Adeguamento sismico di edifici in cemento armato: confronto tra le tecnologie BRB e FRP

Federico M. Mazzolani - Dipartimento di Strutture per l’Ingegneria e l’Architettura - Università di Napoli “Federico II” Antonio Formisano - Dipartimento di Strutture per l’Ingegneria e l’Architettura - Università di Napoli “Federico II” Generoso Vaiano - Dipartimento di Strutture per l’Ingegneria e l’Architettura - Università di Napoli “Federico II” 20/06/2018 4103

I risultati della ricostruzione privata, che ha fatto seguito al terremoto dell’Abruzzo del 6 Aprile 2009, hanno mostrato una vastissima utilizzazione della tecnologia di consolidamento basata sui materiali compositi. Al contrario, le tecnologie che impiegano la carpenteria metallica

sono state pressoché ignorate nella maggior parte dei casi. In aggiunta, dalla documentazione ufficiale appare che l’uso dei materiali compositi è risultato più economico rispetto a quello  della carpenteria metallica. Dopo l’esperienza di vari decenni di ricerche ed applicazioni  pratiche utilizzando diversi sistemi di consolidamento per il miglioramento sismico di edifici esistenti, questo risultato è sembrato sorprendente. Per questa ragione, è stato scelto come caso di studio un edificio esistente a struttura in c.a. progettata per solo carichi verticali. Per esso viene sviluppato il progetto di miglioramento sismico utilizzando due sistemi caratterizzanti le tecnologie sopra citate; in particolare le fibre di carbonio (C-FRP) ed i controventi ad instabilità impedita (BRB). Lo scopo della progettazione è stato quello di garantire l’ottenimento con entrambe le tecnologie dello stesso livello di incremento della capacità portante nei riguardi delle azioni orizzontali. Con questa condizione, il confronto fra i costi di realizzazione può considerarsi obiettivo. Il risultato di questo confronto ha completamente ribaltato le conclusioni di quanto era stato ufficialmente divulgato.

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Fig. 1 - Edificio oggetto di studio

PREMESSA

Negli ultimi decenni i terremoti in Italia si susseguono a ritmo inquietante (Friuli 1976; Campania-Basilicata-Puglia 1980; Marche-Umbria 1997; Molise 2002; L’Aquila 2009; Centro Italia 2016-2017). La vulnerabilità delle costruzioni, unitamente all’elevata densità abitativa di queste zone, è la causa principale di incommensurabili disastri economico-sociali. In questo tragico scenario, il consuntivo di tali eventi contiene una serie di informazioni che dovrebbero essere utilizzate per ridurre o quanto meno mitigare gli effetti disastrosi dei sismi a venire. Infatti le procedure post-sisma, che vengono sistematicamente messe in atto per gestire l’emergenza e la ricostruzione delle zone colpite dal sisma, sembrano risultare sempre più operativamente efficienti.

Quello che manca, a parere di chi scrive, è una politica che conduca allo sviluppo di azioni preventive mirate all’adeguamento sismico od almeno al miglioramento della capacità portante delle strutture nei riguardi del terremoto. È superfluo sottolineare quali sarebbero i vantaggi potenziali di questo auspicato tipo di politica: si avrebbe una drastica riduzione dei danni e dei conseguenti disagi per la popolazione. L’immediata risposta è che il bilancio della Stato non lo consentirebbe e quindi questa scelta viene subito e semplicisticamente bocciata. Sarebbe invece sufficiente imporre un regime assicurativo obbligatorio agli edifici privati, così come d’altronde è ormai consolidato per le automobili, che calibri il premio annuo da corrispondere alle Compagnie di Assicurazione in stretta relazione alle condizioni di salute delle strutture. Non sarebbe una novità; basterebbe copiare od ispirarsi a modelli già in vigore in nazioni altamente sismiche come il Giappone. Ma questa è fanta-politica. Infatti i politici non vogliono sentir parlare di prevenzione, perché è un’operazione che ripaga solo a lunga scadenza; a loro interessano solo scelte immediate e contenute nei periodi di alternanza degli appuntamenti elettorali.

Scartata quindi questa via improponibile, almeno si concentri l’attenzione nell’identificazione, traendo insegnamento dai sismi passati, di sistemi tecnologici economici ed affidabili da proporre nell’ambito dell’edilizia privata ai proprietari coscienziosi che intendono premunirsi in attesa di un prossimo evento sismico. In questa prospettiva è quindi interessante osservare quale è oggi l’offerta del mercato.

L’adeguamento sismico od il semplice miglioramento può essere effettuato applicando numerose tecnologie attualmente disponibili. Un riferimento importante per verificare la presenza e la diffusione di queste tecniche sul territorio nazionale è rappresentato dal “Libro bianco sulla ricostruzione privata fuori dai centri storici nei comuni colpiti dal sisma dell’Abruzzo del 6 aprile 2009” a cura di Mauro Dolce e Gaetano Manfredi [1], dove gli aspetti tecnici sono stati curati dal consorzio ReLUIS. In questo testo, dopo un confronto con le procedure post-sisma seguite in precedenza, vengono riportati i risultati del processo di ricostruzione nella provincia de L’Aquila attraverso l’esame dei progetti presentati allo scopo di ottenere un contributo economico da parte dei comuni per gli edifici danneggiati dal sisma. L’istruttoria tecnico-economica è stata condotta dai consorzi ReLUIS e Cineas, che hanno esaminato circa 20.000 pratiche; i dettagli sull’attività svolta sono diligentemente riportati in [2,3]. Dall’immensa mole dei risultati ivi riportati, si pone l’attenzione solo su quelli relativi alle tecnologie utilizzate dai progettisti locali nel progetto di miglioramento sismico (veniva imposto un adeguamento pari almeno al 60%) proposto per la pratica di rimborso.

In sintesi i risultati in termini di frequenza delle tecnologie utilizzate sono stati i seguenti:

  • FRP 58%;
  • interventi in fondazione 30%;
  • incamiciature in c.a. 23%;
  • collegamento delle tamponature alla struttura 20%;
  • CAM 13%;
  • isolamento sismico 11%;
  • aggiunta di nuovi setti in c.a. 9%;
  • riparazione lesioni 8%;
  • incamiciatura di acciaio 8%;
  • beton plaqué 7%;
  • controventi di acciaio 7%;
  • sostituzione elementi strutturali e non 2%;
  • controventi dissipativi 2%.

A fronte delle succitate tecnologie, vengono riportati i relativi costi di realizzazione computati nei vari progetti, che a partire dal più economico in misura crescente, sono risultati:

  • FRP;
  • incamiciatura in c.a.;
  • aggiunta di nuovi setti in c.a.;
  • incamiciatura di acciaio;
  • sostituzione di elementi strutturali e non;
  • CAM;
  • beton plaqué;
  • isolamento sismico;
  • interventi in fondazione;
  • controventi di acciaio;
  • controventi dissipativi.

I costi unitari dell’intervento complessivo dipendono da molti fattori e possono ragionevolmente ritenersi compresi fra 100 e 300 € a metro quadro di superfice coperta per il solo rafforzamento e miglioramento sismico.

Si è osservato inoltre che, in tutti gli interventi ottenuti dalla combinazione di varie tecnologie, FRP era sempre presente.

Da questi dati riportati in sintesi, risulta che la tecnologia prescelta dalla maggioranza dei progettisti locale è stata quella basata sulle fibre di carbonio (FRP), ovviamente perché ritenuta più affidabile da un punto di vista dell’efficienza strutturale, ma anche perché risultava più economica.

Il risultato ancor più sorprendente è che le tecnologie basate sui sistemi metallici tradizionali (semplici controventi di acciaio) sono state scelte solo nel 7% dei casi, mentre quelle più avanzate (controventi dissipativi) sono state praticamente ignorate (2%). Inoltre entrambe sono state considerate le più costose.

L’insieme di questi risultati hanno lasciato fortemente perplesso chi da decenni studia ed approfondisce il problema della protezione e del consolidamento sismico di edifici esistenti a struttura in cemento armato, in muratura, in legno, appartenenti non solo all’edilizia corrente, ma anche alle costruzioni di interesse storico. I sistemi e le applicazioni proposte hanno utilizzato sia la carpenteria metallica che la tecnologia di materiali compositi. I risultati ottenuti da tale attività sono stati resi pubblici a livello nazionale ed internazionale attraverso pubblicazioni su rivista [4-19], presentazioni a congressi [20-114], volumi contenenti gli atti di Congressi, lezioni a corsi di perfezionamento, rapporti di progetti di ricerca [115-133]. Nel complesso lo scenario si presenta molto vario e differenziato, dimostrando che non esiste una tecnica valida in assoluto, ma va selezionata caso per caso in considerazione delle condizioni al contorno. In particolare si ricorda la campagna di prove eseguita su edifici reali in cemento armato (progetti ILVA-IDEM e PROHITECH), che ha dimostrato risultati fortemente contradditori con le scelte effettuate dai progettisti de L’Aquila, forse perché non ne erano al corrente.

Per queste ragioni si è deciso di esaminare nel dettaglio il problema del miglioramento sismico di un edificio esistente a struttura in c.a. Come caso di studio è stato scelto un edificio di tipologia corrente e di note caratteristiche geometriche e morfologiche, realizzato prima del 1980, quando la città di Napoli è stata inserita in zona sismica, e quindi progettato per soli carichi gravitazionali. Vengono applicate le due tecnologie che nell’ambito dell’esperienza aquilana hanno detenuto il primo e l’ultimo posto: FRP e controventi dissipativi di acciaio (BRB). Per rendere confrontabili i risultati, l’obiettivo è stato quello di cercare di ottenere in entrambi i casi lo stesso miglioramento sismico in termini di incremento della capacità portante alle azioni orizzontali.

SCELTA DEL CASO STUDIO

L’edificio oggetto di studio, edificato verso la fine degli anni ’70, era situato nell’ex complesso industriale ILVA di Bagnoli (NA), oggi demolito in seguito ai lavori di bonifica dell’area industriale, già esaminato dai punti di vista teorico e sperimentale nell’ambito del progetto di ricerca PROHITECH [115] (figura 1).

I primi risultati delle analisi eseguite su questo caso studio sono stati presentati a congressi nazionali [134] ed internazionali [135]. Dalle discussioni seguite a queste presentazioni, si sono tratti interessanti spunti per l’approfondimento di alcuni aspetti che vengono trattati nel presente lavoro, che integra e completa i due precedenti. Le lievi differenze quantitative sui risultati finali, rispetto a quelli dei precedenti lavori, sono conseguenza di un successivo approfondi- mento con analisi più raffinate, che comunque non hanno alterato la qualità comparativa dei risultati.

Si tratta di un edificio a pianta rettangolare su due livelli (figura 1a). La struttura è costituita da telai in cemento armato orditi in una sola direzione, essendo stata progettata per resistere solo a carichi verticali, completati da solai latero-cementizi.

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Articolo tratto dalla rivista COSTRUZIONI METALLICHE gen/feb2018

Si ringrazia il CTA - COLLEGIO DEI TECNICI DELL'ACCIAIO per la gentile collaborazione