Procedura rapida di valutazione della vulnerabilità sismica degli edifici esistenti in muratura

Sismica360, società di consulenza in ingegneria sismica di Pavia, ha intrapreso una collaborazione pluriennale con la società olandese EconStruct mirata alla valutazione della vulnerabilità sismica di strutture esistenti e alla definizione di interventi di rinforzo sismico.

Dopo aver maturato una forte esperienza in materia di analisi di vulnerabilità sismica e progetto di soluzioni di rinforzo su edifici in muratura tipici della regione di Groningen, a nord dei Paesi Bassi (con all’attivo più di 250 strutture olandesi analizzate), Sismica360 ha sviluppato una procedura di “Fast Assessment” o valutazione rapida della vulnerabilità sismica. Questa procedura è stata concepita come uno strumento per definire una lista di priorità d’intervento qualora ci si trovi a dover valutare la vulnerabilità di un numero consistente di strutture esistenti in muratura.

Attraverso questa procedura è possibile stimare la vulnerabilità globale della struttura senza uso di analisi agli elementi finiti (FEM) basandosi sulle caratteristiche geometriche/strutturali e su un database di risultati ottenuti su edifici precedentemente analizzati. In altre parole, l’obiettivo principale della procedura proposta è di ridurre in modo sostanziale l’oneroso tempo computazionale di analisi dettagliate, fornendo una metodologia semplificata in grado di stimare la capacità strutturale (nel piano e fuori piano) velocizzando la pianificazione di interventi di rinforzo.

La sismicità indotta dall’estrazione del gas

Negli ultimi anni la regione di Groningen, situata nella parte settentrionale dei Paesi Bassi, è stata soggetta a sismicità indotta causata dall’attività di estrazione di gas. La singolarità di questo tipo di sismicità è di essere caratterizzata da epicentri superficiali e quindi con un piccolo raggio d’azione ma con intensità significative in termini di accelerazioni di picco. La situazione della regione di Groningen è resa ancora più caratteristica dalla presenza di una popolazione di edifici particolarmente vulnerabili.

Le strutture della zona sono per lo più in muratura non armata, tipicamente di uno/due piani fuori terra con grandi aperture per garantire maggiore illuminazione nei mesi invernali e caratterizzate dalla presenza di muri a doppio paramento con intercapedine d’aria, i cosiddetti “cavity wall”, soggetti a bassi carichi assiali. Il grande divario tra l’ampia popolazione di strutture da analizzare e la scarsa disponibilità di professionisti locali con adeguate competenze in materia di ingegneria sismica sono tra le principali ragioni alla base di una sfida “fuori dall’ordinario” ma al tempo stesso molto stimolante.

Metodo semplificato di valutazione della vulnerabilità sismica: descrizione della procedura

La valutazione della vulnerabilità sismica di strutture esistenti, così come il progetto di nuove strutture nella regione di Groningen deve essere effettuato seguendo le linee guida NPR9998 realizzate ad hoc dall’istituto di normalizzazione NEN.

In particolare, il metodo principalmente utilizzato per la valutazione della vulnerabilità sismica di edifici esistenti sono le analisi statiche non lineari, dette anche analisi “pushover”.

Queste analisi portano alla definizione di una curva di capacità della struttura in termini di forza/spostamento che poi viene trasformata in una relazione bilineare equivalente in termini di accelerazione/spostamento. Nella normale pratica progettuale la definizione della curva di capacità di un edificio viene fatta attraverso un’analisi FEM di un modello della struttura, sia esso 2D o 3D. La principale idea della procedura di analisi rapida proposta è quella di stimare la curva di capacità sulla base di correlazioni ottenute da un database di risultati di analisi pregresse su strutture di una data tipologia costruttiva senza servirsi di analisi FEM (in modo da evitare totalmente le tempistiche per la modellazione e l’analisi).

Caratterizzazione degli edifici esistenti in muratura utilizzati per la calibrazione e validazione preliminare

Nello specifico, il database di strutture utilizzato per derivare la procedura semplificata è costituito da 15 edifici in muratura (Fig. 1), tecnicamente noti come “detached houses”. Questi edifici sono caratterizzati da due piani fuori terra (di cui uno effettivo di muratura al piano terra e un attico/sottotetto con timpani), muratura non armata con blocchi di laterizio/silicato di calcio a singolo o doppio paramento con intercapedine d’aria, solai analizzati come rigidi (ipotizzando già la presenza di un rinforzo degli stessi) e tetto in legno.

IMMAGINE 1: Campione di edifici soggetti ad analisi di vulnerabilità sismica complete usati come database per derivare la procedura semplificata.

Quali sono i risultati ottenuti?

I risultati ottenuti dalle analisi di vulnerabilità sismica complete di questo campione di edifici, eseguite usando il software di calcolo 3Muri (in grado di svolgere analisi statiche non lineari secondo le prescrizioni delle linee guida olandesi NPR9998), sono stati utilizzati per estrapolare correlazioni tra le principali caratteristiche geometriche delle strutture e la loro capacità sismica.

La capacità sismica, come anticipato, è rappresentata dalla curva bilineare equivalente accelerazione/spostamento e pertanto il database di risultati di analisi su edifici noti è servito per la definizione delle seguenti correlazioni:

• a*: capacità in termini di accelerazione spettrale, stimata proporzionalmente alla percentuale di muratura rispetto alla superfice totale dell’edificio, ρ (Fig. 2);
• d*: spostamento ultimo, stimato in funzione lineare dell’altezza deformabile degli elementi resistenti in muratura e della loro tipologia di danneggiamento (taglio o flessione);
• T*: periodo fondamentale, stimato come linearmente proporzionale alla percentuale di muratura rispetto alla superfice totale dell’edificio, ρ (Fig. 3).

IMMAGINE 2: Correlazione tra percentuale di muratura e accelerazione ottenuta dalle strutture del database analizzate

IMMAGINE 3: Correlazione tra percentuale di muratura e periodo fondamentale ottenuta dalle strutture del database analizzate.

A parità di caratteristiche strutturali della tipologia selezionata, queste correlazioni, che vengono applicate per le due direzioni principali dell’edificio, permettono in modo facile e veloce di definire la curva di capacità di una struttura data la sua geometria. 

Una volta definita la capacità è necessario determinare la domanda sismica: le linee guida olandesi consigliano l’utilizzo del Capacity Spectrum Method (Freeman, 1978). Tuttavia, questo metodo non è di facile applicazione essendo iterativo; inoltre, il metodo è stato originariamente sviluppato per la progettazione di nuove strutture e quando applicato alla verifica di strutture esistenti può risultare inefficace. 

Pertanto, nella procedura proposta è stato applicato il metodo N2 (Fajfar, 2000) considerato più semplice da implementare in modo automatico (in quanto non iterativo). Studi di letteratura hanno dimostrato che in caso di strutture caratterizzate da corti periodi, come quelle in questione, il metodo N2 può portare ad una sottostima della domanda sismica. Si è quindi deciso di implementare all’interno della procedura anche la modifica al metodo N2 proposta da Guerrini et al. (2017). Tale modifica propone una formulazione alternativa della definizione della domanda sismica in termini di spostamento risultando generalmente più conservativa, soprattutto per strutture caratterizzate da un periodo proprio minore di 0.15 s.

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