Criteri progettuali e soluzioni per il miglioramento strutturale di edifici esistenti in c.a. in zona sismica

Intervenire sulle strutture esistenti, nell’intento di metterle in sicurezza in relazione all’evento sismico, è una operazione da valutare attentamente, tenendo presente la scienza, la normativa, le tecnologie disponibili e, non ultima, la convenienza economica. Spesso l’intervento di demolizione e successiva ricostruzione è la cosa migliore.

Vunerabilità sismica del patrimonio costruito in c.a.

Per capire lo stato del costruito in c.a. in Italia occorre tenere presente come si progettava nell’epoca in cui non esistevano i computer. La progettazione in generale riguardava i soli carichi verticali. Per piccoli edifici, quando possibile, la parte perimetrale veniva realizzata in muratura portante relegando l’impiego del c.a. alle fondazioni, ai solai, ai cordoli ed alla spina centrale dove la trave era calcolata come trave continua ed i pilastri erano dimensionati a pressione semplice. Nel caso di più piani l’edificio in c.a. poteva essere a pareti, solitamente disposte nella direzione della minore dimensione del fabbricato collegate tra loro dai solai o a telai solitamente disposti in una sola direzione, collegati tra loro dai solai. Il telaio era calcolato come trave continua e pilastri erano dimensionati a pressione semplice.

La normativa antisismica del 1974 è stata nei fatti poco applicata. Con l’entrata in vigore del D.M.LL.PP. del 16/01/96 - Norme tecniche per le costruzioni in zone sismiche, si è presentata la necessità di un cambiamento nella modalità di progettazione che prendesse in conto anche azioni orizzontali. Si è però continuato a costruire edifici sismicamente poco sicuri perché solo una parte del territorio nazionale era considerato sismico. Inoltre, la adozione dei particolari costruttivi contenuta nella Circ.M.LL.PP. del 10/04/1997 n.65 - Istruzioni per l'applicazione delle Norme tecniche per le costruzioni in zone sismiche di cui al decreto ministeriale 16.01.1996 è stata spesso disapplicata con la motivazione fuorviante della non obbligatorietà della circolare.  L’imprenditore edile cui spesso veniva affidato anche l’onere economico della progettazione strutturale preferiva affidarla al professionista che non applicava i particolari costruttivi per risparmiare acciaio di armatura, con la conseguenza che, buona parte dei progettisti, per lavorare, si è vista costretta dalla concorrenza a non applicare la circolare.

L’arrivo dell’O.P.C.M. 3274 del 2003 ha fatto chiarezza imponendo la adozione di una normativa sismica allineata alle norme europee ed estendendo la obbligatorietà della analisi sismica all’intero territorio nazionale.

Nei fatti buona parte del costruito in c.a. antecedente al 2003 valutato secondo le NTC18 presenta criticità di varia natura che contribuiscono a determinarne la vulnerabilità. Le NTC stabiliscono il livello minimo di sicurezza sismica da conseguire nella progettazione di un edificio di nuova edificazione. Con riferimento ad esso la vulnerabilità di un edificio esistente viene quantificata attraverso gli indicatori di rischio sismico che possono essere espressi in termini di accelerazione come PGA/PGArif dove:

• PGA è la massima accelerazione al suolo che l’edificio subisce senza incorrere in uno stato limite
• PGArif è la accelerazione al suolo prevista dalle NTC per quell’edificio, per il sito in cui è posto, per il medesimo stato limite in caso di nuova edificazione

Per valutare il comportamento di un edificio sottoposto a sisma si fa usualmente riferimento ad una curva di capacità, cioè ad un diagramma taglio alla base – spostamento in copertura nel quale vengono evidenziati alcuni punti caratteristici: limite elastico, di esercizio, di salvaguardia della vita, di collasso incipiente. 

Dalla curva di capacità si possono ricavare tre grandezze che caratterizzano il comportamento dell’edificio:

• resistenza;
• rigidezza;
• duttilità.

La resistenza può essere quantificata dal taglio massimo l’edificio può sostenere, la rigidezza dal rapporto tra taglio e spostamento nel tratto iniziale della curva, la duttilità dalla capacità di penetrazione in campo plastico della struttura cioè dal rapporto tra spostamento al collasso e spostamento al limite elastico.

In un edificio in c.a. esistente raramente queste grandezze risultano adeguate alle richieste delle NTC.

Se l’edifico è stato calcolato per sole azioni verticali o per azioni orizzontali di entità inferiore a quelle previste dalle NTC la resistenza risulta con ogni probabilità insufficiente. Ne conseguono rotture locali che contribuiscono a determinare l’instaurarsi di meccanismi di collasso globali della struttura.

Se l’edifico è stato calcolato per sole azioni verticali la rigidezza nei confronti di azioni orizzontali non è stata valutata e può risultare insufficiente. Salvo che per la classe di uso IV le NTC non richiedono per gli edifici esistenti le verifiche in esercizio. La verifica dello spostamento di interpiano non rientra quindi tra le richieste di normativa. Una eccessiva deformabilità è però comunque da evitare; può portare al danneggiamento di elementi secondari (tamponamenti) anche per azioni sismiche di modesta entità.

Per quanto riguarda la duttilità il suo perseguimento è alla base delle NTC e viene ricercato instaurando una gerarchia delle resistenze cioè una modalità di danno controllata che tende a ritardare l’instaurarsi di meccanismi fragili. La duttilità in edifici esistenti risulta generalmente inferiore a quella riscontrabile in edifici di nuova edificazione sia per la non applicabilità della gerarchia delle resistenze sia per la assenza dei dettagli costruttivi specifici previsti nelle NTC. Dettagli costruttivi in generale carenti possono ridurre sensibilmente la duttilità. Si pensi ad esempio alla assenza di staffe nei nodi dei telai, a staffe dei pilastri con chiusure a 90° anziché a 135°, scarso confinamento di travi e piastri per staffature inadeguate, lunghezze di ancoraggio o di sovrapposizione insufficienti.

La vulnerabilità è inoltre condizionata da irregolarità strutturali non considerate in sede di progettazione perché non previste nelle norme vigenti all’epoca della costruzione. Esse possono influenzare il comportamento della struttura nei confronti del sisma con amplificazioni degli effetti torsionali e la instaurazione di effetti di piano. Si pensi ad esempio alla irregolarità in altezza denominata piano debole che comporta la concentrazione della dissipazione di energia nei pilastri di un pilotis determinandone il collasso.

Interventi di miglioramento strutturale di edifici in zona sismica: cosa dice la normativa?

I possibili criteri di intervento sono riassunti in NTC18 al punto 8.7.4. CRITERI E TIPI D’INTERVENTO

La scelta del tipo, della tecnica, dell’entità e dell’urgenza dell’intervento dipende dai risultati della precedente fase di valutazione, dovendo mirare prioritariamente a contrastare lo sviluppo di meccanismi locali e/o di meccanismi fragili e, quindi, a migliorare il comportamento globale della costruzione. In generale dovranno essere valutati e curati gli aspetti seguenti:

• riparazione di eventuali danni presenti;
• riduzione delle carenze dovute ad errori grossolani;
• miglioramento della capacità deformativa ("duttilità") di singoli elementi;
• riduzione delle condizioni, anche legate alla presenza di elementi non strutturali, che determinano situazioni di forte irregolarità, sia planimetrica sia altimetrica, degli edifici, in termini di massa, resistenza e/o rigidezza;
• riduzione delle masse, anche mediante demolizione parziale o variazione di destinazione d’uso;
• riduzione dell’impegno degli elementi strutturali originari mediante l’introduzione di sistemi d’isolamento o di dissipazione di energia;
• riduzione dell’eccessiva deformabilità degli orizzontamenti, sia nel loro piano che ortogonalmente ad esso;
• miglioramento dei collegamenti degli elementi non strutturali, alla struttura e tra loro;
• incremento della resistenza degli elementi verticali resistenti, tenendo eventualmente conto di una possibile riduzione della duttilità globale per effetto di rinforzi locali;
• realizzazione, ampliamento, eliminazione di giunti sismici o interposizione di materiali atti ad attenuare gli eventuali urti;
• miglioramento del sistema di fondazione, ove necessario.

Per le strutture in c.a. NTC18 indica specifiche tipologie di intervento o loro combinazioni:

• rinforzo di tutti o parte degli elementi;
• aggiunta di nuovi elementi resistenti, quali pareti in c.a., controventi in acciaio, etc.;
• eliminazione di eventuali meccanismi “di piano”;
• introduzione di un sistema strutturale aggiuntivo in grado di resistere per intero all’azione sismica di progetto;
• eventuale trasformazione di elementi non strutturali in elementi strutturali, come nel caso di incamiciatura in c.a. di pareti in laterizio.

I tipi di intervento si possono suddividere in interventi locali che riguardano singoli elementi strutturali, o porzioni degli stessi, e interventi globali che riguardano il funzionamento della intera struttura.

Interventi locali di miglioramento sismico negli edifici in cemento armanto

A proposito degli interventi locali per edifici in cemento armato la circolare 21 gennaio 2019, n. 7 C.S.LL.PP. propone un elenco con precise indicazioni per le incamiciature sulle modalità di valutazione della loro efficacia. Mancano indicazioni altrettanto esplicite per quanto riguarda uno dei problemi più frequenti negli edifici a telaio in c.a. cioè la verifica dei nodi.

C8.7.4.2.1 Incamiciatura in c.a. per pilastri e pareti, comporta:

• aumento della capacità portante verticale;
• aumento della resistenza a flessione e/o taglio;
• aumento della capacità in termini di deformazione;
• miglioramento dell’efficienza delle giunzioni per sovrapposizione.

C8.7.4.2.2 Incamiciatura in acciaio per pilastri e pareti, comporta:

• aumento della capacità in termini di resistenza a taglio;
• aumento della capacità in termini di deformazione;
• miglioramento dell’efficienza delle giunzioni per sovrapposizione;
• aumento della capacità portante verticale (effetto del confinamento, espressione (8.7.4.6))

 C8.7.4.2.3 Placcatura e fasciatura con materiali compositi per travi, pilastri e nodi, comporta:

• aumento della resistenza a taglio di pilastri, travi, nodi trave-pilastro e pareti mediante applicazione di fasce con le fibre disposte secondo la direzione delle staffe;
• aumento della resistenza nelle parti terminali di travi e pilastri mediante applicazione di fasce con le fibre disposte secondo la direzione delle barre longitudinali ed opportunamente ancorate, purché si garantisca l’efficacia dell’ancoraggio nel tempo
• un aumento della duttilità degli elementi monodimensionali, per effetto dell’azione di confinamento passivo esercitata dalle fasce con le fibre disposte secondo la direzione delle staffe.

Tra gli interventi locali più frequenti negli edifici in c.a. a telaio è il rinforzo dei nodi. Il nodo è in effetti il punto debole del telaio come evidenziato nelle immagini di recenti terremoti. Oltre alle fasciature con FRP citate dalla circolare sono possibili rinforzi con piastre di acciaio o con nastri di acciaio ad alta resistenza posti in opera con pretensione. Questa ultima tecnologia denominata CAM (Cucitura Attiva dei Manufatti) può essere impiegata per quanto riguarda i c.a. oltre che nel rinforzo dei nodi anche nella incamiciatura in acciaio dei pilastri.

Interventi globali di miglioramento sismico negli edifici in cemento armanto

Per quanto riguarda gli interventi globali la norma non fornisce indicazioni esplicite come per gli interventi locali.

Possono essere compresi in questo elenco gli interventi volti a ridurre gli effetti legati alle irregolarità.

La irregolarità in pianta dovuta a forma non compatta (L, T) può essere corretta introducendo nuovi giunti sismici rendendo indipendenti porzioni di edificio di forma compatta.

La irregolarità in pianta dovuta a squilibrata distribuzione di masse e rigidezze può essere corretta con l’inserimento di elementi irrigidenti pareti o controventi che riducano gli effetti torsionali.

Abbiamo già accennato alla irregolarità in elevazione denominata piano debole. Per ridurne gli effetti occorre ridurre la deformabilità del piano. L’intervento più comune consiste nell’inserimento di pareti in c.a. tra pilastri adiacenti.

Isolatore sismico: cos'è e come funziona?

Rientrano tra gli interventi globali quelli di riduzione della domanda quali l’isolamento sismico. La struttura viene divisa in due parti: la sottostruttura vincolata al terreno e la sovrastruttura che viene collegata alla sottostruttura tramite gli isolatori. Il moto del terreno viene così disaccoppiato da quello della sovrastruttura che risulta sottoposta ad accelerazioni inferiori rispetto alla sottostruttura.

Esistono due tipologie di isolatori: elastomerici e a pendolo.

Gli isolatori elastomerici sono costituiti da strati alterni di elastomero e di acciaio collegati mediante vulcanizzazione. Solitamente sono a pianta circolare, ma possono essere realizzati anche con sezione quadrata o rettangolare. Sono caratterizzati da elevata rigidezza ai carichi verticali, modesta rigidezza nei confronti delle azioni orizzontali ed opportuna capacità dissipativa determinata dal tipo di mescola elastomerica solitamente ad alto smorzamento. 

Gli isolatori a pendolo scorrevole sono costruiti in modo da trasmettere il carico della sovrastruttura attraverso una o due superfici sferiche concave accoppiate ad una articolazione convessa a calotta sferica. Essi permettono lo spostamento relativo della sovrastruttura rispetto alle fondazioni secondo una o due superfici sferiche. Il raggio di curvatura della o delle superfici sferiche determina il periodo proprio di vibrazione della struttura che risulta praticamente indipendente dalla massa della struttura stessa. La capacità dissipativa è data dall’attrito della superficie di scorrimento. Il ricentraggio del carico avviene spontaneamente dopo il fenomeno sismico grazie alla forma dell’isolatore. 

L’inserimento del sistema di isolamento nell’edificio esistente interessa solitamente un unico livello del fabbricato situato in prossimità alla fondazione e destinato a garage o cantine; la sovrastruttura solitamente non necessita di interventi poiché la riduzione della azione sismica è significativa. Ciò può consentire il notevole vantaggio di non costringere gli inquilini ad abbandonare temporaneamente le loro abitazioni. Gli isolatori debbono essere posizionati in modo da potere essere ispezionati ed anche sostituiti (caso degli isolatori elastomerici). Gli spostamenti della sovrastruttura in caso di sisma possono essere dell’ordine di centimetri; l’edifico deve quindi essere libero di spostarsi in ogni direzione.

Dissipatore sismico: cos'è e come funziona?

Anche i dispositivi per la dissipazione di energia rientrano tra gli interventi globali. L’obbiettivo che ci si propone con questi dispositivi è quello di limitare il meccanismo dissipativo costituito dalla formazione di cerniere plastiche nelle membrature principali attraverso il trasferimento della capacità dissipativa ad elementi appositamente progettati. La loro applicazione avviene in generale con controventi metallici progettati per rimanere in campo elastico ai quali questi dispositivi sono collegati in serie. I dissipatori viscoelastici fluidi sono dispositivi cilindro/pistone in cui la laminazione di un fluido siliconico attraverso un idoneo circuito idraulico permette la dissipazione di energia. Il loro comportamento è in funzione della velocità di deformazione. 

Anche i dissipatori viscoelastici solidi hanno comportamento dipendente dalla velocità. Solitamente sono realizzati con due strati di materiale viscoelastico (es. gomma ad alto smorzamento) inseriti tra tre piatti in acciaio che dissipano energia quando si deformano a taglio. 

I sistemi isteretici dissipano energia attraverso un meccanismo che è indipendente dalla velocità di applicazione dei carichi. Appartengono a questa categoria i dissipatori isteretici in acciaio che sfruttano la plasticizzazione di elementi in acciaio di forma opportuna, progettata per garantire un comportamento ciclico stabile. I dissipatori isteretici assiali ad instabilità impedita (Buckling Restrained Axial Dampers - BRAD^®) sono i più usati come controventi dissipativi negli edifici. I BRAD^® rappresentano una evoluzione del controvento concentrico a cui viene collegato in serie un elemento duttile di resistenza definita confinato all’interno di un contenitore che ne impedisce lo sbandamento quando soggetto a compressione. Si ottiene così un comportamento in campo plastico simmetrico sia in trazione che in compressione.

Appartengono alla categoria dei dissipatori isteretici i dissipatori ad attrito. Essi dissipano energia generando calore attraverso lo scorrimento fra superfici. L’entità dell’attrito generato dipende dalla natura delle superfici a contatto e dalla forza normale al piano di scorrimento con cui le superfici vengono premute una contro l’altra. L’entità di questa forza che viene calibrata all’atto della installazione deve essere oggetto di regolari controlli manutentivi. Anche lo stato di conservazione delle superfici destinate a scorrere una sull’altra deve essere controllato per evitare variazioni del loro coefficiente di attrito.

Il cappotto sismico: cos'è e come funziona?

Tra gli interventi globali mi preme ricordare il cappotto sismico che si rifà ad uno degli interventi espressamente indicati nel punto 8.7.4 di NTC18:

• introduzione di un sistema strutturale aggiuntivo in grado di resistere per intero all’azione sismica di progetto

Si tratta in sostanza di avvolgere l’edificio con una nuova parete in c.a. che viene collegata all’esistente attraverso connettori posti a livello dei cordoli di piano. È un intervento che, quando possibile, risulta economicamente molto vantaggioso perché le lavorazioni vengono svolte stando all’esterno del fabbricato. Gli inquilini non devono abbandonare le loro abitazioni; finiture ed impianti esistenti vengono mantenuti. Inoltre è possibile un intervento contemporaneo di riqualificazione energetica aggiungendo a quello sismico un cappotto termico. Esistono ditte specializzate nel fornire casseforme prefabbricate che realizzano contemporaneamente i due interventi.

Esiste poi una predisposizione mentale del progettista per questo tipo di intervento. Per quanto vengano spinte le indagini sull’esistente, la reale forma e posizione delle armature dei c.a. non può mai dirsi completamente nota. Volentieri quindi si affida la azione sismica a qualcosa di cui si ha completa conoscenza e controllo.

Il cappotto sismico per essere realizzato richiede che l’edificio non sia a contatto con altre costruzioni e che comunque ci sia lo spazio lungo l’intero perimetro per effettuare le lavorazioni. Devono inoltre essere presenti i cordoli ai piani ai quali agganciare le nuove pareti. I solai esistenti debbono poi garantire la resistenza nel funzionamento a diaframma di piano poiché le forze originate dalle masse distribuite all’interno dell’edificio devono potere essere trasferite alle nuove pareti perimetrali.

È poi da chiarire un aspetto normativo. Secondo NTC18 7.2.3 assegnare al sistema strutturale aggiuntivo l’intera azione sismica significa considerare le strutture esistenti secondarie in quanto destinate a sostenere solo carichi verticali e come tali dovrebbero essere verificate. Inoltre la condizione il contributo totale alla rigidezza ed alla resistenza sotto azioni orizzontali degli elementi secondari non può superare il 15% dell’analogo contributo degli elementi primari difficilmente risulta verificata. È da capire se il paragrafo 7.2.3 ELEMENTI SECONDARI è da applicarsi ai soli edifici di nuova edificazione.

In alternativa le strutture esistenti possono partecipare con le nuove al contrasto della azione sismica. Può essere che l’incremento di rigidezza fornito dalle nuove pareti aumenti la entità della azione sismica ma sicuramente le nuove strutture grazie alla loro rigidezza sono destinate ad assorbirne una quota prevalente.

Sicurezza strutture esistenti: intervenire, o demolire e ricostruire?

La messa in sicurezza dell’edificio intervenendo sulle strutture esistenti è operazione da valutare attentamente se conveniente dal punto di vista economico rispetto alla demolizione e ricostruzione. Dovrebbe a mio avviso essere fissata una percentuale del costo dell’intervento rispetto al costo di ricostruzione (es. 60% - 70%) oltre la quale escludere il recupero delle strutture esistenti. Se lo scopo è quello di garantire al meglio la sicurezza degli edifici la nuova edificazione presenta a mio avviso il vantaggio della certezza di quello che vado a realizzare. La conoscenza del reale stato dei c.a. esistenti in termini di materiali, reale forma, dimensione e posizionamento delle armature mantiene un grado di incertezza per quante indagini si siano svolte. Purtroppo su questi dati, anche se incerti, si basano spesso gli interventi. 

Quando vedo immagini di strutture in c.a. messe completamente a nudo sulle quali vengono effettuati diffusi interventi di rinforzo, immagini spesso associate a proposte commerciali, mi viene spontaneo chiedermi se nel caso siano state fatte queste semplici considerazioni.