Adeguamento sismico mediante esoscheletro strutturale

Spesso quando si parla di interventi finalizzati al miglioramento della sicurezza sismica di un edificio si da per scontato che durante i lavori, l'edificio non sia utilizzabile.

Per molti edifici, specie per quelli di valenza strategia questo non è possibile. Per questa tipologia di edifici il gruppo di ricerca del Prof. Ferro del Politecnico di Torino da anni sta studiando soluzioni alternative che consentono di operare esclusivamente all’esterno della struttura tramite l’impiego di una tecnologia innovativa denominata esoscheletro strutturale. Vediamo di cosa si tratta.


Il patrimonio immobiliare italiano conta un numero assai elevato di edifici realizzati nel secondo dopoguerra la cui risposta antisismica risulta inadeguata, sia in termini prestazionali che di salvaguardia della vita degli occupanti. Per di più, il 61% dell’intero costruito ha superato la vita nominale di 50 anni sulla base della quale furono progettati (censimento ISTAT, 2011): per questo motivo, la valutazione della sicurezza e gli eventuali interventi su edifici esistenti hanno assunto un ruolo preminente già a partire dalle Norme Tecniche per le Costruzioni pubblicate nel 2018 riservandone un intero capitolo (§ 8). 

Come varia il costo di un intervento antisismico in funzione del livello di sicurezza

Per quanto riguarda le strutture con funzioni pubbliche, come le scuole, è possibile considerare un coefficiente ζ=0,80 cioè è concessa una diminuzione del 20% rispetto all’accelerazione richiesta per le nuove costruzioni. Infatti, l’aumento del livello di sicurezza antisismica presenta una legge a soglie: a parità di cifra investita per l’intervento, al ridursi della vulnerabilità diminuisce l’ulteriore riduzione conseguibile. Ne deriva che, alla luce delle difficoltà per la pubblica amministrazione di effettuare un calcolo sufficientemente dettagliato su una struttura esistente, con una determinata somma a disposizione è possibile eseguire più interventi di adeguamento “scontato” capaci di determinare una forte riduzione del rischio sismico globale; la figura seguente mostra l’andamento dei costi in base alla tipologia conseguita.

andamento-costo-intervento-livello-sicurezza.JPGFigura 1 - Costo dell’intervento in funzione del livello di sicurezza

Soluzioni alternative per l’adeguamento di edifici esistenti con funzioni strategiche

Si ricorda però che la norma si riferisce a valori minimi, perciò il committente ha la facoltà di richiedere prestazioni migliorative allo scopo di portarsi a livelli di sicurezza ancora maggiori. 

In merito a tale ambito, il gruppo di ricerca del Prof. Ferro del Politecnico di Torino da anni sta studiando soluzioni alternative per l’adeguamento di edifici esistenti con funzioni strategiche, per le quali è impensabile la cessazione delle loro funzionalità durante la fase di esecuzione dei lavori. La soluzione proposta consiste nell’operare esclusivamente all’esterno della struttura tramite l’impiego di una tecnologia innovativa denominata esoscheletro strutturale. 

La soluzione dell' "esoscheletro strutturale": il funzionamento

Tale metodo prevede che la struttura esistente venga affiancata da una di tipo autoportante (solitamente in acciaio, leggera ed altamente performante in termini di rigidezza e di capacità dissipativa) che permetta di conseguire un miglioramento nella risposta strutturale antisismica e, laddove necessario, anche in campo statico. Questa tecnologia sorregge la struttura esistente e si fa carico dell’aliquota maggiore delle forze orizzontali durante l’azione sismica tramite l’inserimento di collegamenti puntuali (rigidi o a molla dissipativa); può eventualmente prevedere la realizzazione di una copertura tale da unire le due porzioni laterali di esoscheletro creando una geometria a telaio:

esoscheletro-strutturale-modello.JPG 

Figura 2 - Concetto generale di “esoscheletro strutturale”

L’incremento di rigidezza risultante determina un aumento dell’azione sismica, ma il contributo assorbito dalla struttura esistente si riduce per l’elevata rigidezza dell’esoscheletro; infatti, si ricava uno spettro in cui i modi di vibrazione sono caratterizzati da periodi minori e da una maggiore componente orizzontale dell’accelerazione.

Per dimostrare la sua efficacia, l’esoscheletro deve essere sufficientemente rigido e resistente in modo da scaricare su di sé l’azione sismica che, altrimenti, graverebbe unicamente sulla costruzione di partenza. Quindi, oltre ad aumentare le caratteristiche di rigidezza, esso incrementa anche la resistenza e la capacità dissipativa rispetto all’edificio esistente (Figura 3); il comportamento statico incrementale è di seguito riportato:

 esoscheletro-strutturale-benefici.JPG

Figura 3 - Benefici della soluzione “esoscheletro strutturale” in termini di protezione antisismica

Questa applicazione realizza il concetto teorico di due oscillatori semplici uniti per mezzo di un legame (Figura 4) in cui i simboli M, K, C indicano rispettivamente la massa, la rigidezza e lo smorzamento dell’elemento considerato; x e u identificano lo spostamento dell’elemento strutturale scelto o del terreno, rispettivamente nella configurazione discretizzata mediante un telaio e nel caso della semplificazione realizzata tramite un oscillatore semplice. Infine, con F si fa riferimento alla forza scambiata tra la struttura primaria e quella esterna tramite il collegamento utilizzato. La figura seguente ne mostra la rappresentazione:

 modellazione-dinamica-struttura-controllata.JPG

Figura 4 - Modellazione dinamica di una struttura controllata

Le caratteristiche di questo metodo alternativo di adeguamento sismico

Di conseguenza, gli aspetti innovativi del metodo esoscheletro strutturale possono essere classificati come esempi di soluzione:

  • esterna, che permette di garantire l’operabilità dell’organismo edilizio in fase di esecuzione;
  • a secco, per una più veloce cantierizzazione dell’intervento;
  • reversibile, che consente di essere smontata, riparata o sostituita in parti;
  • progettualmente migliorativa, che garantisce un prolungamento della vita utile della struttura esistente;
  • economicamente vantaggiosa.

Una novità interessante risiede nella possibilità di intervenire eliminando la copertura e i balconi presenti, cosicché tale esoscheletro possa fungere da “gabbia” contenitiva con funzioni legate al miglioramento energetico dell’edificio (come il cappotto termico, le serre solari o le facciate ventilate), a quello tecnologico/prestazionale (con la creazione di nuovi vani tecnici o ascensori), ad un perfezionamento architettonico/urbanistico (in termini di qualità degli spazi e realizzazione di giardini verticali), infine come miglioramento compositivo di facciata.

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