Progettazione e modellazione di tecniche tradizionali e dissipative per la riabilitazione sismica di edifici industriali prefabbricati in c.a.

Il presente lavoro descrive il progetto e la verifica di interventi di riabilitazione sismica su edifici esistenti. Il lavoro fa parte delle attività di ricerca svolte per valutare le prestazioni sismiche di edifici industriali prefabbricati monopiano in cemento armato nell’ambito del progetto Rischio Implicito (RINTC) (RINTC 2022-2024).

Per quanto riguarda l'unità di ricerca Eucentre, sono stati considerati come casi studio tre edifici monopiano, situati in tre città italiane (Milano, Napoli e L’Aquila) caratterizzate da livelli crescenti di pericolosità sismica (hazard), e sono state analizzate tre soluzioni di intervento.

La prima è una strategia di primo livello (cioè con bassa invasività) di tipo tradizionale che prevede l'uso di profili in acciaio per prevenire la perdita di appoggio degli elementi strutturali principali, la seconda è una tecnica di secondo livello (cioè più invasiva) di tipo tradizionale che consiste nell’incamiciatura in c.a. dei pilastri, mentre la terza è una soluzione di secondo livello di tipo innovativo che comprende l'uso congiunto di due dispositivi di dissipazione dell'energia, ovvero un dispositivo di dissipazione ad attrito per connessioni trave-pilastro e un sistema di controventamento in acciaio con elementi sacrificabili dissipativi.

I vantaggi strutturali derivanti dall'uso di tali dispositivi includono non solo la riduzione degli spostamenti laterali globali e delle sollecitazioni negli elementi strutturali principali, nonché l'aumento della resistenza laterale dell'edificio, ma anche la loro sostituibilità dopo un evento sismico. Inizialmente sono stati creati modelli tridimensionali lineari elastici dei tre edifici di studio, per consentire la progettazione degli interventi di rinforzo e la valutazione conforme alle normative attuali delle configurazioni esistente e rinforzate. Successivamente, sono stati creati modelli tridimensionali nonlineari degli edifici per una valutazione più accurata delle prestazioni sismiche di tutte le configurazioni, basata su analisi nonlineari statiche (pushover) e dinamiche. In questo lavoro sono stati sfruttati gli sforzi compiuti negli anni precedenti di RINTC (RINTC workgroup, 2018; RINTC, 2019-2021), in termini di casi studio selezionati, ipotesi di modellazione e selezione degli accelerogrammi.

Descrizione degli edifici oggetto dei casi studio

Sono stati considerati tre casi studio, con geometria evidenziata in Figura 1.

• Il primo è un edificio ubicato a Milano e realizzato negli anni ‘70: si tratta di un caso studio derivato da un edificio reale progettato unicamente per azioni di tipo statico.
• Il secondo edificio è lo stesso caso studio di Milano, ma ubicato a Napoli e progettato sempre negli anni ’70, e perciò precedentemente alla classificazione sismica (avvenuta nel 1981).
• Il terzo edificio è il caso studio di Milano, ma riprogettato per azioni sismiche secondo le norme degli anni ’70 e ubicato a L’Aquila.

La Tabella 1 riporta le caratteristiche degli edifici considerati, ricavate dai progetti originali per i casi di Milano e Napoli e tramite progetto simulato con le normative vigenti negli anni ’70 per il sito dell’Aquila.

Come si nota, i casi studio di Milano e Napoli hanno la stessa struttura, considerati i livelli simili di hazard dei due siti, e sono caratterizzati da nodi trave-pilastro puramente attritivi.

L’edificio ubicato a L’Aquila è invece caratterizzato da pilastri con sezione maggiore e dalla presenza di spinotti di piccolo diametro (Φ10) nei nodi trave-pilastro. Tutti i tre edifici sono caratterizzati da un periodo fondamentale T1 che è circa pari a 0.5 s.

Verifica dello stato di fatto

Seguendo le attuali disposizioni della normativa sismica italiana, ovvero le NTC18, per i tre edifici è stato valutato l’indice di sicurezza (o di rischio) ζ_E, definito come il rapporto tra la capacità e la domanda dell’accelerazione di picco al suolo (PGA), tenendo conto di tre diversi meccanismi di collasso, vale a dire:

1. collasso delle connessioni trave-pilastro (ad attrito o con spinotti metallici);
2. meccanismi duttili (flessione nei pilastri); 3) meccanismi fragili (taglio nei pilastri).

La verifica è stata effettuata tramite la modellazione degli edifici casi studio nel software Midas Gen attraverso analisi dinamica lineare con spettro di risposta (Figura 2).

Il meccanismo di collasso relativo ai collegamenti tegolo-trave non è stato considerato, poiché i tegoli nei casi studio in esame risultano rigidamente collegati alle travi.

La stima dell’indice di sicurezza relativo al collasso delle connessioni trave-pilastro nei casi di collegamento ad attrito è stata effettuata a posteriori utilizzando i valori derivanti dell’analisi e ipotizzando il coefficiente di attrito; si specifica che la valutazione di tale capacità è stata svolta unicamente ai fini della ricerca ma non è permessa dalle NTC18 in quanto per la trasmissione di forze orizzontali tra parti della struttura non è mai consentito confidare sull’attrito conseguente ai carichi gravitazionali, salvo per dispositivi espressamente progettati per tale scopo (NTC18, § 7.2.2.).

La tabella 2 riporta i valori dell'indice di sicurezza ottenuti per i tre casi studio nella loro configurazione non rinforzata, per tutti i meccanismi di collasso ed entrambe le direzioni. Tale verifica, il cui esito è positivo se E è maggiore dell'unità, è chiaramente governata dal valore minimo dell'indice di sicurezza individuato tra i meccanismi e le direzioni considerati: tale valore minimo, indicato in grassetto nella Tabella 2, viene raggiunto lungo la direzione longitudinale (y) del primo meccanismo di collasso, per tutti i tre siti.

Strategie di rinforzo e relativa modellazione

I modelli lineari in Midas Gen sono stati utilizzati anche per il progetto degli interventi e la verifica delle configurazioni rinforzate.

L’intervento di primo livello, corrispondente ad un miglioramento sismico, è consistito nell’applicazione di piastre in acciaio ai nodi trave-pilastro delle travi principali, che consentono la rotazione nel piano in direzione trasversale (x), ma impediscono la rotazione fuori piano (a torsione delle travi principali) e lo scorrimento delle travi principali rispetto ai pilastri. Tali piastre, come si dirà nel seguito, sono state anche accoppiate agli interventi di secondo livello.

Per il sito di Milano, caratterizzato da un’azione sismica molto bassa, l’intervento di miglioramento ha consentito di ottenere un indice di sicurezza pari a 0.6, ritenuto soddisfacente.

Per questo motivo, i due interventi di secondo livello, corrispondenti ad un adeguamento sismico, sono stati eseguiti solo per i siti di Napoli e L’Aquila.

Il primo intervento di adeguamento, di tipo tradizionale, è consistito nell’incamiciatura dei pilastri.

È stato eseguito un ringrosso simmetrico di 10 cm su tutti i lati dei pilastri, che sono quindi passati ad una sezione quadrata di lato 55 cm per Napoli, e 75 cm per L’Aquila.

Per rispettare i requisiti delle NTC18 in merito alle incamiciature in c.a. (Circolare alle NTC18, § C8.7.4.2.1), che prescrivono di evitare differenze eccessive tra il calcestruzzo nuovo e quello esistente, per la camicia è stato utilizzato un calcestruzzo di classe C28/35, a fronte di un calcestruzzo esistente di classe Rbk 350.

Acciaio di classe B450C è stato invece impiegato per le nuove barre di armatura. Per l’edificio di Napoli, l’incamiciatura è stata eseguita sia con una percentuale di armatura del 2.5%, derivante dal progetto elastico con spettro di risposta, sia con la percentuale minima da normativa, ovvero l’1% (Figura 3).

Per il caso dell’Aquila, invece, il progetto elastico ha portato direttamente ad una percentuale di armatura dell’1%, che è quindi stata applicata. Sono stati aggiunti connettori a U ancorati nel pilastro esistente per solidarizzarlo con il calcestruzzo nuovo. L’incamiciatura è stata accoppiata con piastre in acciaio applicate ai nodi trave-pilastro, le stesse utilizzate nell’intervento di miglioramento. Tali piastre sono state collegate alle travi principali mediante distanziatori in acciaio a sezione quadrata cava (vedi Figura 3).

Il secondo intervento di adeguamento, di tipo innovativo, è consistito nell’utilizzo congiunto di due diversi tipi di dispositivi di dissipazione energetica, applicati ognuno in una direzione principale, in particolare:

1) un dissipatore attritivo rotazionale da applicare ai nodi trave-pilastro 
2) controventi con elementi sacrificali isteretici (vedi Figura 4).

Tali dispositivi sono concepiti per essere installati senza l’uso di malte ed essere sostituiti se danneggiati in seguito ad un evento sismico.

I dissipatori attritivi (Figura 4(a)) dissipano attraverso l’attrito generato dalla rotazione relativa di dischi in acciaio con dischi in ottone interposti. Il valore del momento di attivazione, che per i dispositivi utilizzati in questa sede è 40 kNm per entrambi i siti di Napoli e L’Aquila, è dato dal numero di dischi in ottone interposti (in questo caso quattro). Per ogni nodo tra pilastro e trave principale, il dispositivo lavora in uno schema a tre cerniere, in cui le superfici dissipative sono applicate solo nella cerniera centrale, mentre le altre due laterali sono lasciate libere di ruotare (cerniere pure). Vista la presenza di travi secondarie, senza una specifica funzione strutturale, nei telai perimetrali lungo la direzione longitudinale, i dissipatori attritivi sono stati applicati solo ai nodi trave-pilastro nei dieci portali che includono le travi principali, per un totale di 20 dispositivi.

I controventi con elementi sacrificali isteretici (Figura 4(b)) sono caratterizzati da uno snodo centrale, che consente alle porzioni superiore e inferiore dei diagonali di essere fuori asse (Resilio, 2017).

Tale sistema incanala l’energia sismica in ingresso verso lo snodo, dove sono posizionati gli elementi sacrificali che dissipano per isteresi materiale dell’acciaio. In questo lavoro sono state impiegate lamelle in acciaio S355 di classe 60, di dimensioni 60 x 4 mm.

Questi elementi si attivano immediatamente durante un terremoto, preservando il resto della struttura e limitando la forza assiale nei diagonali connessi in serie, che quindi non sono soggetti a instabilità. Le porzioni inferiore e superiore dei diagonali sono costituite da profili HEA200 e profili quadrati cavi, rispettivamente, entrambi di acciaio S275. Vista la luce notevole dei portali in direzione trasversale, i controventi sono stati installati solo nei telai di bordo in direzione longitudinale, nelle due campate centrali, sostituendo i rispettivi campi di muratura.

Anche questo secondo intervento di adeguamento, che consiste nell’installazione di dissipatori attritivi + controventi con elementi isteretici, è stato accoppiato con piastre in acciaio applicate ai nodi trave-pilastro, le stesse utilizzate nell’intervento di miglioramento e accoppiate con l’incamiciatura.

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