Sismica | Calcestruzzo Armato | Progettazione | Rinforzi Strutturali | AMV SRL
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Ampliamento e adeguamento sismico della Scuola Primaria Gianni Rodari e della Scuola Tommaso Neri del comune di Tivoli

Descrizione di un caso studio riguardante l’ampliamento e l’adeguamento sismico di edifici scolastici realizzati attraverso l’analisi dello stato di fatto ed una progettazione che mira all’adeguamento sismico secondo quanto previsto dalle NTC 2018, dalla circolare Applicativa del 2019 e dall’avviso MIUR del marzo 2018.

Ampliamento e adeguamento sismico di due scuole a Tivoli

Il caso studio proposto per la valutazione di un edificio esistente in c.a. riguarda l’ampliamento e l’adeguamento sismico delle scuole Rodari e Neri nel comune di Tivoli, realizzato attraverso l’analisi dello stato di fatto ed una progettazione che mira all’adeguamento sismico secondo quanto previsto dalle NTC 2018, dalla circolare Applicativa del 2019 e dall’avviso MIUR del marzo 2018.

Figura 1: Modellazione strutturale a elementi finiti dell’insieme delle unità strutturali. I profili tratteggiati sono quelli oggetto del rinforzo strutturale.
Figura 1: Modellazione strutturale a elementi finiti dell’insieme delle unità strutturali. I profili tratteggiati sono quelli oggetto del rinforzo strutturale.
Figura 2: ubicazione dei fabbricati (foto tratta da Google Earth).
Figura 2: ubicazione dei fabbricati (foto tratta da Google Earth).


Il fabbricato scolastico è stato realizzato a cavallo degli anni ’75/’85 del secolo scorso. È stata reperita la documentazione relativa alle indagini diagnostiche (appositamente commissionate) e la documentazione strutturale parziale relativa al progetto di costruzione. Il materiale, insieme all’esecuzione di numerosi sopralluoghi e di specifiche indagini strutturali, ha consentito di effettuare la modellazione dello stato di fatto e l’individuazione delle caratteristiche di resistenza per i materiali utilizzati con buona dose di sicurezza. Specifiche prove di carico sono state realizzate anche sui solai dell’edifico scolastico, ed hanno dato esito positivo.

Figura 3: Modellazione strutturale a elementi finiti dell’insieme delle unità strutturali.
Figura 3: Modellazione strutturale a elementi finiti dell’insieme delle unità strutturali.


Nel fabbricato si individuano n°3 unità strutturali: le prime due sono state progettate nel 1979 e realizzate nel 1981, la terza progettata nel 1981 e costruita nel 1982. Le prime due unità strutturali vennero realizzate separate da un giunto tecnico (ancora esistente), mentre la terza, costruita successivamente, venne collegata, in corso di realizzazione, alle precedenti in alcuni elementi strutturali.

Per tale ragione il calcolo è stato effettuato suddividendo la struttura in due parti indipendenti: ciò ha comportato la necessità di una verifica al martellamento tra elementi strutturali adiacenti delle due strutture.

L’immobile, dalla pianta piuttosto articolata, si sviluppa su un solaio a piano terra rialzato, un solaio a piano sottotetto e una serie di coperture piane, a falda unica, a doppia falda e a padiglione. Il fabbricato è caratterizzato da una struttura portante a telai piani in calcestruzzo armato. Gli orizzontamenti e le strutture supportanti le coperture sono costituiti da solai in laterocemento. Le fondazioni sono di tipo superficiale costituite da plinti isolati in calcestruzzo armato.

Nella seconda unità strutturale è presente un corpo palestra, con elementi perimetrali irrigidenti (travi di bordo) posizionate a circa metà altezza del telaio.

Da quanto rilevato e dalla documentazione reperita, il fabbricato non è stato oggetto di rilevanti interventi di trasformazione, di ridistribuzione degli spazi e di manutenzione straordinaria.


Caratteristiche geotecniche

Da quanto verificato nei sopralluoghi effettuati e da quanto riportato nella “Relazione geologica”, relativamente alla valutazione della sicurezza della costruzione, non sussistono condizioni che possano dare luogo a fenomeni di instabilità globale.

Inoltre si è appurata l’inesistenza di importanti dissesti attribuibili a cedimenti delle fondazioni o dissesti della stessa natura si siano prodotti nel passato, oltre che l’improbabilità di fenomeni di ribaltamento e/o scorrimento della costruzione per effetto: di condizioni morfologiche sfavorevoli, di modificazioni apportate al profilo del terreno in prossimità delle fondazioni o delle azioni sismiche di progetto. Sono inoltre assenti possibili fenomeni di liquefazione del terreno di fondazione dovuti alle azioni sismiche di progetto: quindi non si è ritenuto necessario effettuare una specifica verifica del sistema di fondazioni.


Rilievo del quadro fessurativo e/o di degrado

Nel corso delle indagini conoscitive svolte sul fabbricato, è stata effettuata una accurata verifica sulla presenza di lesioni, cedimenti o aspetti riconducibili ad anomalie di natura strutturale. Non si sono riscontrate particolari problematiche per la parte di struttura fuori terra.

Per quanto riguarda i pilastri di collegamento tra le fondazioni e il primo impalcato e le travi del primo impalcato, il calcestruzzo in molti degli elementi appare degradato con perdita dello spessore del copriferro e ossidazione delle armature: tutti i pilastri di collegamento interessati ai fenomeni di degrado saranno protetti da incamiciatura di calcestruzzo fibrorinforzato e relativa armatura.


Descrizione delle vulnerabilità non quantificabili e principali criticità rilevate

La presenta di telai piani non sismo-resistenti, individuata in sede di esame della documentazione strutturale reperita e confermata durante i sopralluoghi condotti in sito, e il calcolo effettuato come “zona non sismica”, ha comportato vulnerabilità e criticità legate al sottodimensionamento delle sezioni resistenti e della armatura in molti elementi strutturali, alla mancanza di armatura di taglio nei nodi e alla mancanza di sistemi antiribaltamento delle tamponature ai telai portanti. Tali vulnerabilità verranno eliminate attraverso gli interventi descritti nel seguito della relazione.


Livelli di conoscenza utilizzati nelle analisi statiche e dinamiche

La valutazione della sicurezza e il progetto degli interventi per gli edifici esistenti sono affetti da un grado di incertezza diverso da quello degli edifici di nuova progettazione. Ciò comporta la necessità di utilizzo di adeguati fattori di confidenza nelle verifiche di sicurezza e nei metodi di analisi, dipendenti dalla completezza e dall’affidabilità delle informazioni disponibili.

Le informazioni iniziali sulla costruzione erano le seguenti: tre impalcati presenti (piano terra rialzato, sottotetto e copertura), epoca di progettazione e di costruzione fine anni ’70/inizio anni ’80, nessuna classificazione sismica all’epoca della costruzione, documentazione incompleta degli elaborati strutturali, assenza di certificati di prova sui materiali e collaudo strutturale. L’obiettivo da raggiungere è stato prefissato in un adeguamento sismico.


Rilievo e caratterizzazione meccanica dei materiali

Durante i sopralluoghi si è effettuato (dove è stato possibile) un rilievo geometrico strutturale, un rilievo con estese verifiche in situ e, considerando la incompletezza della documentazione strutturale reperita, si è svolto un progetto simulato.

Sono state effettuate estese prove in situ per la caratterizzazione materiali (distanziometri laser, prove sclerometriche, pacometriche, ultrasuoni e prove durometriche), assieme a prelievi di campioni di calcestruzzo (carote), di armature, prove di compressione e trazione in laboratorio, che hanno consentito di raggiungere un livello di conoscenza “adeguata” LC2, a cui far corrispondere un fattore di confidenza pari a 1.2, inserito tra i dati delle “verifiche numeriche”.


Criteri per la valutazione della sicurezza sismica

Stati limite ed indicatori di rischio sismico

Per quanto riguarda la modellazione della costruzione si sono adottati differenti modelli a seconda degli stati limite e delle membrature considerati. Le analisi di vulnerabilità sismica presentano i livelli di accelerazione sismica che attivano i diversi stati limite per le diverse componenti analizzate e individuano le principali fonti di criticità nei confronti del comportamento sismico della costruzione in esame, oltre che ad individuare le soglie di accelerazione che globalmente attivano i diversi stati limite per i vari corpi del complesso analizzato.

La valutazione della sicurezza alle azioni sismiche e le relative verifiche sono fornite in termini di accelerazione al suolo e di periodo di ritorno in grado di attivare un dato meccanismo di danneggiamento/collasso.

L’obiettivo delle verifiche è la definizione di differenti livelli di accelerazione al suolo, corrispondenti allo SLO, SLD, SLV e dei loro rapporti con le accelerazioni attese al suolo con la probabilità di accadimento dell’81% (SLO), del 63% (SLD) e del 10% (SLV) nel periodo di riferimento. 

Con le NTC 2018, per la combinazione sismica delle azioni, il valore ζE (rapporto tra azione sismica massima sopportabile dalla struttura e azione sismica massima che si utilizzerebbe nel progetto di una nuova costruzione) per le costruzioni di classe III ad uso scolastico, a seguito degli interventi di miglioramento, deve essere comunque non minore di 0,60 (p.to 8.4.2 NTC 2018), mentre per interventi di adeguamento, come quello del presente progetto, può essere limitata a ζE = 0,80.

La valutazione della sicurezza è stata eseguita con riferimento allo Stato Limite Ultimo (in particolare alla condizione di salvaguardia della vita umana (SLV), allo Stato Limite di Danno (SLD) a allo stato limite di operatività (SLO). Per quest’ultimi due, in mancanza di più specifiche valutazioni sono stati utilizzati i valori limite di spostamento di interpiano validi per gli edifici nuovi.

>> Per scoprire gli strumenti necessari per le valutazioni di sicurezza e resistenza sismica degli edifici esistenti in c. armato in ottica di attuare interventi efficienti di rinforzo strutturale. MasterSap per le valutazioni sismiche degli edifici esistenti


I modelli per la valutazione della sicurezza

I modelli di calcolo utilizzati per il presente studio, sviluppati a diversi livelli di dettaglio, sono stati realizzati con il software ad elementi MasterSap di AMV. A valle del rilievo e della campagna di indagini effettuati, si deciso di adottare per le analisi FEM una analisi statica non lineare (pushover).

In mancanza di specifiche informazioni su una parte degli elementi strutturali in cemento armato, si è ritenuto opportuno fare riferimento ad un progetto simulato, necessario in mancanza dei disegni costruttivi originali, a definire la quantità e la disposizione dell’armatura in tutti gli elementi con funzione strutturale o le caratteristiche dei collegamenti.

Il risultato è stato in qualche convalidato dall’adeguato livello di conoscenza raggiunto in virtù delle estese prove sulla struttura.

Si è quindi partiti dalle ipotesi di progettazione strutturale facendo riferimento alle consuetudini costruttive del periodo di realizzazione (anni ‘70/’80 dello scorso secolo), adottando un calcolo alle tensioni ammissibili. Per le travi, inoltre, si è adottata una modellazione a trave continua, un progetto a semplice armatura, disposta longitudinalmente con un minimo di 2 reggi staffe, tipicamente F14. I pilastri sono stati progettati a solo sforzo assiale centrato.

Per il calcestruzzo, la campagna di prove ha indicato il valore della resistenza media pari a fcm = 257.86 kg/cmq, essendo Rcm = 257.86/0.83 = 311 kg/cmq.

Per l’acciaio la resistenza media è stata assunta pari a fym = (4965 + 4882) /2 = 4281 kg/cmq.

Nelle verifiche effettuate, a favore di sicurezza, si è fatto riferimento quindi alla seguente coppia di valori:
Rcm = 311 kg/cmq e fym = 4280 kg/cmq
.


Pericolosità sismica e spettri di riferimento

Il territorio di Tivoli è collocato in zona sismica 2.

L'edificio, ad uso scolastico, viene classificato come costruzione di tipo 2 e di classe III (secondo quanto specificato nel DM 17.01.2018 paragrafo 2.4.2), con un periodo di riferimento per l’azione sismica (DM 17.01.2018 paragrafo 2.4.3) pari a 𝑽𝑹 = 𝑽𝑵 ⋅ 𝑪𝑼 = 𝟕𝟓 anni.

La pericolosità sismica del sito definisce le azioni sismiche sulla base delle quali effettuare la progettazione; i parametri sismici legati alla zona di costruzione sono sotto riportati:

 

Figura 4: parametri sismici.
Figura 4: parametri sismici.


Nell’input di calcolo sono stati utilizzati i risultati della risposta sismica locale e quindi gli spettri di risposta elastici (SLE) per gli stati limite SLV-SLD-SLO, riportati nella “Relazione geologica”.

Più precisamente, nel software di calcolo strutturale, sono stati inseriti i valori rielaborati come Spettri di risposta medi calcolati per il sito per le curve relative a SLV, SLD e SLO. A fianco ad ogni spettro di risposta sismica locale è riportato, come richiesto nell’allegato C del R.R. del Lazio del 26.10.2020 n°26, lo spettro omologo previsto dalla normativa. Riportiamo ad esempio i confronti fra gli spetti SLV.

 

Figura 5: spettri SLV.
Figura 5: spettri SLV.

CONTINUA LA LETTURA NEL PDF

All'interno del pdf si parla di:

- Criteri di concezione e di schematizzazione strutturale, modellazione del terreno, proprietà
dei materiali, efficacia del modello 
- Verifica statica lineare non sismica, calcolo delle sollecitazioni e verifiche di sicurezza - Stato
di fatto
- Considerazioni sulle verifiche statiche non sismiche
- Verifica sismica statica non lineare, calcolo degli indici di resistenza – Stato di fatto
- Indicatori di rischio sismico
- Vulnerabilità sismica relativa agli elementi non strutturali
- Verifica sismica nello stato di progetto
- Caratteristiche dei materiali utilizzati per i rinforzi
- Calcolo del giunto sismico

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