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LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI ESISTENTI
Fernando SaittaENEA, Agenzia Nazionale per le Nuove Tecnologie, l’Energia e loSviluppo Economico Sostenibile
1
Giornata di formazione continua in collaborazione con
l’Ordine dei giornalisti del Lazio
INFORMARE SUL TERREMOTO: DOVERE DI CRONACA,
RIGORE SCIENTIFICO, DEONTOLOGIA
Giovedì 8 giugno 2017ENEA, Via Giulio Romano, 41 – Roma
Introduzione
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI ESISTENTI2
•La progettazione di strutture pensate per carichi sismici in senso
moderno è cosa relativamente recente.
•Le prime indicazioni coerenti con quanto indicato dalle normative
attuali sono state introdotte a partire dagli anni ’70-’80.
•Questo significa che gran parte delle costruzioni esistenti sono
carenti per quanto riguarda la resistenza ad azioni orizzontali.
•La ricerca nel campo dell’ingegneria sismica e le normative hanno
dato inizialmente maggiore attenzione alle nuove costruzioni.
•I motivi sono legati ai costi per gli interventi sull’esistente, anche in
ragione dei periodi di non utilizzabilità degli edifici.
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Concetti di base
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•L’applicazione della dinamica all’ingegneria sismica inizia a partire
dagli anni ’50, con la diffusione ad opera di Housner del concetto di
spettro di risposta di un terremoto, inizialmente introdotto da Biot nel
1932.
•Per strutture molto rigide con riferimento alla loro massa (periodo
basso - frequenza alta), l’accelerazione cui la struttura è soggetta
durante un moto alla base è praticamente uguale a quella del suolo e
gli spostamenti relativi al suolo sono nulli; un sistema molto rigido
infatti non si deforma e la massa si muove come il suolo.
•All’opposto, se la struttura è molto flessibile (periodo grande –
frequenza bassa), lo spostamento della massa è praticamente nullo
(quello relativo al suolo coincide con lo spostamento del suolo).
L’accelerazione cui è soggetta la struttura è praticamente nulla.
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Spettro di risposta
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•Immaginiamo tante strutture, dalla più rigida a quella più flessibile,
soggette allo stesso terremoto. L’accelerazione subita dalla massa
segue un andamento come quello rappresentato dal diagramma
seguente (spettro di risposta):
•Nota la sua rigidezza rispetto alla massa, una struttura reale deve
essere dimensionata per resistere all’accelerazione data da un
diagramma come questo?
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Spettro di progetto
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•In realtà esiste un altro parametro da considerare: la dissipazione.
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•Le strutture sono in realtà progettate per azioni inferiori a quelle
desunte dallo spettro (elastico). Perchè?
•In questo modo la struttura nel caso di sisma violento può superare
la fase elastica e deformarsi plasticamente (danneggiamento),
dissipando energia.
•Non deve sorprendere il fatto che una struttura possadanneggiarsi durante un sisma violento. L’obiettivo è quello dicontrollare il danneggiamento limitandolo ad un livello tale dasalvaguardare la vita (la struttura dovrà essere riparata!)
Meccanismi di collasso: Duttilità globale
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•Cosa significa controllare il danneggiamento?
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Il collasso della struttura può avvenire con la formazione di un cinematismo
caratterizzato da poche o molte sezioni plasticizzate. Il secondo caso, che
corrisponde anche ad una domanda inelastica uniforme, è ovviamente da
preferire. Per ottenere questo requisito, nelle nuove costruzioni la progettazione
deve rispettare un criterio di gerarchia delle resistenze. Nelle costruzioni esistenti
il criterio non è sempre rispettato.
(tratta da Fardis MN 2009)
(Terremoto de L’Aquila 2009)
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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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 )
Aspetti negativi riscontrabili in edifici in c.a. esistenti
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•Tipologie di scale
•Solai con campate ad asse spezzato o non efficacemente connessi con le
altre parti resistenti
Aspetti negativi riscontrabili in edifici in c.a. esistenti
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•Variazioni significative di rigidezza lungo l’altezza dell’edificio
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(tratte da Fardis MN 2009)
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•Piani terra con grandi aperture (rientra nel caso precedente)
(L’Aquila 2009 )
Aspetti negativi riscontrabili in edifici in c.a. esistenti
Edifici esistenti: approccio secondo le normative recenti
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI ESISTENTI16
•Sulla base di queste considerazioni, l’ingegnere chiamato a valutare
la vulnerabilità di un edificio esistente sulla base di regole valide per
le nuove costruzioni, potrebbe giungere alla conclusione che nessun
edificio esistente è capace di superare un sisma violento.
•Tuttavia, un approccio di questo tipo potrebbe portare ad una
conlusione errata
•L’edificio potrebbe avere delle risorse di sovraresistenza ad esempio
per materiali di miglior qualità utilizzati con resistenze maggiori
rispetto ai minimi di progetto, o anche per le particolari scelte operate
dal progettista. In certi casi possono contribuire alla resistenza
elementi quali tamponature di buona qualità senza grandi aperture,
pareti in c.a. debolmente armate ecc. (Ogni edificio è un caso a sè!)
•La normativa ha dunque introdotto uno specifico capitolo riguardo
alla valutazione della vulnerabilità di un edificio esistente, prima
quella europea (EC8), e poi le norme tecniche per le costruzioni
italiane (NTC08)Gio
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Approccio tradizionale:
• E’ basato sulle verifiche di resistenza
• La capacità e la domanda sono valutate a livello di elementi e
sezioni in termini di forze e tensioni
• Il fattore di struttura va scelto sulla base della duttilità della struttura
Approccio della nuova normativa europea ed italiana:
• E’ basato sulla performance della struttura esistente
• In considerazione dei maggiori costi (anche indiretti) degli interventi
sull’esistente, si preferisce un approccio più flessibile, che tiene conto
anche degli interessi del proprietario
• Ciò non significa che si può basare l’analisi su una azione sismica bassa
corrispondente ad una vita utile piccola, per poi ripetere la valutazione al
termine di tale periodo!
Edifici esistenti: approccio secondo le normative recenti
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 strutturali
connesse 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 la
capacità 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
(tratte da Fardis MN 2009)
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)
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• Edificio in via Latini, Fabriano (AN)
Progetto: G. Mancinelli
Sottofondazione: Inserimento dei dispositivi tra la fondazione esistente
(rinforzata) e la nuova (al di sotto della vecchia)
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Sottofondazione: dispositivi tra fondazione esistente (rinforzata) e la
nuova
Progetto: G. Mancinelli
• Edificio in via Latini, Fabriano (AN)
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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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
Moderne tecnologie antisismiche: esempi
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI ESISTENTI31
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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
Moderne tecnologie antisismiche: esempi
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI ESISTENTI32
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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
Moderne tecnologie antisismiche: esempi
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI ESISTENTI33
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Edificio via Tigli, Pianola (AQ)
Moderne tecnologie antisismiche: esempi
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI ESISTENTI34
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SS1 Seismometers K2 acquisition
system
Edificio via Tigli, Pianola (AQ)
Moderne tecnologie antisismiche: esempi
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Edificio via Tigli, Pianola (AQ)
L’edificio non ha subito danni a seguito
degli eventi sismici del 2016
Moderne tecnologie antisismiche: esempi
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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)
Moderne tecnologie antisismiche: esempi
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI ESISTENTI37
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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)
Moderne tecnologie antisismiche: esempi
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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
Moderne tecnologie antisismiche: esempi
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI ESISTENTI41
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Parete
interna
Isolatori
Inseriti previa rimozione degli
elementi di connessione
Settore cilindrico
superiore
Settore cilindrico inferiore
Tubi in c.a. inseriti a con tecnica spingitubo o
microtunnelling (D ≥ 2 m)
TerrenoGap
Struttura isol. sismico edifici esistenti
Brevetto internaz.: P. Clemente (ENEA), A. De Stefano, G. Barla (POLITO)
Parete
esternaConnessione rigida tra
l’edificio e il sistema di
isolamento
Moderne tecnologie antisismiche: esempi
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI ESISTENTI42
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Proposta per Palazzo Margherita, L’Aquila
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI ESISTENTI43
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• L’edificio è stato costruito nei primi anni ’70. Le strutture sono state
collaudate nel 1973.
• L’edificio ha otto piani fuori terra ed uno interrato
Moderne tecnologie antisismiche: esempi
Proposta di adeguamento di un edificio a Pescara
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• La parte inferiore dell’edificio è a pianta rettangolare mentre quella
superiore è a T;
• La parte bassa contiene un auditorium;
Moderne tecnologie antisismiche: esempi
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI ESISTENTI45
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Sistema resistente
Interazione con edificio adiacente
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LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI ESISTENTI46
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Punti deboli della struttura attuale:•Interazione con l’edificio adiacente
•Eccentricità dei muri
•Elevate azioni orizzontali sui pali
Retrofit con isolamento alla base:•Può abbattere le azioni orizzontali in fondazione
•Può regolarizzare la distribuzione delle forze sui pali
•E’ necessario un giunto sismico
•Deve essere fatta una analisi di interazione struttura-fondazione
Moderne tecnologie antisismiche: esempi
LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI ESISTENTI47
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• Il sistema di isolamento proposto
Moderne tecnologie antisismiche: esempi