La verifica degli edifici esistenti in c.a. e gli interventi antisismici

La verifica della sicurezza degli edifici esistenti in cemento armato è regolamentata dalle Norme Tecniche per le Costruzioni del 2018 (DM 17 gennaio 2018) e della relativa Circolare 7/2019 (Istruzioni applicative alle NTC 2018).
Nello specifico, il Capitolo 8 affronta i criteri generali per le diverse tipologie di edifici e le verifiche per definirne lo stato di conservazione, con i diversi tipi di intervento che possono essere effettuati su una costruzione esistente (interventi locali, miglioramento e adeguamento).

In questo articolo approfondiamo gli aspetti relativi alla verifica della sicurezza sismica e ai possibili interventi migliorativi.

 

Cos’è un edificio esistente

Le NTC 2018 definiscono come esistenti le costruzioni per le quali, “alla data della redazione della valutazione di sicurezza o del progetto d'intervento, la struttura risulti completamente realizzata."

Questo concetto richiede un'interpretazione contestualizzata caso per caso, in funzione dell'epoca di costruzione e della normativa vigente al momento dell'edificazione.

Da un punto di vista tecnico, una struttura può considerarsi completamente realizzata quando vale una delle seguenti condizioni:

• sia stato redatto il certificato di collaudo statico in conformità alle Norme Tecniche vigenti all'epoca della costruzione;
• nel caso in cui all'epoca della costruzione non sussistesse l'obbligo di collaudo statico, siano state integralmente completate le strutture portanti verticali, i muri portanti, gli orizzontamenti e le coperture.

Per gli interventi finalizzati alla riduzione della vulnerabilità sismica dei beni del patrimonio culturale vincolato, il riferimento normativo, nelle more dell’emanazione di ulteriori disposizioni, è costituito dal D.P.C.M. 9 febbraio 2011 “Valutazione e riduzione del rischio sismico del patrimonio culturale con riferimento alle norme tecniche per le costruzioni di cui al decreto ministeriale 14 gennaio 2008”.

Tale direttiva, in considerazione della specificità e articolazione del contenuto nonché delle caratteristiche del patrimonio storico edilizio italiano, è adottabile come riferimento per le costruzioni che comunque abbiano una valenza storica, artistica o urbanistico-ambientale, anche se non esplicitamente vincolate, fatto salvo quanto previsto al punto 8.4 delle NTC.

  

Valutazione della sicurezza strutturale

La valutazione della sicurezza di una struttura esistente è un'analisi quantitativa finalizzata a determinare l’entità delle azioni che struttura è in grado di sopportare, garantendo almeno il livello minimo di sicurezza richiesto dalla normativa vigente.

La valutazione deve consentire di stabilire, attraverso un approccio sistematico e rigoroso, se:

1. si può continuare a utilizzare la struttura senza interventi;
2. è necessario modificare l'uso dell'edificio (es: declassamento, un cambio di destinazione o imposizione di limitazioni e cautele nell’utilizzo);
3. è necessario un incremento della sicurezza strutturale mediante interventi specifici.

 Vulnerabilità sismica

La vulnerabilità sismica rappresenta la propensione di una struttura a subire danni durante un evento sismico ed è un parametro fondamentale nella valutazione della sicurezza degli edifici esistenti.

Essa dipende da numerosi fattori, quali:

• la tipologia strutturale (telai in c.a., pareti portanti, strutture miste);
• le caratteristiche dei materiali (resistenza, duttilità);
• i dettagli costruttivi (armature, collegamenti);
• la regolarità in pianta e in elevazione;
• la presenza di elementi non strutturali che possono interagire con la struttura;
• la qualità della costruzione e il degrado subito nel tempo.

La valutazione della vulnerabilità sismica è il primo passo per identificare le criticità dell'edificio e pianificare interventi appropriati. Essa si esprime attraverso il coefficiente ζ_E, che misura la capacità della struttura di resistere all'azione sismica rispetto a quanto richiesto per un edificio nuovo (come vedremo tra poco).

Precisiamo che una verifica a carichi verticali è comunque essenziale e propedeutica: se una struttura non è in grado di sopportare i carichi gravitazionali con adeguati margini di sicurezza, non ha senso procedere con verifiche sismiche più complesse.

In pratica, qualsiasi valutazione di vulnerabilità sismica dovrebbe sempre essere preceduta da una verifica per carichi verticali.

  

Quando è obbligatoria la valutazione della sicurezza

La valutazione della sicurezza deve essere eseguita in presenza di almeno una delle seguenti condizioni:

• riduzione evidente della capacità resistente e/o deformativa della struttura o di sue parti, dovuta a:
  
  • degrado significativo o perdita delle proprietà meccaniche dei materiali;
  • deformazioni anomale, anche causate da problemi alle fondazioni;
  • danni derivanti da eventi ambientali (sisma, vento, neve, temperature estreme) o da eventi eccezionali (urti, incendi, esplosioni);
  • utilizzo anomalo o situazioni di esercizio non previste in fase di progetto;
    
• comprovati errori gravi di progettazione o costruzione, accertati con prove o analisi tecniche;
  
• cambio della destinazione d’uso dell'edificio o di sue parti, con variazioni significative dei carichi variabili (v. dopo) o passaggio a una classe d’uso superiore;
  
• interventi non strutturali che influenzano la sicurezza: anche se non esplicitamente classificati come strutturali, alcuni interventi possono modificare la capacità portante o la rigidezza di elementi portanti, rendendo necessaria una verifica di sicurezza;
  
• interventi strutturali di miglioramento o adeguamento, nei casi previsti dal § 8.4 della normativa;
• presenza di opere realizzate senza titolo abilitativo o in difformità dalle norme tecniche vigenti al momento della costruzione.

Se i problemi individuati riguardano solo parti limitate della costruzione, l’analisi della sicurezza può concentrarsi sugli elementi interessati e su quelli con essi interagenti.

Tuttavia, è fondamentale verificare che le modifiche locali non compromettano il comportamento globale della struttura.

  

Come si esegue la valutazione della sicurezza

La valutazione della sicurezza e la progettazione degli interventi sulle costruzioni esistenti vanno eseguite con riferimento solo allo SLU (Stato Limite Ultimo), ad eccezione delle costruzioni in classe d’uso IV, per le quali sono richieste anche le verifiche agli SLE (Stati Limite di Esercizio).

Nelle verifiche rispetto alle azioni sismiche, il livello di sicurezza della costruzione è quantificato attraverso il coefficiente ζ_E, rapporto tra l'azione sismica massima sopportabile dalla struttura e l’azione sismica massima che si utilizzerebbe nel progetto di una nuova costruzione.

ζ_E = (massima azione sismica sopportabile)/(azione sismica progetto nuova costruzione)

o anche

ζ_E = Capacità/Domanda

In termini di accelerazione al suolo,

ζ_E = PGA_C/PGA_D

ove:

• PGA_C = valore massimo dell'azione sismica (accelerazione al suolo) che la struttura è in grado di sopportare nella configurazione attuale (capacità sismica effettiva dell'edificio);

• PGA_D = è il valore dell'azione sismica di riferimento richiesto dalla normativa per una nuova costruzione, calcolato secondo gli spettri previsti dalle NTC 2018, in base alle coordinate geografiche, la classe d’uso e il periodo di ritorno dell’evento sismico considerato.

Come già anticipato, una corretta valutazione della sicurezza degli edifici esistenti richiede non solo l'analisi del rischio sismico (ζ_E) ma anche del rischio legato ai carichi verticali, espresso dall'indicatore ζ_V, che rappresenta il rapporto tra il valore massimo del sovraccarico variabile verticale che la struttura può effettivamente sopportare e il valore del sovraccarico verticale variabile che sarebbe richiesto per una nuova costruzione.

ζ_V = (massimo sovraccarico verticale sopprtabile)/(sovraccarico verticale variabile per nuova costruzione)

ζ_V può determinare eventuali limitazioni d'uso quando il carico sostenibile è inferiore a quello richiesto. A differenza di ζ_E, l'indicatore ζ_V deriva da una valutazione riguardante singole parti di costruzione.

  

Tipi di intervento antisismico

La norma definisce le seguenti categorie di intervento:

• riparazioni o interventi locali, che interessino elementi isolati e che comunque comportino un miglioramento delle condizioni di sicurezza preesistenti.
  
• interventi di miglioramento, atti ad aumentare la sicurezza strutturale esistente pur senza necessariamente raggiungere i livelli richiesti dalle NTC per edifici nuovi;
  
• interventi di adeguamento, atti a conseguire i livelli di sicurezza previsti dalle NTC.

NB: solo gli interventi di miglioramento e adeguamento sono sottoposti a collaudo statico.

 

 

Per gli interventi di miglioramento e di adeguamento l’esclusione di provvedimenti in fondazione dovrà essere in tutti i casi motivata esplicitamente dal progettista, attraverso una verifica di idoneità del sistema di fondazione in base ai criteri indicati.

  

Interventi locali

Gli interventi locali o di riparazione riguardano singole parti e/o elementi della struttura; non devono alterare in modo significativo il comportamento globale dell’edificio.

Essi hanno lo scopo di perseguire una o più delle seguenti finalità:

• ripristinare le caratteristiche originarie di elementi o parti danneggiate, riportandole alla configurazione precedente al danno;
• migliorare la resistenza e/o la duttilità di elementi strutturali, anche se non danneggiati;
• evitare meccanismi di collasso locale, aumentando la sicurezza di singole parti della struttura;
• modificare un elemento o una porzione limitata della struttura, senza comprometterne l’equilibrio complessivo;
• non variare la rigidezza dell'elemento interessato di più del 15% per impedire una variazione significativa della distribuzione delle sollecitazioni tra elementi.

Il progetto e la verifica di sicurezza possono essere riferiti esclusivamente agli elementi interessati dall’intervento.

Tuttavia, è fondamentale documentare le carenze strutturali riscontrate e dimostrare che l’intervento:

• non modifica in modo sostanziale il comportamento delle altre parti della struttura;
• non riduce il livello di sicurezza preesistente di oltre il 5%, rispetto alla configurazione antecedente al danno, al degrado o a eventuali varianti.

Il valore del 5% fornisce un parametro quantitativo per valutare quando una riduzione del livello di sicurezza è considerata accettabile nell'ambito degli interventi locali.

La relazione tecnica, secondo quanto previsto dal § 8.3 della normativa, può essere limitata agli elementi direttamente coinvolti dall’intervento e a quelli con essi interagenti. Tale documento deve contenere:

• la descrizione delle carenze strutturali individuate;
• le soluzioni adottate per correggerle e/o le criticità ancora presenti;
• eventuali limitazioni all’uso dell’edificio conseguenti all’intervento.

  

Intervento di miglioramento strutturale

La valutazione della sicurezza e la progettazione dell’intervento devono essere estese a tutte le parti della struttura che potrebbero subire modifiche nel loro comportamento statico e dinamico, nonché alla struttura nel suo complesso.

Per quanto riguarda la combinazione sismica delle azioni, il valore di 𝜁_𝐸 può essere inferiore a 1, tuttavia, devono essere rispettati i seguenti requisiti minimi:

• edifici scolastici (classe III) e costruzioni di classe IV: dopo l’intervento di miglioramento, il valore di 𝜁_𝐸 non deve essere inferiore a 0,6, a meno di specifiche eccezioni per i beni culturali;

• altri edifici di classe III e costruzioni di classe II: il valore di 𝜁_𝐸 deve essere incrementato di almeno 0,1 rispetto alla condizione preesistente.

Nel caso di interventi che prevedano l’impiego di sistemi di isolamento sismico, il sistema stesso deve essere verificato garantendo un valore di 𝜁_𝐸 >1.

Gli interventi di miglioramento rappresentano una soluzione intermedia tra la riparazione locale e l'adeguamento completo. Sono particolarmente indicati in diverse situazioni pratiche. vediamo quali.

Edifici di interesse storico o vincolati

In questi casi gli interventi di adeguamento potrebbero richiedere modifiche troppo invasive che comprometterebbero il valore culturale dell'immobile. Il miglioramento potrebbe consentire di:

• incrementare la sicurezza strutturale senza alterare l'aspetto originario;
• preservare gli elementi architettonici di pregio;
• utilizzare tecniche compatibili con i materiali storici.

Ad es. nel caso di un palazzo storico si potrebbe intervenire con catene metalliche nascoste nelle murature, mantenendo inalterati gli affreschi e le decorazioni di pregio.

Edifici con vita utile residua limitata

Per strutture con una vita utile residua limitata o destinati a demolizione/ricostruzione nel medio termine, un intervento di miglioramento può rappresentare la soluzione economicamente più vantaggiosa. Ad esempio, un vecchio edificio industriale destinato a essere riconvertito in area residenziale entro 10-15 anni potrebbe essere sottoposto a miglioramento mirato a garantire la sicurezza nel periodo transitorio.

Edifici con occupazione temporanea o stagionale

Per strutture utilizzate solo in determinati periodi dell'anno, il miglioramento può rappresentare una soluzione ottimale. Esempio pratico: un rifugio montano aperto solo durante la stagione estiva può essere sottoposto a un intervento di miglioramento con l'inserimento di controventi leggeri in legno e la realizzazione di cordoli in sommità delle murature, aumentando il coefficiente 𝜁𝐸.

Edifici con problematiche localizzate

Quando le carenze strutturali sono concentrate in alcune parti specifiche dell'edificio, il miglioramento può essere efficiente. Esempio: in un condominio degli anni '70 che presenta un "piano soffice" al piano terra (pilastri alti e assenza di tamponature), si potrebbe realizzare un intervento di miglioramento focalizzato sull'inserimento di controventi metallici e l'incamiciatura dei pilastri solo a quel livello, incrementando il coefficiente 𝜁_𝐸.

I casi appena analizzati mostrano come il miglioramento sismico rappresenti spesso un compromesso ragionevole tra la necessità di incrementare la sicurezza e vari vincoli pratici, economici o di conservazione. La normativa italiana riconosce questa esigenza, permettendo interventi calibrati sul reale contesto dell'edificio.

  

Intervento di adeguamento strutturale

L’intervento di adeguamento è quello più complesso. Prevede il raggiungimento di determinati livelli di sicurezza.
È obbligatorio nei seguenti casi:

• a) sopraelevazione dell’edificio;
• b) ampliamento con opere strutturalmente connesse alla costruzione esistente, tali da modificarne in modo significativo la risposta strutturale;
  
• c) variazione della destinazione d’uso, se comporta un incremento dei carichi verticali in fondazione > 10%, calcolato sulla base della combinazione caratteristica (considerando solo i carichi gravitazionali, v. dopo);
• d) trasformazione del sistema strutturale, mediante interventi sistematici che determinano un cambiamento significativo della risposta strutturale complessiva. Per gli edifici, questo caso si verifica quando vengono inseriti nuovi elementi verticali portanti su cui grava almeno il 50% dei carichi gravitazionali riferiti ai singoli piani;
• e) cambio di classe d’uso che comporti a classe III ad uso scolastico o di classe IV.

L’intervento deve essere progettato e verificato considerando l’intera costruzione.

Per la verifica della struttura:

Nei casi a), b) e d) (sopraelevazione, ampliamento significativo e trasformazione strutturale), si deve avere:

𝜁_𝐸 ≥ 1,0

Nei casi c) ed e) (incremento dei carichi verticali superiore al 10% e cambio di classe d’uso a classe III scolastica o IV), è consentito:

𝜁_𝐸 ≥ 0,8

Indipendentemente dalla tipologia di intervento, è sempre obbligatorio eseguire la verifica locale delle singole parti o elementi strutturali interessati.

Non è considerato ampliamento (e quindi non richiede adeguamento strutturale) l’incremento di altezza dell’edificio dovuto a:

• cordoli sommitali;
• modifiche della copertura che non comportano aumento della superficie abitabile.

  

Variazione della destinazione d'uso e determinazione incremento carichi

Come visto, se la variazione di destinazione d’uso comporta un incremento dei carichi verticali in fondazione maggiore del 10%, occorre effettuare adeguamento.

L’incremento dei carichi in fondazione va calcolato sulla base della combinazione caratteristica (o rara) con i soli carichi gravitazionali:

G₁ + G₂ + P + Q₁ + Ψ₀₂Q₂ + Ψ₀₃Q₃ + ...

ove:

• G₁: pesi propri degli elementi strutturali
• G₂: pesi propri degli elementi non strutturali
• P: eventuali presollecitazioni
• Q₁: valore caratteristico dell'azione variabile dominante
• Q₂, Q₃, ...: valori caratteristici delle azioni variabili secondarie
• Ψ₀₂, Ψ₀₃, ...: coefficienti di combinazione per le azioni variabili secondarie

In particolare, si devono determinare: i carichi trasmessi in fondazione:

• Carichi ante intervento, con la vecchia destinazione d'uso
• Carichi post intervento, con la nuova destinazione d'uso

Si calcola infine l’incremento:

Incremento = [(Carichi_POST- Carichi_ANTE)/ CarichiA_NTE]

Se incremento > 10%, è obbligatorio l'adeguamento strutturale.

Particolare attenzione deve essere prestata quando si passa da residenziale (qk = 2 kN/m²) a uffici aperti al pubblico (qk = 3 kN/m²) o, ancora peggio, a destinazione a uso commerciale (qk = da 3 a 5 kN/m²) o a depositi (qk ≥ 6 kN/m²).

Di seguito si riporta una tabella di sintesi con le destinazioni d’uso e i carichi delle azioni variabili. Si rimanda alla tabella 3.1 delle NTC per le ulteriori casistiche.

  

Questa tabella riassuntiva è utile per il calcolo dell'incremento dei carichi verticali in fondazione dovuto a variazioni di destinazione d'uso, permettendo di valutare rapidamente se un cambio d'uso comporti un incremento superiore al 10%, soglia oltre la quale è necessario procedere con l'adeguamento strutturale.

NB: la verifica sull’incremento dei carichi in fondazione è cruciale perché un incremento significativo dei carichi può compromettere la sicurezza del complesso fondazione esistente-terreno, valutato per sollecitazioni inferiori, con possibili cedimenti differenziali e conseguenti danni all'intera struttura.

 

Esempi di adeguamento strutturale

Di seguito si riportano esempi pratici di diversi scenari in cui è obbligatorio l'adeguamento strutturale e possibili strategie tecniche per raggiungere i livelli di sicurezza richiesti dalla normativa.

Sopraelevazione di un edificio residenziale

Un condominio edificato prima delle NTC 2008, con esigenza di sopraelevazione di un ulteriore piano. L'intervento richiede l'adeguamento sismico dell'intero edificio, raggiungendo un coefficiente 𝜁_𝐸 almeno pari a 1. Un possibile intervento potrebbe essere ad esempio l'inserimento di nuovi setti in cemento armato nel vano scala e l'incamiciatura dei pilastri esistenti con rinforzi in FRP ai nodi.

Ampliamento di una struttura commerciale

Un ampliamento di un edificio commerciale è stato ampliato con un nuovo corpo di fabbrica connesso alla struttura originaria. Per garantire un comportamento unitario, potrebbe essere realizzato un intervento di adeguamento con l'inserimento di controventi metallici perimetrali e rinforzo delle fondazioni esistenti, raggiungendo un coefficiente 𝜁_𝐸 maggiore di 1.

Cambio di destinazione d'uso con aumento dei carichi

Un edificio originariamente adibito a residenza da convertire in biblioteca, con un incremento dei carichi verticali in fondazione del 15%. L'adeguamento prevede il rinforzo delle fondazioni con micropali e l'inserimento di pareti di controvento in c.a. o un cappotto sismico.

Adeguamento post-sisma

Dopo i danni rilevanti causati da un evento sismico, un complesso scolastico da adeguare mediante una combinazione di tecniche: incamiciatura in c.a. dei pilastri ai piani inferiori, rinforzo dei nodi trave-pilastro con FRP e inserimento di controventi dissipativi. Grazie a questi interventi si è raggiunto un valore 𝜁_𝐸 maggiore di 1.

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L'articolo continua con:

• Procedure di verifica strutturale e sismica degli edifici esistenti
  
• Livelli di conoscenza e fattori di confidenza
  
• Analisi strutturale e valutazione sismica
  
• Progettazione degli interventi e collaudo
  
• Interventi di miglioramento: casi pratici di applicazione
  
• Interventi di adeguamento e miglioramento sismico