Dalla modellazione strutturale all'intervento di miglioramento sismico di un edificio scolastico degli anni '50

In questo articolo si illustra l’intervento di miglioramento strutturale di un edificio scolastico esistente, mettendo in luce le principali criticità rilevate nelle varie fasi di controllo, verifica, progettazione delle opere e loro esecuzione.

L’interesse per questo edificio risiede nel fatto che gli interventi realizzati per garantirne la sicurezza presentano particolare complessità sia nello svolgimento dell’analisi strutturale a elementi finiti dell’intero complesso, necessaria per comprenderne le debolezze, sia nell’esecuzione vera e propria degli interventi sull’edificio.

Aspetto fondamentale di questi interventi è che, pur essendo stati concepiti nel periodo di validità delle NTC2008, la loro progettazione è risultata quasi totalmente in accordo con le NTC2018.

 

Figura 1 – Edificio oggetto degli interventi

Lo stato di fatto dell'edificio scolastico sito in zona sismica

Secondo il Capitolo C8 della Circolare della normativa NTC2018, l’edificio è stato sottoposto ad un rilievo dettagliato, affiancato da una ricerca storico critica e da prove in laboratorio sui materiali in opera. Dalle indagini è emerso che l’edificio scolastico, sito in Piemonte, nella cittadina premontana di Oulx, in zona sismica 3, risulta essere una tipica costruzione di inizio anni cinquanta. Come tipico in quell’epoca, antecedente alla pubblicazione delle prime normative antisismiche nel 1984, presenta alcune caratteristiche che risultano problematiche se viste a 70 anni di distanza, in un’ottica di progettazione antisismica. 

L’edificio si compone apparentemente di tre corpi di fabbrica, uno centrale più alto, che costituisce il blocco originario, e due laterali più bassi aggiunti immediatamente dopo la costruzione del primo. Il corpo di fabbrica originario è organizzato su tre piani fuori terra e un piano seminterrato, ed è la sede della maggior parte delle aule. I due corpi di fabbrica laterali, geograficamente collocati a Nord (corpo a sinistra in figura) e a Sud (corpo a destra in figura) sono adibiti invece rispettivamente a palestra e a servizi dell’edificio scolastico.

 

Figura 2 – Pianta con indicazione della collocazione del giunto (rosso)

Per quanto il corpo originario, presentando pianta con forma a “C”, suggerisca una ricerca di simmetria, si può notare come i due corpi Nord e Sud rendano nel complesso la struttura irregolare in pianta. Inoltre, le differenti altezze dei tre corpi di fabbrica rendono l’edificio irregolare anche in altezza. Andando più a fondo nello studio della struttura ci si accorge della presenza di un giunto in zona fortemente eccentrica, che separa in due entità distinte il corpo originario, contribuendo in modo sensibile all’irregolarità. Assieme alla posizione, l’esigua larghezza del giunto permette di capire che la sua funzione sia tutt’altro che anti sismica e che si tratti in realtà di un giunto di dilatazione.

Dal punto di vista strutturale, il corpo di fabbrica centrale risulta costituito da muri perimetrali portanti variamente realizzati e da una struttura intelaiata interna in calcestruzzo armato e solai in latero cemento. La presenza di queste due tipologie strutturali all’interno dello stesso edificio mette in luce un’altra problematica di non facile soluzione: la compresenza di materiali diversi che interagiscono nella struttura allo stato di fatto. I materiali variano, inoltre, nel contesto della stessa tipologia strutturale: infatti i muri portanti perimetrali del corpo centrale sono realizzati in C.A. al piano seminterrato, diventano muri in mattoni di pietra a spacco al primo e secondo piano fuori terra, e di mattoni semipieni al terzo. La palestra, invece, presenta pareti perimetrali portanti in calcestruzzo armato rivestito con pietre fino all’altezza delle finestre e, diventando poi muratura di mattoni a partire dai maschi murari che salgono tra le finestre stesse fino al sostegno della copertura in tegole, sorretto da capriate in legno.

Nonostante la grande quantità di saggi e di materiale raccolto, le indagini svolte in sito e le prove sui campioni dei vari materiali, si è pervenuti ad un livello di conoscenza LC1, a cui corrisponde un fattore di confidenza fc pari a 1.35 come da riferimento paragrafo C8.5.4 “LIVELLI DI CONOSCENZA E FATTORI DI CONFIDENZA” della circolare delle NTC2018. Questa classificazione risulta tuttavia ragionevole, vista l’estensione dell’edificio e le complessità che fin da subito emergono nell’interpretazione del comportamento strutturale sotto sisma.

Modellazione strutturale a elementi finiti per comprendere il comportamento sismico dell'edificio

Alla luce di queste evidenze è stato realizzato il modello a elementi finiti dell’edificio scolastico, per determinare in modo quantitativo l’entità delle problematiche strutturali e far apparire le criticità che potrebbero non essere evidenti ad un semplice sopralluogo.

Per realizzare la struttura virtuale e svolgere le analisi è stato utilizzato il software Dolmen di CDM Dolmen, tenendo conto delle informazioni raccolte ai passi precedenti. Infatti la presenza del giunto lungo tutta l’altezza del corpo di fabbrica originale comporta una divisione in due parti dell’edificio ed implica per queste un comportamento completamente indipendente. A fronte di questo fatto sono stati realizzati due modelli: uno per il “lotto Nord”, costituito dalla parte a sinistra del giunto, cioè due terzi del corpo centrale e la palestra, e uno per il “lotto Sud”, costituito dal resto dell’edificio.

 

Figura 3 – Modello del lotto Lato Nord (sinistra) e del lotto Lato Sud (destra)

L’analisi, dovendo tenere conto dei differenti materiali riportati in tabella, con un comportamento meccanico molto differente, è stata eseguita considerando la struttura non dissipativa. Questa scelta, comporta procedure e verifiche pressoché analoghe sia nelle NTC2008, sia con le NTC 2018. Inoltre vista la complessità della situazione e tutte le incertezze che sono state messe in luce, si è deciso di utilizzare alcune ipotesi semplificative, ma a favore di sicurezza.

Come meccanismi di calcolo si è scelto di tenere conto in maniera esplicita della plasticità della sola muratura, dando per scontato che il calcestruzzo armato e l’acciaio mantenessero un comportamento indefinitamente elastico. Ovviamente questa ipotesi è stata in seguito verificata a valle delle analisi sul modello, verificando che le deformazioni nell’acciaio e nel calcestruzzo rimanessero al di sotto del limite elastico.

Sulla base di questa decisione è stata effettuata l’analisi dinamica sulla struttura. 

I risultati hanno evidenziato l’effettiva problematicità creata dal giunto di dilatazione in quanto la sua larghezza non era sufficiente a evitare che gli spostamenti reciproci tra i due lotti potessero indurre il martellamento tra le due entità dell’edificio in caso di sisma. Inoltre gli elementi strutturali che costituivano il giunto, che era stato realizzato in accostamento, si sono dimostrati non idonei a garantire un corretto comportamento scatolare dei due lotti, requisito che è di fondamentale importanza per le strutture in zona sismica.

Le problematiche tuttavia non si esauriscono qui, infatti, sebbene entrambi i lotti mostrassero un buon comportamento sismico nella direzione longitudinale (parallela al lato lungo), lo stesso non si può dire per la direzione trasversale (parallela al lato corto). Questa differenza è dovuta alla maggiore rigidezza dei muri perimetrali rispetto agli altri elementi strutturali. L’effetto della rigidezza è massimo nella direzione dei lati lunghi, ove i muri perimetrali si sviluppano prevalentemente, mentre si riduce drasticamente nella direzione perpendicolare, per via della presenza del giunto e della minore estensione dei muri trasversali.

Infatti grazie alle analisi si è stato possibile determinare l’indice di vulnerabilità, che ricordiamo essere, dalla Circolare NTC2018 paragrafo C8.3:

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Indice di vulnerabilità sismica

ς_E, definito come il rapporto tra l’azione sismica massima sopportabile della struttura e l’azione sismica massima che si utilizzerebbe nel progetto di una nuova costruzione sul medesimo suolo e con le medesime caratteristiche (periodo proprio, fattore di comportamento ecc.). Il parametro di confronto dell’azione sismica da adottare per la definizione di è, salvo casi particolari, l’accelerazione al suolo a_gS.

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I valori risultano abbastanza simili per entrambi i lotti e evidenziano l’effettiva necessità di un intervento di miglioramento, essendo  pari a 0.2 nel lotto Nord e 0.3 nel lotto Sud.

Il modello in Dolmen ha inoltre evidenziato le possibili problematiche legate agli eccessivi spostamenti verticali di alcuni solai in latero-cemento, corrispondenti a quelli di luce maggiore, agli Stati Limite di Esercizio.

Il progetto degli interventi di miglioramento sismico dell'edificio scolastico

Alla luce di queste problematiche sono stati progettati interventi con un impatto importante sulla struttura originaria.

Per risolvere le problematiche legate al giunto erano percorribili due strade:

1. eseguire un allargamento del giunto esistente in modo da evitare il martellamento tra i due lotti;
2. collegare le due strutture mediante un’operazione di “solidarizzazione”, ad esempio utilizzando “shock transmitter”.

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