Adeguamento sismico di una struttura in c.a.: valutazione preliminare del comportamento degli elementi strutturali e non strutturali ai fini della stima delle perdite sismiche

La valutazione delle perdite sismiche negli edifici esistenti rappresenta oggi un tema centrale per l’ingegneria strutturale, soprattutto se letta in chiave di resilienza e sostenibilità. In questo contesto, l’integrazione tra sicurezza sismica, comportamento degli elementi non strutturali e analisi probabilistiche costituisce un passaggio fondamentale. L’articolo presenta i risultati di un caso studio su un edificio in cemento armato progettato negli anni Sessanta, analizzato nell’ambito del progetto SMART. L’obiettivo è dimostrare come interventi mirati di retrofit possano ridurre in modo significativo le perdite attese, fornendo al contempo indicazioni metodologiche utili per sviluppi futuri.

Inquadramento generale e obiettivi della ricerca

La riduzione delle perdite associate agli eventi sismici rappresenta oggi una delle principali sfide dell’ingegneria strutturale, soprattutto se considerata in parallelo con gli obiettivi di sostenibilità ambientale ed energetica. Tradizionalmente, questi due ambiti vengono affrontati separatamente: da un lato la sicurezza strutturale e sismica, dall’altro l’efficienza energetica e la resilienza ambientale.

Il lavoro presentato da Giuseppe Elettore ad ANIDIS 2025 si inserisce proprio nel tentativo di superare questa frammentazione, proponendo un approccio integrato alla valutazione delle perdite, sia strutturali che non strutturali, in un’ottica probabilistica.

La ricerca costituisce la prima fase del progetto SMART (Sustainable Mitigation and Adoption Techniques for Loss Reduction of Structures and Non-Structural Elements), che mira a sviluppare metodologie avanzate per la stima e la mitigazione delle perdite sismiche ed energetiche. In questo contesto, l’attenzione è rivolta a un edificio esistente in cemento armato, scelto come caso studio rappresentativo del patrimonio edilizio italiano realizzato prima dell’introduzione della progettazione sismica.

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Descrizione del caso studio e caratterizzazione strutturale

L’edificio analizzato è una struttura in cemento armato a cinque piani fuori terra, con pianta rettangolare di circa 20×15 m, caratterizzata da una lieve irregolarità planimetrica dovuta alla presenza del corpo scala. Progettato negli anni Sessanta, l’edificio è stato dimensionato esclusivamente per azioni verticali, in assenza di criteri di progettazione sismica. Il sistema strutturale è costituito da telai in cemento armato, solai pieni di spessore pari a 20 cm e tamponature in muratura a doppio strato con spessore complessivo di circa 30 cm.

Le indagini in situ hanno consentito di definire le proprietà meccaniche dei materiali, riconducibili a un calcestruzzo di classe assimilabile a C25/30, con resistenza a compressione variabile intorno ai 28 MPa, e a un acciaio compatibile con la tipologia AQ50. Sulla base di queste informazioni, l’edificio nello stato di fatto è stato analizzato considerando diversi scenari sismici, rappresentativi sia di siti ad alta che a bassa sismicità, e differenti configurazioni energetiche, in vista delle successive analisi integrate.

Modellazione numerica e strategie di analisi

La modellazione numerica è stata sviluppata utilizzando due software commerciali complementari. Da un lato, SeismoStruct è stato impiegato per la rappresentazione dettagliata del comportamento strutturale, modellando travi e pilastri mediante elementi a plasticità distribuita e cerniere plastiche in grado di cogliere il comportamento inelastico globale. Dall’altro lato, SAP2000 è stato utilizzato per includere esplicitamente il contributo degli elementi non strutturali, in particolare le tamponature, il cui comportamento è stato descritto mediante una backbone curve trilineare forza–spostamento, funzione del drift interpiano.

La fase di analisi è iniziata con analisi statiche non lineari di tipo pushover, condotte secondo le indicazioni delle NTC 2018. In assenza del requisito del 75% di masse partecipanti, le forze sono state applicate in modo proporzionale alle forze di piano. Le curve pushover multi-grado di libertà sono state successivamente trasformate in curve equivalenti a un grado di libertà mediante il metodo N2, ottenendo le curve di capacità bilineari necessarie per la stima delle perdite.

A partire da queste curve, è stata valutata la frequenza annua media di superamento degli stati limite e, conseguentemente, il periodo di ritorno di capacità. Le perdite sismiche sono state stimate secondo il Decreto Ministeriale n. 65 del 2018, come area sottesa alla curva che mette in relazione il costo di ricostruzione e la frequenza annua media. Questo approccio ha permesso di quantificare il valore del PAM (Perdita Annuale Media) nello stato di fatto dell’edificio.

Progettazione degli interventi di rinforzo e valutazione delle perdite

Sulla base dei risultati ottenuti, sono stati progettati interventi di miglioramento sismico mediante un incremento progressivo del parametro di sicurezza, con conseguente riduzione dell’area sottesa alla curva delle perdite. Gli scenari di danno hanno evidenziato la necessità di intervenire principalmente su travi diffuse nell’edificio e sui pilastri del corpo scala, risultati particolarmente vulnerabili.

Il rinforzo strutturale è stato realizzato mediante sistemi in FRP, utilizzati sia come rinforzo a taglio sia come confinamento dei pilastri, con l’impiego di tessuti in fibra di carbonio di diversa grammatura. L’efficacia dell’intervento è risultata evidente nella significativa riduzione del PAM, che passa dal caso as-built a quello rinforzato, mostrando un netto incremento della resilienza strutturale già con livelli intermedi di retrofit.

In parallelo alle analisi statiche non lineari, sono state condotte analisi dinamiche non lineari incrementali (IDA), selezionando trenta accelerogrammi dal database italiano e scalati per coprire l’intero intervallo di risposta, dal campo elastico a quello fortemente non lineare. Poiché la normativa non fornisce indicazioni dirette per la stima del PAM a partire da analisi dinamiche, è stato introdotto il parametro PGAC, ovvero la Peak Ground Acceleration di capacità, come grandezza di riferimento. I risultati hanno mostrato un incremento significativo della PGAC nel caso di edificio rinforzato, confermando la coerenza con le valutazioni ottenute dalle analisi pushover.

Il confronto tra analisi statiche e dinamiche ha evidenziato una buona corrispondenza dei risultati, particolarmente marcata nello stato di fatto e comunque soddisfacente anche nei casi di retrofit parziale e completo. Questo aspetto riveste un ruolo chiave per il prosieguo del progetto, poiché apre la strada all’utilizzo sistematico delle analisi dinamiche non lineari in ambito probabilistico.

Comportamento degli elementi non strutturali e strategie di mitigazione

Un’attenzione specifica è stata dedicata agli elementi non strutturali, modellati in SAP2000 attraverso la già citata curva trilineare delle tamponature. Le analisi IDA, condotte su nove livelli di intensità sismica per un sito ad alta sismicità, hanno evidenziato che nello stato di fatto, al raggiungimento dello stato limite di salvaguardia della vita, oltre il 60% dei pannelli di tamponatura supera il limite di drift del 0,66%, associato alla non riparabilità.

Per ridurre tale vulnerabilità sono state analizzate due strategie di intervento: il rinforzo delle tamponature con reti in fibra di vetro e l’introduzione di controventi dissipativi. Entrambe le soluzioni hanno prodotto un miglioramento significativo in termini di riduzione dei drift interpiano, ma i controventi dissipativi hanno mostrato le prestazioni migliori, azzerando di fatto la percentuale di pannelli che superano il limite normativo di danno.

Considerazioni conclusive e sviluppi futuri

I risultati ottenuti confermano l’elevata efficacia degli interventi di retrofit sismico nel ridurre le perdite attese. Già con un livello di rinforzo pari al 50%, il PAM si riduce drasticamente, passando da valori dell’ordine del 3,5% a circa l’1%, evidenziando il ruolo centrale del miglioramento sismico nella resilienza del costruito esistente. Parallelamente, gli interventi sugli elementi non strutturali dimostrano come sia possibile mitigare in modo sostanziale le perdite indirette e i costi di riparazione, soprattutto attraverso soluzioni dissipative.

Un ulteriore risultato di rilievo è rappresentato dalla buona coerenza tra analisi statiche e dinamiche non lineari, che contribuisce a colmare un vuoto normativo ancora presente sull’utilizzo delle analisi pushover per la stima delle perdite. Questa convergenza metodologica costituisce una base solida per le fasi successive del progetto SMART, che prevedono l’estensione delle analisi in ambito pienamente probabilistico e la loro integrazione con le valutazioni delle perdite legate al rischio energetico, in una visione unitaria della sicurezza e della sostenibilità dell’ambiente costruito.

IN SINTESI
-Analisi di un edificio in cemento armato anni ’60, progettato senza criteri sismici, come caso studio rappresentativo del patrimonio esistente.
-Utilizzo combinato di analisi statiche non lineari (pushover) e dinamiche non lineari incrementali (IDA) per la stima delle perdite.
-Progettazione di interventi di retrofit strutturale con FRP, con significativa riduzione della Perdita Annuale Media.
-Valutazione del comportamento delle tamponature e degli elementi non strutturali, con confronto tra rinforzi in fibra di vetro e controventi dissipativi.
-Conferma della buona corrispondenza tra risultati di analisi statiche e dinamiche, utile per futuri sviluppi probabilistici e integrati.

DI SEGUITO LA VIDEOREGISTRAZIONE INTEGRALE DELL'INTERVENTO DI GIUSEPPE ELETTORE.

Il testo è stato elaborato mediante la videoregistrazione della relazione, con l'uso dell'IA.