Problematiche strutturali inerenti le verifiche, l adeguamento ampliamento o sopraelevazione di edifici esistenti con struttura portante in c.a.

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1 SOPRAELEVAZIONI ED AMPLIAMENTI DI EDIFICI IN C.A. Problematiche strutturali inerenti le verifiche, l adeguamento l e l eventuale l ampliamento o sopraelevazione di edifici esistenti con struttura portante in c.a. Francesco Porco Dipartimento Dicatech - Politecnico di Bari f.porco@poliba.it 19 Aprile 2013

2 Costruzioni esistenti ai sensi delle NTC 2008 Valutazione sicurezza Classificazione interventi (adeguamento,miglioramento etc ) Azione sismica (aggiornamenti in arrivo..) Casi di studio Adeguamenti di edifici scolastici Intervento locale su un edificio commerciale

3 NTC Costruzioni Esistenti 8.1. OGGETTO Qualora la costruzione non sia totalmente completata, occorre identificare le situazioni in cui la struttura può considerarsi completamente realizzata. In questa fattispecie, per costruzione di c.a. e di acciaio con struttura completamente realizzata si intende quella per cui, alla data della redazione della valutazione di sicurezza e/o del progetto di intervento, sia stata redatta la relazione a struttura ultimata ai sensi dell art. 65 del D.P.R. 6 giugno 2001 n Per edifici in muratura con struttura completamente realizzata si intende quella per cui, alla data della redazione della valutazione di sicurezza e/o del progetto di intervento, sia stato redatto il certificato di collaudo statico ai sensi del Cap.4 del D.M. 20 novembre 1987 o ai sensi delle NTC.

4 VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA PER LE COSTRUZIONI ESISTENTI Le costruzioni esistenti devono essere sottoposte a valutazione della sicurezza quando ricorra anche una delle seguenti situazioni: 1 riduzione della capacità resistente e/o deformativa dovuta ad azioni ambientali (sisma, vento, neve e temperatura), significativo degrado delle caratteristiche meccaniche dei materiali, azioni eccezionali (urti, incendi,esplosioni), situazioni di funzionamento ed uso anomalo, deformazioni significative imposte da cedimenti del terreno di fondazione; 2 provati gravi errori di progetto o di costruzione; 3 cambio della destinazione d uso della costruzione con variazione significativa dei carichi variabili e/o della classe d uso della costruzione; 4 interventi non dichiaratamente strutturali, che interagendo, anche solo in parte, con elementi strutturale ne riducano la capacità o ne modifichino la rigidezza.

5 VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA PER LE COSTRUZIONI ESISTENTI La valutazione della sicurezza deve permettere di stabilire se: A L USO DELLA COSTRUZIONE POSSA CONTINUARE SENZA INTERVENTI; B L USO DEBBA ESSERE MODIFICATO (DECLASSAMENTO, CAMBIO DI DESTINAZIONE E/O IMPOSIZIONE DI LIMITAZIONI E/O CAUTELE NELL USO); C SIA NECESSARIO PROCEDERE AD AUMENTARE O RIPRISTINARE LA CAPACITÀ PORTANTE (INTERVENTI.). N.B. Nella Circolare è specificato che Il non soddisfacimento della verifica per carichi antropici obbliga ad interventi improcrastinabili, diverso è il caso delle azioni sismiche

6 NTC Costruzioni Esistenti 8.4. CLASSIFICAZIONE DEGLI INTERVENTI Si individuano le seguenti categorie di intervento: interventi di adeguamento atti a conseguire i livelli di sicurezza previsti dalle presenti norme; interventi di miglioramento atti ad aumentare la sicurezza strutturale esistente, pur senza necessariamente raggiungere i livelli richiesti dalle presenti norme; riparazioni o interventi locali che interessino elementi isolati, e che comunque comportino un miglioramento delle condizioni di sicurezza preesistenti. Gli interventi di adeguamento e miglioramento devono essere sottoposti a collaudo statico. Per i beni di interesse culturale in zone dichiarate a rischio sismico, ai sensi del comma 4 dell art. 29 del D. lgs. 22 gennaio 2004, n. 42 Codice dei beni culturali e del paesaggio, è in ogni caso possibile limitarsi ad interventi di miglioramento effettuando la relativa valutazione della sicurezza.

7 NTC Costruzioni Esistenti Intervento di adeguamento Èfatto obbligo di procedere alla valutazione della sicurezza e, qualora necessario, all adeguamento della costruzione, a chiunque intenda: a) sopraelevare la costruzione; b) ampliare la costruzione mediante opere strutturalmente connesse alla costruzione; c) apportare variazioni di classe e/o di destinazione d uso che comportino incrementi dei carichi globali in fondazione superiori al 10%; resta comunque fermo l obbligo di procedere alla verifica locale delle singole parti e/o elementi della struttura, anche se interessano porzioni limitate della costruzione; d) effettuare interventi strutturali volti a trasformare la costruzione mediante un insieme sistematico di opere che portino ad un organismo edilizio diverso dal precedente.

8 NTC Costruzioni Esistenti Una variazione dell altezza dell edificio, per la realizzazione di cordoli sommitali, sempre che resti immutato il numero di piani, non èconsiderata sopraelevazione o ampliamento, ai sensi dei punti a) e b). In tal caso non è necessario procedere all adeguamento, salvo che non ricorrano le condizioni di cui ai precedenti punti c) o d). Indipendentemente dalle problematiche strutturali specificamentetrattate nelle NTC, le sopraelevazioni, nonchégli interventi che comportano un aumento del numero di piani, sono ammissibili solamente ove siano compatibili con gli strumenti urbanistici.

9 NTC Costruzioni Esistenti La valutazione della sicurezza, nel caso di intervento di adeguamento, è finalizzata a stabilire se la struttura, a seguito dell intervento, èin grado di resistere alle combinazioni delle azioni di progetto contenute nelle NTC, con il grado di sicurezza richiesto dalle stesse. Non è, in generale, necessario il soddisfacimento delle prescrizioni sui dettagli costruttivi (per esempio armatura minima, passo delle staffe, dimensioni minime di travi e pilastri, ecc.) valide per le costruzioni nuove, purchéil Progettista dimostri che siano garantite comunque le prestazioni in termini di resistenza, duttilitàe deformabilità previste per i vari stati limite.

10 NTC Costruzioni Esistenti Intervento di miglioramento Rientrano negli interventi di miglioramento tutti gli interventiche siano comunque finalizzati ad accrescere la capacitàdi resistenza delle strutture esistenti alle azioni considerate. Èpossibile eseguire interventi di miglioramento nei casi in cui non ricorrano le condizioni specificate al paragrafo In generale ricadono in questa categoria tutti gli interventi che, non rientrando nella categoria dell adeguamento, fanno variare significativamente la rigidezza, la resistenza e/o la duttilitàdei singoli elementi o parti strutturali e/o introducono nuovi elementi strutturali, cosìche il comportamento strutturale locale o globale, particolarmente rispetto alle azioni sismiche,ne sia significativamente modificato.

11 NTC Costruzioni Esistenti Ovviamente la variazione dovràavvenire in senso migliorativo, ad esempio impegnando maggiormente gli elementi più resistenti, riducendo le irregolarità in pianta e in elevazione, trasformando i meccanismi di collassoda fragili a duttili. Il progetto e la valutazione della sicurezza dovranno essere estesi a tutte le parti della struttura potenzialmente interessate da modifiche di comportamento, nonchéalla struttura nel suo insieme.

12 NTC Costruzioni Esistenti Riparazione o intervento locale In generale, gli interventi di questo tipo riguarderanno singoleparti e/o elementi della struttura e interesseranno porzioni limitate della costruzione. Il progetto e la valutazione della sicurezza potranno essere riferiti alle sole parti e/o elementi interessati e documentare che, rispetto alla configurazione precedente al danno, al degrado o alla variante, non siano prodotte sostanziali modifiche al comportamento delle altre parti e della struttura nel suo insieme e che gli interventi comportino un miglioramento delle condizioni di sicurezza preesistenti. La relazione di cui al par. 8.2 che, in questi casi, potràessere limitata alle sole parti interessate dall intervento ed a quelle con esse interagenti, dovrà documentare le carenze strutturali riscontrate, risolte e/o persistenti, ed indicare le eventuali conseguenti limitazioni all uso della costruzione.

13 NTC Costruzioni Esistenti Rientrano in questa tipologia tutti gli interventi di riparazione, rafforzamento o sostituzione di singoli elementi strutturali (travi, architravi, porzioni di solaio, pilastri, pannelli murari) o parti di essi, non adeguati alla funzione strutturale che debbono svolgere, a condizione che l intervento non cambi significativamente il comportamento globale della struttura, soprattutto ai fini della resistenza alle azioni sismiche, a causa di una variazione non trascurabile di rigidezza o di peso. Può rientrare in questa categoria anche la sostituzione di coperture e solai, solo a condizione che ciò non comporti una variazione significativa di rigidezza nel proprio piano, importante ai finidella ridistribuzione di forze orizzontali, néun aumento dei carichi verticali statici.

14 NTC Costruzioni Esistenti Interventi di ripristino o rinforzo delle connessioni tra elementi strutturali diversi (ad esempio tra pareti murarie, tra pareti e travi o solai, anche attraverso l introduzione di catene/tiranti) ricadono in questa categoria, in quanto comunque migliorano anche il comportamento globale della struttura, particolarmente rispetto alle azioni sismiche. Infine, interventi di variazione della configurazione di un elemento strutturale, attraverso la sua sostituzione o un rafforzamento localizzato (ad esempio l apertura di un vano in una parete muraria, accompagnata da opportuni rinforzi) possono rientrare in questa categoria solo a condizione che si dimostri che la rigidezza dell elemento variato non cambi significativamente e che la resistenza e la capacitàdi deformazione, anche in campo plastico, non peggiorino ai fini del comportamento rispetto alle azioni orizzontali.

15 Modalità operative per la valutazione di sicurezza e la progettazione degli interventi

16 LIVELLI DI CONOSCENZA e FATTORI DI CONFIDENZA LC DEFINISCONO I LIVELLI DI APPROFONDIMENTO DELLE FASI CONOSCITIVE DEL MANUFATTO MEDIANTE: ANALISI STORICO-CRITICA CRITICA Ricostruzione del processo di realizzazione e le successive modificazioni subite nel tempo dal manufatto, nonché gli eventi che lo hanno interessato. RILIEVO Dovrà individuare l organismo resistente della costruzione e lo stato di conservazione dei materiali e degli elementi costitutivi.dovranno altresì essere rilevati i dissesti, in atto o stabilizzati, ed i relativi quadri fessurativi. FC Fattori da utilizzare come ULTERIORI COEFFICIENTI PARZIALI DI SICUREZZA che tengono conto delle carenze nella conoscenza dei parametri del modello CARATTERIZZAZIONE MECCANICA DEI MATERIALI LC=1 Conoscenza LIMITATA FC=1.35 Per conseguire un adeguata conoscenza delle caratteristiche dei materiali e del loro degrado, ci si baserà su documentazione già disponibile, su verifiche visive in situ e su indagini sperimentali. LC=2 LC=3 Conoscenza ADEGUATA Conoscenza ACCURATA FC=1.20 FC=1.00

17 NTC Costruzioni Esistenti Progetto dell intervento Per tutte le tipologie costruttive, il progetto dell intervento di adeguamento o miglioramento sismico deve comprendere: -Verifica della struttura prima dell intervento con identificazione delle carenze e del livello di azione sismica per la quale viene raggiunto lo SLU (e SLE se richiesto); -scelta motivata del tipo di intervento; -scelta delle tecniche e/o dei materiali; -dimensionamento preliminare dei rinforzi e degli eventuali elementi strutturali aggiuntivi; -analisi strutturale considerando le caratteristiche della struttura postintervento; -verifica della struttura post-intervento con determinazione del livello di azione sismica per la quale viene raggiunto lo SLU (e SLE se richiesto)

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19 Tipologia Opera V R = V N C U Interpolazione temporale a ; ; * g F0 TC Interpolazione sul reticolo

20 a * g ; F TC 0; Suolo Spettri Elastici Topografia

21 NTC Circolare Azione sismica come per le nuove costruzioni!!!! Per gli adeguamenti nella zona dell Aquila è stato fissato un limite tra 60-80%...

22 NTC 2013 Revisione in corso di approvazione

23 CASI DI STUDIO n.1 Intervento di adeguamento di un edificio scolastico

24 Comune di Longobucco (CS) Circolare 617/2008 Decreto del Capo Longitudine Est: 16,72478; D.P.C n.3685/2003 Latitudine Nord: 39,51607; inclasse III ricadono scuole, teatri, Classe d uso III Cu=1,5 musei Periodo di ritorno TR = 712 anni - C Circolare n. 617

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26 Indagine Storica Il deposito dei calcoli esecutivi delle strutture in calcestruzzo armato effettuato presso l Ufficio del Genio Civile in data Relazione a struttura ultimata del 1984 (completa di prove sui materiali). Elaborati strutturali completi (tavole contabili).

27 Rilievo geometrico strutturale

28 Rilievo geometrico strutturale Rilievo geometrico -strutturale m m +6.88m +3.58m Sottotetto accessibile solo per ispezione L edificio, avente ossatura portante in c.a., si compone 4 livelli (1 seminterrato + 2 fuori terra + sottotetto). Superficie in pianta di 200mq. Sviluppo in altezza di 13m con interpiano di 3.3m. Copertura a falde con altezza al colmo di 3m /40 40/ /40 50/20 50/ /40 50/ /20 40/

29 Rilievo geometrico strutturale Rilievo geometrico -strutturale m m +6.88m +3.58m Travi 30x60, 40x20, 30x20 Pilastri 40x40 Travi 40x60, 40x40, 50x20 Pilastri 40x40 Travi 40x60, 40x40, 50x20 Pilastri 40x40 Travi 40x60, 40x40, 60x20 Pilastri 40x50 Solai in latero-cemento aventi spessore pari a 20cm Travi rovesce 80x80

30 Rilievo geometrico strutturale

31 Indagini sulle strutture e sui materiali Indagini sulle strutture e sui materiali Piano di Indagine Piano di indagine Estese prove in situ. Livello di Conoscenza: LC2 (FC=1.2) Pianta Fondazione Pianta Piano Seminterrato

32 Indagini sulle strutture e sui materiali Pianta Piano Terra Pianta Piano Primo

33 Indagini sulle strutture e sui materiali

34 Indagini sulle strutture e sui materiali Indagini sulle strutture e sui materiali Elaborazione dei dati Masi(2005) f car [Mpa] f cis [Mpa] f cm [Mpa] Fondazioni Pil. I ord Pil. II ord TraviI Imp TraviIII Imp TraviII Imp Pil. III ord Le prove non distruttive hanno confermato le classi omogenee di resistenza individuate mediante i carotaggi Velocità ultrasonora Indice di rimbalzo

35 Indagini sulle strutture e sui materiali Resistenze di calcolo utilizzate nelle verifiche di sicurezza Verifiche nei confronti delle azioniantropiche Verifiche nei confrontidelle azionisismiche ElementiDuttili ElementiFragili f cd [Mpa] f cd [Mpa] f cd [Mpa] Fondazioni TraviI -III Imp TraviII Imp Travi Copert. (*) Pil. I -II ord Pil. III ord Pil. IV ord. (*) Acciaio (*) l inaccessibilitàal piano sottotetto, ha comportato l impossibilitàdi effettuare indagini sui materiali relativi ai Pilastri del IV ordine ed alle Travi di Copertura, per i quali sono state adottate le proprietàmeccaniche corrispondenti, rispettivamente, ai Pilastri del III ordine e Travi del III impalcato

36 Verifiche per azioni antropiche Verifiche _ STRU GEO _ OK Verifiche _ EQU GEO _ OK

37 Verifiche per azioni antropiche Analisi prestazionale della struttura esistente Intervento da effettuare: Nuova distribuzione delle rigidezza in modo da regolarizzare il comportamento dinamico Analisi modale Modo Periodo M x M y [s] [%] [%] Modi accoppiati La Circolare esplicativa n.617del 02/02/2009 al C8.3chiarisce che i suddetti provvedimenti relativi alle limitazioni d uso sono necessari ed improcrastinabili nel caso in cui non siano soddisfatte le verifiche relative alle azioni controllate dall uomo, ossia prevalentemente ai carichi permanenti ed alle altre azioni di servizio. Verifiche nei confronti dei carichi antropici N NON % NON N Verificati Verificati Verificati Fondazioni % Pil. I ord Pil. II ord Pil. III ord Pil. IV ord Travi I Imp Travi II Imp Travi III Imp Travi copert %

38 Verifiche per azioni sismiche Modellazione non lineare La non linearitàdelle travi e dei pilastri èstata definita mediante una modellazione a plasticità concentrata = L + + V θ Y φ y 0, ,5 0, L V h φ y d b f f Y C ( C Circolare n. 617) θ U = ν max ( ) ( 0,01; ω ) 0,3 1 yw αρ V f C γ el 0,016 max ( 0,01; ω) f C 0,225 L h 0,35 25 f 100ρd ( 1,25 ) ( C8A.6 Circolare n. 617) Nella valutazione della resistenza a taglio, èstata valutata l effettiva efficacia dei ferri sagomati in relazione al segno della resistenza flessionale dell elemento (V Flex ). L inversione del segno, nel passaggio tra il valore min. e maxdella V flex implica l inefficacia dei sagomati in quanto èinvertita la posizione della biella a trazione del traliccio resistente. M -ua M + ua A A GK +ψqk 5.50 GK +ψqk 5.50 B B M -ub M + ub M

39 Verifiche per azioni sismiche Analisi prestazionale della struttura esistente Verifiche sismiche (SLV) Taglio alla base (t) C (+X) C (+Y) +X +Y D (+Y) D (+X) Presenza di un consistente numero di collassi flessionali prima del raggiungimento dello spostamento richiesto Intervento da effettuare: Incremento delle Resistenze degli elementi verticali. X Y Analisi statica non lineare a plasticità concentrata Spostamento (mm) La risposta non lineare nelle due direzioni principali sono ottenute considerando come unici meccanismi di rottura possibili quelli flessionali. Tale procedura èfinalizzata a valutare la capacità strutturale in termini di resistenza nell ipotesi che l intervento di adeguamento preveda il ripristino degli elementi fragili e dei nodi non confinati. 64

40 Interventi di adeguamento sismico valutati per il caso in esame Ringrossodi alcuni elementi verticali mediante l utilizzo di pareti in c.a. Impiego di controventi dissipativi di tipo isteretico Interventi aggiuntivi comuni alle due proposte m m +6.88m +3.58m In corrispondenza dei pilastri del II e III ordine sono previste Fasciature FRP in tessuto quadriassialeper incrementare la duttilitàe la resistenza a taglio. Fasciature in FRP in corrispondenza dei nodi non confinati.

41 Miglioramento del comportamento flessionaledi elementi verticali nelle zone di formazione delle cerniere plastiche Moment Mu My 0.2Mu θ y θ u Rotation Aumento della resistenza al taglio mediante incremento del confinamento

42 Ringrossodi elementi in c.a. Particolari intervento 40/40 40/40 40/40 40/40 40/40 40/40 50/20 40/40 40/40 50/20 50/20 50/20 50/20 50/20 50/20 50/20 40/40 40/40

43 Fase 1 Fase 2 Fase Rimozioni infissi e demolizione tamponatura Rimozione cls ammaloratoe pulizia ferri d armatura Realizzazione nuovi elementi verticali

44 PERFORAZIONI Ø20/40 Fase 3.1 Fase 3.2 VECCHIO-NUOVO PILASTRO PERFORAZIONI Ø30 TRAVE-NUOVO PILASTRO 11 Ø10/40 L= PERFORAZIONI Ø30 TRAVE-NUOVO PILASTRO PERFORAZIONI Ø20/40 VECCHIO-NUOVO PILASTRO Ø10/10 L= Ø10 /10 L= Ø10 /10 L= Ø10/10 L=260 53

45 Dissipatori isteretici 40/40 40/40 40/40 50/20 50/20 Stato Attuale 40/40 50/20 50/20 40/40 40/40 40/40 50/20 LEGENDA Nuovi elementi in c.a. Controventi dissipativi 50/20 50/20 50/20 Proposta Controventi dissipativi posizionati lungo il perimetro strutturale in modo da ridurre gli effetti rotazionali indotti dalla irregolarità. Il dimensionamento dei dispositivi in modo da soddisfare: T pareti = T dissipatori

46 Dissipatori isteretici In telai perimetrali (Tamponatura doppia fodera) In telai Interni

47 Dissipatori isteretici Caratteristiche BRAD Ubica. F y F max S max K el kn kn mm kn/mm 46/30 I-X ± /30 II,III-X ± /40 Y ± Configurazione geometrica adottata per il caso di studio F y : Forza di snervamento; F max : Forza in corrispondenza dello spostamento massimo; S max : Spostamento massimo ammissibile; K el : Rigidezza elastica. L adozione di controventi di rigidezza differente tra un lato e l altro dell edificio ha consentito di ridurre l eccentricitàtra baricentro delle masse e delle rigidezze, contribuendo a regolarizzare notevolmente il comportamento globale.

48 Conclusioni : analisi comparativa tra le proposte di adeguamento V pareti = 1.56 V dissipatori = 3.4 V nuda Taglio alla base (t) Nuda Con Pareti Con Dissipatori Analogia con la risposta non lineare di strutture tamponate Forza P F1,F2 P1 P F3 P Spostamento (mm) Curve di capacità in dir. X dopo i primi 10 collassi flessionali 0 D1 D2 D3 Spostamento

49 CASI DI STUDIO n.2 Intervento di adeguamento di un edificio scolastico

50 Edificio Scolastico a Margherita di Savoia

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54 Piano d indagine

55 Piano d indagine

56 Esecuzione indagini

57 Esecuzione indagini

58 Esecuzione indagini Analisi di livello 2 Analisi a scala dell edificio

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60 Verifica per le azioni controllate dall uomo Carpenteria I ordine LEGENDA TRAVI NON NON VERIFICATE A FLESSIONE TRAVI NON NON VERIFICATE A TAGLIO PILASTRI NON NON VERIFICATI A PRESSOFLESSIONE PILASTRI NON NON VERIFICATI A TAGLIO GLI ELEMENTI NON CONTRASSEGNATI RISULTANO VERIFICATI Elementi NON Verificati Elementi Verificati % Fondazioni ,97 Pilastri P.T ,82 Pilastri P ,78 Travi Liv ,30 Travi Liv ,16

61 Verifica per azioni sismiche Verifica sismica in direzione X SLD SLV D [mm] 25,66 75,27 C [mm] 13,28 57,29 ESITO NO NO

62 Interventi

63 Interventi

64 CASI DI STUDIO n.3 Intervento locale su un edificio commerciale

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69 -Incremento del carico in fondazione < 10% -Nessuna modifica all organismo resistente originario -Progetto nuove strutture come elementi secondari secondo NTC (verifica a verticali, verifica deformazioni imposte)