Valutazione di vulnerabilità degli edifici strategici

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1 Centro Europeo di Formazione e Ricerca in Ingegneria Sismica EUCENTRE Università degli Studi di Pavia Dr. Roberto Nascimbene (roberto.nascimbene@eucentre.it) Ricercatore, Responsabile Settore Analisi Strutturale Centro Europeo di Formazione e Ricerca in Ingegneria Sismica (EUCENTRE) di Pavia Valutazione di vulnerabilità degli edifici strategici 1. Edifici di interesse strategico e le opere infrastrutturali la cui funzionalità durante gli eventi sismici assume rilievo fondamentale per le finalità di protezione civile 2. Edifici e opere infrastrutturali che possono assumere rilevanza in relazione alle conseguenze di un eventuale collasso

2 Edifici ed opere strategiche (Decr. 21/11/2003 DPC) : Edifici: 1. Organismi governativi; 2. Uffici territoriali di Governo; 3. Corpo nazionale dei Vigili del fuoco; 4. Forze armate; 5. Forze di polizia; 6. Corpo forestale dello Stato; 7. Agenzia per la protezione dell'ambiente e per i servizi tecnici; 8. Registro italiano dighe;

3 Edifici ed opere strategiche (Decr. 21/11/2003 DPC) : 9. Istituto nazionale di geofisica e vulcanologia; 10.Consiglio nazionale delle ricerche; 11.Croce rossa italiana; 12.Corpo nazionale soccorso alpino; 13.Ente nazionale per le strade e società di gestione autostradale; 14.Rete ferroviaria italiana; 15.Gestore della rete di trasmissione nazionale, proprietari della rete di trasmissione nazionale, delle reti di distribuzione e di impianti rilevanti di produzione di energia elettrica; 16.Associazioni di volontariato di protezione civile operative in più regioni.

4 Edifici ed opere strategiche (Decr. 21/11/2003 DPC) : Opere infrastrutturali: 1. Autostrade, strade statali e opere d'arte annesse; 2. Stazioni aeroportuali, eliporti, porti e stazioni marittime previste nei piani di emergenza, nonché impianti classificati come grandi stazioni. 3. Strutture connesse con il funzionamento di acquedotti interregionali, la produzione, il trasporto e la distribuzione di energia elettrica fino ad impianti di media tensione, la produzione, il trasporto e la distribuzione di materiali combustibili (quali oleodotti, gasdotti, ecc.), il funzionamento di servizi di comunicazione a diffusione nazionale (radio, telefonia fissa e mobile, televisione).

5 Edifici ed opere rilevanti (Decr. 21/11/2003 DPC) : 1. Edifici pubblici o comunque destinati allo svolgimento di funzioni pubbliche nell'ambito dei quali siano normalmente presenti comunità di dimensioni significative, nonché edifici e strutture aperti al pubblico suscettibili di grande affollamento, il cui collasso può comportare gravi conseguenze in termini di perdite di vite umane. 2. Strutture il cui collasso può comportare gravi conseguenze in termini di danni ambientali (quali ad esempio impianti a rischio di incidente rilevante, impianti nucleari). 3. Edifici il cui collasso può determinare danni significativi al patrimonio storico, artistico e culturale (quali ad esempio musei, biblioteche, chiese).

6 Edifici ed opere rilevanti (Decr. 21/11/2003 DPC) : Opere infrastrutturali: 1. Opere d'arte relative al sistema di grande viabilità stradale e ferroviaria, il cui collasso può determinare gravi conseguenze in termini di perdite di vite umane, ovvero interruzioni prolungate del traffico. 2. Grandi dighe.

7 Valutazioni di vulnerabilità e rischio di edifici strategici

8 Obiettivi verifiche (a partire da OPCM 3274): 1.Le verifiche dovranno stabilire il livello di adeguatezza delle opere rispetto agli standards definiti dalle norme tecniche e dalla classificazione sismica. 2.I risultati delle verifiche permetteranno di avere anche una indicazione di priorità di intervento. Stati limite All interno del DM2008 si identificano tre stati limite rispetto ai quali verificare i requisiti di sicurezza per azioni sismiche: Stato Limite di Collasso (SLC) Stato Limite di salvaguardia della Vita (SLV) Stato Limite di Esercizio (SLE)

9 L approccio prestazionale (Performance Based Design) Ad ogni stato limite è associato un confronto domanda capacità La severità della domanda da considerare è funzione della probabilità di superamento del singolo SL e del periodo di riferimento assunto per l opera in esame, tale severità è rappresentata dal periodo di ritorno dell azione sismica

10 Il periodo di riferimento per l azione sismica Il periodo di riferimento dell opera a cui è riferita azione sismica di progetto per ogni stato limite è definito come: dove: V V N è la vita nominale dell opera V C U è il coefficiente d uso dell opera R N C U 35 anni Il limite inferiore di 35 anni posto dalla norma al periodo di riferimento rappresenta la necessità di porre un livello minimo di sicurezza nei confronti dell azione sismica VITA NOMINALE La vita nominale di un opera strutturale V N è intesa come il numero di anni nel quale la struttura, purché soggetta alla manutenzione ordinaria, deve potere essere usata per lo scopo al quale è destinata Per opere la cui vita nominale risulti inferiore a 2 anni, quali opere provvisorie o strutture in fase di costruzione, le verifiche sismiche possono essere omesse

11 CLASSI D USO In presenza di azioni sismiche, con riferimento alle conseguenze di una interruzione di operatività o di un eventuale collasso, le costruzioni sono suddivise in classi d uso così definite: (D.M )

12 Il periodo di ritorno Il periodo di ritorno del sisma da considerare per un fissato SL si ricava quindi assumendo che i terremoti seguano una distribuzione probabilistica Poissoniana: T R VR ln 1 P V R con 30 anni T R 2475 anni Si riportano, per una struttura di vita nominale V N = 50 anni, i periodi di ritorno dell azione sismica da considerare per i singoli SL in funzione della classe d uso. Classe V R SLO SLD SLV SLC P VR = 81% P VR = 63% P VR = 10% P VR = 5% I II III IV

13 I livelli di conoscenza All interno del DM2008 si identificano tre livelli di conoscenza a cui sono associati i tipi di analisi utilizzabili per la verifica e i fattori di confidenza da utilizzare per valutare le resistenze dei materiali: LC1: Conoscenza Limitata LC2: Conoscenza Adeguata LC3: Conoscenza Accurata Gli aspetti che definiscono i diversi livelli di conoscenza sono: Geometria degli elementi strutturali Dettagli strutturali Proprietà meccaniche dei materiali

14 I livelli di conoscenza Livelli di conoscenza in funzione dell informazione disponibile e conseguenti metodi di analisi ammessi e valori dei fattori di confidenza per edifici in calcestruzzo armato o in acciaio

15 La valutazione della vulnerabilità sismica degli edifici strategici e rilevanti 1. Indagine preliminare: i. Raccolta dei dati relativi all edificio ii. Definizione della storia dell edificio iii. Rilievo visivo 2. Valutazione della vulnerabilità sismica i. Prove sui materiali ii. Indagini geotecniche iii. Ricostruzione dello schema strutturale (assenza di documentazione tecnica) iv. Valutazione della vulnerabilità

16 Indagine preliminare Raccolta dei dati relativi all edificio Dovranno essere ricercati documenti quali: 1. Progetto architettonico e strutturale (relazioni tecniche, elaborati progettuali, computi metrici) 2. Varianti in corso d opera 3. Certificati di prova sui materiali 4. Relazione e certificato di collaudo 5. Eventuali progetti di ristrutturazione/miglioramento/adeguamento sismico 6. Eventuali progetti di ristrutturazione funzionale o architettonica Definizione della storia dell edificio: 1.Descrizione generale dell opera 2.Individuazione degli eventuali corpi di fabbrica (aggregati edilizi) 3.Identificazione anni di costruzione e di eventuali ristrutturazioni 4.Storia sismica dell edificio

17 Indagine preliminare Rilievo visivo: 1. Identificazione della geometria dell opera 2. Identificazione di eventuali inadeguatezze strutturali degli orizzontamenti o degli elementi portanti verticali 3. Identificazione di eventuali dissenti: i. Danni dovuti ad eventi sismici precedenti ii. Cedimenti in fondazione iii. Degrado e difetti costruttivi Indagini diagnostiche di dettaglio (Racc. NorMal - 1/88) Dotazione di un lessico appropriato per anomalie sulle strutture Alterazione cromatica Concrezione Deformazione Deposito Distacco Erosione Fessurazione o Fratturazione Lacuna Mancanza Patina artificiale e biologica Pitting Polverizzazione Presenza di vegetazione Scagliatura Spalling Alveolizzazione Crosta Degradazione differenziale Disgregazione Efflorescenza Esfoliazione Incrostazione Macchia

18 Indagini sulle caratteristiche strutturali dei materiali (diagnostica) Costituiscono un complesso di operazioni in genere di notevole impegno atte ad individuare il comportamento dei materiali ai quali è demandata la funzione strutturale, nonché di constatarne i degradi, valutare le sollecitazioni in atto e determinare quindi la resistenza residua. Obiettivo della diagnostica è quello di valutare la sicurezza delle costruzioni nello stato attuale. L approccio più semplice a disposizione del progettista per risolvere il problema della caratterizzazione dei materiali, è costituito dall esecuzione di prove meccaniche di tipo distruttivo, eseguite su campioni prelevati dalla struttura il più possibile indisturbati. L estrazione di questi campioni può essere realizzata mediante: carotaggi, con macchine carotatrici ad avanzamento manuale che forniscono provini cilindrici di diverso diametro e lunghezza; taglio - secondo piani ortogonali - di provini prismatici di dimensioni corrispondenti ad alcuni corsi della tessitura

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21 Le prove di laboratorio usualmente effettuate sui provini cilindrici ottenuti per mezzo di carotatrici, e perciò di dimensioni così piccole da consentire di solito solo la determinazione delle proprietà meccaniche dei materiali costituenti l elemento, sono : per il materiale lapideo e per cls: - prova di resistenza a compressione assiale (rispetto all asse del provino cilindrico, che a seconda della direzione di carotaggio orizzontale, verticale o inclinata può non coincidere con l asse di sollecitazione della muratura in opera); - prova di compressione su carota di cls; - prova di resistenza a trazione indiretta (brasiliana); - prova di trazione diretta; - determinazione del modulo elastico E e del coefficiente di Poisson n; - prove di qualificazione fisica del materiale (peso specifico apparente e reale, permeabilità, ecc.); per la malta: - prova di resistenza a compressione assiale; - prova di resistenza a taglio diretto del giunto di malta compreso tra i due mattoni, (con la quale si determinano i parametri di resistenza, l angolo di attrito interno e la coesione).

22 Indagini non distruttive su murature e strutture in c.a. Per indagini non distruttive si intendono l insieme dei metodi di individuazione, di prova e di controllo, eseguiti in cantiere su ponti o su parti di esso, che non arrecano alcun danneggiamento al manufatto o che arrecano un danneggiamento locale solitamente accettato. - ENDOSCOPIA - GEORADAR - TERMOGRAFIA - MARTINETTI PIATTI - PROVE SONICHE / ULTRASONICHE - INDAGINI SCLEROMETRICHE - PROVE DI PULL-OUT - INDAGINI PACOMETRICHE

23 Endoscopia L endoscopio è uno strumento utilizzato per visionare cavità altrimenti inaccessibili all osservazione diretta. Sono costituiti da un sistema ottico che può essere di tipo tradizionale (a prismi e gruppi ottici che trasportano l immagine dall obiettivo all oculare esterno) o da un sistema a fibre ottiche. Sono dotati di un sistema autonomo di illuminazione dell area ispezionabile, e di un sistema di riferimento per la stima dimensionale dell oggetto inquadrato. L endoscopio, soprattutto nella versione a fibre ottiche, è uno strumento assai utile per effettuare una serie di verifiche nel corso di indagini non distruttive, in quanto con fori di diametro inferiore al centimetro, è possibile controllare ed ispezionare condutture, intercapedini, strutture nascoste, sezioni di murature, carotaggi. I limiti sono sostanzialmente legati alla profondità di indagine, che è chiaramente limitata dalla lunghezza dello strumento e dal fatto che se l indagine non è localizzata ma viene condotta in grosse cavità, l illuminazione perde la sua efficacia.

24 Georadar Il termine georadar o G.P.R. (Ground Probing Radar), identifica un apparecchiatura radar dedicata all indagine del sottosuolo, delle strutture e dei manufatti in genere Il georadar, nell applicazione alla introspezione del suolo, è, in generale, una tecnica che consente di rivelare in modo non distruttivo e non invasivo la presenza e la posizione di oggetti sepolti utilizzando il fenomeno della riflessione delle onde elettromagnetiche. I sistemi Georadar sono strumenti di indagine non invasiva. La tecnologia è basata sullo stesso principio dei sistemi radar convenzionali, ma con alcune differenze significative: - in un radar convenzionale l onda elettromagnetica irradiata si propaga attraverso l aria, mentre nel radar per introspezione del suolo si propaga nel suolo od in altri materiali solidi; - i radar convenzionali possono rivelare bersagli a distanza di molti chilometri, mentre il radar per introspezione del suolo opera generalmente a distanze di pochi metri; - la risoluzione dei radar convenzionali è dell ordine delle decine o centinaia di metri, mentre il radar per introspezione del suolo ha risoluzioni dell ordine delle decine di centimetri.

25 Il principio di funzionamento del Georadar

26 La tecnica georadar introduce nuovi utili e flessibili strumenti nella diagnostica; essa può essere applicata con successo nelle seguenti indagini: - indagini su elementi strutturali: rilievi sulla morfologia delle strutture nascoste, forme preesistenti, modifiche strutturali ed anomalie costruttive, presenza di cavità; - mappatura di sottoservizi, in strutture e sedi stradali - ispezioni di tunnel e ponti

27 Termografia Il termografo è uno strumento in grado di misurare a distanza la temperatura dei corpi, senza alcun contatto fisico tra l apparecchiatura di misura e la superficie investigata. Ogni materiale emette con continuità energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche, in maniera proporzionale alla sua temperatura superficiale, a sua volta funzione della conducibilità termica e del calore specifico. Differenze tra i valori di questi parametri, relativi ai diversi componenti di una muratura (pietre, mattoni, malta) portano i componenti stessi ad assumere temperature differenti. L esempio più tipico è quello di una struttura composta da mattoni e pietre (queste ultime caratterizzate da una conducibilità termica più elevata del laterizio, e da un calore specifico generalmente più basso): in seguito al riscaldamento dovuto all irraggiamento solare, le pietre raggiungeranno rapidamente una temperatura maggiore dei mattoni, e viceversa, una volta terminato l irraggiamento, si raffredderanno più velocemente dei mattoni adiacenti. Lo schema di funzionamento è il seguente: una camera ad infrarossi trasforma le radiazioni termiche emesse dall oggetto investigato, in segnali elettrici, che vengono riportati su un monoscopio e convertiti in immagini monocromatiche o in falso colore, in funzione della temperatura superficiale.

28 La tecnica termografica si è dimostrata assai utile e flessibile nella diagnostica; essa può essere applicata con successo nelle seguenti indagini: - rilievi sulla morfologia delle strutture nascoste: forme preesistenti, modifiche strutturali ed anomalie costruttive (ad esempio aperture tamponate), presenza di cavità; - rilievi del degrado: stato fessurativo, rilievo dell umidità, dispersioni termiche; - controlli in fase di intervento: visualizzazione continua dei percorsi preferenziali del materiale iniettato in operazioni di consolidamento, ed immediata segnalazione del formarsi di sacche e di distacchi. Tali indagini sono praticamente le uniche (assieme ai controlli radar) praticabili su pareti affrescate.

29 Martinetti piatti La tecnica di prova dei martinetti piatti è stata messa a punto dall'ismes sul finire degli anni '70, prendendo spunto da simili metodologie, applicate per lo studio del comportamento meccanico degli ammassi rocciosi durante l'esecuzione di perforazioni in galleria. Il primo utilizzo in ambito strutturale è avvenuto durante la campagna di indagini condotta sul Palazzo della Regione a Milano, nell'anno Tale tecnica, oggi, può essere considerata come una delle metodologie di indagine quantitativa delle caratteristiche meccaniche di murature in laterizio e pietra, più affidabili. Tale metodologia consente in: - misurare lo stato di sollecitazione esistente nelle murature; - determinare le caratteristiche di deformabilità; - determinare o valutare per estrapolazione la resistenza a compressione della muratura. I martinetti piatti utilizzati sono realizzati mediante sottili lamine d'acciaio saldate sul contorno, ed hanno spessori inferiori al centimetro (solitamente intorno ai 3/5 millimetri).

30 Le forme più utilizzate sono le seguenti: - quadrato 120x120x5 mm o rettangolare 120x240x5, utilizzate nel caso di elementi strutturali con dimensioni limitate come pilastri, colonne, archi; - rettangolare 200x400x5, da adottarsi su murature regolari con giunti di malta tra corso e corso; - semicircolare 350x275x3, da impiegarsi su murature irregolari. La strumentazione di misura e le attrezzature di carico sono estremamente semplici, e la loro rapida installazione permette di eseguire una prova con martinetto semplice o doppio in circa 4/5 ore.

31 Prova con martinetto singolo Tale indagine consente di misurare lo stato di sollecitazione locale esistente in un punto della struttura muraria, in base al rilascio tensionale causato da un taglio piano, eseguito normalmente alla superficie della muratura, generalmente praticato lungo un corso di malta. Prova con martinetto piatto singolo su muratura lapidea

32 Prova con martinetto doppio Consente la determinazione delle caratteristiche di deformabilità e di resistenza delle murature. Prova con martinetto piatto doppio su muratura lapidea

33 Prove soniche/ultrasoniche Queste indagini consistono nel misurare ed analizzare le caratteristiche di propagazione delle onde elastiche all interno dei solidi murari. Scopo delle prove è: - Verificare l omogeneità di un elemento strutturale; - Valutare qualsiasi mutamento delle proprietà dei materiali a causa di fenomeni di degrado; - Esaminare i difetti in elementi strutturali (cavità, fessurazioni, strati superficiali danneggiati,...) - Stimare l ordine di grandezza della resistenza dei materiali utilizzati. La strumentazione di prova è costituita da: - una sorgente di emissione di onde elastiche (martello strumentato, vibrodina elettromagnetica od ad aria compressa); - un captatore dell energia sonica (velocimetro, accelerometro); - un apparecchiatura di rilevazione e registrazione dei segnali.

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35 Le prove ultrasoniche sul calcestruzzo forniscono utili indicazioni sull uniformità dei getti e consentono stime del modulo elastico. Le prove consistono nel misurare la velocità di propagazione di onde longitudinali, aventi frequenza variabile tra i 40 e i 120 khz, attraverso il calcestruzzo, che risulta in relazione con l integrità del materiale e con i suoi parametri meccanici. L esecuzione della prova secondo il metodo per trasparenza consiste nella misura del tempo di transito dell impulso ultrasonoro nel mezzo, in corrispondenza di una maglia di punti preventivamente individuati, previa eventuale rimozione dell intonaco, spianamento della superficie di calcestruzzo per ciascuna coppia di punti su superfici opposte dell elemento strutturale indagato. La misura può essere eseguita seguendo tre schemi di acquisizione: - Trasmissione diretta - trasparenza- applicando le due sonde sulle facce opposte dell elemento da saggiare; - Trasmissione semidiretta -diagonale- applicando i trasduttori in punti appartenenti a due facce adiacenti, in genere ortogonali; - Trasmissione indiretta -omeosuperficiale- posizionando le sonde sulla stessa faccia a distanza nota. Le misure più precise sono quelle eseguite in trasparenza interessando l intera sezione della struttura da sottoporre a controllo.

36 Applicazioni: Le prove soniche/ultrasonica sono utilizzate per definire nella struttura esaminata importanti parametri quali: - l omogeneità del calcestruzzo; - la presenza di difetti nel getto; - il rilievo degli spessori di manufatti; - la valutazione del modulo elastico della struttura; - la verifica dello stato di aggregazione del complesso malta-mattone o maltapietra; - la verifica dell efficacia degli interventi di consolidamento su murature; - la variazione delle proprietà causate dal degrado del manufatto in esame la stima della resistenza del calcestruzzo (metodo ultrasonico abbinato con la misura dell indice di rimbalzo metodo SONREB-sclerometro).

37 metodo combinato sclerometro-ultrasuoni - SONREB Verifica dell integrità delle carote in cls_confronto velocità di propagazione PRE-POST prelievo tramite carotaggio

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39 Limiti I limiti della metodologia sono sostanzialmente legati alla variabilità di valori che si ottengono, stante l estrema varietà mineralogica, tipologica e tecnologica riscontrabile nelle murature. Una ulteriore causa di indeterminatezza è poi legata alla possibile alterazione della misura indotta dalla presenza di alte percentuali di umidità nel materiale. Tali cause consentono quindi solo una valutazione di tipo qualitativo dei parametri meccanici: notevoli errori possono essere infatti compiuti qualora si pretenda di utilizzare le sole misure soniche per una valutazione quantitativa di detti parametri.

40 Indagini sclerometriche o di durezza superficiale Scopo della prova è la valutazione della resistenza locale e della qualità superficiale delle murature e del cls. Pur non avendo nel campo delle indagini su edifici in muratura l importanza che rivestono nelle strutture in c.a., le indagini sclerometriche forniscono utili elementi di conoscenza. Lo sclerometro fornisce un valore di rimbalzo che risulta essere in relazione con l elasticità del materiale ed implicitamente con la sua resistenza.

41 Utilizzo Tali indagini forniscono l indice di durezza della superficie di muratura, che risulta essere indicativo del degrado superficiale e della bontà del legame tra i conci e la malta. Si utilizza quindi l indagine sclerometrica per procedere velocemente alla mappatura delle zone di distacco tra i materiali, e nei paramenti a sacco, per verificare l unione tra muratura esterna e riempimento, o per stimare tramite la curva di taratura dello strumento la resistenza del calcestruzzo. Limiti Sono sostanzialmente legati alla limitata profondità d indagine che riguarda come detto - solo gli strati superficiali. Per ottenere dei valori significativi è poi necessario provvedere preventivamente alla rimozione degli intonaci ed alla regolarizzazione superficiale delle zone di prova, evitando se l indagine è condotta sul calcestruzzo zone carbonatate.

42 Prove di pull-out La prova consiste nel inserire un tassello meccanico Fisher all interno del getto in c.a. e nell estrarlo grazie all utilizzo di un opportuno martinetto, ed è eseguita secondo quanto previsto dalla norma UNI / 92 Calcestruzzo indurito - Determinazione della forza di estrazione mediante inserti post inseriti ad espansione geometrica e forzata. Sul calcestruzzo da indagare - previa pulizia con pietra pomice della zona interessata dalla prova - vengono fatti dei fori con il trapano in cui vengono inseriti i tasselli meccanici della lunghezza di 45 mm; questi vengono quindi collegati ad un martinetto particolare, e mediante una pompa manuale ad olio, vengono strappati dal getto di calcestruzzo. Per ogni punto di indagine si eseguono solitamente dalle tre alle cinque prove, i cui valori vengono poi mediati. Dal valore della pressione di estrazione - mediante l utilizzo di tabelle sperimentali - si risale alla stima della resistenza del calcestruzzo. Limiti Sono sostanzialmente legati alla limitata profondità d indagine che riguarda come detto - solo gli strati superficiali. Per ottenere dei valori significativi è poi necessario provvedere preventivamente alla rimozione degli intonaci ed alla regolarizzazione superficiale delle zone di prova, zone carbonatate.

43 Indagini con pacometro Il pacometro è uno strumento che grazie alla generazione di un campo magnetico, riesce ad individuare la presenza di barre d armatura all interno dei getti di calcestruzzo, senza necessitare di delicate demolizioni, ed è utilizzato quindi per accertare e/o verificare la presenza delle barre nei getti in c.a. E costituito da una centralina portatile e da una sonda che viene appoggiata e fatta scorrere sul manufatto. La presenza e la stima della distanza della barra dalla sonda, è letta sul display dello strumento.

44 Valutazione della vulnerabilità sismica dell opera Prove sui materiali: Circolare alle NTC 2008

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46 Valutazione della vulnerabilità sismica dell opera Valutazione della vulnerabilità: Analisi numeriche Modelli di calcolo semplificati