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Caratterizzazione sperimentale e numerica di un sistema ad esoscheletro in c.a. per il retrofit integrato e sostenibile del costruito esistente

L’articolo presenta un innovativo sistema di retrofit sismico del costruito esistente basato sull’utilizzo di un esoscheletro sostenibile in c.a. In particolare, si illustrano i criteri di modellazione, le assunzioni alla base del modello numerico e si presentano i risultati ottenuti in termini di comportamento globale del sistema.

L’articolo presenta un innovativo sistema di retrofit sismico del costruito esistente basato sull’utilizzo di un esoscheletro sostenibile in c.a. Dopo una preliminare descrizione del sistema con riferimento sia all’integrazione degli aspetti di miglioramento sismico ed efficientamento energetico che alla limitazione dell’invasività dell’intervento e dell’interruzione d’uso del fabbricato esistente, si riportano i risultati di alcune analisi preliminari, eseguite in ambiente OpenSees, utilizzate per la progettazione delle prove di caratterizzazione ciclica del sistema. In particolare, si illustrano i criteri di modellazione, le assunzioni alla base del modello numerico e si presentano i risultati ottenuti in termini di comportamento globale del sistema. Inoltre il lavoro descrive ed analizza i principali risultati ottenuti dalle prove sperimentali di caratterizzazione ciclica del sistema condotte su prototipi in scala reale rappresentativi della tecnologia ad esoscheletro proposta.


Miglioramento sismico di edifici: il retrofit risulta più sostenibile ed economico rispetto ad un intervento di ricostruzione o demolizione

Negli ultimi anni il retrofit integrato del costruito esistente è diventato un aspetto chiave delle politiche economiche, sociali ed ambientali sia a livello nazionale che europeo (Margani et al. 2020). Numerosi studi e ricerche evidenziano che gli edifici costruiti prima del 1990, ovvero prima dell’entrata in vigore delle normative sul contenimento dei consumi energetici dei fabbricati, sono responsabili per il 40% del consumo energetico complessivo e per circa il 36% dell’emissioni di gas serra (Sajn et al. 2016; Landolfo et al. 2011; La Greca & Margani 2018). In aggiunta agli aspetti di tipo energetico, deve essere considerata anche la vulnerabilità sismica del patrimonio costruito dal momento che quasi il 50% del territorio europeo è a rischio sismico (Margani et al. 2020).

A livello nazionale, stime indicano che l’86% degli edifici sono stati costruiti prima dell’entrata in vigore della legge 10/1991 relativa alla riduzione dei consumi energetici dei fabbricati e il 50% degli edifici esistenti sono caratterizzati da una elevata vulnerabilità sismica, essendo stati costruiti prima dell’entrata in vigore delle normative antisismiche (Zanini et al. 2019). Tali deficienze energetiche e l’elevata vulnerabilità sismica sono inoltre spesso associate ad un generale stato di degrado del costruito esistente, con oltre il 35% dei fabbricati con più di 50 anni di vita. Dal punto di vista strutturale questo significa che oltre un terzo del costruito esistente ha raggiunto la sua vita nominale mostrando carenze sia per le azioni verticali che orizzontali (Belleri & Marini 2016).

Ci sono due principali possibili soluzioni per rimediare alle deficienze energetiche e mitigare la vulnerabilità sismica del costruito esistente: il retrofit integrato o la demolizione/ricostruzione. Tipicamente il retrofit integrato risulta maggiormente sostenibile ed economico, mentre si attuano interventi di demolizione e ricostruzione solamente se gli interventi di retrofit non sono tecnicamente applicabili o economicamente convenienti (Alba-Rodríguez et al. 2017).

Negli ultimi decenni sono state sviluppate varie tecniche di intervento sia per l’ efficientamento energetico che per il miglioramento sismico degli edifici esistenti che però provvedono alle due istanze, energetica e sismica, in maniera disaccoppiata con conseguente aumento dei costi e dell’invasività dell’intervento. Per ovviare a tale problematica, recentemente sono stati sviluppati e studiati sistemi innovativi per il retrofit integrato del costruito esistente che assicurano un elevato livello di sostenibilità, limitata invasività ed economicità dell’intervento (Margani et al. 2020).
In questo contesto di tecnologie innovative e sostenibili di retrofit integrato si inserisce il sistema a bassa invasività con esoscheletro in calcestruzzo descritto e studiato nel presente lavoro.

 

Tecnologia di retrofit integrato con esoscheletro di calcestruzzo

In questa sezione, dopo una breve ricognizione delle tecnologie di retrofit disponibili sul mercato, si riporta una descrizione del sistema proposto evidenziando gli aspetti tecnologicamente più significativi.

 

Principali sistemi di riqualificazione integrata del costruito

I sistemi di riqualificazione integrata consentono di ottenere in modo combinato ed integrato la riqualificazione estetica del fabbricato, il miglioramento delle prestazioni energetiche e la riduzione della vulnerabilità sismica. In questo paragrafo si riporta una breve descrizione dei principali sistemi integrati presenti in letteratura e attualmente impiegati in edilizia.

Non si farà riferimento ai sistemi che attuano la riqualificazione in modo additivo sovrapponendo ad un preliminare intervento di retrofit sismico l’intervento di efficientamento energetico, per i quali si rimanda a quanto riportato in (Margani et al. 2020; Pozza et al. 2021; Talledo et al. 2021). I sistemi di riqualificazione integrata tipicamente vengo installati all’esterno dell’edificio, garantendo una limitata invasività dell’intervento ed evitando l’interruzione delle attività svolte all’interno del fabbricato, con velocità di esecuzione, costi limitati e sostenibilità dell’intervento. Una estesa review dei sistemi di retrofit dall’esterno è riportata in Pozza et al. (2021).

 

Descrizione del sistema integrato con esoscheletro in calcestruzzo

Il sistema ad esoscheletro in calcestruzzo studiato nell’ambito del presente lavoro consiste di un sistema modulare di elementi verticali (montanti) e orizzontali (traversi) in calcestruzzo gettato in opera entro casseri prefabbricati in EPS. La griglia di montanti e traversi in c.a. viene realizzata in aderenza alla struttura esistente e rigidamente fissata ad essa a livello di fondazione, dei solai di piano e di copertura attraverso una connessione rigida (e.g. connettori per calcestruzzo o ancoraggi chimici).

Gli elementi modulari prefabbricati in EPS presentano una conformazione del tipo grecato della superfice esterna su cui viene pre-installata una rete metallica, collegata alla struttura di rinforzo in c.a. con connettori, che consente la realizzazione di un intonaco armato che può fornire un contributo irrigidente oltre ad una resistenza agli urti.
La Figura 1 riporta uno schema grafico della tecnologia in esame ed evidenzia i dettagli di armatura e di fissaggio tipologici.

 

Geometria e dettagli di armature del sistema di rinforzo ad esoscheletro in c.a.
(Crediti: L. Pozza - A. Saetta - M. Savoia - D. A. Talledo)

 

Rispetto ai sistemi di rinforzo a parete continua (e.g. Pertile et al. 2018), il sistema ad esoscheletro proposto consente di gestire in maniera più efficace le aperture per porte e finestre presenti sulla facciata.
Il sistema ad esoscheletro costituisce un rinforzo per le sole azioni orizzontali agenti, mentre i carichi verticali insistono sulla struttura esistente. Il layout strutturale dell’esoscheletro prevede montanti di sezione quadrata con staffatura spiroidale posti ad interasse variabile (interspazio minimo 1200mm) e tra- versi di sezione rettangolare.

La geometria dell’esoscheletro è quindi definita in modo tale da condizionare un comportamento del tipo shear-type del sistema con localizzazione delle cerniere plastiche alle estremità dei montanti verticali. Le sezioni di montanti e traversi possono essere adattate alle specifiche esigenze di rinforzo: i pilastri hanno tipicamente un lato compreso tra 150 e 300mm mentre i traversi hanno base coerente con il lato del pilastro e altezza variabile da 300 a 450mm.

 

Campagna sperimentale

Il comportamento del sistema di rinforzo proposto in questo lavoro è stato caratterizzato sperimentalmente mediante prove di tipo ciclico su campioni di esoscheletro in scala reale condotte presso il laboratorio prove del CIRI-EC dell’Università di Bologna.
L’obiettivo delle prove sperimentali è duplice: caratterizzare sperimentalmente la risposta dell’esoscheletro costituito dai soli montanti e traversi e valutare l’effetto dell’intonaco armato esterno sulla risposta strutturale del sistema in presenza di azioni cicliche. Si riporta di seguito la descrizione dei campioni e del setup sperimentale.

 

Descrizione dei campioni oggetto di prova

Il primo campione di esoscheletro oggetto di prova (Fig. 2) è un modulo composto da tre montanti e due traversi. I montanti hanno sezione quadrata pari a 250x250mm2 mentre i traversi hanno sezione 250x400mm2.
L’interasse tra i montanti verticali è pari a 1450mm mentre l’interasse tra i traversi inferiore e superiore è pari a 3150mm, che corrisponde alla tipica altezza interpiano del costruito esistente.

 

Geometria del primo campione di esoscheletro testato
(Crediti: L. Pozza - A. Saetta - M. Savoia - D. A. Talledo)

 

Il getto è realizzato con calcestruzzo classe C28/35. Le armature dell’esoscheletro, rappresentate in dettaglio in Figura 3, sono realizzate in acciaio B450C. I montanti sono armati con 8 barre Φ18mm e staffa spiroidale 8mm con spire a passo costante pari a 50mm. I traversi sono armati con 4+4 barre Φ16 correnti e staffe Φ8 passo 75mm. Le spirali dei montanti sono continue e attraversano i nodi montante-traverso.
La Figura 3 riporta anche una foto di dettaglio dell’armatura del nodo durante le fasi di getto.

 

Dettaglio delle armature dei campioni testati.
(Crediti: L. Pozza - A. Saetta - M. Savoia - D. A. Talledo)

 

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La presente memoria è tratta da Italian Concrete Conference - Napoli, 12-15 ottobre 2022
Evento organizzato da aicap e CTE

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