Il miglioramento e l’adeguamento sismico delle strutture esistenti in C.A. impiegando i principi del “capacity design”

Criticità strutturali degli edifici esistenti in CA e strategie risolutive

La maggior parte del nostro costruito presenta carenze che sono similari, spesso legate all’assenza di regole di progettazione e a normative antisismiche. Si distinguono elementi prevalentemente calcolati per azioni statiche: pilastri carenti di armatura longitudinale e con travi che presentano forti carenze nel caso di inversione del momento flettente o carenze connesse alla presenza di ferri piegati in luogo delle staffe verticali che non offrono contributo nell’inversione della sollecitazione tagliante dovuta alle azioni sismiche. Altro aspetto comune è l’assenza di armatura trasversale che nel pilastro prosegue in corrispondenza del nucleo di intersezione con la trave.

Tralasciando i casi in cui la scelta di intervento ricada sui sistemi di isolamento o di dissipazione, da un primo approccio al consolidamento nasce immediata l’idea di sanare tutte le carenze attraverso l’impiego di rinforzi estesi ed invasivi su tutti gli elementi. È importante invece in questa fase pensare e progettare secondo i moderni principi legati alla conoscenza del comportamento sismico delle strutture.

Il capacity design o gerarchia delle resistenze è un concetto che può facilmente estendersi anche alla progettazione degli interventi di miglioramento o adeguamento sismico di strutture esistenti: il comportamento globale del fabbricato va indirizzato verso una risposta duttile a livello globale, ovvero in cui sono sfruttate al massimo le iperstaticità della struttura intelaiata e il maggior numero di elementi strutturali contribuisce a sopportare l’azione sismica esterna. In tal senso sarà fondamentale evitare la formazione dei meccanismi di collasso fragile a livello locale e globale a favore di meccanismi a più elevata capacità in resistenza e in spostamento.

Primari interventi saranno quindi rivolti a sanare le carenze di armatura trasversale in travi, pilastri e nodi così da scongiurare meccanismi fragili a favore dei duttili nei singoli componenti strutturali.

Esiste tuttavia la possibilità che un insieme di meccanismi duttili comporti un meccanismo fragile a livello globale: ad esempio la crisi duttile di pilastri di medesima resistenza e rigidezza appartenenti allo stesso livello con formazione di un piano “soffice”.

La gerarchia pilastro forte - trave debole applicata all’esistente vuol dire quindi preferenziare la cernierizzazione estremale degli elementi trave garantendo ai pilastri una leggera sovra resistenza anche flessionale.

Tra i sistemi di incremento capacitivo si presenterà nel dettaglio la tecnologia CAM® , che impiegando nastri in acciaio inox di ridotta dimensione (19x0,90mm) ma elevata prestazione meccanica (ftk>1000Mpa) permettono di incrementare la capacità resistente degli elementi, pur nel rispetto dei vincoli architettonici ed impiantistici tipici degli interventi su strutture esistenti.

Le caratteristiche di reversibilità, flessibilità e minimo impatto lo rendono il Sistema scelto dalle Soprintendenze per interventi efficaci anche su beni storici e vincolati.

Guarda un breve video del consolidamento eseguito alla storica sede della BNL di Via Veneto a Roma

Il primario strumento del tecnico deve necessariamente essere la competenza, in seconda istanza è fondamentale l’analisi strutturale impiegando una modellazione agli elementi finiti.

Mediante una analisi dinamica lineare si individuano i meccanismi di collasso primari dei singoli elementi, mentre mediante un’analisi non lineare è possibile individuare oltre al meccanismo anche le zone di plasticizzazione o rottura e la loro sequenza.

In ordine di pericolosità si individuano le macroclassi di rotture e le necessarie soluzioni da adottare. Procedendo per analogia verrà dettagliato come le soluzioni Edil CAM Sistemi permettano di raggiungere tutti i necessari step di intervento.

Crisi per carichi statici e sismici: il rinforzo con la tecnologia CAM®

Il Sistema CAM® è la tecnologia “attiva” per consolidamento degli edifici in cemento armato, permettendo di raggiungere non solo il miglioramento e l’adeguamento sismico dei fabbricati, ma intervenendo efficacemente, per effetto della presollecitazione dei nastri, anche nei confronti dei carichi statici e preesistenti sulla struttura in fase d’esercizio.

Il marchio CAM® identifica il sistema di consolidamento strutturale basato sulla realizzazione di tirantature metalliche realizzate tramite un nastro di spessore ridotto (19 x 0.90 mm) che vengono poste a cerchiare porzioni limitate di struttura.

Ciascun nastro è posto in tensione attraverso una macchina pneumatica specifica per il sistema, di caratteristiche certificate in grado di imprimere al nastro un determinato tiro all’atto del crimpaggio. La “presollecitazione” fa sì che l’elemento risulti subito rinforzato ovvero attivo già per i carichi gravanti nella fase d’esercizio della struttura.

L’elemento di forza del Sistema a marchio CAM® è la sua semplicità, facilità e velocità di applicazione, grazie in parte alla componentistica minima.

Il Sistema, infatti, si compone di quattro elementi base:

• nastro in acciaio inox di prestazione elevata (fyk>700MPa, ftk>1000MPa) da disporre in configurazione di anello chiuso che può essere posto anche in sovrapposizione;
• sigillo, elemento di chiusura del singolo anello di nastro;
• angolari in acciaio S355 con lavorazione interna bugnata da disporre in corrispondenza degli spigoli degli elementi;
• piastra imbutita, elemento ripartitore, da applicare in corrispondenza degli eventuali fori da realizzarsi su travi e pilastri.

Una volta rimosso l’intonaco, in corrispondenza di ciascuno spigolo dell’elemento viene posto in opera l’angolare con malta; non sono necessari ulteriori trattamenti superficiali dell’elemento da consolidare ad eccezione della sola demolizione dell’intonaco.

Gli angolari hanno superficie interna opportunamente lavorata per migliorare l’aderenza con il supporto in calcestruzzo e superficie esterna liscia per consentire un pretensionamento uniforme dei nastri.

Si procede al taglio dei nastri “a misura” e alla disposizione intorno all’elemento da consolidare e alla chiusura dell’anello mediante apposita macchina pneumatica certificata.

La caratteristica di presollecitazione data ai nastri all’atto della posa è l’elemento di unicità e distintivo della tecnologia CAM®.

Il sistema di rinforzo permette quindi un confinamento attivo, con elevati incrementi in resistenza e in duttilità degli elementi, sia per i carichi aggiuntivi che per quelli preesistenti all’atto dell’applicazione.

La leggerezza e la flessibilità consentono inoltre soluzioni che possono essere “cucite addosso alla struttura” che possono essere facilmente descritte dalle immagini delle realizzazioni presentate nel seguito.  

Rinforzo strutturale dei pilastri mediante Sistema CAM®

Nei pilastri le legature CAM® vengono disposte trasversalmente all’asse longitudinale dell’elemento.
Ciò che tali anelli realizzano è una staffatura esterna della sezione e come tale contribuiscono nello scongiurare la rottura fragile a schiacciamento e taglio dell’elemento.

Il nastro deve essere disposto in maniera ortogonale all’angolare. Possono realizzarsi forature intermedie, nei casi in cui sia necessario un rinforzo con “staffatura a più braccia” o nel caso in cui la geometria sia variabile.
In nessun caso l’angolare sarà considerato come elemento di rinforzo a compressione in quanto non vengono realizzati gli opportuni dispositivi di collegamento/contrasto alle sue estremità.

Laddove si voglia invece considerare il contributo dell’angolare nel meccanismo resistente a flessione quale contributo a trazione va garantita la continuità d’armatura laddove il profilato si interrompe.

Ciò viene realizzato in maniera estremamente semplice impiegando normali barre da CA, saldate all’angolare e inghisate in fondazione o nel nucleo interno del pilastro stesso, oppure possono attraversare il solaio e connettersi all’elemento superiore.

Interventi “tipici” per le strutture civili sui pilastri sono rappresentati da angolari 60x60x6mm e nastri singoli a passo di 5 o 10cm per ottimizzare, l’effetto del confinamento sulla sezione. Nei casi in cui vi siano ostacoli “puntuali” o laddove si debbano realizzare staffe a più braccia, il numero di nastri in sovrapposizione aumenta fino a 5 nastri in sovrapposizione e il passo usualmente è posto a circa 20-30cm.

Rinforzo strutturale delle travi mediante Sistema CAM®

Nelle travi le legature sono realizzate preferenzialmente in totale avvolgimento dell’elemento, forando il solaio in corrispondenza del passo scelto. In casi in cui l’altezza di trave sia rilevante rispetto alla geometria del solaio e laddove non si possa intaccare il pavimento del piano superiore, può essere cerchiata la porzione estradossata di trave, forando la trave stessa immediatamente al di sotto dell’orizzontamento.

Sugli spigoli liberi si posizionano gli angolari pressopiegati mentre a livello di solaio, l’angolare lascia il posto ad un piatto oppure alle piastre imbutite.

Anche per le travi, vale quanto descritto per il pilastro: le legature sono armatura aggiuntiva a taglio (staffe) mentre gli angolari offrono il loro contributo resistente a flessione in mezzeria dell’elemento trattato. Laddove la carenza flessionale fosse riscontrata alle estremità va progettata e opportunamente realizzata la continuità d’armatura. In nessun caso l’angolare/piatto sarà considerato come elemento di rinforzo a compressione in quanto non vengono realizzati gli opportuni dispositivi di collegamento/contrasto alle sue estremità.

Nelle travi a spessore di solaio il rinforzo avviene posando tutti piatti o tutte piastre imbutite. La tecnologia CAM® è la sola che permetta di realizzare staffe chiuse nelle travi limitando a semplici forature le “preparazioni” necessarie al rinforzo strutturale.

È facile che, su elementi di larghezza considerevole, la disposizione delle legature sia tale da realizzare una staffa a più braccia oppure si scelga di trattare unicamente la “larghezza collaborante” di trave.

Per limitare l’interferenza con i travetti e la soletta dell’orizzontamento, usualmente si dispongono più nastri in sovrapposizione mentre l’interasse delle staffe CAM® segue la regola delle staffe tradizionali ovvero almeno ad un passo pari a “0,8 d” considerando sempre un meccanismo a traliccio di Morsch.

Nel caso di travi “libere da solaio” è preferibile disporre i nastri in minor sovrapposizione ma a passo ridotto così da massimizzare l’effetto del confinamento della sezione.

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L'articolo continua con la trattazione dei:

• Rinforzo strutturale dei nodi trave-pilastro mediante Sistema CAM®
  
• Progettazione della tecnologia sostenibile Edil CAM Sistemi nel retrofitting di strutture in CA

Per maggiori informazioni sul Sistema CAM vai sul sito di EDIL CAM Sistemi