Sicurezza sismica di una scuola in c.a.: come scegliere la strategia d'intervento ottimale. Una metodologia

Strategie per la riduzione del rischio sismico applicate agli edifici scolastici: un caso studio

In Italia sono stati attuati numerosi programmi di valutazione sismica di edifici pubblici con le Ordinanze 3274/2003 e 3362/2004 che hanno evidenziato l'elevata vulnerabilità degli edifici scolastici, specialmente di quelli più datati, realizzati senza alcuna protezione sismica e, a volte, in stato di degrado. La riduzione della vulnerabilità sismica di questi edifici richiede ingenti risorse finanziarie. Di conseguenza, la possibilità di optare per il miglioramento sismico anziché per l’adeguamento va considerata con attenzione allo scopo di intervenire più rapidamente e su un numero maggiore di edifici a parità di budget, magari effettuando gli interventi strutturali senza interferire con le attività scolastiche, durante la chiusura estiva. Ciò potrebbe realizzarsi eseguendo gli interventi secondo diversi “step” di durata ed impegno economico limitati, nell’ottica di una riabilitazione sismica “incrementale”. Nel presente articolo si riportano i risultati della valutazione sismica su un edificio scolastico non antisismico, per verificare se e come una strategia di riabilitazione sismica “incrementale” possa essere attuata efficacemente verificando anche la convenienza del miglioramento rispetto all’adeguamento sismico. Tramite analisi dinamiche lineari e stime economiche è stata definita la relazione tra il rapporto Capacità/Domanda sismica ed i costi d'intervento conseguentemente richiesti per identificare la strategia di intervento più conveniente.

Dalla valutazione sismica degli edifici scolastici alla scelta delle priorità degli interventi

Il patrimonio edilizio pubblico italiano presenta un rilevante deficit di protezione sismica in quanto molte strutture, attualmente collocate in zone considerate sismiche, sono state progettate e realizzate in anni in cui la classificazione sismica non era vigente. A livello nazionale, il Dipartimento Nazionale della Protezione Civile ha stimato in circa 75000 gli edifici pubblici privi di protezione sismica, dei quali circa 35000 ubicati in zone ad alta e media pericolosità sismica.

Tenendo conto di questa situazione, l'Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n. 3274 del 20 marzo 2003 (OPCM 3274/2003, OPCM3362/2004), nel ridefinire in modo innovativo ed organico il quadro normativo nel settore del rischio sismico, ha previsto un programma nazionale di valutazione della vulnerabilità sismica del patrimonio edilizio esistente privo di protezione sismica, partendo dalle opere strategiche, come gli ospedali, ed a rischio rilevante, come le scuole. Sulla base delle risultanze di tali verifiche dovranno essere predisposti i programmi di intervento per la riduzione del deficit di protezione sismica tenendo conto, in particolare, della vulnerabilità sismica emersa negli edifici esaminati, della diversa collocazione nelle zone sismiche, della entità delle somme richieste rapportata alle risorse finanziarie disponibili.

Un ruolo rilevante in tale processo è assegnato agli Enti Locali, ed in particolare alle Regioni, molte delle quali hanno predisposto programmi di verifica. Ad esempio, la Regione Basilicata, memore dell’esperienza del sisma del 1980, si è inserita in maniera decisa nell’attuazione della OPCM 3274/2003 predisponendo il “1° Programma Temporale delle Verifiche del patrimonio edilizio strategico e rilevante”(DGR Regione Basilicata n. 622 del 2003) finanziato in parte dalla Regione ed in parte dallo Stato, relativo alle strutture ospedaliere e scolastiche esistenti realizzate in epoca antecedente all’attuale classificazione sismica, dunque da ritenersi dotate di significativo, ancorché diversificato nel vasto contesto regionale, deficit di protezione sismica. Il “2° Programma temporale delle verifiche del patrimonio edilizio strategico e rilevante (annualità 2005)”, predisposto negli anni successivi dalla Regione Basilicata, è stato dedicato esclusivamente agli edifici scolastici.

Grazie a questi due programmi delle verifiche si è indagata la sicurezza strutturale, ed in particolare sismica di oltre 500 edifici scolastici della Basilicata, e la mole di dati raccolti ha offerto elementi per la predisposizione di un programma globale di intervento per la riduzione del rischio sismico di questa parte del patrimonio edilizio esistente.

E’ chiaro che alle azioni di valutazione del rischio sismico delle scuole è necessario far seguire interventi concreti di riduzione e mitigazione dello stesso. Questo tipo di attività richiede un impegno economico di almeno un ordine di grandezza superiore rispetto alle attività di valutazione ed è pertanto necessario munirsi di strumenti atti a pianificare nel modo opportuno gli interventi da realizzare su scala almeno regionale al fine di poter ridurre il rischio in modo diffuso, evitando di concentrare gli sforzi su pochi edifici (Masi et al., 2014). A tal fine è opportuno che le amministrazioni proprietarie prendano in considerazione oltre che l’adeguamento sismico anche il miglioramento, ossia la possibilità di intervenire strutturalmente riducendo il rischio sismico in modo parziale, cioè puntando ad ottenere, dopo l’intervento, un rapporto tra capacità e domanda (C/D) inferiore ad 1, ossia il valore prescritto dalle norme per i nuovi edifici o per gli interventi di adeguamento pieno. Già in precedenti documenti  (FEMA, 2003, 2009; Krimgold, 2011; Masi et al., 2017) era stata delineata la possibilità di eseguire l’intervento in modo incrementale, cioè per step successivi, sfruttando i periodi di chiusura estiva delle scuole al fine di minimizzare l’impatto sulle attività scolastiche. Il tema viene approfondito nel presente lavoro partendo da un’analisi accurata delle capacità sismica di un edificio scolastico di piccole dimensioni, rappresentativo di una classe di scuole comunali tipicamente presente in Italia. Le valutazioni sismiche, effettuate mediante analisi dinamiche lineare con fattore di struttura, sono state reiterate per diversi valori del rapporto capacità/domanda, calcolando i costi conseguenti per gli interventi di messa in sicurezza. In questo modo si è pervenuti alla cosiddetta “curva dei costi” che lega i costi di intervento attesi con i corrispondente valori del rapporto capacità/domanda e, dunque, con i livelli prestazionali conseguiti dopo l’intervento. Tali risultati, insieme ad altri fattori, concorrono ad identificare la più efficace strategia di intervento (es. miglioramento vs adeguamento) e la possibilità di suddividere l’intervento in più fasi compatibili con le modalità di utilizzo della scuola in esame.

La definizione di una metodologia per l'ottimizzazione della strategia d'intervento

Obiettivo principale di questo lavoro è proporre, in particolare attraverso l’esame di un caso studio opportunamente selezionato, una procedura per la costruzione della curva dei costi di intervento, strumento che può essere utile alla definizione ed ottimizzazione della strategia di intervento.

Le prestazioni dell’edificio oggetto di analisi vengono valutate con riferimento allo Stato Limite di salvaguardia della Vita (SLV), secondo quanto prescritto dalla norma NTC2008 (DM 14/1/2008) e relativa circolare n. 617/09 (2009).

Si considerano dieci livelli prestazionali definiti dal rapporto capacità/domanda (C/D) in termini sismici a cui corrispondono i dieci step dell’approccio incrementale per la riabilitazione sismica dell’edificio. In Tabella 1 sono riportati i diversi livelli prestazionali ed in particolare è definito “Livello 0” quello relativo alla verifica della struttura per soli carichi verticali e “livello VI” quello relativo al miglioramento sismico (C/D=0.6). Nell’ottica dell’adeguamento sismico pieno della struttura le analisi sono state condotte fino a raggiungere un livello prestazionale massimo C/D > 1 (in particolare C/D=1.1).

Per coerenza con modalità seguite frequentemente nella usuale pratica professionale, la risposta sismica dell’edificio scolastico è stata valutata mediante analisi dinamiche lineari effettuate con un programma di calcolo strutturale commerciale. La domanda sulla struttura è definita in termini di PGAD,slv che, per il sito di studio, caratterizzato da un suolo tipo B, è pari a 0.25g. La capacità della struttura che si intende raggiungere nei diversi livelli prestazionali è invece espressa in termini di valori crescenti di PGAC,slv cui vengono fatti corrispondere i  risultati delle verifiche di resistenza su tutti gli elementi strutturali nodi (Masi et al., 2014b), travi e pilastri.

Tabella 1. Livelli prestazionali in funzione del rapporto Capacità/Domanda 

(*) Le valutazioni sono distinte in VERT (per soli carichi verticali) e SISM (in condizioni sismiche).

Ad ogni livello dell’analisi “incrementale” corrisponde un certo numero e tipologia di elementi (strutturali e/o non strutturali, ossia  travi, pilastri, nodi, pannelli di tamponatura) non verificati. Per ogni livello prestazionale e per ogni elemento non verificato si è ipotizzato (e computato dal punto di vista dei costi) un intervento locale con riferimento alle sollecitazioni del massimo livello prestazionale, ossia con rapporto C/D pari a 1.1. Tale scelta consente di progettare degli interventi “tipo” per i nodi, le travi, i pilastri e le tamponatura che saranno applicati, ove necessari, per tutti i successivi livelli dell’analisi. Questo approccio è necessario al fine di garantire che una volta eseguito un intervento su un elemento (strutturale o non strutturale), tale intervento sia in grado di garantire che la verifica sia soddisfatta anche per gli (eventuali) livelli successivi. Anche per questo motivo è necessario, per quanto possibile, che gli interventi locali di rinforzo non alterino in maniera significativa il comportamento dinamico delle struttura andando a distribuire in maniera differente le sollecitazioni ai livelli successivi a quello in esame e per il quale si ipotizzano gli interventi.

Infine, con riferimento al prezzario della Regione Basilicata sono stati computati i costi delle principali lavorazioni (strutturali e non) che definiscono l’intervento “tipo” su elementi nodo, trave, pilastro e tamponatura. Nel costo di intervento vengono incluse le spese tecniche, gli oneri della sicurezza, le spese per il contenimento energetico e l’IVA, al fine di fornire delle stime globali in merito all’impegno economico necessario per ogni livello prestazionale.

A valle delle analisi si può valutare gli interventi necessari per raggiungere la prestazione richiesta siano fattibili, sia in termini economici che in termini di tempo, considerando che gli istituti scolastici interrompono le attività per poche settimane durante l’anno.

La scelta di considerare dieci livelli prestazionali non è finalizzata alla possibilità di frazionare effettivamente il possibile intervento in un eguale numero di step, ma mira a fornire una rappresentazione più puntuale delle curva dei costi rispetto ai valori del rapporto C/D che si vuole raggiungere. Ciò consente una scelta più semplice ed adeguata del livello prestazionale da raggiungere individuando il numero prescelto di step che si vogliono prendere in considerazione.

[...] ALL'INTERNO DELL'ARTICOLO INTEGRALE LA TRATTAZIONE DEL CASO STUDIO

Il caso studio di un edificio scolastico in Basilicata realizzato in c.a. negli anni 70

Al fine di mettere in pratica una strategia di riabilitazione sismica di tipo “incrementale”, nei paragrafi successivi si esaminano le prestazioni sismiche di un edificio scolastico in cemento armato, estratto dal patrimonio edilizio della Basilicata e progettato agli inizi degli anni ’70 per soli carichi verticali. Esso può essere ritenuto rappresentativo di una classe di edifici scolastici in c.a. di piccole dimensioni, tipicamente scuole dell’infanzia o primarie ubicati in comuni di dimensioni medio-piccole.

 Articolo tratto dalle Giornate ANIDIS 2017.

 Si ringrazia ANIDIS per la gentile collaborazione