Rinforzo sismico mediante esoscheletri a basso danneggiamento: applicazione ad un caso studio

I devastanti terremoti che si sono susseguiti nel corso degli ultimi decenni hanno continuato ad evidenziare l’estrema vulnerabilità del patrimonio edilizio esistente, costruito prima dell’avvento delle moderne normative riguardanti la progettazione in zona sismica.

Per questo motivo, negli ultimi anni è stato dedicato un importante sforzo di ricerca al fine di definire soluzioni per il rinforzo sismico degli edifici.

Quest’ultime possono essere distinte in:

• i) “interventi locali”, i quali mirano a ripristinare la corretta sequenza di eventi nei sotto-assemblaggi nodo trave-pilastro;

• ii) “interventi globali”, che invece mirano a modificare il comportamento, per l’appunto globale, della costruzione stessa.

Nel caso di edifici esistenti con scheletro strutturale costituito da telai in calcestruzzo armato (CA), per gli interventi locali è possibile annoverare, tra gli altri, interventi di rinforzo dei nodi trave-pilastro mediante l’utilizzo di polimeri fibro-rinforzati in carbonio (CFRP, Figura 1.a), o interventi di incamiciatura in calcestruzzo armato degli elementi strutturali (Concrete Jacketing, CJ, Figura 1.b).

Per quanto riguarda invece gli interventi globali, negli ultimi anni, l’implementazione di esoscheletri (Figura 1.c) sta riscuotendo un notevole successo specie per il ridotto “disturbo” provocato agli utenti durante l’intervento stesso. Infatti, tale strategia può essere attuata dall’esterno provocando un’interferenza minima e quindi garantendo una continua utilizzabilità dell’edificio.

Inoltre, considerando che l’esoscheletro può fungere da supporto per facciate ad alte prestazioni, tale tecnologia permette anche di implementare facilmente un intervento integrato sismico-energetico in linea con gli obiettivi Europei di perseguire una società più resiliente, energicamente efficiente e sostenibile [1, 2].

Nonostante ciò, il presente lavoro si concentra sullo studiare i vantaggi che la soluzione con esoscheletri a basso danneggiamento possiede rispetto all’implementazione di interventi locali al fine di migliorare le prestazioni sismiche della struttura esistente.

In particolare, la tecnologia a basso danneggiamento considerata è la PREcast Seismic Structural System (PRESSS) technology, [3, 4, 5].

Maggiori informazioni su tale tecnologia sono fornite nei prossimi paragrafi e nell' articolo sulla progettazione concettuale degli esoscheletri a basso danneggiamento.

Il presente lavoro si concentra quindi su un confronto tra varie tecniche alternative di rinforzo sismico per un edificio caso studio in CA, andando a valutare le differenze tra le stesse in termini di un Indice di Sicurezza (IS-V, definito come il rapporto tra la Capacità sismica dell’edificio in esame e la Domanda sismica per un edificio di nuova progettazione nello stesso sito [6, 7]) e di un indice economico connesso alle Perdite Annue Medie (PAM [6], o Expected Annual Losses, EAL, in inglese), nonché in termini di Classe di Rischio Sismico, definita in accordo con [6].

In aggiunta, per quanto riguarda l’indice economico (PAM o EAL), viene presentato anche un confronto tra diversi metodi per la valutazione di tale dato:

• i) l’approccio delle “Linee Guida per la Classificazione del Rischio Sismico delle Costruzioni”, [6];

• ii) una proposta di miglioramento della procedura di cui al punto i), che sfrutta un’approssimazione al II ordine della curva di pericolosità (maggiori dettagli sono disponibili nella Parte I del presente lavoro, anziché un’approssimazione del I ordine come in [6], Figura 1d;

• iii) un approccio probabilistico basato sulla valutazione di curve di fragilità e di vulnerabilità.

Applicazione su un edificio Caso-Studio

Edificio nella configurazione pre-intervento (As-Built)

L'edificio caso-studio è costituito da una struttura a telaio in CA di tre piani situata in una zona ad alta sismicità nel Centro Italia (L'Aquila).

L'edificio è progettato per soli carichi gravitazionali e seguendo un approccio elastico basato sulle “tensioni ammissibili”, quindi senza tener conto delle più moderne prescrizioni legate al principio della “gerarchia delle resistenze".

La Figura 2 mostra le caratteristiche geometriche dell'edificio (Figura 2a), insieme ai dettagli delle armature nelle travi, nei pilastri (Figura 2b), e nei nodi (Figura 2c). In particolare, non sono previste staffe nei nodi e le barre lisce longitudinali delle travi sono ancorate con uncini all'interno del pannello nodale.

Quest’ultimo dettaglio costruttivo rappresenta una significativa criticità strutturale per i nodi [8].

Considerando che l'edificio è caratterizzato da scarsi dettagli costruttivi ed è stato progettato in assenza di principi di progettazione in capacità, ci si aspetta un possibile meccanismo di collasso globale caratterizzato da "pilastri deboli-travi forti" (weak columns – strong beams), con potenziali meccanismi locali fragili che potrebbero portare a meccanismi globali di collasso [9].

L'edificio viene quindi considerato potenzialmente "a rischio sismico" (secondo la dicitura delle Linee Guida neozelandesi NZSEE 2006-2017 [7]), e vengono dunque valutate diverse strategie di rinforzo per migliorarne le prestazioni sismiche.

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