Come progettare un cappotto antisismico: dal laboratorio al modello di calcolo

Le vulnerabilità sismiche ed energetiche del patrimonio edilizio italiano

Il tessuto edilizio italiano è caratterizzato da una vetustà quasi unica in Europa e, solo nel recente passato, le Norme delle Costruzioni hanno reso obbligatorio tenere in considerazione l’azione sismica tra quelle di progetto. Anche le performance energetiche del costruito si sono rivelate essere piuttosto scarse. Per ovviare ad entrambi i problemi, secondo modalità più o meno efficaci, i precedenti governi hanno introdotto i bonus energetici e sismici, con l’intento di premiare le ristrutturazioni edilizie, stabilendo soglie minime di miglioramento.

In questo contesto, numerose aziende hanno cercato di supportare tale transizione elaborando nuove tecnologie e nuovi prodotti per l’edilizia. Anche Progetto Sisma ha dato (e continua a farlo) il suo contributo, proponendo il cappotto antisismico “Resisto 5.9”, un sistema di miglioramento sismico applicabile esternamente, che integra al suo interno anche un pacchetto isolante.

La prima versione del cappotto antisismico Resisto 5.9

Nella sua prima versione, il sistema di rinforzo Resisto 5.9 era costituito da telai in acciaio opportunamente collegati tra loro e connessi alle pareti esterne dell’edificio.

Il sistema presentava una notevole flessibilità, essendo il modulo standard alto 1500 mm e largo 1150 mm. Il pannello di coibentazione (solitamente in EPS), opportunamente presagomato, era integrato al telaio metallico direttamente in stabilimento. Diverse erano poi le soluzioni di finitura esterna: dalla semplice rasatura e pittura da esterni fino alla facciata ventilata.

Le indagini sperimentali e i test di laboratorio in scala reale

Progetto Sisma ha sempre creduto nell’importanza di validare i suoi prodotti in laboratorio, su provini in scala reale, non affidandosi unicamente a valutazioni numeriche, seppur avanzate. Per questo, si è affidata, fin da subito, a uno dei centri di ricerca sul rischio sismico tra i più avanzati non solo in Italia ma nel mondo, ovvero la Fondazione Eucentre di Pavia.

L’obiettivo principale della ricerca è stata, in particolare, la valutazione delle prestazioni laterali nel piano di pareti in muratura portante rinforzate con il sistema proposto, anche in relazione alla situazione non rinforzata.

L’attività sperimentale, condotta in ben due campagne distinte (2020 e 2021), ha preso in considerazione due tipologie murarie, rappresentative del costruito nazionale: muratura in mattoni pieni e malta di calce con tessitura “di testa” e muratura in blocchi semipieni “doppio UNI” e malta bastarda con tessitura “gotica”.

La sperimentazione condotta ha permesso, prima di tutto, la caratterizzazione di base dei sistemi murari e degli ancoraggi del sistema di rinforzo, tramite prove finalizzate alla determinazione delle proprietà geometriche e meccaniche dei materiali e degli elementi. Successivamente, si è proceduto all’analisi dei parametri sismici, tramite l’esecuzione di prove cicliche di compressione-taglio nel piano di tipo pseudo-statico su pannelli murari in scala reale.

Sono state considerate due configurazioni del sistema di rinforzo: la prima ha previsto il rinforzo della parete mediante collegamento del sistema modulare in acciaio alla muratura tramite ancoraggio chimico; la seconda è stata caratterizzata dal collegamento del sistema di rinforzo, oltre che alla muratura, anche alla fondazione e ai cordoli di piano in cemento armato.

I muri testati sono quindi sette:

• Tre muri in mattoni pieni, di altezza 2435mm, lunghezza 2330mm e spessore 250mm. Il primo non rinforzato, il secondo con il rinforzo applicato alla sola muratura ed il terzo con il rinforzo ancorato sia alla muratura che al cordolo e alla fondazione in c.a. (la lunghezza l e l’altezza h effettive dell’ultimo provino risultano pari a 2350 mm e 2495 mm).
• Altri due muri in mattoni pieni, di altezza 2485mm, lunghezza 1315mm e spessore 250mm. Il primo con il rinforzo applicato alla sola muratura e il secondo con il rinforzo ancorato sia alla muratura che al cordolo e alla fondazione in cemento armato.
• Gli ultimi due muri in blocchi doppio UNI, di altezza 2500mm, lunghezza 2460mm e spessore 250mm. Il primo non rinforzato e il secondo con il rinforzo applicato alla sola muratura.

A corredo delle prove cicliche sui muri in scala reale (rinforzati e non) sono state effettuate presso il laboratorio Prove Materiali e Strutture del Dipartimento di Ingegneria Civile ed Architettura (DICAr) dell’Università degli Studi di Pavia prove sperimentali di caratterizzazione su mattoni e blocchi, sulle malte, su provini in muratura e sui componenti del sistema di rinforzo.

Riassumendo quanto riportato estesamente nel Rapporto Sperimentale di Eucentre, alla luce dei risultati sperimentali il sistema di rinforzo proposto ha dato esiti molto promettenti nei confronti delle azioni sismiche nel piano delle pareti, migliorandone in maniera sostanziale il comportamento soprattutto in relazione agli stati limite ultimi (SLV, SLC), ma anche allo SLD. Questo miglioramento è legato alla capacità che fornisce il sistema di rinforzo di confinare e limitare il livello di danneggiamento, principalmente in termini di riduzione e controllo dell’ampiezza delle fessure, a parità di spostamento impresso nel piano, rispetto ad un elemento murario non rinforzato.

La modellazione del sistema di rinforzo

Le prove sperimentali condotte hanno quindi fornito le basi per la redazione delle Linee Guida di progetto del sistema di rinforzo Resisto 5.9.

Questo documento illustra la procedura per tenere conto del cappotto antisismico essenzialmente in tre modi:

1. Gli elementi strutturali di rinforzo funzionano come presidio anti-ribaltamento, nel calcolo dei cinematismi di collasso;
2. Il sistema fornisce un contributo a livello di capacità deformativa delle pareti in muratura rinforzate;
3. Il sistema fornisce un contributo a livello di resistenza (a taglio e momento a seconda del tipo di collegamento) delle pareti in muratura rinforzate.

Nel primo caso l’installazione di Resisto 5.9 si configura come un intervento locale mentre negli altri casi come globale.

L’entità del contributo dipende, oltre che dal tipo di muratura (assimilabile a mattoni pieni o doppio UNI) anche dalla presenza o meno di un ancoraggio alla fondazione o ai cordoli in cemento armato.

In caso di miglioramento/adeguamento di un edificio è ben noto come sia necessario, in primis, eliminare tutti i meccanismi fuori piano e, successivamente, valutare la prestazione sismica a livello globale. Stimare il contributo di un sistema di rinforzo non è sempre cosa banale, anche se sono disponibili indicazioni e linee guida da parte del produttore del sistema di rinforzo di turno.

Al fine di venire incontro il più possibile al progettista, è possibile calcolare la situazione post installazione del sistema Resisto 5.9 andando a modificare i parametri deformativi delle pareti murarie rinforzate, senza apportare altre variazioni al modello, ovvero senza aggiungere altri elementi che rappresentino il cappotto antisismico.

Nella maggior parte dei software di calcolo in commercio, è possibile variare i parametri delle murature portanti e quindi anche la capacità deformativa delle stesse.

Avendo già a disposizione il modello dello stato di fatto, è quindi sufficiente variare questi parametri per ottenere il modello dello stato “rinforzato”. Nelle linee guida è presente una tabella che indica un coefficiente moltiplicativo da applicare ai parametri deformativi, ad esempio i drift di interpiano ad ogni stato limite.

Nel caso di interventi su muratura portante, non si chiede quindi al progettista di dimensionare o verificare gli elementi strutturali del cappotto antisismico o valutarne l’interazione con il sistema portante originale, poiché questo passaggio è già stato fatto dai test in laboratorio su scala reale appena citati.

A titolo di esempio, nelle Linee Guida è riportato un caso di calcolo di una struttura semplice di due piani in muratura, modellata con il software di calcolo Pro-Sap (e modulo Pro-Sam). L’analisi globale è stata effettuata tramite analisi statica non lineare (pushover), la più indicata per tali tipologie strutturali.

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Il sistema si evolve

Progetto Sisma ha sempre creduto, fin dagli inizi della sua storia, nella necessità di testare i sistemi che propone in scala reale e non fare affidamento unicamente alle analisi di calcolo, per quanto avanzate possano essere. A conferma di ciò, anche l’evoluzione del cappotto antisismico, Resisto 5.9 Tube, caratterizzato dalla sostituzione del telaio di acciaio con un sistema, più flessibile e modulabile, di montanti, traversi e diagonali, sempre in acciaio zincato, è soggetto a una campagna sperimentale.

Presso la Fondazione EUCENTRE di Pavia e presso il Dipartimento di Strutture per l’Ingegneria e l’Architettura DIST dell’Università degli Studi di Napoli Federico II, si stanno conducendo in contemporanea due distinte campagne sperimentali supportate da modellazioni e simulazioni numeriche, finalizzate alla valutazione del comportamento sismico di pareti in muratura portante e a telaio in c.a. tamponati, rinforzate con il Resisto 5.9 Tube.

Il comportamento è analogo a quello descritto in precedenza, anche se il vantaggio è il maggiore grado di libertà progettuale del Resisto 5.9 Tube, che garantisce di intervenire su quasi tutte le tipologie di edifici anche attraverso l’integrazione con altre soluzioni di rinforzo strutturale.

Oltre al rinforzo sismico e al miglioramento energetico, il sistema Resisto 5.9 Tube permette di realizzare un ampio ventaglio di soluzioni in termini di finitura esterna:

• Cappotto tradizionale con rasatura diretta sul pannello isolante
• Facciata fotovoltaica
• Controparete: tale soluzione è realizzata in sinergia con partner internazionali quali Hilti e Knauf
• Facciata ventilata.

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Documenti e riferimenti bibliografici

• Manzini, C.F., Albanesi, L., Morandi, P. [2021] “Risposta sismica nel piano di murature portanti rinforzate con rivestimento esterno modulare in acciaio”, ProgettazioneSismica2 QUADERNO 04 · 2021
• Manzini, C.F., Albanesi, L., Morandi, P. [2022] “Studio del comportamento sismico di murature portanti rinforzate con rivestimento esterno modulare in acciaio - Rapporto sperimentale”, Rapporto di ricerca EUCENTRE.
• LINEE GUIDA PER LA PROGETTAZIONE DI INTERVENTI DI RINFORZO DI MURATURE PORTANTI CON IL SISTEMA RESISTO 5.9 versione 01 - 17/06/2022.
•  Damiani, N., Albanesi, L., Manzini, C.F., Magenes, G., Morandi, P. [2022] “Studio del comportamento sismico di murature portanti rinforzate con rivestimento esterno modulare in acciaio - Rapporto numerico”, Rapporto di ricerca EUCENTRE.
• Albanesi, L., Manzini, C.F., Morandi, P. [2022] “In-plane cyclic tests of URM walls strengthened with an innovative external steel modular framing system”, Proc. of the 3rd European Conference on Earthquake Engineering and Seismology, September 4-9 2022, Bucharest, Romania.
• Morandi, P., Albanesi, L., Damiani, N., Manzini, C.F., Magenes, G. [2023] “In-plane seismic performance of an innovative steel modular reinforcement system for URM walls”, di, XIX ANIDIS Conference, Seismic Engineering in Italy, Procedia Structural Integrity 44 (2023) 1060–1067
• Damiani, N., DeJong, M.J., Albanesi, L., Penna, A., Morandi, P. [2023] “Distinct element modeling of the in-plane response of a steel-framed retrofit solution for URM structures”, Earthquake Engng Struct Dyn. 2023;1–23; DOI: 10.1002/eqe.3910