Recupero statico e sismico di edifici storici

Riassetto funzionale dell'edificio storico: la varie lavorazioni possibili

L’esigenza sempre maggiore di recupero e riqualificazione del patrimonio edilizio esistente, indirizzata non solo alla conservazione degli immobili di alto valore storico, architettonico, artistico, ambientale, ma anche alla riqualificazione degli edifici di comune utilizzo, determina un costante impegno da parte dell’ingegnere progettista di strutture, il cui ruolo è rendere congruenti le scelte progettuali architettoniche con quelle ingegneristiche operative, allo scopo di garantire la sicurezza dell’opera. Nell’ambito della riqualificazione degli edifici in muratura, spesso, le esigenze architettoniche sono indirizzate al riassetto funzionale dell’edificio e questo richiede specifiche lavorazioni, tra le quali l’esecuzione di aperture in breccia, utilizzo di intonaci armati, recupero di solai in legno tramite collaborazione con getti in c.a., etc.

Recupero della funzionalità attraverso l'apertura di breccie su murature

Utilizzo di analisi numeriche per studiare il danneggiamento di pareti murarie prima e dopo l’intervento. Lo scopo è ottenere una curva di capacità dell’intervento, la mappa di danno e confrontare con le prestazioni sismiche richieste dalla zona.

Aumento delle prestazioni sismiche con l'utilizzo di intonaci armati o fibrorinforzati

Esistono diverse procedure analitiche per considerare la presenza di fibrorinforzi o intonaci armati, un metodo è quello attraverso la simulazione FEM dove la muratura modellata al continuo ospita un elemento finito dedicato alla presenza del rinforzo posizionato all’esterno di uno o entrambi i lati, l’elemento deve garantire il fenomeno di rottura per delaminazione se dovesse presentarsi, fondamentale è da considerare che il rinforzo lavori solo per carichi sismici o accidentali di esercizio.

 Esempio di simulazione numerica di un pannello murario con e senza la rappresentazione di fibrorinforzo diagonale.

Consolidamento dei solai in legno

Spesso per il recupero dell’opera si agisce tramite interventi che hanno principalmente 2 scopi:

• Correggere difetti o progettazioni non antisismiche;
• Migliorare ulteriormente le prestazioni antisismiche dell’edificio.

Uno dei difetti più comuni da correggere è l’assenza del piano rigido, indispensabile nella progettazione moderna, ma spesso assente in edifici storici esistenti e in alcuni casi impossibile da eseguire come nel caso di chiese, cattedrali, edifici medioevali. In questo caso sarà necessario assicurarsi che gli elementi sismoresistenti verticali rimangano “legati” alla struttura, evitando la loro espulsione e ribaltamento.

 Vista dall’alto di un modello FEM che rappresenta la dinamica di un edificio storico senza piano rigido

Al di là della procedura pratica di consolidalmento locale tra trave e soletta in c.a. l’effetto del consolidamento di un solaio si ha direttamente sul comportamento dinamico dell’intero edificio.

Recenti studi hanno analizzato modelli 3D di strutture considerando diversi tipi di intervento, perché a seconda del tipo di consolidamento gli effetti di sollecitazione e deformazione sui setti può cambiare.

Lo studio comporta l’utilizzo di analisi dinamica non lineare per quantificare l’energia dissipata dal sistema maschi e solai e capire più nello specifico il comportamento della struttura al variare del solaio utilizzato. 

Per effettuare questo tipo di analisi si necessita di una corretta distribuzione delle masse in gioco e soprattutto di un set di accelerogrammi in grado di definire la variazione di accelerazione al terreno in modo da determinare con buona probabilità quale sia l’azione che porta al collasso strutturale. 

Si è proceduto quindi andando a definire un accelerogramma di partenza, il quale verrà via via amplificato in modo da aumentare progressivamente l’azione agente al terreno e quindi valutare le condizioni degli elementi strutturali al crescere della forzante. 

Tale tipo di analisi, per il modello pilota monopiano, non rispetta ciò che la normativa impone in quanto si utilizza un solo tipo di accelerogramma, si scala quindi l’accelerazione massima che avrà luogo sempre allo stesso istante senza utilizzare altre forme di azione sollecitante al terreno. La legislatura italiana ed europea impone di utilizzare almeno 3 accelerogrammi se si considera la situazione più sfavorevole, oppure 7 considerando la media dei valori di sollecitazione ottenuti. Data la natura di questo elaborato che non si pone di effettuare una verifica sismica di un edificio ma solo di determinarne le capacità dissipative.

Esempi di diagrammi che rappresentano il comportamento dinamico-isteretico della struttura, in particolare il monitoraggio taglio-spostamento di un setto con diverse soluzione di consolidamento dei solai. In generale tutti i tipi di consolidamento portano a benefici, redistribuendo le sollecitazioni tra i vari elementi strutturali, però alcuni più di altri, è ovvio che poi è necessaria un’analisi costi e benefici dell’intervento più performante.

Procedura di creazione di un modello FEM di edificio storico

Riferendosi a chiese, cattedrali, edifici monumentali, statue, torri, la procedura di analisi parte ovviamente sempre da un rilievo geometrico, successivamente le misure rilevate danno origine ad un modello geometrico 3D. Non si tratta di una rappresentazione architettonica ma solo delle parti strutturali essenziali, questa parte del lavoro dovrebbe essere di competenza di un ingegnere civile. Successivamente il modello geometrico strutturale viene convertito in modello matematico (modello FEM) in grado di poter riprodurre tutte le simulazioni necessarie al caso.

Schema della procedura di creazione geometrica, modello FEM e analisi di un edificio storico in muratura.

Questi modelli numerici si ottengono con l’ausilio di meshatori automatici, mentre la non linearità è affidata a legami costitutivi numerici. L’utilizzo di analisi non lineari non è sempre applicabile poiché bisogna che la struttura abbia un comportamento dinamico regolare. Inoltre, l’analisi non lineare viene dopo aver assicurato la mancata formazione di cinematismi di collasso locale: ribaltamento, espulsione fuori piano di pareti o parti di struttura. 

Con Midas Gen è possibile affrontare modelli numerici al continuo utilizzando legami costitutivi di semplice entità come il Masonry Model. Altro software in commercio è Midas FEA NX, utilizzato e diffuso proprio per edifici monumentali in muratura, grazie al potente modellatore geometrico, meshatore e solutore per modelli contenenti grandi quantità di EF.

Vulnerabilità sismica del Torrione di Bobbiano

Una complessa torre in muratura con solai voltati, eretta in epoca medievale e riconosciuta oggi come bene architettonico e culturale vincolato. Lo scopo è quello di coglierne il comportamento globale in seguito all’evento sismico, adottando criteri di modellazione differenti ed eseguendo diverse analisi.

Il modello viene dapprima realizzato in Revit Structure, arricchendolo delle informazioni inerenti le indagini conoscitive svolte, e poi, sfruttando l’interoperabilità dei software, viene importato in Midas Gen (elementi plate) e in Midas FEA NX (elementi solidi). Viene svolta l’analisi dinamica lineare con fattore di comportamento da NTC18 e vengono interpretati i risultati in termini di spostamenti di interpiano all’SLD e all’SLV e di stato di sforzo. Il modello viene validato confrontando la massa da software con quella da calcolo manuale e confrontando il periodo fondamentale da modello con quello derivante da modelli semplificati a massa distribuita, concentrata e con quello ottenuto da formule di letteratura.

Vengono poi svolte le analisi non lineari: le analisi Material Non Linear Analysis in Midas Gen con legame costitutivo Concrete Damage Plasticity e la Construction Stage Analysis in Midas FEA NX con legame costitutivo Concrete Smeared Crack, eseguite con l’applicazione di forze statiche crescenti. Per ciascuna analisi e direzione vengono valutati i moltiplicatori di carico che portano il materiale al superamento di resistenza e viene riportato lo stato di sforzo, confrontando i risultati ottenuti dai due modelli.

È stata poi svolta l’analisi Pushover sul modello in elementi solidi che ha portato alla definizione delle curve di capacità e del fattore di comportamento effettivo. È stata eseguita la verifica di spostamento tra capacità e domanda.

CHI È CSPFea 

CSPFea si occupa di commercializzare software di calcolo strutturale per il settore AEC. La mission aziendale è quella di assistere società di ingegneria, professionisti ed aziende impegnate nel vasto settore dell’ingegneria civile, dell’architettura e delle costruzioni (AEC), aiutandoli a migliorare processi e metodi, capacità di analisi e di progettazione mediante la simulazione: CSPFea è il partner per incrementare le vostre prestazioni, migliorare il processo di design e l’affidabilità dei vostri servizi.