Rilievi e indagini per definire interventi di adeguamento non invasivi in continuità con l'esercizio degli edifici in c.a.

L’adeguamento sismico di edifici esistenti in cemento armato con destinazioni d’uso strategiche, e per i quali non è possibile interrompere la propria operatività, necessita di un livello di progettazione preliminare molto approfondito al fine di poter prevedere una campagna di indagini mirata nonchè interventi di consolidamento localizzati atti a risolvere esclusivamente le criticità prima ipotizzate e poi confermate dalle verifiche.
Si riporta il caso specifico di un adeguamento sismico di un presidio ospedaliero in Nord Italia, per il quale l’attività medica non si è mai interrotta né durante l’esecuzione di un importante campagna di indagini né durante l’esecuzione degli interventi di adeguamento.

Caso applicativo: l'adeguamento sismico di un ospedale

L'adeguamento sismico di strutture esistenti in cemento armato costruite attorno agli anni '60-'70 con funzioni pubbliche e strategiche importanti o che prevedono affollamenti significativi, classe d'uso III o IV, come ospedali, sedi di istituzioni pubbliche o scuole, risulta essere molto complesso principalmente per questioni operative.

La maggior parte di queste strutture hanno spesso la necessità di non interrompere mai la loro operatività, anche durante gli eventuali lavori di consolidamento, proprio per il carattere strategico e importante della destinazione d'uso che ospitano benché, vista le peculiarità costruttiva degli edifici in cemento costruiti in quegli anni, gli interventi di adeguamento sismico necessari risultano essere sempre caratterizzati da una certa rilevanza.

Come esempio si riporta il caso di un progetto di adeguamento sismico di 8 padiglioni di una importante struttura ospedaliera del Nord Italia aventi 8 piani fuori terra e 2 piani entro terra con struttura interamente in cemento armato, realizzata con pilastri, travi a spessore, nuclei ascensore, solai in laterocemento, e fondazioni a plinti e travi superficiali.

La geometria costruttiva ai vari piani di tutti i padiglioni analizzati è abbastanza semplice ed è in linea con la maggior parte dei fabbricati in cemento armato costruiti alla fine degli anni '60 nel territorio nazionale. Si riporta una carpenteria di piano tipo e di fondazione di uno dei padiglioni, considerando che tutti i vari fabbricati sono dal punto di vista costruttivi molto simili tra loro.

Come si può vedere dalle immagini sotto riportate la peculiarità dei vari padiglioni è l'assenza in elevazione di telai collegati in entrambe le direzioni, se non in un allineamento, e il non sufficiente collegamento delle travi di fondazione.

Tipologie strutturali e criticità ricorrenti negli edifici anni ’60–’70

La tipologia strutturale del padiglione in esame, dalla forma rettangolare ed allungata, consiste prevalentemente in telai piani paralleli, con travi a spessore, nella direzione longitudinale, collegati solamente da solai in latero-cemento tradizionale con nervature disposte in direzione trasversale. Dato che l'edificio è costituito da più di 3 piani fuori terra, sono presenti anche dei setti di controvento, calcolati originariamente per resistere alle azioni del vento, coincidenti sia con vani scala e ascensori sia con dei divisori delle stanze di degenza.

Ciò che si rileva pertanto, e che ha trovato pienamente riscontro nello studio di vulnerabilità sismica dell'edificio allo stato di fatto, è l'assenza di travi di collegamento tra gli elementi verticali nei due allineamenti principali, da cui consegue che il collegamento trasversale è affidato solamente al solaio e ai telai di estremità realizzati con travi estradossate calcolate per sorreggere il peso delle tamponature esterne.

Negli anni '70 per il dimensionamento delle strutture si operava per singoli elementi separatamente semplificando notevolmente sia gli schemi statici, che le azioni.

Infatti i pilastri venivano dimensionati considerando solo l’azione assiale corrispondente ai carichi agenti sull’area di influenza di solaio ed ai pesi dei tamponamenti che gravano sulla trave collegata al pilastro in argomento ed al peso proprio di trave e pilastro. Venivano quindi trascurate le conseguenti sollecitazioni flessionali e taglianti trasmesse da travi e solai ai pilastri.

Le travi e i solai venivano dimensionati trattandoli come travi continue soggette a carichi verticali, ancora una volta trascurando gli effetti dovuti all’interazione fra gli elementi strutturali nel funzionamento d’assieme.

E' molto importante pertanto, soprattutto nell'edilizia pubblica e soprattutto per questa tipologia di strutture la cui operatività non deve essere mai compromessa, che il professionista, in mancanza di una completa ed esaustiva documentazione originaria del progetto strutturale autorizzato o degli as built dell'epoca di costruzione, studi preliminarmente il funzionamento strutturale del fabbricato basandosi sulla bibliografia tecnica relativa all'epoca di costruzione della struttura e su primi schemi strutturali; questo nell'ottica di un ottimizzazione delle indagini distruttive necessarie al raggiungimento di un idoneo livello di conoscenza e di una progettazione di interventi strutturali puntuali e localizzati che possano garantire allo stesso tempo l'adeguamento sismico e l'operatività di esercizio delle strutture.

E' di fondamentale importanza che il tecnico ancora prima dello studio della vulnerabilità sismica, ipotizzi già il funzionamento della struttura ai carichi sismici con l'individuazione delle criticità strutturali presenti con l'obiettivo di minimizzare il numero delle prove distruttive localizzandole in punti precisi e nello stesso tempo di raggiungere i limiti normativi previsti per i vari livelli di conoscenza.

Redazione del piano di indagini

Piano di indagini per LC2: criteri, sostituzioni NDT e ottimizzazione

Vista l’importanza e la strategicità della destinazione d’uso dei fabbricati in esame si è ritenuto necessario, in fase di programmazione delle indagini strutturali minime, di raggiungere un livello di conoscenza LC2 ai sensi del Capitolo 8.5.4 della Circolare Esplicativa n°7 del 21/01/2019 e del Capitolo 8 del D.M. 17/01/2018.

Essendo edifici costruiti alla fine degli anni '60, la committenza non ha messo a disposizione documentazione esaustiva relativa al progetto strutturale originario autorizzato, ai documenti prodotti durante l’esecuzione dei lavori, tra cui i report dei risultati delle prove sui materiali e al collaudo strutturale dei vari fabbricati.

La documentazione tecnica fornita dalla Committenza, rappresentata dall'Azienda Sanitaria locale, relativamente allo stato di fatto in termini architettonici e strutturali dell'intero complesso è stata la seguente:

• rilievo architettonico completo dell'intero complesso;
  
• progetto strutturale autorizzato completo di soli 2 blocchi su 8;
  
• progetto strutturale autorizzato incompleto di ulteriori 3 padiglioni.

A seconda della documentazione progettuale reperita e della tipologia strutturale delle varie unità sono state previste, in prima battuta, indagini estese e prove estese in sito; si è previsto pertanto di verificare la quantità e la disposizione dell'armatura per almeno il 35% di ogni elemento primario e di eseguire prove distruttive pari a 2 provini di cls ogni 300mq di piano di edificio per ogni elemento primario e pari a 2 prelievi di barra d'armatura per piano di ogni edificio.

La complessità della redazione di un piano di indagini esaustivo era relativo soprattutto a quei padiglioni per cui non era stato rinvenuto alcun documento di carpenteria o grafici di progetto.

Eseguire un rilievo strutturale all’interno di un blocco ospedaliero in piena funzione e in cui tutti gli elementi strutturali erano nascosti all’interno di controsoffitti e rivestimenti in zone come le degenze, sale operatorie o terapie intensive, era di fatto un’operazione molto complicata che di fatto avrebbe bloccato l’operatività di tutte le zone a servizio dell’attività ospedaliera.

Per questi padiglioni pertanto, partendo dai rilievi architettonici e dai grafici antincendio, si è proceduto ad ipotizzare un telaio resistente e una maglia strutturale partendo da elementi di analogia riscontrati in altri padiglioni per i quali erano a disposizione le carpenterie di progetto.

I vari dubbi sono stati risolti localizzando le indagini distruttive proprio in quei punti, con l’obiettivo di ottenere dall’esecuzione dei vari prelievi, dati relativi alla maglia strutturale presente e alla sua consistenza.

Basandosi esclusivamente sulle geometrie rilevate, sul numero degli impalcati presenti e sulla quantità delle travi, dei pilastri e dei setti facenti parte della struttura portante dei vari padiglioni, il numero di prove necessarie è risultato, in prima battuta, il seguente:

• esecuzione 650 carotaggi con prelievo di carota cilindrica di diam. 100 mm e lunghezza 200 mm con conseguente prova di laboratorio a compressione al fine di determinare la resistenza a compressione del calcestruzzo in opera;
  
• esecuzione 250 prelievi di barre d’armatura previa demolizione del copriferro presente con conseguente prova di laboratorio a trazione al fine di determinare la resistenza dell'acciaio in opera;
  
• esecuzione 1450 rilievi geometrici strutturali e pacometrici al fine di rilevare dimensione dell'elemento portante come indicato negli elaborati grafici e relativa distribuzione e quantitativo delle armature presenti.

Data la richiesta da parte della committenza di non interrompere in alcun modo l’attività ospedaliera durante l’esecuzione delle prove, né di creare particolare interferenze in alcune zone critiche come pronto soccorso, degenze particolari e stanze adibite a terapia intensiva, il piano di indagini ha necessariamente subito un importante rimodulazione, nonché ridimensionamento, pur dovendo continuare a soddisfare le prescrizioni minime previste all’interno del DM 2018 e relativa circolare al capitolo 8.5.4.

Alcune prove distruttive previste originariamente nel piano di indagini, sono state sostituite da prove non distruttive nel rapporto 1:3 secondo le prescrizioni presenti all'interno del capitolo C8.5.4.2. della Circolare esplicativa del 21 Gennaio 2019 n°7.

Si riporta, a titolo illustrativo, un'immagine del rilievo architettonico di uno dei piani del padiglione in esame in cui sono ben visibili le destinazioni d'uso presenti. Come si può notare, l'intero piano è adibito alla degenza chirurgica, reparto sicuramente suscettibile alla gestione improvvisa di eventuali urgenze e non compatibile con eventuali interferenze o limitazioni di spazio causate dalla presenza di eventuali cantieri di carattere edile.

Le strutture, come già detto, risultavano tutte essere regolari in pianta sia in termini geometrici, che sismici e strutturali; pertanto nel controllo del raggiungimento delle percentuali di elementi indagati ai fini del rilievo dei dettagli costruttivi, si è tenuto conto delle situazione ripetitive consentendo quindi di estendere ad una più ampia percentuale i controlli effettuati su alcuni elementi strutturali facenti parte di una serie con evidenti caratteristiche di ripetibilità, per geometria e ruolo uguali nello schema strutturale globale.

Inoltre la struttura tipo è stata preliminarmente modellata e verificata alle azioni sismiche previste al fine di individuare, già in fase iniziale, le criticità più evidenti con l’obiettivo di localizzare i saggi necessari nei punti più strategici per l'individuazione degli interventi di adeguamento sismico necessari.
A seguito di questo studio, le indagini effettivamente eseguite sono state le seguenti:

• esecuzione n.320 carotaggi;
• esecuzione n.100 prelievi di barre d’armatura;
• esecuzione n.1450 rilievi geometrici strutturali e pacometrici;
• esecuzione n.750 prove non distruttive mediante sclerometro;
•  esecuzione n.292 prove non distruttive su barre d'armatura e profilati metallici mediante durometro.

In più tutte queste prove sono state localizzate in zone di servizio, sottotetti, spazi comuni, zone di cantiere, corridoi, locali tecnici per poter minimizzare l’impatto delle stesse in termini acustici e di disagio materiale nei confronti delle quotidiane attività in corso nella struttura ospedaliera.

Progettazione degli interventi di adeguamento sismico

Ai fini di una corretta progettazione degli interventi di adeguamento sismico, le indagini strutturali, come già detto, sono state posizionate e localizzate sulla base delle risultanze di verifiche preliminari effettuate con una modellazione di calcolo schematica dei vari padiglioni basata sui pochi grafici di carpenteria esistente messi a disposizione.

In sostanza, la fase di progettazione degli interventi strutturali è iniziata ancor prima di ufficializzare la vulnerabilità sismica degli edifici.

Tale necessità è derivata dalla richiesta da parte della Direzione Sanitaria di riferimento di non fermare in alcun modo la normale attività ospedaliera dei vari padiglioni; tutto l’iter progettuale doveva essere già indirizzato in questa direzione fin dai primi rilievi sul posto.

L’impossibilità di interrompere il normale esercizio dell’ospedale ha di fatto escluso la progettazione di interventi di adeguamento sismico che potessero comportare:

• l’esecuzione di lavorazioni diffuse a tutti i piani e in tutte le aree, come rinforzo nodi, placcature diffuse, ringrosso dei pilastri;
  
• l’esecuzione di lavorazioni che potessero comportare importanti demolizioni o rimozioni di rivestimenti, impianti o che comunque potessero minare il nomale funzionamento di tutte le apparecchiature tecnologiche di cui un ospedale necessita; ad esempio l’eventuale messa in opera di isolatori sismici alla base dei pilastri avrebbe comportato il blocco dell’utilizzo di tutto il piano in prossimità del piano fondale, ossia il secondo piano interrato, zona in cui era concentrato il fulcro e il polmone impiantistico di tutto il complesso ospedaliero. Intervenire in fondazione avrebbe comunque bloccato il normale esercizio delle varie attività quotidiane;
  
• l’esecuzione di lavorazioni che potessero comportare il montaggio del ponteggio diffuso sulle facciate e per molti mesi, a causa dei limitati spazi di manovra di mezzi di soccorso a quota strada dei vari padiglioni.

La modellazione preliminare dei vari padiglioni, i risultati dei rilievi strutturali e delle prove sui materiali eseguite in punti strategici, nonché lo studio di vulnerabilità sismica hanno confermato che le criticità strutturali dal punto di vista sismico della costruzione derivavano essenzialmente dalla tipologia costruttiva tipica degli anni di costruzione del fabbricato stesso, avvenuta durante gli anni '60-'70, le cui peculiarità sono già state affrontate all’inizio dell’articolo.

Con riferimento ad un particolare padiglione degli 8 analizzati, e di cui nel seguito si riportano alcune immagini/stralci del progetto esecutivo, oltre a quanto già detto sopra, è stata rilevata una problematica importante derivante dalla posizione non simmetrica dei setti in cemento armato esistenti e previsti da progetto, posizionati solamente su un lato centrato del rettangolo e comportando quindi delle sovrasollecitazioni sismiche in una particolare zona della struttura dovuta al non perfetto equilibrio tra baricentro delle rigidezze e baricentro geometrico, effetto accentuato anche dalla presenza di telai solamente in unica direzione.

Dallo studio di vulnerabilità è infatti emerso che gli elementi non verificati erano appunto concentrati in quella zona.

L’indice di vulnerabilità sismica ζ_E globale era pari a 0.68, mentre nessun problema era previsto nei confronti delle resistenze degli elementi portanti e degli orizzontamenti ai carichi statici.

Non è stato possibile prevedere interventi di adeguamento sismico diffusi in tutto il fabbricato in quanto la committenza ha sempre manifestato la necessità di garantire l'operatività più a regime possibile anche durante gli eventuali lavori di adeguamento; pertanto gli stessi interventi sono stati calibrati affinchè fossero concentrati in zone limitate del padiglione e affinchè comunque garantissero necessariamente le prescrizioni minime di adeguamento sismico previsto nel capitolo 8 del D.M. 17/01/2018 (ζ_E > 1).

Si è deciso pertanto di prevedere interventi localizzati, facilmente cantierabili dall’esterno e che non intaccassero materialmente le zone nevralgiche dell’attività ai vari piani. Nel caso specifico si è deciso di aumentare la capacità resistente alle azioni sismiche nonché di migliorare la simmetria di risposta alle stesse azioni mediante la realizzazione di nuovi setti in cemento armato.

Tale intervento, che in prima battuta poteva sembrare un intervento invasivo, risolveva tutte le complicanze relativamente a possibili interferenze. La posizione dei setti in cemento armato è stata studiata ovviamente per risolvere le vulnerabilità riscontrate e affinché gli stessi si potessero trovare in posizioni facilmente raggiungibili dall’esterno.

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