Proposta di una procedura speditiva per la stima della vulnerabilità sismica di strutture in muratura

La valutazione della vulnerabilità sismica a larga scala per edifici esistenti è un aspetto fondamentale nell’ottica della riduzione del rischio sismico, in particolare per edifici strategici e/o rilevanti, a causa della loro importanza per la protezione civile.

Differenti metodologie possono essere adottate per la valutazione di essa: metodi empirici/speditivi, basati su valutazioni qualitative ed applicabili ad un cospicuo campione di studi, metodi analitici, basati su analisi numeriche, o ibridi, che utilizzano metodi analitici semplificati.

Per campioni di edifici consistenti, l’uso di metodi speditivi risulta necessario per definire un primo screening del costruito ed una graduatoria di vulnerabilità, da utilizzare come lista di priorità per indirizzare verso quali edifici eseguire successive analisi dettagliate.

Nel presente lavoro vengono riportati i risultati del confronto dell’applicazione di un metodo speditivo (metodo dell’Indice di Vulnerabilità) e uno dettagliato (analisi sismiche di dettaglio) su un campione consistente di strutture in muratura collocate nel territorio toscano.

L’analisi critica di quanto ottenuto ha permesso di elaborare una correlazione tra i risultati dei due metodi, che consente una stima della capacità strutturale degli edifici (in termini di peak ground acceleration di capacità - PGAC) utilizzando le sole informazioni richieste dal metodo speditivo.

Vulnerabilità sismica a larga scala: confronto tra metodi

Il territorio italiano è caratterizzato da un’intensa attività sismica. La maggior parte del patrimonio edilizio esistente risulta molto vulnerabile poiché ricco di edifici storici, spesso carenti di presidi antisismici; è dunque evidente che sia soggetto ad un elevato rischio sismico.

Il rischio sismico

Dal punto di vista scientifico, come noto, il rischio sismico viene definito come funzione di tre fattori: la vulnerabilità sismica del costruito, dipendente dalle caratteristiche intrinseche delle strutture, la pericolosità del sito di costruzione, funzione della ubicazione della costruzione, e l’esposizione, ovvero la quantificazione del bene esposto al rischio (in termini di utilizzatori, funzioni e beni contenuti all’interno delle strutture, etc…).

In questo contesto risulta evidente l’importanza della valutazione della vulnerabilità sismica a larga scala del costruito, per effettuare un primo screening degli edifici e in modo da allocare le risorse verso quelli maggiormente critici per la definizione di analisi di dettaglio ed eventualmente la progettazione di interventi di miglioramento o adeguamento sismico.

In questo lavoro l’attenzione sarà focalizzata sulla vulnerabilità sismica; in particolare verranno analizzati un numero consistente di edifici specialistici in muratura presenti sul territorio toscano, tramite metodi speditivi/empirici e metodi analitici.

Dai dati per la scheda GNDT di II livello possibile stimare la PGAC

Sulla base di quanto emerso attraverso le analisi effettuate, verrà proposta una correlazione fra i risultati ottenuti dall’applicazione dei due diversi tipi di approcci utilizzati. Tale correlazione permette, sfruttando i soli dati utili alla compilazione delle schede GNDT di II livello per la determinazione dell’indice di vulnerabilità (Metodo dell’Indice di Vulnerabilità - G.N.D.T. 1993), di stimare l’accelerazione sismica di capacità della struttura relativa al comportamento globale di essa (PGAC).

Il Gruppo di Ricerca del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale (UNIFI) lavora in questo ambito da diversi anni: già a partire dagli anni 2008-2011 è stata definita una procedura standardizzata per la valutazione della vulnerabilità sismica attraverso l’utilizzo di metodi di analisi speditivi (Del Monte et al. 2008); tale è stata applicata per l’analisi di vulnerabilità di alcuni edifici ospedalieri siti nei Comuni di Firenze, Prato e Pistoia (Ciavattone et al. 2013).

Successivamente, su 20 unità strutturali ospedaliere contenute nel campione analizzato, è stata ricercata una possibile correlazione tra i risultati dei metodi dettagliati, rappresentati da analisi statiche non lineari, e quelli del metodo speditivo dell’Indice di Vulnerabilità (Ciavattone et al. 2016, Boschi et al. 2017). La conclusione del lavoro ha consentito di proporre un nuovo metodo speditivo per la valutazione della vulnerabilità che, basandosi sulle informazioni qualitative richieste dal metodo semplificato originale, permette la stima della PGAC riferita al comportamento globale di una data struttura.

Il presente studio si configura come prosecuzione del lavoro di ricerca, con il duplice obiettivo di incrementare il numero degli edifici indagati alla base della correlazione (da 20 a 32 edifici), al fine di assicurare una maggior affidabilità dei risultati, e di aggiornare i risultati delle analisi numeriche ai contenuti delle normative tecniche per le costruzioni attualmente in vigore (NTC 2018).

Metodi di valutazione della vulnerabilità sismica

Lo studio della vulnerabilità sismica è stato argomento di ricerca fin dai primi anni ’70, e può essere affrontato secondo tre diversi approcci (D’Ayala e Novelli 2010):

• metodi analitici, che consentono uno studio dettagliato della vulnerabilità utilizzando diversi tipi di modelli e di analisi per valutare il comportamento strutturale di un edificio;
• metodi speditivi, basati su osservazioni qualitative, particolarmente utili quando si deve analizzare un consistente numero di edifici per i quali le analisi di dettaglio risulterebbero molto onerose;
• metodi ibridi, che rappresentano una combinazione dei primi due.

Metodi speditivi

I primi studi nell’ambito dei metodi speditivi risalgono agli anni ’70; uno dei metodi sviluppati in quel periodo è il “Damage Probability Matrix Method” (Whitman et al. 1973), che si basa sull’utilizzo di matrici di probabilità di danno, implementate dall’osservazione dei danni prodotti su oltre 1600 edifici dal terremoto di San Fernando del 1971 (California, MW= 6.5). Un simile approccio è stato adottato per la definizione della scala macrosismica europea EMS-98, European Macroseismic Scale (Grünthal 1998), che propone una classificazione della vulnerabilità in funzione della tipologia strutturale dell’edificio (materiale e livello di progettazione sismica), inserendo in un unico sistema di riferimento di vulnerabilità tutte le tipologie strutturali più comuni.

Uno dei metodi più diffusi nel territorio italiano a partire dagli anni ’80 è il Metodo dell’Indice di Vulnerabilità (Benedetti e Petrini 1984, G.N.D.T. 1993), inizialmente sviluppato per le strutture in muratura e poi esteso a quelle in calcestruzzo armato.

Tale metodo prevede la compilazione di una scheda di 11 parametri descrittivi della struttura, ognuno dei quali caratterizzato da un peso (Wi, Tabella 1): a ciascun parametro viene assegnata una classe, da A a D (A rappresenta la condizione migliore e D la peggiore).

La scelta della classe da assegnare è guidata dalle indicazioni fornite nei manuali applicativi del metodo e funzione delle caratteristiche tipologico-strutturali del fabbricato. A ciascuna classe corrisponde un punteggio numerico.

Tali punteggi, mediati sul peso di ciascun parametro, consentono di determinare l’indice di vulnerabilità (IV), espresso in percentuale 0-100. Ad un alto indice di vulnerabilità è associata una struttura vulnerabile. Alcuni parametri della scheda sono direttamente collegati alle caratteristiche strutturali degli edifici (tipo di materiale, organizzazione planimetrica, etc…) mentre altri sono collegati ad aspetti non strutturali.

Tabella 1. Parametri per la determinazione dell’indice di vulnerabilità per edifici in muratura.

Inoltre, nel caso delle strutture murarie, i parametri relativi agli aspetti strutturali sono attinenti sia al comportamento globale sia locale delle strutture sotto azione sismica (ad esempio il parametro 8 rappresenta la distanza massima tra pareti di controvento e può essere collegato alla propensione di attivazione dei meccanismi fuori piano di facciate o pareti esterne).

Il metodo dell’IV ha il vantaggio di essere semplice e di rapida esecuzione, e quindi è ben applicabile allo studio di un vasto campione di edifici.

Metodi ibridi

In tempi recenti sono state sviluppate delle procedure, definite ibride, che consentono di ricavare parametri descrittivi del comportamento della struttura mediante valutazioni semplificate. Questi metodi consentono la quantificazione di indicatori del comportamento strutturale mediante analisi semplificate, da un lato evitando l’eccessivo onere di calcolo delle valutazioni analitiche e dall’altro portando a risultati fisicamente correlati alla struttura in esame, abbandonando quindi l’approccio tipologico dei metodi empirici, che è invece riferibile ad una tipologia o classe di edifici.

Un esempio di metodo ibrido è rappresentato dal progetto S.A.V.E. (Strumenti Aggiornati per la Vulnerabilità sismica del patrimonio Edilizio e dei sistemi urbani), proposto dal gruppo I.N.G.V.-G.N.D.T. per la valutazione degli edifici pubblici nel 2005 (Dolce e Moroni 2005). Tale metodo consente la stima numerica della PGAC attraverso analisi semplificate, riconducibili ad analisi statiche lineari che tengono in conto della dimensione di tutti gli elementi resistenti della struttura e diverse modalità di collasso degli elementi strutturali.

Il Progetto RE.SIS.TO (Resistenza SISmica TOtale), proposto recentemente dall’ Università di Bologna (Chinni e al. 2013), combina il progetto S.A.V.E. con il metodo dell’Indice di Vulnerabilità.

Metodi analitici

I metodi analitici consentono di quantificare parametri indicativi del comportamento della struttura attraverso analisi numeriche di dettaglio che tengono in conto, solitamente attraverso modellazioni tridimensionali dettagliate, della reale distribuzione di masse e rigidezze dell’intero fabbricato.

Questi metodi permettono il calcolo della capacità della struttura (solitamente espressa in termini di Peak Ground Acceleration, PGAC) e dell’indice di sicurezza sismico, come rapporto tra capacità e domanda sismiche.

Focalizzando l’attenzione sulle strutture in muratura, è utile ricordare che la valutazione della vulnerabilità sismica si compone della verifica di attivazione di cinematismi locali di collasso per quelle strutture che mostrano carenze nei collegamenti (tra elementi verticali ortogonali ed elementi verticali e orizzontali) e dell’analisi del comportamento globale qualora non siano attivabili cinematismi.

Nel presente lavoro, vista la natura degli edifici analizzati, a funzione rilevante, con caratteristiche del costruito mediamente a regola d’arte e migliori rispetto a quelle dell’edilizia ordinaria, è stato scelto di focalizzare l’attenzione sul comportamento globale delle strutture, ricavando in ogni caso un indice di affidabilità del risultato ottenuto funzione della possibilità di attivazione di cinematismi fuori piano, come in seguito meglio esplicitato.

Metodi utilizzati e procedura adottata

Per ciascun edificio del campione analizzato, descritto al paragrafo successivo, sono state compilate le schede G.N.D.T. di II livello (metodo empirico) e parallelamente sono state eseguite analisi statiche non lineari con modellazione a telaio equivalente degli edifici per calcolare la PGAC (metodo analitico).

Partendo dal confronto dei risultati ottenuti in termini di indice di vulnerabilità Iv e di PGAC, si intende fornire una correlazione fra queste grandezze, in modo da proporre la formulazione di un nuovo metodo speditivo che, attraverso le informazioni richieste dalla compilazione delle schede G.N.D.T. di II livello, fornisca una stima diretta della PGAC il più possibile coerente col risultato delle analisi dettagliate.

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Articolo tratto dagli atti del XVIII Convegno ANIDIS - Ascoli Piceno 2019