NORME TECNICHE PER LE COSTRUZIONI - D.M. 14 Gennaio 2008 Bergamo 2011 Costruzioni esistenti in c.a. Prof. Paolo Riva Università di Bergamo paolo.riva@unibg.it it Alessandra Marini Università di Brescia alessandra.marini@unibs.it
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Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 2/68 1. VERIFICA DI EDIFICI ESISTENTI Gli edifici esistenti si distinguono da quelli di nuova progettazione per gli aspetti seguenti: Il progetto riflette lo stato delle conoscenze al tempo della loro costruzione. Il progetto può contenere difetti di impostazione concettuale e di realizzazione non immediatamente visibili. Tali edifici possono essere stati soggetti a terremoti passati o di altre azioni accidentali i cui effetti non sono manifesti.
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 3/68 - Edificio non pensato per i carichi orizzontali - Telaio spesso solo bidimensionali - I nodi non sono organizzati - No capacity design Difficile identificazione delle effettive risorse strutturali nei confronti di carichi verticali e orizzontali. La VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA ed il PROGETTO DEGLI INTERVENTI sono normalmente affetti da un grado di incertezza diverso, da quello degli edifici di nuova progettazione. EDIFICI ESISTENTI: Possibilità di determinare le effettive caratteristiche meccaniche dei materiali: ( ) considerare la possibile variabilità delle caratt. mecc. nell ambito della stessa struttura. (+) una corretta e accurata valutazione riduce le incertezze che, in una costruzione nuova, sono insite nel passaggio dal dato di progetto alla realizzazione. Nelle costruzioni esistenti è cruciale la conoscenza della struttura (geometria e dettagli costruttivi) e dei materiali che la costituiscono. Viene pertanto introdotta un altra categoria di fattori, i fattori di confidenza (FC), strettamente legati al livello di conoscenza (LC) conseguito nelle indagini conoscitive, e che vanno preliminarmente a ridurre i valori medi di resistenza dei materiali della struttura esistente, per ricavare i valori da adottare, nel progetto o nella verifica.
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 4/68 Valutazione della sicurezza e progetto di interventi - Si fa riferimento ai soli SLU (rispetto alla condizione di salvaguardia della vita umana SLV- o, in alternativa, alla condizione di collasso -SLC). - Nel caso in cui si effettui la verifica anche nei confronti degli SLE, i relativi livelli di prestazione possono essere stabiliti dal Progettista di concerto con il Committente. Quando è necessaria la valutazione della sicurezza? Le costruzioni esistenti devono essere sottoposte a valutazione della sicurezza quando si osservi: - riduzione evidente della capacità resistente e/o deformativa della struttura o di alcune sue parti dovuta a sisma, vento, neve e temperatura; degrado e decadimento delle caratteristiche meccaniche dei materiali, azioni eccezionali (urti, incendi, esplosioni), deformazioni per cedimenti - provati gravi errori di progetto o di costruzione; - cambio della destinazione d uso della costruzione o di parti di essa, con variazione significativa dei carichi variabili e/o della classe d uso della costruzione; - interventi non dichiaratamente strutturali, qualora essi interagiscano, anche solo in parte, con elementi aventi funzione strutturale e, in modo consistente, ne riducano la capacità o ne modifichino la rigidezza.
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 5/68 Obiettivo della valutazione della sicurezza: La valutazione della sicurezza deve permettere di stabilire se: - l uso della costruzione possa continuare senza interventi; - l uso debba essere modificato (declassamento, cambio di destinazione e/o imposizione di limitazioni e/o cautele nell uso); - sia necessario procedere ad aumentare o ripristinare la capacità portante. - dovrà determinare il livello di sicurezza prima e dopo l intervento. Il Progettista dovrà esplicitare, in un apposita relazione, i livelli di sicurezza attuali o raggiunti con l intervento e le eventuali conseguenti limitazioni da imporre nell uso della costruzione. Metodi di analisi: Si dovrà prevedere l impiego di metodi di analisi e di verifica dipendenti dalla completezza e dall affidabilità dell informazione disponibile (funzione del Livello di Conoscenza)!!!
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 6/68 CLASSIFICAZIONE DEGLI INTERVENTI
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 7/68 1.1 ADEGUAMENTO ΔP=+10%
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 8/68 1.2 MIGLIORAMENTO
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 9/68 1.3 RIPARAZIONE / RINFORZO AZIONI E COMBINAZIONE DELLE AZIONI Solo per i carichi permanenti a seguito di un accurato rilievo geometrico-strutturale e dei materiali potranno essere adottati coefficienti parziali modificati, assegnando valori di γ G adeguatamente motivati. L'azione sismica è definita, per i diversi stati limite, come per gli edifici nuovi (a meno dei beni vincolati) Per la combinazione dell azione sismica con le altre azioni valgono i criteri definiti per gli edifici nuovi.
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 10/68 2. EDIFICI IN C.A. PROGETTO DEL PIANO DELLE INDAGINI DIAGNOSTICHE Finalizzato all Identificazione dell organismo strutturale; e alla verifica stato di conservazione. Deve definire i criteri di scelta e della finalità delle singole indagini. Solaio A Da rinforzare Solaio B Da rinforzare Solaio C Verificato (vd. rel. # 2.1) (vd. rel. # 2.2) (vd. rel. # 2.2) Ø6 f y=379 MPa f u=588 MPa S4 C 5,23 Carota 3 f c=26 MPa CORPO C Carota 2 f c=21.4 MPa Solaio Corpo A S2 CORPO A A B S3 a S1 Ø8 f y=494 MPa f u=660 MPa Carota 1 f c=43 MPa CORPO B S3 b Solaio Corpo B Ø18 f y=304 MPa f u=429 MPa La definizione delle indagini da svolgere su un edificio esistente è funzione del LIVELLO DI CONOSCENZA che si intende raggiungere.
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 11/68 A) RICERCA STORICA: - Reperimento degli elaborati progettuali originali, con particolare riferimento ai disegni strutturali; - Analisi normative e manualistica dell epoca RICERCA STORICA DOCUMENTAZIONE ESISTENTE Progetto originale Ricerca catastale STUDIO STORICO EVENTI ECCEZIONALI Ricerca bibliografica Ricerca archivistica Sismi Alluvioni e frane ANALISI STORICO CRITICA Cambi di destinazione d uso Restauri Errori progettuali BANCA DATI EVENTI SISMICI DI TRENTO Studio dei dissesti
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 12/68 A) RICERCA STORICA: - Reperimento degli elaborati progettuali originali, con particolare riferimento ai disegni strutturali; - Analisi normative e manualistica dell epoca disegni da verificare con rilievo a campione in situ.
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 13/68 A) RICERCA STORICA: Progetto simulato e analisi della documentazione dell epoca LC2,LC3 LC2 LC3 LC1
Paolo Riva, Alessandra Marini a) Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 14/68
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 15/68 CALCESTRUZZO
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 16/68 ACCIAIO
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 17/68 b) Disposizione armature (Santarella, 1968)
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Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 20/68 solai edifici anni 50-60 molto deformabili
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 21/68 B) RILIEVO STRUTTURALE, GEOMETRICO E DEI DETTAGLI ESECUTIVI Finalizzato a: a. Identificazione dell organismo strutturale - verifica di regolarità in pianta o elevazione - Alcuni elementi considerati non strutturali, ma comunque dotati di resistenza non trascurabile (come ad esempio le tamponature robuste/vani scala), possono essere presi in conto nelle valutazioni di sicurezza globali della costruzione, a condizione che ne sia adeguatamente verificata l efficacia.
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 22/68 b. verifica della corrispondenza tra lo stato attuale dell edificio e gli elaborati strutturali di progetto, nel caso siano stati reperiti o, in caso contrario, esecuzione di un rilievo speditivo ex novo con: verifica delle geometrie e dei dettagli costruttivi; c. esecuzione di saggi in situ per la caratterizzazione tipologica dei solai e dei tamponamenti, finalizzata alla determinazione dei pesi propri da computare nell analisi dei carichi; d. rilevamento di danneggiamenti provocati da installazioni impiantistiche; e. individuazione preliminare degli elementi strutturali indagabili, in considerazione di vari fattori quali: l accessibilità degli elementi (travi emergenti, pilastri con lati opposti liberi), il confinamento garantito da pareti di tamponamento e la disposizione di barre longitudinali e staffe per i pilastri da sottoporre a carotaggio.
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 23/68 Per l identificazione dei dettagli costruttivi, i dati raccolti devono includere: - quantità di armatura longitudinale in travi, pilastri e pareti; - quantità e dettagli di armatura trasversale nelle zone critiche e nei nodi trave-pilastro (!!!); - quantità di armatura longitudinale nei solai che contribuisce al momento negativo (!!!); - lunghezze di appoggio e condizioni di vincolo degli elementi orizzontali; - spessore del copriferro; - lunghezza delle zone di sovrapposizione delle barre (!!!).
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Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 27/68 - informazioni su possibili difetti nei particolari costruttivi (eccentricità travi-pilastro, eccentricità pilastro, collegamenti trave-colonna e colonna-fondazione); - Identificazione delle strutture di fondazione C) RILIEVO QUADRI FESSURATIVI Analisi dei quadri fessurativi; informazione sulla natura e l entità di eventuali danni subiti in precedenza e sulle riparazioni effettuate.
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 28/68 OSSERVAZIONI Al fine di orientare la campagna diagnostica e di rilievo Esame speditivo identificazione criticità e difettosità palesi (ex.telaio in una sola direzione) Valutare obiettivo consolidamento ex: Si prevede struttura sismoresistente esterna ex novo si valuta l esistenza soletta per possibile effetto diaframma e risulta meno importante il rilievo dell armatura dei nodi. Obiettivo: limitare la domanda di def. nei componenti fragili aumentando la rigidezza laterale, riducendo la massa, introducendo isolatori o dissipatori ex: Sfrutto il telaio necessaria caratterizz. dei nodi (armatura e duttilità). Non facile! Obiettivo: aumentare la capacità di deformazione degli elem. strutturali per passare da modi di rottura fragili a duttili Il rinforzo dei nodi è raramente percorribile costi?
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 29/68 CARATTERISTICHE DEI MATERIALI - analisi dello stato di degrado delle strutture: qualità del calcestruzzo da esame visivo, espulsione del copriferro da parte di armature ossidate; - resistenza del calcestruzzo (prove in situ/certificati di prova); - resistenza a snervamento, di rottura e deformazione ultima dell acciaio.
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 30/68 D) ANALISI CRITICA DEI RISULTATI DELLE ANALISI DIAGNOSTICHE - Identificazione dell organismo strutturale e conoscenza delle caratteristiche meccaniche; - Eventuale integrazione indagini La quantità e qualità dei dati acquisiti determina il metodo di analisi e i valori dei fattori di confidenza da applicare alle proprietà dei materiali da adoperare nelle verifiche di sicurezza. Livelli di conoscenza Ai fini della scelta del tipo di analisi e dei valori dei fattori di confidenza, si distinguono i tre livelli di conoscenza seguenti: - LC1: Conoscenza Limitata - LC2: Conoscenza Adeguata - LC3: Conoscenza Accurata Gli aspetti che definiscono i livelli di conoscenza sono: - geometria, - dettagli strutturali, - materiali.
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 31/68 Il livello di conoscenza acquisito determina il metodo di analisi e i fattori di confidenza da applicare alle proprietà dei materiali. Per gli edifici in c.a. e acciaio: non ha senso parlare di non linearita, tuttavia NB: Criteri raramente soddisfatti In generale è bene mirare a LC2 o LC3 e nelle analisi considerare la non linearità
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 32/68 VERIFICHE IN SITU (rilievo dei dettagli costruttivi e delle proprietà dei materiali) Prove in-situ LIMITATE per completare le informazioni sulle proprietà dei materiali ottenute o dalle normative in vigore all epoca della costruzione, o dalle caratt. nominali riportate sui disegni costruttivi, o da certificati originali di prova. Prove in-situ ESTESE: servono per ottenere informazioni in mancanza sia dei disegni costruttivi, che dei certificati originali di prova, oppure quando i valori ottenuti dalle prove limitate risultano inferiori a quelli riportati nei certificati originali. Prove in-situ ESAUSTIVE:servono per ottenere informazioni in mancanza sia dei disegni costruttivi e dei certificati originali di prova; o quando i valori ottenuti dalle prove limitate risultano inferiori a quelli riportati nei certificati originali, e si desidera un accurato LC. Tabella un tempo cogente, oggi indicativa NB: ripetitività elementi strutturali
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 33/68 note esplicative alla tabella c8a.1.3 (a, b) Le percentuali di elementi da verificare ed il numero di provini hanno valore indicativo: (a) si può tenere conto di eventuali situazioni ripetitive (caratteristiche di ripetibilità, per uguale geometria e ruolo nello schema strutturale). (b) è consentito sostituire alcune prove distruttive, non più del 50%, con un più ampio numero, almeno il triplo, di prove non distruttive, singole o combinate, tarate su quelle distruttive. (c) Il numero di provini riportato nelle tabelle può essere variato, in aumento o in diminuzione, in relazione alle caratteristiche di omogeneità del materiale. Nel caso in cui i risultati della prima risultino fortemente disomogenei si procede con una seconda campagna di prove.
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 34/68 FATTORI DI CONFIDENZA I Fattori di Confidenza possono essere utilizzati, in assenza di valutazioni più approfondite, per definire le resistenze dei materiali da utilizzare nelle formule di capacità degli elementi. I Fattori di Confidenza possono anche essere valutati in modo differenziato per i diversi materiali, sulla base di considerazioni statistiche condotte su un insieme di dati significativo per gli elementi in esame e di metodi di valutazione di comprovata validità. LC (ex: LC1) FC (=1.35) resistenza di verifica dei materiali = resistenza media / FC per elementi fragili: f d = f m /FC f d = f m /(FC γ M )
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 35/68 CRITERI PER L'INDIVIDUAZIONE DEGLI ELEMENTI STRUTTURALI DA INDAGARE L individuazione degli elementi strutturali richiede: - individuazione del meccanismo di collasso più probabile per la struttura. - probabile un meccanismo di collasso di piano (travi forti e colonne deboli), salvo sporadiche plasticizzazioni in alcune travi ed in alcuni pilastri di altri piani. Meccanismo caratterizzato da un piano debole Meccanismo desiderabile per telai in c.a. Si può assumere che, in ogni caso, i piani più bassi siano i più sollecitati ai carichi verticali e alle azioni sismiche. Tra i pilastri dei piani bassi, i più sollecitati per azioni sismiche si trovano in genere in posizione di bordo o d angolo, inoltre, i pilastri non confinati da tamponature sono i più soggetti alla formazione di cerniere plastiche alle estremità, con possibile formazione di un meccanismo di collasso di piano (piano soffice). evitare di danneggiare i pilastri critici, preferendo su questi elementi prove non distruttive. Eventuali carotaggi vanno eseguiti sulle travi in punti non particolarmente sollecitati.
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 36/68 Elemento pilastro: Occorre scegliere quale zona oggetto di prove, quella soggetta a modeste sollecitazioni tenendo presente che: alle estremità del pilastro, zone caratterizzate dagli stati tensionali più elevati, a causa della segregazione e compattazione dei componenti del cls si possono ottenere valori di resistenza falsati; la diminuzione di sezione resistente derivante dal prelievo può comportare problemi in una zona particolarmente sollecitata e in presenza di un calcestruzzo di qualità scadente; non verranno quindi prese in considerazione zone limitrofe al piede o alla testa del pilastro. Si sceglierà una zona in una fascia intermedia del pilastro, dove il momento è pressoché nullo, caratterizzata da cls abbastanza omogeneo.
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 37/68 Elemento Trave: Analogamente, per la trave è necessario escludere le zone maggiormente sollecitate. Per la trave in genere non si hanno fenomeni di segregazione dei componenti del cls, se non alla base della trave stessa. Si sceglieranno, per comodità operative, travi fuori spessore e si eseguirà l eventuale carotaggio sul fianco della trave, avendo cura, ove possibile, di porsi a circa 1/5 della luce. Per evitare di incorrere nel taglio dei ferri di armatura, si sceglieranno quali zone da indagare quelle poste in prossimità dell'asse neutro, dove si hanno le tensioni inferiori, previa attenta indagine pacometrica preventiva, per escludere la presenza di ferri piegati.
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 38/68 RILIEVO DELLE ARMATURE MEDIANTE PACOMETRO
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 39/68 PROVE PER LA CARATTERIZZAZIONE MECCANICA DEL CALCESTRUZZO Rimbalzo di una massa (martello di Schmidt) UR Rimbalzo cls vecchio Rimbalzo
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 40/68 PROVE PER LA CARATTERIZZAZIONE MECCANICA DEL CALCESTRUZZO PROVE CON SONDA WINDSOR La resistenza del calcestruzzo è stimata dalla profondità di infissione di un chiodo sparato da una pistola e dalla durezza di Mhos dell inerte. La Windsor Probe System è costituita da un propulsore (pistola di sicurezza) che utilizzando cariche accuratamente dosate infigge le sonde con una velocità iniziale uniforme. Il dato rilevato in situ consiste nella lettura della parte emergente della sonda infissa nel calcestruzzo, che viene successivamente correlato alla resistenza a compressione del calcestruzzo, supposta nota la durezza dell inerte.
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 41/68 Emissione-ricezione segnali a 50-150kHz. La vel. di transito è funzione delle caratt. meccaniche del mezzo Obiettivo: Uniformità; E cls f c ±20% Deterioramento cls Esistenza fessure Risultato influenzato da: tipo inerte; T, UR, maturazione storia di carico Armature e direzione Esistenza fessure Ex: UR velocità cls vecchio velocità
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Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 43/68 sonreb pacometro
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 44/68 rilevatore: FENOLFTALEINA Zona non carbonatata PH>11 Zona carbonatata: + rigida ma meno resistente NB: L indice di ribalzo cresce ma l indicazione è fuorviante perché la resistenza è peggiore e il cls è fragile
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Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 46/68 Interpretazione dei Risultati 2.1.1Variabilità della resistenza può essere oggetto di consulenza! Dovuta alla variabilità del materiale fornito (random) e alle diverse condizioni di compattazione e maturazione (più sistematiche) L'entità delle variazioni di resistenza dipende dal tipo di calcestruzzo (più sensibile se ad alta resistenza), dalle dimensioni del getto, dalla tecnica costruttiva, ecc. Cls regolarmente vibrato: Cls NON vibrato: segregazione diverse condizioni di compattazione di maturazione punti e direzione del getto attrito lungo i casseri minore compattazione Cls magro massima compattazione
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 47/68 Confronto con i provini standard La resistenza (rapportata al provino cubico) del materiale nella struttura è sempre inferiore a quella osservata nel provino confezionato e maturato in condizioni standard. NB: nessun cenno nelle norme italiane! Tipo di membratura resistenza cubica a 28gg rispetto al provino standard (provini umidi) media intervallo probabile colonna 65% 55-75% parete 65% 45-95% trave 75% 60-100% piastra 50% 40-60% È importante specificare se le prove e le relative calibrazioni si riferiscono a provini asciutti o umidi (+10-15% nel secondo caso). Anche le dimensioni dei provini influenzano i risultati (passando da 150 a 100 mm Δ = +4%)
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 48/68 Formule per l interpretazione dei risultati su carote BS 1881 part.120 R cubica, equivalente Concrete Society R cubica,equivalente danno = C 1.25 R (0.84 + 0.08 L/D) (C danno 1.1 1.3) danno carota = C 2.5/(1.5 + D/L) R (0.6 + 0.2 L/D) (C danno 1.1 1.3) carota ACI 214.4R-03 R cubica, equivalente = 1/0,83 F l/d F dia F mc F d R carota Coefficiente Valor Medio F l/d - Rapporto L/D [α=4.3 10-4 mm 2 /N] Campione come ricevuto 1-{0.130-α R carota }(2-L/D) 2 Immerso per 48h 1-{0.117-α R carota }(2-L/D) 2 Asciugato in aria 1-{0.144-α R carota }(2-L/D) 2 F dia - Diametro della carota 50mm 1.06 100mm 1.00 150mm 0.98 F mc Contenuto di umidità del provino Campione come ricevuto 1.00 Immerso per 48h 1.09 Asciugato in aria 0.98 F d - Danno dovuto al carotaggio 1.06
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 49/68 2.2 Metodi di analisi e criteri di verifica Gli effetti dell azione sismica, possono essere valutati con uno dei metodi definiti per gli edifici nuovi, con le seguenti precisazioni. Ai fini delle verifiche di sicurezza, gli elementi strutturali vengono distinti in duttili e fragili. I fattori di confidenza indicati nella Tabella C8A.1 servono a un duplice scopo: a) per definire le resistenze dei materiali da utilizzare nelle formule di capacità degli elementi duttili e fragili; le resistenze medie, ottenute dalle prove in situ e dalle informazioni aggiuntive, sono divise per i fattori di confidenza; capacità elm. duttili: f d = f m /FC capacità elm. fragili: f d = f m /(γ M FC) b) per definire le sollecitazioni trasmesse dagli elementi duttili a quelli fragili; a tale scopo, le resistenze medie degli elementi duttili, ottenute dalle prove in situ e dalle informazioni aggiuntive, sono moltiplicate per i fattori di confidenza. nel calcolo sollecitazioni trasmesse da elm. duttili a fragili: f d = f m x FC
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 50/68 2.3 Requisiti di sicurezza Stato Limite di Collasso Elementi/meccanismi duttili: gli effetti da considerare sono quelli derivanti dall analisi strutturale, e le capacità sono definite in termini di deformazioni ultime Elementi/meccanismi fragili: gli effetti derivanti dall analisi strutturale possono venire modificati (vd. oltre) e le capacità sono definite in termini di resistenze ultime. Questo Stato limite non può essere verificato con l impiego del fattore q non si usa spettro di progetto - impiego spettro elastico con criteri su d max ) pensio Struttura Fortemente danneggiata, ridotte caratteristiche di resistenza e rigidezza laterale residue, appena in grado di sostenere i carichi verticali Elementi non strutturali Distrutti per la maggior parte Riparazione Non considerata. L edificio presenta un fuori piombo significativo e non sarebbe in grado di subire senza collasso ulteriori, anche modeste, accelerazioni al suolo
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 51/68 Stato Limite di salvaguardia della Vita Elementi/meccanismi duttili: gli effetti da considerare sono quelli derivanti dall analisi strutturale, e le capacità sono definite in termini di deformazioni di danno (Appendice C8F) Elementi/meccanismi fragili: gli effetti derivanti dall analisi strutturale possono venire modificati (vd. oltre) ele capacità sono definite in termini di resistenze prudenzialmente ridotte. Nel caso di verifica con l impiego del fattore q, la resistenza degli elementi si calcola come per le situazioni non sismiche. pensione Struttura Danni significativi, con notevoli riduzioni di resistenza e rigidezza laterale Elementi non strutturali Danneggiati, ma senza espulsione di tramezzi e tamponature Riparazione Considerata. In caso di deformazioni residue, risulta in genere economicamente non conveniente NB: PRESUPPONE CONOSCENZA CARATTERISTICHE DI DUTTILITA!!!
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 52/68 Stato Limite di esercizio In mancanza di più specifiche valutazioni sono consigliati i valori limite di spostamento di interpiano validi per gli edifici nuovi, riportati in Tabella. pensione Struttura Danni modesti, senza significative escursioni in campo plastico Elementi non strutturali Presentano fessurazione diffusa suscettibile di riparazioni di modesto impegno economico Riparazione Non necessaria. Le deformazioni residue sono trascurabili, resistenza e rigidezza degli elementi portanti non sono compromesse e non sono necessarie riparazioni
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 53/68 2.3.1 Analisi statica lineare con spettro elastico L analisi statica lineare può essere effettuata secondo due differenti modalità: nella prima lo spettro di risposta da impiegare è quello elastico di cui al 3.2.3 delle NTC, da applicare secondo quanto esposto al 7.3.3.2 delle NTC, con le seguenti indicazioni aggiuntive: - indicando con ρ i = D i /C i il rapporto tra il momento flettente D i fornito dall analisi della struttura soggetta alla combinazione di carico sismica, e il corrispondente momento resistente C i (valutato con lo sforzo normale relativo alle condizioni di carico gravitazionali) dell i-esimo elemento primario della struttura, e con ρ max e ρ min rispettivamente i valori massimo e minimo di tutti i ρ i considerando tutti gli elementi primari della struttura, si deve avere che il rapporto: ρ max /ρ min < 2,5 Si verifica che la struttura sia sottodimensionata in maniera omogenea in tutte le sezioni critiche raramente verificata l analisi statica lineare con spettro elastico non si può in generale eseguire su edifici esistenti - la capacità C i degli elementi/meccanismi fragili > della domanda D i, quest ultima calcolata sulla base della resistenza degli elementi duttili adiacenti, se il ρ i degli elementi/meccanismi fragili è maggiore di 1, oppure sulla base dei risultati dell analisi se il ρ i elementi/meccanismi fragili è minore di 1. imposizione gerarchia delle resistenze D i ANALISI se ρ i ELMduttili < 1 C i ELMfragili > D i D i in base a ELMduttili se ρ i ELMduttili > 1
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 54/68 Verifica La verifica degli elementi duttili viene eseguita confrontando gli effetti indotti dalle azioni sismiche in termini di deformazioni con i rispettivi limiti di deformazione. La verifica degli elementi fragili viene eseguita confrontando gli effetti indotti dalle azioni sismiche in termini di forze con le rispettive resistenze. Le sollecitazioni di verifica sono ottenute da condizioni di equilibrio, in base alle sollecitazioni trasmesse dagli elementi/meccanismi duttili. Queste ultime possono essere prese uguali a: c) il valore D ottenuto dall analisi, se la capacità C dell elemento duttile, valutata usando i valori medi delle proprietà dei materiali, soddisfa ρ = D/C 1; nessun rischio crisi dell elm. duttile in caso di sisma: uso D d) la capacità dell elemento duttile, valutata usando i valori medi delle proprietà dei materiali moltiplicati per il fattore di confidenza, se ρ = D/C > 1, con D e C definiti in a). rischia crisi l elm. duttile impedisco la crisi dell elm. Fragile che dovrà sostenere C
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 55/68 2.3.2 Analisi statica lineare con spettro di progetto - fattore q Nella seconda modalità è possibile utilizzare lo spettro di progetto, definito in 3.2.3 delle NTC, che si ottiene dallo spettro elastico riducendone le ordinate con l uso del fattore di struttura q = 1,5 3,0 sulla base della regolarità nonché dei tassi di lavoro dei materiali sotto le azioni statiche. Valori superiori a quelli indicati (q > 3,0) devono essere adeguatamente giustificati con riferimento alla duttilità disponibile a livello locale e globale. Nel caso in cui il sistema strutturale resistente all azione orizzontale sia integralmente costituito da nuovi elementi strutturali, si possono adottare i valori dei fattori di struttura q per le nuove costruzioni, fatta salva la verifica della compatibilità degli spostamenti delle strutture esistenti. Verifica Nel caso di uso del fattore di struttura, tutti gli elementi strutturali duttili devono soddisfare la condizione che la sollecitazione indotta dall azione sismica ridotta (di q) sia inferiore o uguale alla corrispondente resistenza. Tutti gli elementi strutturali "fragili" devono, invece, soddisfare la condizione che la sollecitazione indotta dall'azione sismica ridotta per q = 1,5 sia inferiore o uguale alla corrispondente resistenza.
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 56/68 Il metodo delle Forze Statiche Equivalenti si articola nei seguenti punti: 1. Valutazione del I Modo di vibrare Si può usare l analisi modale ed estrarre solo il I modo. Altrimenti, per edifici che non superino i 40m di altezza fornisce il seguente valore di T 1 : 3/ 4 1 C1H T, con H altezza dell edificio dal piano di fondazione, espressa in metri, C 1 = 0,085 per edifici con struttura a telaio in acciaio, C 1 = 0,075 per edifici con struttura a telaio in c.a., C 1 = 0,050 per edifici con qualsiasi altro tipo di struttura. 2. Scelta del coefficiente sismico (ordinata dello spettro di progetto) Ordinata dello spettro di risposta di progetto, definito dalla normativa in funzione della tipologia strutturale, dell importanza dell edificio, delle caratteristiche del sito, ecc. T 1
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 57/68 3. Calcolo della risultante delle Forze Sismiche Equivalenti (Taglio alla Base) F T = M T S a ( T 1 ) 4. Distribuzione sulla struttura delle Forze orizzontali sismiche Oppure, assumendo una distribuzione lineare di forze: z W i F i = FT dove z i e z j sono le quote dei piani i e j. z W j i j Gli effetti torsionali accidentali possono essere considerati amplificando le forze da applicare a ciascun elemento verticale con il fattore δ risultante dalla seguente espressione: δ = 1 + 0,6x/L e dove: x è la distanza dell elem.resistente verticale dal baricentro geometrico dell edificio, misurata perpendicolarmente alla direzione dell azione sismica considerata; L e è la distanza tra i due elementi resistenti più lontani, misurata allo stesso modo. 5. Analisi statica della struttura soggetta alle forze sismiche equivalenti Tale analisi può essere effettuata con qualsiasi metodo di analisi strutturale.
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 58/68 6. Stima degli spostamenti e dello spostamento di interpiano Gli spostamenti effettivi della struttura sono ottenuti moltiplicando gli spostamenti ricavati dall analisi statica per un coefficiente di struttura che consente di considerare il comportamento non-lineare della struttura.
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 59/68 2.3.3 Analisi dinamica modale con spettro di risposta o con fattore q Tale metodo di analisi è applicabile secondo quanto indicato al 7.3.3.1 delle NTC, alle medesime condizioni di cui ai punti precedenti. La prima modalità prevede che lo spettro di risposta da impiegare sia quello elastico di cui al 3.2.3 delle NTC; la seconda che si faccia riferimento ad uno spettro di progetto, definito nel 3.2.3 delle NTC, Per quest ultimo valgono le precisazioni già riportate per l analisi statica lineare con fattore q. 2.3.4 Analisi statica non lineare PUSH-OVER Tale metodo di analisi si applica con le modalità indicate al 7.3.4.1 delle NTC, con le limitazioni della Tabella C8A.1.2.
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 60/68 Migliore rappresentazione della duttilità Riduzione a sistema 1-GDL T 1 2.3.5 Analisi dinamica non lineare Tale metodo di analisi è applicabile alle medesime condizioni di cui al punto precedente.
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 61/68 2.3.6 Sintesi dei criteri di analisi e di verifica della sicurezza raramente verificata l analisi lineare non si può in generale eseguire su edifici esistenti
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 62/68 2.3.7 Modelli di capacità per la valutazione di edifici in cemento armato Gli elementi ed i meccanismi resistenti sono classificati in: - duttili : travi, pilastri e pareti inflesse con e senza sforzo normale; - fragili : meccanismi di taglio in travi, pilastri, pareti e nodi; In caso di pilastri soggetti a valori di sforzo normale particolarmente elevato va presa in considerazione la possibilità di comportamento fragile. Travi, pilastri e pareti: flessione con e senza sforzo normale A) Capacità deformativa Rotazione ( rotazione rispetto alla corda ) θ della sezione d estremità rispetto alla congiungente quest ultima con la sezione di momento nullo a distanza pari alla luce di taglio L V = M/V. Tale rotazione è anche pari allo spostamento relativo delle due sezioni diviso per la luce di taglio.
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 63/68 SLC: stato limite di collasso La capacità di rotazione totale rispetto alla corda in condizioni di collasso θ u può essere valutata mediante formule di comprovata validità. Ad esempio: funzione del tipo di elemento (γel); della presenza di azione assiale (v); della percentuale meccanica di armatura (ω), della percentuale di armatura trasversale (ρ) funzione del confinamento: α fattore di efficienza del confinamento che cresce in presenza di dettagli di tipo antisismico. Rotazione ultima penalizzata in presenza di barre longitudinali nervate o lisce con sovrapposizioni nella regione plastica. Per barre lisce, in assenza di ganci ad uncino di estremità: α = 0. Stato limite di salvaguardia della vita θ SD = 3/4 θ u. Stato limite di esercizi La capacità di rotazione totale rispetto alla corda allo snervamento, θ y
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 64/68 B) Capacità in termini di resistenza Travi e pilastri: TAGLIO La resistenza a taglio si valuta come per il caso di nuove costruzioni per situazioni non sismiche, considerando comunque un contributo del cls al massimo pari a quello relativo agli elementi senza armature trasversali resistenti a taglio V cls senza armature Per le resistenze dei materiali si adotta: f d = f m /(FC γ M ) Nodi trave-pilastro La verifica di resistenza deve essere eseguita solo per i nodi NON interamente confinati. Deve essere verificata sia la resistenza a trazione diagonale che quella a compressione diagonale. - Per la resistenza a trazione: - Per la resistenza a compressione: N è l azione assiale nel pilastro superiore, V n il taglio totale agente sul nodo, considerando sia il taglio derivante dall azione nel pilastro superiore, sia quello dovuto alla sollecitazione di trazione presente nell armatura longitudinale superiore della trave (V n = (A s1 + A s2 )f y V col ), A g è la sezione orizzontale del nodo. Per le resistenze dei materiali si adotta: f d = f m /(FC γ M )
Paolo Riva, Alessandra Marini Verifica Sismica di Edifici Esistenti Pagina 65/68 ALLEGATI (tratti da: Mauro Torquati RECUPERO DI EDIFICI ESISTENTI IN CALCESTRUZZO ARMATO: INDAGINI PRELIMINARI E INTERVENTI DI RINFORZO, Tesi di Laurea Università degli Studi di Brescia, 2009)
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