Studi per la definizione degli input sismici per verifica di elementi non strutturali in edifici storici

I recenti eventi sismici hanno mostrato come il danneggiamento degli elementi costruttivi non strutturali possa determinare, anche in caso di strutture ideate secondo i moderni criteri di progettazione in zona sismica, perdite sia a livello economico che in termini di vite umane. Per tale motivo, oggi giorno è necessario realizzare elementi non strutturali, quale gli arredi, che garantiscano un riparo sicuro per le persone in caso di evento sismico.

Nel presente lavoro, per la valutazione degli spettri elastici di piano sono state eseguite analisi dinamiche lineari attraverso l’integrazione diretta di gruppi di accelerogrammi naturali spettro-compatibili. Il modello strutturale agli elementi finiti preso come riferimento nel caso oggetto di studio è rappresentativo della sede municipale "Palazzo Margherita" sito in L’Aquila. In particolare, tale struttura, realizzata in muratura di pietrame irregolare, è considerata nella condizione antecedente al terremoto del 2009.

Al seguito delle analisi svolte sul modello numerico, le accelerazioni misurate sui diversi piani dell’edificio, per i 7 eventi sismici (14 componenti totali), sono state utilizzate per la definizione dello spettro elastico medio di piano da considerare nelle verifiche per gli elementi non strutturali. Un confronto con gli spettri di piano suggeriti dalla attuale normativa EC8, sottolinea come quest’ultima utilizzi un metodo generalmente non conservativo per la quantificazione della domanda sismica.

Terremoti: perchè è importante avere elementi non strutturali che possano essere un riparo per le persone

I recenti eventi sismici hanno mostrato come il danneggiamento degli elementi non strutturali possa determinare, anche in caso di strutture ideate secondo i moderni criteri di progettazione in zona sismica, perdite sia a livello economico e sia in termini di vite umane (Dhakal 2010). In un recente studio (Miranda e Taghavi 2003) si è messo in evidenza come gli elementi non strutturali rappresentano la quota parte maggiore nei costi sostenuti per la realizzazione di edifici.

IMMAGINE 1: Ripartizione dei costi sostenuti per la costruzione di differenti tipologie di edifici (Miranda e Taghavi 2003).

Ad esempio, negli edifici ospedalieri, il costo sostenuto per la realizzazione di elementi strutturali è pari a soltanto l'8% degli investimenti monetari totali, mentre il 44% e il 48% sono legati rispettivamente ai costi non strutturali e di contenuto (Figura 1). Per tale motivo, oggi giorno è necessario realizzare elementi non strutturali, quale gli arredi, che possano garantire un riparo sicuro per le persone in caso di evento sismico. Nel rispetto di tale principio, è necessario verificare e progettare tali elementi considerando azioni sismiche che portano al collasso strutturale (stato limite ultimo) anziché, come la Normative vigenti nazionali e internazionali impongono, allo stato limite di operatività (stati limite di esercizio).

In ambito progettuale, è prassi comune verificare e/o progettare gli elementi non strutturali attraverso l’utilizzo di spettri di piano che tendono ad essere differenti rispetto a quelli normalmente imposti alla base per le verifiche strutturali dell’intero edificio. Infatti, ai piani più alti della struttura si osserva una diversa risposta dinamica in quanto le frequenze dell’eccitazione sismica risultano filtrate, amplificando la domanda in accelerazione in specifici intervalli di periodo (Calvi e Sullivan 214, Sullivan et al. 2015).

Nel presente lavoro, per la valutazione degli spettri elastici di piano sono state eseguite analisi dinamiche lineari attraverso l’integrazione diretta di gruppi di accelerogrammi naturali spettro- compatibili. Le accelerazioni misurate, durante l’applicazione dei 7 eventi sismici (14 componenti sismiche totali), sui diversi piani dell’edificio preso in esame, sono state utilizzate per la definizione dello spettro elastico medio di piano da considerare nelle verifiche per gli elementi costruttivi non strutturali. Un confronto con gli spettri di piano suggeriti dalla normativa EC8, sottolineano come quest’ultima utilizzi un metodo semplificato per la predizione degli spettri di piano, che risulta in generale non conservativa per la quantificazione della domanda sismica.

Descrizione caso studio

L’oggetto di studio del presente lavoro è rappresentativo degli edifici storici in muratura, fortemente danneggiati nel sisma del 6 aprile 2009, presenti nel territorio aquilano. In particolare, l’edificio considerato nelle analisi è la sede comunale “Palazzo Margherita”, situato al centro storico della città di L’Aquila. Il palazzo è di forma rettangolare in pianta con dimensioni di circa 40x60m (Figura 2) ed è caratterizzato dalla presenza di un ampio cortile interno. L’ingresso principale si trova sul fronte Ovest, quello in comune con la facciata principale della torre civica (Figura 3).

L’edificio è caratterizzato da tre livelli fuori terra con interpiano di circa 5 metri, per una altezza massima dell’edificio di circa 15.7 metri misurata dalla linea di gronda.

IMMAGINE 2: Pianta del piano terra dell’edifico oggetto di studio sito a L’Aquila.

La struttura portante è a setti di muratura portante, realizzata con pietrame disordinato e inserti di laterizio (Figura 4) mentre le colonne del porticato sono in blocchi di pietra con nucleo centrale a sacco. Le strutture voltate di calpestio del primo livello sono portanti, realizzate o con elementi lapidei o di laterizio. Al secondo livello, invece, gli orizzontamenti sono in putrelle di ferro e tavelle di laterizio, pertanto le volte, in foglio, hanno un ruolo puramente decorativo.

La copertura, lignea, è di tipologia a capanna. È realizzata con possenti travi di legno lamellare, inserite in un intervento di ristrutturazione degli anni 90, ancorate, solo lungo il perimetro della corte interna, ad un cordolo in cemento armato di altezza pari a 1.0m. Come accennato sopra, a lato del Palazzo si trova la torre civica trecentesca, interamente realizzata in muratura in pietra locale, caratterizzata da una pianta rettangolare di 6,46 x 6,26 m.

Allo stato attuale dell’evento sismico, la torre era posizionata in adiacenza a Palazzo Margherita, condividendo con esso due pareti, quella a nord-est e quella a nord-ovest, dal livello del piano strada fino alla linea di gronda dell’edificio comunale posta ad un’altezza di circa 15 m da terra. L’altezza totale della torre è di circa 41 m misurati dal piano strada. La torre, cava al suo interno, presenta pareti molto possenti con uno spessore di circa 1,7 m mantenuto pressoché costante dalla base fino in sommità.

Definizione dell'azione sismica

Per quanto riguarda gli accelerogrammi naturali, le normative NTC 2018 ammettono il loro utilizzo a condizione che la loro scelta rappresenti in modo adeguato la sismicità del sito in base alle caratteristiche sismogenetiche della sorgente, alle condizioni del sito di registrazione, alla magnitudo, alla distanza dalla sorgente e alla massima accelerazione orizzontale attesa al sito.

Per questo motivo, prima di effettuare la ricerca degli accelerogrammi naturali da utilizzare nelle analisi dinamiche, è necessario individuare lo spettro elastico di riferimento con il quale garantire la compatibilità, nel campo di periodi di interesse, degli accelerogrammi naturali stessi. Per la struttura presa in esame è stata assegnata una vita nominale di 50 anni e una classe d’uso 2, con corrispondente periodo di riferimento per l’azione sismica di 50 anni. L’analisi è stata condotta nei confronti dello stato limite di collasso (SLC), con probabilità di superamento nel periodo di riferimento pari al 5%. La tipologia di terreno preso in considerazione è caratterizzata da una categoria di sottosuolo A e una categoria topografica T1.

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Articolo tratto dagli atti del XVIII Convegno ANIDIS - Ascoli Piceno 2019