La messa in sicurezza delle scuole a struttura prefabbricata in Bologna

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1 La essa in sicurezza delle scuole a struttura prefabbricata in Bologna Lorenzo Bacci, Anna Lisa Vinciguerra, Claudio. Mazzotti, Marco Savoia - Università di Bologna Meoria presentata al WORKSHOP - I Collegaenti nelle Strutture Prefabbricate Università degli Studi di Bergao -ACI Italy Chapter, Daline, Italia, 5 Ottobre 202 ABSTRACT In seguito ai danneggiaenti registrati nelle strutture prefabbricate a causa degli eventi sisici del aggio 202, il CIRI Edilizia & Costruzioni (dell Università di Bologna) è stato incaricato dalla Provincia e dal Coune di Bologna di supervisionare la essa in sicurezza di n 6 edifici scolastici e palestre a struttura prefabbricata. Tale attività ha avuto un carattere preventivo: le strutture non avevano riportato danni durante gli eventi sisici, a si è intervenuti per risolvere la ancanza di collegaenti fra gli eleenti strutturali, coe prescritto dal DM 74/202, convertito in legge []. Alcune delle soluzioni studiate durante tale attività sono state riportate nelle Linee di Indirizzo per interventi locali e globali su edifici industriali onopiano non progettati con criteri antisisici, redatte da apposito gruppo di studio Reluis [2]. Per ognuno degli interventi, è stata dappria condotta una attività di rilievo dello stato di fatto, la verifica in situ dei dettagli costruttivi e l individuazione delle criticità presenti nelle strutture. Sono stati quindi delineati gli interventi di essa in sicurezza, che si possono riassuere in tre tipologie fondaentali: collegaenti trave-tegolo, trave-pilastro e collegaenti alla struttura principale per pannelli esterni ed eventualente taponaenti interni. Sono inoltre stati svolti test sperientali per la validazione del coportaento strutturale di alcuni eleenti di collegaento proposti ed utilizzati negli interventi. INTRODUZIONE Gli eventi sisici registrati in Eilia-Roagna, Veneto e Lobardia tra il aggio 202, hanno esso in evidenza le carenze strutturali degli edifici a struttura prefabbricata non progettati con criteri antisisici. La quasi totalità dei fabbricati prefabbricati crollati o che hanno subito danni irreversibili sono stati infatti costruiti quando l area non era ancora soggetta a norative che prevedessero una progettazione antisisica, entrate in vigore sostanzialente nel Dopo gli eventi sisici, la Provincia ed il Coune di Bologna hanno ritenuto necessario ettere in sicurezza gli edifici del loro patrionio di edilizia scolastica realizzati con strutture prefabbricate aggio 3

2 senza criteri di progettazione antisisica. Nessuno di tali edifici ha riportato danni durante il sisa del Maggio 202. Visto il tepo liitato a disposizione (la riapertura delle scuole era prevista dopo la pausa estiva), è stato deciso di ettere a punto interventi di rafforzaento locale (ai sensi delle NTC 2008 [3]), seguendo i criteri indicati dal DM 74/202 [] e le Linee di Indirizzo per interventi locali e globali su edifici industriali onopiano non progettati con criteri antisisici, redatte da apposito gruppo di studio Reluis [2] nei giorni successivi all eanazione del citato decreto. Al CIRI Edilizia e Costruzioni dell Università di Bologna è stata quindi coissionata la definizione delle attività per la essa in sicurezza delle scuole a struttura prefabbricata, al fine di individuare le tipologie di intervento di aggiore urgenza e criticità. I progetti esecutivi sono poi stati sviluppati in collaborazione con progettisti incaricati dagli Enti stessi. Gli istituti oggetto degli interventi sono 4 scuole e 3 palestre per la Provincia di Bologna, ovvero: l ITIS Belluzzi, l IIS Mattei, l ITC.Keynes, l ITG Pacinotti e le palestre dell IIS Bruno, dell IIS Cappi e dell IIS Montessori, entre per il Coune di Bologna sono stati definiti gli interventi su 9 scuole, entre per le palestre l attività di definizione degli interventi è ancora in corso. Le carenze principali riscontrate sono a livello delle connessioni tra eleenti prefabbricati, realizzate con appoggi a secco spesso di diensioni ridotte e senza ritegni specifici per azioni orizzontali di tipo sisico. Sono stati inoltre riscontrati olti casi di pannelli prefabbricati di taponaento collegati ai pilastri con connettori insufficienti a consentire gli spostaenti della struttura quando soggetta ad azioni orizzontali. Sovente, inoltre, sono state rilevate apie pareti divisorie, con altezza anche superiore ai 4 etri (ad esepio nei laboratori degli Istituti Tecnici), non vincolate in odo adeguato alle strutture verticali ed alle travi di copertura. Nella presente eoria sono illustrate, con riferiento ad alcuni degli interventi pro-gettati e successivaente realizzati, le varie fasi della verifica degli stati di fatto e della definizione dei principali interventi di essa in sicurezza. Sono anche breveente illustrate le prove sperientali condotte su una tipologia di collegaento tegolo trave diffusaente utilizzata negli interventi, ed i criteri di diensionaento utilizzati. 2 FASE PRELIMINARE: RILIEVO STATO DI FATTO E PROVE IN SITU. Per ogni edificio a struttura prefabbricata, la pria fase del progetto di essa in sicurezza ha avuto coe obiettivo la conoscenza dello stato di fatto sia da un punto di vista geoetrico che della proprietà dei ateriali. Tali inforazioni sono state ottenute attraverso indagini docuentali (disponibili in olti casi, trattandosi di edifici pubblici realizzati negli ani 70-80) e prove sperientali non distruttive o liitataente distruttive. Nel seguito, si descrive la sequenza di attività conoscitive tipicaente condotte, con riferiento agli specifici risultati ottenuti per l Istituto Keynes di Castel Maggiore. La ricerca negli archivi storici della Provincia di Bologna ha prodotto docuenti di pro-getto delle strutture prefabbricate, quali relazioni di calcolo, tavole strutturali, disegni architettonici (Figura ). aggio 3

3 (a) Figura. ISS Keynes (a) Dettagli strutturali e arature di un collegaento trave-solaio e (b) di una trave prefabbricata. (b) Sono state tuttavia condotti anche rilievi per verificare l attendibilità del ateriale progettuale acquisito, in particolare nelle porzioni che sarebbero state interessate dagli interventi. Ad esepio, sono stati condotti estesi rilievi delle arature ediante pacoetro soprattutto negli eleenti di collegaento travi-pilastro e sugli appoggi dei tegoli (Figura 2), direttaente interessati dagli interventi arrivando a definire dettagliate distribuzioni di arature. Tali inforazioni sono state poi confrontate e olto più spesso integrate, con le inforazioni sulla disposizione delle arature riportate nelle tavole esecutive strutturali. Figura 2. ISS Keynes Deterinazione delle arature con pacoetro digitale sui tegoli di copertura e sulle travi e pilastri prefabbricati. Per la valutazione delle caratteristiche eccaniche del calcestruzzo sono state prelevate delle carote sia dalle travi che dai pilastri (Figura 3); la finalità è stata quella di verificare l attendibilità delle prescrizioni di progetto in fase di realizzazione degli eleenti prefabbricati, e di verificare aggio 3

4 quindi se i calcestruzzo fosse idoneo ad ospitare ancoraggi eccanici. Dai risultati ottenuti nelle tre scuole dove sono stati effettuati i carotaggi (Tabella ), si evince la corrispondenza alle prescrizioni di progetto, con resistenze a copressione del calcestruzzo intorno ai MPa. Figura 3. ISS Keynes Esepio di estrazione di una carota di calcestruzzo da un pilastro e saggio deolitivo in copertura nella zona di accostaento tra due tegoli. Valori edi di resistenza a copressione (N/ 2 ) ISS MATTEI 45.9 ITIS O BELLUZZI ITC J.M KEYNES Tabella. Resistenza a copressione delle carote prelevate in situ. La copertura della scuola presentava tegoli di grande luce (a chiusura dei percorsi interni) affiancati a pannelli di luce odesta (sopra le aule). I collegaenti tra tali eleenti strutturali non erano direttaente visibili e non era disponibile docuentazione progettuale; si è proceduto, pertanto, ad un indagine visiva diretta ediante saggi deolitivi, per rilevare il loro grado di collegaento utuo e con le travi sottostanti. Coe riportato in Figura 3, si è provveduto alla riozione di guaine e assetti di copertura per accedere agli eleenti strutturali. In questo caso è stato rilevata unicaente la presenza del assetto delle pendenze e ancanza di un efficace collegaento, con gli eleenti di copertura sepliceente affiancati tra loro. aggio 3

5 3 IDENTIFICAZIONE DELLE PRINCIPALI CRITICITÀ A valle delle attività di rilievo, sono stati identificati i principali aspetti di criticità, dal punto di vista del coportaento sisico, delle strutture analizzate. Le probleatiche principali riscontrate sono descritte con riferiento a due scuole della Provincia di Bologna: l Istituto Keynes di Castelaggiore e l Istituto Mattei di San Lazzaro. In entrabi i casi, i collegaenti fra eleenti strutturali prefabbricati sono tutto realizzati con appoggio a secco; in particolare, sono state individuate tre tipologie di criticità fondaentali: collegaenti tra tegoli di copertura e/o di piano e le travi sottostanti, collegaenti travi-pilastro e collegaenti ai pilastri dei pannelli di taponaento esterni. Per quanto riguarda la copertura del IIS Keynes, essa è realizzata con tegoli ad oega rovescio di grande luce (22 ), sepliceente appoggiati sulle travi (Figura 4), con appoggi di diensioni particolarente ridotte (0-5 c). I tegoli sono intervallati da lucernari, rendendo quindi la copertura del tutto deforabile nel suo piano. In questo caso, la possibilità di perdita di appoggio degli eleenti di copertura nel caso di rilevanti azioni orizzontali è particolarente critica, coe evidenziato dai nuerosi crolli avvenuti in edifici industriali durante le scosse sisiche in Eilia di Maggio Giugno 202. Figura 4. ISS Keynes Tegoli di copertura sepliceente appoggiati sulle travi, intervallati con lucernari. (a) Figura 5. Collegaento soletta-travi nel caso di (a) pilastro interno e (b) di bordo. (b) aggio 3

6 A livello degli ipalcati interedi, invece, le strutture di entrabe le scuole hanno presentato alcune differenze rispetto a quelle adibite tipicaente ad uso produttivo, in particolare per la presenza di solette integrative gettate in opera che, quando opportuna-ente collegate agli eleenti strutturali prefabbricati (travi o pilastri), forniscono nella aggior parte dei casi un vincolo efficace allo sfilaento degli eleenti di solaio per perdita di appoggio. Relativaente al collegaento trave-pilastro, la presenza del solaio sopra descritto ed efficaceente collegato alle travi, conduce a due casi a seconda che i pilastri siano in-terni o di bordo. Nel prio caso (pilastri interni) la presenza di un solaio onolitico tutt attorno al pilastro ipedisce oti relativi delle travi rispetto agli appoggi (Figura 5a). Nel secondo caso (pilastri di bordo), è necessario intervenire per evitare la perdita di appoggio della trave per allontanaento del pilastro verso l esterno (Figura 5b). Per quanto riguarda i pannelli esterni, sono state individuate due tipologie principali, ovvero pannelli prefabbricati in calcestruzzo o realizzati in opera in uratura. Nel prio caso ricadono le pareti esterne degli Istituti Keynes e Mattei, dove pannelli prefabbricati di 8-0 di luce e.50 di altezza sono disposti orizzontalente ed ancorati ai pilastri prefabbricati laterali ediante connettori etallici a vite (una coppia per pilastro) e guida etallica sagoata a freddo (profili canale) affogata nel pannello (Figura 6). Durante gli eventi sisici del Maggio 202, tale tipologia di collegaento ha evidenziato spesso un coportaento non idoneo nei confronti delle azioni sisiche, con distacco di nuerosi pannelli soprattutto nelle parti più alte dei fabbricati. Gli spostaenti della struttura, api a causa dell altezza e del vincolaento isostatico dei pilastri, non sono infatti consentiti dall assenza di gioco in direzione ortogonale alla guida verticale, producendo la deforazione delle guide con conseguente fuoriuscita del bullone dalla guida stessa. La seconda tipologia di taponaento è stata riscontrata in alcune palestre delle scuole considerate, dove sono presenti pareti urarie a due teste di altezza copresa tra 5 e 7 prive di ogni vincolo trasversale fuori dal loro piano, copresa la soità (Figura 7). Questo conduce ad un elevato rischio di ribaltaento di prio odo. Apie pareti in uratura che hanno necessitato di interventi di essa in sicurezza sono state ri-scontrate anche nei Laboratori degli Istituti Tecnici. Figura 6. Particolari connessioni pannelli esterni prefabbricati in calcestruzzo ai pilastri. aggio 3

7 Figura 7. Pannelli esterni in uratura in palestre che hanno richiesto della essa in sicurezza per azioni orizzontali. 4 PROGETTO DEGLI INTERVENTI 4. Collegaento trave-tegolo Gli interventi volti ad assicurare una connessione trave - tegolo sono stati progettati in odo da non odificare lo schea statico della struttura e non increentare la rigidezza della stessa. I collegaenti sono stati diensionati in funzione della assia forza prevista durante l azione sisica, raggiungibile tuttavia dal collegaento deforandosi, e pertanto abbattendo la propria rigidezza. Tale coportaento consente in-fatti una redistribuzione delle azioni nel piano dei collegaenti, evitando l insorgenza di picchi di sollecitazioni non sostenibili dai collegaenti stessi, ed in particolare dagli an-coraggi ai pilastri. L abbattiento della rigidezza avviene per deforazione del collegaento, il cui allungaento assio tuttavia deve essere tale da non far perdere l appoggio dei tegoli dalla trave. Per il calcolo della forza di progetto del collegaento tegolo - trave, si è fatto uso di schei seplificati basati sull attivazione di un eccaniso coplessivo di perdita di appoggio dei tegoli, causato dal oto relativo tra le travi portanti di due telai isostatici consecutivi soggetti a spostaenti differenti in soità. Tale schea di calcolo è stato ispirato dalla circostanza che olti crolli di coperture durante il sisa in Eilia sono avvenuti in corrispondenza di irregolarità o discontinuità in pianta dei capannoni. I quali hanno coportato differenti spostaenti in soità dei pilastri. Il criterio di calcolo è illustrato nel seguito con riferiento alla copertura dei laboratori dell Istituto professionale Belluzzi della provincia di Bologna. Tale copertura è costituita da tegoli PI greco in appoggio su travi a T (Figura 8) disposte a costituire una serie di telai isostatici paralleli. Definita l accelerazione di progetto, seguendo le indicazioni del D.M.4/0/2008, si va-luta l azione trasessa ad ogni telaio facendo uso del criterio delle aree di influenza, essendo la copertura chiaraente deforabile nel suo piano. Poiché ai telai interedi copete una assa doppia rispetto a quella dei telai di bordo, i telai sono soggetti a forze orizzontali differenti, indicate nel seguito F e F2. aggio 3

8 Le differenti forze agenti sui telai tendono a deforare in odo diverso i pilastri sotto-stanti, e quindi a far ruotare i tegoli, provocandone la perdita di appoggio. I collegaenti disposti tra tegoli e travi sottostanti dovranno ipedire la perdita di appoggio dei prii. La forza di progetto è calcolata con riferiento allo schea di Figura 2, ove con sono indicate le coppie che i collegaenti devono assicurare per equilibrare le differenti forze a livello dei telai. Assuendo tutte uguali le coppie in corrispondenza dei vari tegoli, l equazione di equilibrio richiede: 2 ( ) F2 b F b (3) che fornisce il valore della coppia in corrispondenza di ogni tegolo. La forza con cui diensionare il singolo angolare si troverà dividendo la coppia per la distanza tra gli angolari, ovvero la distanza fra le due anie del tegolo (vedi Figura 9). Nota la forza da trasettere, si procede con il diensionaento dell angolare tenendo conto dei vincoli geoetrici e del posizionaento delle arature nella trave e nel tegolo. Il calcolo descritto si basa chiaraente su una serie di assunzioni. Innanzitutto le coppie che si instaurano alle estreità dei tegoli saranno nella realtà differenti (e difficilente calcolabili con precisione), in quanto dipendono anche da eventuali interazioni della copertura con altre porzioni della struttura e parti non strutturali del fabbricato. Sarà pertanto fondaentale che i collegaenti siano sufficienteente duttili, consentendo spostaenti in corrispondenza della coppia di progetto. A tale scopo, per il collegaento tegolo trave è stato adottato un angolare etallico a spessore costante piegato a freddo, che a fronte di forti sollecitazioni e successive plasticizzazioni si plasticizzi in corrispondenza di una valore prefissato di forza, abbattendo la sua rigidezza, a che consenta tuttavia di evitare la caduta del tegolo avendo un liite assio di deforazione che corrisponde al suo copleto raddrizzaento. I paraetri fondaentali per il diensionaento (liite di snervaento e assio al-lungaento) sono l area trasversale dell angolare e la distanza fra l asse dei fori e la piegatura dell angolare, indicata nel seguito d. All auentare di d la rigidezza ed il liite di snervaento dell angolare diinuiscono, entre auenta l allungaento assio dell angolare stesso. La posizione dei fori deve tuttavia essere scelta nel rispetto dei vincoli geoetrici iposti dalle arature del tegolo e della trave, che non devono essere intercettate dai bulloni a fissaggio chiico che saranno utilizzati per l ancoraggio; inoltre, per evitare la spinta a vuoto degli ancoraggi verso la parte terinale del tegolo, si è iposto che il cono di diffusione delle tensioni intersechi aleno due staffe. aggio 3

9 F2 F2 F trave interedia trave interedia trave di bordo Figura 8. Schea di calcolo dei oenti alle estreità dei tegoli, per il diensionaento degli ancoraggi. Figura 9. Esepio di collegaento trave-tegolo a PI greco con due angolari per ognuna delle anie (Istituto ITIS Belluzzi). 4.2 Prove sperientali sugli eleenti di collegaento trave-tegolo Per validare le ipotesi progettuali adottate, sono stati realizzati odelli nuerici e condotto prove sperientali (Figura 0), che hanno conferato il coportaento degli angolari progettati ed hanno dato iportanti indicazioni per il progetto dei dettagli costruttivi. In particolare, attraverso le prove sperientali è stato osservato il eccaniso di deforazione e successiva plasticizzazione degli angolari fino a raggiungere il sostanziale raddrizzaento degli stessi. Durante le prove sono stati isurati il carico applicato agli angolari (provati in coppia, in configurazione sietrica), e gli allungaenti degli angolari stessi. La coppia di angolari è stata vincolata ad un prisa in calcestruzzo (ediante barre filettate passanti) in grado di traslare verticalente e alla soletta di base con ancoraggio chiico. Il prisa siula l ania del tegolo e la soletta di base la trave. Il carico è trasferito alla coppia di angolari attraverso l ipiego di una cravatta etallica, opportunaente diensionata, connessa ad un artinetto idraulico cavo attraverso una barra filettata. La forza è stata isurata attraverso un trasduttore di pressione opportunaente calibrato. Relativaente agli struenti ipiegati, è stato rilevato ediante LVDT lo spostaento verticale assoluto dell estreità superiore degli angolari all altezza dei bulloni di fissaggio al prisa obile e lo spostaento in prossiità dei bulloni di ancoraggio alla piastra di base (Figura 0). da tali isure di spostaento è ottenuto l allungaento verticale relativo tra i due punti. Dai risultati sperientali (Figura a) si osserva coe il coportaento iniziale, particolarente rigido, in capo elastico, sia seguito da un progressivo abbattiento di rigidezza conseguente allo snervaento dell angolare, con ingresso in un regie di grandi deforazioni che conduce al aggio 3

10 sostanziale raddrizzaento dell angolare e al corrispondente nuovo increento di rigidezza (tendenza all incrudiento). Dai test si è verificato che, in corrispondenza del valore assio di allungaento aesso dall appoggio (dato di progetto), il diagraa forza allungaento presentasse una rigidezza sufficienteente elevata (raddrizzaento del sistea di collegaento ed al-lungaento per snervaento dell angolare stesso in trazione). L esae dei risultati sperientali ha inoltre fornito indicazioni utili ai fini progettuali: ad esepio, si è notato che, in regie di grandi deforazioni, il grado di vincolo offerto dai bulloni all angolare lato tegolo non è quello di incastro. Inoltre, in presenza di spessori dell angolare non adeguati, si è assistito quasi allo sfilaento dei bulloni di fissaggio dall angolare stesso per allargaento dei fori, coe riportato in Figura b. È stato provato anche l utilizzo di rondelle aggiorate o di piastrine di ripartizione per evitare tale sfilaento. Figura 0. Struentazione ipiegata nelle prove sperientali sugli angolari e odalità di deforazione del collegaento. aggio 3 (a) Figura. Prova sull angolare (a) Legae Forza-Allungaento e (b) plasticizzazione dell ala ortogonale alla forza per spessore non adeguato. (b)

11 5 CONCLUSIONI Nella presente eoria è stato illustrato l iter progettuale seguito per la progettazione degli interventi finalizzati alla essa in sicurezza di alcune delle scuole della Provincia e del Coune di Bologna. Nei progetti, è stato possibile colare quasi totalente le carenze strutturali evidenziate, durante i prii sopralluoghi, nonostante le risorse e i tepi ridotti per la progettazione e l esecuzione degli interventi, che hanno dovuto tenere in conto, oltre agli aspetti di valutazione della sicurezza, anche le condizioni al contorno quali ad esepio l interazione con gli ipianti presenti. RINGRAZIAMENTI Si ringrazia il consorzio RELUIS per il finanziaento erogato nell abito del progetto Reluis-DPC 200-3, Task..2. (Strutture in ceento arato ordinarie e prefabbricate). RIFERIMENTI [] Legge del agosto 202 n.22, Conversione in legge, con odificazioni, del decreto-legge 6 giugno 202, n. 74, recante interventi urgenti in favore delle popola-zioni colpite dagli eventi sisici che hanno interessato il territorio delle province di Bologna, Modena, Ferrara, Mantova, Reggio Eilia e Rovigo, il 20 e il 29 aggio 202, pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale n.80 del 03/08/202. [2] Reluis (202). Linee di indirizzo per interventi locali e globali su edifici industriali onopiano non progettati con criteri antisisici, Gruppo di Lavoro Agibilità Sisica dei Capannoni Industriali. [3] D.M. 4/0/2008, Nore tecniche per le costruzioni e Circolare n.67, 2 febbraio 2009,: Istruzioni per l applicazione delle Nuove nore tecniche per le costruzioni di cui al D.M.4 Gennaio aggio 3