MasterSap per le valutazioni sismiche degli edifici esistenti

Valutazione di sicurezza sismica: necessari strumenti adeguati, ecco quali

La valutazione della sicurezza sismica dei fabbricati esistenti sta occupando, da qualche anno a questa parte, la fetta più importante delle attività di progettazione odierne: i recenti benefici fiscali hanno allargato il settore ad una platea sempre più vasta di tipologie edilizie e di situazioni (pensiamo ovviamente al Superbonus 110% e agli interventi di demolizione con complete ricostruzioni, oppure ali interventi locali che non determinano alcun salto di classe di rischio sismico, in passato non sostenibili).

L’onda del bonus sta ora scemando, con la chiusura degli interventi già iniziati o approvati (tempo in più ne rimane solo per condomini e case popolari), con ulteriori difficoltà introdotte dalle strette sul credito. Ma, indipendentemente dai bonus fiscali in vigore, il patrimonio edilizio italiano è ben lontano dall’essere completamente adeguato sismicamente: uno studio di ISI indica, ad esempio, come solo il 7% degli edifici nazionali sono progettati secondo la normativa antisismica, percentuale che aumenta non di molto considerati i recenti interventi da Superbonus, che ha avuto un buon impatto sulle riqualificazioni energetiche, ma meno importante per quelle antisismiche.

Link del Webinar: valutazione sismica edificio esistente

Per questo motivo le attività di messa in sicurezza continueranno, bonus o non bonus (ricordiamo che restano in vigore le detrazioni “normalizzate” al 70 o 80%, con i limiti della stretta sulla cessione del credito), e sarà quindi importante dotarsi di strumenti adeguati che guidino il professionista nella corretta analisi di vulnerabilità, dando risposte alle domande di sicurezza sullo stato in essere di un fabbricato, ma anche sulle possibilità di adeguamento o miglioramento sismico.

MasterSap è uno di questi strumenti, leader da trent’anni sul mercato dell’ingegneria sismica, e via via nel corso degli anni si è arricchito sempre di più di nuovi strumenti per potenziare le analisi, raffinare i risultati, dare nuove risposte alle esigenze di rinforzo strutturale. Ma andiamo con ordine, e vediamo come, con MasterSap e i suoi applicativi, è possibile, in maniera semplice e veloce, arrivare a determinare lo stato di salute di un qualsiasi fabbricato. Diversi webinar ed eventi live, anche sui social, si sono tenuti negli ultimi anni e hanno avuto come argomento la valutazione sismica e la riqualificazione di edifici esistenti in cemento armato (oltre ovviamente anche ad altre tipologie costruttive).

Le fasi dell’attività progettuale per lo studio degli edifici esistenti sono articolate e complesse, come anche lo sono tutti i dettagli normativi contenuti nelle Norme Tecniche per le Costruzioni, nella Circolare Applicativa e nelle Linee guida per la Classificazione del rischio sismico. Approfondiremo in questo documento le fasi di analisi e studio del modello strutturale, che può iniziare solo dopo aver portato a termine la conoscenza dell’edificio in esame, con lo studio della documentazione storica, degli elaborati di progetto e il rilievo in situ, sempre necessario. Dall’analisi e dalle verifiche del modello si può definire il livello di sicurezza sismica e la classe di rischio sismico di qualunque edificio esistente. Poi, con ipotesi di interventi di rinforzo della struttura, si può dimostrare la possibilità di pervenire a un miglioramento della sicurezza sismica della struttura.

Link del Webinar: adeguamento sismico di un edificio prefabbricato

Gli strumenti di modellazione e analisi

Per la modellazione strutturale di un edificio esistente si ricorre alle stesse tecniche in uso per la modellazione dei nuovi edifici, e pertanto non entreremo qui troppo nei dettagli. Alcune funzionalità risultano però particolarmente utili per questi tipi di edifici, dove le richieste sono differenti.

È il caso, ad esempio, della possibilità di differenziare il comportamento dei materiali rispetto alla resistenza statica e sismica: è possibile, senza intervenire sul modulo elastico di un materiale (lasciando quindi inalterata la resistenza ai carichi gravitazionali), ridurre solamente la rigidezza tagliante e flettente (e limitare in questo modo la resistenza alle forze orizzontali). Questa tecnica è particolarmente usata nelle strutture miste (dove a rigor di norma sarebbe necessaria un’analisi non lineare) per far capire al programma come, di fatto, elementi di una determinata tipologia strutturale concorrano solo alla resistenza ai carichi verticali, ma non diano alcun contributo alla resistenza alle azioni sismiche, completamente affidate all’altra tipologia strutturale.

MasterSap 2023, in uscita nel corso dell’anno, avrà fra le sue novità principali la gestione degli isolatori sismici. Sarà introdotto un nuovo elemento finito, idoneo a trattare questi elementi, e una nuova banca di isolatori elastomerici, collegata ai principali produttori nazionali e internazionali.

Novità MasterSap 2023

Un altro strumento imprescindibile nell’analisi degli edifici esistenti passa attraverso la definizione delle armature, che può avvenire in più modi, tutti corrispondenti ai requisiti normativi.

La strada più semplice e veloce è quella che passa attraverso il progetto simulato: l’utente è in grado di analizzare l’edificio con normative del passato, facendo in modo che sia il programma a calcolare un’armatura presunta sugli elementi, e ad utilizzarla poi per le verifiche secondo la normativa attualmente in vigore. In alternativa, in presenza di documentazione più accurata, l’utente può assegnare ad ogni elemento l’armatura realmente presente in opera, sia in modalità numerica che grafica. Nel primo caso è sufficiente indicare diametro e numero delle barre (sia a presso-flessione che a taglio) presenti nei vari elementi, nel secondo si può disegnare la vera e propria disposizione di armatura.

Questo secondo caso, molto più generico e flessibile, si adatta anche a sezioni di forma qualsiasi.

Armatura grafica

Armatura numerica

I più recenti sviluppi di MasterSap consentono di trattare anche gli elementi bidimensionali (muri e solette): in questo caso la definizione delle armature viene fatta direttamente all’interno delle tabelle dell’ambiente di verifica specifico (MasterEsist), con la possibilità, per gli elementi verticali, di definire degli aggregati (pareti) sui quali integrare le tensioni ed operare le verifiche allo stesso modo degli elementi monodimensionali pilastri e setti.

Verifica di muri e solette

Da un punto di vista dell’analisi, oltre alle consuete analisi lineari, il nuovo solutore pushover consente di affrontare anche analisi non lineari, idonee, come ad esempio già detto, per strutture di tipo misto. Il grande vantaggio del pushover di MasterSap è la definizione automatica delle cerniere plastiche: nota l’armatura presente sugli elementi, la resistenza dei materiali e i fattori di confidenza, uno strumento assegna ad ogni elemento le cerniere desiderate (bilineari, a flessione semplice o composta) nella posizione voluta. Anche le combinazioni di carico sono già pronte secondo le richieste normative: il prossimo aggiornamento alla release 2023 completerà le distribuzioni principali, introducendo anche quella corrispondente all’andamento delle forze di piano agenti su ogni singolo orizzontamento.

Calcolo automatico delle cerniere plastiche

Ma è anche importante ricordare come ormai sono sempre più richieste le analisi con spettri di risposta sismica locale, che consentono di avere una valutazione dell’amplificazione locale più rigorosa rispetto all’approccio semplificato, legato alle tipologie dei terreni. Gli spettri (verticale e orizzontale, per i vari stati limite richiesti) possono essere descritti attraverso coppie di punti periodo-accelerazioni, e generalmente vengono utilizzati per lo studio di costruzioni in classe d’uso III o IV: in MasterSap è sufficiente definire tale spettro, con input manuale o importazione da fogli di calcolo, per poi sottoporre la struttura all’analisi conseguente.

Spettri di risposta sismica locale

Fondamentale è la possibilità di gestire a piacere il tempo di ritorno (ed i conseguenti parametri sismici, che determinano lo spetto di analisi): infatti, a differenza delle nuove strutture (dove il tempo di ritorno è imposto) qui diventa fondamentale stabilire la massima azione sismica sostenibile dalla struttura. Per fare questo un’opzione specifica consente la modifica del tempo di ritorno, e di conseguenza dell’ampiezza dello spettro, fino ad arrivare, in base ai risultati delle verifiche, al valore critico che determinerà l’indicatore di rischio.

Infine, gli strumenti di analisi e di stampa sono già pronti, prima ancora di affrontare le verifiche, a dare alcune indicazioni utili in termini globali, quali ad esempio il calcolo delle massime deformazioni, della ripartizione dei taglianti, la valutazione sulle masse eccitate o il calcolo degli spettri di piano, utile per determinare le azioni sismiche a cui sono soggetti gli elementi costruttivi non strutturali, o i cinematismi locali nel caso di strutture in muratura.

Da ricordare infine che anche la valutazione in capacità relativa allo stato limite di danno SLD, ovvero il controllo delle deformazioni d’interpiano (o deformazioni relative) è immediatamente disponibile dopo l’analisi attraverso una rappresentazione grafica e una stampa direttamente dallo strumento delle rappresentazioni.

Le Verifiche da Normativa (nel rispetto della Circolare Applicativa)

Ricordiamo innanzitutto che, in caso di analisi statica lineare con fattore di comportamento, le verifiche di resistenza relative allo stato limite di salvaguardia della vita vengono eseguite in termini di resistenza, mentre nel caso di analisi pushover, per lo studio dei meccanismi duttili, le medesime verifiche sono eseguite in termini di spostamento (o meglio, di rotazione alla corda). Ma in entrambi i casi esse si eseguono in automatico con gli strumenti definiti all’interno del post-processore dedicato proprio alle strutture esistenti in c.a.: MasterEsist.

In questo ambiente vengono definiti i parametri resistenti relativi alle caratteristiche meccaniche dei materiali, ed altre informazioni utili per le verifiche (fattore di confidenza, metodo di verifica a taglio), che ricordiamo essere quelle relative ai meccanismi duttili, fragili e al controllo dei nodi trave-pilastro.

Le verifiche dopo un’analisi pushover

La verifica può essere condotta inizialmente per le sole combinazioni statiche (in modo da conoscere la rispondenza della struttura alle sole azioni gravitazionali), consentendo al progettista di stabilire eventuali prescrizioni sull’uso della stessa.

Infine, il controllo va eseguito sulle azioni sismiche, andando alla ricerca del tempo di ritorno critico, che determina l’indicatore di rischio della struttura, che viene stampato immediatamente al termine delle verifiche.

MasterEsist è stato recentemente arricchito da un ambiente dedicato alla definizione, al disegno delle armature e alle verifiche delle pareti, oltre che da una serie di strumenti utili alle segnalazioni e alle visualizzazioni grafiche dei risultati. Ma soprattutto dall’ambiente di verifica si può accedere direttamente a quello dedicato alla progettazione dei rinforzi strutturali. Nel caso, infatti, in cui qualcuna delle verifiche previste abbia dato esito positivo, e si debba procedere ad un progetto di adeguamento o miglioramento sismico, Verifiche Rinforzi è il programma dedicato al dimensionamento dei rinforzi strutturali.

MasterEsist e Verifiche Rinforzi

Il progetto dei rinforzi strutturali

Per raggiungere il livello di sicurezza richiesto dalla norma ci sono diverse opzioni, anche sovrapponibili: da un semplice declassamento o imposizione di restrizioni d’uso, indicando quale sia il massimo sovraccarico verticale variabile sopportabile (anche limitatamente a porzioni dell’edificio), che non prevede quindi interventi strutturali, oppure il progetto di interventi di rinforzo, di livello locale (integrando il deficit di capacità sui singoli elementi strutturali) senza modificare la risposta globale della struttura, o di livello globale, modificando il comportamento dell’intero organismo strutturale.

Nel primo caso Verifiche Rinforzi annovera la possibilità di intervenire con FRP, Sistema CAM®, incamiciature con profili metallici; nel caso invece si scelgano interventi di rinforzo che modificano il comportamento strutturale, si possono progettare con Verifiche Rinforzi incamiciature in calcestruzzo ordinario, fibrorinforzato o introducendo nuovi elementi strutturali appositamente dimensionati. Introducendo variazioni delle rigidezze degli elementi strutturali sarà necessaria una rianalisi della struttura e una successiva riverifica degli elementi. Infine Verifiche Rinforzi consente il collegamento e la verifica con le soluzioni tecnologiche di importanti produttori di rinforzi strutturali.

Il rinforzo dei nodi

Il calcolo della classe di rischio sismico

Ultimo passaggio, meno complicato ma determinante per poter accedere ai bonus fiscali, è il calcolo della classe di rischio sismico, che può essere eseguito sia per lo stato di fatto che per un eventuale stato di progetto.

SismaClass è l’applicativo AMV, gratuito e liberamente scaricabile dal sito internet dell’azienda, utile allo scopo: è collegato direttamente a MasterSap, in maniera da poter leggere le informazioni generali del progetto (località, vita di riferimento, coefficienti legati al terreno) e determinare la domanda normativa, ma anche i risultati dell’analisi (ovvero tempi di ritorno e accelerazioni critiche, per i vari stati limite), determinando così la capacità della struttura. Confrontando queste informazioni il programma determina quindi gli indici di rischio PAM e IS-V, nello stato di fatto e in quello di progetto, e aiuta il progettista nella compilazione automatica dei moduli richiesti per le pratiche di detrazione fiscale.

MasterSap e SismaClass per il calcolo della classe di rischio

Il caso pratico: adeguamento sismico di un plesso scolastico

Per entrare nei dettagli pratici degli argomenti affrontati trattiamo ora un caso pratico, che affronta la valutazione sismica con successivo adeguamento strutturale di un plesso scolastico nel comune di Tivoli, realizzato dall’ ing. Vladimiro Alfonsi, grazie anche a MasterSap e agli software della collana AMV.
Link alla scheda: Ampliamento e adeguamento sismico della Scuola Primaria Gianni Rodari e della Scuola Tommaso Neri del comune di Tivoli