Metodologie di rinforzo sismico di edifici esistenti in muratura soggetti a sismicità indotta

Gli edifici della regione Groningen sono particolarmente vulnerabili ai carichi sismici

La regione di Groningen, dove è collocato il giacimento di gas, è una zona pianeggiante e prevalentemente agricola caratterizza da piccoli villaggi dove la città di Groningen rappresenta il maggior centro abitato. La zona è pertanto principalmente popolata da edifici residenziali ed agricoli di modeste dimensioni per lo più ad uno o due piani e realizzati in muratura non armata. Tali edifici, sono stati concepiti per resistere ai soli carichi statici e presentano diversi tratti caratteristici che li rendono particolarmente vulnerabili ai carichi sismici.

Una particolarità di molte strutture della zona sono i cosiddetti cavity walls, muri composti da due paramenti divisi da una intercapedine d’aria. Questa tipologia di pareti, molto popolari per le loro caratteristiche di isolamento termico e acustico, risulta particolarmente vulnerabile dal punto di vista sismico in quando solo il paramento interno è strutturale mentre quello esterno, che viene collegato per mezzo di elementi metallici, può essere considerato come una massa addizionale applicata al paramento portante rendendolo molto vulnerabile alle azioni fuori dal piano.

NEGLI ULTIMI 30 ANNI TANTI TERREMOTI NELLA ZONA: ECCO PERCHÈ 
L’estrazione di gas ha indotto, a partire dai primi anni ‘90, terremoti che sono cresciuti negli anni sia in termini di frequenza che d’intensità. La scossa di maggiore intensità
(magnitudo 3.6) è stata registrata in data 16 agosto 2012 con epicentro nel villaggio di Huizinge. Questi terremoti, seppur associati a intensità relativamente basse se rapportate a terremoti di origine tettonica, sono particolari in quanto caratterizzati da epicentri superficiali che comportano un raggio d’azione limitato ma accelerazioni di picco significative.

Inoltre, il paramento portante di queste pareti è solitamente caratterizzato da uno spessore molto limitato, generalmente 10 cm.

Un’altra caratteristica distintiva delle strutture residenziali della zona è la presenza di grandi aperture, tipica dei paesi del Nord Europa, che comporta la presenza di maschi murari molto snelli e in generale di una limitata quantità di elementi che possono fornire resistenza a forze laterali se confrontata al volume totale della struttura, Fig. 1.

Infine molte di queste strutture sono realizzate con orizzontamenti e coperture in legno, il più delle volte realizzati con un sistema di travi ed assito.

Questo tipo di orizzontamenti comporta diverse problematiche dal punto di vista della vulnerabilità sismica delle strutture. Prima di tutto, questo tipo di diaframmi è particolarmente flessibile e non permette lo sviluppo di un comportamento scatolare della struttura. Inoltre, essendo le strutture generalmente composte da uno o due piani ed essendo gli orizzontamenti leggeri, i maschi murari sono soggetti a bassi valori di carico assiale che comportano quindi la possibilità di sviluppare una limitata capacità a taglio degli elementi stessi.

L’Analisi di Vulnerabilità Sismica: come affrontarla?

L’analisi della vulnerabilità sismica di strutture esistenti nella regione di Groningen deve essere effettuata seguendo le prescrizioni delle linee guida NPR9998 che sono state realizzate dal NEN ovvero il Royal Netherlands Standardization Institute.

Procedura rapida di valutazione della vulnerabilità sismica degli edifici esistenti in muratura
Attraverso questa procedura è possibile stimare la vulnerabilità globale della struttura senza uso di analisi agli elementi finiti (FEM) basandosi sulle caratteristiche geometriche/strutturali e su un database di risultati ottenuti su edifici precedentemente analizzati. L’obiettivo principale della procedura proposta è di ridurre in modo sostanziale l’oneroso tempo computazionale di analisi dettagliate, fornendo una metodologia semplificata in grado di stimare la capacità strutturale (nel piano e fuori piano) velocizzando la pianificazione di interventi di rinforzo.
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Queste linee guida sono state per la prima volta introdotte nel 2015, in precedenza si faceva riferimento agli Eurocodici, e hanno subito parecchi aggiornamenti negli anni. Ci sono alcuni punti dove queste linee guida si discostano dagli Eurocodici e che vale la pena sottolineare. In primo luogo, la verifica sismica deve essere effettuata con riferimento allo stato limite di collasso e non a quello di salvaguardia della vita per tutte le tipologie di edificio. Per i maschi murari vengono definiti tre meccanismi di rottura: taglio-scorrimento, taglio- rottura a compressione dei mattoni e flessione.

Tutti e tre sono legati a spostamenti ultimi di collasso significativamente più alti rispetto a quelli previsti dagli Eurocodici (ad esempio la rottura per taglio scorrimento è associata a uno spostamento dello 0.75% mentre le altre due possono arrivare a spostamenti ultimi fino al 2%). La verifica di vulnerabilità sismica per gli edifici viene, il più delle volte, effettuata attraverso l’uso di analisi statiche non-lineari, ovvero analisi pushover.

In questo caso, le linee guida consigliano come metodo di verifica il Capacity Spectrum Method e sconsigliano l’utilizzo di altri metodi quali l’N2 che è invece quello adottato dall’Eurocodice 8. Infine, l’attuale versione delle linee guida prevede una doppia metodologia per l’analisi fuori piano di elementi in muratura. Il primo metodo è lineare elastico e permette di valutare l’accelerazione che porta alla prima fessurazione degli elementi in muratura. Il secondo metodo invece è un metodo non-lineare basato su elaborati grafici che in funzione della snellezza, del carico assiale e delle condizioni al contorno dell’elemento permette di valutare l’accelerazione di collasso.

Le linee guida NPR9998 hanno subito significative modifiche ed aggiornamenti dalla loro prima pubblicazione; in particolare, i meccanismi di rottura per i maschi murari sono stati aggiornati portando, a parità di elemento, a un significativo incremento della capacità ultima in termini di spostamento. Allo stesso tempo, nella prima versione delle linee guida non era prevista nessuna metodologia per la valutazione della capacità fuori piano degli elementi in muratura. La metodologia non-lineare per la valutazione del collasso è stata introdotta solo nel 2017 e la metodologia per il calcolo elastico di prima fessurazione nel 2020. Pertanto, l’evoluzione delle linee guida ha portato negli anni un significativo incremento della capacità, sia globale che locale, delle strutture esistenti in muratura.

Parallelamente, anche la definizione della pericolosità sismica ha subito una significativa evoluzione negli anni. In questo caso, la ragione del cambiamento è la riduzione del volume di gas estratto dai giacimenti volta a ridurre il rischio sismico.

Pertanto, se da un lato si è registrato un aumento in termini di capacità sia globale che locale delle strutture, dall’altro vi è stato una riduzione dell’azione sismica. L’unione dei due fattori ha avuto una significativa ripercussione sugli interventi di rinforzo sismico richiesti.

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