COMUNE DI SERRAMAZZONI Provincia di MODENA SCUOLA PRIMARIA L CASOLARI 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, 3-25085 Gavardo (BS) Tel. e Fax 036532845 e-mail: info@ingegneriaprogetti.net 1
A. PREMESSA Attraverso l esecuzione di tre prove di carico si intede stabilire l effettiva portata dei solai più rappresentativi all interno dell edificio scolastico L.Casolari, sede delle scuole elementari 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 sono state eseguite: - due prove in corrispondenza dei solai delle aule lato monte (a pavimento piano primo - PC.01- e pavimento piano terra -PC.03-). Questi solai presentano caratteristiche identiche (schema statico, luce, sezione resistente) a quelli presenti nelle aule di valle, pertanto i risultati qui ottenuto potranno essere estesi anche ai solai delle aule di valle. Si precisa che detti solai sono quelli per i quali le verifiche numeriche in possesso dell amministrazione denunciano le situazioni più critiche all interno dell edificio 1 ; - una terza prova è collocata a piano primo su un solaio di luce di calcolo sostanzialmente uguale a quelli precedenti, ma che presenta un diverso schema statico. 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 525/13 a firma del dott. prof. Giancarlo Maselli, Amm. Unico della ditta GIANCARLO MASELLI SRL, cui chi scrive ha affidato l esecuzione delle prove) Pianta Piano Primo Sottostrada prova di carico su impalcato piano terra (PC.03) punti di misura per rilievo abbassamenti Figura 1 Scuola Elementare Casolari. Collocazione dei punti di misura per la prova di carico su primo impalcato (piano terra) dell aula di valle. 10 615 10 10 120 120 358 700 1 A tal proposito vedasi lo studio di vulnerabilità sismica condotto dall ing. Giancarlo Boschetti ed il progetto di consolidamento redatto dagli scriventi 2
Pianta Piano Terra prova di carico (PC.01) prova di carico (PC.02) su impalcato piano primo su impalcato piano primo punti di misura punti di misura per rilievo abbassamenti per rilievo abbassamenti 120 365 120 155 311 311 365 Figura 2 Scuola Elementare Casolari. Collocazione dei punti di misura per le prove di carico su secondo impalcato (piano piano primo). A sfondo rosso l impronta di carico sul solaio del piano terra. 120 120 358 715 162 325 325 357 prova di carico su impalcato piano terra (PC.03) impronta area di carico Pianta Piano Primo prova di carico (PC.01) su impalcato piano primo impronta area di carico prova di carico (PC.02) su impalcato piano primo impronta area di carico 722 361 361 Figura 3- Scuola Elementare Casolari. A sfondo rosso le impronte di carico sui solai del piano primo. 715 358 358 3
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. 4
C. STRUMENTAZIONE UTILIZZATA Si rimanda alla RELAZIONE TECNICA EDI 525/13 a firma del dott. prof. Giancarlo Maselli. 5
D. CALCOLI PRELIMINARI Preliminarmente all esecuzione delle prove di carico si è analizzato il comportamento teorico degli impalcati. Per le prove nelle aule di monte (PC.01 e PC0.3) lo schema di calcolo è il medesimo, ovvero trave ad una campata e due appoggi (con o senza incastri alle estremità), con luce di calcolo pari a 6,65. La sezione resistente del travetto, posto a interasse di 47cm, è rettangolare (priva di cappa collaborante) con base di 15cm e altezza di 20cm: Limitatamente alla prova PC.02 lo scema di calcolo è quello di trave a tre campate su quattro appoggi (con o senza incastri alle estremità), la luce di calcolo delle tre campate è pari rispettivamente a 5,00m, 4,85m e 6,60m e sull ultima si è eseguita la prova di carico. Nelle prime due campate la sezione resistente del travetto, posto a interasse di 47cm, è rettangolare (priva di cappa collaborante) con base di 15cm e altezza di 16cm: Nell ultima campata varia unicamente l altezza del travetto che passa da 16 a 20cm. 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 riporati nelle tabelle seguenti: Trave ad una campate sempliemente appoggiata 12,40mm 8,60mm Trave ad una campate incastrata alle estremità 2,48mm 1,27mm 2 Il modulo elastico del calcestruzzo è stato valutato in 29.000Mpa 6
prove PC.01 e PC.03 Trave ad una campate sempliemente appoggiata 12,40mm 8,60mm Trave ad una campate incastrata alle estremità 2,48mm 1,27mm Si osserva che il rapporto freccia/luce per i soli carichi accidentali è pari a: appoggio estremità 12,40mm/6,65mm = 1/536 incastro perfetto estremità 2,48mm/6,65mm = 1/2680 mentre il rapporto tra la freccia valutata ai quarti e quella valutata in mezzeria è pari a: appoggio estremità 8,60/12,40 = 69% incastro perfetto estremità 1,27/2,48 = 51% 7
prova PC.02 Trave a tre campate e semplici appoggi alle estremità 8,85mm 6,50mm Trave a tre campate e incastri perfetti alle estremità 3,98mm 1,90mm Si osserva che il rapporto freccia/luce per i soli carichi accidentali è pari a: appoggio estremità 8,85mm/6,60m = 1/745 incastro perfetto estremità 3,98mm/6,60m = 1/1670 mentre il rapporto tra la freccia valutata ai quarti e quella valutata in mezzeria è pari a: appoggio estremità 6,50/8,85 = 73% incastro perfetto estremità 1,90/3,98 = 48% 8
E. ESITI DELLE PROVE DI CARICO prova PC.01 Premesso che al raggiungimento di 2,50kN/m 2 sono stati registrati scricchiolii di assestamento e al raggiungimento di 4,00kN/m 2 si formata una lesione di modesta entità parallela all orditura del solaio, nella tabella seguente, sintesi dei risultati riportati nella RELAZIONE TECNICA EDI 525/13 a firma del dott. prof. Giancarlo Maselli, si restituiscono le deformazioni al raggiungimento dei 2,50kN/m 2, quelle massime e quelle residue registrate durante la prova di carico: Deformazioni per 2,50kN/m 2 (mm.) -0,41-3,09-2,35-0,15-2,68-1,46 Deformazioni massime (mm.) -0,64-5,07-3,81-0,26-4,29-2,28 Deformazioni residue (mm.) -0,00-0,57-0,44-0,00-0,34-0,08 Nella tabella seguente sono invece riportati i valori delle deformazioni al netto degli abbassamenti agli appoggi: Deformazioni per 2,50kN/m 2 (mm.) al netto degli abbassamenti agli appoggi 0,00-2,81-2,14 0,00-2,40-1,18 Deformazioni massime (mm.) al netto degli abbassamenti agli appoggi 0,00-4,62-3,46 0,00-3,84 1,83 Deformazioni residue (mm.) al netto degli abbassamenti agli appoggi -0,00-0,57-0,44-0,00-0,34-0,08 Nonostante: a) le frecce massime registrate siano risultate compatibili con i calcoli teorici; b) il rapporto tra le frecce residue e le frecce massime (entrambe valutate al netto degli abbassamenti agli appoggi) sia pari a circa il 12,3% (=0,57mm/4,62mm); c) si sia riscontrata una soddisfacente linearità delle curve carico-spostamento, si ritiene che l insorgenza di scricchiolii e assestamenti, manifestatisi al raggiungimento del carico di prova pari 2,50kN/m 2, corrisponda alla condizione limite di esercizio per il solaio indagato. 9
Nel seguito per tradurre il carico limite di prova raggiunto in portanza del solaio e per confrontare le deformazioni effettive con quelle teoriche (in modo da stimare il grado di vincolo alle estremità) 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.05 e Fless.06), depurando le frecce rilevate dagli abbassamenti alle estremità (Fless.01 e Fless.04). La larghezza collaborante è valutabile attraverso la seguente espressione: b = [(fc+2 fi) x s]/fc ove: fc: freccia in campata (corrispondente a Fless. 02) fi: frecce in campata misurate dai trasduttori Fless.05 e Fless.06 s: distanza tra i trasduttori trasversali pari a 1,20m nel caso in esame risulta (per q prova,limite =2,50kN/m 2 ): b = 4,26m 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,limite = 1,75 kn/m 2 Tale valore rappresenta la capacità portante del solaio. Alla luce di quanto emerso si osserva inoltre che: lo schema statico del solaio è riconducibile a quello di solaio ad una campata su due semplici appoggi. Infatti il rapporto tra la freccia ai quarti e la freccia in mezzeria, entrambe valutate al netto degli abbassamenti agli appoggi, è pari a circa il 75% (=2,14mm/2,81mm). (analogo risultato si ottiene se si valuta il rapporto al raggiungimento del carico di prova massimo; la freccia misurata in campata in corrispondenza del carico limite di prova (q prova,limite ), depurata dagli abbassamenti agli appoggi (4,62mm) è minore, ma confrontabile con la freccia teorica calcolata con lo schema di semplice appoggio. Quest ultima, rivalutata in funzione del carico limite, risulta: - appoggio alle estremità: (1,75/3,00) x 12,40mm = 7,27 mm 10
prova PC.02 Premesso che al raggiungimento di 2,00kN/m 2 sono stati registrati scricchiolii di assestamento onde evitare la formazione di cavillature nell intonaco si è deciso di limitare il carico di prova a 3,00kN/mq (anzichè di 4,00kN/m 2 come preventivato in sede progettuale). Nella tabella seguente, sintesi dei risultati riportati nella RELAZIONE TECNICA EDI 525/13 a firma del dott. prof. Giancarlo Maselli, si restituiscono le deformazioni al raggiungimento dei 2,00kN/m 2, quelle massime e quelle residue registrate durante la prova di carico:: Deformazioni per 2,00kN/m 2 (mm.) -0,12-1,72-2,80-0,41-2,15-1,07 Deformazioni massime (mm.) -0,22-2,85-4,43-0,69-3,44-1,74 Deformazioni residue (mm.) -0,00-0,46-0,59-0,08-0,47-0,20 Nella tabella seguente sono invece riportati i valori delle deformazioni al netto degli abbassamenti agli appoggi: Deformazioni per 2,00kN/m 2 (mm.) al netto degli abbassamenti agli appoggi 0,00-1,53-2,54 0,00-1,89-0.81 Deformazioni massime (mm.) al netto degli abbassamenti agli appoggi 0,00-2,51-3,98 0,00-2,99 1.29 Deformazioni residue (mm.) al netto degli abbassamenti agli appoggi -0,00-0,44-0,55-0,00-0,43-0,16 Nonostante: d) le frecce massime registrate siano risultate compatibili con i calcoli teorici; e) il rapporto tra le frecce residue e le frecce massime (entrambe valutate al netto degli abbassamenti agli appoggi) sia pari a circa il 13,8% (=0,55mm/3,98mm); f) si sia riscontrata una soddisfacente linearità delle curve carico-spostamento, si ritiene che l insorgenza di scricchiolii e assestamenti, manifestatisi al raggiungimento del carico di prova pari 2,00kN/m 2, corrisponda alla condizione limite di esercizio per il solaio indagato. 11
Nel seguito per tradurre il carico limite di prova raggiunto (q prova,limite ) in portanza del solaio (q,limite ) e per confrontare le deformazioni effettive con quelle teoriche (in modo da stimare il grado di vincolo alle estremità) 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.05 e Fless.06), depurando le frecce rilevate dagli abbassamenti alle estremità (Fless.01 e Fless.04). 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.05 e Fless.06 s: distanza tra i trasduttori trasversali pari a 1,20m nel caso in esame risulta (per q prova,limite =2,00kN/m 2 ): b = 3,75m 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,limite = 1,60 kn/m 2 Tale valore rappresenta la capacità portante del solaio. Alla luce di quanto emerso si osserva inoltre 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 60% (=1,53mm/2,54mm), valore intermedio a quelli ricavati nelle differenti condizioni di vincolo. la freccia misurata in campata in corrispondenza del carico limite di prova (q prova,limite ), depurata dagli abbassamenti agli appoggi (2,54mm) è confrontabile con le frecce teoriche. Quest ultime, rivalutate in funzione dell effettiva capacità portante del solaio (q limite ), risultano: - appoggio alle estremità: (1,60/3,00) x 8,85mm = 4,72 mm - incastro alle estremità: (1,60/3,00) x 3,98mm = 2,12 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; 12
prova PC.03 Premesso che al raggiungimento di 3,00kN/m 2 sono stati registrati scricchiolii di assestamento onde evitare la formazione di cavillature nell intonaco si è deciso di limitare il carico di prova a 3,50kN/mq (anzichè di 4,00kN/m 2 come preventivato in sede progettuale). Nella tabella seguente, sintesi dei risultati riportati nella RELAZIONE TECNICA EDI 525/13 a firma del dott. prof. Giancarlo Maselli, si restituiscono le deformazioni al raggiungimento dei 3,00kN/m 2, quelle massime e quelle residue registrate durante la prova di carico: Deformazioni per 3,00kN/m 2 (mm.) Fless.01 Fless.02 Fless.03 Fless.04 Fless.05-0,29-2,76-2,33-2,11 0,67 - Deformazioni massime (mm.) Fless.01 Fless.02 Fless.03 Fless.04 Fless.05-0,37-3,42-2,86-2,59-0,81 Deformazioni residue (mm.) Fless.01 Fless.02 Fless.03 Fless.04 Fless.05-0,10-0,49-0,44-0,34-0,07 Nella tabella seguente sono invece riportati i valori delle deformazioni al netto degli abbassamenti agli appoggi. (A tal proposito si sottolinea che a causa della rottura di un trasduttore durante la sua installazione la prova è stata condotta con cinque trasduttori anzìchè i sei previsti. Si è pertanto scelto di rilevare gli abbassamenti solo di un appoggio anziché entrambi come ipotizzato in sede di pianificazione). Deformazioni per 3,00kN/m 2 (mm.) al netto degli abbassamenti agli appoggi Fless.01 Fless.02 Fless.03 Fless.04 Fless.05 0,00-2,47-2,04-1,82-0,38 Deformazioni massime (mm.) al netto degli abbassamenti agli appoggi Fless.01 Fless.02 Fless.03 Fless.04 Fless.05 0,00-3,05-2,49-2,22 0,44 Deformazioni residue (mm.) al netto degli abbassamenti agli appoggi Fless.01 Fless.02 Fless.03 Fless.04 Fless.05-0,00-0,39-0,34-0,24 0,03 Nonostante: g) le frecce massime registrate siano risultate compatibili con i calcoli teorici; h) il rapporto tra le frecce residue e le frecce massime (entrambe valutate al netto degli abbassamenti agli appoggi) sia pari a circa il 12,7% (=0,39mm/3,05mm); i) si sia riscontrata una soddisfacente linearità delle curve carico-spostamento, si ritiene che l insorgenza di scricchiolii e assestamenti, manifestatisi al raggiungimento del carico di prova pari 3,00kN/m 2, corrisponda alla condizione limite di esercizio per il solaio indagato. 13
Nel seguito per tradurre il carico limite di prova raggiunto (q prova,limite ) in portanza del solaio (q,limite ) e per confrontare le deformazioni effettive con quelle teoriche (in modo da stimare il grado di vincolo alle estremità) 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). La larghezza collaborante è valutabile attraverso la seguente espressione: b = [(fc+2 fi) x s]/fc ove: fc: freccia in campata (corrispondente a Fless. 02) 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 (per q prova,limite =3,00kN/m 2 ): b = 3,34m 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,limite = 2,70 kn/m 2 Tale valore rappresenta la capacità portante del solaio. Alla luce di quanto emerso si osserva inoltre che: la freccia misurata in campata in corrispondenza del carico limite di prova (q prova,limite ), depurata dagli abbassamenti agli appoggi (2,47mm) è sostanzalmente coincidente con la freccia teoricamente calcolata con lo schema di trave perfettamente incastrata. Quest ultima, rivalutata in funzione del carico limite (q limite ), risulta: - incastro alle estremità: (2,70/3,00) x 2,48mm = 2,23 mm 14
F. CONCLUSIONI Le prove di carico hanno testimoniato un comportamento dei solai generalmente più soddisfacente rispetto alle valutazioni numeriche condotte e in possesso dell amministrazione. In particolare i solai delle aule lato monte (e altrettanto dicasi per le aule di valle che presentano solai identici) hanno capacità portante, sperimentalmente accertata, compresa tra: - un minimo di 1,75kN/m 2 (a piano primo); - un massimo di 2,70kN/m 2 (a piano terra). Per gli stessi solai si ricorda che i calcoli analitici in possesso dell amministrazione indicavano quale limite della portanza dei solai il valore di 0,50kN/m 2. Per quanto concerne la variabilità della capacità portante sperimentalemente misurata si ritiene che essa sia da imputarsi al diverso grado di vincolo che le pareti riescono ad esercitare a piano terra (ove si realizza una sorta di semincastro) e a piano primo (ove il vincolo è asimilabile ad un appoggio semplice). Più in linea con i dati analitici appare la portanza del solaio a piano primo, indagato con la prova di carico PC.02. Calcoli analitici e sperimentali difatti concidono determinando, i primi, una capacità di 1,50kN/m 2, i secondi, una capacità di 1,60kN/m 2. Poichè si è sperimentalmente accertata una portanza dei solai non minore di 1,60kN/m 2, in linea con le indicazioni normative, sarà possibile nel periodo necessario alla progettazione, programmazione e realizzazione dei rinforzi porre limitazioni all uso dell immobile (specie del piano primo) senza dichiararne l inagibilità. Infatti, le istruzioni per l applicazione delle norme tecniche pubblicate in data 26 febbraio 2009 prevedono tra i possibili provvedimenti da attuare, affinchè l uso della struttura possa esssere conforme ai criteri di sicurezza, l adozione di opportune cautele 3. In tal senso si prescrive il seguente utilizzo: che ogni aula sia occupata esclusivamente dagli alunni di quella classe e dai relativi insegnanti 4, escludendo la possibilità di accorpamenti di due o più classi; che siano altresì evitati consigli, riunioni, ecc salvo quelli ove sia possibile preventivamente stabilirne l affuenza ed il carico. Si specifica, per maggiore chiarezza, che tale limitazione all uso può ritenersi efficace solo in un ottica transtoria, ma non definitiva. 3 Al paragrafo 8.3. Valutazione della sicurezza delle Istruzioni per l applicazione delle norme tecniche per le costruzioni dichiara espressamente che gli esiti delle verifiche dovbranno permettere di stabilire quali provvedimenti adottare affinchè l uso della struttura possa essere conforme ai criteri di sicurezza delle NTC. Le alternative sono sintetizzabili nella continuazione dell uso attuale, nella modifica della destinaizone d uso o nell adozine di opportune cautele e, infione, nella necessità di effettuare un intervento di aumento o ripristino della capacità portante che può ricadere nella fattispecie del miglioramento o dell adeguamento. 4 Il carico conseguente all utilizzo prescritto è prudenzialmente stimabile in circa 0,50kN/m2, valore che deriva dal rapporto tra il peso stimato di una scolaresca di classe V - comperso il mobilio presente all interno di un aula - e la supercicie media dell aula. Nel caso specifico si è ipotizzato che le classi, di superfici pari a circa 40m 2, siano formate da 20 alunni (del peso di 35-40kilogrammi), più l insegnante, e che il peso del mobilio sia di complesivi 1000kilogrammi. 15
Sulla base di quanto ottenuto si suggerisce, infine, la modifica degli interventi così come proposti nell attuale progetto ed in particolar modo una diversa perimetrazione delle aree di intervento. Senza voler con ciò dare carattere di esaustività all argomento, infatti, le priorità emerse dagli studi sperimentali riguardano non tanto le aule di monte o di valle, quanto piuttosto l impalcato del piano primo, inteso nella sua totalità. Per quanto concerne la tipologia d intervento le prove hanno evidenziato che i limiti e le carenze dei solai (specie del piano primo) sono connessi con la loro rigidezza e deformabilità piuttosto che con la loro resistenza. Appare più appropriata 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. Tale intervento potrebbe apportare significativi miglioramenti anche da un punto di vista sismico, beninteso che tale miglioramento dovrebbe essere supportato dalla appropriate calcolazioni. Gavardo, 13 agosto 2013 Ing. Emanuel Perani Ing. Massimo Pilati Ing. Giacomo Profeta Si allega RELAZIONE TECNICA EDI 525/13 a firma del dott. prof. Giancarlo Maselli 16