La metodologia SMAV per la valutazione dell’operatività strutturale degli edifici esistenti

Articolo tratto dagli atti del XVI Convegno ANIDIS - www.anidis.it

ABSTRACT
L'articolo descrive la metodologia SMAV (Seismic Model from Ambient Vibrations), finalizzata alla valutazione della vulnerabilità sismica degli edifici limitatamente all’insorgere del danno, attualmente in fase di sperimentazione, basata sull’estrazione dei parametri modali sperimentali dell'edificio attraverso l’analisi modale operativa. Nelle applicazioni descritte nel presente lavoro, l’obiettivo generale è quello di valutare la capacità degli edifici strategici fondamentali per la gestione dell’emergenza a non subire danni tali da comprometterne l’operatività in un quadro di valutazione della capacità complessiva del sistema urbano di soddisfare la Condizione Limite per l’Emergenza (CLE). A tal fine, per la caratterizzazione della loro vulnerabilità operativa vengono proposti un Indice di Operatività Strutturale (IOPS) e una possibile definizione di Classi di Operatività Strutturale (COPS).
Dopo aver fornito un inquadramento generale dell’uso della metodologia SMAV nell’ambito degli studi dell’analisi della Condizione Limite per l’emergenza (CLE) e di Microzonazione Sismica (MS), sono descritte le varie fasi in cui essa si articola. In particolare sono indicate le informazioni di base e la documentazione da reperire in via preliminare, gli standard di esecuzione delle misure e di elaborazione delle stesse, i criteri per la definizione dell'input sismico, i concetti base del modello matematico e i risultati. Infine viene presentata l'applicazione ad un edificio strategico inserito nella CLE del comune di Faenza e svolte alcune considerazioni sui limiti di applicabilità.

1 INTRODUZIONE
La valutazione della capacità di un edificio strategico a conservare l’operatività strutturale a seguito di un evento sismico è di fondamentale importanza per la pianificazione di protezione civile, in quanto permette di comprendere se l’edificio, sottoposto al terremoto di riferimento, potrà effettivamente svolgere la funzione strategica che gli è stata assegnata dal piano.
In termini generali è possibile individuare tre tipi di edifici strategici, appartenenti ad un Comune o a un’unione di Comuni, a cui è affidato rispettivamente il coordinamento degli interventi, il soccorso sanitario e l’intervento operativo. Ciò in coerenza con l’obiettivo di fondo dell’analisi della CLE, introdotta con l’OPCM 4007/12, nell’ambito delle linee di attività per la mitigazione del rischio sismico da attuarsi con i fondi stanziati con la Legge 77 del 24 giugno 2009 (Dolce 2012): analizzare il più generale sistema strategico di protezione civile per i soli aspetti specifici riguardanti la gestione dell’emergenza, a partire da quanto definito e riportato nel piano di protezione civile. Nell’ambito delle attività di supporto e monitoraggio all’analisi della CLE (Bramerini et al. 2014) e agli studi di MS (Bramerini et al. 2008) condotti da parte del Dipartimento di Protezione Civile (DPC) con il supporto di CNR- IGAG, è stata sviluppata una metodologia speditiva per la valutazione dell’operatività strutturale degli edifici strategici.
La metodologia è stata denominata SMAV (Seismic Model from Ambient Vibrations) in quanto il modello matematico dell’edificio è basato sull’identificazione delle caratteristiche dinamiche estratte da misure di vibrazioni ambientali tramite una delle tecniche appartenenti alla classe dell’Operational Modal Analysis (OMA). Tali tecniche permettono di individuare, attraverso la misura delle vibrazioni indotte da sorgenti antropiche quali vento e traffico veicolare (“rumore ambientale”), le proprietà dinamiche e quindi il comportamento effettivo della struttura in opera, con la minima invasività e con la massima precisione e rapidità.

L’utilizzo di questa tecnica ha così contribuito allo studio di svariati problemi dell’ingegneria strutturale quali il monitoraggio, la valutazione del danno (Charles et al. 2004) e la valutazione della vulnerabilità sismica (Calvi et al. 2006 - Gueguen 2013). Recentemente l’OMA è stata utilizzata per estrarre la frequenza fondamentale della struttura e calibrare la parte lineare iniziale delle curve di fragilità (Gueguen 2013).

In altri casi, invece, è stata utilizzata per valutare il comportamento sismico dell’edificio calibrando un modello monodimensionale di trave a taglio con masse concentrate ai piani (Michel et al. 2008) oppure un modello a fibre non lineare di trave alla Timoshenko (Michel et al. 2010). Quest’ultimo modello permette di prendere in considerazione una deformazione accoppiata a flessione e taglio ma, a causa del suo carattere monodimensionale, non tiene conto degli effetti torsionali. La matrice di rigidezza del modello è stimata utilizzando le frequenze estratte dalle misure di vibrazione ambientale, con l'ipotesi di completo disaccoppiamento modale. Questo tipo di modello può essere applicato con successo ad edifici alti e regolari in pianta, ma non è adatto per la maggior parte degli edifici italiani, che sono spesso composti da pochi piani e presentano irregolarità in pianta ed elevazione.

La metodologia SMAV (Mori, Spina 2015), partendo dall’identificazione dinamica con l’OMA, implementa un modello matematico in grado di prendere in considerazione il comportamento spaziale della struttura, tenendo conto dell’effetto combinato di flessione e torsione e del contributo di diversi modi di vibrare. Il tipo di analisi svolta è quella dinamica lineare con sovrapposizione dei contributi modali, in cui l’input sismico è rappresentato o da un accelerogramma o da uno spettro di risposta elastico in accelerazione da normativa e/o da risposta sismica locale.
La risposta sismica è valutata in termini di distribuzione delle accelerazioni assolute, degli spostamenti relativi e dei drift di interpiano su punti opportunamente selezionati in corrispondenza dei diversi impalcati dell’edificio. Inoltre SMAV, attraverso la suddivisione ideale della pianta dell’edificio in più poligoni a comportamento rigido, permette di riprodurre anche una cinematica complessa dovuta a irregolarità geometrico-strutturali (Spina, Mori, Dolce 2015).
Uno degli aspetti più critici dell’utilizzo dell’OMA finalizzata alla previsione del comportamento sismico dell’edificio è rappresentato dal fatto che le frequenze naturali, identificate in regime di vibrazione ambientale, sono diverse da quelle che governano il comportamento della struttura durante il terremoto. Anche le forme modali sono soggette a variazioni che però possono essere assunte trascurabili prima dell’insorgere di significativi danni. A questo proposito, si è osservato (Dunand 2005, Michel et al 2011, Perrault 2013) come le frequenze dell’edificio subiscono una notevole riduzione al crescere dell’intensità sismica ed in particolare come, sia per gli edifici in cemento armato che per quelli in muratura, la riduzione della frequenza naturale è governata dal massimo drift di interpiano raggiunto.

SMAV implementa le curve di letteratura “frequency drop-drift” e, tramite un algoritmo iterativo, aggiorna le frequenze naturali identificate con l’OMA ricalcolando accelerazioni, spostamenti e drift di interpiano prodotti dall’azione sismica di riferimento, fino a convergenza. Si tratta quindi di un’analisi dinamica lineare equivalente, che consente di seguire la variazione delle frequenze naturali fino alle soglie di drift che rappresentano l’inizio del danno strutturale, includendo in tale danno anche quello agli elementi non strutturali interagenti con la struttura (tamponature e tramezzature).
Il risultato finale dell’analisi condotta con SMAV è costituito da un’Indice di Operatività Strutturale (IOPS), calcolato come rapporto tra il drift limite di normativa, che definisce lo Stato Limite di Esercizio preso in considerazione, ed il massimo drift previsto da SMAV quando l’edificio è sottoposto al terremoto di riferimento. Nell’applicazione alle valutazioni della CLE, la metodologia SMAV viene utilizzata per valutare in maniera relativamente speditiva (per il singolo edificio occorrono due giorni, uno di misure e uno di elaborazioni) l’operatività strutturale degli edifici principali del piano di emergenza, fornendo un Indice di Operatività Strutturale (IOPS) ed una Classe di Operatività Strutturale (COPS).
Il modello matematico SMAV è stato validato (Spina et al. 2015) sui dati sperimentali dell’Osservatorio Sismico delle Strutture (OSS) del Dipartimento della Protezione Civile ed è stato implementato in un software VaSCO-smav (Acunzo et al. 2015) sviluppato in ambiente Matlab©.

Nel presente lavoro si descrive l’iter procedurale e gli standard predisposti e viene presentata l’applicazione ad un edificio strategico previsto nel piano di protezione civile, e quindi ricompreso nell’analisi della CLE, del Comune di Faenza. Nel predisporre la metodologia si è mirato alla semplicità applicativa, alla modularità e alla standardizzazione delle procedure, al fine di poterla estendere a diversi contesti e consentire la sua applicazione anche da parte di altre strutture tecniche.

2 LA METODOLOGIA SMAV

La metodologia si articola in 4 fasi:

? Fase 1: rilevamento dei dati di base sul terreno di fondazione e sull’edificio;
? Fase 2: misure sperimentali in situ sul terreno di fondazione e sull’edificio;
? Fase 3: analisi e modellazione (SMAV);
? Fase 4: valutazione dell’operatività strutturale dell’edificio.

Il rilevamento dei dati di base sul terreno e le misure sperimentali sul terreno di fondazione sono necessari solo ai fini della definizione dell’input sismico (fase 3), qualora a tal fine sia necessario ricorrere all’analisi della risposta sismica locale e non siano già disponibili le informazioni necessarie.

ALL'INTERNO DEL PDF L'APPROFONDIMENTO DETTAGLIATO DELLA METODOLOGIA