L utilizzo di controventi dissipativi per la protezione sismica del plesso scolastico Cappuccini a Ramacca (CT)

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1 Fabio Neri 1 (fneri@dica.unict.it), Mario La Guzza 2 (mariolaguzza@virgilio.it), Antonio Russo 2 (ing.antoniorusso@gmail.com) L utilizzo di controventi dissipativi per la protezione sismica del plesso scolastico Cappuccini a Ramacca (CT) Successivamente agli eventi vulcanici e sismici dell ottobre 2002 che hanno colpito la Sicilia Orientale sono stati eseguiti numerosi sopralluoghi ed ispezioni allo scopo di controllare le condizioni degli edifici pubblici ed in particolar modo quelli scolastici. A seguito di questi sopralluoghi il plesso scolastico Cappuccini è stato dichiarato inagibile a causa di un diffuso quadro fessurativo negli elementi divisori. L edificio in oggetto, ubicato a Ramacca a circa 50 km da Catania, è stato costruito in opera in c.a. nella seconda metà degli anni 70 e quindi prima della classificazione sismica del territorio comunale. Si presenta con una pianta compatta di forma rettangolare e con due assi di simmetria estendendosi per circa 32 m nella direzione maggiore e per 25 m in quella minore, con una superficie coperta di circa 750 mq, due piani fuori terra ed un volume complessivo di circa mc. La struttura in c.a. gettata in opera è composta da travi, pilastri e solai in latero cemento con fondazioni dirette. L edificio presenta nella zona centrale un atrio coperto che strutturalmente rappresenta una interruzione degli impalcati di piano e che svetta in elevazione rispetto il solaio di copertura creando una irregolarità nella struttura. Il progetto di miglioramento delle prestazioni sismiche di un edificio come quello in oggetto, caratterizzato da insufficiente duttilità e resistenza, è stato ulteriormente complicato in questo caso dall aver riscontrato calcestruzzi di qualità inferiore a quanto previsto in fase progettuale e da notevoli valori di cedimenti in fondazione che rappresentavano la vera causa del quadro fessurativo. Indagini, verifiche preliminari e sismicità Essendo riusciti ad entrare in possesso solo parzialmente della documentazione relativa al progetto strutturale originale, propedeuticamente all avvio della fase progettuale si è avviata una campagna di indagini diagnostiche, basata su un accurato rilievo geometrico e strutturale (travi, pilastri e fondazioni) e su sondaggi finalizzati ad individuare l armatura presente, i particolari dei nodi, le caratteristiche meccaniche dei materiali nonchè il relativo stato di degrado e dei dissesti (quadri fessurativi e cedimenti). Il progetto del piano di indagini è stato redatto al fine di raggiungere un livello di conoscenza LC2 secondo quanto previsto dall O.P.C.M Il rilievo accurato dei cedimenti della struttura e del quadro fessurativo ha registrato cedimenti massimi di circa 130 mm e come questi fossero la causa del quadro fessurativo presente. Inoltre in corrispondenza della zona oggetto dei maggiori cedimenti si sono riscontrati valori di resistenza dei cls notevolmente inferiori a quelli di progetto (10-13 mpa). Inevitabilmente le verifiche strutturali dello stato di fatto hanno evidenziato, coerentemente a quanto previsto, la incapacità della struttura di resistere alle azioni di progetto relative alle nuove costruzioni. L edificio è collocato in una zona in pendio caratterizzato da una alternanza di depositi pluviocolluviali con strati di argille limose che possono essere classificati, ai sensi della OPCM 3274 e smi, come terreni di tipo B. Il comune di Ramacca è classificato in zona sismica di II categoria con PGA=0,25 g. Il progetto Vista la tipologia del sistema strutturale costituita da telai in c.a., nonché la distribuzione dei singoli elementi resistenti, il miglioramento sismico è stato effettuato mediante l inserimento di controventi dissipativi con l obbiettivo di ridurre l effetto delle azioni orizzontali sul complesso strutturale in c.a., indirizzando l energia trasmessa dal sisma in zone opportunamente concepite in termini di resistenza e di capacità dissipativa (telai controventati). I controventi sono stati realizzati collegando in serie ad un asta in acciaio un dispositivo antisismico (dissipatore). La tipologia di dissipatori scelta per l intervento, rientra nella categoria dei dissipatori isteretici assiali ad instabilità impedita (Buckling Restrained Axial Dampers - BRAD). Tali sistemi, particolarmente adatti ad essere utilizzati per l adeguamento sismico di edifici intelaiati in acciaio,

2 cemento armato o c.a.p., presentano le proprie capacità dissipative quando soggetti a cicli alterni di trazione e compressione. Considerando la distribuzione degli ambienti, ed avendo valutato preliminarmente i carichi e le masse coinvolte, si è scelto di disporre i controventi all interno dei telai costituenti il vano centrale dell edificio, controventando quattro telai per ogni direzione principale, per un totale di 24 elementi dissipativi (Fig. 1). Avendo concentrato l intervento in questa zona (atrio), priva di impalcato al primo ed al secondo livello, si sono agevolate le lavorazioni e si è potuto evitare di intervenire all interno delle aule o nei tompagni perimetrali, ovvero in zone che avrebbero comportato maggiori oneri per il ripristino dello stato dei luoghi e delle loro funzionalità. T. 3 T. 2 TELAI CONTROVENTATI T. 1 T. 4 PARTE DEMOLITA E RICOSTRUITA Figura 1. Pianta carpenteria piano terra e posizionamento telai di controvento Figura 2. Telaio controventato T.1 La progettazione del sistema dissipativo è stata effettuata in maniera iterativa cercando di conciliare il range di operatività del sistema controvento equivalente definita a livello teorico (quindi la rigidezza e la resistenza richiesta in funzione della struttura esistente), con le caratteristiche meccaniche e geometriche reali dei due elementi costituenti lo stesso. La procedura di calcolo ha seguito dunque due passi fondamentali: il primo, costituito dal calcolo della rigidezza e della resistenza equivalente dell intero sistema in funzione degli spostamenti di interpiano e dell azione sismica di riferimento, il secondo, costituito dalla scelta delle caratteristiche meccaniche e geometriche degli elementi asta e dissipatore e la relativa verifica mediante analisi non lineari. In Tabella 1 si riportano le caratteristiche dei controventi dissipativi utilizzati in progetto. Dissipatore tipo BRAD Rigidezza controvento Tubolare SIGLA Fy Fmax,media Rigidezza Spost. max PIANO elastica progetto [kn/mm] [mm / mm] [kn] [kn] [kn/mm] [mm] / 8 21/ ± / 12 20/ ± / 12 39/ ± 15 Tabella 1: Caratteristiche controventi dissipativi

3 Massimi spostamenti di interpiano [m] Direzione x Direzione y Impalcato Libero Controventato Libero Controventato Tabella 2: Confronto massimi spostamenti di interpiano per il sistema con e senza controventi dissipativi 6.0E-002 t 4.0E-002 Spostamento [m] 2.0E E E E E-002 Nodo 169 Terzo Impalcato Libero Controventato t Figura 3. Tipico raffronto di spostamenti di interpiano in direzione X tra struttura libera e controventata Nella configurazione post intervento le azioni sismiche si concentrano nei controventi e di conseguenza nelle maglie strutturali che li contengono. Al fine di un efficace funzionamento dell intervento progettuale è necessario: in una logica di criterio di gerarchia delle resistenze, che gli elementi strutturali preposti al trasferimento delle azioni sismiche al terreno rimangano in campo elastico; che i cedimenti in fondazione siano trascurabili (in caso contrario le torri contenenti i controventi si comporterebbero come un corpo rigido incernierato alla base). I precedenti problemi sono stati risolti mediante l accoppiamento di angolari e piatti metallici alle travi ed ai pilastri delle torri di controvento e con la realizzazione di un sistema di micropali in corrispondenza dei punti di scarico sul terreno dei sistemi di controvento (Fig. 2). Al fine di validare l efficacia della soluzione progettuale si sono effettuate analisi lineari e non lineari. Con riferimento a quest ultime si sono condotte delle analisi time-history non lineari utilizzando come input accelerogrammi spettro compatibili. Le analisi condotte (Fig. 3) hanno mostrato una notevole riduzione degli spostamenti e delle sollecitazioni nella struttura esistente, con al contempo richieste di duttilità nei dissipatori compatibili con quanto disponibile (Tab. 2). Le analisi non lineari effettuate sul sistema finale hanno mostrato come l obbiettivo di progetto dell adeguamento sismico, come definito dall O.P.C.M. n.3274/03 e s.m.i., venga ampiamente soddisfatto. Al contempo si è cercato di integrare l intervento progettuale con il contesto edilizio esistente (Figg. 4, 5, 6). Prove sui dissipatori Allo scopo di testare la risposta meccanica dei dispositivi antisismici BRAD, sono state eseguite su di essi le prove di qualificazione richieste dell O.P.C.M. 3274/03, secondo le indicazioni al punto 10.B.3 Dispositivi a comportamento non lineare e lineare. Le prove sono state realizzate su 2 dispositivi, ovvero un BRAD 21/40 ed un BRAD 20/30.

4 Figura 4. Vista dei telai controventati T.1 T.2 Figura 5. Vista del telaio T.1 Figura 6. Particolare di attacco controvento

5 La prova sui dispositivi è stata eseguita con controllo degli spostamenti impressi: indicando con d 2 lo spostamento massimo ammesso sul prototipo, si è proceduto con 5 cicli completi di deformazioni alternate, con ampiezza massima non inferiore a ±0,1 d 2 ±0,2 d 2 ±0,3 d 2 ±0,5 d 2 ± d 2, ed una prova quasi statica, condotta imponendo al prototipo almeno 5 cicli completi di deformazione alternate, con ampiezza massima pari a ±1,2 d 2. L analisi dei cicli alle diverse ampiezze (Fig. 7), evidenzia le notevoli caratteristiche inelastiche del dispositivo. Per carichi di trazione, il comportamento del dispositivo è sostanzialmente uguale a quello del materiale elastico-perfettamente plastico, in cui raggiunta la soglia di snervamento, gli spostamenti crescono sotto carico costante. Per carichi di compressione si manifesta invece un effetto incrudente nel tratto plastico della curva, dovuto all effetto del confinamento prodotto dal materiale presente all interno del sistema che, impedendo al materiale del dissipatore di deformarsi in direzione trasversale, aumenta la forza necessaria a deformarlo in compressione Conclusioni Gli studi condotti hanno mostrato l elevata efficacia della tecnica della dissipazione energetica, mediante dissipatori isteretici, nel migliorare la protezione sismica degli edifici esistenti in c.a.. A differenza di interventi tramite l isolamento alla base, i controventi dissipativi sono quasi sempre applicabili per strutture intelaiate in c.a., sebbene il loro utilizzo impone interventi diffusi all interno degli edifici producendo un non sempre trascurabile livello di invasività e di interferenza con il regolare svolgimento delle attività svolte. Il costo dei soli lavori relativi all intervento di miglioramento strutturale (inclusi anche ripristini e finiture), effettuato tramite l intervento proposto, è stato pari a circa 220k con una incidenza di circa 35 /mc di edificio. Questi valori di costo, se rapportati anche al livello di incremento delle prestazioni sismoresistenti, permettono di affermare come la tecnica della dissipazione sismica mediante controventi isteretici, rispetto ad altre strategie di intervento, consenta di raggiungere buoni rapporti in termini benefici-costi. Figura 7. Diagramma carico spostamento BRAD mod. 21/40 cicli ±2, ±4, ±6, ±10, ±20 mm 1 Università di Catania 2 Libero professionista Necatec srl