Sopraelevare per adeguare: l’isolamento sismico intermedio per strutture murarie esistenti

Fra le tante configurazioni innovative discendenti dalla classica struttura isolata alla base, l'isolamento intermedio (IIS) rappresenta forse la più interessante. Molto popolare in Giappone per edifici di nuova costruzione, negli ultimi anni è stata talvolta utilizzata anche in sede di sopraelevazione per l'adeguamento sismico di edifici esistenti.

Con il presente lavoro sono state esaminate le potenzialità di una sopraelevazione IIS come strategia di adeguamento sismico di un caso studio, un edificio di tre piani in muratura. A tal fine è stata condotta un’analisi dinamica preliminare di tipo parametrico su un modello semplificato a tre masse concentrate (sottostruttura, isolamento e sovrastruttura). Le caratteristiche dinamiche della sovrastruttura e dell’isolamento sono state scelte per individuare una configurazione virtuosa in termini di riduzione delle sollecitazioni sismiche alla base, che è stata poi studiata in maniera più dettagliata tramite modellazione tridimensionale al SAP2000. Le analisi, lineari e non, hanno dimostrato che il modello semplificato offre una buona previsione dei risultati tridimensionali, e risulta uno strumento efficace per la progettazione preliminare di una struttura IIS. Inoltre, l'IIS ha mostrato buone prestazioni sismiche, riducendo la risposta sismica nella struttura esistente ed agendo come filtro per le azioni sismiche trasmesse alla sovrastruttura attraverso il livello di isolamento.


L'isolamento sismico le sue evoluzioni innovative: l'isolamento intermedio (IIS)

L'isolamento sismico è oggi una tecnica matura nel campo dell'ingegneria civile, apprezzata per la sua semplicità concettuale e la sua affidabilità durante terremoti distruttivi (Northridge 1994, Kobe 1995, Tohoku 2011). La tecnica di isolamento alla base (BIS) è oggi diffusa e popolare in tutto il mondo, rappresentando una valida opzione per i progettisti strutturali al fine di assicurare prestazioni sismiche superiori sia per edifici di nuova costruzione che per l’adeguamento di edifici esistenti [Naeim & Kelly 1999]. Grazie alla fiducia riposta nell’isolamento sismico ed al suo continuo sviluppo, sono emersi nuovi campi di applicazione spingendo la tecnica oltre i limiti già stabiliti e verso problemi di progettazione sempre più impegnativi.

L'isolamento intermedio (IIS): che cos'è

Fra le tante configurazioni innovative discendenti dalla classica struttura isolata alla base, l'isolamento intermedio (IIS), che ha guadagnato grande popolarità in Giappone soprattutto per edifici di nuova costruzione, rappresenta forse la più interessante.

In una struttura IIS, l’isolamento viene spostato dalla base ad un livello intermedio, dividendo idealmente l’edificio in tre porzioni: la sottostruttura, l’isolamento e la sovrastruttura.

L’IIS consente una notevole flessibilità architettonico-funzionale e strutturale (funzioni e sistemi strutturali diversi per la sottostruttura e la sovrastruttura) nonché l'applicabilità ad edifici alti [Murakami et al. 2000, Sueoka et al. 2004, Tsuneki et al. 2008, Okada et al. 2014, Nakagawa et al. 2014]. L’IIS è stato talvolta utilizzato anche in sede di sopraelevazione, ai fini dell'adeguamento sismico di edifici esistenti [Sumnicht 2008].

In virtù di quest’ultima affascinante prospettiva, la presente ricerca si pone l'obiettivo di comprendere se una sopraelevazione a mezzo di isolamento intermedio possa fungere da adeguamento sismico per una struttura preesistente, ovvero un edificio in muratura di tre piani destinato ad uffici, e quali debbano essere le caratteristiche dinamiche della sovrastruttura tali da minimizzare la risposta sismica dell'edificio.

A tal fine è stata condotta un’analisi dinamica preliminare di tipo parametrico su un modello semplificato a tre masse concentrate 3DOF (sottostruttura, isolamento e sovrastruttura). I parametri scelti, rappresentanti il periodo di isolamento e le caratteristiche dinamiche della sovrastruttura (massa e rigidezza) adimensionalizzate a quelle della sottostruttura, hanno permesso di individuare una configurazione virtuosa in termini di riduzione delle sollecitazioni sismiche alla base, che è stata poi studiata in maniera più dettagliata tramite modellazione tridimensionale al SAP2000. Parallelamente alla struttura sopraelevata con isolamento intermedio (IIS), sono state modellate anche la sola sottostruttura, ossia la struttura originaria (LS) e la sovrastruttura isolata alla base (ISO+US). Sono state quindi eseguite analisi modali, dinamiche lineari (analisi con spettro di risposta elastico in accelerazione) e dinamiche non lineari (analisi time history) al fine di comprendere e confrontare i comportamenti dinamici e le risposte sismiche dei differenti modelli.

Il modello semplificato 3DOF

Una struttura dotata di isolamento intermedio (IIS) può essere idealmente suddivisa in due porzioni principali, una sottostruttura e una sovrastruttura immediatamente al di sotto e al di sopra del sistema di isolamento. In fase progettuale un edificio IIS può essere descritto da un modello semplificato a 3 masse concentrate (3DOF IIS) [Wang et al. 2011-2013, Kobayashi & Koh 2008, Moriizumi & Kobayashi 2012] in cui con m, k, c si indicano la massa, la rigidezza e il rapporto di smorzamento del generico g.d.l., con i pedici LS, ISO, US le parti in cui è possibile schematizzare l’edificio, ovvero la sottostruttura, il sistema di isolamento e la sovrastruttura. La rappresentazione schematica del modello 3DOF IIS è riportata in Fig. 1.

Modello semplificato 3DOF per strutture IIS.

Figura 1. Modello semplificato 3DOF per strutture IIS. 

Le frequenze nominali delle tre porzioni sono definite come segue:

formula-frequenze-nominali.JPG

Il caso studio della ricerca

Il caso studio oggetto del presente lavoro è un edificio in muratura, sito in Giulianova (Italia), risalente all’incirca al XVII secolo [Ghersi et al. 2011]. L’edificio a pianta trapezoidale, di dimensioni massime lungo le direzioni principali di 26.4 m e 19.7 m, si sviluppa su 3 piani con un’altezza complessiva di 14 m ed interpiani di circa 4.5 m (Fig. 2). Lo spessore della muratura varia tra 65 e 80 cm.

soprelevazione: caso studioFigura 2. Caso studio: (a) prospetto, (b) pianta primo piano.

L’edificio si presenta in buono stato di conservazione, mostrando una “scatola muraria” efficiente, con croci di muro integre e ben ammorsate tra i muri ortogonali.

Secondo la documentazione tecnica dell'edificio, la massa sismica totale e la rigidezza laterale equivalente della struttura esistente (ovvero la massa e la rigidezza della sottostruttura del modello semplificato 3DOF IIS, mLS e kLS) sono rispettivamente pari a 2900 t e 175 MN/m. 

Al fine di valutare la fattibilità di una sopraelevazione, è stata effettuata una valutazione preliminare dello stato di sforzo nelle pareti. La tensione media di compressione dovuta ai carichi gravitazionali risulta minore (fino al 40%) della resistenza a compressione. Pertanto, si può affermare che la struttura esistente sia in grado di sopportare carichi aggiuntivi derivanti da una sopraelevazione, anche se non eccessivamente pesanti.

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anidis.jpgArticolo tratto dagli Atti del XVII Convegno ANIDIS 2017 - Pistoia
Si ringrazia l'ANIDIS per la gentile collaborazione. 

Si ricorda che il prossimo Convegno ANIDIS si terrà ad Ascoli Piceno il 15-19 settembre 2019> maggiori info sul LINK