ANALISI E MIGLIORAMENTO SISMICO DELLE FONDAZIONI DI UN EDIFICIO IN CEMENTO ARMATO UBICATO NELL AREA URBANA DELLA CITTÀ DI CATANIA

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1 ANALISI E MIGLIORAMENTO SISMICO DELLE FONDAZIONI DI UN EDIFICIO IN CEMENTO ARMATO UBICATO NELL AREA URBANA DELLA CITTÀ DI CATANIA Grasso, S., Maugeri, M., Novità, D. Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, Facoltà di Ingegneria di Catania SOMMARIO Il presente lavoro ha avuto come obiettivo l analisi dinamica ed il miglioramento sismico delle fondazioni superficiali di un edificio in cemento armato ubicato nell area urbana della città di Catania. È stato scelto un edificio in cemento armato costruito nel 1953, di pianta regolare ed avente caratteristiche tali da potersi prendere a modello di una tipologia costruttiva tipica dell epoca. L interazione terreno-fondazione è stata considerata effettuando in primo luogo l analisi statica e pseudo-statica dell edificio, al fine di valutare le azioni trasmesse dalla sovrastruttura alle fondazioni, nonché valutando la risposta sismica locale dell area interessata in termini di spettri di risposta elastici ed anelastici. Si è quindi proceduto all analisi dinamica delle fondazioni superficiali in termini di capacità portante, adottando dapprima il classico metodo di Brinch-Hansen (1970) e confrontando i valori così ricavati con quelli forniti dal nuovo approccio sviluppato presso l Università di Catania basato sul metodo delle caratteristiche. Alla luce delle verifiche di capacità portante effettuate sono state avanzate alcune proposte di miglioramento sismico per le fondazioni dell edificio esaminato. Parole chiave: Edificio in c.a., fondazioni superficiali, metodo caratteristiche, capacità portante, miglioramento sismico. 1 INTRODUZIONE Gli eventi sismici che hanno colpito la nostra penisola negli ultimi anni hanno portato all attenzione di tutti i problemi che riguardano la protezione del patrimonio artistico e culturale, basti ricordare per esempio il crollo della volta della Basilica di San Francesco ad Assisi o della Cattedrale di Noto, ma soprattutto la protezione della vita umana, richiamando alla memoria la tragedia del crollo della scuola a San Giuliano di Puglia. Essendo il nostro paese molto ricco di edifici storici, diventa indispensabile studiare il tessuto edilizio delle nostre città, per avere un quadro del rischio sismico e poter in questo modo intervenire per salvaguardare la vita umana dal rischio di crollo causato dai terremoti. E ormai risaputo che i terremoti si presentano a intervalli di tempo, più o meno regolari, spesso in corrispondenza delle stesse zone; si può quindi, per una determinata zona, studiare statisticamente quale terremoto ci si può aspettare onde prevenire gli effetti intervenendo sulle infrastrutture e sugli edifici, mediante interventi di miglioramento o adeguamento antisismico. L elevato rischio sismico nella Sicilia sud-orientale ha indotto a considerare la città di Catania come un caso emblematico di scenario di danno ad alto rischio per l area del mediterraneo. Il Progetto di ricerca: Detailed Scenarios and actions for seismic prevention of damage in the urban area of Catania, prevede, tra i vari obiettivi, la valutazione della vulnerabilità ed il miglioramento sismico degli edifici per prevenire il danno, attraverso le seguenti fasi: valutazione della tipologia costruttiva; valutazione della vulnerabilità e della resistenza al sisma della più diffusa tipologia di edifici in c.a.; miglioramento sismico della più diffusa tipologia di edifici in c.a. con tecniche tradizionali ed innovative. Il presente lavoro è stato quindi finalizzato all analisi dinamica ed al miglioramento sismico delle fondazioni superficiali di un edificio in cemento armato ubicato nell area urbana della città di Catania. Pertanto, dopo una approfondita consultazione presso l Archivio Storico di Catania relativamente alle unità immobiliari realizzate nel periodo dal 1953 al 1958, è stato scelto un edificio pilota in cemento armato, risalente al 1953, di pianta pressoché regolare ed avente caratteristiche tali da potersi prendere a modello di una tipologia costruttiva tipica dell epoca. Trattandosi di una costruzione realizzata prima che Catania fosse dichiarata zona sismica, è emersa la necessità di provvedere ad un intervento mirato alla sicurezza sismica. In quest ottica, dunque, il problema della interazione terreno-fondazione-struttura è stato affrontato in primo luogo effettuando l analisi statica e pseudo-statica dell edificio, al fine di valutare le azioni trasmesse dalla sovrastruttura alle fondazioni nonché valutando la risposta sismica locale dell area interessata in termini di spettri di risposta elastici ed anelastici. Relativamente al terreno di fondazione è stato considerato un sondaggio disponibile nelle vicinanze dell edificio. Per valutare la risposta sismica locale ci si è avvalsi di un codice di calcolo monodimensionale non lineare per la definizione della risposta sismica locale in termini di spostamento, velocità, accelerazione e spettri di risposta in superficie. L interazione terreno-fondazione-struttura, in condizioni pseudo-statiche, è stata eseguita considerando sia il coefficiente sismico orizzontale prescritto dalla Normativa Italiana, pari a 0,07 relativamente alla zona sismica in esame, sia i coefficienti sismici ottenuti, come suggerisce l ATC (1978), in funzione del valore medio di pseudo-accelerazione spettrale degli spettri di risposta

2 anelastici. Si è quindi proceduto all analisi dinamica delle fondazioni superficiali in termini di capacità portante adottando dapprima il classico metodo di Brinch-Hansen (1970) e confrontando i valori così ricavati con quelli forniti dal nuovo approccio sviluppato presso l Università di Catania (Maugeri e Novità, 2004), basato sul metodo delle caratteristiche (Sokolovskii, 1965), che consente di valutare la capacità portante in condizioni statiche e dinamiche tenendo conto sia dell effetto dell inerzia della sovrastruttura, sia dell inerzia del terreno, secondo quanto suggerito dall Eurocodice 8 (CEN, 2003). In ultima analisi, poiché il comportamento delle fondazioni di un edificio gioca un ruolo importante nella formazione del meccanismo di rottura dell intera struttura, alla luce delle verifiche di capacità portante effettuate sono state avanzate alcune proposte di miglioramento sismico per le fondazioni dell edificio esaminato. 2 DESCRIZIONE DELL EDIFICIO SELEZIONATO E CARATTERIZZAZIONE GEOTECNICA DEL SITO La prima parte del lavoro è consistita nella individuazione di un edificio da studiare; la ricerca è stata effettuata presso l Archivio Storico della città di Catania, dove sono conservati i progetti edili della prima metà del secolo scorso. La ricerca ha avuto come oggetto i progetti approvati nel periodo Dal gran numero di progetti visionati, nell ordine del migliaio, risulta evidente l incompletezza delle informazioni reperibili, data l assenza, in molti casi, di alcuni aspetti progettuali di rilevante importanza, come la pianta delle fondazioni ed i particolari esecutivi; dei progetti visionati si è preso nota solamente di quelli che contenevano delle informazioni esaurienti, almeno per quel che riguarda la parte in fondazione. La conoscenza fisica del territorio ed in particolare delle sue caratteristiche geotecniche è stata ottenuta mediante la georefenziazione in ambiente GIS di circa 910 perforazioni tra sondaggi e pozzi, con possibilità di analisi delle stratigrafie degli stessi mediante collegamenti attivi. In alcuni casi i sondaggi sono accompagnati da risultati di prove geotecniche in situ o di laboratorio in campo statico. La determinazione delle caratteristiche dinamiche del terreno è stata altresì ottenuta mediante accurate indagini eseguite in corrispondenza di alcuni siti campione (test sites). Il passo successivo è stato quindi quello di georeferenziare l edificio nel Sistema Informativo Territoriale (SIT) della città di Catania (Grasso e Maugeri, 2004) per calcolare la distanza di tale edificio dai sondaggi più vicini, al fine di ricavare informazioni sulla stratigrafia del terreno, peso dell unità di volume, velocità delle onde di taglio, coesione, angolo di resistenza al taglio e altri parametri utili per la caratterizzazione geotecnica del sito. Si è stabilito che la distanza massima dell edificio dai fori di sondaggio più vicini non superasse i cento metri. Tra tutti gli edifici esaminati, l attenzione è stata rivolta all edificio sito in via Androne angolo Via dott. Consoli (fascicolo depositato presso l Archivio Storico: F9, Cartella n. 15), a 6 elevazioni fuori terra (fig. 1). Figura 1. Edificio scelto per l analisi, sito in via Androne angolo Via dott. Consoli. Il progetto dell edificio, presentato all Ufficio Tecnico del Comune di Catania in data 13/10/1953, è stato approvato il 06/02/1954, ma per motivi ignoti è stato inserito tra i progetti dell anno La relazione tecnica parla di edificio per civile abitazione composto da piano terra adibito a uffici o botteghe e cinque piani oltre il piano terra adibiti ad appartamenti. La struttura del fabbricato è in cemento armato con solai del tipo misto. Dalle tavole presenti nel fascicolo si può notare come la pianta dell edificio sia di una forma che ricorda la punta di una freccia, la fondazione è di tipo superficiale con trave a T rovescia di larghezza pari a 1,5 m. Nelle figg. 2, 3 e 4 sono riportate la planimetria del piano tipo, il prospetto su via Androne e la sezione A-A dell edificio in esame. Il posizionamento dell edificio nel SIT della città di Catania (Grasso e Maugeri, 2004) ha consentito di individuare il sondaggio più vicino, per la caratterizzazione geotecnica del sito. In totale si dispone di 910 sondaggi che fanno riferimento a due gruppi: il primo che consta di 433 perforazioni, costituiva un supporto geologico-tecnico per il piano regolatore generale della città, il secondo, di recente acquisizione, consiste in 477 perforazioni raccolte presso enti pubblici e strutture private della città. La numerazione di quest ultimo gruppo va dal 1001 al L edificio si trova a circa 33 metri di distanza dal sondaggio n. 215 (fig. 5); tale sondaggio rivela la presenza di strati argillosi altamente deformabili, causa spesso di significative amplificazioni dell input sismico al suolo. Il sondaggio

3 geognostico n. 215 può, con buona approssimazione, considerarsi rappresentativo del terreno di fondazione dell edificio. Utilizzando la terminologia proposta dalla Associazione Geotecnica italiana, la stratigrafia del sondaggio che si estende fino a 30 m è riportata in fig. 6. Figura 3. Prospetto su via Androne dell edificio sito in via Androne angolo Via dott. Consoli. estende ancora per molti metri. Tale unità stratigrafica è divisa in due sottostrati, con peso dell unità di volume γ = 20 KN/m 3 uguale per i due sottostrati, ma con valore diverso della velocità delle onde di taglio, a causa della maggiore compattezza dell argilla negli strati più profondi; per lo strato che va da 11 m fino a 20 m si assume Vs = 320 m/s, mentre per lo strato che va da 20 m fino a 30 m si assume Vs = 385 m/s. Figura 2. Pianta del piano tipo dell edificio sito in via Androne angolo Via dott. Consoli. Essa è costituita da tre strati principali; il primo strato è costituito da terreno di riporto (R) dello spessore di circa 60 cm, con un peso dell unità di volume γ = 17 KN/m 3 ed una velocità delle onde di taglio Vs = 130 m/s; il secondo strato è costituito da argilla grigio-azzurra con contenuto organico e limo (A-aoL), e si estende dalla profondità di 60 cm a circa 11m, con peso dell unità di volume γ = 20 KN/m 3 e velocità delle onde di taglio Vs = 320 m/s. Infine è presente uno strato di argilla grigio-azzurra (Aa) che arriva fino alla profondità di 30 m, ma che probabilmente si Figura 4. Sezione A-A dell edificio sito in via Androne angolo Via dott. Consoli. 3 ANALISI DELLA RISPOSTA SISMICA LOCALE Lo studio si è avvalso del codice di calcolo

4 condotta sia in free-field che con sovraccarico calcolato pari a 125 KN/m 2, ha evidenziato una amplificazione del moto al suolo di circa il 50% in entrambi i casi. Si riporta in fig. 7 il confronto tra gli spettri elastici di normativa con lo spettro calcolato con il codice 1-D Geodin, considerando come input l accelerogramma sintetico. 1,4 a/g Confronto spettri con smorzamento 5% e sovraccarico 1,2 1 0,8 0,6 0,4 OCM B3R3RAD. EC8 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 T (s) Figura 5. Posizionamento dell edificio nel SIT di Catania. Figura 7. Spettri elastici di normativa e confronto con lo spettro calcolato con il codice 1-D Geodin, considerando come input l accelerogramma sintetico. In fig. 8 si riporta altresì, per lo stesso accelerogramma, lo spettro anelastico ricavato da quello elastico dividendo per il fattore q calcolato con il metodo di Giuffrè (Giuffrè e Giannini, 1982), utilizzando un fattore μ, che viene stimato pari a 2,5. Si è poi provveduto a confrontare tale spettro con quelli anelastici dell EC8 e dell OPCM a/g Confronto spettri plastici 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 OCM 3274 B3R3RAD EC8 0,1 Figura 6. Stratigrafia del sondaggio n. 215 e profilo di Vs ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 T (s) monodimensionale non lineare GEODIN per la definizione della risposta sismica locale in termini di spostamento, velocità, accelerazione e spettri di risposta in superficie. Come input sismico alla base del modello costituito da suolo rigido, sono stati utilizzati tre differenti segnali, di cui due registrati ed uno di tipo sintetico. La prima registrazione è quella di Sortino relativa al terremoto della Sicilia Orientale del 13 Dicembre 1990, nella componente Est-Ovest (E-W), con a max = m/s 2. La seconda registrazione considerata è quella di Catania nella componente Nord-Sud (N-S) del medesimo evento sismico, con con a max = 2.43 m/s 2. È stato inoltre considerato come input un accelerogramma sintetico d intensità maggiore, adattato al sito mediante opportune leggi di attenuazione (a max = 2.08 m/s 2 ). L analisi, Figura 8. Spettri plastici di normativa e confronto con lo spettro anelastico ricavato da quello elastico dividendo per il fattore q calcolato con il metodo di Giuffrè menzionato. 4 COMPORTAMENTO DINAMICO DELLE FONDAZIONI 4.1 Analisi sismica dell edificio L analisi sismica dell intero edificio è stata eseguita secondo quanto prescritto dall Ordinanza P.C.M.3274 (2003) e adottando pertanto il metodo degli Stati Limite (SL) che consente di definire esplicitamente le prestazioni che la struttura deve assicurare nei confronti dei singoli

5 eventi e tali da garantire la sicurezza nei confronti del collasso (SL Ultimo) e dell utilizzabilità (SL di Esercizio).Valutati i carichi caratteristici permanenti G k e variabili Q k e quindi i rispettivi valori di calcolo G d =γ G G k e Q d =γ Q Q k (D.M ), le azioni sulla costruzione sono state cumulate in modo da determinare le combinazioni di carico più sfavorevoli, espresse come: γ I E + G k + i ψ ji Q ki + P k (1) essendo, γ I E l azione sismica per lo stato limite in esame, con γ I (1,4 1) fattore d importanza dell edificio; G k, Q k e P k i valori caratteristici per le azioni permanenti; ψ ji il coefficiente che tiene conto della combinazione di carico, riportato nella Tab. 3.4 dell Ord (2003) ed assunto, nel caso in esame, pari a ψ 2i = 0,30 per abitazioni e uffici. Anche i valori dei materiali sono stati espressi attraverso i loro valori caratteristici e nella fattispecie f ck =0,83 R ck per il cls e f yk per l acciaio, e dei loro valori di progetto espressi in funzione del coefficiente γ m come f d =f k /γ m. Analogamente, gli effetti delle azioni sismiche sono stati valutati tenendo conto delle masse associate ai carchi gravitazionali: W = G k + ψ Ei Q ki (2) dove ψ Ei =ψ ji ϕ,con ϕ riportato nella Tab.3.5 dell Ord (2003), è un coefficiente che tiene conto della probabilità che tutti i carichi variabili siano presenti sull intera struttura al momento del sisma. Il comportamento sismico dell edificio in esame è stato analizzato effettuando un analisi statica e considerando un sistema di forze distribuite lungo l altezza dell edificio e tale che la forza applicata a ciascun piano sia definita come: z i W F = i i F h (3) z i W j essendo F d = S d (T 1 ) W/g λ, con S d (T 1 ) ordinata dello spettro di risposta valutata al primo periodo T 1 definito come T 1 =C 1 H 3/4, C 1 = 0,050 0,085 in funzione della tipologia strutturale e λ=0,85 1. Per meglio studiare l interazione terreno-struttura e simulare un più reale comportamento dell insieme, è stata condotta un analisi che tenesse conto della deformabilità alla base del terreno mediante l introduzione alla base di molle, la cui rigidezza è stata valutata secondo le espressioni proposte da Gazetas (1991) per fondazioni affondate nel terreno. Si riportano di seguito, a titolo di esempio, le formulazioni delle rigidezze verticali e rotazionali K z,emb, K rx,emb, espresse in funzione delle rigidezze delle fondazioni superficiali K z,sup, K rx,sup, nonché delle caratteristiche geometriche della fondazioni, della deformabilità del terreno in termini di modulo di taglio G, di coefficiente di Poisson e di velocità delle onde V s. 2 / 3 d A ( ) w K + z, emb = K z, sur ,3χ ' (4) B Ab 2 ' 0.75 K, = GL z sur ( 0,73 + 1, 54 χ ) (5) 1 ν 0,2 1,26d d d B' K rx, emb = K rx, sur (6) B' B' D L' K rx, sur G = I 1 ν 0.75 bx L' B' ,5B' 2,4 + L' Le analisi sismiche dell edificio sono state condotte considerando tre diversi scenari sismici caratterizzati dai seguenti valori di coefficienti di intensità sismica: k h =0,385 valutato secondo l ATC (1978), relativamente al sisma del 13 Dicembre 1990, registrato a Catania in direzione Nord-Sud ; k h = 0,33, valutato anch esso secondo l ATC (1978) relativamente all accelerogramma sintetico del sisma del 11 Gennaio 1693, opportunamente scalato secondo le leggi di attenuazione; k h = a g S= 0,31, secondo quanto proposto dall Ord (2003) per le zone di seconda categoria sismica. Si riportano di seguito le sollecitazioni relative alle travi di fondazioni maggiormente sollecitate (tabb. 1,2,3): Tabella 1. Sisma : travi di fondazione maggiormente sollecitate (k h =0,385). Fond. N [kn] V [kn] Mx[kNm] My[kNm] B [m] L [m] ,8 9,7 28,5 471,2 1,45 3, ,4 27,6 85,3 453,6 1,35 2, ,3 122,3 370,6 600,7 1,12 3, ,6 99,5 349,1 137,1 1,11 3, ,2 71,3 128,9 449,6 1,20 3, ,7 68,6 145,5 434,8 1,16 2,59 Tabella 2. Sisma : travi di fondazione maggiormente sollecitate (k h =0,33). Fond. N [kn] V [kn] Mx[kNm] My[kNm] B [m] L [m] ,3 26,7 83,3 362,3 1,37 4, ,0 215,1 577,6 135,7 0,72 3, ,9 141,2 204,2 213,5 1,20 3, ,5 137,7 253,6 812,2 1,02 3,06 (7)

6 Tabella 3. Ord. 3274/2003: travi di fondazioni maggiormente sollecitate (kh=0,31). Fond. N [kn] V [kn] Mx[kNm] My[kNm] B [m] L [m] ,6 43,8 91,7 596,6 1,30 2, ,9 195,4 359,2 926,4 1,02 2, ,0 131,6 246,0 836,6 1,23 3, ,0 110,3 252,7 768,7 0,95 1, Valutazione della capacità portante col metodo delle caratteristiche Il presente studio si propone di analizzare i problemi di stabilità delle fondazioni superficiali dell edificio prescelto (Fig. 9) in condizioni pseudo-statiche, considerando l interazione terreno-sovrastruttura mediante il modello numerico basato sul metodo delle linee caratteristiche, proposto originariamente da Sokolovskii per le analisi statiche (1965) e implementato presso l Università di Catania per le condizioni sismiche. Il metodo è stato validato attraverso prove su tavola vibrante e confrontato con metodi proposti in letteratura (Maugeri e Novità, 2004), quali quello dell analisi limite proposto da Richard et al. (1993), quello dell approccio cinematico proposto da Paolucci e Pecker (1997) e quello del metodo delle caratteristiche proposto da Kumar e Mohan Rao (2002). Nell ipotesi di deformazioni piane e assial-simmetriche, di mezzo granulare semi-infinito, omogeneo ed isotropo, il problema di stabilità viene risolto in condizioni di equilibrio limite mediante la risoluzione del sistema di equazioni caratteristiche e/o canoniche implementate in funzione della presenza delle forze d inerzia orizzontali e verticali nel terreno. Il metodo in esame consente di definire la cosiddetta rete delle caratteristiche e quindi la superficie di scorrimento caratteristica, nel piano xy e nel piano λμ (Maugeri e Novità, 2004); restituisce lo stato tensionale in ogni punto appartenente alla rete delle caratteristiche e, da un punto di vista applicativo, permette la valutazione della capacità portante tenendo conto degli effetti inerziali della sovrastruttura e del terreno mediante una riformulazione dei coefficienti di capacità portante in condizioni sismiche espressi come N γe =N γs h γ, N ce =N cs h c e N qe = N qs h q, essendo h γ, h c e h q coefficienti correttivi definiti in funzione dei coefficienti sismici e dell angolo di resistenza al taglio del terreno (Maugeri e Novità, 2004). Con riferimento alle travi maggiormente sollecitate, si riportano di seguito le verifiche di capacità portante dinamiche, eseguite col metodo delle caratteristiche (tabb. 4,5,6). Tabella 4. Capacità portante nel caso k h =0,385. Fond. B [m] L [m] q lim [kn/m 2 ] q es [kn/m 2 ] 1-2 1,45 3,98 461,9 198, ,35 2,33 498,1 352, ,12 3,48 448,8 498, ,11 3,95 449,6 409, ,20 3,54 430,7 200, ,16 2,59 455,7 286,2 Tabella 5. Capacità portante nel caso kh=0,33. Fond. B [m] L [m] q lim [kn/m 2 ] q es [kn/m 2 ] ,37 4,24 453,7 222, ,72 3,92 420,5 525, ,20 3,88 405,4 289, ,02 3,06 406,5 338,2 Tabella 6. Capacità portante nel caso kh=0,31. Figura 9. Pianta delle fondazioni dell edificio sito in via Androne angolo Via dott. Consoli. Fond. B [m] L [m] q lim [kn/m 2 ] q es [kn/m 2 ] 2-3 1,30 2,86 459,4 248, ,02 2,87 407,0 512, ,23 3,68 424,3 401,7

7 ,95 1,31 492,7 733,6 Dalle verifiche si evince che al variare dello scenario sismico considerato le travi che necessitano di un miglioramento sismico mutano, coincidendo complessivamente con le travi 41-17, e Inoltre, per una fissata fondazione, anche le relative superfici di scorrimento si modificano al variare dello scenario sismico, diventando più piccole e superficiali al crescere del coefficiente di intensità sismico applicato. La Figura 10 mostra che allorché viene applicata una k h =0,31, la superficie è caratterizzata da una estensione sul piano di campagna pari a L=1,81m e da un affondamento Z=0,669m, mentre per k h =0,385 si ha L= 1,19m e Z=0,426m. L l B capacità portante effettuate, sono stati proposti degli interventi di consolidamento per le fondazioni dell edificio maggiormente sollecitate cercando il valore minimo della base B che soddisfi la verifica. Secondo il D.M , il carico limite del complesso fondazione-terreno deve essere calcolato sulla base delle caratteristiche geotecniche del sottosuolo e delle caratteristiche geometriche della fondazione. Il coefficiente di sicurezza non deve essere inferiore a tre. In realtà la Normativa non definisce alcun fattore di sicurezza in condizioni sismiche e il valore suggerito dal D.M. risulta troppo conservativo in presenza di azioni dinamiche. Pertanto, nel presente studio, le proposte di miglioramento sono state concentrate essenzialmente sulle fondazioni aventi un coefficiente di sicurezza inferiore ad 1 in condizioni dinamiche (Tabelle 1, 2, 3). Al fine di aumentare il fattore di sicurezza è stato previsto un allargamento della fondazione, affiancando alla trave di fondazione già esistente due cordoli in c.a. resi solidali con la fondazione mediante collegamento trasversale con barre ben ammorsate tipo Dywidag. La sezione dei cordoli è stata dimensionata a flessione ed a taglio (Fig. 11). l 1 L B Figura 10. Superfici di scorrimento per k h =0,31 e k h = 0, PROPOSTA DI MIGLIORAMENTO DELLE FONDAZIONI Nell ottica di un ampia politica di prevenzione, sulla base di una riclassificazione delle zone sismiche e di una normativa attenta e competitiva a livello europeo e alla luce di approfonditi studi di scenario sismico, di frequenza di accadimento dei terremoti, di indagini di vulnerabilità e di mappe di rischio, appare sempre più evidente la necessità di interventi di adeguamento sismico e/o di miglioramento sismico preventivo degli edifici esistenti, così come definiti nel D.M E importante però non limitare gli interventi di miglioramento solo alla sovrastruttura, trascurando il comportamento delle fondazioni e del terreno sottostante con cui queste interagiscono, perché si verificherebbero danni significativi in diverse parti dell edificio a causa del mobilitarsi di cedimenti differenziali della fondazione. Uno dei problemi progettuali fondamentali da risolvere è quello di verificare che le sollecitazioni strutturali possano essere supportate da un sistema di fondazioni superficiali di dimensioni ragionevoli, senza che si verifichino dei cedimenti eccessivi che possano compromettere la funzionalità o, addirittura, la stabilità dell edificio. Pertanto, nel presente lavoro, alla luce delle verifiche di Figura 11. Schema di miglioramento sismico della fondazione. La normativa prevede inoltre il collegamento in pianta dei pilastri mediante cordoli in grado di assorbire gli sforzi di trazione e di compressione, allo scopo di evitare pericolosi spostamenti orizzontali tra pilastri, causa di sollecitazioni aggiuntive non previste per l elevazione. Si è proceduto pertanto alla progettazione a trazione e compressione di tali cordoli di collegamento, valutando gli sforzi in funzione del tipo di terreno. In particolare, per terreni di tipo C, gli sforzi sono pari a: F d =±0,5 S a g N sd (8) essendo S il fattore che tiene conto del profilo stratigrafico del suolo di fondazione; a g l accelerazione orizzontale massima per la zona sismica in questione; N sd la media degli sforzi normali dei pilastri da collegare. Il calcolo, eseguito agli SLU, ha permesso di valutare l area minima da disporre per i cordoli di collegamento pari a 30cm x 30cm.

8 6 CONCLUSIONI Il lavoro è stato finalizzato all analisi del comportamento dinamico, in termini di capacità portante, delle fondazioni superficiali di un edificio in vera grandezza in c.a., ubicato nell area urbana della città di Catania. L edificio è stato scelto tra quelli realizzati tra il 1953 ed il 1958 ed appartenente ad una parte del tessuto urbano densamente popolato. Un corretto studio di interazione non può prescindere dalla conoscenza del terreno. Pertanto l area di interesse è stata caratterizzata geotecnicamente, sia in termini di proprietà meccaniche che di parametri dinamici, alla luce di un sondaggio effettuato in prossimità dell edificio e della zonazione geotecnica effettuata su tutto il territorio urbano di Catania. Si è poi proceduto alla caratterizzazione dinamica del terreno ed alla valutazione della risposta sismica locale tramite codice di calcolo GEODIN, nonché all analisi sismica dell edificio, al fine di valutare le azioni trasmesse dalla sovrastruttura alle fondazioni. L analisi della risposta sismica locale dell area interessata ed i relativi studi in termini di spettri di risposta elastici ed anelastici sono stati condotti considerando tre diversi scenari sismici, e nella fattispecie il sisma del 13 Dicembre 1990, il sisma dell 11 Gennaio 1693 e lo spettro proposto dall Ord. PCM 3274 (2003) per la zona sismica in cui ricade il sito in esame. Analogamente, l analisi dinamica delle fondazioni superficiali è stata eseguita in termini di capacità portante utilizzando sia i valori medi della pseudo-accelerazione spettrale, valutata secondo quanto suggerito dall A.T.C. (1978) per i sismi considerati sia il coefficiente sismico fornito dall Ord. PCM La capacità portante è stata valutata adottando un nuovo approccio, sviluppato presso l Università di Catania e basato sul metodo delle caratteristiche (Maugeri e Novità, 2004) che consente di valutare la capacità portante in condizioni sia statiche che dinamiche, tenendo conto sia dell effetto dell inerzia della sovrastruttura che dell inerzia del terreno secondo quanto suggerito dall EC8 (CEN, 2003). Le verifiche sulle fondazioni sono state condotte agli SLU diminuendo la resistenza del terreno con dei coefficienti riduttivi. In realtà, l Ord. PCM 3274/2003 non fornisce tali coefficienti, per cui sono stati adottati quelli suggeriti dall EC8 (CEN, 2003) e nella fattispecie γ φ =1,25 e γ c =1,4 rispettivamente per l angolo di resistenza al taglio e per la coesione. In ultima analisi sono state proposte delle opere di miglioramento sismico delle fondazioni al fine di fornire all intera sovrastruttura un sistema di fondazioni superficiali di dimensioni tali da non causare cedimenti atti a compromettere la stabilità e/o la funzionalità della sovrastruttura. BIBLIOGRAFIA ATC, Applied Technology Council-Tentative provisions for the development of seismic regulations for building. ATC Pubbl. ATC3-06, Spec. Publ. 510, U.S. Govern. Print. Off. Wash. Brinch Hansen, A revised and Extended formula for Bearing Capacity. Bull.n.28, Danish Geotechnical Institute, Copenhagen. CEN, Eurocode 8: Design of Structures for Earthquake Resistance. Part 1: General Rules, seismic actions and rules for buildings; Part 5: Foundations, retaining structures and geotechnical aspects.final Draft. Brussels: European Committee for Standardization (CEN), December D.M., Norme tecniche relative alle costruzioni sismiche. Suppl. G.U.R.I. n.29 del , Roma. Gazates G., Foundation Vibrations. In Foundation Engineering Handbook, (H.Y. Fang, ed.) Van Nostrand Reinhold, New York, NY, pp Giuffrè A., Giannini R., La risposta non lineare delle strutture in cemento armato. Progettazione e particolari costruttivi in zone sismiche. ANCE. Grasso S., Maugeri M., Vulnerability of physical environment of the city of Catania using GIS technique. Workshop on: Detailed Scenarios and Actions for Seismic Prevention of Damage in the Urban Area of Catania, Catania, 9-10 January, Kumar J., Mohan Rao V.B.K., Seismic bearing capacity factors for spread foundations. Geotechnique 52, No. 2, pp Maugeri M., Novità D., Numerical model for the evaluation of the effects of soil-structure interaction shallow foundation bearing capacity. Atti XI Int. Conf. Soil Dynam. and Earth. Eng., Univ. of California, Ordinanza P.C.M. 3274, Primi elementi in materia di criteri generali per la classificazione sismica del territorio nazionale e di normative tecniche per le costruzioni in zona sismica, Paolucci R., Pecker A., Seismic bearing capacity of shallow strip foundation on dry soils. In Soils and Foundations, Vol. 37, No. 3, pp Richard R., Elms D.G. and Budhu M., Seismic bearing capacity and settlements of foundations. In Journ. Geotech. Engng, ASCE,Vol. 119, No.4, pp Sokolovskii V.V., Statics of granular media, translated by J.K. Lusher, Pergamon Press, ABSTRACT SEISMIC ANALYSIS OF A R/C BUILDING LOCATED IN THE URBAN AREA OF CATANIA Keywords: R/C building, shallow foundation, characteristics line method; dynamic bearing capacity; remedial works. Strengthening works performed only in the superstructure are often insufficient to prevent damages in buildings in consequence of seismic events. They can avoid the complete collapse of the structures but they cannot unsure the total safety and serviceability of the whole building, often significantly damaged due to its foundation movements. In the present work, the soil-foundation interaction problem of an R/C building located in the urban area of Catania city has been analysed, paying attention both to the dynamic analysis of the shallow foundation and to the remedial works of the foundation itself. On the basis of the geotechnical characterization of the area, the seismic local response and the elastic and inelastic response spectra have been obtained and compared with those proposed by the EC8 and by the Italian Regulations. The dynamic analysis of the shallow foundation has been performed in terms of bearing capacity by means of a new approach developed at the University of Catania, based on the characteristics line method, which allows to consider simultaneously the superstructure inertia and the soil inertia, according to the EC8. The seismic bearing capacity analysis was also performed according to the limit analysis method proposed by Richard et al. (1993), and to the kinematic approach of yield design theory mechanism proposed by Paolucci and Pecker (1997). The results were compared with those provided by the worldwide used Brinch- Hansen method (1970), which neglects the presence of the inertial forces in the soil. Since the foundation s behaviour plays an important role on the formation of the failure mechanism of the whole structure, remedial works on the foundation of the analysed building have been proposed on the basis of the bearing capacity analysis.