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1 ISOLAMENTO SISMICO: LE NUOVE PROSPETTIVE PER L'ADEGUAMENTO SISMICO DEGLI EDIFICI ESISTENTI CON LE NTC pierpaolo cicchiello Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 1 / 60

2 Membro itcold (Sezione Italiana Commissione Internazionale Grandi Dighe) Responsabile Ingegneria Antisismica Politecnico di Milano (Tecnica delle Costruzioni) Testi Pubblicati o in corso di pubblicazione con Maggioli (M) e Flaccovio (F): Diagnostica strutturale, 2010, M Progettazione strutturale antisismica degli edifici, 2010, M Il progetto architettonico antisismico, 2010, M La messa in sicurezza e l'adeguamento sismico degli edifici esistenti, 2011, M Criteri di progettazione antisismica per strutture miste, 2011, M Metodi non convenzionali di protezione antisismica, 2011, M La Regolarità Strutturale (in pubblicazione), M Guida Operativa alla Consulenza Tecnica nella Patologia Edilizia, (in pubblicazione) F* Progettista, DL, Collaudatore di oltre 300 Strutture Ordinarie e Speciali Ingegnere Esperto UNI-ISO (Vita utile strutture metalliche) Ingegnere OTIA 5300 (Canton Ticino, Svizzera) AISC (American Institute of Steel Costruction) Profess. Member * Con l Avv. Silvia Annamaria BRAMBILLA Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 2 / 60

3 Cosa succede ad un edificio in occasione di un sisma? Il moto del terreno e la sua trasmissione al terreno: edifici rigidi e flessibili Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 3 / 60

4 Come si può adeguare sismicamente un edificio esistente? Classiche tecniche di rinforzo Rafforzamento diffuso su tutti gli elementi strutturali 1. Metodi tradizionali 2. Metodi innovativi (CAM) Inserimento nuovi elementi con rigidezza e resistenza elevata (pareti, controventi) Metodi moderni Isolamento alla base Controventi dissipativi Metodi innovativi Controllo attivo Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 4 / 60

5 Il PRG di un BIS su edifici esistenti comporta: Aspetti delicati del BIS seismic-retrofit 1. Spostamenti relativi rispetto al terreno elevati 2. Verificare compatibilità con: 1. funzionamento corretto degli impianti 2. presenza di edifici contigui 3. Inserimento degli isolatori tra struttura e fondazione 4. Manutenzione ed ispezione da affidare a ditte competenti 5. Progetto più difficile 6. Realizzazione più delicata Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 5 / 60

6 Come si può adeguare sismicamente un edificio esistente? Classiche tecniche di rinforzo 1. Si incrementa la sicurezza al collasso delle strutture con aumento di resistenza e duttilità 2. Sono necessari estesi interventi di rifacimento delle parti non strutturali 3. L incremento dei pesi si traduce in una sovraccarico ulteriore sulla fondazione, con conseguenti sensibili aumenti dei costi di intervento INCREMENTO DEI COSTI DI REALIZZAZIONE Vantaggi del BIS seismic-retrofit 1. si riducono le sollecitazioni sugli elementi strutturali e sulle fondazioni 2. Si può evitare di intervenire sulla struttura in elevazione Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 6 / 60

7 Effetti dell isolamento sismico alla base (BIS) sull edificio? STRATEGIA DI DIFESA BIS : EFFICACIA CRESCENTE CON a G EFFICACIA CRESCENTE CON SUOLI SCADENTI (C,D,E) RICHIEDONO REGOLE SPECIFICHE (Diversamente dalla DISSIPAZIONE) Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 7 / 60

8 Effetti dell isolamento sismico alla base (BIS) sull edificio? STRATEGIE DI ISOLAMENTO SISMICO: 1. AUMENTO PERIODO FONDAMENTALE: RIDUZIONE DELL ACCELERAZIONE DI RISPOSTA 2. RIDUZIONE FORZA ORIZZONTALE TRASMESSA 3. DISSIPARE BUONA PARTE DELL ENERGIA IN INGRESSO Per ogni edificio esistente si adotta una scelta principale e si può abbinarvi una scelta secondaria Ogni struttura esistente presenta peculiarità tali da far propendere per una linea operativa IMPORTANZA ANALISI COMPORTAMENTO DINAMICO Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 8 / 60

9 Effetti dell isolamento sismico alla base (BIS) sull edificio? STRATEGIE DI ISOLAMENTO SISMICO: AUMENTO PERIODO FONDAMENTALE: RIDUZIONE RISPOSTA Le strutture in muratura, nell aftershock, si autoisolano, attraverso la creazione di meccanismi che modificano il comportamento dinamico dell edificio (M. Dolce) Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 9 / 60

10 Effetti dell isolamento sismico alla base (BIS) sull edificio? STRATEGIE DI ISOLAMENTO SISMICO: INCREMENTO DEL PERIODO E DISSIPAZIONE DI ENERGIA Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 10 / 60

11 Effetti dell isolamento sismico alla base (BIS) sull edificio? STRATEGIE DI ISOLAMENTO SISMICO: RIDUZIONE DELLA FORZA Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 11 / 60

12 PUNTI FONDAMENTALI PER PRG DI BIS 1. IL SISTEMA DI ISOLAMENTO SISMICO DEVE ESSERE CARATTERIZZATO DA UN LIVELLO DI AFFIDABILITA SUPERIORE, PER LA CENTRALITA DEL RUOLO RIVESTITO 2. IL DISPOSITIVO DI ISOLAMENTO SARA DEFINITO IN TERMINI DI COMPORTAMENTO MECCANICO: ATTRAVERSO UN MODELLO RAPPRESENTATIVO DELLA DINAMICA STRUTTURALE CHE SIA REALISTICO, NON NECESSARIAMENTE COMPLICATO. Attenzione ai cataloghi dei Produttori che finiscono di peso nel DB del SW SPERIMENTAZIONE DI LABORATORIO CONDOTTA CON STORIA DI CARICO ADEGUATA ALLE CONDIZIONI DI UTILIZZO EFFETTIVE (in termini di accelerazione, velocità, spostamenti) 3. Il progetto deve essere redatto con attenzione particolare ai dettagli esecutivi 4. Coinvolgere il Collaudatore sin dalle fasi iniziali del progetto 5. Importanza rilevante va data al Piano di Manutenzione Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 12 / 60

13 VERIFICHE SU STRUTTURE ESISTENTI 8.3 VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA Valutazione di sicurezza e scelte progettuali degli interventi sulle costruzioni esistenti si possono svolgere con riferimento ai soli SLU Se verifico anche nei confronti degli SLE, i livelli di prestazione sono stabiliti di concerto con il Committente Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 13 / 60

14 Le verifiche S.L.U. PER LE STRUTTURE TRADIZIONALI sono SENSIBILI AL PROGETTISTA per SLV e SLC si accetta che la struttura possa sostenere danni di grave entità, anche strutturali, conservando però la capacità di sopportare i carichi verticali e quindi senza collassare SLV (sisma probabilità di accadimento 10% durante V R ): alla struttura è richiesta anche una residua capacità di resistere ad azioni orizzontali (repliche sismiche di intensità inferiore) SLC (sisma probabilità di accadimento al 5% durante V R ): è richiesto unicamente di sostenere i carichi verticali nella fase post -sismica, senza ulteriori riserve N.B. Per costruzioni in muratura SLV implica SLC Modello di valutazione della sicurezza scelto e giustificato dal progettista caso per caso, dopo: Analisi rilievo caratterizzazione meccanica Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 14 / 60

15 MODELLO E MODELLAZIONE Modello per la valutazione della sicurezza scelto e giustificato dal progettista caso per caso: Modello a mensole Modello a telai Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 15 / 60

16 RICHIAMI S.L.U. per EDIFICI in MURATURA Modello per la valutazione della sicurezza scelto e giustificato dal progettista caso per caso: Schema a trave di collegamento in muratura pura Schema a trave di collegamento con cordolo e architrave Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 16 / 60

17 Templi Monasteri Cinesi Ponti L ISOLAMENTO NON E UN INVENZIONE (Martelli) Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 17 / 60

18 IL PATRIMONIO EDILIZIO MERITA L ISOLAMENTO COMPROMESSO O CROLLO? Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 18 / 60

19 IL PATRIMONIO EDILIZIO CHIEDE L ISOLAMENTO IL CROLLO DEI COMPROMESSI: Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 19 / 60

20 GLI EDIFICI ESISTENTI ALL ESTERO DIVENTANO PATRIMONIO San Francisco City Hall: 1906, 1912 (rec), 1989 (LP), Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 20 / 60

21 MODELLO CONVENZIONALE DI ANALISI Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 21 / 60

22 MODELLO PER L ANALISI DI EDIFICI BIS Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 22 / 60

23 SINTESI DELLE STRATEGIE DI DIFESA SISMICA Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 23 / 60

24 ISOLAMENTO SISMICO: POSSIBILI COLLOCAZIONI Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 24 / 60

28 IL PATRIMONIO EDILIZIO E L EVENTO SISMA OSSERVAZIONI PRELIMINARI: 1. NON ESISTE EDIFICIO STORICO CHE SIA IMMUNE DAL PERICOLO SISMICO V U ~ 2. NON ESISTE PROVVEDITORE CHE POSSA ASSICURARE LA SORVEGLIANZA ED IL GIUDIZIO DEL TEMPO SULLE SCELTE DI TIPO CONVENZIONALE 3. NON ESISTONO MOLTE ALTERNATIVE PARAGONABILI PER LA TUTELA DEL PATRIMONIO STORICO AL SEISMIC RETROFIT CON BIS 4. LE RISORSE DISPONIBILI NON SONO INFINITE Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 28 / 60

29 PER EDIFICI DI VALORE INESTIMABILE IL COSTO PUO ESSERE TRASCURATO De Stefano et al: Sottofondazione con tubi di grande diametro (fino a 3000 mm) inseriti con tecnica spingitubo Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 29 / 60

30 PER EDIFICI DI VALORE INESTIMABILE IL COSTO PUO ESSERE TRASCURATO Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 30 / 60

34 IL PATRIMONIO EDILIZIO E L EVENTO SISMA LE RISORSE DISPONIBILI DOVE SONO FINITE? 1. I GLADIATORI HANNO CESSATO DI PUGNARE 2. IL MORALISTA è SCONVOLTO MA TACE: LA OTTIMA CAPACITA DI RILIEVO DEL DANNO POST- SISMA ORA DEVE CEDERE IL PASSO AL CORAGGIO DEL RETROFIT PRE-SISMA ESTESO Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 34 / 60

35 AL LIMITE, MEGLIO INTERVENIRE IN MODO INVASIVO PRIMA CHE DOPO IL DANNEGGIAMENTO Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 35 / 60

36 ESSENZA DEL BIS FUNZIONI PRINCIPALI: 1. FUNZIONE DI APPOGGIO 2. RIGIDEZZA ORIZZONTALE LIMITATA PER SISMA MA SUFFICIENTE PER VENTO 3. DISSIPAZIONE FUNZIONE ACCESSORIA PRIMARIA : 1. CAPACITA DI RICENTRAGGIO FUNZIONI ACCESSORIE SECONDARIE : 1. INGOMBRO RIDOTTO 2. DURABILITA VARIABILE DIPENDENTE : COSTO, f(a G, soil, Vu) Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 36 / 60

37 IN TERMINI PRATICI: VANTAGGI DEL BIS 1. SI INTERVIENE SOLO AL PIEDE DELL EDIFICIO 2. I LAVORI NON RENDONO INAGIBILE IL FABBRICATO 3. IN CASO DI SISMA IL DANNO è MOLTO RIDOTTO MA, SOPRATTUTTO, SI MANTIENE L OPERATIVITA. QUESTO ASPETTO DOVREBBE DA SOLO PORTARE AL BIS PER TUTTI GLI EDIFICI DI VALORE IN TERMINI INGEGNERISTICI: 1. HO UNA DOMANDA DI DUTTILITA INFERIORE 2. DEVO STIMARE CORRETTAMENTE T FB 3. SCELTA DEI TIPI ADATTI DI DISPOSITIVI DI ISOLAMENTO Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 37 / 60

38 LE ASSUNZIONI DEL PROGETTO DI UN SISTEMA BIS VERIFICHE PRELIMINARI: 1. I MOVIMENTI DI BASE POSSONO SVILUPPARSI? 2. GLI EDIFICI VICINI POSSONO ESSERE DANNEGGIATI DAL NOSTRO? 3. GLI EDIFICI VICINI POSSONO MODIFICARE IL COMPORTAMENTO DEL NOSTRO PROGETTO? SCELTE ESSENZIALI 1. IL VANO ASCENSORE E LE SCALE DEVONO CONSENTIRE 2. DOVE COLLOCARE IL SISTEMA DI ISOLAMENTO 3. QUALE SISTEMA DI ISOLAMENTO POSSO INSTALLARE Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 38 / 60

39 ESSENZA DEL BIS QUALE VANTAGGIO CONSEGUO CON BIS? T IS T FB DIPENDE IN BUONA PARTE DA T is E T FB e dal DAMPING Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 39 / 60

40 Volume significativo di TERRENO DA INVESTIGARE 1 1 (AGI 1977) in Cicchiello P., Diagnostica Strutturale, Maggioli, Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 40 / 60

41 Il VOLUME SIGNIFICATIVO 1 MODELLAZIONE FEM DEL SOTTOSUOLO 1 Zona da CONOSCERE e CARATTERIZZARE Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 41 / 60

42 PERIODO PRINCIPALE EDIFICIO ESISTENTE COME STIMO T FB? 1. NTC08 ( ): T 1 = C 1 * H 3/4 H < 40 m (dalle fondazioni! ) Massa uniforme su H C1 = 0,085 STEEL FRAMES 0,075 CONCRETE FRAMES 0,050 OTHERS 2. FEM (mi devo affidare ai DISEGNI AS DESIGNED) 3. MISURA STRUMENTALE (VIBRODINA, SISMICA PASSIVA) 4. MISURA STRUMENTALE + FEM MODIFICATO Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 42 / 60

43 PERIODO PRINCIPALE EDIFICIO ESISTENTE NTC08 ( ): T 1 = C 1 * H 3/4 H < 40 m Massa uniforme su H C1 = 0,085 STEEL FRAMES 0,075 CONCRETE FRAMES 0,050 OTHERS Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 43 / 60

44 PERIODO PRINCIPALE EDIFICIO ESISTENTE COME STIMO T FB? MISURA STRUMENTALE CON VIBRODINA (Lagomarsino et al.) Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 44 / 60

45 PERIODO PRINCIPALE EDIFICIO ESISTENTE COME STIMO T FB? MISURA STRUMENTALE CON VIBRODINA: Analizzo: Accelerogrammi per eccitazione stazionaria Segnali in vibrazioni libere (Lagomarsino et al.) Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 45 / 60

46 DAMPING EDIFICIO ESISTENTE NELLA MISURA CON VIBRODINA E PIU DIFFICILE LA STIMA DELLO SMORZAMENTO (Lagomarsino et al.) Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 46 / 60

47 PERIODO PRINCIPALE EDIFICIO ESISTENTE LA MISURA CON SISMICA PASSIVA E PIU AGEVOLE MA POCO DIFFUSA HVSR (Horizzontal to Vertical Spectral Ratio) DAL CONFRONTO CON ALTRI RILIEVI E RISULTATA AFFIDABILE La naturale applicazione è la caratterizzazione sismica passiva dei terreni mediante la tecnica HVSR (Metodo di Nakamura) Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 47 / 60

48 ALTRI RISULTATI OTTENIBILI CON ANALISI HVSR Analisi vibrazionali off-line (UNI9916, DIN traffico e strutture) Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 48 / 60

49 CHIESA DI SARTIRANA DIAGNOSTICA ED IPOTESI DI ADEGUAMENTO FREQUENZE DEI MODI DI VIBRARE IN DIREZIONE TRASVERSALE E LONGITUDINALE 5.3 Hz 5.1 Hz Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 49 / 60

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51 SMORZAMENTO ASSOCIATO AL PRIMO MODO FLESSIONALE (N-S) 6% Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 51 / 60

52 CARATTERIZZAZIONE DEL SUOLO IN TERMINI DI FREQUENZE DI RISONANZA Artefatto di origine antropica noto in sismologia (non si considera nell analisi perché non è legato al Sottosuolo ma a disturbi elettromagnetici) Il sito presenta una frequenza fondamentale di risonanza a 2.5 Hz (e amplificazione a 2-4 Hz) legata ad un bedrock sismico plausibilmente oltre i 30 m di profondità. Esiste amplificazione per risonanza, più modesta, anche a 9 Hz e oltre i 20 Hz. Per valutare il profilo di Vs del sito è necessario semplicemente un vincolo stratigrafico noto Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 52 / 60

53 Un possibile modello di sottosuolo per questo sito in termini di Vs è illustrato in questa diapositiva. Il modello va comunque vincolato ad un dato diretto (penetrometria anche superficiale, sondaggio) per poter essere considerato valido Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 53 / 60

54 MODI DELLA STRUTTURA (trasversale e longitudinale) MODI DEL SOTTOSUOLO (in giallo è la banda di frequenze di particolare cautela per doppia risonanza suolo-struttura) Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 54 / 60

55 TEMI CALDI : BIS e COSTRUZIONE 1. RESISTENZA LATERALE DURANTE LA COSTRUZIONE 2. SCELTA PONDERATA SEQUENZE DI LAVORAZIONE 3. DISTRIBUZIONE TIPOLOGIE (MAX 2) DISPOSITIVI 4. SOSTEGNO TEMPORANEO CARICHI SCELTE DA RI-VERIFICARE IN FASE DI ESECUZIONE DEI LAVORI: 1. ADEGUATEZZA SEQUENZA LAVORI ALL EDIFICIO 2. TAGLIO STRUTTURE DI BASE ESISTENTI 3. MESSA IN ESERCIZIO DEGLI ISOLATORI Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 55 / 60

56 TIPOLOGIE DI ISOLATORI 1. Appoggi isolanti 1. Neoprene (abbinato di solito a smorzatori viscosi o smorzatori isteretici) 2. Appoggi ad elevato smorzamento 3. Appoggi core rubber Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 56 / 60

57 TIPOLOGIE DI ISOLATORI 1. Appoggi isolanti 1. Neoprene (abbinato di solito a smorzatori viscosi o smorzatori isteretici) 2. Appoggi ad elevato smorzamento 3. Appoggi core rubber 2. Dispositivi (FP) frictium pendulum (Sabia) Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 57 / 60

58 COMPORTAMENTO DI UN ISOLATORE GOMMA-PIOMBO: Modello BI-LINEARE ISTERETICO J. S. Hwang, J. M. Chiou (1996) Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 58 / 60

59 Procedura ITERATIVA per l analisi lineare equivalente di edifici dotati di BIS J. S. Hwang, J. M. Chiou (1996) Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 59 / 60

60 BUON ISOLAMENTO A TUTTI! Non mi preoccupo mai del futuro. Arriva sempre cosi presto (Albert Einstein) MILLE GRAZIE PER LA VOSTRA ATTENZIONE! Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 60 / 60