Miglioramento sismico e energetico mediante l'uso di pannelli prefabbricati in c.a. posati “a secco” in facciata

Una tecnica di rinforzo strutturale che consente di lavorare esclusivamente all’esterno del fabbricato, senza interferire con la funzionalità dell’edificio. Grazie al suo ridotto spessore, risulta compatibile con un intervento di miglioramento energetico realizzato mediante esecuzione di cappotto isolante esterno, al fine di ottenere un intervento integrato strutturale+energetico.

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Rinforzo strutturale di edifici a telaio in c.a. tamponati: la prefabbricazione come soluzione per realizzare interventi integrati

La quasi totalità degli edifici costruiti negli scorsi decenni non risulta in grado di assicurare un adeguato livello di sicurezza nei confronti delle sollecitazioni sismiche di progetto, richiedendo quindi interventi di adeguamento o miglioramento sismico.

In Italia il 74% del costruito risale ad un’epoca di costruzione precedente agli anni ’80 [ISTAT], richiedendo oggi significativi interventi di riqualificazione.

Diverse tecniche sono state proposte e adottate negli ultimi anni per incrementare la sicurezza sismica di edifici esistenti, basate su principi ed approcci differenti.

Molte di queste soluzioni, seppur efficaci dal punto di vista strutturale, risultano spesso essere molto onerose e molto invasive sull’edificio esistente, richiedendo elevati investimenti e, in alcuni casi, comportando l’interruzione della funzionalità dell’edificio durante le fasi di esecuzione dell’intervento.

Per quest’ultimo motivo negli ultimi anni sono sempre maggiormente preferite soluzioni di intervento che consentano di lavorare esclusivamente dall’esterno del fabbricato, senza interferire con la funzionalità dell’edificio.

In tal modo contestualmente all’intervento strutturale, può essere eseguito anche un intervento di miglioramento energetico che, nella maggior parte dei casi, prevede l’introduzione di uno strato isolante sulle pareti esterne dell’edificio.

Nell’ambito di tale tipologia di interventi si inserisce la tecnica di rinforzo proposta e studiata nel presente articolo.

La soluzione prevede l’adozione di un sistema prefabbricato a setti in calcestruzzo armato, posato “a secco” in aderenza delle facciate dell’edificio esistente e reso solidale ad esso mediante collegamenti al livello degli impalcati.

Grazie al suo ridotto spessore, risulta compatibile con un intervento di miglioramento energetico realizzato mediante esecuzione di cappotto isolante esterno, al fine di ottenere un intervento integrato strutturale+energetico.

L’efficacia del sistema proposto nel garantire un incremento della prestazione sismica di edifici esistenti viene investigata per mezzo di uno studio numerico svolto su un edificio esistente, adottato come caso studio.

Lo studio si basa su analisi dinamiche lineari a spettro di risposta (LRSA) e analisi statiche non-lineari (NLPO), eseguite sia sull’edificio allo stato di fatto che in presenza di diverse configurazioni di rinforzo.

L’efficacia del rinforzo è quantificata sulla base dell’incremento dell’indice di sicurezza sismica (IS-V o ζ), valutato in accordo con la vigente normativa italiana [NTC 2018], prendendo in considerazione la vulnerabilità dell’edificio sia per effetto di meccanismi locali che globali.

Sono qui riportati sinteticamente i risultati di uno studio parametrico che mostra la variabilità dell’efficacia del rinforzo al variare di tre fattori quali: 

  1. la pericolosità sismica del sito di riferimento;
  2. l’altezza dell’edificio;
  3. la superficie in pianta dell’edificio.

 

La descrizione del sistema di rinforzo con moduli prefabbricati in c.a.

Il sistema si compone di moduli prefabbricati in calcestruzzo armato (Figura 1 a,b,c), collegati alla struttura esistente mediante opportuni elementi di carpenteria (Figura 1 d),  fissati al livello degli impalcati.

Tre sono gli elementi prefabbricati su misura che compongono il sistema di rinforzo:

  1. Elementi “Angolare” aventi sezione ad “L” e dimensioni variabili in pianta. Tali elementi vengono addossati ai pilastri d’angolo dell’edificio esistente al fine di ridurre il rischio di fenomeni di rottura fragile dei pilastri stessi e dei nodi esterni del telaio strutturale esistente. Il collegamento alla struttura esistente è realizzato mediante spinotti in acciaio inseriti in appositi fori previsti nell’elemento stesso e inghisati nel pilastro esistente;

  2. Elementi “Setto” aventi sezione rettangolare e caratterizzati da una lunghezza variabile, a seconda delle esigenze (da un minimo di 1,2m ad un massimo di 3,6m). Tali elementi vengono posizionati in aderenza alle pareti perimetrali dell’edificio esistente e collegati alla struttura al fine di incrementarne la rigidezza nei confronti delle sollecitazioni sismiche, riducendone quindi la richiesta di spostamento. Il collegamento alla struttura esistente viene realizzato al livello degli impalcati (in corrispondenza di travi di bordo/cordolo) con il medesimo sistema adottato per gli elementi “Angolare”. In presenza di elevate azioni scambiate tra l’edificio esistente e l’elemento “Setto”, il trasferimento delle forze viene distribuito mediante l’introduzione di appositi elementi di carpenteria laterali (Figura 2) resi solidali al setto e spinottati, a loro volta, all’impalcato dell’edificio esistente.

  3. Elementi “Setti accoppiati” composti da due setti verticali di dimensioni variabili, collegati da una trave di accoppiamento, anch’essa di dimensioni variabili. Tali elementi svolgono la medesima funzione irrigidente svolta dagli elementi “Setto”, ma la loro particolare geometria rende possibile il loro utilizzo anche in presenza maschi murari di larghezza ridotta sulla facciata dell’edificio esistente a causa della presenza di aperture. Il collegamento alla struttura esistente è ottenuto mediante lo stesso sistema descritto per gli elementi “Setto”, mentre si osserva che, come evidenziato in Figura 2a, per ragioni costruttive il collegamento verticale tra due elementi “Setti accoppiati” adiacenti non è realizzato al livello dell’impalcato, ma a metà interpiano.

 

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Figura 1 – Moduli prefabbricati

 

Il sistema di fissaggio e trasferimento delle sollecitazioni degli elementi sopra descritti all’edificio esistente è garantito ad ogni livello tramite:

Elementi di carpenteria per il collegamento agli impalcati costituiti da profili UPN (con dimensione variabile tra UPN240 e UPN320). Il profilo UPN presenta fori lungo il suo sviluppo atti ad alloggiare gli spinotti per il collegamento all’impalcato dell’edificio esistente. Il trasferimento delle forze di piano agli elementi di rinforzo prefabbricati avviene mediante una piastra in acciaio saldata all’estremità del profilo e dotata di fori per il collegamento alle barre filettate annegate nell’elemento in calcestruzzo. Per garantire un adeguata distribuzione degli sforzi nel collegamento, sono inseriti dei fazzoletti in acciaio saldati tra il profilo UPN e la piastra di testa.

 

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Figura

Al fine di garantire l’efficacia del sistema di rinforzo, è necessaria la realizzazione di un’opportuna fondazione alla base degli elementi strutturali aggiuntivi, composta da travi alte addossate alla fondazione dell’edificio esistente e pali di fondazione in numero e dimensioni sufficienti a garantire il necessario trasferimento degli sforzi al terreno.

Studiando configurazioni bilanciate dei pannelli di rinforzo (distribuzione in pianta), risulta possibile ottenere interventi di rinforzo caratterizzati da livelli di sicurezza sismica progressivamente crescenti, partendo da una soluzione più “leggera”, che prevede la sola introduzione degli elementi “Angolare” sugli angoli dell’edificio, fino ad una soluzione più “pesante” che prevede l’inserimento degli elementi “Setto” e/o “Setti accoppiati” lungo il perimetro dell’edificio, da soli o in aggiunta agli elementi “Angolare”.

Come mostrato nel seguito, l’applicazione della soluzione “leggera” ha l’obbiettivo di ridurre la possibilità di insorgere di meccanismi di collasso locali durante la risposta sismica, tipicamente responsabili di elevati livelli di vulnerabilità delle strutture esistenti, mentre la soluzione “pesante” punta ad ottenere anche un miglioramento del comportamento sismico globale dell’edificio, incrementandone ulteriormente il livello di sicurezza.

Nella Figura 3 è riportato uno schema rappresentativo di tutti gli elementi che costituiscono il sistema analizzato.

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Figura 3 - Schema esemplificativo

 

Il sistema proposto, oltre a garantire il miglioramento della risposta sismica dell’edificio, presenta anche ulteriori vantaggi dal punto di vista funzionale, architettonico ed esecutivo:

  • La realizzazione dell’intervento di rinforzo è svolta completamente dall’esterno. Per questo motivo risulta limitata l’invasività del cantiere sulle attività interne all’edificio, le quali possono continuare nel loro normale svolgimento;
  • L’intervento di rinforzo è realizzato in aderenza all’edificio esistente e con uno spessore totale contenuto (circa 20cm). Il sistema di rinforzo strutturale potrebbe essere inglobato nel pacchetto del “cappotto” isolante e scomparire completamente dal punto di vista architettonico.
  • L’adozione di elementi prefabbricati consente una realizzazione quasi completamente “a secco” delle opere in elevazione, con la sola necessità di eseguire getti di ripristino in corrispondenza delle riprese dei diversi elementi. Grazie a questo sistema si riducono significativamente i tempi di cantiere e le difficoltà connesse all’esecuzione di getti in opera in quota.

 

Caso studio e Analisi numeriche

L’edificio analizzato è un condominio con struttura a telaio e tamponamenti perimetrali in termo-laterizio che si sviluppa su 7 livelli fuori terra ed ha una superficie d’impalcato tipo pari a 370mq. La struttura è stata realizzata in una unica soluzione nel 1974 nel rispetto della allora vigente normativa. Si trova a Bologna in zona sismica a media sismicità. L’accelerazione orizzontale di riferimento allo SLV è pari ad ag = 0.167g, il sottosuolo è tipo C con categoria topografica T1.

Lo studio numerico alla base del presente articolo è svolto mediante l’utilizzo del software Midas Gen (Figura 8<!-- [if gte mso 9]> Il modello agli elementi finiti dell’edificio è realizzato mediante elementi monodimensionali (“Beam”) per riprodurre i telai strutturali perimetrali e di spina. La presenza di tamponamenti lungo il perimetro esterno dell’edificio è modellata mediante l’introduzione di puntoni collegati ai nodi del telaio, calibrati secondo la procedura proposta in [Al Chaar et al., 2002], tenendo conto della riduzione di rigidezza e resistenza dovuta alla presenza di aperture lungo i prospetti.


Midas Gen è il software per la modellazione, l’analisi e la verifica di strutture (esistenti e nuove costruzioni) più completo sul mercato nel settore del calcolo strutturale. All’interno del software sono disponibili, inoltre, verificatori per strutture in acciaio e calcestruzzo.

È un prodotto conforme alle NTC 2018 e relativa circolare e dispone anche di verifiche di elementi in CA ed acciaio in accordo alle principali normative internazionali.

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In virtù dell’elevato numero di aperture e della loro significativa dimensione, in prima analisi, non è stato modellato l’effetto dell’incremento di taglio sulle colonne dovuto all’interazione con il tamponamento.

Gli elementi di rinforzo “Angolari” sono anch’essi modellati mediante elementi Beam con sezione ad “L”, vincolati rigidamente al rispettivo pilastro d’angolo dell’edificio, al livello di ogni impalcato. Gli elementi “Setti” e “Setti accoppiati” sono invece modellati mediante elementi bidimensionali (“Wall”), anch’essi collegati all’edificio esistente al livello degli impalcati mediante collegamento rigido.

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