Edifici esistenti in cemento armato: intervento di rinforzo di nodi non confinati mediante materiali compositi

Le carenze principali nelle costruzioni esistenti in cemento armato sono per lo più localizzate nei nodi non confinati, ossia nodi di parete o nodi d'angolo. 

Una significativa riduzione della vulnerabilità dei manufatti può essere ottenuta mediante l'utilizzo di tecniche di rafforzamento locale, mirate a sanare le principali carenze strutturali che danno luogo ai meccanismi di collasso che si manifestano a causa dei terremoti.

I materiali compositi possono risultare una soluzione particolarmente vantaggiosa in quanto aumentano la capacità di sostenere l’azione sismica e consentono di attuare interventi a basso impatto ed invasività, applicabili, nel caso di rinforzo di nodi non confinati, per lo più dall’esterno.

 

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La scelta della soluzione per il miglioramento sismico di un edificio

Nel corso degli ultimi anni sono state impiegate notevoli risorse nel campo dell’ingegneria sismica per sostenere la ricerca volta all’applicazione di nuovi materiali e allo studio di nuove tecnologie utili per il miglioramento delle prestazioni strutturali di edifici esistenti.

Se a questi interventi, cosiddetti innovativi, si sommano i numerosi di tipo tradizionale volti allo stesso scopo, si conclude che, data una struttura esistente non idonea a sostenere le azioni sismiche di progetto, il progettista strutturale è chiamato ad operare la selezione del tipo di intervento all’interno di una gamma piuttosto vasta. I criteri di giudizio dei possibili interventi, necessari per operare tale selezione, sono anch’essi numerosi, comprendendo sia criteri tecnici (prestazioni strutturali, protezione degli elementi non strutturali, rilevanza dell’intervento in fondazione, specializzazione della manodopera richiesta, compatibilità strutturale, ecc.) sia socio-economici (costi di installazione, costi di manutenzione, durata dei lavori, disturbo nell’uso dell’edificio, compatibilità estetico-funzionale, reversibilità, ecc.).

Tali criteri sono generalmente conflittuali, nel senso che non esiste una soluzione di miglioramento sismico che li soddisfi tutti al meglio contemporaneamente. La selezione va operata cercando di individuare quella che globalmente soddisfi al meglio i suddetti criteri nel loro insieme.

È evidente che sebbene la strategia di intervento sia sempre subordinata all’obiettivo di incrementare la capacità della struttura di sostenere le azioni sismiche, le tecniche di intervento implementabili possono essere notevolmente diverse e, soprattutto, sono imprescindibilmente connesse alla tipologia di struttura in esame. In particolare, esistono diverse tecniche di intervento la cui applicazione scaturisce per lo più dall’analisi delle principali carenze che tali costruzioni tipicamente presentano.

Nel caso di strutture esistenti, a seguito della valutazione della sicurezza, ci si trova comunemente nella condizione che la capacità strutturale risulti inferiore alla domanda edifici_ca_rinforzo_nodi_01.jpg.

Ciò perché la resistenza o la duttilità disponibili non sono sufficienti a rendere la struttura in grado di sopportare le azioni sismiche di progetto, calcolate in accordo con le attuali prescrizioni sismiche.

I recenti eventi sismici che hanno colpito il territorio italiano, hanno ancora una volta messo in luce l’elevata vulnerabilità del patrimonio costruito esistente; la messa in sicurezza di tale patrimonio è dunque oggi una priorità di interesse nazionale al fine di migliorare la sicurezza delle nostre abitazioni e ridurre le perdite economiche a seguito di eventi sismici.

Sono questi i presupposti, a partire dai quali, con la Legge di Bilancio 2017 è stato sancito un cambio radicale in materia di prevenzione sismica del patrimonio edilizio esistente, promuovendo una politica di mitigazione basata sulla messa a punto di uno strumento di incentivo economico, nella forma di detrazione fiscale, per interventi di miglioramento sismico delle strutture, il cosiddetto Sisma bonus.

In particolare, con il Decreto Ministeriale del 28/02/2017, il Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti ha emanato le “Linee Guida per la Classificazione del Rischio Sismico delle Costruzioni” che forniscono gli strumenti operativi per la classificazione del Rischio Sismico delle costruzioni nonché le modalità per l’attestazione dell’efficacia degli interventi effettuati. A tale primo passo ha fatto recentemente seguito, nell’ambito delle misure urgenti in materia di salute, sostegno al lavoro e all'economia predisposte nel recente Decreto Rilancio, un'ulteriore misura di incentivo che prevede la possibilità di innalzare fino al 110% le precedenti aliquote di detrazione fiscale delle spese a fronte di specifici interventi di rafforzamento simico, efficientamento energetico, e rifacimento, recupero e restauro delle facciate (cd. Superbonus). In tale contesto, la messa a punto e validazione di tecniche di intervento a basso impatto e di rapida esecuzione che minimizzino tempi e costi di applicazione basate su approccio multi-prestazionale e finalizzate alla riqualificazione del costruito sia a livello di singolo fabbricato che a larga scala, rappresentano una priorità di interesse nazionale.

 

Le tecniche di rafforzamento locale per la riduzione della vulnerabilità di un manufatto

Una significativa riduzione della vulnerabilità dei manufatti può essere ottenuta mediante l'utilizzo di tecniche di rafforzamento locale, ovvero di interventi localizzati, mirati a sanare le principali carenze strutturali che danno luogo ai meccanismi di collasso che più frequentemente si manifestano per effetto dei terremoti.

Tali interventi, per i quali non è necessaria, in fase di progettazione, l'analisi sismica dell'intera costruzione, ma solo la valutazione dell'incremento di sicurezza in termini di resistenza e/o duttilità della parte su cui si interviene, possono indurre un significativo incremento del livello di sicurezza della costruzione.

Con riferimento a quest’ultima categoria di interventi è importante sottolineare che, poiché essi non debbono modificare significativamente la rigidezza relativa degli elementi strutturali e, quindi, la distribuzione delle azioni, la norma tecnica di riferimento (NTC 2018, D.M. 17.01.2018 MIT 2018) prevede che:

"Il progetto e la valutazione della sicurezza potranno essere riferiti alle sole parti e/o elementi interessati, documentando le carenze strutturali riscontrate e dimostrando che, rispetto alla configurazione precedente al danno, al degrado o alla variante, non vengano prodotte sostanziali modifiche al comportamento delle altre parti e della struttura nel suo insieme e che gli interventi non comportino una riduzione dei livelli di sicurezza preesistenti".

In altri termini è data facoltà al progettista di limitare la valutazione della sicurezza ai soli elementi strutturali su cui si interviene, non rendendo obbligatorio così, sebbene auspicabile, il calcolo della capacità globale della struttura. Evidentemente tale possibilità è strettamente ed implicitamente connessa alla condizione che gli interventi previsti non comportino modifiche sostanziali della massa e della rigidezza strutturale nel suo complesso. Una variazione significativa di tali parametri, infatti, implicherebbe una sostanziale variazione dei modi di vibrare della struttura e, conseguentemente, delle azioni di progetto che definiscono la domanda sismica, nonché una diversa distribuzione delle azioni sugli elementi strutturali portanti. Entrambe le circostanze porterebbero ad una obbligatoria verifica di sicurezza relativa a tutti gli elementi strutturali (analisi globale) rispetto ai quali non si avrebbe più la certezza del beneficio apportato dagli interventi posti in essere.

 

L'uso dei materiali compositi per interventi locali di rinforzo su edifici in cemento armato

Nell’ambito degli interventi locali, i materiali compositi possono risultare una soluzione particolarmente vantaggiosa in quanto in grado di coniugare indubbi incrementi di capacità di sostenere l’azione sismica alla possibilità di perseguire tale obiettivo attraverso l’esecuzione di interventi a basso impatto ed invasività, applicabili, nel caso di rinforzo di nodi non confinati, per lo più dall’esterno.

È bene ricordare, che nel caso di strutture in c.a. con telai in entrambe le direzioni, il rinforzo di tutti i nodi non confinati dell’edifico, abbinato all’utilizzo di presidi antiribaltamento delle tamponature di facciata, consente di usufruire delle potenzialità applicative del metodo semplificato per il passaggio alla Classe di Rischio immediatamente superiore in accordo a quanto riportato nelle Linee guida Classificazione di rischio sismico delle costruzioni [MIT, 2017].

Nel caso di applicazioni sismiche su edifici in cemento armato, i materiali compositi possono essere particolarmente vantaggiosi per perseguire l’eliminazione di tutti i meccanismi di rottura fragile (quali ad esempio crisi per trazione dei pannelli di nodo), tipicamente responsabili di livelli di sicurezza di gran lunga inferiori a quelli richiesti nella progettazione di edifici di nuova realizzazione.

Nel caso di strutture in c.a., infatti, l'assenza di staffatura nei pannelli nodali (tipica degli edifici esistenti in quanto non prescritta anche nelle norme sismiche, se non in quelle più recenti) è emersa come una delle principali cause di vulnerabilità sismica di tali strutture portando frequentemente alla possibile formazione di meccanismi fragili per rottura a taglio, specie nei nodi non confinati ovvero perimetrali.

 

La valutazione della sicurezza sismica di tre edifici scolastici in c.a.: lo studio

Ciò è chiaramente emerso in un recente studio (Frascadore et al. 2015) in cui sono stati analizzati i risultati delle valutazioni sismiche degli edifici scolastici nella configurazione ante operam e post operam (ossia nella configurazione pre e post interventi di rafforzamento). In particolare, le valutazioni sismiche hanno riguardato tre complessi scolastici in c.a., per un totale di 6 corpi di fabbrica strutturalmente indipendenti selezionati in modo da essere rappresentativi di epoche costruttive che vanno dall’inizio degli anni sessanta alla fine degli anni novanta.

In Tabella 1 sono riportati, per i 6 corpi di fabbrica esaminati in dettaglio, la denominazione del corpo di fabbrica del complesso scolastico, l'anno di costruzione, il numero di piani fuori terra, i valori medi della resistenza a compressione del calcestruzzo, fcm, e della tensione di snervamento dell'acciaio, fym, ed infine la tipologia di barre di armatura (barre ad aderenza migliorata o barre lisce).

 

Tabella 1 - Età, altezza e materiali delle scuole esaminate

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La valutazione sismica è stata effettuata mediante analisi statiche non lineari, compatibilmente con i limiti di adozione di tale tipologia di analisi come previsto nelle Norme Tecniche per le Costruzioni, D.M. 17.01.2018 MIT 2018.

A valle delle analisi globali dei singoli corpi di fabbrica, sono state eseguite le verifiche di sicurezza degli elementi strutturali per lo Stato Limite di Salvaguardia della Vita, SLV, ricavando il livello di sicurezza in termini di rapporto tra accelerazione di picco su suolo rigido di capacità e di domanda, relativo all’attivazione dei singoli meccanismi di crisi fragile (resistenza a trazione e compressione diagonale dei nodi trave-pilastro, taglio pilastri e travi) e duttile (capacità rotazionale o pressoflessione).

Le verifiche dei meccanismi di crisi fragile, in termini di resistenza a taglio su elementi pilastri e travi sono state condotte in accordo con le formulazioni proposte nella Circolare alle NTC 2018 (Circolare 21 gennaio 2019, n. 7 C.S.LL.PP) in cui si suggerisce un modello di capacità che tiene conto del degrado della resistenza a taglio in funzione dell’impegno plastico dell’elemento (edifici_ca_rinforzo_nodi_03.jpgvariabile tra 0 e 5 in caso di minimo e massimo degrado plastico, rispettivamente).

In Tabella 2 sono riportati, per ciascun corpo di fabbrica, i valori di accelerazione al suolo responsabili della prima attivazione di meccanismi di crisi fragile o duttile nella configurazione ante-operam.

 

Tabella 2 - Valori della accelerazione al suolo ag_SLV che provocano il raggiungimento dello stato limite di salvaguardia della vita.

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Dai dati riportati in Tabella 2 è possibile desumere che, nei casi esaminati, l’eventuale attivazione dei meccanismi duttili è sempre successiva all'attivazione di quelli fragili, risultando quindi questi ultimi il principale fattore di rischio per la sicurezza strutturale degli edifici esistenti.

In Fig. 1 si riporta, a titolo esemplificativo, una tipica curva di pushover ottenuta sugli edifici oggetto di studio, nonché la progressione dei meccanismi di crisi riscontrata.

La valutazione dei valori minimi di edifici_ca_rinforzo_nodi_05.jpgrelativi a diversi meccanismi di crisi, consente di costruire una scala di priorità nella scelta degli interventi di miglioramento/adeguamento sismico in modo tale che, eseguendo i rinforzi strutturali per intervenire in modo sequenziale dal primo all’ultimo meccanismo attivato, è possibile aumentare gradualmente e in modo controllato il valore del rapporto tra capacità e domanda. Nell’ottica di eseguire interventi di rafforzamento che non comportino cambiamenti significativi delle masse e rigidezze dell’edificio, tale procedura aiuta a costruire una scala di priorità nella scelta degli interventi da eseguire.

Fig. 1 – Curva Pushover e progressione dei meccanismi di crisi

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Validazioni sperimentale schemi di rinforzo in FRP

Al fine di valutare l’efficacia di soluzioni di intervento con materiali compositi su strutture in c.a. nell’incrementare la capacità sismica di nodi trave colonna, sono state condotte negli ultimi anni diverse campagne sperimentali presso il Laboratorio prove del Dipartimento di Strutture per l’Ingegneria e l’Architettura dell’Università degli Studi di Napoli Federico II [Del Vecchio et al. 2014, De Risi et al. 2020].

Esse hanno riguardato nodi trave-colonna, testati nella condizione as-built (nella configurazione originaria) e nella configurazione rinforzata con FRP mediante diversi schemi di rinforzo (si veda Figura 2). Sono stati realizzati sub-assemblaggi identici in termini di geometria degli elementi strutturali, proprietà meccaniche dei materiali e dettagli di armatura in modo tale da risultare rappresentativi di edifici esistenti in c.a. ricadenti in zone a media sismicità e progettati secondo normative per costruzioni in zona sismica ormai obsolete.

Essi, infatti, sono caratterizzati da assenza di staffe nel pannello di nodo e da una carente armatura trasversale in travi e pilastri. Il pilastro del sub-assemblaggio è stato realizzato con sezione quadrata di lato 300 mm e la trave con base di 300 mm ed una altezza di 500 mm. I pilastri sono stati armati con 8 barre da 16 mm di diametro, mentre la trave con una armatura di 5 barre da 16 mm di diametro al lembo superiore e 3 barre da 16 mm di diametro al lembo inferiore.

Sono stati testati schemi di rinforzo ad invasività crescente, partendo da uno schema di intervento cosiddetto “Light” che interessa il solo pannello di nodo rinforzato con 1 strato di tessuto in carbonio (CFRP) quadriassiale, provino denominato FRP_FL1 (Fig. 2a), a schemi più invasivi che mirano ad incrementare le prestazioni dell’intero sub-assemblaggio nodale, provini FRP_FS1 ed FRP_FS2 (Fig. 2b), rinforzati rispettivamente con 1 strato o 2 strati di CFRP quadriassiale combinati all’utilizzo di tessuto uniassiale alla estremità delle travi (come sistema di rinforzo a taglio oltre che per ancoraggio del pannello di rinforzo nodale) e di tessuto uniassiale per il confinamento delle estremità del pilastro (zona di potenziale sviluppo della cerniera plastica).

Il calcestruzzo utilizzato per i nodi trave-pilastro è di bassa qualità con resistenze cilindriche medie a compressione, fcm, variabili tra 13.0 MPa per i nodi As-built_1 ed FRP_FL1, e 16.5 MPa per i nodi As-built 2,3 e FRP_FS1 ed FRP_FS2.

 

 

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Fig. 2 – Schemi di rinforzo in FRP adottati: nodo FRP_FL1 rinforzo “Light” solo su pannello di nodo (a); nodi FRP_FS1e FRP_FS2 rinforzo intero sub-assemblaggio con 1 e 2 strati sul pannello di nodo, rispettivamente (b).

 

Le prove sperimentali sono state condotte applicando uno sforzo normale costante in testa al pilastro ed una storia ciclica di spostamenti crescenti all’estremità della trave. I risultati sperimentali in termini di inviluppo della risposta ciclica sono illustrati in Fig. 3 in cui si riporta la risposta globale espressa in termini di taglio colonna V⊂ in funzione del drift.

I risultati sperimentali hanno evidenziato una prematura crisi a taglio del pannello di nodo, che ha impedito l’attingimento dello snervamento degli elementi in esso convergenti in tutti i nodi della serie As-built testati. Tale fessurazione si è manifestata in corrispondenza di drift molto bassi pari a circa 0.50-0.75%. La fessurazione a taglio (Fig. 4) ha limitato la risposta sismica del sistema testato in termini di resistenza, duttilità ed energia dissipata. Di contro, l’adozione di sistemi di rinforzo in composito è risultata in ogni caso efficace ed idonea ad incrementare le prestazioni sotto carico sismico dei sub-assemblaggi oggetto di studio.

In particolare, il rinforzo del solo pannello nodale applicato su un calcestruzzo di bassa qualità fcm =13 MPa (FRP_FL1 rinforzo “Light”) ha permesso di incrementare significativamente la resistenza a taglio del pannello di nodo producendo sul sub-assemblaggio un incremento di resistenza del 18% e di energia dissipata del 16%. Il confronto tra i quadri fessurativi mostrati in Fig. 4 evidenzia che, fino a domande di drift pari al 2.4%, il nodo rinforzato con FRP contiene significativamente il danneggiamento del nodo, a differenza del nodo as-built che mostra un quadro fessurativo caratterizzato da marcate fessure a taglio difficilmente riparabili. Sebbene il sistema sia pertanto risultato efficace, l’attingimento di una prematura delaminazione del tessuto di rinforzo, non ha consentito, tuttavia, il raggiungimento delle massime riserve di resistenza e duttilità del sub-assemblaggio.

Schemi di rinforzo più invasivi (FRP_FS1e FRP_FS2), unitamente a una migliore resistenza del calcestruzzo fcm =16.5 MPa, hanno permesso di spostare la modalità di crisi da fragile, con fessurazione del pannello di nodo, a duttile, con snervamento delle armature longitudinali dei pilastri.

A ciò si associa un significativo incremento di resistenza (+28% e +46% per il nodo FRP_FS1 e FRP_FS2, rispettivamente) e di energia dissipata resistenza (+20% e +30% per il nodo FRP_FS1 e FRP_FS2, rispettivamente). Anche in questi casi, il sistema di rinforzo ha consentito di contenere significativamente il danneggiamento del pannello di nodo (Fig. 4).

 

 

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Fig. 3 – Inviluppi delle risposte sperimentali: rinforzo FRP solo pannello di nodo (a); rinforzo FRP intero sub- assemblaggio (b).

 

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Fig. 4 – Confronto fotografico in termini di danno osservato al pannello di nodo ad un drift di 2.4%.

 

Recenti studi e ricerche ancora in fase di sviluppo e definizione, sono focalizzate allo sviluppo di soluzioni di rinforzo a bassa invasività e basso impatto applicabili dal solo esterno. In tale ambito, una prima campagna sperimentale (De Risi et al. 2020) ha mostrato l’efficacia e le potenzialità di tali schemi di rinforzo che coniugano i benefici dovuti all’incremento di resistenza, di energia dissipata e di contenimento del danno alla facilità e rapidità di esecuzione.

Tali interventi permettono di raggiungere incrementi significativi della capacità sismica locale e globale, come dimostrato dai recenti sviluppi scientifici del progetto DPC-ReLUIS, WP5: Interventi di rapida esecuzione a basso impatto ed integrati.

Sono, inoltre, in corso di esecuzione, presso il nuovo Laboratorio di Prove su Strutture in Scala reale, sito presso il Centro Servizi Metrologici e Tecnologici Avanzati (CeSMA) della Università Federico II di Napoli, prove pseudo-dinamiche su un telaio piano in c.a. in scala reale volte alla validazione di sistemi di rinforzo completamente applicati dall’esterno adottando sistemi di ancoraggio del pannello di nodo, non più costituiti da fasciatura in tessuto uniassiale, ma da fiocchi in composito.

Particolare attenzione va posta, infatti, al dettaglio realizzativo dello schema di rinforzo nonché del sistema di ancoraggio dello stesso al fine di ottenere effettivi incrementi di resistenza del pannello nodale. La validazione su scala reale, attraverso prove pseudo-dinamiche, che coniugano al meglio le necessità di ricerca e quella di simulare in maniera quanto più fedele possibile l’effetto dell'azione sismica sulla struttura, rappresentano un passo cruciale per la messa a punto, ed ulteriore validazione, di soluzioni di rinforzo a bassa invasività che consentano di usufruire al meglio dei benefici fiscali che oggi è possibile ottenere per interventi di mitigazione del rischio sismico.

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Il documento continua riportando due esempi di calcolo del rinforzo a taglio del pannello di nodo utilizzando tessuti in CFRP.

In entrambi i casi, il calcolo viene condotto nella logica di eseguire un intervento locale e, pertanto, si descrive la procedura di progetto del rinforzo in FRP a prescindere dall’analisi globale volta alla valutazione della sicurezza della struttura cui il pannello di nodo appartiene.

Inoltre vengono illustrate le modalità applicative per il rinforzo in FRP di nodi non confinati.


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