Miglioramento sismico mediante controventi dissipativi di un edificio ad uso scolastico in cemento armato

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1 Stefano Sorace Miglioramento sismico mediante controventi dissipativi di un edificio ad uso scolastico in cemento armato L edificio oggetto della presentazione è la ex sede della Pretura di Borgo San Lorenzo, principale centro del Mugello, in provincia di Firenze. Il progetto dell edificio è del 1969, e la sua costruzione è terminata nel Successivamente alla soppressione della Pretura è divenuto di proprietà dell Amministrazione comunale, rimanendo a lungo inutilizzato. Nel 2005, a seguito di alcune opere di modifica interna, vi hanno trovato alloggio una scuola materna e gli uffici di zona della Protezione Civile, al piano terra, e la Scuola Infermieri dell Università di Firenze, al primo piano. Il fabbricato si compone di due corpi, tra loro uniti (Figura 1), entrambi di forma pressoché esattamente rettangolare in pianta e costituiti da due impalcati di piano realizzati in latero-cemento. Il primo corpo, con dimensioni lorde in pianta pari a circa (22 19) m m ed altezza di 7 m, presenta una struttura intelaiata in cemento armato con travi principali a spessore ordite in direzione longitudinale e cordoli trasversali sui soli allineamenti delle facciate laterali, e pilastri rettangolari e quadrati, di dimensioni (30 40) e (40 40) cm cm, al piano terra, e (30 35) e (35 35) cm cm, al primo piano. Il secondo corpo, di dimensioni lorde (19 9) m m (inclusa l intersezione con il primo blocco) ed altezza di 6,3 m, è caratterizzato da un orditura incrociata di travi ricalate, che determinano specchiature di solaio atipicamente ordite a forma di losanga. I pilastri sono tutti di sezione circolare, di diametro pari a 35 cm sull intera altezza. Il piano terra di tale blocco, di tipo a pilotis, è attualmente adibito a rimessaggio dei mezzi della Protezione Civile (Figura 2). L edificio presenta una scala interna a soletta rampante in cemento armato, non più utilizzata a causa delle distinte funzioni createsi ai due piani e di cui è pertanto prevista la demolizione nel progetto di ristrutturazione discusso nel seguito. L accesso al primo piano avviene mediante una scala con struttura in acciaio indipendente da quella del fabbricato, dotata di idoneo giunto sismico, che sarà mantenuta in opera. Figura 1

2 Figura 2 Per l edificio è stato recentemente redatto, a cura degli ingg. Fausto ed Enrico Giovannardi dello studio Giovannardi&Rontini, con sedi nella stessa Borgo San Lorenzo ed in Firenzuola (FI), un progetto di ristrutturazione che prevede un ampliamento delle capacità ricettive della scuola materna e la realizzazione di un centro gioco educativo, utilizzando la zona a pilotis del secondo corpo, che verrà tamponata in modo da realizzare i nuovi locali necessari. Inoltre, è prevista anche una riorganizzazione interna delle restanti parti dell immobile, ed una rifunzionalizzazione architettonica, tecnologica ed impiantistica d insieme dello stesso. Nell ambito di tale progetto, che usufruirà di un finanziamento da parte della Regione Toscana, è stata prevista, sotto il profilo strutturale, la realizzazione di un insieme coordinato di interventi di miglioramento sismico, finalizzati ad incrementare considerevolmente le prestazioni di risposta offerte allo stato attuale. Queste ultime sono state accuratamente valutate in base ad una campagna di indagini di accertamento basata sulla consultazione della documentazione progettuale d origine e di quella di collaudo, sull esecuzione di un completo rilievo geometrico-strutturale, sullo svolgimento di prove di carico di impalcati e di vari tipi di prove di valutazione della resistenza meccanica del calcestruzzo (non invasive, combinando i dati di indagini di tipo sclerometrico ed ultrasonico mediante la metodologia Sonreb, ed invasive, con prelievo di carote sottoposte a prove di rottura a compressione), nonché sullo sviluppo di analisi statiche e dinamiche non lineari mediante un dettagliato modello agli elementi finiti. Tale complesso di studi ha consentito di conseguire un livello di conoscenza classificabile come LC3, secondo quanto definito nelle Norme Tecniche per le Costruzioni. Ne è emersa, nell insieme, una modesta capacità di resistenza all azione sismica da parte dell organismo strutturale esistente, così come era nelle aspettative, essendo questo stato progettato nel 1969 in base alle norme di cui alla Legge 15/11/1962 n. 1684, che prevedevano per la zona in oggetto un azione sismica orizzontale di progetto quantificata da un coefficiente pari a 0,07 da applicare ai carichi permanenti e variabili (con questi ultimi considerati al 30% dei rispettivi valori caratteristici). A fronte di ciò e delle accettabili proprietà dei materiali, incluso l acciaio d armatura, i dettagli costruttivi risultano concepiti secondo regole costruttive non in grado di garantire elevate risorse di duttilità, ed è pertanto stato ritenuto opportuno, come sopra premesso, procedere ad interventi capaci di incrementare sensibilmente le capacità di risposta sismica dell organismo strutturale. A tal fine, i progettisti hanno optato per l impiego di una tecnologia avanzata di protezione, costituita dal sistema a controventi dissipativi includenti smorzatori fluido-viscosi pressurizzati di produzione dell industria francese Jarret, ideato dall autore di questa memoria, congiuntamente all ing. Gloria Terenzi, e da tempo oggetto di studi a carattere sperimentale, analitico e progettuale, svolti anche all interno di Progetti di Ricerca internazionali e nazionali (Sorace e Terenzi 1999, 2003, 2008, 2009). Tale scelta è motivata dall obiettivo di conseguire gli elevati livelli di prestazione stabiliti in sede di progetto mediante interventi di minimo impatto ed a secco sulla struttura esistente, con tempi e costi d esecuzione contenuti, e pressoché nulla interferenza con gli aspetti funzionali ed architettonici.

3 L applicazione degli ingg. Giovannardi all edificio in oggetto rappresenta la prima in assoluto di questa tecnologia ad un edificio reale, dopo una serie di installazioni a carattere dimostrativo su strutture campione progettate dagli ideatori del sistema nell ambito dei suddetti Progetti di Ricerca. Rimandando alla consultazione dei riferimenti sopra richiamati per più approfondite informazioni sul sistema e sui dispositivi utilizzati, sotto i vari profili d interesse, si sintetizzano nel seguito gli aspetti essenziali dell installazione prevista per l edificio di Borgo San Lorenzo. In Figura 3 sono mostrate le piante del piano terra e del primo piano dell edificio in presenza dei controventi dissipativi, posti in evidenza in rosso. L inserimento interessa quattro maglie di telaio in direzione longitudinale, ed altrettante in direzione trasversale, per ciascun piano, per un totale di sedici maglie. Pianta piano terra Pianta primo piano Figura 3 In Figura 4 è riprodotta una doppia vista del modello agli elementi finiti della struttura, includente anche i controventi dissipativi, al fine di visualizzarne ulteriormente le collocazioni, in aggiunta a quanto desumibile dalle piante in Figura 3. Il disegno di progetto dei controventi inseriti in uno degli otto allineamenti verticali interessati è riportato in Figura 5. Il dettaglio unificato di montaggio di una coppia di dispositivi alla sommità dei controventi in ciascuna maglia è mostrato, infine, in Figura 6. Al riguardo si ricorda come tale tipo d installazione consenta di utilizzare appieno lo spostamento relativo di piano della struttura sotto sisma, con dimensioni assai contenute dei dissipatori, grazie anche alle proprietà viscose altamente non lineari da questi possedute (Sorace e Terenzi 2008, 2009).

4 Figura 4 Figura 5 Figura 6 In quest applicazione, sono stati adottati dispositivi Jarret elasto-viscosi di tipo BC1GN, caratterizzati da una capacità di dissipazione energetica massima di 12 kj, una corsa di 80 mm, e dimensioni totali di 337 mm (comprensive della corsa). Per quanto concerne le specifiche di montaggio, poste in evidenza in Figura 6, queste seguono i principi generali del sistema (Sorace e Terenzi 2008), variandone in merito alla procedura di posizionamento a metà corsa dei pistoni dei dispositivi (finalizzato al conseguimento di una risposta simmetrica a trazione e compressione dei due elementi, partendo da un funzionamento a compressione semplice di ciascuno agente singolarmente). Infatti, in questo caso il posizionamento è realizzato mediante l azione di una vite senza fine posta tergalmente a ciascun apparecchio, anziché tramite barre filettate di accoppiamento sulle quali operare con sistema di dado e controdado (Sorace e Terenzi 2008, 2009). Le prestazioni della struttura dotata del sistema di protezione si sintetizzano nei dati salienti di seguito riportati, con riferimento agli Stati Limite (SL) previsti dalle Norme Tecniche per le Costruzioni. Al proposito, si ricorda che la struttura è stata considerata in classe d uso III, che il sito di edificazione corrisponde a categorie di sottosuolo e topografiche di tipo, rispettivamente, C e T1,

5 e che le accelerazioni di picco al suolo per le verifiche riferite ai diversi SL sono: 0,096 g (SL di Danno), 0,226 (SL di Salvaguardia della Vita Umana), 0,284 g (SL di Collasso). Allo SL di Danno, gli spostamenti relativi di piano normalizzati all altezza interpiano risultano contenuti entro il limite dello 0,5%, deliberatamente assunto in sede di progetto al fine di evitare qualsiasi danneggiamento agli elementi non strutturali. In condizioni attuali si raggiungono, viceversa, valori vicini all 1%, con potenziale forte danneggiamento degli stessi componenti, e con 19 pilastri già fuori sicurezza. Allo SL di Salvaguardia della Vita Umana, si registra una risposta ancora sostanzialmente elastica della struttura, con soli 5 pilastri non verificati, per i quali è stato previsto in progetto un idoneo intervento di rinforzo mediante cerchiatura metallica. Allo stato attuale, il numero di pilastri per i quali le verifiche non sono soddisfatte è pari a 58. Allo SL di Collasso, la risposta è moderatamente plastica, con un totale di 40 pilastri per i quali si registra una limitata uscita dal dominio di resistenza a presso-flessione deviata. La struttura ne risulta minimamente danneggiata e facilmente riparabile. In condizioni attuali, pressoché tutti i pilastri sono fuori sicurezza, ed in molti casi si trovano in condizioni di grave pregiudizio della capacità di risposta anche sotto i soli carichi verticali. Un ultima osservazione riguarda gli interventi di rinforzo complementari che, in aggiunta a quelli relativi ai cinque pilastri suddetti, riguardano soltanto un modesto ampliamento della base di una sola campata di una trave rovescia di fondazione, e l aggiunta di un cordolo di collegamento trasversale mancante tra due altri pilastri. L inizio dei lavori sull edificio è previsto per il giugno di quest anno, e la conclusione nel giugno del Le fasi di realizzazione cantieristica e l esito finale dell intervento saranno oggetto di successive comunicazioni. RIFERIMENTI Sorace S., Terenzi G. (1999). Iterative procedure for the design of fluid viscous devices included in braced frames, Proc. of Eurodyn 99 4 th European Conference on Structural Dynamics, Prague, June 7-10, 1999, L. Frýba and J. Náprstek Eds., A. A. Balkema, Rotterdam, Vol. 1, Sorace S., Terenzi G. (2003). Large-scale experimental validation of a design procedure for damped braced steel structures, Proc. of STESSA th International Conference on the Behaviour of Steel Structures in Seismic Areas, Naples, June 9-12, F. Mazzolani Ed., A. Balkema, Lisse, Sorace S., Terenzi G. (2008). Seismic protection of frame structures by fluid viscous damped braces, Journal of Structural Engineering, ASCE, 134(1), Sorace S., Terenzi G. (2009). Fluid viscous damper-based seismic retrofit strategies of steel structures: general concepts and design applications, Journal of Advanced Steel Construction, Vol. 5(2) (in print).