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Sismica: l'analisi vibrazionale sperimentale del Palazzo Torlonia a Avezzano

L’analisi vibrazionale sperimentale è una tecnica da utilizzare per la conoscenza di una struttura in zona sismica. Di seguito il caso studio di un edificio storico in muratura dove è stata applicata la tecnica grazie all'aiuto della modellazione e dell'analisi numerica.

Analisi vibrazionale sperimentale del Palazzo Torlonia a Avezzano: la tecnica usata in zona sismica

La conoscenza delle proprietà statiche e dinamiche è un aspetto indispensabile per comprendere il funzionamento strutturale di edifici complessi o con caratteristiche meccaniche dei materiali di difficile valutazione. La conoscenza consente di mettere a punto modelli affidabili, tarati sul reale comportamento, da poter utilizzare per valutare scenari di comportamento in presenza di azioni di tipo diverso. Ovviamente, il comportamento sperimentale non è di facile interpretazione, soprattutto per gli edifici complessi. La conoscenza è indispensabile per una corretta valutazione dello status quo e per la definizione di un efficace intervento di miglioramento: non si può decidere come intervenire se non si conosce la struttura.

L’analisi vibrazionale sperimentale è senz’altro una tecnica da utilizzare per la conoscenza di una struttura in zona sismica. È anche economica, veloce e affidabile. È utile per individuare gli effettivi modi di vibrazione da utilizzare nell’analisi dinamica a spettro di risposta o per individuare il più appropriato sistema di forze orizzontali in un’analisi push-over. La convenienza c’è soprattutto utilizzando le vibrazioni ambientali, presenti ovunque a costo zero e che, in genere, offrono una forzante naturale ad ampio spettro in frequenza. Aspetto negativo è che sono di basso contenuto energetico; pertanto, quasi mai riescono a innescare un comportamento non lineare. D’altra parte, proprio per questo forniscono indicazioni utili sul comportamento dinamico all’avvio del moto e possono consentire di individuare i punti più vulnerabili di un edificio, nei quali presumibilmente in caso di sisma si avranno le prime fuoriuscite dal campo elastico.

L’analisi delle registrazioni ottenute può essere eseguita nel dominio del tempo e/o nel dominio della frequenza. L’analisi nel dominio della frequenza viene condotta usualmente plottando gli auto-spettri delle registrazioni ottenute in vari punti sulla struttura e i cross-spettri di coppie significative delle registrazioni stesse e consente di individuare le frequenze di risonanza e le forme modali, ovviamente in caso di comportamento lineare o assimilabile ad esso. L’analisi nel dominio del tempo consente di individuare i valori massimi delle vibrazioni ma anche di avere una visione immediata del movimento prevalente della struttura, se esistente.

Rilevanti applicazioni precedenti hanno riguardato strutture di interesse storico e artistico. Tra queste le Colonne Coclidi (Bongiovanni et al. 2017, 2021), il Colosseo (Bongiovanni et al. 2017), gli Obelischi Egizi a Roma (Bongiovanni et al. 1990, Buffarini et al. 2009).

Nel primo caso, l’uso sinergico dell’analisi nel dominio del tempo e della frequenza ha consentito di evidenziare aspetti peculiari del comportamento di ciascuna colonna; nel secondo lo studio è stato condotto considerando più configurazioni per i sensori e ricostruendo il movimento nello spazio della porzione rimasta della parete nord; nel terzo caso, in parallelo all’analisi dinamica è stata condotta un’accurata analisi dei materiali mediante prove non distruttive, potendo mettere a punto un efficace modello numerico ad elementi finiti. Recentemente, una particolare attenzione è stata rivolta alla possibilità di fruire di strutture storiche e siti archeologici per ospitare eventi sociali, quali concerti (Puzzilli et al., 2019).

Precedenti esperienze nel campo degli edifici hanno evidenziato la difficoltà di interpretazione dei dati sperimentali e la difficoltà nella modellazione strutturale (Clemente et al. 2007), soprattutto quando la struttura si presenta notevolmente danneggiata. Con riferimento alla modellazione, uno studio recente ha evidenziato il comportamento strutturale di un edificio in muratura, soggetto ad una push-over al reale, ossia sperimentale (Boccamazzo et al., 2022). Nonostante le strutture analizzate fossero particolarmente semplici e di dimensioni piccole, lo studio, le difficoltà di interpretazione (Morici et al., 2022) e di modellazione (Addessi et al., 2022) sono state evidenti.

Studi sperimentali su tavola vibrante sono stati condotti su modelli di edifici in muratura rinforzata (De Canio et al. 2008). In (Clemente e Buffarini, 2009) e (De Stefano e Clemente, 2009) sono trattati i principi generali per l’utilizzo corretto dell’analisi vibrazionale sperimentale, mentre numerosi casi studio in Italia sono riportati in (De Stefano et al., 2016). Infine, in (Clemente, 2019) è presentata una raccolta di interessanti lavori sull’argomento.

Nel presente lavoro, l’analisi vibrazionale sperimentale viene utilizzata per lo studio di un edificio storico in muratura confinata in Avezzano (Bongiovanni et al., 2017), realizzato durante la ricostruzione successiva al terremoto che colpì la città nel 1915, di magnitudo Mw = 7.0, distruggendola interamente. Soltanto un edificio rimase in piedi. Dopo aver individuato, mediante un’accurata analisi nel dominio della frequenza, le principali frequenze di risonanza dell’edificio e i corrispondenti modi di vibrazione, è stata eseguita un’analisi nel dominio del tempo che ha consentito di evidenziare importanti aspetti del comportamento strutturale, tipici di edifici simili, legati alla deformabilità dei solai nel proprio piano e alla non perfetta connessione con le pareti portanti. Infine, è stato messo a punto un modello a elementi finiti col quale è stata eseguita un’analisi push-over, evidenziando come su edifici di questo tipo la scelta del punto di riferimento per lo spostamento sia delicata e importante.

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Il Palazzo Torlonia ad Avezzano

Il Palazzo Torlonia risale a circa 100 anni fa e fu costruito secondo le prescrizioni del Regio Decreto n. 573 del 29 aprile 1915, emanato dopo il terremoto di Avezzano. Pertanto, testimonia alcuni dei primi criteri di progettazione antisismica: ad esempio, si sviluppa su soli due livelli fuori terra, oltre ad un sottotetto non utilizzabile.

Nella Figura 1 è riportata una vista della facciata principale dell'edificio. È presente anche un solaio di calpestio al piano terra, esistendo un'intercapedine tra fondazioni e piano dell'impalcato, con spazi praticabili nel seminterrato. L’edificio ha una forma a C (Figura 2), che lo rende intrinsecamente vulnerabile dal punto di vista sismico.

Sempre in conformità al Regio Decreto 573 la struttura portante dell'edificio è costituita da pareti in muratura di mattoni laterizi confinate con elementi in cemento armato debolmente armato, disposti sia orizzontalmente che verticalmente, che circondano anche le aperture e si estendono in altezza fino ai solai.

Ispezioni visive hanno evidenziato la presenza di pilastri in c.a. e capriate in legno nel sottotetto, che sostengono la copertura a padiglione, e solai in calcestruzzo e blocchi forati di argilla. Le fondazioni sono costituite da cordoli armati sotto i muri portanti, poggianti su travi in cemento armato.

Figura 1. L’edificio Torlonia a Avezzano.
Figura 1. L’edificio Torlonia a Avezzano.

La geometria dell’edificio era sufficientemente nota dalla documentazione originale disponibile, mentre sono state eseguite approfondite indagini in situ sui materiali e sui dettagli strutturali, quali: ispezioni visive ed endoscopiche, prove con martinetto singolo e doppio; prove penetrometriche su malte; ispezioni al copriferro; estrazione del nucleo di calcestruzzo e relative prove di compressione; prove resistografiche, soniche e sclerometriche su elementi lignei; ispezione endoscopica su lastre; ispezione visiva, mediante scavi, per verificare il livello del basamento e le caratteristiche geometriche delle fondazioni.

Figura 2. Pianta con posizione dei sensori alla sommità dell’edificio.
Figura 2. Pianta con posizione dei sensori alla sommità dell’edificio.

La muratura, composta di mattoni e malta cementizia, ha una resistenza a compressione media pari a 2.76 N/mm2, una resistenza taglio media di τ0 = 0.067 N/mm2, un modulo elastico e un modulo a taglio rispettivamente pari a 1246 N/mm2 e 415 N/mm2 e un peso specifico di 18 kN/m3. La resistenza cubica media dei provini di calcestruzzo è risultata pari a 13.14 N/mm2.


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