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Criteri di tecnologia in zona sismica per il recupero di strutture con calcestruzzi ad alta tecnologia
l'UTILIZZO DEI CALCESTRUZZI AD ALTA TECNOLOGIA (HPFRCC) NEL RECUPERO SISMICO DELLE STRUTTURE IN CLS
Il concetto di progetto strutturale in zona sismica è teso ad innalzare quello di resistenza strutturale sotto l’azione di sollecitazione da terremoto in funzione della classificazione territoriale stabilita dalla normativa in funzione di statistiche di eventi tellurici verificatisi nella nostra nazione. In sostanza, non si tratta di progettare sistemi costruttivi diversi da quelli già conosciuti, ma di aumentare il rispettivo livello di sicurezza mediante analisi ed applicazioni specifiche delle procedure di calcolo della struttura e l’adozione di particolari costruttivi idonei a raggiungere il descritto livello di sicurezza. È bene precisare che tale metodologia progettuale è legata ai parametri stabiliti dalla normativa relativamente alle quattro zone in cui è stato suddiviso il territorio nazionale; pertanto, le sollecitazioni derivanti da un sisma con valori esuberanti da quelli previsti non sono relazionabili alle modalità di resistenza insite nella parte strutturale del sistema costruttivo adottato.Il concetto di ideazione geometrica della struttura in zona sismica è estremamente importante e non riguarda solo le varie sezioni resistenti componenti le singole parti, ma la complessiva configurazione del sistema costruttivo con riflessi, conseguenti, sulla espressione formale e compositiva dell’edificio. In particolare, va segnalato come una forma regolare, caratterizzata, tra l’altro, da una contenuta presenza di strutture a sbalzo, anche se di limitata luce, costituisca il modello di riferimento per le costruzioni in zona sismica caratterizzate da un elevato grado di sicurezza. Tale riferimento formale contraddistinto da un progetto esecutivo improntato su un sistema costruttivo teso a rendere l’effetto scatolare compatto della struttura non deve essere considerato limitativo delle possibilità formali che il progettista intende rendere alla propria ideazione. Questi deve percorrere il giusto percorso progettuale, il solo che definisce la qualità finale di una qualsivoglia architettura, che vede una tecnica esecutiva tesa a rendere la necessaria garanzia di sicurezza al progetto strutturale integrando con essa, unitamente alla buona funzionalità della pianta e ai requisiti di illuminazione, acustica e trasmissione del calore, la forma finale. In sostanza, la dinamica formale deve tendere a quella giusta distribuzione delle masse, richiamata precedentemente, partendo dalla consapevolezza che dell’applicazione della forza sismica non possiamo conoscere a priori né il punto di applicazione né l’intensità. Partendo da tale considerazione occorre creare un sistema strutturale che consenta di assorbire l’incremento sismico lungo tutte le direzioni e, quindi, nel caso di struttura intelaiata ciò si può ottenere realizzando telai spaziali, con i pilastri collegati con travi in tutte le direzioni sia nella parte in elevazione che in quella in fondazione escludendo la realizzazione di strutture intelaiate piane in cui non si prevede tale collegamento tra i pilastri, ma solo lungo una delle direzioni; inoltre, è giusto l’allineamento dei pilastri lungo le direzioni ortogonali tra loro. La seconda regola che deve seguire il progettista esecutivo è quella di evitare il nascere di effetti torsionali tra le masse. In realtà, ogni sistema costruttivo nella sua essenza strutturale è caratterizzato da un baricentro geometrico G, facilmente individuabile, ed un baricentro di applicazione delle forze, il baricentro torsionale T. Quanto maggiormente i due baricentri sono ravvicinati tanto minori sono gli effetti torsionali in presenza dell’incremento sismico; in pratica, occorre diminuire quanto più è possibile l’eccentricità tra i due baricentri delle masse e delle forze.
Come è evidente, l’incremento sismico, oltre che dai coefficienti elencati e che sono legati a logiche tecnico-normative, è fondamentalmente esaltato dalla forza peso. Essa costituisce l’unico valore numerico che il progettista può gestire per contenere il valore totale dell’incremento sismico da considerare nella resistenza globale al momento dell’evento tellurico.
Occorre sottolineare come anche per la resistenza sismica occorra condurre criteri che nascano dalla fase ideativa e progettuale e che, comunque, vanno verificati e legittimati da quella di calcolo. Il criterio ispiratore in tal senso è quello di realizzare una struttura “chiusa” nel senso di impedimento di svincolamento dei nodi strutturali. Infatti, l’azione più pericolosa indotta dal sisma è costituita dalla tendenza alla “apertura” della scatola strutturale in funzione dell’applicazione dell’incremento ai vari livelli di piano. Tale condizione di sicurezza può essere fortemente esaltata tramite l’effetto di collegamento dei solai che esplicano la prestazione di tenere compatta la struttura, ai rispettivi ordini, e di distribuire l’incremento sismico tra le travi ed i pilastri in funzione, inoltre, della capacità deformativa del solaio stesso.
Se tali sono le condizioni per la nuova progettazione, tecnologicamente le condizioni si complicano quando si entra nella “fascia” riguardante il recupero e la conservazione degli edifici. In tale ottica è evidente come il territorio nazionale italiano sia caratterizzato da un patrimonio edilizio differenziato sia per quanto attiene le caratteristiche dei materiali utilizzati che per le tipologie edilizie e modalità di posa in opera dei materiali stessi.
I rischi inoltre si aggravano ogni qualvolta si presentano su un tessuto urbano caratterizzato da particolari condizioni di vulnerabilità agli eventi sollecitativi esterni. Le suddette tipologie di rischio si sommano a particolari modalità costruttive e tipologiche che nel tempo inducono ad una perdita o ad una riduzione indicativa dei margini di sicurezza strutturale. In sostanza si tratta di fare affidamento unicamente su quella che viene definita “resistenza residua” dell’elemento strutturale sia nelle sue specifiche sezioni geometriche che di quella valutata nell’organizzazione generale del sistema costruttivo. In questa ottica l'utilizzo di indagini a seguito di terremoti e la capacità di gestire i meccanismi di collasso forniscono allo specialista tecnologo la possibilità di prevenire i fenomeni di danneggiamento dell’impianto strutturale. Infatti, la gran parte dei meccanismi di collasso sono caratteristici di determinate tipologie edilizie e di specifiche tecniche di assemblaggio dei materiali. Sembra, quindi, opportuno individuare indicatori di vulnerabilità strutturale su cui intervenire per ottenere l’innalzamento delle prestazioni sia di sicurezza statica che dinamica dell'edificio.
In letteratura tecnica il rischio strutturale è funzione di tre parametri fondamentali: pericolosità, esposizione, vulnerabilità.
La pericolosità individua la probabilità che un fenomeno avvenga in un determinato sito producendo sollecitazioni eccezionali che investendo i fabbricati esistenti ne può provocare il collasso strutturale. La pericolosità è legata al sito di costruzione ed è strettamente connessa alle caratteristiche geologiche dei terreni che possono amplificare i suddetti fenomeni.
L'esposizione è legata all’area di influenza dell’edificio e cresce in maniera esponenziale in funzione del numero di vittime e di danni che possono generarsi a seguito del collasso strutturale dell'edificio in esame. In sintesi più una fascia territoriale è abitata maggiore sarà la sua "esposizione" al rischio strutturale.
Il terzo fattore di rischio strutturale è la vulnerabilità che definisce la tendenza al danno di un edificio per sollecitazioni sia statiche che dinamiche. È il fattore che maggiormente si lega alle argomentazioni di tipo tecnologico in quanto è strettamente connesso alle modalità costruttive e ai materiali utilizzati. Intervenendo sulla tecnologia è possibile contenere il rischio di vulnerabilità di un fabbricato entro valori di sicurezza.
L'approccio progettuale ad ogni intervento di innalzamento dei livelli prestazionali strutturali di un edificio deve essere avviato attraverso una attenta indagine dello stato esistente, peraltro prevista dalle normative vigenti, anche superando le problematiche specifiche di ogni tecnologia edilizia espressa nell’organizzazione della struttura. È pertanto fondamentale acquisire informazioni e valori per determinare gli indicatori di vulnerabilità e di danno ai fini delle esatte tecniche di intervento invertendo la tendenza che ha troppo spesso caratterizzato indagini tese maggiormente alla ricerca di indicatori di danno piuttosto che ad indicatori di vulnerabilità. In ogni caso i due concetti si integrano per l'individuazione del danno esistente e per la necessità di prevenire il rischio strutturale.
A tale scopo appare di particolare interesse una logica diagnostica che si sviluppi secondo:
· indagine per la caratterizzazione dei materiali costitutivi i macroelementi strutturali, alla valutazione delle caratteristiche di resistenza dei materiali ed allo stato di conservazione degli stessi;
· valutazione degli indicatori di danno rilevabili;
· valutazione degli indicatori di vulnerabilità in funzione delle sollecitazioni;
· valutazione delle condizioni di vulnerabilità prima dell’intervento;
· progettazione degli interventi tesi alla riduzione delle condizioni di vulnerabilità strutturale;
· verifica, in sede di progetto, della soluzione prescelta mediante il calcolo di un nuovo indice di vulnerabilità "post-operam".
Tale filosofia di approccio alla problematica del rischio strutturale consente un controllo continuo del grado di sicurezza strutturale dell'edificio. In tale ottica si possono definiregli indicatori di vulnerabilità tecnologica per gli edifici intelaiati in calcestruzzo armato secondo una classificazione ampiamente accettata:
· Tipo ed organizzazione del sistema resistente/Efficienza dei collegamenti: tiene conto dell'efficienza dei collegamenti tra orizzontamenti e strutture verticali e quindi del funzionamento scatolare dell'organismo.
· Qualità del sistema resistente:considera la qualità, l'omogeneità e l'organizzazione delle strutture verticali. Tali fattori rivestono particolare importanza ai fini della garanzia di funzionamento strutturale in quanto da essi dipende per esempio la capacità di trasmettere in maniera efficiente i carichi trasmessi dai solai in funzione della loro rigidità.
· Resistenza convenzionale: evidenzia l'effetto della qualità e della quantità delle strutture resistenti attraverso un'analisi che tiene conto sia delle caratteristiche di resistenza sia della loro sezione resistente.
· Posizione dell'edificio e delle fondazioni: tiene conto di alcuni aspetti relativi alle fondazioni ed al terreno di fondazione ritenuti influenti sul comportamento sismico globale. In particolare, in zona sismica tale indicatore tiene conto di due aspetti fondamentali. Il primo è legato alla natura geologica dei terreni in sito che possono talvolta produrre una amplificazione delle sollecitazioni sismiche, l'altro è legato alla morfologia del sito ed alla variazione geometrica dell'edificio in altezza, che si evidenzia ad esempio nel caso di edifici fondati su piani a quote diverse.
· Orizzontamenti e Strutture orizzontali: tiene conto del tipo e dell'efficacia dei collegamenti tra gli orizzontamenti e le strutture verticali. In relazione infatti alla capacità di trasferire in maniera uniformemente ripartita le azioni orizzontali ai pilastri può essere valutata l'efficienza dei solai.
· Configurazione planimetrica: tiene conto della forma in pianta attraverso la valutazione dei rapporti tra le dimensioni dell'edificio oltre ad eventuali difformità planimetriche;
· Configurazione in elevazione: tiene conto delle variazioni e discontinuità in elevazione quali piani porticati, eventuali variazione di massa, etc..
· Strutture di copertura: la copertura è considerata come un orizzontamento "speciale" dove si valutano gli elementi strutturali e le forze che essi generano, i pesi e la lunghezza degli appoggi.
· Elementi non strutturali: tiene conto della tipologia e delle caratteristiche di tutti quegli elementi non portanti quali murature d’ambito, cornicioni, piccoli aggetti etc., presenti nell'edificio.
· Stato di fatto: tiene conto della diminuzione di resistenza conseguente ad uno stato di danno quale presenza di lesioni, dissesti, stato di degrado dovuto a carenze manutentive presenti negli elementi strutturali. La carenza di interventi di manutenzione, infatti riduce progressivamente la sezione resistente con grave pregiudizio per la staticità dell'edificio.
A seguito di sollecitazioni esterne di tipo ordinario o straordinario, le strutture principali e secondarie costituenti un edificio reagiscono utilizzando tutte le risorse disponibili al fine di resistere alle suddette azioni. Se le stesse superano le soglie di resistenza caratteristiche dei materiali costituenti le strutture, queste si plasticizzano e, deformandosi, dissipano il surplus di energia esterna non smaltito con le "risorse ordinarie".
A seguito di tali plasticizzazioni, perdurando lo stato sollecitativo esterno, i materiali costituenti le strutture, avendo fatto appello a tutte le risorse interne, "collassano", snervandosi prima e disgregandosi immediatamente dopo con rotture in genere di tipo fragile quando la struttura non è caratterizzata da adeguata duttilità o a seguito di deformazioni plastiche più vistose, se tali doti di duttilità sono presenti e vengono utilizzate a pieno durante le fasi di sollecitazione strutturale.
Tali fenomeni, così esposti in maniera "qualitativa", si generano in ogni tipo di struttura ed a seguito di qualsiasi sollecitazione. Infatti ogni tipologia strutturale, ogni materiale costituente le strutture, è caratterizzato da resistenze caratteristiche sotto le varie sollecitazioni (compressione, trazione, flessione, taglio, torsione, sollecitazioni composte). Tali caratteristiche di resistenza a seguito di una serie di fattori esterni decadono nel tempo (carbonatazione che riduce la resistenza a compressione dei conglomerati cementizi, dilavamento delle malte di calce, ossidazioni delle armature metalliche, etc.) e riducono quindi le soglie di resistenza ultima dei singoli manufatti. Ma non sono solo tali fenomeni "naturali" ad intaccare le risorse di resistenza dei materiali; spesso infatti sono le modifiche sollecitative imposte durante la vita utile dell'opera, a modificare drasticamente le capacità di resistenza strutturale degli edifici (sopraelevazioni, alterazione di porzioni di struttura ai piani bassi, sostituzione di solai e coperture con tipologie più pesanti, riduzione di sezione resistente dei pilastri per esigenze funzionali etc.).
Analogamente, quindi, a quanto fatto per gli indicatori di vulnerabilità, è possibile focalizzare l'attenzione su alcuni indicatori di danno.
ALL'INTERNO DELL'ARTICOLO INTEGRALE L'ANALISI DELLA FASE DI INDAGINE MEDIANTE METODI NON DISTRUTTIVI E LA SCELTA DI CALCESTRUZZI AD ALTA TECNOLOGIA PER IL RECUPERO DELLE STRUTTURE.
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