SCUOLA SECONDARIA G. CAVANI PROVE DI CARICO A CORREDO DEL PROGETTO ESECUTIVO PER IL CONSOLIDAMENTO STATICO DI ALCUNI SOLAI

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1 COMUNE DI SERRAMAZZONI Provincia di MODENA SCUOLA SECONDARIA G. CAVANI PROVE DI CARICO A CORREDO DEL PROGETTO ESECUTIVO PER IL CONSOLIDAMENTO STATICO DI ALCUNI SOLAI INTERPRETAZIONE INGEGNERISTICA DELLE PROVE DI CARICO Committente: Amministrazione Comunale di Serramazzoni Ragguppamento Temporaneo di Professionisti ing. Emanuel Perani, ing. Massimo Pilati, ing. Giacomo Profeta via Doneghe, Gavardo (BS) Tel. e Fax info@ingegneriaprogetti.net 1

2 A. PREMESSA Attraverso l esecuzione di tre prove di carico si intede stabilire l effettiva portata dei solai più rappresentativi all interno dell edificio scolatico G. Cavani, sede delle scuole medie comunali. I risultati ottenuti saranno utilizzati al fine di ottimizzare, per quanto possibile, il progetto di consolidamento e rinforzo che l amministrazione intende eseguire. In particolare una prova è stata eseguita nella porzione originaria del fabbricato (più precisamente a livello del pavimento del piano primo), mentre due prove sono state collocate nella porzione realizzata in ampliamento. In quest ultima porzione sono stati indagati sia il primo orizzontamento (pavimento piano terra), sia il secondo impalcato (pavimento piano primo). Infatti qui si erano registrati i valori più critici in termini di portanza dei solai 1 e di concerto con la committenza si è optato per indagare, a maggiore tutela dell utenza, entrambi gli impalcati. Nelle figure seguenti sono riportate le impronte di carico e la posizione dei trasduttori per il rilievo degli abbasamenti di ciascuna prova di carico. (Per semplicità di lettura la numerazione delle prove segue la numerazione riportata nella RELAZIONE TECNICA EDI 530/13 a firma del dott. prof. Giancarlo Maselli, Amm. Unico della ditta GIANCARLO MASELLI SRL, cui chi scrive ha affidato l esecuzione delle prove) prova di carico su primo impalcato (PC.02) punti di misura per rilievo abbassamenti Pianta Piano Secondo Sottostrada Figura 1 Scuola media cavani. Collocazione dei punti di misura per la prova di carico su primo impalcato (piano terra) nella porzione dell ampliamento A tal proposito vedasi lo studio di vulnerabilità sismica condotto dall ing. Giancarlo Boschetti ed il progetto di consolidamento redatto dagli scriventi 2

3 Figura 2 Scuola media cavani. Collocazione dei punti di misura per le prove di carico su secondo impalcato (piano piano primo) nella porzione dell ampliamento e del volume originario. A sfondo rosso l impronta di carico sul solaio del piano terra. prova di carico su primo impalcato (PC.02) impronta area di carico prova di carico su secondo impalcato (PC.03) punti di misura per rilievo abbassamenti Pianta Piano Terra prova di carico su secondo impalcato (PC.01) punti di misura per rilievo abbassamenti 350 Pianta Piano Primo Figura 3- Scuola media cavani. A sfondo rosso le impronte di carico sui solai del piano primo. prova di carico su secondo impalcato (PC.03) impronta area di carico 635 prova di carico su secondo impalcato (PC.01) impronta area di carico 3

4 B. METODOLOGIA OPERATIVA Il carico viene applicato per mezzo di serbatoi in PVC, adagiati sul pavimento sovrastante l estradosso della struttura da esaminare, che vengono riempiti d acqua gradualmente e secondo step di carico preventivamente stabiliti sino al raggiungimento del carico limite o di progetto. Al fine di misurare le deformazioni indotte nella struttura in rapporto ai successivi step di carico vengono posizionati, all intradosso della struttura, dei flessimetri elettrici con precisione centesimale, resi solidali al calpestio del piano sottostante. Tali sensori sono collegati ad un sistema d acquisizione dati elettronico, che consente la lettura in tempo reale e la memorizzazione per la successiva elaborazione. Per il riempimento del serbatoio in PVC delle prove di carico è stata utilizzata l acqua dell impianto antincendio dell edificio scolastico. Limitatamente alla prova PC.01 le frecce residue sono state calcolate la mattina seguente la prova (avendo cura di depurare il valore ottenuto dalle deformazioni termiche mediante inpiego di trasduttore di comparazione). Nei rimanenti casi la freccia residua è stata valutata a circa un ora dallo scarico completo. 4

5 C. STRUMENTAZIONE UTILIZZATA Si rimanda alla RELAZIONE TECNICA EDI 530/13 a firma del dott. prof. Giancarlo Maselli. 5

6 D. CALCOLI PRELIMINARI Preliminarmente all esecuzione delle prove di carico si è analizzato il comportamento teorico degli impalcati. Per tutte le prove lo scema di calcolo è il medesimo, ovvero trave a tre campate su quattro appoggi (con o senza incastri alle estremità), la luce di calcolo è rispettivamente di 6,65m nelle campate laterali e di 3,20m nella campata centrale. Nella porzione in ampliamento, ove sono state eseguite le prove PC.01 e PC.02, il travetto ha sezione: b inf 18,5 cm b sup 55 cm h tot 21,5 cm h cappa 1,5 cm Nella porzione originaria, ove è stata eseguita la prova PC.03, il travetto ha sezione: b inf 12 cm b sup 50 cm h tot 21,5 cm h cappa 1,5 cm Il calcolo delle frecce è effettuato considerando la rigidezza 2 della sola sezione in calcestruzzo non fessurata e l applicazione del carico di progetto (3,00kN/m2). In tali condizioni gli abbassamenti teorici sono riportati nelle tabelle seguenti: 2 Il mpodulo elastico del calcestruzzo è stato valutato in Mpa 6

7 prove PC.01 e PC.02 Trave a tre campate e semplici appoggi alle estremità 4,20mm 3,19mm Trave a tre campate e incastri perfetti alle estremità 1,96mm 0,97mm Precisando che le deformate nella condizione di incastro alle estremità è disegnata in scala doppia rispetto alla deformata valutata nella condizione di semplice appoggio si osserva che il rapporto freccia/luce per i soli carichi accidentali è pari a: appoggio estremità 4,20mm/6,65m = 1/1580 incastro perfetto estremità 1,96mm/6,65m = 1/3400 mentre il rapporto tra la freccia valutata ai quarti e quella valutata in mezzeria è pari a: appoggio estremità 3,19/4,20 = 76% incastro perfetto estremità 0,97/1,96 = 50% 7

8 prova PC.03 Trave a tre campate e semplici appoggi alle estremità 5,25mm 4,00mm Trave a tre campate e incastri perfetti alle estremità 2,44mm 1,22mm Si osserva che il rapporto freccia/luce per i soli carichi accidentali è pari a: appoggio estremità 5,25mm/6,65m = 1/1266 incastro perfetto estremità 2,44mm/6,65m = 1/2725 mentre il rapporto tra la freccia valutata ai quarti e quella valutata in mezzeria è pari a: appoggio estremità 4,00/5,25 = 76% incastro perfetto estremità 1.22/2.44 = 50% 8

9 E. ESITI DELLE PROVE DI CARICO prova PC.01 Nella seguente Tabella, sintesi dei risultati riportati nella RELAZIONE TECNICA EDI 530/13 a firma del dott. prof. Giancarlo Maselli, si restituiscono i valori delle deformazioni massime e di quelle residue registrati durante la prova di carico: Deformazioni massime (mm.) -0,7-2,45-3,37-2,96-1,8-0,27 Deformazioni residue (mm.) -0,12-0,24-0,3-0,23-0,09-0,05 Nella tabella seguente sono invece riportati i valori delle deformazioni massime e di quelle residue al netto degli abbassamenti agli appoggi: Deformazioni massime (mm.) al netto degli abbassamenti agli appoggi 0-1,86-2,89 2,48-1,32 0 Deformazioni residue (mm.) al netto degli abbassamenti agli appoggi 0-0,14-0,22-0,15-0,01 0 Tenuto conto che il carico massimo raggiunto durante la prova (q prova,limite ) è di 4,00kN/m 2, per: a) valutare la portanza del solaio; b) confrontare le deformazioni effettive con quelle teoriche, è necessario determinare il carico al netto del fattore di partecipazione laterale del solaio ovvero della larghezza collaborante, valutata con l ausilio dei punti di misura trasversali (Fless.04 e Fless.05), depurando le frecce rilevate dagli abbassamenti alle estremità (Fless.01 e Fless.06). La larghezza collaborante è valutabile attraverso la seguente espressione: b = [(fc+2 fi) x s]/fc ove: fc: freccia in campata (corrispondente a Fless. 03) fi: frecce in campata misurate dai trasduttori Fless.04 e Fless.05 s: distanza tra i trasduttori trasversali pari a 1.20m nel caso in esame risulta: b = 4,35m 9

10 Pertanto il carico effettivamente applicato (q limite ) è dato dal rapporto tra la larghezza dell impronta di carico (B=3,00m) e larghezza collaborante moltiplicato per il carico di prova : q limite = (B/b) x q prova = 2,76 kn/m 2 Tale valore rappresenta il limite inferiore della capacità portante del solaio. Tenuto conto dell empiricità delle formule di conversione del carico di prova in carico effettivo, al fine di non indurre possibili plasticizzazioni si è deciso di non procedere ad ulteriori incrementi di carico sino al raggiungimento del carico imposto dalla norma pari a 3,00kN/m 2. Alla luce di quanto emerso si osserva che: il comportamento del solaio è intermedio alle situazioni teoriche analizzate (appoggi semplici o incastri perfetti alle estremità). Infatti il rapporto tra la freccia ai quarti e la freccia in mezzeria, entrambe valutate al netto degli abbassamenti agli appoggi, è pari al 64% (=1,86mm/2,89mm), valore intermedio a quelli ricavati nelle differenti condizioni di vincolo. la freccia massima del solaio, depurata dagli abbassamenti agli appoggi (2,89mm) è confrontabile con le frecce teoriche. Quest ultime, rivalutate in funzione del carico effettivo, risultano: - appoggio alle estremità: (2,76/3,00) x 4,20mm = 3,86 mm - incastro alle estremità: (2,76/3,00) x 1,96mm = 1,80 mm In particolare la freccia massima del solaio risulta intermedia a quelle valutate nelle differenti condizioni di vincolo, coerentemente con il comportamento effettivo del solaio; il rapporto tra le frecce residue e le frecce massime (entrambe valutate al netto degli abbassamenti agli appoggi) è pari a circa l 8% (=0,22mm/2,89mm); nel corso delle prove non si sono prodotte fratture, fessurazioni, deformazioni o dissesti compromettenti per la sicurezza o la conservazione dell edificio. 10

11 prova PC.02 Nella seguente Tabella, sintesi dei risultati riportati nella RELAZIONE TECNICA EDI 530/13 a firma del dott. prof. Giancarlo Maselli, si restituiscono i valori delle deformazioni massime e di quelle residue registrati durante la prova di carico: Deformazioni massime (mm.) -0,38-2,00-2,71-2,13-1,21-0,21 Deformazioni residue (mm.) -0,15-0,54-0,38-0,29-0,27-0,01 Nella tabella seguente sono invece riportati i valori delle deformazioni massime e di quelle residue al netto degli abbassamenti agli appoggi: Deformazioni massime (mm.) al netto degli abbassamenti agli appoggi 0-1,66-2,42 2,84-1,92 0 Deformazioni residue (mm.) al netto degli abbassamenti agli appoggi 0-0,40-0,30-0,21-0,19 0 Tenuto conto che il carico massimo raggiunto durante la prova (q prova limite ) è di 4,00kN/m 2, per: a) valutare la portanza del solaio; b) confrontare le deformazioni effettive con quelle teoriche, è necessario determinare il carico al netto del fattore di partecipazione laterale del solaio ovvero della larghezza collaborante, valutata con l ausilio dei punti di misura trasversali (Fless.04 e Fless.05), depurando le frecce rilevate dagli abbassamenti alle estremità (Fless.01 e Fless.06). La larghezza collaborante è valutabile attraverso la seguente espressione: b = [(fc+2 fi) x s]/fc ove: fc: freccia in campata (corrispondente a Fless. 03) fi: frecce in campata misurate dai trasduttori Fless.04 e Fless.05 s: distanza tra i trasduttori trasversali pari a 1.20m nel caso in esame risulta: b = 3,93m 11

12 Pertanto il carico effettivamente applicato (q limite), dato dal rapporto tra la larghezza dell impronta di carico (B=3,00m) e larghezza collaborante moltiplicato per il carico di prova, è pari a: q limite = (B/b) x q prova = 3,05 kn/m 2 Tale valore rappresenta il limite inferiore della capacità portante del solaio; di poco superiore al carico imposto dalla norma pari a 3,00kN/m 2. Alla luce di quanto emerso si osserva che: il comportamento del solaio è intermedio alle situazioni teoriche analizzate (appoggi semplici o incastri perfetti alle estremità). Infatti il rapporto tra la freccia ai quarti e la freccia in mezzeria, entrambe valutate al netto degli abbassamenti agli appoggi, è pari al 66% (=1,66mm/2,42mm), valore intermedio a quelli ricavati nelle differenti condizioni di vincolo. la freccia massima del solaio, depurata dagli abbassamenti agli appoggi (2,42mm) è confrontabile con le frecce teoriche. Quest ultime, rivalutate in funzione del carico effettivo, risultano: - appoggio alle estremità: (3,05/3,00) x 4,20mm = 4,27 mm - incastro alle estremità: (3,05/3,00) x 1,96mm = 1,99 mm In particolare la freccia massima del solaio risulta intermedia a quelle valutate nelle differenti condizioni di vincolo, coerentemente con il comportamento effettivo del solaio; il rapporto tra le frecce residue e le frecce massime (entrambe valutate al netto degli abbassamenti agli appoggi) è pari a circa il 10% (=0,30mm/2,89mm). A tal proposito si specifica che, diversamente dal caso precedente, il rilievo delle deformazioni residue è avvenuto a solo un ora di distanza dallo scarico completo; nel corso delle prove non si sono prodotte fratture, fessurazioni, deformazioni o dissesti compromettenti per la sicurezza o la conservazione dell edificio. Unica anomalia è data dal valore della freccia residua in corrispondenza del trasduttore posizionato ai quarti (fless.2): il recupero elastico in questa posizione è minore di quello registrato in campata e anche in termini assoluti la freccia resudua è leggermente superiore (0,40mm contro 0,30mm). Data la modesta entità dei valori rilevati non si ritiene tale anomalia tale da pregiudicare l esito della prova. 12

13 prova PC.03 Nella seguente Tabella, sintesi dei risultati riportati nella RELAZIONE TECNICA EDI 530/13 a firma del dott. prof. Giancarlo Maselli, si restituiscono i valori delle deformazioni massime e di quelle residue registrati durante la prova di carico: Deformazioni massime (mm.) -0,57-0,20-3,40-2,41-1,12-2,56 Deformazioni residue (mm.) -0,09-0,05-0,45-0,31-0,17-0,30 (si precisa che - diversamente dai casi precedenti la posizione dei trasduttori Fless.02 e Fless.06 è invertita) Nella tabella seguente sono invece riportati i valori delle deformazioni massime e di quelle residue al netto degli abbassamenti agli appoggi: Deformazioni massime (mm.) al netto degli abbassamenti agli appoggi 0 0-3,05 2,06-0,77-2,08 Deformazioni residue (mm.) al netto degli abbassamenti agli appoggi 0 0-0,38-0,24-0,10-0,22 Tenuto conto che il carico massimo raggiunto durante la prova (q prova limite ) è di 3,50kN/m 2, per: a) valutare la portanza del solaio; b) confrontare le deformazioni effettive con quelle teoriche, è necessario determinare il carico al netto del fattore di partecipazione laterale del solaio ovvero della larghezza collaborante, valutata con l ausilio dei punti di misura trasversali (Fless.04 e Fless.05), depurando le frecce rilevate dagli abbassamenti alle estremità (Fless.01 e Fless.02). La larghezza collaborante è valutabile attraverso la seguente espressione: b = [(fc+2 fi) x s]/fc ove: fc: freccia in campata (corrispondente a Fless. 03) fi: frecce in campata misurate dai trasduttori Fless.04 e Fless.05 s: distanza tra i trasduttori trasversali pari a 1.20m nel caso in esame risulta: b = 3,40m 13

14 Pertanto il carico effettivamente applicato (q limite), dato dal rapporto tra la larghezza dell impronta di carico (B=3,00m) e larghezza collaborante moltiplicato per il carico di prova, è pari a: q limite = (B/b) x q prova = 3,09kN/m 2 Tale valore rappresenta il limite inferiore della capacità portante del solaio; di poco superiore al carico imposto dalla norma pari a 3,00kN/m 2. Alla luce di quanto emerso si osserva che: il comportamento del solaio è intermedio alle situazioni teoriche analizzate (appoggi semplici o incastri perfetti alle estremità). Infatti il rapporto tra la freccia ai quarti e la freccia in mezzeria, entrambe valutate al netto degli abbassamenti agli appoggi, è pari al 68% (=2,08mm/3,05mm), valore intermedio a quelli ricavati nelle differenti condizioni di vincolo. la freccia massima del solaio, depurata dagli abbassamenti agli appoggi (3,05mm) è confrontabile con le frecce teoriche. Quest ultime, rivalutate in funzione del carico effettivo, risultano: - appoggio alle estremità: (3,09/3,00) x 4,20mm = 4,32 mm - incastro alle estremità: (3,09/3,00) x 1,96mm = 2,02 mm In particolare la freccia massima del solaio è intermedia a quelle valutate nelle differenti condizioni di vincolo, coerentemente con il comportamento effettivo del solaio; il rapporto tra le frecce residue e le frecce massime (entrambe valutate al netto degli abbassamenti agli appoggi) è pari a circa il 12% (=0,38mm/3,05mm). A tal proposito si specifica che, diversamente dal caso precedente, il rilievo delle deformazioni residue è avvenuto a solo un ora di distanza dallo scarico completo; nel corso delle prove non si sono prodotte fratture, fessurazioni, deformazioni o dissesti compromettenti per la sicurezza o la conservazione dell edificio. 14

15 F. CONCLUSIONI Le prove di carico hanno testimoniato un comportamento dei solai marcatamente più soddisfacente rispetto alle valutazioni numeriche condotte e in possesso dell amministrazione. Solo in un caso (PC.O1) non è stato possibile raggiungere il carico previsto dalla norma, ma questo è più da imputare alla procedura di calcolo ed alle approsimazioni intrinseche del metodo, che non alla effettiva capacità del solaio. Quindi: - precisando che la prova è stata interrotta per ragioni di opportunità più che dal manifestarsi di dissesti e/o assestamenti; - tenendo altresì conto del confronto con quanto ottenuto dalla la prova PC.02 (eseguita su un solaio sostanzialmente identico), si ritengono i solai in questione idonei a sopportare i carichi previsti dalla norma, ovvero 3,00kN/m 2 ) e non risulta necessario porre limitazioni al loro utilizzo, purchè sia esso coerente con la destinazione d uso dell immobile. Qualora in ogni caso s intenda procedere a un intervento di miglioramento dovrà essere modificato quanto previsto nell attuale progetto, in luogo di un intervento in grado di aumentare la rigidezza del solaio piuttosto che la sua resistenza. Le prove hanno evidenziato, infatti, come eventuali limiti del solaio siano connessi alla sua deformabilità 3 piuttosto che alla capacità portante. Senza voler con ciò dare carattere di esaustività all argomento appare più coerente la realizzazione di un sottofondo strutturale (cappa in calcestruzzo) in grado di fornire un contributo rilevante sia in termini di rigidezza a carico verticale, sia in termini di rigidezza a carico orizzontale. In tal caso presumibilmente si potrebbe conseguire anche un miglioramento sismico, beninteso che tale miglioramento dovrebbe essere supportato e dimostrato dalle necessarie calcolazioni. Gavardo, 13 agosto 2013 Ing. Emanuel Perani Ing. Massimo Pilati Ing. Giacomo Profeta Si allega RELAZIONE TECNICA EDI 530/13 a firma del dott. prof. Giancarlo Maselli 3 A tal proposito si sottolinea la corrispondenza tra i valori di spostamento ricavati analiticamente con i risultati sperimentali. Tale aspetto se da un lato può essere di conforto, dall altro implica l assenza di contributi resistenti forniti dagli elementi non strutturali (con ciò facendo specifico riferimento ai massetti e sottofondi). 15