Scheda 3

SCHEDA NUM.
3
DATI IDENTIFICATIVI DELLA STRUTTURA
LAVORI PER IL CONSOLIDAMENTO E LA RIPARAZIONE DEI DANNI DEL "PLESSO
Titolo Progetto:
SCOLASTICO DI VIA DEI CAPPUCCINI"
Tipologia di intervento
Retrofit edificio esistente
Città:
RAMACCA
Indirizzo:
VIA CAPPUCCINI RAMACCA
Localizzazione
■
Nuova Costruzione
Provincia:
Interno al centro abitato
□
□
CATANIA
Esterno al centro abitato
□
Coordinate Geografiche
..........................................................................
Dati Catastali
..........................................................................
Proprietario:
Pubblico
Destinazione d’uso
EDIFICIO SCOLASTICO
Progettista/i:
Dott. Ing FABIO NERI
Direttore dei lavori:
..........................................................................
Impresa costruttrice:
..........................................................................
Stato dei lavori:
COMPLETATO
■
Privato
□
Costo dell’intervento complessivo:
584.783 €
Costo intervento strutturale
366.014 €
Costo del sistema di protezione sismica
153.823 €
Normativa sismica:
OPCM 3274 e successive modifiche ed integrazioni
DATI SULL’AZIONE SISMICA
Zona sismica
Accelerazione orizzontale massima di
ancoraggio ag su suolo di categoria A.
1□
2■
0.25g
4□
Altro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Origine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1,0 ■
Coefficiente di amplificazione
topografica ST
3□
1,2 □
B■
C□
1, 4 □
Categoria di suolo di fondazione
A□
D□
E□
S1 □
S2 □
Indagine eseguita per l’attribuzione
della categoria del suolo di fondazione
...............................................................
...............................................................
Fattore di importanza γI
1.2
DATI DIMENSIONALI ETA’ COSTRUZIONE/RISTRUTTURAZIONE
Numero di piani totali compresi interrati: 3
Altezza media di piano:
3.00mt
Superficie media di piano:
750mq
Anno di progettazione
1975-1980 circa
Anno di ultimazione della costruzione
1975-1980 circa
Eventi sismici significativi
Eventi sismici e vulcanici dell’Etna dell’Ottobre 2002
Scheda 3 pag.1
DATI SULLA TIPOLOGIA STRUTTURALE
CEMENTO ARMATO
Materiale strutturale
principale
Tipologia strutturale del
sistema resistente
STRUTTURA INTELAIATA IN CEMENTO ARMATO
Diaframmi orizzontali
Diaframmi rigidi
Copertura
Copertura spingente □
Fondazioni
Travi rovesce a T non collegate a graticcio, e pali di fondazioni dopo l’intervento
Fondazioni a quote diverse
SI □
NO ■
Edificio regolare in pianta
SI ■
NO □
Edificio regolare in altezza
SI □
NO■
Regolarità dell’edificio
SI □
NO ■
Classe di duttilità dell’edificio
CD”A” □ CD”B” ■
Fattore di struttura
q= 4
Coefficiente di smorzamento
ξ = 5%
Livello di conoscenza
LC1 □
LC2 ■
■
Diaframmi flessibili
□
Copertura non spingente ■
LC3 □
Caratteristiche meccaniche
dei materiali
Resistenza a Resistenza a
compressione trazione
(N/mm2)
(N/mm2)
Calcestruzzo esistente
Rck 20 MPa
Rc,m=20
fck 16,6
Acciaio armatura esistente
FeB44k
Resistenza a
taglio
(N/mm2)
Modulo elastico
normale
(N/mm2)
Modulo elastico
tangenziale
(N/mm2)
|__|__|__
|__|__|__
Ec=25.490
|_ |_ |_ |_ |_ |_
|__|__|__
fyk= 430
ftk= 540
|__|__|__
Es=210.000
|_ |_ |_ |_ |_ |_
Calcestruzzo parti nuove
Rck 25 MPa
Rck ≥ 25
fck 20.7
|__|__|__
|__|__|__
Ec=28.500
|_ |_ |_ |_ |_ |_
Acciaio armatura parti nuove
FeB44k
|__|__|__
fyk= 430
ftk= 540
|__|__|__
Es=210.000
|_ |_ |_ |_ |_ |_
Acciaio controventi Fe360
|__|__|__
fu=360Mpa
fy=235Mpa
|__|__|__
Es=210000 Mpa
|_ |_ |_ |_ |_ |_
Scheda 3 pag.2
DATI SUL SISTEMA DI PROTEZIONE SISMICA UTILIZZATO
CONTROVENTI DISSIPATIVI ALL’INTERNO DELLE MAGLIE DEI TELAI
Sistema/i di protezione sismica
Ditta produttrice dei dispositivi:
FIP INDUSTRIES
Modello/i dei dispositivi
installati:
Num
disp.
Forza
caratt.
Spost.
Caratt.
Distrib. in pianta dei
dispositivi .
Distrib. in elevazione
dei dispositivi.
Dissipatore BRAD 21/40
8
Fy =150kN
±20mm
Centrali in pianta
III elevazione
Dissipatore BRAD 20/30
8
Fy = 150kN
±15mm
Centrali in pianta
II elevazione
Dissipatore BRAD 39/30
8
Fy = 300kN
±15mm
Centrali in pianta
I elevazione
Numero totale dispositivi
24
ANALISI DELLA STRUTTURA E RISULTATI OTTENUTI
Metodo d’analisi della
Statica lineare □ dinamica modale □ statica non lineare ■
struttura
Altro: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
dinamica non lineare □
Periodi della struttura priva di dispositivi antisismici:
longitudinale
|__,|__|__sec
trasversale
torsionale
Periodi della struttura con i dispositivi antisismici:
longitudinale
trasversale
torsionale
0,453 sec
0,453 sec
|__,|__|__sec
Spostamento massimo di interpiano:
15.8 mm
Peso totale della struttura
|__|__|__|__|__|__kN
Livelli di PGA per i diversi Stati Limite
Valori di PGA di riferimento
Indicatori di Rischio
|__,|__|__sec
|__,|__|__sec
PGACO
PGADS
PGADL
..............
..............
..............
PGA2%
PGA10%
PGA50%
..............
..............
..............
αu =
PGACO
PGA2%
..............
α 'u =
PGADS
PGA10%
..............
αe =
PGADL
PGA50%
..............
Scheda 3 pag.3
ASPETTI PECULIARI DELL’INTERVENTO DI PROTEZIONE SISMICA:
DESCRIZIONE DELL’INTERVENTO
L’edificio in oggetto, ubicato a Ramacca a circa 50 km da Catania, è stato costruito in opera in c.a.
nella seconda metà degli anni 70 e quindi prima della classificazione sismica del territorio comunale.
Questo è stato dichiarato inagibile dopo avere rilevato un diffuso quadro fessurativo negli elementi
divisori conseguente agli eventi vulcanici e sismici dell’ottobre 2002 che hanno colpito la Sicilia
Orientale. Al fine di ripristinare la struttura e migliorarne il comportamento sismico, data la
sensibilità della destinazione d’uso, si è proceduto come descritto di seguito.
STATO DI FATTO
L’edificio si presenta con una pianta compatta di forma rettangolare e con due assi di simmetria
estendendosi per circa 32 m nella direzione maggiore e per 25 m in quella minore, con una superficie
coperta di circa 750 mq, due piani fuori terra ed un volume complessivo di circa 6.500 mc.
Strutturalmente l’edificio è realizzato mediante struttura intelaiata in cemento armato. Le fondazioni
sono di tipo diretto realizzate mediante travi a T rovesce con un’anima 30x90 cm ed ala 180x25 cm.
Pur non essendo presente un graticcio di fondazione che collega alla base i pilastri in due direzioni
ortogonali questi sono collegati lungo una direzione e lungo il perimetro dell’edificio. Le travi di
fondazioni sono opportunamente rigide flessionalmente e con una superficie d’impronta sul terreno
tale da garantire uno stato tensionale compatibile con le caratteristiche meccaniche dei terreni di
fondazione.
I telai in elevazione sono costituiti da una tipologia mista tra telai piani e telai spaziali. Sia le travi
che i pilastri sono stati progettati solo per condizioni di carico verticale. I pilastri sono stati
dimensionati in funzione dell’area di influenza, mentre le travi per schemi di travi parzialmente
incastrate alle estremità.
Si registra la presenza di quattro setti in c.a. di forma quadrata di lato 4.00 m e spessore 20 cm. Tali
elementi sono debolmente armati con una doppia rete di armatura su entrambe le facce. Le armature
presenti non sono in grado di conferire alcuna caratteristica di duttilità ai setti.
I solai sono realizzati in latero cemento di 23 cm di spessore collegati da travetti di ripartizione delle
dimensioni 30x15 cm. Nella zona centrale si trova un atrio coperto che strutturalmente rappresenta
una interruzione degli impalcati di piano e che svetta in elevazione rispetto il solaio di copertura
creando una irregolarità nella struttura.
Il progetto di miglioramento delle prestazioni sismiche di un edificio come quello in oggetto,
caratterizzato da insufficiente duttilità e resistenza, è stato ulteriormente complicato in questo caso
dall’aver riscontrato calcestruzzi di qualità inferiore a quanto previsto in fase progettuale e da
notevoli valori di cedimenti in fondazione che rappresentavano la vera causa del quadro fessurativo.
INDAGINI VERIFICHE PRELIMINARI E SISMICITA’
Essendo riusciti ad entrare in possesso solo parzialmente della documentazione relativa al progetto
strutturale originale, propedeuticamente all’avvio della fase progettuale si è avviata una campagna di
indagini diagnostiche, basata su un accurato rilievo geometrico e strutturale (travi, pilastri e
fondazioni) e su sondaggi finalizzati ad individuare l’armatura presente, i particolari dei nodi, le
caratteristiche meccaniche dei materiali nonchè il relativo stato di degrado e dei dissesti (quadri
fessurativi e cedimenti).
Scheda 3 pag.4
Il progetto del piano di indagini è stato redatto al fine di raggiungere un livello di conoscenza LC2
secondo quanto previsto dall’O.P.C.M. 3274. Il rilievo accurato dei cedimenti della struttura e del
quadro fessurativo ha registrato cedimenti massimi di circa 130 mm e come questi fossero la causa
del quadro fessurativo presente. Inoltre in corrispondenza della zona oggetto dei maggiori cedimenti
si sono riscontrati valori di resistenza dei cls notevolmente inferiori a quelli di progetto (10-13 mPa).
Inevitabilmente le verifiche strutturali dello stato di fatto hanno evidenziato, coerentemente a quanto
previsto, la incapacità della struttura di resistere alle azioni di progetto relative alle nuove costruzioni.
L’edificio è collocato in una zona in pendio caratterizzato da una alternanza di depositi
pluviocolluviali con strati di argille limose che possono essere classificati, ai sensi della OPCM 3274
e smi, come terreni di tipo B. Il comune di Ramacca è classificato in zona sismica di II categoria con
PGA=0,25 g.
PROGETTO DELL’INTERVENTO DI PROTEZIONE SISMICA
Vista la tipologia del sistema strutturale costituita da telai in c.a., nonché la distribuzione dei singoli
elementi resistenti, il miglioramento sismico è stato effettuato mediante l’inserimento di controventi
dissipativi con l’obbiettivo di ridurre l’effetto delle azioni orizzontali sul complesso strutturale in c.a.,
indirizzando l’energia trasmessa dal sisma in zone opportunamente concepite in termini di resistenza
e di capacità dissipativa (telai controventati).
Pianta carpenteria piano terra e posizionamento Telaio controventato T.1
telai di controvento
I controventi sono stati realizzati collegando in serie ad un’asta in acciaio un dispositivo antisismico
(dissipatore). La tipologia di dissipatori scelta per l’intervento, rientra nella categoria dei dissipatori
isteretici assiali ad instabilità impedita (Buckling Restrained Axial Dampers - BRAD).
Tali sistemi, particolarmente adatti ad essere utilizzati per l’adeguamento sismico di edifici intelaiati
Scheda 3 pag.5
in acciaio, cemento armato o c.a.p., presentano le proprie capacità dissipative quando soggetti a cicli
alterni di trazione e compressione
Considerando la distribuzione degli ambienti, ed avendo valutato preliminarmente i carichi e le masse
coinvolte, si è scelto di disporre i controventi all’interno dei telai costituenti il vano centrale
dell’edificio, controventando quattro telai per ogni direzione principale, per un totale di 24 elementi
dissipativi.
Avendo concentrato l’intervento in questa zona (atrio), priva di impalcato al primo ed al secondo
livello, si sono agevolate le lavorazioni e si è potuto evitare di intervenire all’interno delle aule o nei
tompagni perimetrali, ovvero in zone che avrebbero comportato maggiori oneri per il ripristino dello
stato dei luoghi e delle loro funzionalità.
La progettazione del sistema dissipativo è stata effettuata in maniera iterativa cercando di conciliare il
range di operatività del sistema controvento equivalente definita a livello teorico (quindi la rigidezza
e la resistenza richiesta in funzione della struttura esistente), con le caratteristiche meccaniche e
geometriche reali dei due elementi costituenti lo stesso.
La procedura di calcolo ha seguito dunque due passi fondamentali: il primo, costituito dal calcolo
della rigidezza e della resistenza equivalente dell’intero sistema in funzione degli spostamenti di
interpiano e dell’azione sismica di riferimento, il secondo, costituito dalla scelta delle caratteristiche
meccaniche e geometriche degli elementi asta e dissipatore e la relativa verifica mediante analisi non
lineari.
Nella tabella seguente si riportano le caratteristiche dei controventi dissipativi utilizzati in progetto.
Caratteristiche dei controventi dissipativi
Nella configurazione post intervento le azioni sismiche si concentrano nei controventi e di
conseguenza nelle maglie strutturali che li contengono. Al fine di un efficace funzionamento
dell’intervento progettuale è necessario: in una logica di “criterio di gerarchia delle resistenze”, che
gli elementi strutturali preposti al trasferimento delle azioni sismiche al terreno rimangano in campo
elastico; che i cedimenti in fondazione siano trascurabili (in caso contrario le torri contenenti i
controventi si comporterebbero come un corpo rigido incernierato alla base).
I precedenti problemi sono stati risolti mediante l’accoppiamento di angolari e piatti metallici alle
travi ed ai pilastri delle torri di controvento e con la realizzazione di un sistema di micropali in
corrispondenza dei punti di scarico sul terreno dei sistemi di controvento.
Al fine di validare l’efficacia della soluzione progettuale si sono effettuate analisi lineari e non
lineari. Con riferimento a queste ultime si sono condotte delle analisi time-history non lineari
utilizzando come input accelerogrammi spettro compatibili.
Le analisi condotte hanno mostrato una notevole riduzione degli spostamenti e delle sollecitazioni
nella struttura esistente, con al contempo richieste di duttilità nei dissipatori compatibili con quanto
disponibile.
Scheda 3 pag.6
Confronto massimi spostamenti di interpiano per il sistema con e senza contrventi dissipativi
Le analisi non lineari effettuate sul sistema finale hanno mostrato come l’obbiettivo di progetto
dell’adeguamento sismico, come definito dall’O.P.C.M. n.3274/03 e s.m.i., venga ampiamente
soddisfatto. Al contempo si è cercato di integrare l’intervento progettuale con il contesto edilizio
esistente.
Vista dei telai controventati T.1-T.2
Gli studi condotti hanno mostrato l’elevata efficacia della tecnica della dissipazione energetica,
mediante dissipatori isteretici, nel migliorare la protezione sismica degli edifici esistenti in c.a..
A differenza di interventi tramite l’isolamento alla base, i controventi dissipativi sono quasi sempre
applicabili per strutture intelaiate in c.a., sebbene il loro utilizzo impone interventi diffusi all’interno
degli edifici producendo un non sempre trascurabile livello di invasività e di interferenza con il
regolare svolgimento delle attività svolte.
Scheda 3 pag.7
Vista del telaio T.1
Particolare dell’attacco del controvento
Scheda 3 pag.8