Accoppiamento di addizioni strutturali per la mitigazione della risposta sismica in edifici esistenti

Addizioni strutturali di tipo verticale e laterale

Un modello sostenibile di crescita urbana dovrebbe basarsi sull’aumento della densità e sull’uso/riuso dell’edilizia esistente, evitando ulteriore consumo di suolo e sfruttando la CO2 già inglobata nel costruito. Per rendere praticabile tale strategia su edifici localizzati in territori a medio/alto rischio sismico, si propone un approccio comune, basato su schemi dinamici ben noti.

Vengono proposti due modelli, entrambi basati sul concetto di addizione: addizione verticale (sopraelevazione) per edifici in muratura (Figura 1a), ed addizione laterale (esoscheletro) per edifici in c.a. (Figura 1b).

I parametri di progetto sono le caratteristiche dinamiche dell’addizione e della connessione tra le parti strutturali nuove ed esistenti. Nel caso della sopraelevazione, il collegamento è realizzato mediante un sistema di isolamento sismico, posto sulla copertura dell’edificio esistente e alla base della nuova struttura, dando così origine ad un sistema di isolamento sismico a livello intermedio (IIS, Intermediate Isolation System); tale sistema di isolamento può essere progettato per convertire l’addizione verticale in uno smorzatore di massa per l’edificio esistente, con notevole riduzione della richiesta sismica sul complesso strutturale. Nel caso di aggiunta laterale, l’esoscheletro (EXO, Exoskeleton), realizzato con diagrid in acciaio, hexagrid o pattern strutturali non convenzionali, viene scelto per avvolgere l’edificio esistente sull’intero perimetro migliorandone la rigidezza e resistenza laterale e/o la capacità dissipativa.

Tale esoscheletro funziona anche da supporto a facciate ventilate o a doppia pelle, oltre a soddisfare esigenze di schermatura solare/illuminazione ed integrare interventi di retrofit di tipo energetico. Il collegamento tra l’edificio esistente e l’esoscheletro può essere sia “totale” (rigido), che accoppia in parallelo le due strutture, sia “parziale” (deformabile e dissipativo).

In questo contesto, vengono scelti due casi studio per esplorare la fattibilità e l’efficacia di addizioni in carpenteria metallica per l’adeguamento sismico di edifici esistenti.

Modelli semplificati a masse concentrate

Sistemi con isolamento sismico intermedio o con esoscheletro possono essere preliminarmente studiati mediante la schematizzazione con modelli a masse concentrate. Nel modello a tre gradi di libertà IIS (3DOF IIS, Figura 2a), mi, ki, ci sono la massa, rigidezza e costante di smorzamento dell’i-esimo grado di libertà, con i = 1, 2, 3, ovvero: sottostruttura (LS, Lower Structure), sistema di isolamento (ISO, Isolation), e sovrastruttura (US, Upper Structure).

Nel modello a due gradi di libertà dell’edificio esistente (EB, Existing Building) collegato all’esoscheletro (2DOF EB+EXO, Figura 2b), m1, k1, c1 e m2, k2, c2 si riferiscono rispettivamente alle proprietà dell’edificio esistente e dell’esoscheletro.

Invece, k3 e c3 sono la rigidezza e la costante di smorzamento del collegamento, che può essere puramente elastico (c3 = 0), puramente viscoso (k3 = 0), o viscoelastico (k3 ≠ 0, c3 ≠ 0), quest’ultimo descrivibile dal modello di Kelvin-Voigt (K-V) o di Maxwell (M).

Casi studio

Due edifici italiani sono scelti come casi studio (Figura 3). Dopo una breve descrizione degli edifici, la loro capacità è valutata mediante analisi statiche non lineari condotte su modelli tridimensionali agli elementi finiti (3D FE) mediante il software SAP2000. Considerando il contributo del modo fondamentale nella direzione debole (Y), per entrambi gli edifici si derivano le proprietà dinamiche del modello ad un grado di libertà equivalente (SDOF), cioè della LS nel modello 3DOF IIS (Figura 2a) e dell’EB nel modello 2DOF EB+EXO (Figura 2b).

Il primo caso studio è un aggregato di quattro edifici in muratura di tufo del XVI secolo (Figura 3a) situato nel Comune di Pozzuoli (Napoli, Italia), con destinazione d’uso mista.

L’edificio ricade nel Piano Urbanistico Attuativo (P.U.A.), recentemente emanato per la città al fine di ricostruire nuovi volumi sugli impalcati di copertura di alcuni edifici, per ripristinare i volumi demoliti negli anni ‘80. Le principali dimensioni dell’edificio sono fornite in Figura 3a. Si assumono come proprietà meccaniche dell’edificio: peso sismico medio, 16 kN/m³; modulo di Young, 360 MPa; resistenza a compressione, 3.0 MPa. Le proprietà dinamiche del modello SDOF LS sono: m1 = 2472 kNs2/m, k1 = 639883 kN/m, T1 = 0.39 s.

Il secondo caso studio (Figura 3b), costruito nel 1972, è un edificio residenziale di quattro piani che si assume essere situato a L’Aquila. Data la mancanza di alcuni dati strutturali dell’edificio esistente, è stato eseguito un progetto simulato per carichi gravitazionali secondo la normativa edilizia italiana vigente all’epoca della costruzione; successivamente, la valutazione sotto carichi sismici è stata effettuata secondo le attuali NTC 2018. Le principali dimensioni dell’edificio sono fornite in Figura 3b.

I materiali da costruzione sono calcestruzzo C 25/30 e acciaio FeB44k. Le proprietà dinamiche del modello SDOF EB sono: m1 = 575 kNs2/m, k1 = 27420 kN/m, T1 = 0.91 s.

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Nel pdf si parla delle soluzioni progettuali descrivendo l'addizione verticale tramite isolamento sismico intermedio e l'addizione laterale tramite esoscheletro e connessione rigida/dissipativa con relative analisi parametriche, configurazioni di progetto e modelli 3D e analisi.

Testo tratto da una Memoria del Congresso ASSISI