Sisma verticale: modellazione e analisi in ambito professionale sugli edifici esistenti in muratura

Finalmente possibile progettare considerando tutte le componenti sismiche orizzontali e verticale, nel rispetto della Normativa vigente

IN BREVE

> Evoluzione applicativa del percorso delineato dagli stessi Autori con i contributi precedenti sulle osservazioni ed interpretazioni del sisma verticale

> Influenza delle fessurazioni da cicli di compressione e decompressione del sisma verticale su rigidezza, resistenza e capacità di deformazione

> Contributi singoli o simultanei delle componenti sismiche orizzontali e verticali

> Definizione di un algoritmo conforme alle Norme vigenti implementabile in qualsiasi software professionale  

> Conseguenze del sisma verticale sulla Perdita Annuale Media attesa (PAM)


Perchè è importante considerare gli effetti negativi del sisma verticale: le varie fasi dello studio

Il ruolo dell'accelerazione verticale nella risposta degli edifici in muratura sottoposti ad eventi sismici è stato evidenziato in alcuni recenti lavori (Mariani, 2017).

Dopo una campagna di indagine analitica sul comportamento di singoli pannelli murari (Mariani e Pugi, 2018), è stata messa a punto una metodologia specifica per consentire lo studio della capacità di un edificio nei confronti della globalità delle azioni sismiche, incluse quelle dovute alle accelerazioni verticali (Mariani, Pugi e Francioso, 2018).

Tale metodologia, conforme alla Normativa vigente, è stata inizialmente applicata ad un modello-prototipo di edificio esistente in muratura in pietrame irregolare, mostrando l'amplificazione della vulnerabilità prodotta dalle azioni sismiche verticali. I risultati hanno evidenziato l'opportunità di considerare gli effetti negativi del sisma verticale nei diversi campi operativi di valutazione della sicurezza, sia preventiva sia in ambito di interventi di consolidamento.

Gli ulteriori sviluppi dello studio

In questo lavoro vengono presentati ulteriori sviluppi:

> definizione dell'algoritmo grazie al quale nei software ad elementi finiti dedicati all'analisi di edifici in muratura è possibile includere gli effetti del sisma verticale;

> esempi applicativi analizzati con un software professionale aggiornato secondo le specifiche descritte al punto precedente;

> confronti sui risultati in termini di capacità e indicatori di rischio sotto ipotesi alternative definite dai contributi singoli o simultanei delle tre componenti sismiche (le due orizzontali e la verticale);

> studio dell'influenza degli effetti del sisma verticale sul dimensionamento di alcuni interventi di consolidamento, quali gli intonaci armati di nuova generazione.

1. Analisi di vulnerabilità ed effetti del sisma verticale

L'analisi pushover studia la risposta delle strutture in base alla resistenza e alla capacità deformativa del materiale, ed assume in generale come presupposto una qualità sufficiente a conferire dignità strutturale alle geometrie murarie considerate. 

In presenza di collegamenti efficaci fra membrature strutturali (pareti, solai), l'analisi pushover viene svolta sul modello globale dell'edificio; in caso di collegamenti scarsi o inefficienti, l'analisi pushover può essere eseguita su singoli paramenti murari, e di fatto assume il significato di analisi del collasso dei paramenti per azioni complanari.

Cinematismi sono presi in considerazione nelle analisi di vulnerabilità per studiare i possibili distacchi di blocchi di struttura, determinati da debolezze o carenze locali, talvolta da quadri fessurativi rilevati nello stato di fatto. Tali distacchi possono manifestarsi solo in assenza di processi di disgregazione muraria; il loro studio è comunque molto importante perché varie tipologie murarie esistenti (murature di pietrame di buona qualità, di mattoni pieni, blocchi di tufo, ecc.) manifestano un comportamento non disgregativo.

In sintesi, generalizzando per le diverse tipologie murarie, un'analisi di vulnerabilità viene eseguita in tre fasi consecutive:

  1. analisi storico-critica con indagine sulla qualità muraria, per evidenziare potenziali disgregazioni e definire adeguati parametri meccanici rappresentativi;
  2. studio dei meccanismi di collasso (catene cinematiche di blocchi rigidi), laddove le caratteristiche della muratura li rendano significativi;
  3. analisi della risposta non lineare per resistenza e deformabilità (pushover), estesa a singole parti (paramenti, macroelementi) o, in caso di collegamenti efficaci, alla globalità dell'edificio.

Sisma verticale e analisi di vulnerabilità sismica degli edifici esistenti in muratura

Fig. 1. Sisma verticale e analisi di vulnerabilità sismica degli edifici esistenti in muratura

Su tutte le fasi insistono gli effetti dovuti al sisma verticale (fig. 1), generalmente negativi: le azioni dinamiche verticali amplificano le possibili disgregazioni e tendono a peggiorare la capacità nei confronti sia dei meccanismi locali che dei comportamenti globali. 

L'analisi di vulnerabilità dello stato attuale di un edificio fotografa la sua capacità antisismica, e permette di inquadrare un idoneo campo di interventi di consolidamento: è quindi necessario considerare tutti gli aspetti strutturali coinvolti dall'evento sismico. 

Fra questi, il sisma verticale svolge un ruolo fondamentale nel processo di valutazione della sicurezza, in particolare nelle zone vicine alla sorgente del terremoto: è opportuno quindi considerarne gli effetti sulle strutture, riservando grande attenzione alla parte più vulnerabile del patrimonio edilizio, cioè agli edifici esistenti in muratura.

Nei paragrafi seguenti vengono esaminate in dettaglio le modalità con cui è possibile eseguire analisi pushover e cinematiche tenendo conto degli effetti del sisma verticale ed in accordo con la Normativa vigente.

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SOMMARIO 

1. ANALISI DI VULNERABILITA' ED EFFETTI DEL SISMA VERTICALE
1.1. ANALISI PUSHOVER
1.1.2. EVOLUZIONI DELLA PROCEDURA
1.1.3. ALGORITMO DI ANALISI PUSHOVER
1.2. ANALISI CINEMATICA 

2. CASI APPLICATIVI CON SOFTWARE PROFESSIONALE
2.1. ESEMPIO 1
2.1.1. ANALISI PUSHOVER
2.1.2. ANALISI CINEMATICA
2.2. ESEMPIO 2
2.2.1. ANALISI PUSHOVER. SIMULTANEITA' DELLE COMPONENTI SISMICHE
2.2.2. INTERVENTI DI CONSOLIDAMENTO
2.2.3. CLASSIFICAZIONE SISMICA 

3. CONCLUSIONI

APPENDICE
A.1. FORZE SPETTRALI VERTICALI E CAPACITA' IN TERMINI DI PGA 


GLI AUTORI

Ing. Massimo Mariani - Studio Ricerche Applicate - Perugia, www.massimomarianistudio.com 
Ing. Francesco Pugi - Ricerca e Sviluppo di AEDES Software, www.aedes.it
Ing. Alessio Francioso - National Technical University of Athens