adeguamento sismico di edifici in ca mediante isolamento alla base

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Protezione sismica dell'edilizia esistente e di nuova edificazione attraverso sistemi innovativi
Final Workshop, 12-13 maggio 2000, Napoli
ADEGUAMENTO SISMICO DI EDIFICI IN C.A. MEDIANTE
ISOLAMENTO ALLA BASE: APPLICAZIONE AD UN CASO REALE
Mauro Dolce 1, Michelangelo Laterza1, Angelo Masi2, Feliciano Troiano1
SOMMARIO
Viene presentata, esaminandone tutti gli aspetti progettuali, un’applicazione della tecnica
dell’isolamento sismico all’adeguamento di un edificio in c.a. progettato senza criteri antisismici.
Il lavoro affronta tre problematiche principali: il livello di protezione sismica raggiungibile, la
progettazione esecutiva, l’analisi economica. Per quanto riguarda il livello di protezione
conseguibile, la risposta sismica della struttura isolata è stata messa a confronto con quella
dell’attuale, ottenendo risultati che hanno confermato l’efficacia del metodo. Particolare rilievo è
stato dato alla progettazione esecutiva, fornendo una soluzione ai tipici problemi tecnologici che
condizionano la realizzabilità di un simile intervento. La stima del costo di intervento ed il
raffronto di tale costo con quello di un intervento tradizionale, hanno evidenziato la convenienza
economica dell’isolamento sismico.
SUMMARY
An application of the seismic isolation technique to the retrofit of a R/C building designed with no
seismic resistance is presented. The work deals with three main problems: seismic protection level
which can be attained, detailing and construction procedure, cost analysis. As far as the protection
level is concerned, the seismic response of the isolated structure has been compared with that of
the fixed base structure, confirming the effectiveness of the retrofitting technique. A special
concern has been given to the detailing, providing a solution of the typical technological problems
which condition the feasibility of such intervention. The estimation of the costs and the
comparison with the cost of a conventional retrofit has shown the economical convenience of
seismic isolation.
1. INTRODUZIONE
Nell’adeguamento sismico di edifici esistenti, alle classiche tecniche di rinforzo si affiancano oggi metodi
innovativi [1] che hanno dimostrato la loro straordinaria efficacia in numerose prove sperimentali [2, 3, 4]. Fra
di essi, l'isolamento alla base, utilizzato frequentemente per gli edifici nuovi [5], presenta in molti casi vantaggi
considerevoli rispetto ad altre tecniche, quali il rafforzamento diffuso su tutti gli elementi strutturali, o
l’inserimento di nuovi elementi di elevata rigidezza e resistenza, quali pareti, controventi, etc..
Queste ultime, infatti, mirano ad aumentare la sicurezza al collasso delle strutture migliorandone le
caratteristiche di resistenza e duttilità, ma richiedono estesi interventi di rifacimento delle parti non strutturali e
aggravi degli sforzi in fondazione, con conseguenti sensibili aumenti dei costi di intervento. In alternativa, la
tecnica dell’isolamento alla base riduce direttamente le sollecitazioni sugli elementi strutturali e sulle fondazioni
e permette di non intervenire sulla struttura in elevazione né, in assenza di dissesti, sulla struttura di fondazione.
Seppure in presenza di alcune complicazioni particolarmente delicate quali:
• elevati spostamenti relativi rispetto al terreno, nei confronti dei quali occorre verificare la compatibilità con
il corretto funzionamento degli impianti e con la presenza di edifici contigui,
• inserimento degli isolatori tra struttura e fondazione, di cui si parlerà diffusamente nel seguito,
l’isolamento alla base, rispetto ai normali ed irrinunciabili obiettivi garantiti da una progettazione tradizionale,
assicura alcune prestazioni aggiuntive, generalmente orientate verso il controllo della risposta ai terremoti più
violenti, grazie al miglioramento della sicurezza, con il contenimento o l’eliminazione pressoché completa dei
1Dipartimento di Strutture, Geotecnica, Geologia Applicata all'Ingegneria, Università degli Studi della Basilicata
2 Dipartimento di Scienze, Storia dell’Architettura e Restauro, Università degli Studi “G. D’Annunzio” di Chieti
danni. Tali prestazioni appaiono ancor più apprezzabili, se si considerano i danni indiretti insieme a quelli
riguardanti gli elementi non strutturali ed i valori contenuti (beni economici, situazioni di alta pericolosità, valori
“intangibili” come vite umane o beni artistici e storici non ripetibili). Inoltre, come si vedrà in seguito, alcune
stime orientative basate sulla valutazione dei costi di intervento, hanno evidenziato significative convenienze
anche dal solo punto di vista economico.
Nel presente lavoro vengono esaminati tutti gli aspetti progettuali relativi all’applicazione dell’isolamento ad un
particolare edificio, per conseguire il pieno adeguamento sismico, ai sensi della norme italiane [6, 7]. Oltre ad
effettuare le necessarie analisi per la determinazione di sollecitazioni e deformazioni nella struttura e nel sistema
d’isolamento, si è particolarmente curato l’aspetto esecutivo, mettendo a punto idonei dettagli costruttivi e
l’intera procedura applicativa. Infine si è svolto un confronto economico al fine di valutare la convenienza
dell’isolamento sulla base dei soli costi di applicazione.
2. CARATTERISTICHE DELL'EDIFICIO DA ADEGUARE
L’edificio oggetto di studio (Figg.1 e 2), situato in provincia di Potenza nel comune di Acerenza, fu progettato
nei primi anni '70 e completato nel 1980.
N° impalcati
3
Superficie impalcato tipo
495 mq
Altezza max
Fuori terra
13 m
Fig. 1 Dati metrici dell'edificio
Il progetto fu depositato al Genio Civile nell'ottobre del 1972, ma fu redatto secondo le norme tecniche
antecedenti la legge 1086 del 1971 e utilizzando in pratica il R.D. del 1939. L'attuale destinazione d'uso è di
centro di riabilitazione psicomotoria.
L’edificio è costituito da tre piani fuori terra e da una copertura a falde inclinate. Al piano terra sono ubicati la
palestra, lo studio medico ed i locali di servizio, tra i quali una lavanderia, al primo piano le sale di terapia ed i
bagni. Il secondo livello è invece inutilizzato.
La superficie media del primo impalcato è di 669 mq, i livelli superiori hanno invece una superficie di 495 mq.,
l’altezza massima fuori terra è di 13.00 m.
Le fondazioni sono di tipo diretto e costituite da travi rovesce poste a quota 2.30 m dal livello campagna.
Le strutture portanti in c.a. sono costituite da pilastri e travi realizzate solo nella direzione ortogonale
all’orditura dei solai, ad eccezione dei telai di estremità. Le travi, tutte emergenti, sono armate con percentuali di
armatura molto basse così come i pilastri (mediamente dell’ordine del 1%).
I solai sono di tipo misto con travetti in c.a.p., di altezza totale pari a 38 cm. Le tamponature sono costituite da
una fila esterna di mattoni pieni ed una interna di mattoni forati.
Il collegamento verticale è costituito da una scala realizzata con travi a ginocchio, in posizione centrale.
In conseguenza degli eventi sismici susseguitisi nell’area a partire dall’evento del 23/11/1980, la costruzione,
sulla quale non è stato eseguito alcun intervento, sembra non aver subito danni evidenti alle strutture. Sono
visibili solo lesioni di piccola entità nelle tamponature, accompagnate a distacco di intonaco.
Il calcestruzzo adoperato per la realizzazione dell'edificio è di classe Rck 180, con valori della resistenza di
progetto fcd = 9.35 N/mm2 e della tensione ammissibile sc,amm = 6.75 N/mm2. Le tensioni tangenziali ammissibili
valgono tco = 0.44 N/mm2 e t c1 = 1.49 N/mm2. L'acciaio è di classe FeB 22k con valori della resistenza di
progetto fyd = 191.3 N/mm2 e della tensione ammissibile sf,amm = 115 N/mm2.
Fig. 2 - Carpenteria I e II livello
3. ANALISI DELLO STATO DI FATTO
L'analisi dello stato di fatto è stata effettuata facendo riferimento alle norme attuali per le costruzioni in zona
sismica [6]. Le sollecitazioni provocate dalle azioni sismiche, sono state valutate convenzionalmente mediante
un’analisi modale e spettro di risposta per zona sismica di II categoria.
I carichi unitari permanenti considerati sono gli stessi utilizzati nella progettazione originaria, mentre per i
variabili si è fatto riferimento alla normativa vigente.
Le verifiche di resistenza sono state effettuate allo Stato Limite Ultimo (SLU).
4. MODELLAZIONE E ANALISI DELLO STATO DI FATTO
La struttura é stata modellata in campo elastico, adottando e.f. monodimensionali. E’ stata utilizzata la classica
schematizzazione tridimensionale a piani rigidi. I solai di copertura, inclinati, sono stati schematizzati attraverso
un piano orizzontale posto alla quota del baricentro delle masse e collegato rigidamente al piano sottostante (la
copertura è costituita strutturalmente da capriate, sostanzialmente indeformabili per azioni orizzontali). I valori
delle masse di piano traslazionali e rotazionali, sono riportati in Tab. 1.
I livello
7458
MT [t]
MR [t⋅m2]
Modo
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
II livello
5505
Sottotetto
2428
1518646
1229684
463851
Tab. 1 - Masse di piano espresse in tonnellate massa.
T (sec)
0,905
0,800
0,648
0,353
0,308
0,295
0,171
0,159
0,138
Smx (%)
mx (%)
my (%)
0,000
76,532
0,000
0,076
0,585
0,076
62,313
0,000
62,389
0,003
18,972
62,392
31,076
0,002
93,468
0,032
0,000
93,500
0,014
3,614
93,514
0,630
0,259
94,144
5,261
0,004
99,405
Tab. 2 - Modi di vibrare della struttura esistente
Copertura
2007
382815
Smy (%)
76,532
77,117
77,117
96,089
96,091
96,091
99,705
99,964
99,968
Nella Tab.2 sono caratterizzati, attraverso il periodo T e la partecipazione delle masse m secondo le due
direzioni principali in pianta (x longitudinale, y trasversale) i primi nove modi di vibrare della struttura.
Il primo modo, di periodo piuttosto elevato (T=0.90sec), risulta essere di traslazione lungo y e cioè nella
direzione in cui mancano le travi. Il secondo modo è, chiaramente, rotazionale, mentre il terzo modo, il primo
nella direzione x, ha periodo decisamente più basso (T=0.648sec).
In Tab. 3 sono riportate, per uno dei due telai longitudinali principali, le verifiche di resistenza delle travi e dei
pilastri maggiormente sollecitati. Il superamento della condizione di rottura è indicato con la sigla (N.V.), ed è
caratterizzato da una percentuale R ult/Rmax pari al rapporto tra la resistenza ultima e la corrispondente
sollecitazione massima.
N°
9-10
10-11
11-12
12-13
13-14
N°
9
10
11
12
13
18
VERIFICHE TRAVI (flessione)
I livello
Mult/Mmax
N°
I livello
N.V.
60%
14-15
N.V.
N.V.
60%
15-16
N.V.
N.V.
60%
16-17
N.V.
N.V.
60%
17-18
N.V.
V.
110%
VERIFICHE PILASTRI (pressoflessione)
I livello
Rult/Rmax
N°
I livello
N.V.
80%
19
N.V.
N.V.
85%
20
V.
N.V.
95%
21
N.V.
N.V.
95%
22
N.V.
N.V.
95%
23
N.V.
N.V.
75%
24
N.V.
Tab. 3 Verifiche di resistenza di travi e pilastri
Mult/Mmax
55%
65%
55%
60%
Rult/Rmax
65%
120%
85%
55%
40%
80%
I risultati delle verifiche mettono chiaramente in evidenza l’inadeguatezza della struttura nei confronti
dell’azione sismica di progetto, ma fanno anche presumere un comportamento a travi deboli e pilastri forti,
comunque auspicabile in una struttura intelaiata, ed una non trascurabile resistenza alle azioni orizzontali,
premessa indispensabile ad una favorevole applicazione dell’isolamento sismico.
5. ADEGUAMENTO SISMICO DELL'EDIFICIO
L’adeguamento sismico dell'edificio mediante isolamento alla base è stato progettato in accordo con [7],
rispettando i seguenti requisiti:
• livello di protezione nei confronti dei danni, strutturali e non, tale da evitare la limitazione d’uso, anche
parziale, dell’edificio o la necessità di interventi di riparazione;
• livello di protezione a collasso, dei dispositivi di isolamento e delle sottostrutture, superiore a quello della
sovrastruttura.
Tali requisiti vengono assicurati attraverso le verifiche allo Stato Limite di Danno (SLD), per un evento sismico
caratterizzato da un prefissato periodo medio di ritorno TR (la risposta dell’insieme isolatore-struttura si deve
mantenere entro il campo lineare elastico), ed allo Stato Limite Ultimo (SLU), per un evento sismico
caratterizzato da un periodo medio di ritorno superiore al precedente (i dispositivi di isolamento possono
raggiungere le condizioni limite di funzionamento e la struttura subire danni, strutturali e non, di entità
controllata; le strutture poste al di sotto del livello di isolamento devono restare in campo elastico).
Per quanto riguarda le caratteristiche dell’azione, ed in particolare la forma dello spettro, si è fatto riferimento a
terreni sia rigidi (tipo A secondo le [7]) che mediamente rigidi (tipo B), sebbene le caratteristiche del sito
facciano propendere per il primo tipo.
5.1 Modellazione dell’edificio adeguato:
La struttura è stata calcolata con lo stesso modello utilizzato per l’analisi dello stato di fatto, modificandolo per
la presenza degli isolatori e del grigliato di travi al primo livello isolato. Sono stati utilizzati isolatori
elastomerici armati, modellati in campo elastico, in accordo con le direttive fornite dalle [7], assumendo la
rigidezza secante in corrispondenza della deformazione di progetto ed uno smorzamento x pari al 10%.
Pur essendo il terreno di fondazione appartenente alla categoria A, si è studiato il comportamento della struttura
anche nel caso di terreno del tipo B più deformabile.
L'azione sismica è stata quindi rappresentata con gli spettri di risposta elastici per terreni del tipo A e B riportati
in [7]. Assumendo un coefficiente di smorzamento viscoso pari al 10%, il fattore di riduzione dell’azione risulta:
h = 3 7 /(2 + x ) = 3 7 /(2 + 10) = 0.84
Essendo l'edificio ubicato in zona sismica di II categoria (S = 9), si è assunto ag/g=0.25 nelle verifiche allo SLU
e ag/g=0.07 allo SLD.
Tenuto conto della destinazione d'uso dell'edificio, è stato utilizzato un coefficiente d’importanza I = 1.2, che
porta il periodo di ritorno del terremoto di progetto da 500 anni a 750 anni. Le verifiche nei confronti dei due
stati limite, di danno ed ultimo, sono state eseguite per le seguenti combinazioni di azioni:
I ⋅ E + G K + Âi(Y0i Q Ki )
(SLD)
I ⋅ E + G K + Âi(Y2i Q Ki )
(SLU)
dove i simboli hanno il significato riportato in [7].
5.2 Progettazione degli isolatori:
Nel diagramma di Fig. 3 sono riportati gli sforzi normali alla base dei pilastri dovuti ai soli carichi verticali. Si
può notare l’evidente differenza di sforzo normale tra i pilastri 1-8 insieme a quelli del corpo scala, e i restanti.
In una prima ipotesi progettuale si erano disposti isolatori in gomma sotto tutti i pilastri, utilizzando due diverse
dimensioni, in dipendenza dell’entità dello sforzo assiale che gravava sull’appoggio. Tale ipotesi è stata
successivamente scartata, preferendo disporre appoggi scorrevoli (dispositivi aventi rigidezza tagliante
trascurabile) sotto i pilastri più scarichi (1-8 e corpo scala), ed utilizzando isolatori di dimensioni e
caratteristiche identiche per tutti gli altri.
Una volta noti la massa totale dell’edificio, il tipo d’isolatore (compresa la forma) e la sua disposizione nella
struttura, sono state definite le dimensioni geometriche dello stesso. A tale scopo, il comportamento della
struttura è stato assimilato a quello di un oscillatore ad un solo grado di libertà, per il quale occorreva fissare il
periodo fondamentale T che, compatibilmente con gli spostamenti consentiti all’edificio ed agli isolatori,
massimizzasse l’abbattimento della risposta sismica rispetto al caso di struttura fissa.
Nel caso in esame, considerato che l’edificio non ha strutture adiacenti, si è assunto per T il massimo valore
possibile, nel solo rispetto delle verifiche imposte dalle [7] agli isolatori. Il valore del periodo così determinato è
pari a 2.5 secondi per tutte e due le categorie di terreno. Sono stati comunque presi in considerazione anche i
casi con periodo T = 2.0 sec., progettando, in definitiva, 4 tipi di isolatori.
Le Linee Guida [7] consigliano di utilizzare un fattore di forma primario S1≥12, un fattore di forma secondario
S2≥4 e, per l’elastomero, un modulo elastico tangenziale G≥3.5 MPa.
Sia per l’isolatore di forma quadrata (assunta per ragioni d’ingombro nella progettazione relativa al terreno tipo
B) che circolare (per terreno tipo A), i fattori di forma possono essere espressi come:
A'
D
D
D
S1 =
=
e
S2 = =
L 4 ⋅ ti
te n ⋅ ti
dove A’ è l’area caricata dell’isolatore, L e ti rappresentano rispettivamente la superficie laterale libera e lo
spessore del singolo strato di elastomero, t e ed n rispettivamente l’altezza totale ed il numero di strati di
elastomero, mentre D è il diametro dell’isolatore circolare o il lato di quello quadrato (Fig. 4).
SFORZO NORMALE ALLA BASE (da carico verticale-SLU)
2000
1800
1600
1400
kN
1200
1000
800
600
400
200
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34
Pilastri
Fig. 3 - Sforzi assiali agenti negli isolatori
Fig. 4 – Isolatore quadrato e circolare
Nel dimensionamento degli isolatori si è imposta la condizione aggiuntiva che la rigidezza assiale del singolo
isolatore fosse maggiore o uguale a quella del pilastro sotto il quale veniva collocato. Tale condizione limita
eventuali fenomeni di rocking della sovrastruttura che, nell’intervento progettato, possono inficiare la
complanarità delle superfici degli appoggi scorrevoli, compromettendone il funzionamento.
Cat. A
Sezione
D[mm]
hi[mm]
te[mm]
ti[mm]
G[Mpa]
S1
S2
T=2.0 sec
Circolare
520
135
94
4,5
0,5
29
5,6
T=2.5 sec
T=2.0 sec
Circolare
Quadrata
520
550
160
175
114
135
5,0
6,5
0,4
0,5
26
21
4,6
4,07
Tab. 4 - Dati caratterisitci degli isolatori
Cat. B
T=2.5 sec
Quadrata
590
235
169
5,0
0,37
30
3,49
In Tab. 4 sono riportate le principali caratteristiche dei quattro tipi di isolatori ottenuti per le quattro situazioni
esaminate (terreno tipo A e B, periodo T pari a 2.0 e 2.5 sec).
6. ANALISI DELL'EDIFICIO ADEGUATO
Tutti e quattro i casi precedentemente descritti, relativi a diversi tipi di terreno e diverse condizioni di
isolamento, sono stati analizzati, al fine di valutare la risposta in campo lineare delle strutture adeguate. I
risultati sono stati confrontati con quelli determinati, utilizzando la normativa vigente per le costruzioni in zona
sismica, sulla struttura a base fissa, evidenziando le differenze ed i vantaggi conseguiti con l’isolamento
sismico.
6.1 Verifiche degli interventi di adeguamento
Le Figg. 5 e 6 rappresentano, per le strutture isolate, rispettivamente gli spostamenti alla base, calcolati come
somma vettoriale delle componenti nelle due direzioni considerate per l’azione sismica nella condizione di SLU
[7], e gli spostamenti relativi massimi di piano (drift) della sovrastruttura, nella condizione di SLD. Questi
ultimi risultano, nel caso di terreno tipo A, inferiori al valore limite paria all’1%o di h (altezza di interpiano).
Spostamenti medi di base struttura-terreno
313
cat.B, T=2,5sec
256
cat.B, T=2sec
cat.A, T=2,5sec
209
cat.A, T=2sec
168
0
100
200
300
400
[mm]
Fig. 5 - Spostamenti alla base degli edifici isolati
Spostamenti relativi del telaio più deformabile (dir - y)
0.73
0.94
3
1.11
1.39
cat. A, T=2,5 sec
0.72
cat. A, T=2sec
0.92
2
Livello
1.09
cat. B, T=2,5 sec
1.36
cat. B, T=2 sec
0.29
0.36
1
0.43
0.53
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
[d/h, 0/00]
Fig. 6 - Spostamenti relativi di piano
6.2 Verifica degli elementi strutturali
Ai fini delle verifiche degli elementi strutturali, le Linee Guida [7] permetterebbero di assumere, nel caso in
esame (S=9), un coefficiente di struttura pari a 1,5. I confronti riportati di seguito tra sollecitazione resistente e
sollecitazione agente fanno però riferimento, per maggiore generalità, alle sollecitazioni così come sono ottenute
dall’analisi elastica, senza alcuna riduzione.
Per quanto riguarda le travi (Tab. 5), si è calcolato il rapporto tra il momento ultimo, determinato attribuendo ai
coefficienti dei materiali un valore unitario [7], e quello massimo agente sulle travi più sollecitate (primo
livello).
Solo nel caso di terreno di categoria A e periodo T=2,5 sec., le sollecitazioni sono sempre inferiori alle
resistenze, mentre per T=2 sec. alcune travi necessiterebbero di piccoli rinforzi. Per la cat. B e T=2 sec. i rapporti
capacità/domanda sono simili a quelli della struttura a base fissa, sebbene, ai fini della sicurezza, occorre
considerare che per quest’ultima si è fatto riferimento ad uno spettro ridotto, che tiene implicitamente conto di
una significativa richiesta di duttilità alla struttura.
Per confrontare le sollecitazioni nei pilastri (Tab. 6 – primo livello maggiormente sollecitato), si è
convenzionalmente considerato un incremento proporzionale della sollecitazione di presso-flessione tra il punto
di coordinate (M, N) del dominio dato dai soli carichi verticali e quello conseguente alla combinazione dei
carichi verticali con il sisma. La condizione dei pilastri risulta pienamente soddisfacente per tutti i casi di
isolamento presi in esame, ad eccezione del caso relativo alla cat. B e T=2 sec. Rapportata a quella delle travi, la
condizione dei pilastri evidenzia ancora un favorevole comportamento a pilastri forti e travi deboli.
Confronto sollecitazioni nelle travi tra struttura fissa e quelle isolate
140%
120%
100%
80%
M u/M max
60%
40%
20%
0%
9-10
10-11
11-12
12-13
14-15
15-16
16-17
Stru. fissa
60%
60%
60%
60%
55%
65%
55%
17-18
60%
cat. A, T=2 sec
100%
100%
100%
95%
95%
105%
95%
100%
cat. A, T=2,5 sec
125%
125%
125%
120%
125%
135%
120%
130%
cat. B, T=2 sec
65%
65%
65%
65%
65%
70%
65%
70%
cat. B, T=2,5 sec
80%
80%
80%
80%
80%
85%
80%
90%
Tab. 5 – Verifica delle travi
Confronto sollecitazioni nei pilastri tra struttura fissa e quelle isolate
200%
180%
160%
140%
120%
Ru/Rmax
100%
80%
60%
40%
20%
0%
9
10
11
12
13
18
19
20
21
22
23
24
80%
85%
95%
95%
95%
75%
65%
120%
85%
55%
40%
80%
cat. A, T=2 sec
115%
165%
150%
160%
165%
130%
120%
135%
125%
100%
85%
120%
cat. A, T=2,5 sec
145%
190%
175%
185%
185%
165%
150%
165%
150%
125%
105%
155%
cat. B, T=2 sec
80%
120%
115%
120%
125%
85%
80%
95%
90%
65%
60%
80%
cat. B, T=2,5 sec
95%
140%
130%
140%
135%
110%
100%
115%
105%
115%
75%
100%
Stru. fissa
Tab. 6 – Verifica dei pilastri
Per il caso (terreno tipo A e periodo isolato T=2.5 sec) oggetto della progettazione esecutiva di seguito riportata,
sono state effettuate anche le verifiche allo SLD, risultate abbondantemente soddisfatte.
6.3 Progettazione esecutiva dell’intervento di adeguamento
Nello stato di fatto il piano terra poggia direttamente, tramite vespaio, sul terreno. La fondazione a travi rovesce,
2.35 metri al di sotto del piano campagna (Fig. 7-a), permette, per il notevole dislivello tra piano di posa e piano
di calpestio, di costruire il grigliato di travi irrigidenti, il solaio del primo livello isolato e di inserire gli isolatori
tra struttura di fondazione e grigliato (Fig. 7-b).
a)
b)
Fig. 7 - Confronto tra stato di fatto e intervento
La trave di fondazione è sottoposta ad elevate sollecitazioni torsionali per effetto delle forze di taglio indotte
dagli isolatori, richiedendo l’esecuzione di una serie di collegamenti trasversali, a formare un vero e proprio
graticcio. I collegamenti esistenti (Fig. 8), che risultano inadeguati, vengono sostituiti integralmente (Fig. 9).
Nella progettazione esecutiva dell'intervento di adeguamento, è necessario considerare due aspetti fondamentali:
• spostamenti dell’ordine di 22 cm, tra sovrastruttura e sottostruttura (fondazione);
• possibilità di sostituzione degli appoggi.
Gli interventi progettati (Figg. 9, 10, 11) per far fronte a queste due esigenze consistono in:
• realizzazione di un seminterrato non praticabile di altezza 2.0 m, allo scopo di accedere ai pilastri centrali
(12-13-14-15-16-17-18) e laterali (1-2-3-4-5-6-7-8);
• realizzazione di una intercapedine lungo tutto il perimetro dell’edificio in modo da consentire lo
spostamento di progetto e l’accessibilità ai pilastri perimetrali della struttura (9-11, 18-19, 24-34). Sul lato
dove vengono disposti gli appoggi scorrevoli, la fondazione esistente viene trasformata in muro di
sostegno, con il compito di sostenere e garantire la separazione della struttura in elevazione dal terreno a
tergo. Gli appoggi scorrevoli vengono disposti, in questo caso, all’intradosso del solaio superiore;
• realizzazione di uno scavo interno alla struttura, nella zona dove non viene realizzato il seminterrato, tra
solaio (ancora da realizzare) e piano di posa della fondazione, allo scopo di garantire lo spostamento
relativo tra la fondazione e la restante parte della struttura;
• realizzazione di un collegamento verticale interno tra piano terra e fondazione, per garantire l’accessibilità
ai pilastri (20-23) del vano scala, mediante una scala in ferro opportunamente isolata.
Le travi del primo livello isolato sono state dimensionate e armate in funzione del taglio trasmesso dai martinetti
nella fase di montaggio/rimozione degli appoggi, e quindi del funzionamento ad arco tirante, che richiede
un’armatura longitudinale dimensionata per assorbire uno sforzo di trazione pari al taglio.
Fig. 8 – Fondazione: stato di fatto
24
Fig. 9 – Fondazione: intervento
Fig. 10 – Grigliato superiore
Fig. 11 – Intervento: sezioni
6.4 Collegamento isolatori-struttura
Il collegamento tra gli isolatori e la struttura viene realizzato mediante unione bullonata. I bulloni vengono
collegati alle travi della fondazione esistente e del grigliato superiore, mediante bussole preventivamente
posizionate (Figg. 12-16).
Fig. 12 – Esempio di posizionamento delle bussole: vista assonometrica
Fig. 13 – Isolatore con contropiastra: vista in pianta
Fig. 14 - Particolare isolatore: sez. B-B'
Fig. 15 - Esempio di posizionamento delle bussole per il collegamento degli isolatori
Fig. 16 - Collegamento isolatore-struttura: sez. A-A'
6.5 Progettazione appoggi scorrevoli
Gli appoggi scorrevoli utilizzati (Figg. 17-19) sono del tipo teflon-acciaio INOX. Le dimensioni in pianta dello
strato di teflon dipendono dallo sforzo normale su di esso agente. Sono state adottate tensioni medie di lavoro
s = 10 N/mm 2 , ottenendo 2 tipologie di appoggio:
• appoggi scorrevoli del corpo scala: f 350 ;
• appoggi perimetrali: f 200 .
Nel caso degli appoggi del corpo scala, oltre allo strato precedentemente definito e posto centralmente rispetto
alla piastra, vengono disposti, alle quattro estremità della piastra, altri quattro dispositivi in teflon, con il
compito di garantire l’orizzontalità dello spostamento.
Fig. 17 - Appoggi scorrevoli 1-7: sez. trasversale (A-A')
Fig. 18 - Appoggio scorrevole: piastra inferiore con area di impronta del PTFE (corpo scala)
Fig. 19 - Appoggi scorrevoli: particolare
6.6 Impianti
Per il collegamento delle tubazioni dell’impianto idrico-sanitario di carico e scarico alla rete di adduzione ed
alla rete fognaria, si utilizzano comuni tubi flessibili di lunghezza opportunamente maggiorata (Fig. 20), che
permettono, per estensione del tratto curvo, uno spostamento orizzontale tra la sovrastruttura e il terreno pari a
25 cm. La soluzione può essere adottata anche per l’impianto elettrico, predisponendo un cavo di collegamento
tra struttura e rete esterna anch’esso di lunghezza maggiorata.
Fig. 20 - Collegamento delle tubazioni idriche e di scarico
7. FASI ESECUTIVE DELL'INTERVENTO
Le fasi per la realizzazione dell’intervento sono così suddivise:
• demolizione della tamponatura e tramezzatura al primo livello;
• scavo all’interno dell’edificio fino al raggiungimento del piano di posa delle fondazioni. L’operazione
deve essere eseguita, nel rispetto dell’altezza tra piano terra e livello superiore, con escavatori di media
dimensione e pale meccaniche di piccola dimensione. I primi eseguono, dall’esterno del fabbricato, la
maggior parte dello scavo, i secondi, dall’interno dell’edificio, effettuano un lavoro di scavo e trasporto di
terreno dalle zone in cui i primi hanno difficoltà ad arrivare con il cucchiaio (Fig. 21);
• scavo intorno al perimetro dell’edificio fino al piano di posa delle fondazioni ed esecuzione dei muri di
sostegno per la formazione dell’intercapedine (Fig. 22);
Fig. 21 - Schema delle modalità e delle attrezzature per lo scavo.
Fig. 22 - Scavo perimetrale
• demolizione delle travi di fondazione per la formazione dell’accesso al seminterrato da realizzare, e per
l’esecuzione delle nuove travi di collegamento;
• realizzazione delle nuove travi di collegamento in fondazione;
• perforazioni delle travi di fondazione, in prossimità dei pilastri, per il posizionamento delle bussole di
ancoraggio inferiore degli isolatori;
• realizzazione del grigliato di travi, con inserimento delle bussole di ancoraggio superiore degli isolatori, e
del solaio a travetti del primo livello isolato. Particolare attenzione deve essere posta nella fase di
preparazione. Infatti, nella zona in cui non è previsto il seminterrato, a solaio realizzato, diventa non
accessibile la zona tra la fondazione e il solaio stesso. E’ necessario, quindi, lasciare un’apertura
provvisoria nel solaio, in modo che possa essere effettuato il disarmo delle travi e dello stesso solaio.
• realizzazione dei collegamenti degli impianti con l’esterno della struttura;
• rifacimento della muratura esterna ed interna, pavimentazione e rifiniture;
• installazione degli isolatori e degli appoggi scorrevoli.
• quest’ultima è sicuramente la fase più delicata dell’intervento, e nei prossimi paragrafi verranno descritte
in maggiore dettaglio le varie fasi di esecuzione.
7.1 Installazione degli isolatori
La posizione in pianta del pilastro non influenza le fasi operative di messa in opera dell’isolatore,
quindi sia per i pilastri d’angolo che per quelli interni la procedura è la stessa. Considerando di voler
installare l’isolatore sotto un pilastro interno, le fasi possono essere così suddivise:
• posa in opera dei martinetti idraulici: ne vengono posizionati due tra la fondazione esistente e il grigliato
superiore (Fig. 23). Tra martinetto e travi, sia di fondazione sia del grigliato superiore, vengono interposte,
per ripartire il carico, delle piastre di acciaio;
• trasferimento del carico del pilastro: i martinetti vengono messi in carico contemporaneamente. I
martinetti vengono bloccati meccanicamente quando la forza totale applicata è pari ad un’aliquota dello
sforzo normale agente sui singoli pilastri (v. Tab. 7), considerando agenti i soli carichi permanenti. Al
taglio del pilastro, operazione eseguita successivamente, i martinetti, pur dovendo contrastare un carico
superiore, non subiranno apprezzabili deformazioni grazie alla loro notevole rigidezza.
• taglio della colonna: tale operazione viene realizzata con seghe a lama diamantata; il taglio viene eseguito
a secco o con il raffreddamento ad acqua della lama. L’orizzontalità del taglio praticato è garantita
montando l’attrezzatura su appositi sistemi rigidi;
• installazione dell’isolatore: l’isolatore viene inserito e connesso alla struttura e fissato con bulloni alle
bussole filettate poste in opera precedentemente. Tra l’isolatore e la trave superiore viene inserito un
martinetto piatto (Fig. 24), di spessore leggermente inferiore all’intercapedine esistente tra grigliato e
contropiastra superiore dell’isolatore, in cui viene immesso resina epossidica in pressione. In questo modo
il martinetto, contrastando la trave superiore, mette in carico l’isolatore. L’immissione della resina
continuerà fino a quando i martinetti laterali risulteranno scarichi e l’azione della sovrastruttura sarà
portata completamente dall’isolatore. A questo punto nell’intercapedine viene iniettata malta antiritiro e a
rapido indurimento, che includerà il martinetto a perdere. Si pensa di installare un isolatore alla volta,
facendo affidamento su un gruppo di lavoro costituito da: un operatore diplomato, con funzione di
controllore e coordinatore delle attività di installazione, un operatore qualificato per l’utilizzo del gruppo
pompa-martinetto-manometro, un operatore qualificato per il taglio dei pilastri, un operatore generico. Il
periodo necessario per l’installazione del singolo isolatore è stato stimato in una giornata lavorativa.
Fig. 23 – Posa in opera dei martinetti
Pilastri
1
6
11
16
21
26
31
N [kN]
97
149
565
629
191
515
504
Pilastri
2
7
12
17
22
27
32
N [kN] Pilastri N [kN] Pilastri N [kN]
143
3
152
4
169
154
8
101
9
248
623
13
569
14
565
638
18
345
19
196
194
23
461
24
189
504
28
208
29
446
503
33
513
34
246
Tab. 7 – Carichi da applicare ai martinetti
Pilastri
5
10
15
20
25
30
N [kN]
146
546
630
202
246
445
Fig. 24 – Messa in carico dell'isolatore
7.2 Installazione degli appoggi scorrevoli
Le fasi di installazione di un appoggio scorrevole sono del tutto simili a quelle viste per l’isolatore in gomma,
differenziandosi esclusivamente per l’utilizzo di martinetti piatti anche nella fase di scarico del pilastro da
tagliare, a causa delle dimensioni ridotte dello spazio utile tra grigliato superiore e fondazioni.
I tempi di esecuzione e il personale utilizzato per l’installazione degli appoggi scorrevoli sono gli stessi
quantificati per gli isolatori.
8. CONSIDERAZIONI DI CARATTERE ECONOMICO
Le valutazioni dei costi di un intervento di adeguamento sono solo in parte connessi al costo effettivo di
realizzazione. Accanto a questo, infatti, anche i costi socio-economici connessi all’evacuazione dell’edificio
durante l’esecuzione dei lavori incidono in maniera importante. Non si può poi giudicare l’economicità di un
intervento, se si prescinde dai benefici conseguenti, sia in tempi immediati, sia in prospettiva futura.
Per la valutazione dei costi di realizzazione dell'intervento, è stato effettuato un computo metrico e una stima
sulla base dei prezzi medi utilizzati attualmente in Italia. Il costo complessivo stimato è risultato all’incirca pari
a £. 400.000.000.
Il costo complessivo è stato ripartito tra le principali categorie di lavoro. Come si può osservare dal grafico
seguente ( Fig. 25), le maggiori spese vengono sostenute per l’acquisto e la messa in opera dei dispositivi di
isolamento. Altra spesa rilevante è rappresentata dalla realizzazione dei muri di sostegno intorno all’edificio,
necessari a garantire la separazione della struttura dal terreno.
Per effettuare una valutazione, in termini relativi, della convenienza economica dell'intervento proposto, è stato
effettuato un confronto con un costo medio di un intervento di tipo tradizionale.
Un intervento tradizionale comporterebbe un rafforzamento diffuso di travi e pilastri, con conseguenti spese di
demolizione e rifacimento di tamponature, tramezzature, impianti, comprese le opere di finitura. Il costo medio
dell’intervento tradizionale è stato valutato riferendosi ai costi mediamente sostenuti per l'adeguamento sismico
di edifici oggetto di contributo pubblico a seguito del terremoto del 23 novembre 1980. Il costo medio
dell’adeguamento è pari all'80% del costo teorico di ricostruzione dell'edificio (D.L. 30/3/1990 n°76 [8]).
Questo viene calcolato moltiplicando la superficie convenzionale (Sc) del fabbricato per il costo unitario di
costruzione che, riferito a metro quadrato, è stabilito ogni anno con decreto del Ministero dei Lavori Pubblici.
La superficie convenzionale è pari a
S c = SU + 60% ⋅ S nr
indicando con SU la superficie utile abitabile (superficie di pavimento misurata al netto di murature, pilastri,
tramezzi, scale interne, balconi) e con Snr la superficie non residenziale (superfici destinate a servizi ed accessori
come soffitte, locali motore, balconi).
Assumendo un costo di costruzione di circa un milione a metro quadrato si ottiene un costo teorico di
ricostruzione dell'intero edificio in esame pari a circa 1400 milioni e, dunque, un costo medio di un intervento
tradizionale di circa 1100 milioni di lire. Il costo dell'adeguamento con isolamento alla base, pari a circa il 40%
dell'intervento tradizionale, risulterebbe pertanto estremamente favorevole.
120.000.000
113.387.503
100.000.000
80.000.000
£
62.220.875
57.829.753
60.000.000
54.043.815
46.078.276
40.000.000
31.372.632
16.484.301
20.000.000
11.163.338
en
to
a
Is
ol
am
at
M
ur
io
ta
z
en
im
+P
av
So
l
ai
o
ur
M
ur
ne
o
is
os
id
el
Tr
av
ii
n
if
id
av
Tr
te
gn
io
az
ev
da
on
o
av
Sc
ne
e
zi
te
in
ol
iz
D
em
on
rn
io
ni
o
-
Fig. 25 - Ripartizione costi
In termini di costi socio-economici connessi all’esecuzione dell’intervento, l’inserimento dell’isolamento
sismico nel caso in esame comporterebbe lavori solamente al piano terra e in fondazione, lavori che attraverso
una opportuna programmazione, potrebbero permettere il proseguimento delle attività almeno ai piani superiori.
Non altrettanto può dirsi per un intervento tradizionale, che in genere richiede la completa evacuazione
dell’edificio.
In termini di benefici immediati, occorre rilevare come un intervento di tipo tradizionale, proprio a causa della
sua invasività, richieda in generale il sostanziale rifacimento degli impianti e delle finiture, il che comporta un
incremento di valore dell’immobile. Per contro l’introduzione dell’isolamento alla base comporta, nel caso in
esame, solamente un miglioramento delle condizioni del piano terra, avendo sostituito al pavimento su vespaio,
un vero e proprio solaio con nuova pavimentazione.
In termini di benefici attesi, invece, occorre considerare che l’isolamento sismico garantisce una protezione
nettamente superiore, rispetto a quella conseguibile con un intervento di tipo tradizionale.
9. CONCLUSIONI
È stata studiata la possibilità di realizzare un intervento di adeguamento di un edificio esistente in c.a. mediante
l’isolamento alla base, dopo averne preliminarmente analizzata la capacità resistente sotto le azioni previste per
zona di media sismicità.
I risultati mostrano che l’intervento determina un abbattimento delle forze sismiche, tale che la resistenza
disponibile in ogni elemento risulta essere sempre maggiore delle sollecitazioni indotte dalla combinazione
dell’azione sismica con quella verticale, con riferimento ad un terremoto con periodo di ritorno di 750 anni
circa. In particolare, per le travi più sollecitate, il rapporto tra il momento ultimo e quello massimo passa da un
valore medio del 60% nel caso di struttura fissa ad un valore medio del 120% in caso di struttura adeguata
mediante isolamento alla base:
Ê Mu ˆ
Ê Mu ˆ
Á
˜
˜
@ 60% Æ ÁÁ
@ 120%
ÁM
˜
˜
Ë max ¯ str . fissa
Ë M max ¯ stru . isolata
Incrementi maggiori si ottengono per i pilastri. Analizzando, infatti, l’elemento più sollecitato, risulta che il
rapporto tra la resistenza ultima e la sollecitazione massima passa da un valore nettamente insufficiente del 40%
ad un valore del 105%:
Ê Ru ˆ
Ê R ˆ
Á
˜
= 40% Æ ÁÁ u ˜˜ = 105%
ÁS ˜
Ë max ¯ str . fissa
Ë S max ¯
Occorre sottolineare che, in tale confronto, le sollecitazioni sulla struttura a base fissa sono calcolate con uno
spettro ridotto, che dunque presuppone lo sviluppo di notevoli plasticizzazioni, difficilmente sostenibili dagli
elementi strutturali allo stato attuale, laddove le sollecitazioni calcolate sulla struttura isolata sono ottenute con
lo spettro elastico, e dunque non presuppongono richieste di duttilità alla struttura.
Evidenziata l’efficacia dell’intervento, si è passati alla verifica della realizzabilità dello stesso. Si è constatato
che l’unica attività sostanzialmente diversa, rispetto ad un intervento tradizionale, è rappresentata dalla messa in
opera dei dispositivi di isolamento (operazione identica a quella di una futura eventuale sostituzione). Tale
operazione consta di tre fasi essenziali: messa in carico dei martinetti, taglio dei pilastri e messa in carico dei
dispositivi di isolamento.
Una stima dei costi di realizzazione dell’intervento ha mostrato che la spesa complessiva dell’adeguamento è di
circa 400 milioni di lire, conseguendo un risparmio dell'ordine del 60% rispetto ad un intervento tradizionale.
Questo risultato è dovuto al fatto che l’intervento con isolamento alla base interessa solo le fondazioni e il piano
terra della struttura, mentre i livelli superiori non necessitano di alcun rinforzo.
Un ulteriore aspetto a favore dell’intervento proposto risulta il livello di protezione sismica raggiunto dalla
struttura, nettamente superiore a quello conseguibile con un intervento di tipo tradizionale.
In definitiva possiamo affermare che il progetto esecutivo dell’intervento mediante isolamento alla base ha
confermato, rispetto ai metodi tradizionali, i seguenti vantaggi:
• minore invasività e minori difficoltà di realizzazione;
• livello di protezione nettamente maggiore;
• minori costi di intervento.
BIBLIOGRAFIA
[1] M. Dolce, Passive Control of Structure, Atti della 10th european conference on earthquake engineering,
Settembre 1994, Vienna.
[2] F.Braga, P.D’Anzi, M.Dolce, F.Ponzo, Retrofitting of R.C. Buildings by Energy Dissipating Bracing:
Numerical Simulations and Comparison with Experimental Tests, Atti della 11th world conference on
earthquake engineering, Giugno 1996, Acapulco.
[3] A.R. Bixio, F. Braga, M. Dolce, D. Nigro, F. Ponzo, M. Nicoletti, Prove dinamiche di rilascio di un
edificio isolato alla base dell’Università di Potenza, Atti del 9o congresso ingegneria sismica in italia,
Settembre 1999, Torino.
[4] C. Valente, D. Cardone, M. Dolce, F.C. Ponzo, MANSIDE: Shaking Table Tests of R/C Frames with
various Passive Control Systems, Proc. 12th World Conference on Earthquake Engineering, Gennaio 2000,
Auckland, New Zealand.
[5] F. Braga, M. Dolce, The Isolated Buildings of the University of Basilicata at Potenza – Italy. Atti
dell'International Post SMiRT Conference Seminar on Seismic Isolation, Passive Energy Dissipation and
Active Control of Vibrations of Structures, Agosto 1997, Taormina.
[6] “Norme tecniche per il calcolo, l’esecuzione ed il collaudo delle strutture in cemento armato, normale e
precompresso e per le strutture metalliche”; “Norme tecniche per le costruzioni in zone sismiche”, D.M.
gennaio 1996;
[7] “Linee guida per la progettazione, esecuzione e collaudo di strutture isolate dal sisma”, 1998;
[8] “Testo unico delle leggi per gli interventi nei territori della Campania, Basilicata; Puglia e Calabria colpiti
dagli eventi sismici del novembre 1980, del febbraio 1981 e marzo 1982”, D.L. 30/3/1990 n°76

adeguamento sismico di edifici in ca mediante isolamento alla base

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