Valutazione della vulnerabilità sismica delle strutture per mezzo dell’analisi dell’indice di difformità

La valutazione della vulnerabilità sismica di un edificio corrisponde a valutare la probabilità che si verifichi un terremoto in un determinato periodo di tempo, quindi risulta importante fornire indicazioni per una regionalizzazione delle funzioni di vulnerabilità attualmente impiegate indifferentemente su tutto il territorio.

L’individuazione ed il riconoscimento di tipologie strutturali prevalenti negli insediamenti italiani rappresenta, senza dubbio, il primo passo da compiere per ottenere valutazioni di vulnerabilità del costruito più attente e consapevoli. Pertanto, realizzare questa valutazione permette di determinare quali siano i problemi a livello strutturale che potrebbero avere gli edifici per selezionare gli eventuali interventi al fine di salvaguardare la struttura, oppure per programmare la manutenzione degli edifici.

Il lavoro di tesi di Laurea Magistrale in Ingegneria Civile di Luca Garrone al Politecnico di Torino con relatori i Professori Alessandro Pasquale Fantilli e Bernardino Chiaia, ha trattato l’analisi della vulnerabilità strutturale sul comune di Casale Monferrato (classificato in zona sismica 4), sito nella provincia di Alessandria. Per poter eseguire questa valutazione si è deciso di utilizzare la scheda CARTIS 2014, sviluppata nell’ambito del progetto ReLUIS 2014-2016.

La vulnerabilità sismica sulla città di Casale Monferrato

Dalla compilazione delle schede CARTIS alla suddivisione in comparti di edifici omogenei 

La sperimentazione della scheda CARTIS permette di ottenere un quadro generale chiaro per quanto riguarda il patrimonio edilizio del luogo in esame, per verificare quale sia la tipologia costruttiva. La compilazione di queste schede è finalizzata al rilevamento delle tipologie edilizie ordinarie prevalenti nell’ambito delle zone comunali o sub-comunali del sito di interesse. Questo strumento si riferisce ai soli edifici ordinari, prevalentemente abitazioni e/o servizi, quindi si escludono gli edifici riconducibili a beni monumentali o strategici: si tratta per lo più di strutture in muratura, cemento armato o di tipo miste.
L’individuazione di aree omogenee per caratteristiche tipologico strutturali (con particolare attenzione alle strutture in muratura, dato che sono presenti nei centri storici e con una enorme varietà di configurazioni), accompagnata da un’analisi di dettaglio, è indirizzata a fornire gli strumenti necessari per una loro riutilizzazione in campo nazionale.

In primo luogo, per compilare queste schede si è suddiviso l’intero territorio comunale (comprese anche le sette frazioni) in comparti omogenei che si caratterizzano per la presenza, al loro interno, di edifici omogenei dal punto di vista tipologico strutturale e per età di costruzione. Lo studio degli edifici cittadini ha comportato l’individuazione di quattro comparti.

Fig. 1 Estratto della Carta Tecnica Regionale del Piemonte, in particolare la rappresentazione della suddivisione in comparti della città di Casale Monferrato

Le suddivisioni dei comparti, come si può vedere anche in tabella 1, sono:

• C01: Centro Storico e Nucleo Frazioni;

• C02: Zona di Espansione 1;

• C03: Zona di Espansione 2; 

• C04: Zona di Espansione 3.

Tabella 1 Divisione dei comparti, con le rispettive divisioni negli anni per le diverse tipologie costruttive (muratura e cemento armato)

Ultimata tale suddivisione, si sono evidenziate le zone con caratteristiche simili tra loro di strutture in cemento armato e in muratura, quindi sono state trovate dieci sottoclassi, ovvero dieci strutture che coprono l’intero tessuto edilizio della cittadina, partendo dalla sua nascita fino ad arrivare ad oggi. All’interno di ciascuna di esse, si è analizzata ogni tipologia compilando le schede CARTIS per studiarne così le tipologie costruttive, con tutti i dettagli del caso.

Il caso studio: analisi strutturale di una struttura in c.a. costruita negli anni 2000

Si è analizzata una tipologia costruttiva in cemento armato, che è stata individuata nelle analisi delle schede CARTIS e attraverso il software di calcolo DOLMEN, sviluppato e distribuito da CDM DOLMEN Srl di Torino, è stato possibile studiarne il comportamento strutturale. 

La scelta dell’edificio tipo è ricaduta su una struttura costruita negli anni 2000, appartenente alla tipologia C03 CAR2 per la quale è stata svolta l’analisi strutturale. 

La modellazione dell’edificio in questione è stata eseguita tenendo conto delle disposizioni costruttive dei disegni esecutivi originali, seguendo però i vincoli progettuali della normativa vigente della N.T.C. 2018. Questo tipo di approccio è dovuto al fatto che sono state messe a confronto le caratteristiche dell’edificio costruito originariamente con uno ipotetico costruito rispettando la normativa vigente (N.T.C. 2018), secondo il parametro dell’indice di difformità. 

Per definire la struttura posta in esame, è stato creato un modello con il programma CDM DOLMEN, partendo dai dati ricavati dal progetto originale della struttura. Per tale creazione sono stati presi in considerazione gli esecutivi originali. Il modello è stato redatto con il metodo agli elementi finiti (vedasi figura 2) e sono stati utilizzati elementi monodimensionali per le travi e i pilastri ed elementi bidimensionali per le pareti.

Fig. 2 Modello tridimensionale - Assonometria 30-30

La struttura è stata caricata con le sollecitazioni esistenti, ovvero con i valori presenti nella relazione tecnica del progetto originario. Quindi definita l’analisi dei carichi e il calcolo sismico che gravano sull’edificio, è stato possibile modellare la struttura e ricavare in base alle sezioni degli elementi quale quantità di armatura dovrebbe avere la struttura se questa fosse stata creata con la normativa di oggi. Nel programma sono state inserite le dimensioni reali delle sezioni di travi e pilastri con le relative armature, poi si sono confrontati i valori ricavati dall’analisi di questa struttura con quelli che si avrebbero se questa fosse stata costruita oggi con la normativa vigente. Nelle figure sottostanti è possibile vedere un esempio di una trave reale, rispetto a quella generata dal programma.

Un dato importante scoperto a seguito dell’analisi del modello tramite il software in questione, è stato che la quasi totalità delle travi disegnate con l'armatura esistente non hanno superato le verifiche di resistenze: la maggior parte solo per il quantitativo minimo di armatura. Questo è dovuto al fatto che i limiti di normativa seguiti durante la progettazione di questo edificio erano diverse da quelle odierni e quindi questo potrebbe giustificare il loro mancato superamento. La modellazione dei pilastri è stata realizzata in maniera analoga a quella delle travi e anche in questo caso le verifiche di resistenza sono risultate quasi sempre non verificate, eccetto alcuni elementi.

Successivamente si è passati alla modellazione dei solai in latero cemento: gli orizzontamenti sono formati da uno spessore di 20+5 cm e le armature sono date dalla presenza di travetti prefabbricati. 

Analisi dei risultati dell'analisi strutturale

Per l’analisi dei risultati è stato preso in considerazione l’indice di difformità GDD parametro che valuta il rapporto tra i quantitativi di armatura previsti: nel progetto originario della struttura posta in esame e quelli calcolati in ottemperanza alla Normativa Tecnica per le costruzioni del 2018, quindi secondo i limiti che sono imposti oggi.

NOTA BENE

L’analisi dell’indice di difformità GDD consente di valutare quale effettivamente sia la differenza di armatura tra l’edificio esistente e quella che dovrebbe avere se fosse stata costruita seguendo la normativa vigente; quindi permette di capire quanto ciascuna membratura strutturale sia in difetto rispetto ad una soglia di riferimento, fornita in questo caso dalla N.T.C. 2018. Tale parametro consente di ottenere indicazioni inerenti alla vulnerabilità strutturale, soprattutto in relazione al comportamento in presenza di azione sismica. Quanto più elevato è l’indice di difformità, tanto più vulnerabile sarà la struttura nei confronti del sisma. 

Quindi per l’edificio posto sotto analisi si è osservato che, per il valore finale GDD ricavato, il livello di vulnerabilità dell’intero edificio (espresso in termini di quantità di armatura mancante al raggiungimento dello standard di armatura) risulta essere molto elevato per le travi (105,50 %), mentre per i pilastri risulta essere pari a 31,86%. 

Successivamente, sono state valutate le caratteristiche geometriche e meccaniche della struttura, sono state messe a confronto quindi le caratteristiche costruttive di travi, pilastri (differenziando quelli perimetrali, rispetto a quelli centrali), setti e solai di cinque edifici, tutti situati nel territorio della città di Casale Monferrato, costruiti in epoche diverse e seguendo così normative differenti considerando sia la geometria degli elementi che il quantitativo di armatura presente. Per collocare nel tempo in modo corretto questi diversi elementi, tali misure sono state paragonate alle membrature degli edifici rappresentativi della città di Torino. Questi dati sono stati estrapolati dal lavoro di tesi dell’Ingegnere Alberto Prataviera, il quale evidenzia la distribuzione delle dimensioni degli elementi costruiti nel corso degli anni nella città di Torino. Per poter studiare questi parametri sono stati presi in considerazione edifici di tipo abitativo a più piani (ad esempio condomini) presenti nella città posta in esame. Quindi per la città di Casale la scelta è ricaduta su cinque edifici partendo dal 1966 fino ad arrivare al 2018, così facendo sono state analizzate le strutture prima e dopo la normativa vigente, al contrario di Prataviera, il quale ha analizzato gli edifici del torinese dal 1975 al 2003. Per ciascuna struttura sono state analizzate separatamente le dimensioni geometriche e le armature di travi, pilastri, setti e solai. Nell’immagine seguente è possibile visionare uno dei parametri studiati: la lunghezza media delle travi.

Tabella 1 Rappresentazione della lunghezza media della trave

Lo scopo di questa tesi è stato quello di valutare la vulnerabilità sismica delle strutture, per mezzo dell’analisi dell’indice di difformità. Tale parametro consente di ottenere indicazioni inerenti alla vulnerabilità strutturale, soprattutto in relazione al comportamento in presenza di azione sismica. Si è potuto constatare che i valori di GDD sono in linea con quelli già misurati in altre località del Piemonte, ove è presente un’elevata vulnerabilità sismica degli edifici in c.a. 

Infine, con l’utilizzo dei valori studiati è possibile creare un database della geometria degli elementi strutturali di edifici in c.a. per analisi semplificate (senza fare rilievi) di vulnerabilità strutturale.