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Miglioramento sismico di edificio scolastico mediante sistemi compositi inorganici (PBO-FRCM) armati con fibre polimeriche
16/03/2017
A. Trimboli
N. Pontiggia
G. Mantegazza

Un edificio scolastico in c.a. è stato oggetto di un recente intervento di miglioramento sismico. Dall’analisi del modello di calcolo è emerso che l’intervento doveva essere indirizzato a ridurre le carenze di resistenza e duttilità più critiche. Il rinforzo delle travi, dei pilastri e dei setti è stato conseguito mediante sistemi compositi a matrice inorganica (Fabric Reinforced Cementitious Matrix) dotati di rete di armatura costituita da fibre lunghe ad elevate caratteristiche meccaniche (PBO). Le peculiarità degli FRCM, più performanti anche rispetto ai sistemi a matrice polimerica (FRP) grazie alla diversa matrice di base che li rende applicabili su supporti umidi, garantisce una elevata resistenza al fuoco ed alle elevate temperature, ed in definitiva assicura una durabilità dell'intervento coerente con quella delle strutture in c.a., sono qui presentate insieme alle fasi realizzative dell'intervento.


1 DESCRIZIONE DELL'OPERA

1.1 Dati generali del complesso scolastico
Nella memoria viene trattato l’intervento di rinforzo, volto al miglioramento sismico dell'edificio scolastico di Piazza Unità d'Italia in Cernusco sul Naviglio (Milano). L’edificio scolastico è costituito da quattro stabili in c.a. strutturalmente indipendenti e separati da giunti di dilatazione. I diversi corpi di fabbrica presentano caratteristiche costruttive comuni e risultano edificati nella seconda metà degli anni Sessanta.

La richiesta dell’Ente Locale (Comune di Cernusco sul Naviglio) è stata inizialmente quella di eseguire uno studio di vulnerabilità sismica, per cui è stata avviata una campagna di indagini diagnostiche e conoscitive. Riguardo gli elementi strutturali le fondazioni sono state realizzate con plinti e travi rovesce, i vani scala ed il vano ascensore con pareti c.a. di spessore 25 cm, i pilastri in c.a. sono rettangolari con sezione 40 cm x 60 cm al piano seminterrato, e 20 cm x 60 cm ai piani superiori, le travi in c.a. sono presenti in entrambe le direzioni ortogonali, ribassate o rialzate, i solai sono latero-cementizi a travetti e pignatte di altezza complessiva 26 cm.
Generalmente le strutture del complesso edilizio sono in buono stato di conservazione, non presentano evidenti stati fessurativi o degradi legati alla carbonatazione e all’ossidazione delle armature, ad esclusione di piccoli fenomeni localizzati nelle zone maggiormente esposte agli agenti atmosferici.

1.2 Proprietà dei materiali costitutivi
La campagna d'indagini ha permesso di assume-re i seguenti parametri meccanici per i materiali impiegati:
• Calcestruzzo: Rck 30 Mpa
• Armature: acciaio Aq 50 ad aderenza mi-gliorata (tensione di snervamento: 270 N/mm2)

Il livello di conoscenza acquisito ha determinato il metodo di analisi e i fattori di confidenza da applicare alle proprietà dei materiali.
La conoscenza della struttura è stata stimata ad un livello limitato, corrispondente a LC1.
Nelle analisi numeriche e nelle verifiche effettuate sono stati utilizzati fattori di confidenza pari a FC = 1,35.
In base al livello di conoscenza è stato adottato come metodo di analisi l'analisi lineare dinamica.

1.3 Azione sismica di riferimento
In accordo con le “Norme Tecniche delle Costru-zioni DM14/01/2008”, par.3.2, il carico sismico è determinato in base ai seguenti parametri:
• vita nominale: VN = 50 anni
• classe d’uso: III
• coefficiente d’uso: cu = 1.5
• periodo di riferimento per l’azione sismica: VR = VN x cu = 50 x 1.5 = 75 anni
• categoria del sottosuolo: C
• categoria topografica: T1
• zona sismica 4

1.4 Carenze strutturali del complesso scolastico
La struttura portante è risultata in generale adeguata a sostenere le azioni derivanti dai carichi gravitazionali.
I quadri tensionali nei materiali sono compatibili con i valori ammissibili all’epoca della originaria progettazione.

La struttura tuttavia non risulta idonea a sostenere le azioni sismiche di norma, e ciò in quanto:
• i setti dei blocchi aule non soddisfano le verifiche di pressoflessione e taglio;
• esistono nodi non confinati e non dotati della necessaria duttilità e resistenza.

L'edificio scolastico fu in effetti concepito e realizzato negli anni Sessanta, quando in Italia le norme tecniche per le costruzioni in vigore erano ancora impostate secondo procedure semplificate ed il calcolo sismico di un edificio avveniva mediante una analisi statica equivalente con un valore dell’accelerazione sismica ridotto rispetto a quello reale del terreno a prescindere dalla tipologia strutturale, senza tuttavia che le norme chiarissero in maniera esplicita che per poter operare in questa maniera bisognava dotare l’edificio di elevate risor-se di duttilità oltre che di resistenza, progettando quindi con cura i dettagli costruttivi.

Le attuali normative, contenute nel D.M. 14.01.2008, in effetti hanno introdotto lo spettro di risposta elastico attraverso il quale risulta possibile conoscere l’accelerazione sismica cui risulta soggetto un edificio qualora lo si immagini appunto in campo elastico.

La accelerazione di progetto con cui dimensionare l’edificio si ottiene poi dividendo la accelerazione sismica dello spettro elastico per il fattore di struttura “q”, parametro numerico adimensionale che tiene conto della capacità dell’organismo strutturale di dissipare energia oltre il campo elastico e che dipende sostanzialmente dalla tipologia strutturale, dalla regolarità dell’edificio e dalla cura dei dettagli costruttivi.

Nella maggioranza degli edifici esistenti progettati prima dell’avvento delle moderne norme sismiche e quindi prima degli anni Novanta del secolo scorso, i sistemi strutturali in cemento armato presentano sistematicamente una elevata carenza di dettagli costruttivi, infatti oltre ad avere quantitativi di armatura limitati e con spessori di copriferro esigui, le stesse armature presenti non sono adeguatamente ancorate nel nucleo di calcestruzzo, e, riguardo poi alle staffe, non risultano chiuse a 135° e pertanto non è assicurato il corretto svolgimento della loro funzione di confinamento dell’elemento strutturale; in aggiunta a ciò i nodi trave-pilastro sono generalmente privi di staffe e quindi risultano molto vulnerabili in caso di eventi sismici in occasione dei quali è frequente il verificarsi dell’espulsione del pannello non confinato dei nodi esterni degli edifici.

I rilievi eseguiti sulle strutture della scuola in oggetto hanno confermato che in effetti l’organismo strutturale della scuola presenta carenza dei dettagli costruttivi relativi principalmente alle staffe.
Dai rilievi è stato possibile osservare la chiusura delle staffe nei pilastri realizzata ripiegando a 90° le armature trasversali da cui risulta che le stesse non riescono a svolgere pienamente il loro ruolo di confinamento del nucleo di calcestruzzo armato in caso di azioni dinamiche, quali quelle sismiche.

A tale proposito la circolare ministeriale n°617 del 2 febbraio 2009, esplicativa del D.M. 14.01.2008 “Norme Tecniche per le Costruzioni”, specifica che per il fattore di efficienza del confinamento a in assenza di un ancoraggio opportuno delle staffe dovuto per esempio alla mancata chiusura dei ganci non a 135°, è opportuno assumere il valore a pari a 0 (cfr. paragrafo C.8.A.6.1).

Il fattore a è un parametro adimensionale fun-zione delle armature trasversali, vale a dire della disposizione delle staffe e delle eventuali spille, e del passo delle staffe nelle zone critiche (zone di estremità di un elemento in cemento armato nelle quali può formarsi la cerniera plastica). In particolare assumere un valore nullo per il parametro equivale a considerare nullo l’effetto di duttilità prodotto dal confinamento delle staffe. 

2 GLI INTERVENTI DI RINFORZO

2.1 Requisiti progettuali
L'obiettivo progettuale è stato quello di ottenere il miglioramento sismico sugli elementi strategici e su quelli perimetrali, volto a ridurre le carenze di resistenza e duttilità più critiche.

I criteri delle scelte progettuali sono stati:
• rinforzare le strutture localmente a sopportare i carichi secondo le norme vigenti;
• contenere i tempi di cantiere (periodo disponibile limitato);
• prevedere soluzioni di rapida messa in opera;
• garantire la durabilità nel tempo dei rinforzi (pari minimo alla vita utile dell'edificio).

2.2 Scelta progettuale
La scelta del sistema di rinforzo è ricaduta sui sistemi FRCM (Fabric Reinforced Cementitious Matrix) per le peculiarità dovute all'uso di una matrice cementizia in luogo delle matrici polimeriche tipiche dei sistemi FRP.
Inoltre l'armatura di rinforzo delle matrici è costituita da reti in fibre lunghe di PBO le quali, oltre ad avere caratteristiche meccaniche sensibilmente superiori anche rispetto alle fibre di carbonio, presentano lo stesso coefficiente di dilatazione termica del calcestruzzo e dell'acciaio, circostanza che non avviene con le fibre di carbonio, e pertanto garantiscono una durabilità maggiore per la perfetta com-patibilità fisica, chimica e meccanica con gli elementi in cemento armato sui quali si interviene.

A tale proposito si osserva che il modulo elastico delle fibre di PBO è pari a 270.000 N/mmq, e la tensione di rottura a trazione delle fibre di PBO è pari a 5.800 N/mmq.

In generale i vantaggi legati all'uso dei sistemi FRCM sono riassumibili nei seguenti temi:
• esecuzione rapida
• peso trascurabile: consente di rinforzare gli elementi in c.a. senza alterare il regime statico sui terreni di fondazione;
• bassa invasività;
• applicabilità su supporti umidi;
• resistenza al fuoco;
• buona resistenza alle elevate temperature;
• basso rapporto costi/prestazioni;
• durabilità dell'intervento: vita utile >> 50 anni;
• matrice cementizia pienamente compatibile con c.a.;
• matrice cementizia: non risente dei fattori di degrado ambientale più di quanto non ne risenta il supporto.

  

Preparazione della superficie e fase esecutiva dell'intervento sui nodi con FRCM

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