Esempio di interventi di adeguamento sismico di un edificio prefabbricato in c.a.

Quest’articolo tratta dell’adeguamento strutturale antisismico di un edificio industriale, concepito per attività complementari ad una fonderia, convertito a deposito di materiale plastico ed ora riconvertito a luogo di culto, situato nel comune di Piacenza. 


Le fasi per l'individuazione degli interventi da realizzare per ridurre la vulnerabilità sismica del fabbricato esistente

La valutazione della vulnerabilità sismica inizia con un’accurata analisi storico critica del fabbricato, completata da adeguate prove sui materiali e rilievo delle potenziali criticità.

Con il software di calcolo MasterSap si è realizzato un adeguato modello numerico per la riproduzione, attraverso un progetto simulato, delle caratteristiche e delle prestazioni del fabbricato nella sua situazione originaria.

In seguito ad opportune modifiche in base alla documentazione reperita il modello è stato convertito per un suo uso secondo la normativa attualmente vigente, analizzandone il comportamento deformativo e tensionale, producendo un report sulla verifica dei meccanismi duttili e fragile, che ha documentato la buona resistenza, anche alle azioni sismiche, del fabbricato.

Si è tuttavia suggerito alla Committenza di procedere con la messa in opera di opportuni ed efficaci sistemi di connessione fra travi, pilastri, solaio e pannelli di tamponamento.

Questi sistemi di connessione sono stati oggetto di studio del progetto di adeguamento sismico che, attraverso opportune simulazioni sul modello globale e dimensionamenti di piastre metalliche solidarizzate da tasselli meccanici, hanno risolto alcune delle criticità. Infine, per garantire il collegamento fra i pilastri e le murature perimetrali di tamponamento, si sono dimensionati dei profili adeguatamente connessi e si sono verificate a ribaltamento le murature di tamponamento.

 

sistemi di connessione fra travi, e pannelli di solaio

La verifica globale del fabbricato ha inoltre messo in luce carenze fragili (a taglio) nella parte sommitale, dove il tamponamento si interrompe per lasciare spazio a delle finestrature a nastro. In questa zona, attraverso il software specifico Verifiche Rinforzi, si è verificato un sistema locale di rinforzo con calastrelli composti da angolari e piastre in acciaio. A seguito di questi interventi il fabbricato può ritenersi adeguato a resistere al probabile evento sismico statisticamente atteso per il sito in esame.

 

Descrizione generale dell’immobile

L’immobile oggetto di indagine, attualmente riconvertito a luogo di culto, è stato costruito verso la fine degli anni ’60 come ampliamento di un complesso industriale esistente. Inizialmente avrebbe dovuto essere interamente adibito ad attività complementari a quelle di fonderia, ma non appena realizzato è subito stato convertito a deposito materiale plastico.

L’immobile presenta sagoma rettangolare di dimensioni planimetriche 36x30 m circa e si sviluppa per un solo piano fuori terra raggiungendo una altezza netta interna sotto-trave di circa 760 cm; lo stesso risulta libero per 3 lati (nord, est e sud), mentre lungo il lato ovest risulta in aderenza ad un altro piccolo corpo di fabbrica di altrui proprietà.

All’intradosso delle travi principali è presente un controsoffitto direttamente appeso agli elementi di copertura. Internamente al fabbricato industriale, per meglio adattarlo alle necessità di “luogo di Culto”, è stato realizzato intorno al 2010 un soppalco rettangolare strutturalmente autonomo ed indipendente dal fabbricato originario che ne occupa un sedime di circa 18x29 m e avente piano di camminamento a circa 4 m di altezza da terra. Visto che il soppalco interno è stato progettato e realizzato pochi anni fa, coerentemente con la Normativa Urbanistico-Edilizia vigente, facendo riferimento alle più evolute Norme di progettazione sismica delle strutture ed è dotato di giunto strutturale antisismico di ampiezza 10-12 cm, che di fatto lo rende staticamente e sismicamente autonomo ed indipendente rispetto al fabbricato che lo contiene, lo stesso non verrà preso in considerazione nella presente valutazione di vulnerabilità che verrà quindi limitata al solo fabbricato industriale realizzato tra la fine degli anni ’60 e l’inizio degli anni ’70.

 

Esempio di interventi di adeguamento sismico di un edificio prefabbricato in c.a.

 

Strutturalmente il fabbricato originario, a due campate, è realizzato con elevazioni a telaio in calcestruzzo armato prefabbricato e fondazioni in calcestruzzo armato gettato in opera; sono presenti n.3 pilastrate, distanti tra loro circa 15 m a coprire la larghezza del capannone di circa 30 m. I pilastri prefabbricati, disposti con passo 6 m a coprire la profondità di 36 m, sono caratterizzati dalla sezione 40x50 cm e sostengono direttamente travi a doppia pendenza. Le travi, di base 16 cm, sono caratterizzate da una altezza minima agli appoggi di circa 60 cm e da una altezza massima in mezzeria di circa 135 cm; le travi costituiscono diretto appoggio dei pannelli prefabbricati di copertura. 

Il fabbricato è chiuso perimetralmente da muri in laterizio forato realizzati tra i pilastri. I pilastri sono dotati di mensole a sostegno di possibili vie di corsa di carroponte, che però al momento non sono presenti, né previste. Lo spessore dei pannelli di copertura è di circa 16 cm. 

Parallelamente all’orditura dei pannelli di copertura sono presenti in testa ai pilastri travature di gronda che collegano tra loro trasversalmente le travi ed i pilastri. Completa la copertura la presenza di un manto in lamiera grecata, a sostituzione di quanto originariamente rimosso, realizzato con lastre ondulate in eternit. 

Le fondazioni sono di tipo a plinto isolato munite di “bicchiere” per l’alloggiamento dei pilastri prefabbricati ed ogni altra struttura non prefabbricata di completamento dell’opera.

 

Quadro normativo di riferimento adottato

È stato svolto un “progetto simulato” con il metodo di calcolo alle tensioni ammissibili sulla base delle Leggi vigenti al momento della costruzione, mentre la verifica di vulnerabilità sismica è stata svolta con il metodo semiprobabilistico agli stati limite seguendo quanto indicato nelle Normative nazionali attualmente vigenti.

 

Analisi storico-critica

È stata eseguita un’accurata analisi storico critica del fabbricato, nonché adeguate prove sui materiali.

Durante le varie visite di sopralluogo si è potuto constatare che l’immobile appare globalmente in buone condizioni strutturali senza mostrare evidenti segni di grosse carenze o problematiche strutturali in atto; non è stato riscontrato nessuno stato fessurativo che abbia importanza dal punto di vista strutturale. Approfondendo e puntualizzando l’attenzione sulla documentazione progettuale strutturale reperita in Prefettura in combinazione con quanto visionato durante i sopralluoghi sono comunque state riscontrate alcune situazioni locali degne di attenzione e di seguito segnalate:

  • mancanza di adeguati collegamento “sismico” tra travi e pilastri e mancanza di collegamento tra pannelli di copertura e travi a sostegno di questi ultimi;
  • presenza di muri di tamponamento perimetrale in laterizio forato di spessore 45 cm circa appoggiati su cordolo in c.a. a terra, ma non adeguatamente ed efficacemente connessi ai pilastri;
  • presenza di finestrature sommitali a nastro lungo l’intero sviluppo perimetrale del fabbricato;
  • segni premonitori indicativi di possibile fenomeno di distacco del copriferro dei pilastri;
  • presenza di fabbricato in aderenza al fronte ovest dell’immobile oggetto di valutazione di altezza inferiore rispetto a quest’ultimo.

Per ciò che riguarda le fondazioni, non sono stati riscontrati o evidenziati particolari cedimenti o carenze a livello fondale.

 

Rilievo materico e caratteristiche dei materiali

Committenza e tecnico progettista hanno ritenuto accettabile procedere con un livello di conoscenza limitato LC1 relativamente alle porzioni in calcestruzzo. Sono state svolte serie di battute sclerometriche sugli elementi in c.a. (pilastri e travi) al fine di valutare l’omogeneità dei calcestruzzi presenti; in seguito, visto che il calcestruzzo in opera presentava una buona omogeneità si è quindi proceduto allo svolgimento vero e proprio delle prove sperimentali in sito (scansioni pacometriche, prove di pull-out, indagini con microdurometro sull’armatura metallica e svariate serie di battute sclerometriche).

 

Caratterizzazione morfologica e sismica e del sito

La caratterizzazione del sito sul quale è realizzata la costruzione ha permesso di ascrivere il terreno in sito alla categoria C secondo la classificazione riportata al paragrafo 3.2.2 delle NTC 2018. il sito in esame è completamente pianeggiante e quindi secondo la tabella delle NTC08 rientra in categoria T1. Essendo poi tale edificio esistente utilizzato come luogo di culto, lo stesso è ascrivibile alla classe d’uso III. Combinando tali considerazioni, il periodo di riferimento VR per l’immobile sede del Centro Culturale Islamico risulta quindi pari a 75 anni. 

Si riporta di seguito il modello agli elementi finiti utilizzato per le verifiche. 

Il calcestruzzo in opera, così come mostrato visivamente durante i sopralluoghi, evidenzia buone caratteristiche meccaniche strutturali paragonabili all’attuale calcestruzzo C32/40 e all’acciaio B450C. Si ritiene corretto adottare come valori di resistenza del calcestruzzo e dell’acciaio per la presente valutazione di vulnerabilità sismica quelli determinati a mezzo delle prove sperimentali eseguite in sito.

I valori di resistenza assunti devono essere opportunamente ridotti del fattore di confidenza corrispondente al livello di conoscenza raggiunto.

Per la struttura oggetto di studio, avendo raggiunto un livello di conoscenza limitato LC1 è possibile svolgere solamente indagini di tipo lineare: si adotta pertanto un’analisi dinamica lineare.

 

Modello numerico e metodologia di analisi

Sulle strutture costituenti l’immobile sono state svolte 2 tipologie di analisi: una analisi statica lineare secondo la Normativa vigente all’epoca di costruzione (progetto simulato) ed una analisi dinamica lineare in conformità alle Norme tecniche per le Costruzioni – D.M. 17/01/2018.

Nella progettazione simulata è necessario considerare le consuetudini e le possibilità operative del periodo; si deve in pratica riprodurre, in modo quanto più possibile fedele, la metodologia di progetto e verifica che si presume possa essere stata utilizzata per l’edificio che si sta analizzando, facendo attenzione alla Normativa vigente al tempo.

Benché si ritenga che nel periodo di progettazione e realizzazione dell’opera nessun Progettista abbia mai progettato alcuna struttura nella sua tridimensionalità con programmi ad elementi finiti, si è ritenuto adeguato allo scopo della presente trattazione svolgere tale analisi considerando un modello tridimensionale ad elementi finiti; si ipotizza comunque che la realtà progettuale dell’epoca fosse quella di progettare manualmente i singoli elementi strutturali applicando la discesa dei carichi dall’alto verso il basso e considerando le reazioni vincolari di un elemento come azioni sollecitanti per il sottostante elemento a sostegno dello stesso (discesa dei carichi). Il fine di questa modellazione non è l’ottenimento degli elaborati grafici esecutivi né tantomeno dei tabulati di verifica per una relazione di calcolo, ma è unicamente quello di pervenire ad un “presunto” dimensionamento attraverso il quale stabilire l’adeguatezza delle sezioni degli elementi ed il relativo quantitativo stimato di armatura. Una volta “appurata” l’ammissibilità delle sezioni ipotizzate e “desunta” l’ipotetica armatura presente negli elementi strutturali in c.a. si potranno confrontare tali dati con quanto realmente rilevato in opera e verificato con prove sperimentali in sito.

Verificato sul campo che il progetto simulato schematizza abbastanza fedelmente la realtà costruttiva in essere, si è proceduto ad una analisi dinamica lineare per verificare se la struttura, progettata e concepita ai soli carichi gravitazionali, sia in grado di soddisfare anche le attuali richieste di resistenza sismica, non inizialmente prese in considerazione.

Le verifiche sono state condotte ai soli SLU, come previsto nel capitolo 8.3 delle NTC 2018; non è quindi necessario procedere alle verifiche a SLD e SLO se non su specifica richiesta della committenza.

Le verifiche oggetto della presente valutazione non riguardano elementi strutturali quali pannelli di copertura, travi a doppia pendenza e travi di bordo perché, considerando lo schema statico adottato, le sollecitazioni più gravose per essi non sono quelle riferibili al sisma, ma quelli riferibili ai carichi gravitazionali. Inoltre non si procede alle verifiche statiche nei confronti delle azioni del vento, perché l’analisi è finalizzata ad accertare la rispondenza dell’edificio alle azioni sismiche (per cui non era stato concepito all’origine) e non ad individuare possibili necessità che fossero nel frattempo eventualmente intervenute per altre ragioni, come ad esempio l’aggiornamento normativo dell’azione del vento.

Non è stato considerato il carico dovuto al carroponte in quanto non è presente, nonostante la struttura sia stata progettata considerando la presenza di tale carico.

Il modello di calcolo è costituito da pilastri di sezione 40x50 cm sui quali appoggiano delle travi a doppia pendenza in semplice appoggio che sorreggono i pannelli di copertura. Le travi sono state svincolate a My ed Mz per simularne il vincolo di semplice appoggio.

A conferma di quanto reperito nel “Catalogo delle tipologie di strutture prefabbricate – Reluis/ASSOBETON”, è emerso che per la tipologia di struttura in esame si era soliti realizzare un getto di completamento superiore ai pannelli di copertura e di considerarne numericamente l’effetto benefico nei calcoli schematizzando i tegoli connessi alle travi con il vincolo di semi-incastro e non di semplice appoggio. Si è quindi ritenuto ammissibile per la struttura in esame considerare l’ipotesi di piano rigido in copertura.

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Il modello di calcolo e la verifica condotta, presuppone che siano presenti i presidi necessari ad assicurare un adeguato collegamento reciproco fra gli elementi strutturali del fabbricato.

Appurato dalla relazione geologico-geotecnica-sismica che il terreno in sito presenta ottime caratteristiche di portanza, valutato visivamente con saggi e sopralluoghi che le strutture di fondazione, benché realizzate con materiali e modalità differenti, non presentano alcun segno di criticità evidente e visto che lo scopo principale della presente valutazione di vulnerabilità sismica è appunto definire la capacità di tali strutture di resistere alle azioni sismiche, nella trattazione e nella modellazione si è scelto di trascurare le fondazioni considerando al loro posto vincoli di incastro al piede per i pilastri.

Relativamente al quadro fessurativo, considerato che per gli edifici esistenti non è obbligatoria la verifica agli SLE, coerentemente con alcune autorevoli teorie tecniche di pensiero, si è ritenuto più idoneo per il caso in esame non operare la riduzione della rigidezza flessionale proposta dal paragrafo 7.2.6 delle NTC2018; così facendo, a vantaggio di sicurezza SLU, la verifica numerica è stata condotta con periodi propri di vibrazioni minori e quindi con azioni sismiche più consistenti.

Visto che i tamponamenti perimetrali risultano realizzati con mattoni in laterizio forato non portante trasversalmente affiancati a costituire lo spessore della parete, visto che gli stessi risultano non efficacemente connessi ai pilastri e visto che sono autonomamente poggianti a terra, si ritiene che in caso di evento sismico questi ribaltino fuori piano ai primi cicli, senza avere il tempo di interferire con la rigidezza del sistema strutturale e senza interferire con il comportamento dei pilastri. Per tali ragioni si è scelto di non modellare direttamente le pareti di tamponamento e di schematizzare il fabbricato come “nuda struttura” considerando le pareti di tamponamento solamente in termini di carichi/masse parzialmente portati dai pilastri e parzialmente in diretto scarico a terra.

Qualora venga messo in opera un adeguato sistema di connessione tra i tamponamenti e i pilastri, il modello strutturale dovrà adeguatamente tenerne in considerazione o modellando direttamente le pareti di tamponamento o adottando altre affidabili metodologie presenti in bibliografia (es. bielle equivalenti, incremento azione sismica sui pilastri, etc).

L’unico vincolo che la struttura presenta con l’esterno è dato dal contatto con il terreno: le fondazioni dell’immobile sono state trascurate e al loro posto i nodi al piede dei pilastri sono stati schematizzati con il vincolo di incastro al piede.

Le connessioni trave-pilastro sono state considerate con il vincolo di cerniera.

I pannelli di solaio costituenti le falde del tetto sono stati modellati solamente come carichi portati dalle strutture principali.

Vista la tipologia realizzativa delle falde del tetto si è ritenuto possibile definire una relazione di piano rigido per tale livello del fabbricato. Si evidenzia il fatto che nei modelli utilizzati per le analisi statiche lineari ai soli carichi verticali la definizione di piano rigido non riveste un ruolo essenziale nello sviluppo delle analisi; diversamente nell’analisi dinamica lineare, dove viene presa in considerazione la risposta dell’edificio ad azioni orizzontali quale il sisma, la definizione o meno delle relazioni di piano rigido modifica sensibilmente il risultato delle analisi.

Si riporta di seguito il modello numerico ad elementi finiti utilizzato per la verifica.

 

modello numerico ad elementi finiti utilizzato per la verifica.

Le analisi numeriche sulle strutture sono state svolte modellando l’immobile con elementi finiti lineari, tipo asta, orizzontali e verticali, utilizzando il software di calcolo MasterSap di AMV srl. Le “Linee di Indirizzo per interventi locali e globali su edifici industriali mono piano non progettati con criteri antisismici” suggeriscono di assumere come coefficiente di comportamento q=1,5 non potendo fare affidamento su un comportamento duttile degli elementi strutturali; visto che i pilastri del caso in esame non sono stati armati secondo i minimi di Norma, non possono garantire un comportamento duttile che giustifichi fattori di comportamento maggiori.

...l'articolo continua.

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Appuntamento col progettista

Nel video la descrizione di tutti i passaggi per la valutazione della sicurezza sismica e la scelta degli interventi dell'edificio prefabbricato.