UNIVERSITA’ DI PISA
SCUOLA DI INGEGNERIA
Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale
Corso di Laurea in Ingegneria Edile e delle Costruzioni Civili
Tesi di Laurea Magistrale
ANALISI DI VULNERABILITA’ SISMICA DEL PLESSO
SCOLASTICO “R. FUCINI”
Relatori Accademici:
Prof. Ing. Mauro Sassu
Dott. Ing. Linda Giresini
Dott. Ing. Mario Lucio Puppio
Ing. Fabio Doveri Candidata:
Ing. Martina Ferrini Pamela Santini
1
INDICE
1 Introduzione ... 6
2 Stato dell’Arte ... 8
2.1 Ricerca di letteratura su vulnerabilità edifici esistenti ... 8
2.1.1 Gli edifici esistenti ... 8
2.1.2 La classificazione sismica dal 1981 ad oggi ... 14
2.1.3 Il rischio sismico ... 16
2.1.4 La conoscenza dell’edificio ... 29
2.1.5 La vulnerabilità sismica di edifici esistenti e l’indice di rischio sismico .... 32
2.2 Tipologie costruttive ... 35
2.2.1 Edifici in cemento armato ... 35
2.2.2 Edifici in muratura ... 40
2.3 Tipi di analisi... 46
2.3.1 Analisi lineare dinamica ... 47
2.3.2 Analisi non lineare statica ... 48
3 Scuola Comunale “Renato Fucini” ... 55
3.1 Ubicazione... 55
3.2 Generalità dell’edificio ... 56
4 Rilievo ed indagini ... 58
4.1 Indagini ... 58
4.2 Analisi storico critica ... 59
4.3 Rilievo Geometrico ... 63
4.3.1 Report 1° sopralluogo ... 63
4.3.2 Report 2° sopralluogo ... 84
4.4 Blocco cemento armato ... 87
4.4.1 Planimetria Architettonica... 87
4.4.2 Materiali ... 87
2
4.4.4 Armatura delle travi di elevato ... 90
4.4.5 Carpenteria ed armatura della scala tipo 1 ... 92
4.4.6 Carpenteria ed armatura della scala tipo 2 ... 94
4.4.7 Armatura dei setti, del solaio e particolari ... 97
4.4.8 Tabella Pilastri ... 100
4.5 Blocco muratura ... 103
4.5.1 Planimetria Architettonica... 103
4.5.2 Materiali ... 103
4.5.3 Carpenteria e orditura dei solai ... 103
4.6 Relazioni specialistiche ... 109
4.6.1 Geologica e Geotecnica ... 109
4.7 Analisi dello Stato attuale ... 117
5 Blocco in cemento armato ... 118
5.1 Modellazioni numeriche e tipo di analisi strutturale ... 118
5.1.1 Criteri di regolarità ... 124
5.1.2 Fattore di comportamento ... 125
5.2 Analisi dei carichi ... 126
5.2.1 Pesi Propri ... 126
5.2.2 Carichi Permanenti ... 126
5.2.3 Carichi Variabili di esercizio... 127
5.2.4 Carico Neve ... 127
5.2.5 Carico Vento ... 128
5.2.6 Azione Sismica ... 129
5.3 Combinazioni di carico ... 134
5.3.1 Stato Limite Ultimo ... 134
5.3.2 Stato Limite di salvaguardia della vita e stato limite di operatività ... 134
5.4 Analisi a carichi gravitazioni – Verifiche strutturali SLU ... 135
5.4.1 Verifiche degli elementi principali ... 135
3
5.5 Analisi sismica – Verifiche strutturali agli SLV ... 156
5.5.1 Verifiche degli elementi principali ... 156
5.5.2 Verifiche scale e pianerottoli – SLV ... 174
5.6 Analisi sismica – Verifiche strutturali agli SLO ... 179
5.7 Risultati edificio in cemento armato ... 180
5.7.1 Indice di rischio ... 187
6 Blocco in muratura ... 189
6.1 Modellazione e analisi ... 189
6.1.1 Pannelli e pareti murarie ... 191
6.1.2 Orizzontamenti ... 193
6.1.3 Criteri di regolarità ... 194
6.1.4 Assegnazione dei materiali e livello di conoscenza ... 194
6.2 Azione Sismica... 199
6.3 Analisi dei carichi ... 200
6.3.1 Pesi Propri ... 200
6.3.2 Carichi di Area ... 202
6.4 Analisi sismica ... 205
6.4.1 Push-Over 3DMacro ... 207
6.4.2 Risultati delle analisi sismiche ... 208
6.4.3 Studio dei meccanismi locali... 253
7 Considerazioni sulla struttura globale ... 291
7.1 Distanza tra costruzioni contigue ... 291
7.1.1 Verifica giunto tecnico ... 291
7.2 Indicazioni d’intervento strutturale ... 292
7.2.1 Blocco in cemento armato ... 292
7.2.2 Blocco in muratura ... 298
8 Conclusioni ... 299
9 Allegati ... 301
4 9.2 Tavole Architettoniche ... 301 10 Bibliografia ... 302 11 Ringraziamenti ... 303
5 Ai miei genitori. A me stessa.
6
1 Introduzione
A causa della realtà del patrimonio edilizio nazionale la valutazione delle prestazioni sismiche delle costruzioni esistenti è un tema importante ed attuale nella pratica professionale di chi si occupa di progettazione strutturale. La valutazione della vulnerabilità sismica delle costruzioni esistenti è un argomento tanto importante quanto articolato che coinvolge vari aspetti tra i quali le indagini per acquisire un’adeguata conoscenza della struttura, le tecniche di modellazione e quelle di analisi, le verifiche di sicurezza e la gestione dei risultati. Da sempre l’Italia è un territorio quasi per intero a rischio sismico e idrogeologico, localmente anche vulcanico e quello che è cambiato, soprattutto dal secolo scorso, è il livello di antropizzazione, aumentato esponenzialmente spesso senza tener conto della natura del nostro territorio. Dati ISTAT accertano che quasi otto case su dieci si troverebbero, secondo l’istituto, in porzioni di territorio a rischio sismico da medio ad alto.
Con lo stato di conoscenze attuali i terremoti non sono prevedibili, né per sito né per intensità ma si possono solo fare stime probabilistiche sulla loro periodicità ed intensità. Numerosi parametri sono stati vagliati, come ad esempio la variazione di emissioni di radon, ma nessuno ha dato un riscontro certo e riproducibile in merito al legame con eventi particolarmente intensi. Partendo dal presupposto di non prevedibilità, l'unica via percorribile è quella della prevenzione. D’altra parte, è riconosciuto da molti e certamente dalla totalità degli esperti del settore che l’entità delle conseguenze calamitose del fenomeno sismico va sì ricercata nella severità delle scosse ma soprattutto nella vulnerabilità del sistema insediativo.
Questa tesi ha lo scopo di valutare la sicurezza sismica degli edifici nel comune di Rosignano Marittimo (LI). Nel dettaglio oggetto di studio è l’analisi di vulnerabilità sismica del Plesso scolastico “R. Fucini situato” nello stesso comune, nel rispetto dell'attuale D.M. 17/01/2018. L’edificio della scuola comunale “R. Fucini” in Castiglioncello è un caso di studio interessante in quanto risulta essere una costruzione obsoleta; in particolare il blocco in muratura è stato soggetto al terremoto con epicentro a Livorno e di sesto grado sulla scala Mercalli nell’aprile del 1984. La struttura è influenzata da diversi fenomeni di decadimento che si sono verificati nel corso degli anni, a causa di eventi ordinari e straordinari, inoltre l’edificio è un esempio significativo in quanto costituito in parte da una struttura in muratura, in parte in cemento armato e i solai del fabbricato risultano essere elementi prefabbricati. L'obiettivo dello studio condotto sulla struttura è capire come e perché i fenomeni di deterioramento sono stati originati.
7 Vari concetti sono introdotti e studiati in questa ricerca: vita utile, vita fisica e vita di destinazione, che vengono confrontati tra loro e combinati nello studio dell’edificio scolastico in esame.
Il presente lavoro si articola nelle seguenti fasi:
Aspetti generali delle costruzioni esistenti in cemento armato e muratura;
Tipi di analisi da effettuare secondo il rispetto della vigente normativa sulle costruzioni in cemento armato e muratura;
Fase conoscitiva della struttura in esame; Rilievo e indagini della struttura in esame;
Fase di verifica e valutazione di possibili interventi.
La tesi è articolata in nove capitoli. Dopo un’introduzione che espone il problema della sismicità del territorio italiano (Capitolo 1), viene affrontata la descrizione delle caratteristiche tipologiche e meccaniche delle strutture in cemento armato e muratura, ponendo poi l’attenzione sui criteri di valutazione della vulnerabilità sismica degli edifici esistenti. Il capitolo tre descrive il sito e la localizzazione della struttura oggetto di studio. Il capitolo quattro descrive la fase di rilievo e indagini effettuate sulla struttura fino alla ricostruzione dell’analisi storico critico della scuola Fucini grazie all’indagine storica effettuata presso i vari archivi del comune di Rosignano Marittimo e alla ricostruzione delle planimetrie attuali della struttura grazie ai rilievi geometrici effettuati in situ. Successivamente vengono valutate le azioni agenti sulla struttura e presentati i metodi di modellazione degli edifici: le caratteristiche strutturale della Scuola Fucini hanno permesso di analizzarla e studiarla in due blocchi distinti, uno in cemento armato e l’altro in muratura. Per entrambi in blocchi nella fase di modellazione (capitolo 5 e capitolo 6) sono stati definiti gli schemi tridimensionali della struttura utilizzando rispettivamente per il blocco in cemento armato il programma SAP2000 agli elementi finiti e per il blocco in muratura il programma di calcolo 3DMacro. L’analisi della struttura è stata compiuta attraverso un’analisi dinamica lineari per il corpo in cemento armato e attraverso sia un’analisi modale che statica non lineare per il blocco in muratura; per questo blocco è stata inoltre effettuata un’analisi locale dei cinematismi al fine di determinare l’instaurarsi di possibili meccanismi locali fuori piano in caso di sisma. Lo scopo principale è stato quello di valutare la possibilità di soddisfare le verifiche di sicurezza andando a migliorare la qualità dei materiali e realizzando interventi locali (Capitolo 7).
8
2 Stato dell’Arte
2.1 Ricerca di letteratura su vulnerabilità edifici esistenti
2.1.1 Gli edifici esistenti
Italia, insieme alla Grecia, è il Paese con il più alto livello di sismicità in ambito europeo e questo determina un alto rischio per il nostro territorio, a causa della elevata vulnerabilità del patrimonio edilizio e artistico-culturale, spesso fragile anche per il peso degli anni. Tale sismicità infatti, pur non essendo alta in valore assoluto (si pensi ad esempio a quella della California o del Giappone), costituisce un potenziale pericolo per gli innumerevoli e caratteristici borghi e paesi disseminati lungo l’Appennino (spesso costruiti in pietra locale), che certamente costituiscono un unicum di grande valore storico, culturale ed edilizio ma che necessitano anche di notevoli interventi strutturali per la loro messa in sicurezza. La sequenza sismica del 2016-2017 in Italia Centrale ha messo in luce proprio questa fragilità, presente, purtroppo anche in altre zone d’Italia, come Campania, Basilicata, Calabria e Sicilia orientale, dove il potenziale sismico è molto alto.
La situazione del patrimonio edilizio esistente italiano comporta un elevato grado di esposizione al rischio sismico, con conseguente esigenza, secondo i tecnici, di intervenire con un massiccio piano di prevenzione e messa a norma di un enorme numero di edifici. Questo è dovuto al fatto che il territorio nazionale è caratterizzato da un patrimonio edilizio, in una percentuale significativamente vecchia o addirittura antica. Emblematici sono i dati emersi dal 14° censimento ISTAT riportati nelle figure che seguono.
9 ITALIA NORD - OCCIDENTALE
TIPO DI MATERIALE
MURATURA C.A. ALTRO TOTALE
Prima del 1919 623 080 0 45 511 668 591 Dal 1919 al 1945 249 553 30 128 31 367 311 048 Dal 1946 al 1961 183 089 112 331 54 498 349 918 Dal 1962 al 1971 155 040 192 295 80 805 428 140 Dal 1972 al 1981 108 699 178 857 77 141 364 697 Dal 1982 al 1991 55 191 103 870 45 071 204 132 Dopo il 1991 43 254 91 746 41 849 176 849 Totale 1 417 906 709 227 376 242 2 503 375
Figura 2-1- Distribuzione degli edifici per tipologia strutturale e data di costruzione; Italia Nord-Occidentale
ITALIA NORD - ORIENTALE TIPO DI MATERIALE
MURATURA C.A. ALTRO TOTALE
Prima del 1919 360 913 0 26 879 387 792 Dal 1919 al 1945 202 573 11 181 19 535 233 289 Dal 1946 al 1961 258 837 41 773 41 945 342 555 Dal 1962 al 1971 261 998 88 936 72 438 423 372 Dal 1972 al 1981 198 793 107 249 83 166 389 208 Dal 1982 al 1991 92 126 67 665 48 727 208 518 Dopo il 1991 73 931 58 566 44 365 176 862 Totale 1 449 171 375 370 337 055 2 161 596
Figura 2-2- Distribuzione degli edifici per tipologia strutturale e data di costruzione; Italia Nord-Orientale
INTERO TERRITORIO NAZIONALE TIPO DI MATERIALE
MURATURA C.A. ALTRO TOTALE
Prima del 1919 2 026 538 0 123 721 2 150 259 Dal 1919 al 1945 1 183 869 83 413 116 533 138 315 Dal 1946 al 1961 1 166 107 288 784 204 938 1 659 829 Dal 1962 al 1971 1 056 383 591 702 319 872 1 967 957 Dal 1972 al 1981 823 523 789 163 370 520 1 983 206 Dal 1982 al 1991 418 914 620 698 250 890 1 290 502 Dopo il 1991 228 648 394 445 167 934 791 027 Totale 6 903 982 2 768 205 1 554 408 9 981 095
Figura 2-3- Distribuzione degli edifici per tipologia strutturale e data di costruzione; dati complessivi sul territorio nazionale.
10 Figura 2-4-Distribuzione percentuale edifici in muratura sul territorio nazionale in funzione dell'anno di
costruzione
Figura 2-5--Distribuzione percentuale edifici in c.a. sul territorio nazionale in funzione dell'anno di costruzione
Figura 2-6-Distribuzione percentuale delle tipologia strutturale degli edifici sul territorio nazionale totale 30% 17% 17% 15% 12% 6% 3%
Distribuzione percentuale edifici in muratura sul territorio nazionale in funzione dell'anno di costruzione
Prima del 1919 Dal 1919 al 1945 Dal 1946 al 1961 Dal 1962 al 1971 Dal 1972 al 1981 Dal 1982 al 1991 Dopo il 1991 0% 3% 11% 21% 29% 22% 14%
Distribuzione percentuale edifici in cemento armato sul territorio nazionale in funzione dell'anno di costruzione
Prima del 1919 Dal 1919 al 1945 Dal 1946 al 1961 Dal 1962 al 1971 Dal 1972 al 1981 Dal 1982 al 1991 Dopo il 1991 61% 25% 14%
Distribuzione percentuale delle tipologie strutturali degli edifici sul territorio nazionale totale
MURATURA C.A. ALTRO
11 Si osserva che il 19% del patrimonio edilizio è precedente al 1919 e solo il 18% è successivo al 1981. Si osserva inoltre che attualmente solo il 25% sono edifici in cemento armato mentre il 61% delle strutture esistenti sul territorio italiano sono edifici in muratura che risalgono nel maggiore dei casi agli anni precedenti al 1900 : questi costituiscono infatti una parte enorme degli edifici del patrimonio edilizio esistente. La valutazione delle strutture in muratura è un compito di ingegneria importante al giorno d'oggi e richiede l'applicazione di sofisticati metodi di analisi, basati su codici di costruzione nazionali e su standard internazionali.
In Italia sono presenti 12.187.698 edifici e oltre 31 milioni di abitazioni (ISTAT). Gli edifici esistenti appartengono a diverse categorie e destinazioni d’uso; l’esame delle principali categorie di edifici non residenziali mostra che il settore commerciale (negozi, botteghe, ma anche supermercati, superficie specializzata, grandi magazzini, etc.) ha un peso pari a poco più di un terzo del totale, leggermente superiore a quello di ospedali e case di cura. Scuole e uffici si attestano al 26% circa.
Figura 2-7- Edifici non residenziali per tipologia (superficie %)
Si osserva che gli edifici esistenti sui quali è necessario effettuare delle valutazioni di vulnerabilità sismica non sono soltanto strutture con destinazione d’uso residenziale bensì strutture importanti per la collettività e per lo svolgimento della vita di qualsiasi cittadino.
12 Secondo A. Martelli, Direttore del centro di ricerche ENEA di Bologna, oltre il 70% dell’edificato italiano “non è in grado di reggere alle azioni sismiche a cui potrebbe venire soggetto” e tra gli edifici caratterizzati da questa criticità, oltre ovviamente a quelli di uso abitativo , sono compresi anche ospedali, scuole ed altre costruzioni strategiche. Si tratta di una percentuale assai elevata per la quale occorreranno decenni per risolvere il problema dell’elevata fragilità del patrimonio edilizio nazionale nei confronti degli eventi sismici. Ancora secondo A. Martelli, il tema dell’intervento sul patrimonio edilizio esistente “è un problema enorme da risolvere e da affrontare con urgenza anche se è percepito come talmente grande che non facciamo nulla in ogni terremoto”. Il Prof. G. Manfredi relativamente alla cultura del costruire fa riferimento ad uno studio a livello internazionale attraverso il quale è stato constatato che ” nelle zone a maggiore rischio sismico dove la frequenza dei terremoti è molto più alta quando il periodo di ritorno dei terremoti supera una generazione, la percezione e la resilienza della popolazione si riducono drasticamente. E’ un problema di trasmissione dell’esperienza […] Perciò la percezione media del rischio nella popolazione è bassa. Se a un cittadino medio italiano, anche in una zona sismica, si chiede se preferisca rendere antisismica la casa o avere pavimenti più belli, sceglierà i pavimenti perché ritiene che il terremoto non arriverà”.
La valutazione della vulnerabilità sismica di un immobile è quindi un problema di grande attualità, complesso e articolato, che coinvolge vari temi dell’ingegneria strutturale. Oltre alle difficoltà relative alla concezione culturale esistono comunque anche difficoltà oggettive sia di carattere logistico che economico, nelle quali il professionista è chiamato spesso ad operare e senza superare le quali è difficile che un passo avanti in tal senso possa essere compiuto. Un aspetto che negli anni può aver contribuito a limitare le attenzioni da parte dei professionisti è stato il processo sfruttato in passato per la valutazione della sicurezza tra progettazione di nuove costruzioni e riabilitazione di costruzioni esistenti. Ci si riferisce in particolare all’adozione di coefficienti di sicurezza identici nelle due situazioni nonostante le evidenti differenze in termini di conoscibilità della struttura e di rappresentatività delle prove eseguite sui materiali. Inoltre va riconosciuto il ritardo culturale presente nel settore dell’ingegneria civile sul tema della diagnosi, specie se raffrontato con altri settori come quello medico nel quale esami e analisi sono patrimonio diffuso non solo da parte degli operatori ma anche da parte degli utenti - committenti. Oggi la normativa consente, nelle verifiche di sicurezza, a differenza del passato, di assumere un fattore di confidenza adeguato in base al livello di conoscenza acquisito fornendo in questo modo al professionista più opportunità. Esso può decidere se investire più risorse nelle indagini nella conoscenza della struttura ed effettuare interventi più mirati e meno onerosi successivamente ma allo stesso il ruolo del professionista viene responsabilizzato maggiormente.
13 In ogni caso l’indagine e la protezione sismica sono aspetti molto importanti per il nostro paese, ancor più se ci si riferisce al patrimonio edilizio pubblico costituito in larga parte da edifici non o parzialmente protetti dal sisma e tutto ciò che è importante da ricordare è che in presenza di ogni terremoto “i risultati oltre che le vittime, conseguenza principale da evitare, sono i danni che poi costano tre volte tanto quella che sarebbe stata la spesa se si fosse affrontato il problema prima”. Per questo motivo qualsiasi percorso di interventi sul costruito per innalzarne le prestazioni statiche non può che avviarsi, come primo passo, con lo studio dello stato attuale e la misura della vulnerabilità, cioè della propensione al danneggiamento per effetto dei terremoti. Occorre individuare e misurare le criticità statiche, quantificare le gravità delle inadeguatezze e definire le modalità e tempi di intervento.
L’Italia possiede un grande patrimonio di conoscenza scientifica, in particolare sulla pericolosità sismica e geologica, sia per tradizione (la sismologia è considerata essere nata in Italia a seguito degli studi di Mallet sul terremoto del 1857 in Basilicata) che per l’attività di ricerca anche applicata, riconosciuta a livello internazionale, che svolgono enti come l’INGV, il CNR, il Servizio Geologico d’Italia dell’ISPRA, l’ENEA e molte Università. Anche se in continuo aggiornamento e approfondimento, la pericolosità sismica dell’intera penisola, grazie agli studi sinora condotti, è ad oggi considerata sufficientemente nota, in quanto sappiamo sostanzialmente qual è il terremoto di riferimento che possiamo aspettarci in ogni parte del territorio. Pur essendo tuttavia ancora lontani dal conoscere tutti i segreti dei fenomeni che precedono l’enucleazione di un terremoto, la nostra capacità di monitorare il territorio nelle singole componenti che lo costituiscono sta aumentando sensibilmente, grazie al miglioramento delle tecniche di analisi sia da remoto (si pensi alla costellazione satellitare con i relativi sensori) che in situ. L’utilizzo integrato di dati provenienti da tecniche diverse ci consente infatti di comprendere con sempre maggiore approssimazione gli eventi sismici, sia in termini geodinamici che di variazione di singoli parametri sismici e geologici. Negli ultimi anni, si stanno poi sviluppando gli studi di Microzonazione sismica, utili a conoscere la risposta delle diverse porzioni di territorio all’input sismico e molto importanti ai fini della pianificazione territoriale. Gli investimenti in termini di conoscenza sono ovviamente il primo passo del lungo cammino verso la messa in sicurezza del Paese e solo partendo da solide basi scientifiche conoscitive è possibile approntare le corrette politiche di riduzione del rischio sismico.
14
2.1.2 La classificazione sismica dal 1981 ad oggi
I Decreti Ministeriali emanati dal Ministero dei Lavori Pubblici tra il 1981 ed il 1984 avevano classificato complessivamente 2.965 comuni italiani su di un totale di 8.102, che corrispondono al 45% della superficie del territorio nazionale, nel quale risiede il 40% della popolazione.
Nel 2003 sono stati emanati i criteri di nuova classificazione sismica del territorio nazionale, basati sugli studi e le elaborazioni più recenti relative alla pericolosità sismica del territorio, ossia sull’analisi della probabilità che il territorio venga interessato in un certo intervallo di tempo (generalmente 50 anni) da un evento che superi una determinata soglia di intensità o magnitudo. L’ Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n. 3274 del 20 marzo 2003 dettava i principi generali sulla base dei quali le Regioni avevano compilato l’elenco dei comuni con la relativa attribuzione ad una delle quattro zone, a pericolosità decrescente, nelle quali il territorio nazionale era stato classificato.
Zona 1: Zona più pericolosa. La probabilità che capiti un forte terremoto è alta; Zona 2: Zona con possibilità di alti terremoti;
Zona 3: Zona in cui forti terremoti sono meno probabili rispetto alla zona 1 e 2; Zona 4: Zona meno pericolosa: la probabilità che capiti un terremoto è molto bassa.
Di fatto nel 2003, sparisce il territorio “non classificato”, e viene introdotta la zona 4, nella quale è facoltà delle Regioni prescrivere l’obbligo della progettazione antisismica. A ciascuna zona, inoltre, viene attribuito un valore dell’azione sismica utile per la progettazione, espresso in termini di accelerazione massima su roccia (zona 1=0.35 g, zona 2=0.25 g. zona 3=0.15 g, zona 4=0.05 g). Tutto ciò ha permesso di ridurre notevolmente la distanza fra la conoscenza scientifica consolidata e la sua traduzione in strumenti normativi e ha portato a progettare e realizzare costruzioni nuove, più sicure ed aperte all’uso di tecnologie innovative.
Con l’Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n. 3519 del 28 aprile 2006 e con gli studi svolti dai centri di competenza, sono state pienamente recepite e ulteriormente affinate le ricerche sulla pericolosità sismica: nel 2006 il nuovo studio di pericolosità, allegato all’Opcm n. 3519, ha fornito alle Regioni uno strumento aggiornato per la classificazione del proprio territorio, introducendo degli intervalli di accelerazione (ag), con probabilità di superamento pari al 10% in 50 anni, da attribuire alle 4 zone sismiche.
15 Tabella 2-1- Classificazione secondo allegato all’Opcm n. 3519
Zona sismica Accelerazione con probabilità di superamento pari al 10% in 50 anni (ag)
1 ag >0.25
2 0.15 <ag≤ 0.25
3 0.05 <ag≤ 0.15
4 ag ≤ 0.05
A ciascuna zona o sottozona è stato attribuito un valore di pericolosità di base, espressa in termini di accelerazione massima su suolo rigido (ag). Tale valore di pericolosità di base non ha però influenza sulla progettazione.
Nel 2008 le Norme Tecniche per le Costruzioni 2008 (D M. 14 gennaio 2008), hanno modificato il ruolo che la classificazione sismica aveva ai fini progettuali: per ciascuna zona – e quindi territorio comunale – precedentemente veniva fornito un valore di accelerazione di picco e quindi di spettro di risposta elastico da utilizzare per il calcolo delle azioni sismiche.
Dal 1 luglio 2009 con l’entrata in vigore delle Norme Tecniche per le Costruzioni del 2008, per ogni costruzione ci si deve riferire ad una accelerazione di riferimento “propria” individuata sulla base delle coordinate geografiche dell’area di progetto e in funzione della vita nominale dell’opera. Un valore di pericolosità di base, dunque, definito per ogni punto del territorio nazionale, su una maglia quadrata di 5 km di lato, indipendentemente dai confini amministrativi comunali. La classificazione sismica (zona sismica di appartenenza del comune) rimane utile solo per la gestione della pianificazione e per il controllo del territorio da parte degli enti preposti (Regione, Genio civile, ecc.). Con l'entrata in vigore del D M. 14 gennaio 2008 la classificazione sismica del territorio è scollegata dalla determinazione dell'azione sismica di progetto, mentre rimane il riferimento per la trattazione di problematiche tecnico-amministrative connesse con la stima della pericolosità sismica.
Infine l'entrata in vigore della revisione della norma NTC08, nel 2018 con il Decreto 17 Gennaio 2018, segna il definitivo abbandono della metodologia delle tensioni ammissibili: dal 22/03/2018, con l'entrata in vigore delle NTC2108 non sarà più possibile utilizzare questa metodologia, neanche per le ex-zone 4, a favore del metodo semiprobabilistico agli Stati Limite, nelle NTC2018 sono stati eliminati i riferimenti alle zone sismiche.
16
2.1.3 Il rischio sismico
Da più di un decennio il Gruppo Nazionale per la Difesa dei Terremoti (GNDT) si occupa del rischio sismico e della sua riduzione, una attività che comporta una pluralità di linee e temi di ricerca.
Il rischio si definisce per un territorio o per una popolazione di oggetti, costruzioni, persone e beni sulla base dei danni attesi a seguito di possibili eventi naturali o di origine antropica; è quindi il risultato dell'interazione tra il fenomeno naturale cioè il sisma e le principali caratteristiche della comunità esposta. Il rischio sismico si definisce come l'insieme dei possibili effetti in termini di danni attesi che un terremoto può produrre in un determinato intervallo di tempo, in una data area, in relazione alla sua probabilità di accadimento e al relativo grado di intensità. L’entità di tali danni dipendono da tre ordini di fattori legati rispettivamente alla natura, alla frequenza e livello degli eventi attesi, oltre che alla natura, qualità e quantità dei beni esposti e alla capacità dei beni stessi di resistere alle offese. Per detti fattori si è ormai consolidata un terminologia che ha il merito di essere espressiva: pericolosità, esposizione, vulnerabilità.
Si definiscono quindi:
Pericolosità: La pericolosità sismica è la probabilità che in una data area ed in un certo intervallo di tempo si verifichi un terremoto che superi una soglia di intensità, magnitudo o accelerazione di picco (Pga).
E’ possibile individuare una legge che descrive la pericolosità sismica in un certo luogo: Legge di Poisson.
Questa legge presuppone che:
1. Un evento sismico possa avvenire in qualsiasi istante di tempo;
2. L’intervallo di tempo in cui si verifica l’evento sismico è indipendente dalla storia sismica;
3. La frequenza di ricorrenza dell’evento è così definita: 𝜈 = 𝜆 ∙ 𝑇 Con 𝜆 = frequenza media;
𝑇 = Periodo di riferimento della costruzione.
E’ possibile quindi individuare la probabilità che nel periodo 𝑇 avvengano n-eventi di una certa intensità i attraverso la legge di Poisson:
17 P(𝑛) = 𝑃 = (𝜆 ∙ 𝑇 )
𝑛! ∙ 𝑒
∙
Analizzando il caso che si verifichi un terremoto in qualsiasi istante di tempo si ottiene:
𝑃 > 0 = 𝑃 = 1 − 𝑒 ∙
Con 𝜆 =
𝑇 = Periodo di ritorno.
Si ottiene quindi :
𝑃 > 0 = 1 − 𝑒
La pericolosità sismica è definita in termini di accelerazione orizzontale a in condizioni di campo libero su sito di riferimento su suolo rigido con superficie topografica orizzontale (di categoria A ), e inoltre di ordinate dello spettro di risposta elastico in accelerazione ad essa corrispondente Se(T), con riferimento a prefissate probabilità di superamento PVR nel periodo di riferimento 𝑇 . A partire dalla pericolosità sismica di base del sito di costruzione è possibile individuare le azioni sismiche di progetto che sono altresì funzione delle caratteristiche morfologiche e stratigrafiche che a loro volta permettono di determinare la risposta sismica locale.
Con l'entrata in vigore del D.M. 14 gennaio 2008 la stima della pericolosità sismica, intesa come accelerazione massima orizzontale su suolo rigido (Vs30>800 m/s), viene definita mediante un approccio "sito dipendente" e non più tramite un criterio "zona dipendente". Secondo l'approccio "zona dipendente", adottato dalla precedenti normative nazionali in campo antisismico, l'accelerazione di base ag, senza considerare l'incremento dovuto ad effetti locali dei terreni, era direttamente derivante dalla Zona sismica di appartenenza del comune nel cui territorio è localizzato il sito di progetto. Con l'entrata in vigore del D.M. 14 gennaio 2008 la classificazione sismica del territorio è scollegata dalla determinazione dell'azione sismica di progetto. Pertanto, secondo quanto riportato nell'allegato A del D.M. 14 gennaio 2008, la stima dei parametri spettrali necessari per la definizione dell'azione sismica di progetto viene effettuata calcolandoli direttamente per il sito in esame.
La pericolosità sismica (P) è suddivisa in 4 classi e stimata, per ciascuna area omogenea di riferimento, in forma qualitativa, a partire dalla combinazione dei seguenti parametri:
18 1) pericolosità sismica di base (Pbase)
2) pericolosità sismica locale in riferimento al tipo di suolo (S)
A seguire si spiegano nel dettaglio i parametri descritti: 1) Pericolosità sismica di base
Per pericolosità di base (Pbase) si intende l'accelerazione orizzontale massima del terreno “Ag” in condizioni di suolo rigido e pianeggiante, per tempo di ritorno pari a 475 anni, così come riportato al par.3.2delle norme tecniche per le costruzioni di cui al D.M.14.1.2008.
Sono state qui individuate 4 classi di pericolosità sismica di base (Pbase) in funzione del valore di “Ag”:
Figura 2-8-Classi di pericolosità sismica di base
2) Pericolosità sismica locale
La pericolosità sismica locale (S) è definita al par.C.5 in cui sono individuate le seguenti classi di pericolosità sismica locale:
Figura 2-9-Classi di pericolosità sismica locale
La classe di pericolosità sismica (P) si ottiene quindi dalla combinazione delle classi individuate per la pericolosità di base (Pbase) e locale (S) e può assumere valori compresi tra 1 e 4. A seguire si riporta le classi di pericolosità e la mappa di pericolosità sismica italiana tratta dal sito INGV.
19 Figura 2-10-Classi di pericolosità sismica
20 Nel 2008 sono state aggiornate le Norme Tecniche per le Costruzioni: per ogni luogo del territorio nazionale l’azione sismica da considerare nella progettazione si basa su questa stima di pericolosità opportunamente corretta per tenere conto delle effettive caratteristiche del suolo a livello locale.
I colori indicano i diversi valori di accelerazione del terreno che hanno una probabilità del 10% di essere superati in 50 anni. Indicativamente i colori associati ad accelerazioni più basse indicano zone meno pericolose, dove la frequenza di terremoti più forti è minore rispetto a quelle più pericolose, ma questo non significa che non possano verificarsi.
Esposizione: dislocazione sul territorio di beni di valore, di aree densamente popolate e di attività produttive, che possano essere influenzate da un evento sismico.
L’esposizione urbanistica di una certa zona ci fornisce informazioni sui manufatti presenti e sul numero di persone che probabilmente saranno coinvolte nel terremoto. Con il termine esposizione si individuano, dunque, le caratteristiche legate sia al funzionamento delle strutture in caso di sisma, sia al comportamento delle utenze. In particolare sono classificati ad alta esposizione gli edifici per il commercio, per l’istruzione e quelli suscettibili di affollamento in particolari periodi. Si attribuisce quindi, un valore economico ai manufatti.
Vulnerabilità: predisposizione delle strutture a subire un danneggiamento più o meno elevato a seguito di un evento sismico e propensione delle persone a correre rischi di essere ferite più o meno gravemente.
La vulnerabilità di un edificio è legata alla tipologia costruttiva: sono possibili tre classi di appartenenza, dalla A alla C, in funzione al numero di piani, al tipo di materiale impiegato, alle tecniche di costruzione ed allo stato di conservazione. Esprime la capacità dell’edificio di resistere all’evento sismico. Lo studio del sottosuolo di fondazione permette di acquisire informazioni sulle caratteristiche geologiche e fisicomeccaniche in modo da conoscere la risposta del terreno sotto l’azione sismica. Nello studio di vulnerabilità di un edificio, la conoscenza del sistema costruttivo, delle sue caratteristiche meccaniche e della disposizione dei suoi elementi è parte di notevole importanza. Per mezzo di queste conoscenze è possibile effettuare una valutazione della sicurezza cioè un procedimento qualitativo e quantitativo volto a stabilire se una struttura è in grado di sopportare le combinazioni di progetto previste oppure a determinare l’entità massima delle azioni che la struttura è capace di sostenere con i margini di sicurezza richiesti.
21 Quando si parla di rischio sismico è da tenere presente che necessariamente devono esistere contemporaneamente le condizioni di pericolosità e di esposizione. Questi argomenti assai diversi implicano competenze disciplinari ben distinte quali la geologia, la sismologia e la sismologia applicata per la pericolosità, mentre l’ingegneria e l’urbanistica per la vulnerabilità e l’ esposizione. Risulta pertanto necessario non dimenticare mai la natura del territorio nel quale costruiamo, andando oltre la percezione personale che si ha del rischio. In un luogo dove non esistono insediamenti o esistono strutture di scarso valore, seppur classificato come zona ad alta pericolosità sismica, il rischio sismico risulterà molto basso. La pericolosità sismica del territorio è una componente del rischio sismico non modificabile per cui la possibilità di mitigare il rischio sismico sta nella riduzione dell’esposizione e della vulnerabilità, soprattutto se gli interventi per diminuire tale parametro riguardano edifici esistenti che rivestono un’importanza strategica per la collettività (scuole, ospedali, centri di raccolta…).
𝑹𝒊𝒔𝒄𝒉𝒊𝒐 𝒔𝒊𝒔𝒎𝒊𝒄𝒐 = 𝑷𝒆𝒓𝒊𝒄𝒐𝒍𝒐𝒔𝒊𝒕à ∙ 𝑬𝒔𝒑𝒐𝒔𝒊𝒛𝒊𝒐𝒏𝒆 ∙ 𝑽𝒖𝒍𝒏𝒆𝒓𝒂𝒃𝒊𝒍𝒊𝒕à
Tabella 2-2-Sistesi grafica degli elementi che determinano il rischio sismico
Il tema del rischio sismico e della vulnerabilità sismica di edifici ed infrastrutture non è certo nuovo ma è stato oggetto, in Italia soprattutto nei due ultimi decenni, di un ampio approfondimento e diffusione anche e purtroppo a causa di eventi sismici relativamente intensi che hanno colpito il nostro Paese.
Con l’introduzione delle NTC2018 per la prima volta il rischio sismico compare a fianco alla sicurezza e come cita il Professore Franco Braga, presidente dell’Associazione Nazionale Italiana Di Ingegneria Sismica (A.N.I.D.I.S.), queste norme derivano da valutazioni legate anche alle possibili risorse che si possono investire, alla capienza economica che si ha a disposizione, e più in generale derivano dalla considerazione che quando si deve intervenire su tanti edifici è lecito fare delle scelte che comportino “meno rischi per tutti anziché più sicurezza per pochi”.
22 Tra le categorie di oggetti meritevoli di attenzione in chiave di rischio, gli edifici pubblici rivestono un interesse particolare, investiti come sono assai spesso di funzioni strategiche proprio nei momenti difficili di una emergenza sismica. La risposta più ovvia alla constatazione della presenza notevolmente a rischio è l’avvio di specifici programmi di adeguamento del patrimonio edilizio ai livelli di sismicità delle varie zone del paese, ma non è certo l’unica possibile. L’abbassamento dei livelli di rischio può essere uno degli obbiettivi della programmazione di investimenti settoriali (scuola, sanità, casa, trasporti) della pubblica amministrazione e può in alcuni casi contribuire a qualificare la spesa pubblica. Gli effetti positivi sono evidenti: si eviterebbe il ripetersi di notevoli perdite di vite umane, si eviterebbero i danni legati alle operazioni di demolizione e ricostruzione di un gran numero di edifici.
La previsione di un terremoto, allo stato delle conoscenze attuali, non è un obiettivo perseguibile. Per la riduzione degli effetti distruttivi che un terremoto produce sulla popolazione e sul patrimonio edilizio esistente, è invece indispensabile attuare un’adeguata politica di prevenzione del rischio sismico, basata su una strategia che tenga conto delle priorità, dei finanziamenti disponibili e che miri alla definizione di un quadro conoscitivo sufficientemente approfondito sia sui terreni che sul patrimonio edilizio presente. Inoltre, qualsiasi strategia di prevenzione del rischio sismico non potrà essere completa senza una adeguata campagna di informazione rivolta alla popolazione e una politica formativa rivolta alle scuole, ai tecnici, ai professionisti.
23
2.1.3.1 Il rischio sismico in Toscana
La Regione Toscana ormai da numerosi anni attua una serie di iniziative di prevenzione sismica che la pongono all’avanguardia nel panorama nazionale in questo settore. L’obiettivo generale che la Regione Toscana si prefigge è quello di proseguire con l’attuazione di una politica di prevenzione sismica mediante una serie di attività specifiche volte:
• all’aggiornamento del quadro delle conoscenze sul rischio sismico, mediante lo studio e il monitoraggio dell’attività sismica, la classificazione sismica del territorio e l’effettuazione di indagini conoscitive e verifiche sui terreni e sugli edifici;
• al miglioramento del patrimonio edilizio esistente, affinché non subiscano danni in caso di terremoto, mediante indicazioni, regolamenti tecnici e linee guida di progettazione;
• all’informazione alla popolazione e a campagne di formazione, mediante pubblicazioni e corsi specifici per studenti e operatori del settore.
Con la Legge Regionale n° 58 del 16 ottobre 2009, la Regione Toscana ha approvato le “Norme in materia di prevenzione e riduzione del rischio sismico”. Il principio ispiratore di tali norme è garantire la maggiore sicurezza delle persone e dei beni, mediante un insieme di interventi atti a eliminare o ridurre il livello di rischio sismico del territorio. Un’importante attività che contribuisce al raggiungimento delle finalità della legge è lo studio, l’analisi e la ricerca sul rischio sismico. Tale attività consiste nel:
• monitorare il livello di sismicità del territorio regionale e i parametri precursori a essa connessi, attraverso la realizzazione e il monitoraggio continuo di reti di tipo sismometrico, accelerometrico, geodetico e geochimico;
• compiere indagini e analisi di micro-zonazione sismica per la valutazione degli effetti locali nei centri urbani e sugli edifici strategici e rilevanti; • compiere indagini e studi di valutazione sulla vulnerabilità sismica dei
centri urbani e, in particolare, sugli edifici strategici e rilevanti.
Tali attività sono riassunte nel Documento Conoscitivo del Rischio Sismico, aggiornato con Deliberazione di G.R.T. n. 1271 del 12/12/2016 che contiene la sintesi dello stato di conoscenze sul rischio sismico in Toscana e sulle attività di prevenzione sismiche realizzate e in corso. Sulla base dei contenuti e delle criticità evidenziate all’interno del Documento conoscitivo, la Giunta Regionale approva annualmente il Documento Operativo per la Prevenzione Sismica (DOPS), che rappresenta lo strumento di programmazione economica e finanziaria all’interno del quale sono contenute le risorse per la realizzazione delle attività di
24 prevenzione sismica. In sintesi quindi si parla per la prima volta di “gestione del rischio sismico” e non più solo di pericolosità sismica.
Il Documento Conoscitivo del Rischio Sismico è lo strumento di pianificazione per le politiche di prevenzione e di riduzione del rischio sismico nell'ambito del Piano di Indirizzo Territoriale (PIT). In particolare attraverso l’aggiornamento triennale da parte della regione, esso raccoglie tutte le attività conoscitive del rischio sismico utili per la programmazione delle azioni di riduzione del rischio. Questo documento scaturisce dagli studi che la Regione Toscana sta proseguendo in questi anni e nello specifico dalle diverse iniziative che sono state attivate e che sinergicamente concorrono alla prevenzione sismica della popolazione e del patrimonio edilizio della Toscana.
La Regione Toscana ha potuto beneficiare, come le altre regioni e province autonome, dei finanziamenti di provenienza statale che disciplinano i contributi per gli interventi di prevenzione del rischio sismico, tra cui un canale specifico finalizzato agli studi di micro-zonazione sismica a livello comunale. La Micro-micro-zonazione Sismica permette di valutare in forma qualitativa e/o quantitativa le modificazioni apportate allo scuotimento del suolo dalle condizioni geologico-tecniche locali e dalle condizioni topografi che locali. Tale attività rientra in un quadro più generale nei programmi di prevenzione e di mitigazione degli effetti di un terremoto, in cui è necessario individuare in via preliminare con criteri speditivi le zone a più elevato rischio sismico da sottoporre a studi particolareggiati. Tutto ciò ha permesso alla Regione Toscana di poter disporre a oggi di numerosi studi di micro-zonazione sismica, già realizzati su oltre il 65% dei comuni toscani, come è possibile evincere nella figura che segue.
25 Figure 2-1-Estratto Doc. conoscitivo Regione Toscana
LEGENDA
Studi di MS di livello 1, approvati
Studi di MS di livello 1, in corso di approvazione Studi di MS di livello 1, in corso di realizzazione
Studi di MS di livello 1 e 3 a cura della Regione Toscana
Studi di MS con Analisi delle Condizioni Limite per l’emergenza Studi di MS finanziati a livello Comunale
Comuni non finanziati
26 Per mezzo del Documento conoscitivo del rischio sismico è stata introdotta una metodologia speditiva per la valutazione del rischio sismico a scala territoriale con l'elenco dei comuni suddivisi in quattro classi di rischio e la relativa mappa. La valutazione del rischio sismico a grande scala, finalizzato alla definizione della probabilità di accadimento di danni a seguito di un evento sismico in una determinata area, è un’operazione complessa. A scala regionale è stato elaborato un modello semplificato che tenga conto dei fattori di rischio a scala comunale sulla base dei dati omogenei a disposizione per ciascun comune. Per la pericolosità sismica si fa riferimento alla pericolosità di base (Ag max), per l’esposizione e la vulnerabilità si può fare riferimento ai dati Istat della popolazione e abitazioni.
Il rischio sismico è il risultato come precedentemente descritto della combinazione dei fattori di pericolosità, vulnerabilità ed esposizione per ciascuna area omogenea ed è stato qui suddiviso in 4 classi.
Ciascuna classe di rischio (R ) può assumere valori compresi tra 1 e 4 sulla base dell'Indicatore di Rischio (IR) che risulta dalla somma delle classi di Pericolosità (P), Vulnerabilità (V) ed Esposizione (E): 𝐼 = 𝑃 + 𝑉 + 𝐸
Il valore medio di 𝐼 in Toscana è pari a 8 e rispetto a tale valore sono definite le soglie tra le varie classi.
La cartografia delle aree esposte al rischio sismico rappresenta la classe di rischio in ogni area omogenea determinata come sopra descritto secondo la seguente rappresentazione:
27 Figure 2-2- Carta del rischio in Toscana riportata in allegato A5 del “Documento conoscitivo del rischio
sismico”
28 Nella sezione allegati del “Documento conoscitivo del rischio sismico” è possibile visualizzare la mappa di pericolosità sismica della regione toscana che si riporta di seguito insieme a la classificazione sismica del territorio della Regione Toscana (Del. GRT n.421 del 26/05/2014) .
29
2.1.4 La conoscenza dell’edificio
La principale differenza tra costruzioni nuove e costruzioni esistenti è rappresentata, in termini progettuali, dalle peculiarità e dalle problematiche connesse alla loro conoscenza.
Per le costruzioni esistenti la conoscenza è legata allo stato di fatto, con una relativa attenzione alle caratteristiche meccaniche dei materiali impiegati che, entro certi limiti, sono conoscibili e valutabili, un’attenzione particolare al modo nel quale le diverse membrature sono articolate tra loro, meccanicamente e temporalmente, e a come, di conseguenza, interagiscano.
Nell’approccio classico le incertezze intrinseche nel modello di calcolo venivano accorpate con le incertezze sulle azioni: questo faceva sì che l’incertezza intrinseca del modello sfumasse nelle incertezze proprie delle azioni. Il modello risultava quindi estraneo al controllo delle incertezze, laddove invece, specie per le costruzioni esistenti, è il loro principale contenitore. Per evitare quanto citato, le NTC2018 introducono un approccio nei confronti di metodi di analisi e di verifica dipendenti dalla completezza e dall’affidabilità dell’informazione disponibile e dall’uso di coefficienti legati ai “fattori di confidenza” che, nelle verifiche di sicurezza, modifichino i parametri di capacità in funzione del livello di conoscenza che possediamo nei confronti della struttura.
Ciò che rende particolarmente complesso il problema della stima della sicurezza di una costruzione è la presenza di numerose incertezze. Gli edifici esistenti si differenziano significativamente da quelli di nuova progettazione per una serie di elementi, tra i quali:
- Il progetto riflette lo stato delle conoscenze al tempo della loro costruzione; - Il progetto può contenere difetti di impostazione concettuale di realizzazione non
evidenziabili;
- Possono essere stati soggetti a terremoti passati o ad altre azioni accidentali i cui effetti non sono manifestati.
Da ciò emerge l’importanza dell’acquisizione dei dati della struttura esistente nel processo di valutazione della sicurezza: la completezza e l’affidabilità delle informazioni disponibili richiedono sia l’impiego di adeguati fattori di confidenza nelle verifiche di sicurezza che di opportuni metodi di analisi e di verifica.
Ai fini della scelta del tipo di analisi e dei valori dei fattori di confidenza vengono definiti tre livelli di conoscenza raggiungibili in fase di indagine sulla struttura esistente:
30 - LC1 : Conoscenza Limitata;
- LC2 : Conoscenza Adeguata; - LC3 : Conoscenza Accurata.
Gli aspetti che definiscono questi livelli di conoscenza sono:
- Geometria, ossia le caratteristiche geometriche degli elementi strutturali;
- Dettagli strutturali, ossia le quantità e disposizione delle armature, la consistenza degli elementi non strutturali collaboranti;
- Materiali, ossia le proprietà meccaniche dei materiali.
Il livello di conoscenza acquisito determina il metodo di analisi, ed i valori dei fattori di confidenza da applicare alle proprietà dei materiali. Al paragrafo 8.5.4 della circolare applicativa delle attuali Norme tecniche per le costruzioni è riportata una guida alla stima dei Fattori di Confidenza (FC), definiti con riferimento ai tre Livelli di Conoscenza descritti:
LC1: si intende raggiunto quando siano stati effettuati, come minimo, l’analisi storico critica commisurata al livello considerato, il rilievo geometrico completo, indagini limitate sui dettagli costruttivi e prove limitate sulle caratteristiche meccaniche dei materiali.
Il corrispondente fattore di confidenza è FC=1,35;
LC2: si intende raggiunto quando siano stati effettuati, come minimo, l’analisi storico critica commisurata al livello considerato , il rilievo geometrico completo, indagini estese sui dettagli costruttivi e prove estese sulle caratteristiche meccaniche dei materiali.
Il corrispondente fattore di confidenza e FC=1,2;
LC3: si intende raggiunto quando siano stati effettuati l’analisi storico-critica commisurata al livello considerato , il rilievo geometrico, completo ed accurato in ogni sua parte, e indagini esaustive sui dettagli costruttivi e prove esaustive sulle caratteristiche meccaniche dei materiali.
Il corrispondente fattore di confidenza è FC=1.
Per raggiungere il livello di conoscenza LC3, la disponibilità di un rilievo geometrico completo e l’acquisizione di una conoscenza esaustiva dei dettagli costruttivi sono da considerarsi equivalenti alla disponibilità di documenti progettuali originali, comunque da
31 verificare opportunamente nella loro completezza e rispondenza alla situazione reale. La quantità e il tipo di informazioni richieste per conseguire uno dei tre livelli di conoscenza previsti sono a titolo esclusivamente orientativo e ulteriori specificazioni in base alla tipologia costruttiva sono riportate nella circolare applicativa del 21 gennaio 2019 al C8.5.4.1 e al C8.5.4.2.
La definizione dei Livelli di Conoscenza (LC) e dei Fattori di Confidenza (FC) è una delle fasi progettuali che permettono la valutazione della sicurezza di un fabbricato. Per conoscere l’edificio e raggiungere determinati livelli di conoscenza è necessario effettuare una campagna di indagini il cui obbiettivo è la raccolta e l’esame critico di informazioni sulle dimensioni, caratteristiche e condizioni dei materiali e degli elementi strutturali, in modo da poter individuare l’organismo strutturale, i dettagli costruttivi, le proprietà dei materiali e la presenza e le cause di eventuali comportamenti non soddisfacenti. Tutte queste informazioni risultano fondamentali per la predisposizione del modello necessario ai fini delle operazioni di valutazione.
32
2.1.5 La vulnerabilità sismica di edifici esistenti e l’indice di rischio sismico
Secondo la definizione del Dipartimento di Protezione Civile la vulnerabilità sismica è la propensione di una struttura a subire un danno di un determinato livello a fronte di un evento sismico di una data intensità. In poche parole la vulnerabilità sismica è la predisposizione di una struttura a subire danneggiamenti o crolli. In termini tecnici la vulnerabilità sismica di una struttura è rappresentata da un indicatore che mette in relazione la capacità di resistenza della struttura e la richiesta in termini di resistenza e/o spostamento del sisma. Le procedure per la valutazione della vulnerabilità sismica degli edifici possono essere condotte con diversi gradi di approfondimento e complessità di calcolo: da stime più qualitative, basate sul rilievo delle principali caratteristiche degli elementi costitutivi dell’edificio, a complesse analisi numeriche mediante metodi di calcolo lineari e non lineari.
La stima dell’indice di vulnerabilità sismica di un edificio segue l’iter progettuale di ‘Valutazione della sicurezza’ che si articola in diverse fasi e può seguire procedure da condurre con diversi livelli di approfondimento e complessità di calcolo.
Al paragrafo 8.3 delle NTC2018 la valutazione della sicurezza viene descritta come un procedimento quantitativo, volto a determinare l’entità delle azioni che la struttura è in grado di sostenere con il livello di sicurezza minimo richiesto dalla presente normativa. Le fasi progettuali che permettono la valutazione della sicurezza di un fabbricato, previste dalla Normativa, si possono riassumono sinteticamente in:
Analisi storico-critica;
Rilievo geometrico: caratteristiche geometriche dell’edificio; Dettagli costruttivi: tipologia delle murature e dei solai; Caratterizzazione meccanica dei materiali;
Definizione dei Livelli di Conoscenza (LC) e dei Fattori di Confidenza (FC); Progettazione o definizione degli eventuali interventi da effettuare affinché l’uso
della struttura possa essere conforme ai criteri di sicurezza definiti dalla norma.
La valutazione della sicurezza deve essere redatta dal progettista e argomentata con apposita relazione con lo scopo di stabilire se:
– l’uso della costruzione possa continuare senza interventi;
– l’uso debba essere modificato (declassamento, cambio di destinazione e/o imposizione di limitazioni e/o cautele nell’uso);
33 La valutazione della sicurezza secondo quanto descritto dalle NTC2018 deve effettuarsi quando ricorra anche una sola delle seguenti situazioni:
– riduzione evidente della capacità resistente e/o deformativa della struttura o di alcune sue parti dovuta a: significativo degrado e decadimento delle caratteristiche meccaniche dei materiali, deformazioni significative conseguenti anche a problemi in fondazione, danneggiamenti prodotti da azioni ambientali (sisma, vento, neve e temperatura), da azioni eccezionali (urti, incendi, esplosioni) o da situazioni di funzionamento ed uso anomali;
– provati gravi errori di progetto o di costruzione;
– cambio della destinazione d’uso della costruzione o di parti di essa, con variazione significativa dei carichi variabili e/o passaggio ad una classe d’uso superiore;
– esecuzione di interventi non dichiaratamente strutturali, qualora essi interagiscano, anche solo in parte, con elementi aventi funzione strutturale e, in modo consistente, ne riducano la capacità e/o ne modifichino la rigidezza;
– ogni qualvolta si eseguano gli interventi strutturali di cui al § 8.4 ;
– opere realizzate in assenza o difformità dal titolo abitativo, ove necessario al momento della costruzione, o in difformità alle norme tecniche per le costruzioni vigenti al momento della costruzione.
La valutazione della sicurezza di una struttura esistente è un processo fondamentale, al termine del quale, si è in grado di capire se il fabbricato può resistere alle azioni sismiche con un livello di sicurezza minimo richiesto dalla norma. Tale requisito consente di capire se è consentito l’uso del fabbricato senza interventi, se la destinazione d’uso debba essere modificata e se si ritiene necessario un aumento di sicurezza mediante interventi.
Tra gli interventi il capitolo 8.4 della NTC 2018 individua i seguenti interventi: 1) interventi di adeguamento;
2) interventi di miglioramento; 3) riparazioni o interventi locali.
Nelle verifiche rispetto alle azioni sismiche il livello di sicurezza della costruzione è quantificato attraverso il rapporto Ϛ tra l'azione sismica massima sopportabile dalla struttura e l’azione sismica massima che si utilizzerebbe nel progetto di una nuova costruzione. Il tipo di intervento da eseguire sulla struttura dipenderà quindi dal valore restituito una volta effettuata la valutazione della sicurezza.
Alla conclusione dell’iter progettuale di “Valutazione della sicurezza” si raggiunge l’obbiettivo del calcolo di un indice di rischio sismico o chiamato anche indice di vulnerabilità sismica: è un
34 valore numerico che viene utilizzato per riassumere gli esiti di una valutazione di vulnerabilità sismica. L’indicatore di rischio sismico è dato dal rapporto tra la capacità resistente del fabbricato e la domanda in termini di resistenza o spostamento prevista dalla Normativa Tecnica, pertanto l’esito della verifica è positivo (fabbricato che soddisfa i requisiti delle Norme Tecniche) se l’indicatore è maggiore o uguale a 1, negativo se minore di 1.
𝑖𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 𝑑𝑖 𝑟𝑖𝑠𝑐ℎ𝑖𝑜 = 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡à 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑎𝑏𝑏𝑟𝑖𝑐𝑎𝑡𝑜
𝑑𝑜𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑖𝑛 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑖 𝑑𝑖 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑜 𝑠𝑝𝑜𝑠𝑡𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 %
Nell’ambito di una valutazione di sicurezza, in relazione anche alla tipologia costruttiva del fabbricato, le verifiche da condurre sono diverse e le vulnerabilità possono essere molteplici. L’indicatore riassume pertanto le vulnerabilità numeriche in un unico valore “di facile lettura”, che non è però da considerare esaustivo in quanto nelle verifiche numeriche non vengono incluse vulnerabilità quali ad esempio la caduta di comignoli o di altri elementi non strutturali.
35
2.2 Tipologie costruttive
A seguire si descrivono gli aspetti generali degli edifici in cemento armato e muratura.
2.2.1 Edifici in cemento armato
Le basi della teoria del cemento armato sono state gettate nei primi anni del ‘900. La capacità che le strutture in cemento armato hanno di resistere alle sollecitazioni prodotte dai carichi esterni deriva dal comportamento simbiotico offerto, da una parte, dalla matrice costituita dal calcestruzzo cementizio e dall’altra, dalla trama dei rinforzi costituiti dalle armature di acciaio. Si può infatti affermare che il calcestruzzo svolge il ruolo di resistere a compressione mentre l’acciaio ha il compito di assorbire gli sforzi di trazione. Il cemento armato può in un certo senso, essere guardato macroscopicamente come un materiale composito rinforzato a matrice cementizia.
L’osservazione sperimentale del comportamento meccanico di una struttura in cemento armato mette in evidenza una notevole complessità fenomenologica, anche se la struttura di prova è una semplice trave appoggiata di sezione rettangolare. La complessità fisica dipende anzitutto dalla non linearità che il legame costitutivo del calcestruzzo esibisce anche per modesti livelli di sollecitazione.
Inoltre la matrice cementizia ha una scarsa resistenza a trazione e subisce pertanto una fessurazione sin dalle prime fasi di carico, fessurazione che si propaga poi nelle zone più sollecitate e a tutta quanta la struttura man mano che si aumentano le forze esterne. Questa diffusione è contrastata dalle armature di acciaio che limitano, grazie alla loro aderenza al calcestruzzo, l’ampiezza delle fessure. Si intuisce che anche questo fenomeno che si manifesta in modo discontinuo e progressivo, contribuisce al livello di complessità della risposta meccanica di una struttura in cemento armato e rende di conseguenza difficile l’istituzione di metodi di calcolo che consentono di formulare delle previsioni attendibili.
Per molti anni il metodo di calcolo delle strutture in c.a. è stato il metodo delle tensioni ammissibili che si fonda sul calcolo elastico lineare e sull’accertamento deterministico della sicurezza. Questo metodo, chiamato anche metodo “n” in quanto l’eterogeneità delle sezioni trasversali costituite dal calcestruzzo e acciaio veniva eliminata tramite il coefficiente di omogeneizzazione “n”, è stato impiegato con successo anche per la costruzioni di grandi opere del passato. Con l’emanazione del D.M. 26/03/1980 è stato possibile utilizzare anche il metodo di analisi della sicurezza delle strutture in c.a. basati su criteri probabilistici e sul calcolo a rottura (Metodo degli stati limite). L'entrata in vigore della revisione della norma NTC08, nel
36 2018 con il Decreto 17 Gennaio 2018, segna il definitivo abbandono della metodologia delle tensioni ammissibili.
Si ritiene tuttavia importante definire le ipotesi che il metodo delle tensioni ammissibili sfruttava ai fini delle verifiche da effettuare; questo ci permette di individuare le caratteristiche e le problematiche di questo materiale utilizzato per le costruzioni.
1) Legame σ – ε elastici lineari sia per il calcestruzzo che per l’acciaio, assimilati ognuno a se, a materiali omogenei ed isotropi.
L’ipotesi di omogeneità e isotropia può essere accettata per l’acciaio il quale si comporta effettivamente in modo elastico lineare fino allo snervamento. Il calcestruzzo cementizio invece è un materiale tutt’altro che omogeneo ed isotropo essendo costituito da un insieme di elementi lapidei agglomerati dalla malta di cemento. Inoltre il suo legame costitutivo è sin dall’inizio non lineare e, a causa di fessure che nascono all’interfaccia tra aggregati e malta anche per bassi livelli tensionali , non perfettamente elastico. A complicare ulteriormente il problema intervengono anche le proprietà viscose del calcestruzzo per cui il diagramma σ – ε è influenzato notevolmente dal tempo di applicazione dei carichi ma in modo diverso a seconda del grado di maturazione del getto ovvero della sua età.
2) Conservazione delle sezioni piane.
Questa è una ipotesi classica della teoria tecnica delle travi che trova applicazione per le travi sufficientemente snelle.
3) Aderenza perfetta tra acciaio e calcestruzzo.
In effetti si riscontra una buona aderenza tra le barre di acciaio e la matrice cementizia ed è proprio su questa proprietà che si fonda la concezione stessa del cemento armato. L’aderenza è poi migliorata dalle nervature che improntano la superficie delle barre. E’ necessario precisare che quando le tensioni di trazione del calcestruzzo superano certi livelli sorgono delle fessure ai lembi delle quali l’aderenza viene vinta.
4) Resistenza a trazione del calcestruzzo.
Il calcestruzzo è un materiale non resistente a trazione. Nel metodo delle tensioni ammissibili si distinguono diverse fasi (Fasi 1,2,3) all’interno delle quali si ipotizzano diverse resistenze del calcestruzzo.
37 Il metodo oggi utilizzato, metodo semi-probabilistico agli stati limite, si basa sulla considerazione che le Norme garantiscono il raggiungimento del grado di sicurezza richiesto a una costruzione stabilendo opportunamente i valori di accettazione di sollecitazioni, tensioni, spostamenti e deformazioni e il grado di sicurezza è legato alla probabilità di crisi, stabilita in funzione della causa sollecitante, del periodo temporale di riferimento e della prestazione richiesta. Già nelle NTC 2008 si specificava che le opere devono possedere i requisiti nei confronti degli stati limite ultimi e nei confronti degli stati limiti di esercizio della costruzione.
La normativa attuale permette di adottare per il diagramma tensione-deformazione del calcestruzzo opportuni modelli rappresentativi del reale comportamento del materiale, definiti in base alla resistenza di progetto fcd e alla deformazione ultima di progetto εcu.
Figura 2-12-Modelli σ – ε per il calcestruzzo
a) Parabola – rettangolo; b) Triangolo – rettangolo; c) Rettangolo (stress block).
Per le classi di resistenza pari o inferiore a C50/60 si può porre: 𝜀 = 0,20 %
𝜀 = 0,175 % 𝜀 = 0,35 % 𝜀 = 0,07 %
Per quanto riguarda le nuove costruzioni le norme tecniche italiane hanno recepito il criterio progettuale del “capacity design” volto a controllare la gerarchia delle resistenze.
Secondo i criteri del capacity design il dimensionamento di una singola unità strutturale trave o pilastro in c.a. deve essere mirato ad ottenere che in caso di sisma non si verifichino rotture fragili (meccanismi di taglio) ma piuttosto duttili (meccanismi di flessione) in modo da sfruttare in maniera ottimale le risorse deformative delle sezioni di calcestruzzo armato. Inoltre,
38 allo stesso tempo, il dimensionamento deve essere volto a perseguire lo schema trave debole – pilastro forte e cioè deve favorire il collasso di elementi orizzontali e quindi delle travi, piuttosto che di quelli verticali, ovvero pilastri e setti, in quanto, in generale, la crisi delle travi non provoca necessariamente il collasso globale del telaio resistente mentre al contrario la crisi dei pilastri incide fortemente sul comportamento globale dell’intera costruzione provocandone il collasso. In base a questo criterio di progettazione le strutture sismo-resistenti in calcestruzzo armato previste dalle presenti norme possono essere classificate nelle seguenti tipologie:
strutture a telaio, nelle quali la resistenza alle azioni sia verticali che orizzontali è affidata principalmente a telai spaziali, aventi resistenza a taglio alla base ≥ 65% della resistenza a taglio totale;
strutture a pareti, nelle quali la resistenza alle azioni sia verticali che orizzontali è affidata principalmente a pareti aventi resistenza a taglio alla base ≥ 65% della resistenza a taglio totale; le pareti, a seconda della forma in pianta, si definiscono semplici o composte, a seconda della assenza o presenza di opportune “travi di accoppiamento” duttili distribuite in modo regolare lungo l’altezza, si definiscono singole o accoppiate;
strutture miste telaio-pareti, nelle quali la resistenza alle azioni verticali è affidata prevalentemente ai telai, la resistenza alle azioni orizzontali è affidata in parte ai telai ed in parte alle pareti, singole o accoppiate; se più del 50% dell’azione orizzontale è assorbita dai telai si parla di strutture miste equivalenti a telai, altrimenti si parla di strutture miste equivalenti a pareti;
strutture a pendolo inverso, nelle quali almeno il 50% della massa è nel terzo superiore dell’altezza della costruzione e nelle quali la dissipazione d’energia avviene alla base di un singolo elemento strutturale;
strutture a pendolo inverso intelaiate monopiano, nelle quali almeno il 50% della massa è nel terzo superiore dell’altezza della costruzione, in cui i pilastri sono incastrati in sommità alle travi lungo entrambe le direzioni principali dell’edificio. In ogni caso, per questo tipo di strutture, la forza assiale non può eccedere il 30% della resistenza a compressione della sola sezione di calcestruzzo;
strutture deformabili torsionalmente, composte da telai e/o pareti, la cui rigidezza torsionale non soddisfa ad ogni piano la condizione ≥ 1, nella quale:
𝑟 = raggio torsionale al quadrato è, per ciascun piano, il rapporto tra la rigidezza torsionale rispetto al centro di rigidezza laterale e la maggiore tra le rigidezze
