Interventi di miglioramento sismico di una scuola in muratura: la relazione di calcolo con le modellazioni

Il presente progetto è stato finalizzato al miglioramento sismico dell’edificio di proprietà comunale, l’istituto scolastico “ITC Comi” di Teramo. L’intervento proposto non ha trasformato l’edificio in un organismo edilizio in tutto o in parte diverso da quello esistente, non ha determinato incremento né di volumetria, né di superficie utile, ma ha conservato e valorizzato l’aspetto architettonico del plesso scolastico, aumentandone il grado di sicurezza globale e delle singole componenti strutturali, nel rispetto della normativa vigente. 

L'ITC Comi di Teramo: un edificio storico in muratura portante danneggiato dal sisma del 2009. La descrizione generale della struttura 

A seguito dell’evento sismico principale del 06/04/2009 e del successivo sciame sismico, l’edificio ha riportato seri danneggiamenti alle componenti strutturali e non, tali da renderlo inutilizzabile e oggetto del presente progetto di miglioramento sismico. Si precisa inoltre che, a seguito del sisma dell’agosto 2016 e del gennaio 2017, il quadro dei danneggiamenti esistenti non ha subito stravolgimenti e non si sono evidenziate nuove criticità o danneggiamenti di altra natura per i quali si dovessero rendere necessari interventi di natura differente di quelli già previsti ed inseriti in fase di progetto definitivo.

E’ stato realizzato un intervento mirato al miglioramento sismico della struttura in oggetto. Per poter valutare il livello di sicurezza della struttura è stata eseguita una doppia modellazione, una prima denominata ante operam in cui è stato descritto, attraverso il modello, lo stato di fatto in cui versava la struttura. Nella modellazione post operam invece sono state apportate tutte le modifiche di natura strutturale al fine di ottenere un livello di sicurezza sismica fino al raggiungimento di un determinato tempo di ritorno. 

Il plesso scolastico è costituito da 3 distinti corpi di fabbrica principali, tra loro connessi e collegati, oltre ad elementi di collegamento (passerella, scale ed ascensore), tutti prospicienti su un cortile interno recintato, come in seguito specificato: 

- edificio storico (1904-1914) destinato ad aule e laboratori, costituito da tre piani fuori terra oltre un piano sottotetto ed un seminterrato, avente struttura portante in muratura e copertura con capriate in legno di tipo a padiglione e manto con tegole marsigliesi. La superficie coperta complessiva di tale edificio è pari a 6.687,30 mq, oggetto del presente progetto; 

- edificio annesso (1965-1970) destinato ad aule e laboratori, costituito da tre piani fuori terra, avente struttura portante intelaiata in calcestruzzo armato e copertura a falde, non interessato dal presente progetto; 

- edificio annesso palestra (1965-1970), costituito da un piano fuori terra, avente struttura portante intelaiata in calcestruzzo armato e copertura piana non interessato dal presente progetto; 

- il collegamento tra i vari corpi di fabbrica è realizzato tramite una passerella in acciaio, vincolata strutturalmente ai due edifici principali (edificio storico ed annesso), non interessato dal presente progetto; 

- a servizio dei plessi scolastici sono presenti n°2 scale di emergenza in acciaio esterne, una per ciascun plesso oltre un impianto ascensore anch’esso esterno a servizio dell’edificio storico. Tali elementi strutturali sono strutturalmente indipendenti dagli edifici di cui sono a servizio e non sono interessati dal presente progetto; 

- il cortile interno, risulta essere lo spazio destinato ai vari punti di raccolta in caso di emergenza, in quanto su di esso confluiscono sia le scale di emergenza dai piani superiori, che le uscite di sicurezza del piano terra. 

Figura 1: Facciata dell'ITC Comi di Teramo. 

La descrizione strutturale dell'edificio scolastico teramano

La struttura dell’edificio è realizzata in muratura portante, con setti ortogonali nelle due direzioni ben ammorsati nella maggioranza delle situazioni ispezionate, orizzontamenti a volta di differente tipologia escluso l’ultimo impalcato realizzato con travetti in ferro e tavelloni e la copertura realizzata con struttura in legno massiccio di tipo spingente.

La copertura, essendo stata nel corso degli anni oggetto di successivi e molteplici interventi di riparazione e rimaneggiamenti, si presentava con una struttura non identificabile nei classici schemi statici, ma con situazioni non accettabili staticamente (appoggi di travi in falso, appoggio di capriate su più punti, collegamenti di travi principali e secondarie, etc.), tali da imporne obbligatoriamente una sua sostituzione globale. 

La struttura di fondazione, da quanto è risultato dalla documentazione acquisita, è posta ad una profondità di circa -3.50 mt dal piano di campagna e risulta essere realizzata con un inspessimento della muratura sovrastante, avente una sezione rettangolare mentre non si hanno ulteriori informazioni relativamente alle altre componenti strutturali.

I tre piani destinati alle attività didattiche (terra, primo e secondo) sono collegati da n°2 scale interne disposte in posizione planimetrica opposta e sono collegati allo spazio esterno per mezzo di una scala di emergenza in acciaio, realizzata con una struttura indipendente. Inoltre è presente un vano ascensore esterno a servizio dei tre piani fuori terra. 

Gli impalcati di piano sono realizzati con volte di diversa tipologia, al piano seminterrato, terra e primo, mentre al piano secondo sono realizzati con putrelle un acciaio e tavelloni. La copertura è realizzata con tipologia a padiglione, realizzata con travi in legno massiccio costituenti, l’orditura principale e secondaria, al di sopra della quale è posizionata la listellatura in abete per il sostegno del manto di copertura in tegole marsigliesi. 

Carenze strutturali e stati di danno 

Relativamente allo stato di danno e/o alle carenze strutturali, è stato possibile affermare che: 

- la struttura portante, principalmente al piano primo e secondo era interessata da un quadro fessurativo rilevante, riferito sia ai singoli elementi strutturali che all’ammorsamento dei vari setti murari; 

- la struttura di copertura, oltre che ad essere, in alcune zone, di tipo spingente e non contenuta da nessun cordolo perimetrale, presentava numerosi dissassamenti e diseallineamenti tra le travi in legno e le differenti orditure, puntellamenti e sostegni non compatibili con lo schema statico; 

- erano presenti alcuni setti murari che partono dal piano terra fino alla copertura e sono in falso rispetto alla muratura sottostante del piano interrato. 

La definizione del modello di calcolo dell'edificio scolastico

La modellazione della struttura, è stata eseguita descrivendo in maniera dettagliata tutti gli ambienti di ogni impalcato di piano, riportando nella modellazione gli spessori delle murature come da rilievo effettuato in sito, e tutte le aperture, (porte, finestre, portefinestre e nicchie). 

L’edificio risulta regolare in pianta, la regolarità in altezza invece è garantita dalla particolare disposizione delle aperture, inoltre da una unità funzionale caratterizzata da struttura portante in muratura. L’ingombro complessivo del manufatto è valutabile considerando le dimensioni ad U da 64.90 m x 32.40 m. Le caratteristiche principali di quest’ultimo sono schematizzate nelle planimetrie riportate di seguito tratte dal rilievo architettonico. 

La struttura portante del manufatto può essere suddivisa nei seguenti elementi strutturali: 

- Muratura di fondazione di dimensione 70 x 150 cm; 

- Muratura di svariate sezioni in mattoni pieni di malta e calce; 

- Solai di impalcato realizzati con diverse modalità esecutive: volte in mattoni pieni, solai in latero-cemento e solai in putrelle e tavelloni; 

- Soletta scalinata e cornicioni in muratura. 

Sulla base delle conoscenze sinora acquisite, è stato redatto il progetto di miglioramento sismico dell’intero edificio, con particolare attenzione ai setti murari ed alla struttura di copertura, che tra l’altro, è stata oggetto di un rifacimento completo eliminando l’effetto spingente della stessa sulla struttura muraria. In seguito vengono riportate delle immagini rappresentative della modellazione eseguita, che in una prima fase è servita per la rappresentazione e valutazione della struttura nello stato ante operam, ottenendo la conoscenza del livello di vulnerabilità sismica dell’intero edificio corrispondente, pari al 27.93% come risulta dal tabulato di calcolo. 

Figura 2: istituto scolastico, vista anteriore, stato di fatto. 

Figura 3: istituto scolastico, vista posteriore, stato di fatto. 

La struttura nel suo complesso, a causa sia di gravi manchevolezze originali dalla costruzione (es. murature portanti in falso, assenza di cordolo perimetrale, manomissione struttura di copertura) che di danneggiamenti dovuti al sisma (es. disammorsamento struttura lignea di copertura, danneggiamento architravi, etc.), ha un coefficiente di vulnerabilità sismica molto basso che la rendeva non idonea alla destinazione d’uso di edificio scolastico.

Con il progetto di miglioramento sismico redatto, sanando alla fonte le gravi manchevolezze, e migliorando laddove possibile, i particolari costruttivi degli elementi strutturali (ammorsamento degli angoli, fasciature con materiali compositi, etc.), si è riusciti a riportare la resistenza all’azione sismica ad un valore accettabile (> 80% della domanda sismica) ed in linea con quanto previsto dalle vigenti normative e circolari. 

Gli interventi di migliramento sismico previsti per la scuola

Sulla base del modello rappresentativo dello stato ante operam, sono state inserite le proposte progettuali di miglioramento sismico di seguito elencate: 

• chiusura di nicchie e rafforzamento di setti murari; 
• chiusura e sarcitura di lesioni su pareti portanti in mattoni ed ammorsamento degli angoli; 
• sostituzione integrale della copertura con formazione del cordolo sommitale in muratura; 
• realizzazione incatenamenti di facciata; 
• rinforzi di piastri in muratura facciavista con diatoni in acciaio; 
• rinforzi intradossale di archi in muratura; 
• rinforzi intradossale volte a crociera 

È stato ottenuto lo stato post operam, sul quale mediante l’utilizzo di un programma di calcolo agli elementi finiti (MasterSap della ditta AMV Software Company), sono state eseguite tutte le verifiche necessarie all’attestazione del livello di sicurezza post intervento. L’obbiettivo prefissato era quello di raggiungere un livello di vulnerabilità sismica, almeno pari all’60% della domanda sismica così come previsto dalla normativa vigente all’epoca del progetto (NTC 2008). 

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