Adeguamento sismico di edifici in cemento armato

Ultimo aggiornamento: 14/11/2019 - Ing. Cosimo Amico, Servizio di Assistenza Tecnica Logical Soft - Riproduzione riservata

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

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

Il patrimonio edilizio italiano è caratterizzato in buona parte da edifici esistenti non idonei a fronteggiare in sicurezza gli eventi sismici attesi. Molti degli edifici esistenti sono stati realizzati con approcci progettuali che non considerano il comportamento dinamico delle membrature resistenti.
Intervenire su questi organismi edilizi, con l’obiettivo di adeguare la prestazione simica a quella di nuove costruzioni, può rappresentare un problema di non semplice soluzione.

Quali sono gli interventi più performanti? Come valutare se la prestazione sismica raggiunta è adeguata?

Adeguamento di un edificio in cemento armato esistente
Adeguamento di un edificio in cemento armato esistente

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In questo focus ci occupiamo della valutazione della capacità sismica di un edificio in cemento armato esistente e dei possibili interventi di adeguamento. Confrontiamo i vantaggi che derivano da tre diverse soluzioni tecniche per l'adeguamento della costruzione:

  • 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 estratto dal lavoro di 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?

Quando ci approcciamo all’analisi di un edificio esistente ci troviamo di fronte ad un organismo che 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 e mettere in campo tutte le soluzioni 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 cui si associano diversi livelli di prestazione da raggiungere.

Gli interventi locali 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 verranno introdotte modifiche al comportamento delle altre parti e che miglioreranno le condizioni di sicurezza pre-esistenti.

Per gli interventi di miglioramento si richiede di incrementare il livello di sicurezza, seppur non si sia in grado di 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.

Infine per gli interventi di adeguamento si richiede di ripristinare la sicurezza sismica 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 ovvero la presenza di 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).

Viene condotta un’analisi dinamica modale nel comune di Ponte nelle Alpi, 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).

Stato di fatto dell'edificio in cemento armato oggetto di studio
Costruzione in cemento armato oggetto di studio

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 ongni verifica. Considerando come obiettivo l'adeguamento, in altre parole il soddisfacimento di tutte le verifiche, è 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.

verifica a pressoflessione dello stato di fatto
Verifica a pressoflessione della struttura in cemento armato in studio
verifica a taglio dello stato di fatto
Verifica a taglio della struttura in cemento armato in studio
verifica dei nodi dello stato di fatto
Verifica dei nodi non confinati della struttura in cemento armato in studio

Lo stato di fatto è inadeguato nel 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 e i nodi non confinati presentano delle tensioni di trazione troppo elevate per la staffatura presente.

Interventi per l’adeguamento sismico di un edificio in cemento armato

Adeguare sismicamente una costruzione in cemento armato vuol dire incrementare la sua capacità di fronteggiare un terremoto fino a raggiungere quella richiesta 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 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 strutture in cemento armato: gli isolatori sismici

La funzione principale assolta dagli isolatori consiste nel disaccoppiare il comportamento della sovrastruttura da quello registrato a quota imposta delle fondazioni. In altri termini 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 gi isolatori siano efficaci quando riescono a ridurre fortemente le accelerazioni trasmesse; ciò comporta dei benefici:

  • diretti sulla sovrastruttura perchè si riduce l’entità delle forze di inerzia agenti;
  • indiretti sulla sottostruttura perchè 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 Ke e del coefficiente di smorzamento viscoso equivalente xe.
La rigidezza verticale, Kv, 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%.

Isolatore elastomerico con e senza nucleo in piombo
Isolatore elastomerico con e senza nucleo in piombo per l'adeguamento delle strutture

Accanto ai tradizionali isolatori elastomerici sono stati introdotti quelli con nucleo centrale in piombo, la cui plasticizzazione durante gli spostamenti orizzontali indotti dal sisma porta all’aumento delle sue 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 accellerazione di progetto quindi, utilizziamo 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 una 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:

Effetto dell'isolatore sismico sullo spettro di progetto
Effetto dell’isolatore sullo spettro di progetto

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 Tiso 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 SDe(Tiso) può essere ricavato dall’accelerazione spettrale Se(Tiso),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.

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:

Modello agli elementi finiti isolato sismicamente
Adeguamento sismico. Modello agli elementi finiti con isolatori

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

verifica a pressoflessione dello stato di fatto
Adeguamento sismico: verifica a pressoflessione con l'applicazione degli isolatori sismici
verifica a taglio dello stato di fatto
Adeguamento sismico: verifica a taglio con l'applicazione degli isolatori sismici

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 applicapile solo nel caso in cui il primo impalcato e la sottostrutttura sono fortemente rigidi, in alternativa devo valutare altre soluzioni.

Adeguamento simico di strutture in cemento armato: i controventi

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

  • aumentare la rigidezza trasversale;
  • aumentare 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.

Nel caso studio che stiamo analizzando valutiamo 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.

modello controventi
Adeguamento sismico. Modello FEM controventato

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.

erifica a pressoflessione dello stato di fatto
Adeguamento sismico: verifica a pressoflessione con controventi
verifica a taglio dello stato di fatto
Adeguamento sismico: verifica a taglio con controventi

Adottando sistemi di controventatura si raggiunge l’adeguamento sismico. 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 sosdddisfatte. 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 strutture 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, mentre la matrice polimerica 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.

rinforzo localizzato di un nodo con l'applicazione di tessuto FRP
Adeguamento sismico. Rinforzo localizzato di un nodo con l’applicazione di tessuto FRP
rinforzo localizzato di una trave con l'applicazione di tessuto FRP
Adeguamento sismico. Rinforzo localizzato di una trave con l'applicazione di tessuto FRP

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Cosimo Amico - Ingegnere civile

Cosimo Amico

Ingegnere civile

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Ingegnere civile dedicato al calcolo strutturale, esperto in materia di calcolo strutturale e analisi sismica di edifici nuovi ed esistenti in calcestruzzo armato, muratura, acciaio e legno.
Seguo lo sviluppo e le fasi di test, controllo e validazione di tutti i moduli di TRAVILOG e la redazione del supporto per facilitare l'utilizzo del software.
Svolgo l'attività di affiancamento tecnico personalizzato ai clienti di Logical Soft srl per la modellazione agli elementi finiti di casi progettuali, valutazione dei risultati e verifica.
Mi occupo dell'assistenza tecnica agli utenti di tutti i software di Logical Soft srl.
Svolgo attività di docenza e formazione sui temi dell'analisi strutturale, della vulnerabilità sismica e della riqualificazione del patrimonio esistente anche attraverso i bonus fiscali sul territorio nazionale, in ambito professionale e in collaborazione con Ordini Professionali.
Come libero professionista svolgo attività di progettazione strutturale e consulenza per analisi strutturale in edilizia civile e industriale.
Tra le ultime attività rilevanti:
- valutazioni della sicurezza ai fini dell'adeguamento sismico di strutture esistenti in muratura,
- valutazione della vulnerabilità sismica di un edificio esistente di rilievo storico e urbanistico,
- sopraelevazione e adeguamento sismico di una struttura produttiva in calcestruzzo armato,
- progetto di opere strutturali in calcestruzzo armato per l'edilizia privata,
- progetto di interventi locali per opere strutturali esistenti in muratura e in cemento armato.