LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI …...elementi quali tamponature di buona qualità senza grandi aperture, ... quella europea (EC8), e poi le norme tecniche per le costruzioni

LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI ESISTENTI

Fernando SaittaENEA, Agenzia Nazionale per le Nuove Tecnologie, l’Energia e loSviluppo Economico Sostenibile

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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

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


•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


•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!)

Meccanismi di collasso: Duttilità globale


•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)

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)

• 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)

• 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)

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 )



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•Tipologie di scale

•Solai con campate ad asse spezzato o non efficacemente connessi con le

altre parti resistenti



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•Variazioni significative di rigidezza lungo l’altezza dell’edificio




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•Piani terra con grandi aperture (rientra nel caso precedente)

(L’Aquila 2009 )


Edifici esistenti: approccio secondo le normative recenti


•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

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

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

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

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

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)

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


Moderne tecnologie antisismiche


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Riduzione della domanda mediante:

• Dispositivi di isolamento sismico

• Dispositivi di dissipazione

Moderne tecnologie antisismiche: esempi


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Progetto: G. Mancinelli

• Edificio in via Latini, Fabriano (AN)

Moderne tecnologie antisismiche:esempi


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Sottofondazione: Inserimento dei dispositivi tra la fondazione esistente

(rinforzata) e la nuova (al di sotto della vecchia)

Moderne tecnologie antisismiche


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Sottofondazione: dispositivi tra fondazione esistente (rinforzata) e la

nuova





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Progetto G. Mancinelli




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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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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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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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SS1 Seismometers K2 acquisition

system




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L’edificio non ha subito danni a seguito

degli eventi sismici del 2016



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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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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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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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• 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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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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Proposta per Palazzo Margherita, L’Aquila


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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


Proposta di adeguamento di un edificio a Pescara


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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;



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Sistema resistente

Interazione con edificio adiacente



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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



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• Il sistema di isolamento proposto


Documents

LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI …...elementi quali tamponature di buona qualità senza grandi aperture, ... quella europea (EC8), e poi le norme tecniche per le costruzioni