Elementi strutturali “primari” e “secondari” nell’adeguamento sismico di edifici in calcestruzzo armato

La memoria ha come oggetto una metodologia progettuale finalizzata all’adeguamento sismico di un edificio esistente in calcestruzzo armato. Tale metodologia si basa sulla classificazione degli elementi strutturali in “primari” e “secondari” nei confronti delle azioni sismiche, dove i primi possiedono una capacità sismo resistente e gli altri, invece, sono trascurati ai fini della resistenza alle azioni orizzontali, secondo quanto indicato sia nell’EC8 sia nelle NTC2018. Questo approccio può risultare particolarmente vantaggioso per il progetto di miglioramento/adeguamento sismico di edifici esistenti, perché consente di focalizzare la progettazione sismica sui nuovi elementi di controvento. Qualora questi elementi abbiano una rigidezza nei confronti delle azioni orizzontali molto maggiore di quella della struttura esistente, essi possono essere classificati come primari, mentre la struttura esistente viene classificata come secondaria ed è chiamata solo a mantenere la capacità portante nei confronti dei carichi verticali durante un evento sismico. L’approccio progettuale è stato applicato ad un edificio in calcestruzzo armato facente parte del patrimonio dell’edilizia residenziale popolare fiorentina degli anni ’70.

L'approccio presentato è vantaggioso per migliorare o adeguare la risposta sismica di edifici esistenti in c.a.

La presente memoria ha come oggetto di studio l’adeguamento sismico di edifici esistenti in calcestruzzo armato attraverso l’approccio basato sulla classificazione degli elementi strutturali in “primari” e “secondari”. Tale metodologia considera i primi come gli elementi rilevanti nella valutazione della capacità sismoresistente della struttura, mentre i secondi sono trascurati ai fini della resistenza alle azioni sismiche, avendo il solo compito di sopportare i carichi verti- cali.

Questo approccio si rivela particolarmente vantaggioso per migliorare e/o adeguare la risposta sismica di edifici esistenti in calcestruzzo armato, consentendo di focalizzare la progettazione sismica sugli elementi di nuova realizzazione, classificati come “primari” e considerati come gli unici elementi preposti a conferire resistenza laterale e duttilità alla struttura. Allo stesso tempo, la struttura esistente, classificata come “secondaria”, è chiamata solo a sopportare i carichi verticali. Questo metodo, che è contemplato nelle normative internazionali e nazionali, tra cui EC8 (2005) e NTC (2018), riduce al minimo gli interventi sugli elementi strutturali esistenti, fatto salvo per quegli interventi strettamente necessari per garantire la loro capacità resistente nei confronti dei carichi verticali. Affinché questo approccio progettuale possa essere adottato, occorre che la rigidezza degli elementi secondari risulti trascurabile rispetto a quella degli elementi primari. Nel caso di una struttura esistente questa condizione è soddisfatta se essa è molto deformabile, come avviene generalmente per un edificio pluripiano intelaiato in c.a. progettato e realizzato per sopportare solo i carichi verticali e le azioni del vento.

La classificazione in elementi primari ed elementi secondari è utilizzata in questo lavoro per il progetto di adeguamento sismico di un edificio in calcestruzzo armato facente parte del patrimonio dell’edilizia residenziale popolare fiorentina risalente agli anni ’70.

Il progetto di adeguamento sismico prevede l’inserimento di nuove pareti in c.a., classificate come elementi sismoresistenti “primari”, mentre la totalità della struttura esistente è classificata come “secondaria”. Allo scopo, le nuove pareti di controvento sono dimensionate in modo da avere sia la resistenza necessaria per sopportare la totalità delle azioni sismiche sia una rigidezza laterale molto maggiore di quella della struttura esistente. Per gli elementi secondari le norme sismiche prescrivono infatti una rigidezza laterale non superiore al 15% di quella degli elementi primari.

Le nuove pareti in c.a. consentono di regolarizzare il comportamento sismico dell’edificio, portando al disaccoppiamento dei modi propri di vibrazione traslazionali nella direzione trasversale e longitudinale. La progettazione del sistema di connessione tra le nuove pareti in c.a. e la struttura esistente è condotta in conformità alla UNI-EN1992-4 (2018), mentre la fondazione di ciascuna parete è progettata su micro- pali per limitarne quasi totalmente la rotazione della sezione di base, dotando così la parete di un vincolo di incastro quasi perfetto.

La bontà dell’approccio progettuale adottato e del risultato raggiunto in termini di adeguamento sismico è ulteriormente confermata attraverso un’analisi statica non lineare (“pushover”) della struttura rinforzata, utilizzando un modello tridimensionale della struttura comprensivo delle nuove pareti e delle nuove fondazioni.

Caso studio: un edificio pluripiano in c.a. costruito negli anni '70

Il caso studio scelto per l’applicazione dell’approccio basato sulla classificazione degli elementi strutturali in “primari” e “secondari” nel progetto di adeguamento sismico di edifici esistenti è rappresentato da un edificio sito a Firenze. Si tratta di un edificio pluripiano risalente agli anni ’70 e appartenente a un complesso residenziale destinato all’edilizia popolare (Fig. 1).

A partire da una approfondita analisi storico-critica basata sulla disponibilità di una documentazione car- tacea completa, sono state identificate le principali vulnerabilità sismiche, tra le quali figurano:

• progettazione condotta esclusivamente nei confronti dei carichi gravitazionali;
• carenza di dettagli costruttivi;
• presenza di un piano pilotis;
• assenza di telai in direzione trasversale.

La geometria è stata ricostruita a partire dai documenti di progetto, previa validazione degli stessi mediante un rilievo in situ. La struttura è formata da due corpi di fabbrica, separati da un giunto trasversale (Fig. 2). Essa si compone di telai in calcestruzzo ar- mato disposti solo in direzione longitudinale e fondati su travi rovesce, che in direzione trasversale sono col- legate da cordoli in c.a. La struttura è caratterizzata dalla presenza di un piano pilotis al piano terra e an- che di una piccola porzione interrata delimitata da pareti in c.a.

Gli impalcati di piano sono realizzati con solai in latero-cemento di 24 cm di spessore (pignatte di lateri- zio di altezza 20 cm e soletta in c.a. di 4 cm di spessore), che poggiano su travi longitudinali in spessore di solaio. Grazie alla elevata rigidezza nel piano, ogni impalcato è assimilabile ad un diaframma rigido. In direzione trasversale la struttura è priva di travi di col- legamento, fatta eccezione per i cordoli trasversali posizionati ad entrambe le estremità dell’edificio nonché a ridosso del giunto trasversale sul filo 7 e in corrispondenza del filo 14 tra le unità immobiliari del blocco centrale e quelle del blocco laterale destro (Fig. 2).

La geometria presenta una progressiva rastrema- zione in altezza dei pilastri; l’altezza di interpiano è pari a 3,50 m in corrispondenza del piano interrato e del piano pilotis, mentre ai piani superiori è pari a 3,00 m (Fig. 3). L’altezza totale dell’edificio è di 27,5 m.

I dettagli costruttivi sono stati ripresi dai documenti di progetto (Fig. 4), mentre le caratteristiche mecca- niche dei materiali – acciaio e calcestruzzo - non sono state desunte dai certificati di prova originali, visto che sovente le prove in-situ su strutture intelaiate in c.a. esistenti - che nell’ambito di questo studio non è stato possibile effettuare - forniscono valori inferiori. Sono stati pertanto utilizzati i risultati provenienti da campagne di indagine condotte su edifici simili a quello oggetto di studio per tipologia costruttiva e per epoca di costruzione.

I dati sperimentali provenienti da queste indagini, dalle quali sono emerse importanti differenze tra i valori indicati nei documenti di progetto e quelli ricavati da prove distruttive su carote prelevate direttamente dagli elementi strutturali in c.a., hanno consentito di stimare un valore medio della resistenza a compressione su provini cilindrici del calcestruzzo pari a 20 N/mm₂. Questo valore è stato pertanto assunto come valore medio della resistenza cilindrica a compressione del calcestruzzo in tutte le analisi.
Nonostante la mancata realizzazione di prove in- situ, alla luce della documentazione di progetto disponibile, è stato considerato un livello di conoscenza intermedio (LC2).

Analisi strutturale

L’analisi statica allo stato limite ultimo ha consentito di identificare le criticità presenti nei vari elementi strutturali nei confronti dei carichi verticali.
Le problematiche riscontrate sono risolte attraverso il progetto di alcuni interventi locali di rinforzo. In particolare, per quanto riguarda il meccanismo a flessione delle travi è considerata la possibilità di beneficiare di una ridistribuzione dei momenti di incastro per limitare l’intervento di rinforzo a flessione esclusivamente in campata e, pertanto, in una posizione facilmente accessibile per l’esecuzione dell’intervento (Angotti et al. 2022).

Per le travi in spessore di solaio, è previsto un incremento della capacità resistente a taglio mediante l’inserimento di barre di acciaio sullo spessore dell’elemento (Pisani 2008).
Per quanto riguarda gli elementi verticali, il tasso di lavoro risulta compatibile con la resistenza a compressione media assunta per il calcestruzzo, purché si tenga conto dell’incremento di resistenza derivante dall’azione di confinamento trasversale delle staffe.

Per i pilastri sommitali, soggetti a pressoflessione, si propone un intervento di rinforzo con FRP sia in direzione verticale per incrementare la resistenza a flessione sia in direzione trasversale; in particolare la fasciatura trasversale confina il calcestruzzo, aumenta la resistenza a taglio e previene la delaminazione delle strisce verticali.

Il giunto di separazione ha un’ampiezza esigua, presumibilmente dimensionata sulla base delle varia- zioni termiche, e pertanto non sufficiente a scongiurare l’effetto di martellamento tra i due corpi di fabbrica in caso di sisma. L’intervento proposto per scongiurare il martellamento in caso di sisma consiste nell’inserimento di un collare metallico reso solidale, previa unione meccanica, solo ai pilastri di uno dei due corpi di fabbrica, con interposta una fascia di gomma per consentire gli spostamenti relativi indotti da carichi di lunga durata, quali quelli associati alle variazioni termiche, e fungere da collegamento rigido nei confronti delle azioni impulsive quali quelle sismiche.

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