ISOLAMENTO SISMICO: PROSPETTIVA PER L'ADEGUAMENTO SISMICO DI EDIFICI ESISTENTI CON LE NTC pierpaolo cicchiello (pc@cicchiello.it - cicchiello@stru.polimi.it) 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 1 / 29
IL RISCHIO SISMICO Combinazione di diversi fattori che interessano una costruzione. rischio sismico = pericolosità x vulnerabilità x esposizione Crowley 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 2 / 29
RISCHIO SISMICO: 1- pericolosità sismica Il primo fattore a determinare il rischio sismico è la "pericolosità sismica" Si esprime con l accelerazione al suolo attesa in un determinato sito (PGA, Peak Ground Acceleration), ovvero accelerazione di picco. Va corretta con fattori stratigrafici e topografici: terreno deformabile e di particolare spessore amplifica fino a 4,5 volte. La PGA di un sito è espressa come accelerazione su suolo rigido (al netto di effetti amplificativi). Le espressioni tipiche delle pericolosità sismica erano rappresentate dalla classificazione sismica italiana: ad ogni Comune era assegnata una classificazione e quindi una accelerazione di progetto per le strutture. Questa impostazione è stata oggi soppiantata nel DM 2008 da una descrizione molto più puntuale dell'azione sismica, con una griglia di punti che consente di differenziare l'azione sismica di progetto anche nell'ambito dello stesso Comune. 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 3 / 29
RISCHIO SISMICO: 2 vulnerabilità strutture 3 esposizione 2 - Vulnerabilità delle strutture: A parità di pericolosità di un sito, la costruzione più vulnerabile e quella che subisce gli effetti più devastanti. La vulnerabilità di una costruzione è inversamente proporzionale alla PGA che provoca un determinato Stato Limite. (Ad esempio la PGA relativa allo SLV, PGA SLV, è quella PGA raggiunta la quale la struttura non è più in grado di garantire l'incolumità pubblica a causa di crolli parziali e gravi danni strutturali). 3 esposizione: L'esposizione quantifica quante persone o cose possono essere soggette e danneggiate dall'azione sismica. Un edificio molto vulnerabile ma vuoto non comporta rischio sismico a differenza di un edificio che a parità di vulnerabilità ospita molte persone. rischio sismico = pericolosità x vulnerabilità x esposizione 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 4 / 29
FASI PROCEDURALI FASE 1: Valutazione livelli di conoscenza, campagna indagine, rilievo di dettaglio 1.a Raccolta e analisi informazioni disponibili: definizione campagna diagnostica strumentale e fattori di confidenza; Raccolta documenti di progetto (relazioni geologiche, geotecniche e strutturali ed elaborati grafici strutturali); Analisi informazioni disponibili (geometria strutturale, dettagli strutturali, proprietà dei materiali strutturali, stratigrafia e proprietà dei terreni di fondazione; Individuazione campagna diagnostica strumentale, metodo di analisi per la valutazione della sicurezza e fattori di confidenza FC da applicare alle proprietà dei materiali, perseguendo un livello di conoscenza LC1 o LC2 o LC3 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 5 / 29
Milano - Fondazione PRADA 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 6 / 29
Milano - Fondazione PRADA 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 7 / 29
Milano - Fondazione PRADA 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 8 / 29
FASE 1 1.b - Geometria: Rilievo ex novo completo, o rilievo a campione spessore solai a tutti i livelli capacità diaframmi orizzontali di trasmettere le forze tra i diversi sistemi resistenti a sviluppo verticale Geometria interna e materiali. Tamponature e tramezzature con spessore superiore a 10 cm Saggi in fondazione Studio reale capacità dissipativa struttura per avere risultati più coerenti con la realtà Particolare attenzione va rivolta all approfondimento delle cause di eventuali lesioni, dissesti o stati di degrado. 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 9 / 29
INDAGINI E PROVE SU FONDAZIONI E MURATURE 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 10 / 29
INDAGINI E PROVE SU FONDAZIONI E MURATURE 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 11 / 29
INDAGINI E PROVE SU FONDAZIONI E MURATURE 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 12 / 29
INDAGINI E PROVE SU FONDAZIONI E MURATURE 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 13 / 29
FASE 1 Dettagli costruttivi (quantità e disposizione delle armature), con: prove di tipo indiretto (analisi magnetometrica con pacometro) prove di tipo diretto (esecuzione di traccia verticale per la determinazione di armature e diametro). Privilegiare (elementi indagati ed accuratezza dell indagine) i pilastri rispetto alle travi. Travi: demolire i pavimenti per trovare l armatura a momento negativo in corrispondenza dei nodi travi-pilastro. Se esistono disegni costruttivi originali effettuare una limitata verifica in situ delle armature e dei collegamenti presenti negli elementi più importanti; in caso contrario, è necessario effettuare una estesa verifica in situ delle armature. Quantitativi di prova richiesti sono specificati nelle NTC. 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 14 / 29
DIAGNOSI DI EDIFICI ESISTENTI - FATTORI DI CONFIDENZA A Livelli di Conoscenza LC (indagini) corrispondono FATTORI di CONFIDENZA FC, che riducono le RESISTENZE Conoscenza Limitata LC1 FC 1,35 Conoscenza Adeguata LC2 FC 1,20 Conoscenza Accurata LC3 FC 1,00 La RESISTENZA dei MATERIALI, stimata con le INDAGINI, va RIDOTTA per FC: R d = R k / FC Se quindi INVESTO nelle INDAGINI posso meglio SFRUTTARE le RESISTENZE dei MATERIALI, ma ne deve valere la pena 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 15
FASE 1 1.c - Indagini strumentali. Proprietà materiali strutturali e terreno: Caratteristiche meccaniche calcestruzzo e acciaio: estrazione campioni Degrado calcestruzzo (profondità di carbonatazione) Prove a rottura su carote di calcestruzzo (UNI EN 12504-1) Prove non distruttive: prove ultrasoniche e sclerometriche combinate (metodo SonReb) da tarare su quelle distruttive. Resistenza carote (laboratorio) corretta per i fattori che la differenziano da quella che si misurerebbe su un equivalente provino standard: diverse modalità di preparazione e stagionatura; differente età di stagionatura tra carota e provino standard; disturbo conseguente alle operazioni di prelievo; umidità del campione; presenza di armature incluse; direzione del prelievo in funzione della direzione del getto, forma e dimensioni della carota, dimensione massima dell aggregato Per le correzioni: doc. n. 214.4R ACI Guide for Obtaining Cores and Interpreting Compressive Strenght Results (2010) Resistenza caratteristica convenzionale: NTC 2008 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 16 / 29
FASE 1 Terreno di sedime Almeno due prove, o con la tecnica di prospezione sismica a rifrazione (MASW o REMI) o con H/V SR, secondo le due direzioni principali dell edificio: velocità media di propagazione entro 30 metri di profondità delle onde di taglio (V s30 ); La propagazione delle onde sismiche ci porta ad identificare la categoria del sottosuolo, il che ci consente di definire l azione sismica di progetto: Con l individuazione della categoria di suolo possiamo definire i parametri dello spettro di risposta elastico, sia della componente verticale sia della componente orizzontale. Il modello con cui viene definito il moto sismico di un punto della superficie del suolo è rappresentato dallo spettro di risposta elastico: forma spettrale (spettro normalizzato), assunta indipendente dal livello di sismicità, moltiplicata per il valore di accelerazione massima del terreno che caratterizza il sito. La determinazione dello spettro elastico consente di ottenere l azione sismica di progetto, che viene poi combinata con le altre azioni, permanenti e variabili, agenti sulle struttura. 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 17 / 29
FASE 2: ANALISI E VERIFICHE LIVELLI SICUREZZA SISMICA 2.a - MODELLAZIONE DELLA STRUTTURA modello numerico della struttura: rappresento il più fedelmente possibile distribuzioni di massa e rigidezza effettiva (considero anche il contributo di elementi non strutturali) modello della struttura: costituito da elementi resistenti piani a telaio o a parete connessi da diaframmi orizzontali. rigidezza diaframmi orizzontali: valutata tenendo conto delle aperture in essi presenti, e la regolarità in pianta dell edificio per ogni edificio, si realizzano due modelli tridimensionali: modello lineare : rigidezza flessionale ed a taglio sezioni resistenti riferita a condizioni fessurate; modello non-lineare : sezioni di estremità degli elementi resistenti primari modellate con sezioni a fibre, cui si assegna il legame costitutivo non-lineare del materiale corrispondente Spettro di risposta: dalla categoria del suolo ricavo i parametri dello spettro di risposta elastico (componente verticale e orizzontale). Il Modello del moto sismico di un punto della superficie al suolo è lo spettro di risposta elastico, ossia uno forma spettrale (spettro normalizzato), assunta indipendente dal livello di sismicità, moltiplicata per il valore di accelerazione massima del terreno che caratterizza il sito 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 18 / 29
FASE 2: ANALISI E VERIFICHE LIVELLI SICUREZZA SISMICA 2.b - ANALISI E VERIFICHE DI SICUREZZA IN CAMPO LINEARE (LIVELLO 1) E NON-LINEARE (livello 2) - Analisi lineare dinamica del modello lineare - Analisi non-lineare statica (push-over) modello nonlineare, con software agli elementi finiti (FEM) o con SW che fanno uso di altri metodi [metodo delle differenze finite (FLAC), metodo dei volumi finiti (NEMO), metodo degli elementi al contorno (ANSYS), metodo delle celle, metodo spettrale] di comprovata affidabilità. - verifica dell applicabilità del metodo lineare; - individuazione della curva di capacità globale forza-spostamento, - esecuzione delle verifiche di sicurezza previste dalle NTC per gli elementi duttili, fragili e i nodi. L esito delle verifiche viene sintetizzato sia a livello globale, preferibilmente mediante diagrammi di spostamento, sia a livello locale, per tutti gli elementi resistenti. 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 19 / 29
FASE 2: ANALISI E VERIFICHE LIVELLI SICUREZZA SISMICA 2.c - INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI Analisi della sicurezza nei confronti della: stabilità (Stato Limite di Collasso - SLC) protezione nei confronti del danno (Stato Limite di Danno SLD) Obiettivo della valutazione di sicurezza sismica: stima di PGA, moltiplicatore dell accelerazione orizzontale massima su suolo di categoria A. si calcolano i valori di PGA: PGA SLC PGA SLD La verifica di sicurezza sismica consente di definire gli indicatori di rischio di collasso, che si ottengono come il rapporto tra i livelli di accelerazione al suolo, corrispondenti agli stati limite, e le accelerazioni attese, tenendo conto anche del fattore di importanza e dei coefficienti di amplificazione topografica e stratigrafica del sottosuolo 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 20 / 29
SPETTRI DI PROGETTO AGLI S.L. CONSIDERATI 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 21 / 29
SPETTRI DI PROGETTO per S.L.U e S.L.D. scelta la Vita Nominale (10 anni, 50 anni, ); considerata la Classe d uso (1,2,..); classificato il suolo (A, B, C, D..) Trovo i valori dei parametri che occorrono alla costruzione degli spettri di risposta orizzontale e verticale: per definire gli spettri di risposta occorrono: 1. Accelerazione al suolo a g ; 2. Fattore di Struttura q (behaviour factor). Fattore riduttivo delle forze elastiche. Tiene conto delle capacità dissipative della struttura, che dipende da: 1. sistema costruttivo adottato 2. classe di Duttilità 3. regolarità in altezza. Va considerato anche il Coefficiente di Amplificazione Topografica 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 22 / 29
COMBINAZIONI DI CARICO COMBINAZIONI PER GLI SLU: EFFETTO DELLE AZIONI STATICHE CONSIDERO L EFFETTO DELL AZIONE SISMICA CON: 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 23 / 29
FASE 3: IPOTESI DI INTERVENTO STRUTTURALE 1. Analizzate le cause di vulnerabilità 2. identificate le criticità strutturali Si possono definire con la Committenza gli obiettivi di sicurezza Vengono: considerate le varie tecniche di adeguamento sismico proposti i criteri generali di scelta, analizzando: aspetti tecnici; aspetti economici Si segue il principio di giusta misura e minimo intervento. Vengono quindi comparate le varie strategie in termini di: 1. efficacia 2. sicurezza 3. tempistica 4. invasività 5. innovazione 6. costi 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 24 / 29
BIS ed ADEGUAMENTO SISMICO PATRIMONIO EDILIZIO SISMICAMENTE VULNERABILE L adeguamento sismico è la nostra attuale SFIDA BENEFICI del BIS nell adeguamento: Ductility performances ridotta o eliminata; Accelerazioni di piano e spostamenti laterali ridotti, vantaggiose sia negli edifici in c.c.a. ma soprattutto per quelli in muratura; Operatività anche durante i lavori; Lavorazioni solo alla Base dell edificio; In molti casi rappresenta la soluzione più economica PIANIFICAZIONE: Collocazione ed installazione isolatori Verifica compatibilità spostamenti alla BASE Adeguare vani-scala ed ascensori agli spostamenti di base Adeguare collegamenti impiantistici 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 25 / 29
Sintesi finale - 1 Approccio classico alla progettazione antisismica: basato sulla duttilità strutturale, intesa come la capacita della struttura stessa di deformarsi plasticamente dissipando energia per isteresi. Per strutture di importanza strategica (ospedali, centrali elettriche, torri di controllo e ponti di primaria importanza), oltre ad evitare il collasso strutturale anche l operatività, dopo eventi catastrofici, è un requisito primario da garantire. Il funzionamento dell opera dopo un evento sismico di elevata intensità senza danni significativi può rappresentare un obbiettivo addirittura più difficile che la prevenzione del collasso stesso. Per esempio in un ospedale, le forti accelerazioni che si verificano durante un terremoto, potrebbero danneggiare gli strumenti elettronici e gli impianti anche se la struttura rimane integra o solo lievemente danneggiata. Il principio di isolamento sismico delle strutture, basato sul concetto di riduzione dell energia trasmessa alla costruzione, è il sistema di protezione più efficace contro i terremoti. Esso garantisce : integrità strutturale funzionalità delle apparecchiature in essa contenute. L isolamento della struttura è ottenuto installando supporti elastici in posizioni opportune in modo da vincolare elasticamente l opera al terreno consentendo movimenti orizzontali rispetto al medesimo. 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 26 / 29
Sintesi finale - 2 Il principio di isolamento è molto semplice: l idea è di spostare il periodo proprio della struttura da valori piccoli (tipicamente da 0.3 e 1 secondi per le strutture a base fissa) dove l accelerazione alla base è molto elevata, ad un periodo ottimale (tipicamente 2-3 secondi) riducendo notevolmente l accelerazione. 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 27 / 29
Sintesi finale - 3 Un ulteriore riduzione dell accelerazione può essere ottenuta utilizzando isolatori in grado di dissipare energia 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 28 / 29
BUON ISOLAMENTO A TUTTI! Torna a eterno merito della scienza l'aver liberato l'uomo dalle insicurezze su se stesso e sulla natura agendo sulla sua mente (Albert Einstein) MILLE GRAZIE PER LA VOSTRA ATTENZIONE! 09.03.2012 Riproduzione Riservata BIS ed Edifici Esistenti nelle NTC 29 / 29