sono compositi di reti e matrici inorganiche a base di malta di calce o cemento. La rete di del rinforzo è realizzata con fili di acciaio ad alta re-sistenza, arammide, basalto, carbonio, PBO e vetro; i fili di acciaio sono messi in opera sotto forma di piccoli trefoli allo scopo di ottenere superfici corrugate che migliorano l’adesione tra rinforzo e matrice.

L’elevato rapporto fra resistenza e peso dei sistemi FRCM consente di esaltare le prestazioni meccaniche dell’elemento strutturale rinforzato oggetto di miglioramento sismico, contribuendo essenzialmente a resistere agli sforzi di trazione, senza incrementarne la massa o modificarne significativamente la rigidezza.

I rinforzi FRCM mostrano una buona compatibilità chimico-fisica con il supporto in muratura, inoltre possono essere preparati ed applicati con semplicità mediante procedure fondamentalmente tradizionali, anche su superfici umide. Per le loro proprietà meccaniche, i rinforzi FRCM sono specificamente indicati nelle applicazioni per le quali sia richiesta la mobilitazione di deformazioni modeste, come tipicamente accade per il rinforzo di murature.

I sistemi FRCM di Kerakoll

Kerakoll, azienda leader nel mondo per il restauro storico e l’edilizia sostenibile, è la prima realtà italiana ad aver certificato su scala internazionale i propri sistemi di rinforzo FRCM permettendo di progettare interventi d irinforzo sia su edifici in muratura che cemeneto armato, in accordo ai più recenti standard normativi (CNR-DT 215/2018).

Kerakoll ha sempre posto grande attenzione alla certificazione dei propri sistemi di rinforzo ed ha intrapreso un percorso di certificazione a livello non solo nazionale bensì europeo ed internazionale. Grazie all’intenso lavoro di collaborazione con l’istituto per le tecnologie delle costruzioni ITC-CNR e diversi atenei italiani ed internazionali, ha potuto redigere i protocolli di certificazione europea, EAD, ed internazionale, Acceptance Criteria, che le hanno permesso di raggiungere importanti primati nel settore della certificazione di sistemi di rinforzo strutturale con materiali compositi.

L’azienda di Sassuolo ha raggiunto un altro primato: l’ottenimento dell’ETA, la valutazione tecnica europea, per i sistemi di rinforzo a matrice minerale FRCM, in fibra di vetro e basalto con matrice minerale a base di calce idraulica naturale, e dei sistemi SRG, in fibra di acciaio galvanizzato ad altissima resistenza, con matrice minerale a base calce per il rinforzo delle strutture in muratura e a base cementizia per il rinforzo delle strutture in cemento armato.

Kerakoll sviluppa soluzioni per il miglioramento sismico con matrici inorganiche minerali e naturali, Geolite e Geocalce, da mettere in opera con i tessuti di rinforzo unidirezionali in fibra di acciaio e le reti biassiale bilanciate in fibra di basalto o vetro.

Meccanismi locali di collasso di pareti in muratura

Come abbiamo visto l’analisi sismica delle costruzioni esistenti deve essere condotta con metodi che tengano in considerazione il comportamento della struttura soggetta a sollecitazioni dinamiche. Se la struttura non presenta sufficienti gradi di vincolo tra i muri, e gli orizzontamenti non sono in grado di ridistribuire le sollecitazioni dalle pareti ortogonali al sisma a quelle disposte parallelamente, l’analisi può essere svolta mediante una serie di analisi dei meccanismi locali.

In tal caso è possibile far riferimento ai metodi dell’analisi limite dell’equilibrio per cui si arriva a collasso per perdita di equilibrio. Scelto un possibile cinematismo ed applicando il principio dei lavori virtuali si valuta l’azione orizzontale in grado di attivare il meccanismo di collasso.

Dal confronto tra quest’ultima e l’accelerazione relativa al sito di costruzione, si determina se la verifica è soddisfatta.

I meccanismi più comuni sono:

• ribaltamento semplice di parete monolitica;
• flessione orizzontale di parete confinata;
• flessione orizzontale di parete non confinata;
• sfondamento della parete del timpano;
• flessione verticale;
• ribaltamento composto di cuneo diagonale;
• ribaltamento del cantonale. 

Soltanto dopo aver garantito l’equilibrio della struttura per meccanismi fuori piano, la sicurezza della costruzione può essere valutata nei confronti di comportamenti d’insieme ovvero mediante analisi globali. Così l’intervento di miglioramento sismico dell’edificio in muratura potrà seguire lo stesso percorso, con un primo incremento di capacità locali e poi globali.

Il Modulo MURATURE di TRAVILOG consente di valutare i meccanismi locali di collasso degli edifici esistenti in muratura naturale o artificiale e gli interventi di miglioramento ad essi collegati.

L’analisi dello stato di fatto può essere condotto valutando tutti i possibili meccanismi di collasso nell’ottica di definire l’azione da assegnare ai tiranti per contrastare il meccanismo di ribaltamento fuori piano.

Interventi di contrasto ai meccanismi locali di collasso

Tutti gli interventi volti a scongiurare meccanismi di primo modo permettono di raggiungere il miglioramento sismico della struttura e spesso sono localizzati in alcune porzioni specifiche dell’edificio.

Si pensi ad esempio alla posa in opera di tiranti o catene: l’efficacia dell’opera risiede nella sua capacità di collegare tra loro paramenti murari ortogonali garantendo  l’effetto scatolare della costruzione.

In riferimento al § 8.4 delle NTC 2018, il primo intervento può essere considerato come un intervento locale. Sempre utilizzando la procedura di calcolo dei meccanismi locali di collasso, è possibile stimare il tiro necessario a contrastare il meccanismo di ribaltamento fuori piano della facciata e dimensionare il tirante stesso che migliora la stabilità delal parete.

Come asseverare il miglioramento sismico

Quali strumenti abbiamo per valutare il miglioramento sismico dell’edificio in muratura? Come dimostrare al committente che l’intervento progettato migliorail valore del suo immobile?
Valutare la Classe di Rischio Sismico prima e dopo l’intervento è la soluzione più opportuna per quantificare il miglioramento sismico e volerne dare visibilità soprattutto alla committenza, ma soprattutto è la procedura necessaria per ottenere il vantaggio fiscale previsto dalle pratiche Sismabonus e Superbonus.

Le Linee Guida per la classificazione del Rischio Sismico delle costruzioni (DM 58 del 28/02/2017) hanno definito le modalità operative per attribuire agli edifici una classe di rischio e per gli edifici in muratura propongono sia un metodo speditivo, semplificato, che un metodo convenzionale.
Lo stesso Decreto definisce i contenuti della pratica Sismabonus, i suoi contenuti e le modalità di consegna.

Il metodo semplificato
Sulla base della zona sismica, della tipologia strutturale che meglio descrive la costruzione e degli eventuali fattori che determinano un peggioramento della vulnerabilità dell’edificio si assegna una certa classe.

Se l’intervento in progetto è volto a impedire meccanismi di instabilità fuori piano o a garantire un comportamento scatolare complessivo dell’edificio, la classe migliora senza fare ulteriori valutazioni numeriche.

Il metodo convenzionale
Valutando la sicurezza della struttura attraverso un’analisi globale dell’edificio lineare o non lineare è possibile definire le capacità della struttura per i diversi livelli di funzionamento richiesta alla struttura. Si definiscono così due parametri:

• la perdita annuale media attesa, PAM
• l’indice di sicurezza per la Vita delle persone, IS-V

parametri che definiscono il miglioramento sismico della struttura valutandoli per lo stato di fatto e lo stato di progetto.

Per approfondire i vantaggi degli incentivi fiscali per interventi di miglioramento sismico degli edifici, si consiglia di consultare il focus Sismabonus e Superbonus 110%.

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