Adeguamento di strutture esistenti in c.a.: tecniche e strategie t d intervento

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1 Adeguamento di strutture esistenti in c.a.: tecniche e strategie t d intervento t

2 Necessità di un intervento di adeguamento Strategie di intervento: processo logico Criteri e tipi d intervento Tipologie di intervento Tecniche di intervento locale Tecniche di intervento globale Casi studio Bollettino FIB-24: tecniche di adeguamento sismico Intervento selettivo 2

3 Nel libro Consolidamento delle strutture di M.A. Pisani vengono elencate le possibili ii cause che comportano un intervento di adeguamento statico (o risanamento) delle strutture in c.a., ossia: Variazione della destinazione d uso duso Innalzamento dell edificio (sopraelevazione) Trasformazione dell assetto statico, dovutoadunasceltarelativaaun cambiamento strutturale (es. creazione di un ammezzato) Adeguamento antisismico Danneggiamento della struttura Esempio di sopraelevazione 3

4 I passi principali che portano alla definizione di una (o più) strategie di intervento su un edificio i esistente possono essere sintetizzati i i come segue: Valutazione au a dello stato e delle caratteristiche meccaniche e strutturali Determinazione delle caratteristiche meccaniche dei materiali Individuazione del sistema strutturale Valutazione del dissesto e delle sue cause Interventi e di messa in sicurezza Isolamento della zona a rischio Puntellamento della struttura con opere provvisionali Determinazione dell agibilità della struttura messa in sicurezza Scelte progettuali 4

5 I principali aspetti che dovranno essere valutati e curati nella progettazione degli interventii sono i seguenti: Riparazione di eventuali danni presenti Riduzione delle carenze dovute ad errori grossolani Miglioramento della capacità deformativa ( duttilità ) di singoli elementi Riduzione delle condizioni che determinano situazioni di forte irregolarità degli edifici in termini di massa, resistenza e/o rigidezza, anche legate alla presenza di elementi non strutturali Riduzione delle masse Riduzione dell impiego degli elementi strutturali originari mediante l introduzione di sistemi d isolamento o di dissipazione di energia Riduzione dell eccessiva deformabilità degli orizzontamenti Miglioramento dei collegamenti degli elementi non strutturali 5

6 Incremento della resistenza degli elementi verticali resistenti, tenendo eventualmente conto di una possibile i riduzione i della duttilità ii globale per effetto di rinforzi locali Realizzazione, ampliamento, eliminazione di giunti sismici.. Miglioramento del sistema di fondazione, ove necessario Inoltre, per le strutture in c.a. dovranno essere prese in considerazione anche le seguenti tipologie di intervento (o loro combinazioni): Rinforzo di tutti o parte degli elementi Aggiunta di nuovi elementi resistenti, quali pareti in c.a., controventi in acciaio, ecc. Eliminazionei i di eventuali comportamenti ti a piano debole Introduzione di un sistema strutturale aggiuntivo in grado di resistere per intero all azione sismica di progetto Eventuale trasformazione di elementi non strutturali in elementi strutturali, come nel caso di incamiciatura in c.a. di pareti in laterizio 6

7 Riparazioni / Interventi locali Tipologie di intervento Interventi globali 7

8 Vantaggi Adeguati nel caso in cui il numero di elementi che necessitano di un aumento di resistenza oppure di una riparazione non è eccessivo ( analisi costi-benefici) Non richiedono un solaio sufficientemente rigido (a differenza, invece, delle pareti strutturali) Svantaggi ali enti loca / Interve arazioni Rip Interventi di riparazione Incamiciatura in c.a. / in acciaio Placcaggio con piatti metallici Calcestruzzo proiettato Non molto efficaci quando la flessibilità della struttura deve essere ridotta Placcaggio e fasciatura con FRP 8

9 Iniezioni delle lesioni con resine epossidiche - Fasi realizzative 1. Pulitura delle fessure con aria compressa 2. Sigillatura superficiale con adesivo epossidico insieme al posizionamento dei tubicini di iniezione 3. Iniezione della resina epossidica(superfluida) partendo dall iniettore più in basso per gli elementi verticali, e all estremità per quelli orizzontali 4. Chiusura e rimozione dei tubetti 5. Sigillatura dei fori Per gentile concessione del Prof. A. Masi e del Dr. M. Vona (Università di Basilicata) 9

10 Ripristino del copriferro e trattamento delle armature - Fasi realizzative 1. Preparazione del supporto, mediante demolizione del calcestruzzo ammalorato (asperità >= 5mm) 2. Applicazione, sulle barre d armatura, di malta cementizia anticorrosione 3. Ripristino del copriferro del calcestruzzo armato mediante applicazione, a cazzuola o a spruzzo, di malta a ritiro controllato, fibrorinforzata 4. Rasatura finale Per gentile concessione del Prof. A. Masi e del Dr. M. Vona (Università di Basilicata) 10

11 Riparazione dei pilastri senza aumento di sezione Per gentile concessione del Prof. A. Masi e del Dr. M. Vona (Università di Basilicata) 11

12 Riparazione delle travi senza aumento di sezione Per gentile concessione del Prof. A. Masi e del Dr. M. Vona (Università di Basilicata) 12

13 Riparazione dei nodi lesionati Per gentile concessione del Prof. A. Masi e del Dr. M. Vona (Università di Basilicata) 13

14 È una tecnica che, applicata agli elementi strutturali (es. pilastri, pareti), permette di conseguire tutti oalcuni dei seguenti obiettivi: i i Incremento della capacità portante verticale Incremento della resistenza a flessione e/o taglio Aumento della capacità deformativa Miglioramento dell efficienza i delle giunzioni i i per sovrapposizione ii Ai fini della valutazione della resistenza e della deformabilità di elementi incamiciati sono accettabili le seguenti ipotesi semplificative: L elemento incamiciato si comporta monoliticamente (piena aderenza tra calcestruzzo vecchio e nuovo) Si considera che il carico assiale agisca sull intera sezione incamiciata Le proprietà p meccaniche del calcestruzzo della camicia si considerano estese all intera sezione se le differenze tra i due materiali non sono eccessive 14

15 Esistono due tipologie: Incamiciatura parziale Incamiciatura totale Incamiciatura parziale Legenda 1 Pilastro esistente 2 Camicia in c.a. Incamiciatura totale 15

16 Incamiciatura parziale dei pilastri Legenda 1 Pilastro esistente 2 Camicia in c.a. 3 Armature esistenti 4 Armatura longitudinale aggiunta 5 Armatura trasversale aggiunta 6 Saldature 7 Barre piegate di collegamento Nota: è bene non saldare tutte le barre ma ridurre al minimo la superficie di saldatura le barre sono molto sensibili all aumento di temperatura 16

17 Incamiciatura totale dei pilastri Per gentile concessione del Prof. A. Masi e del Dr. M. Vona (Università di Basilicata) 17

18 Incamiciatura totale delle travi Per gentile concessione del Prof. A. Masi e del Dr. M. Vona (Università di Basilicata) 18

19 Incamiciatura totale dei nodi Per gentile concessione del Prof. A. Masi e del Dr. M. Vona (Università di Basilicata) 19

20 È una tecnica che, applicata agli elementi strutturali (es. pilastri, pareti), permette di conseguire tutti oalcuni dei seguenti obiettivi: i i Incremento della resistenza a taglio Aumento della capacità deformativa Miglioramento dell efficienza delle giunzioni per sovrapposizione Incremento della capacità portante verticale (effetto del confinamento ( espressione C8A.7.6 delle NTC08) 20

21 Si può realizzare tramite: Profili angolari sui quali vengono saldate piastre continue in acciaio o bande (angolari e calastrelli) Profili angolari avvolti da nastri in acciaio (CAM) Profili metallici (es. profili a C ) Acciaio corrugato Tuboforma Esempio di cerchiatura tramite angolari e calastrelli 21

22 Rinforzo dei pilastri con angolari e calastrelli Nota: se i piatti d acciaio vengono riscaldati prima di essere saldati agli angolari, durante il raffreddamento questi applicheranno un confinamento attivo molto efficace Per gentile concessione del Prof. A. Masi e del Dr. M. Vona (Università di Basilicata) 22

23 Rinforzo dei pilastri e dei nodi con angolari e calastrelli Nota: per i nodi l impiego di materiali compositi (es. FRP) forse è più indicato.. Per gentile concessione del Prof. A. Masi e del Dr. M. Vona (Università di Basilicata) 23

24 Rinforzo dei pilastri con angolari e nastri (CAM) Il rinforzo CAM è realizzato tramite 4 angolari in acciaio e nastri in acciaio inox ad alta resistenza che vengono posti in opera con un apposita macchina in grado di fornire ai nastri una pre-trazione in modo da produrre un lieve stato di precompressione. 24

25 Rinforzo dei pilastri con angolari e nastri (CAM) - Fasi realizzative 1. Rimozione dell intonaco e del calcestruzzo ammalorato (ove presenti) e successiva rimozione i dei residui i di lavorazione Ove necessario: i. Trattamento delle barre d armatura esistenti con malta anticorrosione ii. Riparazione delle fessure con resine epossidiche iii. Ripristino del c.a. mediante applicazione di malta a ritiro controllato e ricostruzione volumetrica 2. Realizzazione dei fori per l inserimento dei nastri 3. Posizionamento degli angolari e delle piastre in acciaio zincato 4. Inserimento e tesatura dei nastri metallici in acciaio zincato 25

26 Rinforzo di travi e pilastri con acciaio corrugato Nota: Questa tecnica interessante è stata introdotta per la prima volta in Canada il piatto corrugato a causa della sua forma ha una rigidezza fuori piano maggiore rispetto al tipico piatto in acciaio 26

27 Rinforzo di solai mediante piatti metallici Nota: I piatti d acciaio incrementano l armatura a momento positivo rinforzo o a flessione Per gentile concessione del Prof. A. Masi e del Dr. M. Vona (Università di Basilicata) 27

28 Rinforzo di travi con piatti metallici Per gentile concessione del Prof. A. Masi e del Dr. M. Vona (Università di Basilicata) 28

29 Alcuni esempi 29

30 Questa tecnica consiste nello spruzzo, mediante una lancia ad aria compressa, di una miscela cementizia ii additivata ii con prodotti acceleranti di presa, che consentono l'aggrappo istantaneo del conglomerato maggiore aderenza rispetto al calcestruzzo normale Mix Entry Air Water Tank Valve Nozzle Valve Air Water Hose Compressed Air Entry Injection Hose 30

31 Tipologie di prodotti impiegati in edilizia Lamine Barre Tessuti 31

32 L uso dei materiali compositi nel rinforzo sismico di elementi in c.a. è finalizzatoi ai seguenti obiettivi: i i Aumento della resistenza a taglio di pilastri e pareti mediante applicazione di fasce con le fibre disposte secondo la direzione delle staffe Aumento della resistenza nelle parti terminali di travi e pilastri (rinforzo a flessione) ) mediante applicazione i di fasce con le fibre disposte secondo la direzione delle barre longitudinali ed opportunamente ancorate Aumento della duttilità nelle parti terminali di travi e pilastri mediante fasciatura con fibre continue disposte lungo il perimetro Miglioramento dell efficienza efficienza delle giunzioni per sovrapposizione sempre mediante fasciatura con fibre continue disposte lungo il perimetro 32

33 Rinforzo a flessione Nota: Nel rinforzo a flessione c è bisogno dell ancoraggio Per gentile concessione dell Ing. D. Bolognini (EUCENTRE) 33

34 Rinforzo a taglio Per gentile concessione dell Ing. D. Bolognini (EUCENTRE) 34

35 Incremento della duttilità repaired 40 Shear Force (kn) control Confinamento in FRP su elementi pressoinflessi: incremento di duttilità e in misura ridotta di resistenza Displacement (mm) Incremento di duttilità Per gentile concessione del Prof. G. Manfredi, Dr. G. Verderame (Università di Napoli Federico II) 35

36 Vantaggi Sforzo di trazione molto superiore rispetto a quello fornito dall acciaio nel cemento armato Peso proprio molto basso ed estrema facilità di maneggiamento (densità circa un quarto rispetto a quella dell'acciaio) Apparentemente immune alla corrosione soluzione ottimale in ambiente molto aggressivo Svantaggi Adesione: la non perfetta aderenza alla superficie dove l FRP viene applicato può causare un collasso di tipo fragile Durabilità: l'evoluzione delle caratteristiche dell FRP nel tempo non è ancora ben nota, dato l'utilizzo relativamente recente di tale tecnica 36

37 Realizzazione di nuovi setti in c.a. 37

38 Rinforzo dei telai mediante incamiciatura delle tamponature Per gentile concessione del Prof. A. Masi e del Dr. M. Vona (Università di Basilicata) 38

39 Vantaggi Elevata riduzione delle deformazioni orizzontali dovuta al significativo aumento della rigidezza della struttura Possibile aumento della capacità e della duttilità (se vi è continuità di armatura tra ciascun livello e un confinamento adeguato) Riduzione dei tempi dell intervento (e dei relativi costi) grazie all utilizzo di pannelli prefabbricati (o tamponamenti + spritzbeton) Svantaggi Aumento del momento di ribaltamento e del peso necessario il rafforzamento delle fondazioni (intervento complesso e costoso, che richiede l evacuazione dell'edificio) Interventi localizzati solo in alcuni piani peggioramento della risposta strutturale o addirittura collasso Scarsi dettagli costrut. e distrib. di carico inadeguata rottura fragile 39

40 Rinforzo delle fondazioni 40

41 Soluzione ibrida/alternativa 41

42 Rinforzo dei telai con profilati d acciaio Esempio di intervento con controventi metallici Per gentile concessione del Prof. G. Manfredi, Dr. G. Verderame (Università di Napoli Federico II) 42

43 Rinforzo dei telai con profilati d acciaio Per gentile concessione del Prof. G. Manfredi, Dr. G. Verderame (Università di Napoli Federico II) 43

44 Rinforzo dei telai con profilati d acciaio Per gentile concessione del Prof. A. Masi e del Dr. M. Vona (Università di Basilicata) 44

45 Sono controventi dotati di speciali dispositivi che dissipano l energia trasmessa dal terremoto nella struttura, riducendo sensibilmente i gli spostamenti della struttura in campo plastico e quindi le associate richieste di duttilità. Diverse configurazioni di controventi dissipativi Adeguamento sismico della Scuola Elementare D. Viola di Potenza 45

46 Vantaggi I controventi eccentrici possono essere utilizzati per minimizzare i disagi architettonici L'installazione è meno complessa rispetto a quella delle pareti in c.a. e la domanda in fondazione è notevolmente inferiore I dispositivi passivi di dissipazione dell energia energia e/o i collegamenti a taglio possono essere utilizzati per aumentare lo smorzamento dinamico Svantaggi L installazione i richiede lavoratori altamente t qualificati, soprattutto per le zone di connessione tra i controventi e gli elementi esistenti in c.a. 47

47 L isolamento sismico permette una riduzione della domanda in maniera globale, abbattendo drasticamente l energia trasmessa dal suolo all intera struttura Consiste nel disaccoppiare il moto del terreno da quello della struttura, introducendo una sconnessione alla base La continuità strutturale è garantita da particolari apparecchi di appoggio, detti isolatori, caratterizzati da un elevata deformabilità e/o da una bassa resistenza al moto in direzione orizzontale, e da un elevata rigidezza in direzione verticale 48

48 Elementi del sistema isolato truttura Sovrast Sottostruttura Smorzamento aggiuntivo Sistema Isolatori Diaframma di base Fondazione ri-centrante Per gentile concessione dell Ing. M. Moratti (Studio Calvi) 49

49 Esempio di inserimento di isolatori in un edificio esistente Per gentile concessione del Prof. A. Masi e del Dr. M. Vona (Università di Basilicata) 50

50 Prova su edificio isolato alla base Per gentile concessione del Dr. M. Forni (ENEA) 51

51 Vantaggi Disturbo minimo degli elementi architettonici Risposta elastica dell edificio edificio nessun danneggiamento Svantaggi Soluzione ancora poco diffusa 52

52 Riassunto degli interventi: Bollettino FIB-24

53 Descrizione di parametri sintetici utili alla selezione (1) Tecnica Effetti locali Effetti globali Costo relativo Disturbo Livello tecnologico Commenti Iniezione di resine Ripristino resistenza it e Nessuno rigidezza Da basso a medio Basso Medio Approccio di ripristino Camicie in c.a. Incremento rigidezza e resistenza ed eventualme nte duttilità Modifica della risposta sismica. Se applicate ai pilastri, sposta la richiesta plastica verso le travi Basso, per elemento Da medio a alto Basso, a meno che non si faccia uso estensivo di saldature Può porre rimedio alla risposta di "piano soffice". Se interessa pochi piani, può spostare tale meccanismo ai piani superiori Camicie o collari in acciaio Incremento duttilità e resistenza a taglio. Incremento Garantendo capacità una forte deformativa azione globale composita, incremento di rigidezza Medio Basso Medio Efficace ove il principale problema sia scarsa armatura trasversale. Veloce installazione 54

54 Descrizione di parametri sintetici utili alla selezione (2) Tecnica Effetti locali Effetti globali Fasciatura parziale con FRP Rinforzo dei nodi con FRP Fasciatura completa in FRP Costo relativo Disturbo Livello tecnologico Commenti Sensibile incremento Soluzione di duttilità. Come per adeguata Da medio Limitati collari in Alto Basso quando il costo ad alto effetti su acciaio non è un criterio resistenza o predominante rigidezza Eliminazione rottura a taglio dei nodi Notevole incremento di duttilità e resistenza a taglio; piccolo incremento di rigidezza Riduce marginalmente il drift globale riducendo la deformabilità dei nodi travepilastro Distribuzione delle rigidezze invariata. Sensibili effetti in termini di distribuzione delle resistenze Alto Alto Basso Basso Da medio ad alto Da medio ad alto Come sopra Come sopra 55

55 Descrizione di parametri sintetici utili alla selezione (3) Tecnica Effetti locali Effetti globali Tecniche selettive Pareti in c.a. Incremento di un Regola la parametro scelto o di una combinazio obiettivi ne di parametri Potrebbe portare ad un incremento di sollecitazioni nelle immediate vicinanze risposta strutturale per adeguarla agli prestazionali Riduzione drastica della domanda di deformazione in tutti gli altri elementi. Risolve i problemi di "piano soffice Costo relativo Basso, per elemento Disturbo Medio Medio Alto Basso Livello tecnologico Da medio a alto (maggiore per le analisi ed il knowhow che non per i materiali) Commenti È l'approccio più adeguato se si dispone di elevate capacità di analisi ed esperienza di ingegneri specializzati È l'approccio più adeguato se il "disturbo" arrecato non è un problema. E' necessario un drastico intervento in fondazione 56

56 Descrizione di parametri sintetici utili alla selezione (4) Tecnica Effetti locali Effetti globali Controventi in acciaio Inserimento di pannelli murari Protez. nei confronti del collasso di el. fragili in c.a. posti in prossimità. Può indurre notevoli sollecit. nei nodi Induce sensibili sollecitazioni nei nodi. Incrementa la rigidezza di piano e riduce quindi gli spostamenti di interpiano Incremento di duttilità globale a capacità dissipativa. Può risolvere i problemi di "piano soffice Incr. di peso (e di forze sism.). Riduz. del periodo (e incr. delle acceler.). Se i pannelli sono monolitici, possibile modif. della risp. glob. fino ad un comport. a mensola Costo relativo Disturbo Livello tecnologico Commenti Occorre porre attenzione nel progetto di aste e connessioni al Da medio a Da basso fine di Medio alto a medio proteggersi da fenomeni di instabilità locale e rotture postbuckling Medio Da medio a alto (a seconda che l'applicazi one sia esterna od interna) Basso Sol. efficace quando i pannelli sono applicati all'esterno e ben assicurati alla struttura. È possibile adottare moduli di calcestruzzo prefabbr. anziché pannelli in muratura 57

57 Descrizione di parametri sintetici utili alla selezione (5) Tecnica Effetti locali Effetti globali Costo relativo Disturbo Livello tecnologico Commenti Contrafforti esterni Induce notevoli sollecitazioni locali presso la connessione con la struttura Come per le pareti in c.a. Da medio ad alto Basso Medio Occorre prevedere un intervento in fondazione. 58

58 Intervento sulla rigidezza Riparazione della struttura leggermente danneggiata (cracking) Correzione dell irregolarità (in altezza e in pianta) Intervento sulla resistenza Considerazione della gerarchia delle resistenze Correzione dell irregolarità (in altezza e in pianta) Intervento sulla duttilità Incremento della capacità di deformazione 59

59 Forza F e F B : Resistenza di progetto richiesta F u : Soglia calcolata per l edificio esistente F u F B F u B U Spostamento Per gentile concessione del Prof. G. Manfredi, Dr. G. Verderame (Università di Napoli Federico II) 60