Protezione sismica di strutture esistenti in continuità di esercizio con metodi non convenzionali

L’obbiettivo prestazionale dell’adeguamento sismico di strutture esistenti, garantire la sicurezza sismica delle opere che sorgono in zone ad elevato rischio, si unisce alla necessità, per le opere strategiche o sensibili, di assicurare la piena ed immediata funzionalità nelle immediate fasi post-terremoto.

È possibile, in via teorica, conseguire questi due obbiettivi, Sicurezza Sismica (SS) e Continuità Funzionale (CF), mediante il ricorso a Metodi Convenzionali (MC) di rinforzo delle strutture esistenti a DESTINAZIONE STRATEGICA o SENSIBILI che non siano adeguate alle sollecitazioni di origine sismica.

Il ricorso ai MC comporta:

• Per giungere a garantire la IF si dovrà operare un sovradimensionamento rispetto alla soluzione adottabile per un intervento su edificio ORDINARIO, con incremento significativo dei costi di adeguamento;
• per conseguire la SS è necessario operare rinforzi diffusi a tutti gli elementi che non siano adeguati (Fondazioni – Pilastri e Muri – Travi – Solai).

La realizzazione di questi rinforzi diffusi non è compatibile con la CF: se si disponesse per ipotesi di una struttura adeguata a svolgere funzioni strategiche ove collocare temporaneamente gli occupanti, se pensiamo ad esempio ad un ospedale, mentre vengono svolte le opere di adeguamento sismico, ci si dovrebbe domandare se ha davvero senso adeguare la struttura.

Dalle due considerazioni sopra esposte deriva la conseguenza che non si possa ricorrere a metodi convenzionali per l’adeguamento sismico di strutture strategiche e sensibili se si vuole perseguire una (1) spesa efficiente ed il (2) contenimento del disagio per l’utenza.

I costi indiretti di un intervento con metodi convenzionali

Nell’ambito del progetto di miglioramento sismico del Corpo 8 dell’Ospedale di Mirandola (MO), lo scrivente ha stimato, sulla base dei dati ricevuti dalla Direzione Sanitaria relativi agli interventi ed alle prestazioni sanitarie svolte nei 12 mesi precedenti al sisma, i costi indiretti di un adeguamento sismico con metodi convenzionali avente durata di circa 6 mesi.
A fronte di costi diretti, per il miglioramento sismico svolto con metodi convenzionali, paragonabili a quelli connessi all’adozione di metodi non convenzionali, i costi indiretti dell’approccio convenzionale erano cinque volte quelli dell’approccio non convenzionale.

Nel caso degli ospedali, la presenza diffusa di impianti speciali, al livello inferiore aggiunge ulteriori costi indiretti, spesso paragonabili quando non superiori ai costi diretti, che vanno sopportati nel caso di interventi convenzionali senza però produrre alcun beneficio in termini di riduzione della vulnerabilità sismica.

I vantaggi diretti dei metodi non convenzionali

Partendo come spunto dall’ultima osservazione espressa, vediamo quali vantaggi comporta, in particolare per strutture esistenti SENSIBILI o con DESTINAZIONE STRATEGICA, il ricorso ad una protezione sismica basata su metodi non convenzionali, quale ad esempio l’ISOLAMENTO SISMICO di BASE . La scelta di questa strategia di protezione comporta, nella quasi totalità dei casi analizzati dallo scrivente, una riduzione da un terzo ad un quinto delle sollecitazioni di origine sismica a carico delle porzioni di strutture poste sopra il piano d’isolamento.
Una strategia di protezione sismica basata sull’isolamento di base, come è noto, se ben progettata, consente alla struttura limitati o nulli danneggiamenti e continuità operativa.

I vantaggi di una strategia di retrofit basata sull’adozione di un isolamento di base, oltre alle note caratteristiche sopra richiamate, sono rappresentati dal constatare che:

• L’intervento è concentrato in particolare in una porzione limitata della struttura, quella del livello inferiore, con benefici estesi a tutta la struttura;
• Si consegue una riduzione significativa, espressi in ordine crescente di importanza e di incidenza sul risparmio complessivo conseguibile, dei costi indiretti degli interventi connessi alla:

1. Riduzione degli interventi sugli impianti, ordinari e speciali. Se si colloca il piano di isolamento sotto il livello ove sono distribuiti gli impianti, sarà “solo” necessario prevedere la disconnessione dei nodi, con l’introduzione, ove la struttura che sarà mobile si interfaccerà con la struttura fissa, di connessioni flessibili. Il movimento disponibile dovrà essere almeno pari a quello previsto per il sistema isolato maggiorato del 30-50%;
2. Possibilità di procedere per lotti con le opere di creazione dei due macro-elementi rigidi, sopra e sotto il cosiddetto piano d’isolamento , senza chiudere tutto il piano inferiore della struttura;
3. Estensione delle porzioni di struttura esistente che beneficeranno dell’isolamento sismico che si sta prevedendo.

Sempre più spesso, lo scrivente adotta come piano d’isolamento la superficie posta sotto le fondazioni attuali dell’edificio. Questa scelta, se comporta un incremento dei costi accessori di esecuzione, è più che compensata dalle seguenti conseguenze dirette:

• Le fondazioni attuali, spesso non adeguate a fronteggiare il sisma, beneficeranno di una riduzione da 3 a 5 volte delle sollecitazioni di origine sismica. Questa circostanza si unisce all’opportunità, a volte una necessità, di correggere carenze del sistema fondale nello stato di fatto;
• Realizzato il piano assimilabile a piano rigido superiore, quando non già presente, le attività previste al livello inferiore della struttura possono svolgersi senza alcuna limitazione, per la presenza di una separazione netta tra edificio (porzione superiore) e cantiere di retrofit (porzione inferiore).

1. Creazione di un nuovo livello sotto le fondazioni attuali. Oltre che per le prescritte esigenze di ispezione del sistema di isolamento, questo spazio può essere destinato allo svolgimento di funzioni non soddisfatte quali ad esempio il parcheggio.
2. Continuità funzionale. Progettando per lotti la realizzazione dei micropali, destinati al trasferimento dei carichi a livelli inferiori di terreno rispetto a quelli attualmente impegnati, si può limitare l’interruzione funzionale a porzioni del livello inferiore senza interrompere del tutto la funzionalità della struttura.

Se si pensa agli edifici con funzioni strategiche quest’ultimo aspetto, la continuità funzionale, prima ancora di rappresentare il più significativo risparmio sui costi indiretti, oltre a costituire una valida soluzione per contenere l’impatto sociale di un intervento di adeguamento sismico, rappresenta spesso la chiave decisiva per la scelta di procedere con l’adeguamento sismico in alternativa alla prospettiva di dismissione della funzione strategica. Detto in parole semplici, la prospettiva di poter adeguare sismicamente una struttura strategica o sensibile in continuità di funzionamento rappresenta quasi sempre la chiave per decidere di procedere o meno all’adeguamento sismico.

Le possibilità di upgrade di protezione sismica offerte dal retrofit con isolamento di base

Il retrofit sismico di una struttura strategica o sensibile con l’isolamento di base per essere conforme alle norme, ma diremmo meglio ancor prima, per rispettare la logica della corretta manutenzione nel tempo della struttura, comporta la necessità di prevedere:

• l’ispezionabilità dei dispositivi di protezione;
• la possibilità, nell’immediato post-sima, di procedere, dopo la verifica delle condizioni degli isolatori, garantita dalla previsione del punto che precede, al ricentraggio della struttura isolata. Questa esigenza non serve a coprire carenze progettuali ma a garantire la possibilità di ripristino funzionale post-sisma per eventi sismici reali, aventi intensità ma soprattutto caratteristiche dinamiche del tutto peculiari. Questa esigenza porta alla necessità di progetto di almeno due blocchi di ricentraggio, uno per ciascuna direzione principale, di facile accessibilità e con spazi adeguati alla collocazione e messa in servizio di martinetti per procedere all’eventuale ricentraggio della struttura isolata. Il progettista di un retrofit con isolamento di base dovrà inserire, insieme ai dati principali del sistema, le informazioni necessarie all’immediato ricentraggio post-sisma: forza e spostamento massimi esprimibili.

Partendo da quanto sopra esposto, veniamo ad un’opportunità, che non andrebbe mai persa, di progettare un intervento che mantenga inalterata nel tempo la propria natura essenziale.

Se cioè, oltre al progetto del sistema isolato, in corrispondenza dei blocchi di ricentraggio, si prevede la possibilità di installazione di dissipatori sismici, quando non previsti nel progetto, o di sostituzione di quelli previsti con altri aventi maggiori capacità dissipativa di quelli a progetto, si dota la struttura di un sistema di protezione che è scalabile, ossia dotato della possibilità, concreta ed economicamente sostenibile, di vedere incrementata la performance sismica conseguibile.

Le condizioni più facilmente prevedibili per le quali potrebbe essere necessario ridefinire in aumento la capacità sismica offribile dal sistema di protezione sono:

• la riclassificazione sismica del sito, magari in conseguenza di un sisma che è stato caratterizzato da energia maggiore di quella prevista dalle norme vigenti all’epoca del retrofit;
• la necessità di modificare la destinazione d’uso con incremento significativo del cosiddetto peso sismico .
  Se pensiamo ad esempio ad un ospedale, questa esigenza di incremento della capacità sismica potrebbero derivare:
• in conseguenza della necessità di installare macchinari dal peso rilevante che non erano presenti al momento del progetto di retrofit;
• per effetto di un’esigenza di modifica funzionale di porzioni di edificio con sovraccarichi maggiori della destinazione d’uso di partenza. Si pensi solo agli uffici trasformati in archivi o ai reparti di degenza convertiti in spazi aperti al pubblico.

Per cogliere l’essenza di quanto sin qui espresso al riguardo delle possibilità di upgrade della risposta sismica, si pensi alla modifica relativa del contributo offribile dai sistemi previsti nei due retrofit, quello da svolgere (I Retrofit) e quello da prevedere (II Retrofit):

• nella configurazione strutturale del primo retrofit, l’adeguamento sismico vede nell’isolamento di base lo strumento unico (installazione solo di isolatori) o lo strumento principale (installazione di isolatori e dissipatori) della performance sismica;
• nella configurazione strutturale del secondo retrofit, l’adeguamento sismico verrà raggiunto:

1. con un contributo offribile dal sistema di isolamento sismico di base percentualmente minore;
2. introducendo la dissipazione aggiuntiva, quando i dissipatori nel I retrofit erano solamente previsti come upgrade;
3. incrementando la dissipazione disponibile, con la sostituzione dei dissipatori presenti nel I retrofit con altri a maggiore capacità dissipativa o, in alternativa, con l’inserimento di un maggior numero di dissipatori caratterizzati dalla medesima capacità di dissipazione di quelli già installati.

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Nei prossimi paragrafi si parlerà di:

• Influenza della stima delle caratteristiche dinamiche della struttura di partenza e del terreno fondale;
• I costi di un retrofit sismico con metodi non convenzionali;
• I tempi di realizzazione di un retrofit sismico con metodi non convenzionali.

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