Evoluzione del rischio sismico di un edificio prefabbricato monopiano al variare degli interventi di rinforzo

Gli edifici prefabbricati ad uso industriale costruiti in Italia dal dopoguerra agli anni '80 sono stati penalizzati dalla tardiva classificazione sismica del territorio. Oggigiorno, molti di questi edifici si trovano in zone con rischio sismico medio-alto, pertanto richiedono interventi di adeguamento sismico per migliorare la loro sicurezza. Questo articolo analizza l'evoluzione del rischio sismico di un edificio prefabbricato di riferimento, con particolare attenzione al contributo del rinforzo delle connessioni del sistema di copertura al rischio sismico globale. Si considerano tre stati della struttura: lo stato di fatto, la struttura rinforzata localmente e la struttura completamente rinforzata. L'efficacia degli interventi di rinforzo è valutata confrontando le prestazioni della struttura, mediante analisi dinamiche non lineari, in termini di rapporto domanda/capacità associato a ciascuna vulnerabilità dell'edificio.

La grande vulnerabilità degli edifici prefabbricati è dovuta a connessioni non idonee tra elementi strutturali e non strutturali

Le strutture prefabbricate in calcestruzzo armato sono state un motore chiave dello sviluppo economico e sociale in Europa sin dalla Seconda Guerra Mondiale. Tale tipologia strutturale è stata utilizzata nella costruzione di una vasta gamma di edifici, tra cui scuole, ospedali, uffici e edifici industriali. Una parte significativa del patrimonio degli edifici industriali, a struttura prefabbricata, esistenti in Italia è classificata ad alto rischio sismico, sia per l'evoluzione della normativa sismica sia per la migliore conoscenza della pericolosità sismica del territorio [Belleri et al. 2016, Dal Lago et al. 2018, Palanci et al. 2017, Torquati et al. 2018, Bosio et al. 2020].

L'analisi approfondita della letteratura e dei recenti terremoti avvenuti in Italia rivela che le principali vulnerabilità degli edifici prefabbricati in calcestruzzo armato sono legate alla presenza di connessioni non idonee tra elementi strutturali e tra questi ultimi e quelli non strutturali [Magliulo 2014, Bournas et al. 2014, Belleri et al. 2015a,b, Ercolino et al. 2016, Minghini et al. 2016, Belleri 2017, Nastri et al. 2017, Palanci et al. 2017, Belleri et al. 2018]. Nume- rosi lavori di ricerca precedenti riguardo la valuta- zione del rischio sismico associato agli edifici industriali prefabbricati esistenti [Labò et al. 2022, Iervolino et al. 2019, Angiolilli et al. 2022, Bosio et al. 2022, Bosio et al. 2023] hanno sottolineato quanto precede confermando la necessità di implementare degli interventi di miglioramento sismico per la messa in sicurezza di tali edifici, la protezione delle attività industriali e la vita dei lavoratori.

Le attuali norme tecniche per le costruzioni [NTC 2018] suddividono i possibili interventi di rinforzo in tre principali macrocategorie: interventi locali, interventi di miglioramento e interventi di adeguamento. Le stesse norme specificano che in caso di un intervento locale, la valutazione della sicurezza strutturale può riguardare solo le parti (o gli elementi) interessati dall'intervento; documentando le carenze strutturali e assicurandosi che il comportamento strutturale degli altri elementi strutturali e/o non strutturali non sia stato significativamente modificato rispetto alla con- figurazione pre-intervento.

Al contrario gli interventi di miglioramento e di adeguamento devono sempre riguardare la valutazione dell'intero edificio.
Nell'ambito degli edifici prefabbricati, è frequente che il miglioramento sismico avvenga attraverso una serie di interventi indipendenti spesso eseguiti in tempi diversi. In questo caso, potrebbe essere interessante indagare l'impatto di tali interventi sul rischio sismico dell’intero edificio. Inoltre, pensando agli edifici ad uso industriale, c’è la tendenza di preferire gli interventi di rinforzo locale, meno invasivi, rispetto a interventi globali.

Questa scelta è guidata dalla volontà di evitare le potenziali perdite economiche derivanti dalla temporanea interruzione delle attività industriali.
Il presente lavoro si pone l'obiettivo di fornire alcune considerazioni sull'evoluzione del rischio sismico de- gli edifici esistenti con struttura prefabbricata in calcestruzzo armato in relazione ai tradizionali interventi di miglioramento sismico.

A tal fine, è stato selezionato un edificio industriale di riferimento sito a L'Aquila. Dopo aver valutato il livello di sicurezza dei principali elementi strutturali e delle connessioni viene proposta una strategia di adeguamento in due livelli. Il primo livello riguarda l'inserimento di elementi di collegamento aggiuntivi in corrispondenza delle connessioni (pannello-pilastro, pannello-trave, tegolo-trave) mentre il secondo livello aggiunge ai precedenti interventi il rinforzo dei pilastri. Attraverso una serie di analisi statiche e dinamiche non lineari si è cercato di valutare l’efficacia degli interventi.

 L'edificio di riferimento (Figura 1 e Figura 2) è un capannone industriale monopiano con dettagli strutturali che rispecchiano i criteri di progettazione antisismica nella seconda metà degli anni '80. Tale edificio è stato impiegato in precedenti lavori di ricerca [Bosio et al. 2023; Eteme Minkada et al. 2023] in cui viene fornita una descrizione estesa rispetto a quanto riportato di seguito.

Descrizione dell’edificio di riferimento

L'edificio presenta una pianta rettangolare (42m x 20m) con un'altezza libera sotto trave di circa 7m. Lungo il lato longitudinale, la chiusura verso l’esterno è realizzata mediante pannelli prefabbricati in calcestruzzo armato posti orizzontalmente su tre li- velli, con finestre a nastro disposte nella porzione più elevata della struttura. Nella direzione trasversale, la chiusura viene effettuata mediante pannelli verticali ancorati a terra nell’estremità inferiore e alla trave nell’estremità superiore. I pannelli di rivestimento sono collegati agli elementi strutturali principali attraverso connessioni meccaniche [Bosio et al. 2023, Eteme Minkada et al. 2023].

La struttura portante verticale è composta da 16 pilastri prefabbricati. Una trave a doppia pendenza di luce 20m poggia in testa a ogni coppia di pilastri realizzando un vincolo trave-pilastro a semplice attrito. Inoltre, la trave viene inserita all’interno di forcelle che rappresentano l’unico vincolo nel fuori piano. L’orditura secondaria del sistema di copertura è costituita da tegoli prefabbricati, a sezione pi-greco di larghezza di 2.5m, collegati alle travi tramite elementi meccanici (spinotto Φ10 classe 4.6). I pilastri hanno una sezione quadrata di 50cm x 50cm.

L’armatura longitudinale del pilastro è costituita da 12 barre Φ14 fino ad un'altezza di 3m dalla base e 8 barre Φ14 per il resto dell’altezza del pilastro. L'armatura trasversale è costituita da barre di diametro 8mm disposte ogni 200mm. Gli elementi strutturali prefabbricati sono realizzati con un calcestruzzo di classe C45/55 e un acciaio di tipo Feb38k.

Livello di sicurezza allo stato di fatto

Il livello di sicurezza effettivo dell'edificio di riferimento allo stato di fatto è stato valutato in un prece- dente lavoro di ricerca [Eteme Minkada et al. 2023]. La quantificazione del livello di sicurezza (ζE) ha riguardato il calcolo di un coefficiente di sicurezza, analogamente a NTC18, come rapporto tra la capacità allo stato di fatto e la domanda su un edificio moderno avente la stessa geometria.

Nel caso in esame, la capacità è stata valutata considerando i valori caratteristici dei materiali mentre la domanda è stata valutata attraverso un’analisi modale a spettro di risposta. Il coefficiente ζE è stato valutato in riferimento ad ogni tipologia di elemento strutturale e per ogni connessione potenzialmente vulnerabile. I principali risultati di tali verifiche sono stati riportati in Tabella 1.

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