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LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI
ESISTENTI
Fernando SaittaENEA, Agenzia Nazionale per le Nuove Tecnologie,
l’Energia e loSviluppo Economico Sostenibile
1
Giornata di formazione continua in collaborazione con
l’Ordine dei giornalisti del Lazio
INFORMARE SUL TERREMOTO: DOVERE DI CRONACA,
RIGORE SCIENTIFICO, DEONTOLOGIA
Giovedì 8 giugno 2017ENEA, Via Giulio Romano, 41 – Roma
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Introduzione
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI
ESISTENTI2
•La progettazione di strutture pensate per carichi sismici in
senso
moderno è cosa relativamente recente.
•Le prime indicazioni coerenti con quanto indicato dalle
normative
attuali sono state introdotte a partire dagli anni ’70-’80.
•Questo significa che gran parte delle costruzioni esistenti
sono
carenti per quanto riguarda la resistenza ad azioni
orizzontali.
•La ricerca nel campo dell’ingegneria sismica e le normative
hanno
dato inizialmente maggiore attenzione alle nuove
costruzioni.
•I motivi sono legati ai costi per gli interventi
sull’esistente, anche in
ragione dei periodi di non utilizzabilità degli edifici.
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Concetti di base
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•L’applicazione della dinamica all’ingegneria sismica inizia a
partire
dagli anni ’50, con la diffusione ad opera di Housner del
concetto di
spettro di risposta di un terremoto, inizialmente introdotto da
Biot nel
1932.
•Per strutture molto rigide con riferimento alla loro massa
(periodo
basso - frequenza alta), l’accelerazione cui la struttura è
soggetta
durante un moto alla base è praticamente uguale a quella del
suolo e
gli spostamenti relativi al suolo sono nulli; un sistema molto
rigido
infatti non si deforma e la massa si muove come il suolo.
•All’opposto, se la struttura è molto flessibile (periodo grande
–
frequenza bassa), lo spostamento della massa è praticamente
nullo
(quello relativo al suolo coincide con lo spostamento del
suolo).
L’accelerazione cui è soggetta la struttura è praticamente
nulla.
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Spettro di risposta
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•Immaginiamo tante strutture, dalla più rigida a quella più
flessibile,
soggette allo stesso terremoto. L’accelerazione subita dalla
massa
segue un andamento come quello rappresentato dal diagramma
seguente (spettro di risposta):
•Nota la sua rigidezza rispetto alla massa, una struttura reale
deve
essere dimensionata per resistere all’accelerazione data da
un
diagramma come questo?
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Spettro di progetto
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•In realtà esiste un altro parametro da considerare: la
dissipazione.
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•Le strutture sono in realtà progettate per azioni inferiori a
quelle
desunte dallo spettro (elastico). Perchè?
•In questo modo la struttura nel caso di sisma violento può
superare
la fase elastica e deformarsi plasticamente
(danneggiamento),
dissipando energia.
•Non deve sorprendere il fatto che una struttura
possadanneggiarsi durante un sisma violento. L’obiettivo è quello
dicontrollare il danneggiamento limitandolo ad un livello tale
dasalvaguardare la vita (la struttura dovrà essere riparata!)
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Meccanismi di collasso: Duttilità globale
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•Cosa significa controllare il danneggiamento?
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Il collasso della struttura può avvenire con la formazione di un
cinematismo
caratterizzato da poche o molte sezioni plasticizzate. Il
secondo caso, che
corrisponde anche ad una domanda inelastica uniforme, è
ovviamente da
preferire. Per ottenere questo requisito, nelle nuove
costruzioni la progettazione
deve rispettare un criterio di gerarchia delle resistenze. Nelle
costruzioni esistenti
il criterio non è sempre rispettato.
(tratta da Fardis MN 2009)
(Terremoto de L’Aquila 2009)
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Duttili: Meccanismi di flessione in travi, pilastri, pareti
Fragili: Meccanismi di taglio in travi, pilastri, pareti,
nodi
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Meccanismi di collasso: Duttilità locale
• Gerarchia delle resistenze non rispettata, con rotture a
taglio che
precedono quelle a flessione
(Terremoto de L’Aquila 2009)(Terremoto Emilia 2012)
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• Si possono avere zone plastiche poco duttili, per mancanza di
armatura o inadeguatezza della stessa
• Poche staffe ai nodi, spesso non ancorate con piegatura a
135°
• Insufficiente sovrapposizione delle armature verticali in
corrispondenza dei solai
• Assenza di risvolti a 90° nei tratti terminali delle
armature
inferiori delle travi ai nodi di estremità, con conseguente
espulsione del copriferro
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Meccanismi di collasso: Duttilità locale
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Esempi di danno sismico
(Terremoto de L’Aquila 2009)
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• Sfilamento delle barre longitudinali delle travi nella sezione
di
massimo momento e rotazione
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Esempi di danno sismico
• In generale, i pilastri possono avere scarsa
capacità di sopportare azioni orizzontali
(resistenza a flessione e taglio)
(tratta da Fardis MN 2009)
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Aspetti negativi riscontrabili in edifici in c.a. esistenti
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•I telai sono spesso orientati secondo una sola direzione,
per
sostenere solai unidirezionali con orditura nella direzione
ortogonale
ai telai
•Anche i pilastri possono essere orientati prevalentemente
secondo una
direzione
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•La distribuzione in pianta degli elementi resistenti verticali
può generare
effetti torsionali sulla struttura
(tratte da Fardis MN 2009)
(Amatrice 2016 )
Aspetti negativi riscontrabili in edifici in c.a. esistenti
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•Tipologie di scale
•Solai con campate ad asse spezzato o non efficacemente connessi
con le
altre parti resistenti
Aspetti negativi riscontrabili in edifici in c.a. esistenti
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•Variazioni significative di rigidezza lungo l’altezza
dell’edificio
Aspetti negativi riscontrabili in edifici in c.a. esistenti
(tratte da Fardis MN 2009)
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•Piani terra con grandi aperture (rientra nel caso
precedente)
(L’Aquila 2009 )
Aspetti negativi riscontrabili in edifici in c.a. esistenti
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Edifici esistenti: approccio secondo le normative recenti
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI
ESISTENTI16
•Sulla base di queste considerazioni, l’ingegnere chiamato a
valutare
la vulnerabilità di un edificio esistente sulla base di regole
valide per
le nuove costruzioni, potrebbe giungere alla conclusione che
nessun
edificio esistente è capace di superare un sisma violento.
•Tuttavia, un approccio di questo tipo potrebbe portare ad
una
conlusione errata
•L’edificio potrebbe avere delle risorse di sovraresistenza ad
esempio
per materiali di miglior qualità utilizzati con resistenze
maggiori
rispetto ai minimi di progetto, o anche per le particolari
scelte operate
dal progettista. In certi casi possono contribuire alla
resistenza
elementi quali tamponature di buona qualità senza grandi
aperture,
pareti in c.a. debolmente armate ecc. (Ogni edificio è un caso a
sè!)
•La normativa ha dunque introdotto uno specifico capitolo
riguardo
alla valutazione della vulnerabilità di un edificio esistente,
prima
quella europea (EC8), e poi le norme tecniche per le
costruzioni
italiane (NTC08)Gio
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Approccio tradizionale:
• E’ basato sulle verifiche di resistenza
• La capacità e la domanda sono valutate a livello di elementi
e
sezioni in termini di forze e tensioni
• Il fattore di struttura va scelto sulla base della duttilità
della struttura
Approccio della nuova normativa europea ed italiana:
• E’ basato sulla performance della struttura esistente
• In considerazione dei maggiori costi (anche indiretti) degli
interventi
sull’esistente, si preferisce un approccio più flessibile, che
tiene conto
anche degli interessi del proprietario
• Ciò non significa che si può basare l’analisi su una azione
sismica bassa
corrispondente ad una vita utile piccola, per poi ripetere la
valutazione al
termine di tale periodo!
Edifici esistenti: approccio secondo le normative recenti
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Valutazione della sicurezza
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• stato delle conoscenze al tempo della sua realizzazione
• presenza di difetti di impostazione e di realizzazione
• la costruzione può essere stata soggetta ad azioni, anche
eccezionali
• le strutture possono presentare degrado e modifiche rispetto
alla
situazione originaria
•rapporti con strutture in aderenza
Aspetti da considerare nella valutazione della sicurezza:
• la geometria e i dettagli costruttivi sono definiti
• le proprietà meccaniche dei materiali sono note
• i carichi permanenti sono definiti
Dati su geometria, materiali e carichi dipendono solo dal grado
diapprofondimento delle indagini conoscitive della struttura
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Livello di conoscenza: c.a. e acciaio
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(C8A.1.B.2)
Identificazione di: • organismo strutturale e verifica rispetto
criteri di regolarità
� sulla base dei disegni originali di progetto verificati con
indagini in
situ
� con un rilievo ex-novo
• strutture di fondazione
• categoria di suolo
Informazioni su:• dimensioni geometriche elementi strutturali,
quantitativi delle armature,
proprietà meccaniche dei materiali, collegamenti
• possibili difetti locali dei materiali
• possibili difetti nei particolari costruttivi
• natura e entità di eventuali danni subiti in precedenza e
riparazioni effettuate
• norme impiegate nel progetto originale (valore azioni sismiche
di progetto)
Definizione di:• classe d’uso, categoria e vita nominale
• carichi variabili, in funzione della destinazione d’uso
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Livello di conoscenza
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(C8A.1.B.2)
Tre livelli di conoscenza
• LC1: Conoscenza Limitata
• LC2: Conoscenza Adeguata
• LC3: Conoscenza Accurata
definiti da
• Geometria
• Dettagli strutturali
• Materiali
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Adeguamento e miglioramento
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• adeguamento: sopraelevazione, ampliamento con opere
strutturaliconnesse alla vecchia costruzione, variazione di classe
e
destinazione d’uso con incrementi dei carichi in fondazione
>10%,
interventi di trasformazione che portino ad un organismo
diverso
• miglioramento: tutti gli interventi finalizzati ad accrescere
lacapacità resistente della struttura.
• riparazioni o interventi locali
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Adeguamento e miglioramento
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Tecniche di intervento:
• Riduzione della domanda della struttura nel suo complesso
e dei suoi elementi.
• Aumentare la capacità degli elementi strutturali
Scelte basate su:
• Costi
• Tempi di non utilizzabilità
• Materiali disponibili e tecnologie a livello locale
• Considerazioni funzionali ed estetiche
In qualche caso l’adeguamento sismico risulta difficile
oimpossibile per ragioni:
• Tecnologiche
• Economiche
Tra le soluzioni va presa in considerazione la demolizione e
ricostruzione (non edifici storici)
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Tecniche tradizionali di intervento
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Riduzione della domanda di deformazione degli elementi oaumento
della capacità mediante:
• Aumento della rigidezza laterale globale della struttura
mediante l’aggiunta di un sistema verticale, a pareti o
controventi, capace di sopportare la quasi totalità delle
azioni
sismiche
• Aggiunta di elementi per bilanciare la risposta torsionale
della
struttura o per eliminare il piano debole
• Convertire pareti non strutturali in strutturali
• Riduzione della massa, sostituendo parti pesanti con
elementi
più leggeri
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Tecniche tradizionali di intervento
• Aumentare la sezione e l’armatura di pilastri con camicia
in
calcestruzzo armato o acciaio, o mediante applicazione di
FRP
Aumento della capacità degli elementi strutturali
(tratte da Fardis MN 2009)
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Moderne tecnologie antisismiche
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Riduzione della domanda mediante:
• Dispositivi di isolamento sismico
• Dispositivi di dissipazione
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Moderne tecnologie antisismiche: esempi
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Progetto: G. Mancinelli
• Edificio in via Latini, Fabriano (AN)
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Moderne tecnologie antisismiche:esempi
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• Edificio in via Latini, Fabriano (AN)
Progetto: G. Mancinelli
Sottofondazione: Inserimento dei dispositivi tra la fondazione
esistente
(rinforzata) e la nuova (al di sotto della vecchia)
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Moderne tecnologie antisismiche
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI
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Sottofondazione: dispositivi tra fondazione esistente
(rinforzata) e la
nuova
Progetto: G. Mancinelli
• Edificio in via Latini, Fabriano (AN)
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Moderne tecnologie antisismiche:esempi
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI
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Progetto G. Mancinelli
• Edificio in via Latini, Fabriano (AN)
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Moderne tecnologie antisismiche:esempi
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI
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Centro Polifunz. (R. TRAIANO SOCCAVO, NA)
Struttura ultimata negli anni ‘70 (quando l’area non era
classificata sismica) Fondazioni su pali
Struttura fortemente asimmetricaAdeguato sismicamente con 600
HDRB
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Moderne tecnologie antisismiche: esempi
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI
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Centro Polifunz. (R. TRAIANO SOCCAVO, NA)
Taglio dei pilastri : inserimento dei dispositivi lungo i
pilastri del primo livello e inserimento di un piano rigido
Courtesy by ALGA
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Moderne tecnologie antisismiche: esempi
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI
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Impalcato unico su isolatori sismici
26 HDRB (Ke=744 kN/mm) + 55 SD
T = 2.96 s, dE= =300 mm, V = 1000 kN
Edificio via Tigli, Pianola (AQ)
Progetto G. Mancinelli
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Moderne tecnologie antisismiche: esempi
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI
ESISTENTI33
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Edificio via Tigli, Pianola (AQ)
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LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI
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SS1 Seismometers K2 acquisition
system
Edificio via Tigli, Pianola (AQ)
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Moderne tecnologie antisismiche: esempi
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI
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Edificio via Tigli, Pianola (AQ)
L’edificio non ha subito danni a seguito
degli eventi sismici del 2016
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Moderne tecnologie antisismiche: esempi
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI
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Edificio scolastico a Vanadzor, Armenia
Edificio in muratura, 4 piani (55 anni) Adeguamento con “Medium
Damping Rubber Bearing” (MDNB), 2002(Progetto: M. Melkumyian)
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Moderne tecnologie antisismiche: esempi
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI
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LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI
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Iran Bastan Museum (Tehran)
(P. Clemente, A. Santini, M.G. Ashtiany)
Onset of damage
agi = 0.024g
Collapse
agi = 0.24 g
PGA
ag = 0.5 g
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Moderne tecnologie antisismiche: esempi
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI
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SISEB: Inserimento dei tubi
• Scavo trincea
• Inserimento tubi mediante spingitubo o micro-tunnelling
(diametro tubi ≥ 2 m, per consentire l’ispezione)
Brevetto internaz.: P. Clemente (ENEA), A. De Stefano, G. Barla
(POLITO)
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Moderne tecnologie antisismiche: esempi
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI
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• Forma particolare
• Composti da:
• settori circolari inferiori
• settori circolari
• elementi removibili che
li connettono
� Elementi rossi:
sostituiti dagli
isolatori
� Elementi grigi:
da rimuovere
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Moderne tecnologie antisismiche: esempi
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI
ESISTENTI41
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Parete
interna
Isolatori
Inseriti previa rimozione degli
elementi di connessione
Settore cilindrico
superiore
Settore cilindrico inferiore
Tubi in c.a. inseriti a con tecnica spingitubo o
microtunnelling (D ≥ 2 m)
TerrenoGap
Struttura isol. sismico edifici esistenti
Brevetto internaz.: P. Clemente (ENEA), A. De Stefano, G. Barla
(POLITO)
Parete
esternaConnessione rigida tra
l’edificio e il sistema di
isolamento
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Moderne tecnologie antisismiche: esempi
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI
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Proposta per Palazzo Margherita, L’Aquila
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LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI
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• L’edificio è stato costruito nei primi anni ’70. Le strutture
sono state
collaudate nel 1973.
• L’edificio ha otto piani fuori terra ed uno interrato
Moderne tecnologie antisismiche: esempi
Proposta di adeguamento di un edificio a Pescara
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LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI
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• La parte inferiore dell’edificio è a pianta rettangolare
mentre quella
superiore è a T;
• La parte bassa contiene un auditorium;
Moderne tecnologie antisismiche: esempi
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LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI
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Sistema resistente
Interazione con edificio adiacente
Moderne tecnologie antisismiche: esempi
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LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI
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Punti deboli della struttura attuale:•Interazione con l’edificio
adiacente
•Eccentricità dei muri
•Elevate azioni orizzontali sui pali
Retrofit con isolamento alla base:•Può abbattere le azioni
orizzontali in fondazione
•Può regolarizzare la distribuzione delle forze sui pali
•E’ necessario un giunto sismico
•Deve essere fatta una analisi di interazione
struttura-fondazione
Moderne tecnologie antisismiche: esempi
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LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI
ESISTENTI47
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• Il sistema di isolamento proposto
Moderne tecnologie antisismiche: esempi