Definizione di massima delle fasi d’intervento

Vengono individuate principalmente quattro fasi in cui suddividere l’intervento:

 Fase 1: Demolizione: per procedere all’intervento sarà necessario prima demolire alcune parti della struttura esistente: i tamponamenti divisori interni tra un’aula e l’altra, i tavelloni del solaio, eventualmente anche un travetto e, per permettere la cerchiatura dei pilastri con FRP, sarà necessario rimuovere la camicia in muratura presente intorno alle colonne.

156  Fase 2: Applicazione degli FRP: con l’inserimento di una struttura di controvento si ha un aumento delle sollecitazioni, in modo particolare sui pilastri in c.a. del telaio su cui avviene l’intervento. Per questa ragione è stato previsto di trattare le colonne e le travi adiacenti a tali colonne con nastri FRP, in modo da migliorarne la capacità a taglio, a flessione e a pressoflessione.

157  Fase 3: Inserimento delle piastre: una volta rinforzati i pilastri con l’incamiciatura in FRP si procede al collegamento tra travi in acciaio e colonne della struttura esistente. Tale unione viene realizzata a mezzo di monconi di profilo HE che sono stati saldati a piatti di collegamento i quali, a loro volta, sono stati ancorati a barre diritte che attraversano l’intera membratura per poi essere bloccate con dadi e contro-piastre sul lato posteriore del pilastro.

158  Fase 4: Montaggio di travi e diagonali: si procede infine al montaggio della struttura di controvento: per prima cosa vengono inserite le travi, collegate al moncone, precedentemente unito alla colonna, con una bullonatura a doppia piastra. Successivamente viene inserito il diagonale.

Ultimato l’inserimento del telaio di controvento sarà possibile procedere al ripristino del solaio e, dato il limitato ingombro dei profili, nascondere il sistema di controvento all’interno di paretine divisorie.

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CONCLUSIONI

In questo lavoro di tesi si è affrontato il problema legato alla sicurezza del patrimonio edilizio italiano sotto l’aspetto statico e, soprattutto, in relazione alle azioni sismiche, con particolare attenzione agli edifici che, data l’elevata vulnerabilità strutturale e l’importante esposizione, sono soggetti ad un rischio particolarmente elevato, come ad esempio gli edifici scolastici in c.a. progettati senza criteri antisismici. Si è partiti dalla definizione del rischio sismico, per passare poi ad analizzare le vulnerabilità tipiche degli edifici in calcestruzzo armato, tipologia che compone la stragrande maggioranza delle strutture presenti sul nostro territorio nazionale. Successivamente è stato presentato l’approccio che i riferimenti normativi vigenti, in particolare le NTC2018 e le linee guida fornite dalle VSCA della Regione Toscana, offrono per lo studio e l’analisi delle strutture esistenti: è stato delineato l’iter che un progettista deve seguire per ottenere la conoscenza necessaria ad analizzare un edificio e, eventualmente, a programmare interventi finalizzati al miglioramento della struttura nei confronti delle azioni statiche e sismiche. L’iter suggerito dai riferimenti normativi è articolato in più fasi e mira a raggiungere la conoscenza della struttura sotto esame, analizzando gli aspetti geometrici, architettonici e di dettaglio e determinando la resistenza dei materiali attraverso prove distruttive e non distruttive necessarie per stabilire i valori di input per le successive analisi. A conclusione della prima parte del lavoro di tesi, nel terzo capitolo sono stati analizzati i più comuni interventi sugli edifici esistenti, distinguendo tra quelli locali, ovvero finalizzati a migliorare le prestazioni di un singolo elemento, e quelle globali, che vanno a modificare l’intero comportamento dell’edificio.

Si è successivamente passati a studiare un edificio tipo per applicare le conoscenze acquisite e presentate nella prima parte della tesi. È stato scelto come caso studio l’Edificio “2”, appartenente all’Istituto IPSIA “E. Barsanti” di Massa (MS). Questa struttura, realizzata intorno agli anni ’50, è caratterizzata dalla presenza di telai monodirezionali in c.a. ed è stata costruita secondo il R.D.2229/1939, quindi progettata senza specifiche considerazioni antisismiche. Dell’edificio oggetto di studio non è stato possibile recuperare alcun dato progettuale da documenti originali. Per conoscere lo stato di fatto del complesso è stato dunque necessario utilizzare le informazioni ottenute precedentemente da due diverse campagne d’indagine: la prima è stata condotta nel 2015 dal Laboratorio Delta di Lucca ed era mirata alla valutazione delle caratteristiche dei materiali, la seconda è stata portata avanti a partire dal 2018 dal Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale dell’Università di Pisa ed è mirata a ampliare tutti gli aspetti della conoscenza dell’edificio. Con i dati ottenuti da tali indagini è stato possibile ricostruire la geometria strutturale dell’edificio e stimare le caratteristiche meccaniche dei materiali utilizzati nella costruzione, tenendo conto delle indicazioni fornite, in particolare, dalle VSCA della Regione Toscana.

In base al numero di prove e ai rilievi effettuati sugli elementi, seguendo le indicazioni presenti nelle NTC2018, è stato possibile definire il Livello di Conoscenza e, successivamente, realizzare un modello tridimensionale di calcolo con l’utilizzo del software SAP2000; è stata quindi effettuata un’analisi dinamica lineare con spettro di risposta, supponendo un fattore di comportamento strutturale pari a 1,50, quindi non considerando la capacità dissipativa degli elementi strutturali in c.a.. Tramite il modello sono state ricavate le sollecitazioni dovute ai carichi di natura statica ed è stato possibile valutare il comportamento globale dinamico dell’edificio e quindi la domanda richiesta agli elementi resistenti nei confronti delle sollecitazioni sismiche.

Dalle analisi effettuate sul modello di calcolo sono stati ricavati i valori della domanda e sono stati confrontati con i valori della capacità di ogni elemento, in modo tale da ricavare le criticità della struttura e valutare, tramite il calcolo dei coefficienti ζV e ζE, le eventuali riserve di resistenza nei confronti delle azioni statiche e delle azioni sismiche. Dall’analisi è emerso che, per quanto riguarda le sollecitazioni statiche, l’edificio è in sostanzialmente in buone condizioni: gli unici elementi che mostrano delle carenze sono i solai e i pilastri - in particolare quelli appartenenti al filo centrale, nei confronti del solo sforzo di taglio, essendo stati armati con staffe disposte a passo molto elevato. Riguardo ai solai occorre invece osservare che, nello stato di fatto, la

161 struttura non mostra segni di cedimenti, pertanto il mancato superamento delle verifiche è dovuto probabilmente al fatto che l’attuale Normativa e letteratura tecnica presenta dei metodi di calcolo della resistenza dei solai che mal si adattano alle tipologie più utilizzate negli anni di costruzione della struttura in esame. Per questa ragione, si è suggerito di sottoporre gli impalcati a delle prove di carico distribuito realizzate tramite dei gommoni ad acqua, ipotizzando l’allestimento della prova e fornendo un iter di verifica da seguire.

Per quanto invece riguarda le azioni sismiche, alla luce delle analisi preliminari condotte e del livello di conoscenza raggiunto, la struttura mostra notevoli carenze dovute soprattutto all’errata concezione strutturale: infatti, dal rilievo geometrico è emerso che l’edificio è dotato di telai resistenti solamente lungo una delle due direzioni principali; ciò, sommato alla posizione eccentrica del vano scale, produce modi torsionali indesiderati. Inoltre, sempre dal rilievo geometrico, è stato possibile osservare che i giunti sismici presenti tra l’edificio analizzato e i due blocchi limitrofi non sono sufficienti ad evitare i fenomeni di martellamento.

Si è quindi passati alla valutazione e proposta di eventuali interventi a livello globale. Tra le possibili soluzioni è stata scelta quella di inserire tre telai controventati all’interno della struttura, orientati nella direzione dove nello stato di fatto non sono presenti telai sismo-resistenti. L’obiettivo principale di questo intervento è sia quello di ridurre i moti torsionali sia, soprattutto, di limitare il più possibile gli spostamenti della struttura in entrambe le direzioni principali, operando in modo da far risultare sufficiente il giunto sismico presente e da scongiurare, di conseguenza, i fenomeni di martellamento.

Tra le varie tipologie di controvento si è scelto quello concentrico in quanto può essere realizzato utilizzando sezioni limitate e pertanto si dimostra essere particolarmente indicato da inserire all’interno di una struttura esistente, così da limitare il più possibile l’ingombro all’interno dell’edificio e da non stravolgere la distribuzione degli ambienti interna, cosa particolarmente importante per un edificio scolastico. È stata ritenuta una scelta ragionevole inserire i controventi all’interno dei muri divisori dei vani interni, così da non limitare l’utilizzo delle aule; in base a queste considerazioni si è progettato l’inserimento di tre telai sismo- resistenti orientati nella direzione dove l’edificio, allo stato di fatto, non presenta elementi resistenti alle azioni orizzontali. Il telaio di controvento è stato quindi predimensionato partendo dal taglio di piano distribuito sui tre telai resistenti: in questo modo sono state determinate le aree minime delle sezioni di acciaio da utilizzare; successivamente travi e diagonali sono state verificate a sforzo normale e instabilità, considerando le sollecitazioni estrapolate dal modello modificato. Questo modello è stato creato usando come base il modello 3D realizzato per condurre le analisi allo stato di fatto in cui, però, sono stati inseriti i telai di controvento ed è stato posto un fattore di struttura pari ad 1, imponendo dunque all’edificio esistente e agli elementi dei telai sismo-resistenti aggiuntivi, la permanenza in campo elastico; tale assunzione è giustificata dall’esigenza di ridurre gli spostamenti globali della struttura attraverso un intervento che privilegi l’irrigidimento della struttura, senza richieste in termini di dissipazione di energia sismica, che richiederebbe invece spostamenti globali maggiori.

Alla luce dei risultati è possibile asserire che, grazie all’introduzione dei telai di controvento, si ottiene una notevole protezione della struttura esistente sia per quanto riguarda il comportamento globale, sia a livello locale: con l’inserimento di elementi sismo-resistenti in direzione trasversale, si osserva che i moti torsionali sono notevolmente attenuati, a privilegio dei moti traslazionali; inoltre, grazie all’irrigidimento dell’edificio, gli spostamenti massimi nelle direzioni principali sono stati limitati notevolmente, passando da circa 5 cm a poco più di 1 cm.

Con l’inserimento dei controventi, come detto in precedenza, la struttura viene irrigidita notevolmente, producendo una riduzione del periodo proprio; di conseguenza, le sollecitazioni, in modo particolare sugli elementi su cui insistono le strutture di controvento, preposte a farsi carico delle azioni sismiche, registrano un aumento. Per questo motivo si è reso necessario intervenire localmente su alcuni elementi: è stato scelto di rinforzare le membrature predisponendo interventi con FRP, sistema di facile applicazione, poco invasivo ed estremamente versatile che pertanto ben si adatta alla geometria irregolare di alcuni elementi della

162 struttura; in particolare, dalle analisi svolte sul modello di calcolo a seguito dell’inserimento dei controventi, si è reso necessario intervenire con un rinforzo a taglio e flessione sulle travi, mentre i pilastri in c.a. sui quali si collega la struttura di controvento sono oggetto di un intervento di confinamento finalizzato a migliorare la risposta a sforzo normale centrato e a pressoflessione. Il progetto del controvento e una definizione di massima delle fasi dell’intervento sono rappresentate nelle tavole 2 e 3, in allegato alla tesi.

Dall’ipotesi di progetto di adeguamento proposto per il caso studio è emerso che gli interventi sugli edifici esistenti necessitano di tempi lunghi in quanto, per effettuare un’analisi accurata e veritiera della struttura oggetto di studio, occorrono numerose indagini, soprattutto se, come nel caso dell’Istituto “E. Barsanti”, non è possibile recuperare tavole progettuali dell’edificio per cui risulta necessario un attento e meticoloso rilievo geometrico. Infatti, per poter pianificare eventuali interventi è opportuno aver prima raggiunto un adeguato Livello di Conoscenza, in quanto un’indagine non accurata costringerebbe il progettista ad adottare elevati Fattori di Confidenza “FC” che abbatterebbero in maniera significativa la resistenza dei materiali, ponendosi in una situazione probabilmente troppo cautelativa rispetto alla realtà e portando alla definizione di interventi sovra-dimensionati rispetto alle necessità. Per quanto riguarda in particolare l’intervento scelto, il caso studio ha mostrato che l’inserimento di controventi all’interno di tali costruzioni può essere una soluzione efficace poiché, come visto, permette di ottenere effettivamente un notevole miglioramento del comportamento globale dell’edificio, andando soprattutto a correggere l’errata concezione strutturale tipica delle costruzioni progettate con il R.D.2229/1939, ovvero risalenti agli anni ‘50/’60, periodo in cui nel nostro Paese si è registrato un notevole incremento dell’attività edificatoria. Tali strutture venivano progettate principalmente per resistere alle azioni statiche, trascurando le sollecitazioni dovute ad eventi sismici. Ad ogni modo è evidente come sia necessario prestare particolare attenzione alle conseguenze che l’intervento porta sulla struttura: in particolare, facendo riferimento al caso studio, è risultato necessario intervenire con dei rinforzi mirati sugli elementi a cui i telai controventati vanno a collegarsi. Le moderne tecniche di rinforzo locale hanno dimostrato ottime prestazioni in termini di aumento di resistenza e soprattutto una notevole facilità di applicazione, confermandosi particolarmente idonee per le costruzioni esistenti in calcestruzzo armato.

L’intervento proposto per il caso studio è, comunque, da considerare incompleto: in particolare resta insufficiente il grado di conoscenza sulla struttura di copertura e sui due setti posizionati ai lati della scala, non essendo noto se sono stati realizzati in muratura o in calcestruzzo armato. Inoltre, non sono state effettuate indagini sulle fondazioni: avendo previsto, all’interno dell’intervento, l’inserimento di strutture di controvento che portano ad un incremento delle sollecitazioni sulle strutture di fondazione, è pertanto indispensabile avere conoscenza delle loro caratteristiche, necessarie anche per affinare il modello di calcolo. Infine, visto che uno dei maggiori problemi rilevati è il fenomeno del martellamento, è opportuno studiare nel dettaglio anche il comportamento nei confronti delle azioni sismiche dei due blocchi adiacenti all’Edificio 2, ovvero l’Edificio 3 e l’Edificio 1B, i quali, dalle indagini svolte, presentano caratteristiche molto simili a quelle della struttura analizzata. Definendo un modello di calcolo anche per questi blocchi, sarà possibile progettare interventi di adeguamento tali da imporre a ciascuna struttura la rigidezza necessaria affinché il giunto sismico risulti sufficiente e scongiurare quindi la possibilità del fenomeno del martellamento.

Per quanto riguarda le normative attualmente vigenti e utilizzate in questo lavoro, si può dire che le Linee Guida della Regione Toscana sono, senza dubbio, un’ottima base per un progettista: presentano una panoramica generale degli interventi sulle strutture esistenti e suggeriscono un iter chiaro e funzionale. Inoltre, il foglio di calcolo Excel per la determinazione delle caratteristiche meccaniche del calcestruzzo ottenibili partendo dai dati raccolti da prove distruttive e non distruttive è uno strumento di grande utilità. Le NTC2018 dedicano una certa attenzione alle costruzioni esistenti, riservando il capitolo 8 alla trattazione di questo argomento che, nel corso del tempo, ha acquistato una rilevanza sempre maggiore. In modo particolare il calcolo dei coefficienti ζ è un utile strumento per capire quali sono gli elementi che necessitano maggiormente di un intervento di rinforzo, rispetto sia alle azioni statiche sia all’azione sismica. In letteratura tecnica è possibile trovare molto materiale utile per lo studio dell’argomento, sia in senso più generale, sia

163 per casi specifici; l’unica mancanza rilevata è un metodo valido di valutazione della resistenza delle varie tipologie di solaio utilizzate nel lasso di tempo che va dagli anni ’50 agli anni ’80: esistono diversi articoli in cui vengono presentate prove effettuate su campioni estratti da solai delle più comuni tipologie adoperate negli edifici in c.a. ma, allo stato attuale, non c’è un metodo di calcolo attendibile per determinare la capacità dei solai, considerando che l’estrazione di un campione da sottoporre a prove in laboratorio non è sempre possibile e rappresenterebbe, comunque, un intervento invasivo, difficile e costoso.

In generale, il presente lavoro di tesi può rappresentare un possibile punto di partenza per tutti coloro che hanno necessità di studiare e progettare interventi su edifici esistenti in calcestruzzo armato, realizzati secondo il R.D.2229/1939.

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BIBLIOGRAFIA

Testi:

Arosio G., La Progettazione di Costruzioni in Cemento Armato, Milano, Hoepli, 1970. Beconcini M.L., Costruzioni in Zona Sismica, Pisa, University Press, 2009.

Biondi A., Analisi Pushover, Dario Flaccovio Editore, 2014.

Calvi G.M., Bommer I.J., Grant D., Pinho R., Defining Priorities and Timescales for Seismic Intervention in School Buildings in Italy, Pavia, IUSS Press, 2006.

Colombini S., Vulnerabilità Sismica di Edifici Esistenti in Cemento Armato e Muratura, Roma, EPC Editore, 2014.

Dowrick D.J., Earthquake Resistant Design for Engineers and Architects, John Wiley & Sons, 1987. Englekirk R.E., Seismic Design of Reinforced and Precast Concrete Buildings, John Wiley & Sons, 2003. Manfredi G., Masi A., Pinho R., Verderame G., Vona M., Valutazione degli Edifici Esistenti in Cemento Armato, Ed. IUSS Press, 2008.

Ormea G.B., La Teoria e la Pratica nelle Costruzioni, 21a Edizione, Milano, Hoepli, 1975.

Pauley T., Priestley M., Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings, John Wiley & Sons, 1992.

Penelis G.G., Kappos A.J., Earthquake Resistant Concrete Structures, E&FN Spon, 1998. Santarella L., Il Cemento Armato. La Tecnica e la Statica, 16a Edizione, Milano, Hoepli, 1958. SAP2000, User Interface Manual, Computers&Structures (CSI), California.

Articoli:

Antonucci R., Balducci F., Cappanera F., Castellano M.G., Strutture prefabbricate con controventi dissipativi: l’esempio del nuovo polo didattico della Facoltà di Ingegneria dell’Università Politecnica delle Marche di Ancona, Eucentre PRESS, 2009.

Bernardini F., Meletti C., I terremoti nella storia: I Borbone di Napoli e il grande terremoto delle Calabrie del 1783, 19 Febbraio 2014, ingvterremoti.com.

Bernardini F., Meletti C., I terremoti nella storia: Il catastrofico terremoto dell’11 Gennaio 1693 nella Sicilia Orientale, l’evento più forte della storia sismica italiana”, 30 Gennaio 2015, ingvterremoti.com.

Cannizzaro F., Bandini L., Oliveto F., Modellazione e Consolidamento Sismico di Edifici in Muratura e Cemento Armato: Tecniche Avanzate di Modellazione Strutturale e Verifiche ai sensi delle NTC2008; Valutazione di Vulnerabilità Sismica di Strutture in C.A. ed Acciaio; Tecniche Avanzate di Protezione Sismica delle Strutture, 23-24 Novembre 2012, Bologna.

D’Aniello M., Della Corte G., Mazzolani F.M., Un controvento speciale ad instabilità impedita per il consolidamento sismico di edifici in c.a., Costruzioni Metalliche Gen Feb 2009.

Elnashal A.S., Advanced Inelastic Static (Pushover) analysis for Earthquake Applications, Structural Engineering & Mechanics, Luglio 2001.

165 Fajfar P., Erri M., A Nonlinear Analysis Method for Performance Based Seismic Design, Earthquake Spectra, Vol. 16, n. 3, Agosto 2000.

Mariotti D., I terremoti del ‘900: La “catastrofe sismica” del 28 Dicembre 1908, 28 Dicembre 2015, ingvterremoti.com.

Martinelli A., Mannella A., Milano L., Cifani G., Lemme A., Miozzi C., The Seismic Vulnerability of School Buildings in Molise (Italy): The “Safe School Project”. From Seismic Vulnerability Studies to an Intervention Classification, 14th World Conference on Earthquake Engineering, October 12-17 2008, Beijing, China. Meletti C., Camassi R., I terremoti del ‘900: il terremoto del 13 gennaio 1915 nella Piana del Fucino, 13 Gennaio 2014, ingvterremoti.com.

Morelli F., Strutture Esistenti in C.A. e C.A.P., Livelli di Conoscenza, Prove Distruttive e Non Distruttive, Progetto Simulato. Caso Studio di Edificio Prefabbricato in C.A./C.A.P., 5 Dicembre 2014, Lucca.

Mwafy A.M., Elnashai A.S., Static Pushover versus Dynamic Collapse Analysis of RC Buildings, Engineering Structures, n. 23, 2001.

Orlando M., NTC2018, Edifici Esistenti in C.A., 4 Giugno 2018, Prato.

Pinto P.E., Franchin P., Eurocode 8 Part 3, Assessment and Retrofitting of Buildings, 10-11 Febbraio 2011, Lisbona.

Sgobba S., Monti G., Metodi di Analisi, capitolo 8, Gennaio 2010.

Verderame G.M., Ricci P., Esposito M., Sansiviero F.C., Le caratteristiche meccaniche degli acciai impiegati nelle strutture in c.a. realizzate dal 1950 al 1980, in Atti del XXVI Convegno Nazionale AICAP “Le prospettive di sviluppo delle opere in calcestruzzo strutturale nel terzo millennio”, 2011.

Riferimenti Normativi:

Regio Decreto 16/11/1939, n. 2229, Norme per la esecuzione delle opere in conglomerato cementizio semplice e armato, pubblicato sul Supplemento Ordinario alla Gazzetta Ufficiale n. 92 del 18 Aprile 1940. Circolare Ministero dei Lavori Pubblici 23/05/1957, n. 1472, Armatura delle Strutture in Cemento Armato. Decreto Ministeriale dei Lavori Pubblici 14/01/2008, Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni.

Circolare Ministeriale 02/02/2009, n. 617, Istruzioni per l’applicazione delle “Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni, di cui al D.M. 14 gennaio 2008.

Direttiva del Presidente del Consiglio dei Ministri 09/02/2011, Valutazione e riduzione del rischio sismico del patrimonio culturale con riferimento alle Norme Tecniche per le costruzioni di cui al D.M. 14/01/2008. Decreto Ministeriale 17/01/2018, Aggiornamento delle “Norme Tecniche per le Costruzioni”.

Circolare Ministeriale 21/01/2019, n. 7 C.S.LL.PP., Istruzioni per l’applicazione dell’”Aggiornamento delle ‘Norme Tecniche per le Costruzioni’” di cui al Decreto Ministeriale 17 gennaio 2018.

UNI EN 1998-1, Eurocodice 8: Progettazione delle Strutture per la Resistenza Sismica, Parte 1: Regole Generali, Azioni Sismiche e Regole per gli Edifici.

UNI EN 1998-1, Eurocodice 8: Progettazione delle Strutture per la Resistenza Sismica, Parte 3: Valutazione e Adeguamento degli Edifici.

166 Federal Emergency Management Agency, FEMA-356: Prestandard and Commentary for the Seismic

Rehabilitation of Buildings, Washington DC, 2000.

O.P.C.M. n. 3274 20/03/2003, Primi Elementi in Materia di Criteri Generali per la Classificazione Sismica del Territorio Nazionale e di Normative Tecniche per le Costruzioni in Zona Sismica.

CNR-DT 200 R1/2013 – Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Interventi di