Protezione sismica "esterna" di edifici esistenti in c.a. mediante l’utilizzo di pareti lignee post-tese

I terremoti avvenuti in Italia negli ultimi quarant’anni hanno evidenziato le scarse prestazioni sismiche, anche in termini di danneggiamento, degli edifici esistenti in c.a. progettati per i soli carichi verticali negli anni ’60 e ’70.
Le attuali strategie di rinforzo degli edifici esistenti possono seguire differenti approcci, derivati anche da quelli utilizzati nella progettazione ex-novo di edifici. Esistono, infatti, soluzioni finalizzate ad incrementare la capacità sismica delle costruzioni in termini di spostamenti e/o forze (rinforzo locale o globale), soluzioni finalizzate alla riduzione della domanda sismica (ad es. isolamento alla base) ed altre di tipo “ibride” (ad es. selective weakening). In parallelo, i recenti sviluppi di tecnologie a basso danneggiamento hanno aperto opportunità importanti per l’adozione ed implementazione pratica di una filosofia di progettazione di rinforzo prestazionale (Performance- Based Retrofit) che miri a ridurre non solo il rischio nei confronti della salvaguardia della vita umana (SLV), ma anche il livello di danneggiamento strutturale e non-strutturale e dunque la perdita media annua (PAM).

In questa memoria viene proposta una soluzione di protezione sismica a basso danneggiamento caratterizzata da una bassa invasività dell’intervento stesso consistente nell’aggiunta di pareti “rocking” in pannelli lignei X-lam, post-tese, dissipative e ricentranti (tecnologia Pres-Lam), posizionate sul perimetro esterno dell’edificio da rinforzare.

La soluzione proposta è stata applicata ad un caso studio di un edificio esistente in c.a. progettato negli anni ’70. Le pareti aggiuntive sono state progettate seguendo un approccio “agli spostamenti” (DBD), applicato al nuovo sistema telaio-parete risultante, imponendo come massimo spostamento target delle pareti lignee quello che determina il raggiungimento del limite di deformazione ultima in uno degli elementi strutturali del telaio (pilastri, travi o nodi). Per l’edificio esaminato sono state eseguite valutazioni di capacità sismica mediante analisi non- lineari (statiche) sia nello stato di fatto che in quello post-intervento, che hanno permesso di apprezzare il significativo incremento delle prestazioni sismiche conferito dal sistema di rinforzo alla costruzione.

Le scarse prestazioni sismiche degli edifici esistenti in c.a., progettati negli anni ‘60 e ’70, anche in termini di danneggiamento, sono state e sono ampiamente confermate da tutti i terremoti verificatesi sul territorio nazionale negli ultimi 40 anni.

Questi edifici, progettati in pratica per resistere ai soli carichi gravitazionali (GLD –gravity load designed) senza alcuna attenzione alla capacità sismica, hanno mostrato tutte le loro criticità di comportamento in caso di sisma: crisi fragili locali (rotture a taglio dei nodi e/o dei pilastri) o meccanismi di collasso di piano soffice (Priestley 1995, Cosenza 2001, Pampanin 2002, Calderoni et al. 2015 e 2017). Le ragioni di questi comportamenti vanno ricercate essenzialmente nei criteri di progetto vigenti all’epoca di progettazione, che erano orientati a valutare le sole condizioni di servizio in campo elastico, senza dotare la struttura di capacità plastiche accettabili. Di conseguenza, quando sottoposte ad azioni sismiche, esse non riescono ad esibire un adeguato comportamento post-elastico dissipativo. D’altronde, anche nel caso di edifici in zona sismica, la progettazione pur fidando sul comportamento post-elastico (considerando forze sismiche significativamente ridotte), in genere era svolta senza verificare se le capacità plastiche ipotizzate potessero essere effettivamente esibite dalla struttura.

A tal proposito, le prime prescrizioni normative che hanno evidenziato la necessità di verificare l’effettivo comportamento duttile sono state quelle neo-zelandesi, che, nella prima metà degli anni’70 (NZS 3101P 1970, MOW 1968), hanno definito con chiarezza la filosofia progettuale del “capacity design” e che, già nel periodo tra gli anni ’20 e ’50, suggerivano valori dei coefficienti sismici per la determinazione delle azioni orizzontali.

In Italia, invece, il processo che ha condotto a codici normativi più moderni è stato più lento. Dopo il terremoto di Messina del 1908, solo le zone (più o meno estese) colpite da terremoti venivano classificate come sismiche e per esse erano fornite specifiche prescrizioni costruttive, nonché i valori delle azioni orizzontali da considerare nel progetto (da 1/6 ad 1/8 dei carichi verticali) (R.D. 18/04/1909 n.193). Con l’emanazione della legge sismica del 1974 (Legge n. 64 del 2/2/1974) sono stati dati maggiori dettagli ma, nella sostanza, la procedura di progetto non è variata nell’impostazione di base (forze sismiche ridotte ma nessuna attenzione specifica ai dettagli costruttivi o comunque a garanzia del comportamento plastico adeguato). In effetti, solo  con la  circolare del 1997 (Circ. n.67 del 10/04/1997) si inizia ad evidenziare la necessità   di   curare la struttura nei dettagli costruttivi per garantire un adeguato comportamento post-elastico, iniziando ad esplicitare le corrispondenti regole da rispettare. L’iter di sviluppo si è concluso (con qualche decennio di ritardo rispetto ai codici neo- zelandesi) con l’emanazione delle NTC08, nelle quali il capacity design è posto con chiarezza alla base della progettazione sismica.

Pertanto gli edifici esistenti in c.a., realizzati soprattutto nel periodo della ricostruzione post- bellica (fino alla fine degli anni ’70), che costituiscono la gran parte dell’edilizia abitativa moderna, possono risultare particolarmente vulnerabili nei confronti delle azioni sismiche (a seconda dell’intensità e caratteristiche di scuotimento al suolo). Il loro miglioramento strutturale rappresenta, quindi, una necessità fondamentale per la mitigazione del rischio sismico della nazione e, a tal fine, l’adozione di strategie di retrofit idonee e calibrate e a basso costo, in relazione alla tipologia strutturale, è essenziale.

Le attuali strategie di intervento sugli edifici esistenti in c.a. possono essere distinte in differenti categorie:

• (i) soluzioni finalizzate ad incrementare la capacità sismica in termini di forze e/o spostamenti (rinforzo locale o globale);
• (ii) soluzioni finalizzate alla riduzione della domanda sismica (ad es. isolamento alla base, isolamento intermedio, etc.);
• (iii) soluzioni “ibride” (ad es. selective weakening).

A parità di miglioramento della risposta e prestazione sismica, parametri decisionali fondamentali sono anche il costo, la praticità e la bassa invasività dell’intervento.

Pertanto, nell’ottica del Performance-Based Retrofit e di mitigazione del rischio sismico a scala nazionale (inteso come impatto socio- economico) è importante mirare allo sviluppo di soluzioni a bassa invasività ed in grado di garantire una significativa riduzione del livello di danno atteso, anche a seguito di eventi sismici severi, in aggiunta all’ovvio obiettivo della riduzione del rischio nei confronti della salvaguardia della vita (Pampanin 2012).

Intervento a bassa invasività con inserimento di pareti rocking post-tese

In questa memoria viene proposta una soluzione di intervento a bassa invasività e a basso danneggiamento, che prende spunto dai sistemi a basso danneggiamento o “low-damage” (Pampanin 2012). Essa si basa sull’inserimento di pareti rocking post-tese (in legno – X-lam o LVL - in c.a. prefabbricate od altro), dissipative e ricentranti, posizionate, in genere, sul perimetro esterno dell’edificio da rinforzare. Tale tecnica già introdotta da Marriott et al. 2007 relativamente al caso di pareti in c.a. (e già implementata in cantiere sia in Nuova Zelanda che negli Stati Uniti), viene qui analizzata per il caso di pareti lignee in X-lam con post-tensione e rocking dissipativo (tecnologia Pres-Lam - Palermo et al. 2005, Pampanin et al. 2006).

Ecco quali sono i vantaggi del sistema di rinforzo a pareti lignee post-tese

I vantaggi di tale sistema di rinforzo, rispetto ad uno tradizionale, consistono principalmente in:

• (i) un significativo incremento della capacità sismica (resistenza/rigidezza e/o duttilità globale) dell’edificio, anche senza interventi locali invasivi sulla struttura esistente;
• (ii) una fruibilità dell’edificio anche durante le fasi lavorative di intervento, poiché essi possono essere eseguiti principalmente dall’esterno (utile soprattutto nel caso  di  interventi su  edifici  strategici o abitati);
• (iii) un basso danneggiamento delle pareti rocking aggiuntive in caso di azioni sismiche, connesso al comportamento dissipativo e ricentrante; (iv) una relativa rapidità dell’intervento.

La soluzione di retrofit proposta è stata applicata ad un edificio esistente reale degli anni ’70. A partire dagli elaborati di carpenteria disponibili, è stato eseguito il progetto simulato che, basandosi sui criteri progettuali usualmente applicati in quell’epoca, ha definito le sezioni degli elementi strutturali e le corrispondenti armature. Su tale edificio sono state svolte, poi, analisi numeriche statiche, lineari e non-lineari, che hanno permesso di valutare la capacità sismica della struttura sia nello stato di fatto (ante-operam) che in quello di progetto (post- operam), per valutare il miglioramento di prestazioni sismiche conferito dal sistema di rinforzo alla costruzione.

All'interno dell'articolo integrale l'ANALISI DEL CASO STUDIO

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