Sismabonus e valutazione della sicurezza e della classe sismica degli edifici: definizioni e procedure operative

La Legge di Stabilità 2017, approvata il 21 dicembre 2016 ha introdotto un sistema di sgravi fiscali basati sulla classificazione delle prestazioni sismiche degli edifici, che sono stati ulteriormente ampliati dal Decreto-legge 19 maggio 2020, n. 34, convertito in legge il 17 luglio 2020 (superbonus 110).

Nell’articolo si vuole evidenziare che per il raggiungimento dell’obbiettivo, che si propone la normativa del superbonus di una reale riduzione del rischio sismico, risulti centrale prima l’attività di analisi dell’esistente e quindi la progettazione dell’intervento.

Verrà mostrato inoltre come tali attività, implementate in un caso di studio, trovano il loro naturale inquadramento normativo nelle NTC2018 e nella circolare applicativa MIT del 2019 dove assume un’importanza centrale il capitolo 8.

Le prestazioni sismiche degli edifici

La Legge di Stabilità 2017, approvata il 21 dicembre 2016 ha introdotto un sistema di sgravi fiscali basati sulla classificazione delle prestazioni sismiche degli edifici, che sono stati ulteriormente ampliati dal Decreto-legge 19 maggio 2020, n. 34, Convertito in legge il 17 luglio 2020 (superbonus 110).

Nel sismabonus 110% nessun obbligo di passaggio di classe sismica

Risulta doveroso premettere che la formulazione aggiornata del sismabonus, che prevede detrazioni fiscali fino al 110% (superbonus 110), non subordina l’entità dello sconto fiscale ad un obbiettivo minimo di incremento della sicurezza o di classe sismica.

Diversamente quindi dalla formulazione precedente, che subordinava l’entità del beneficio fiscale al raggiungimento di precisi obbiettivi di incremento delle prestazioni sismiche (passaggio di almeno una o più classi), con la nuova formulazione lo sconto fiscale del 110% può essere raggiunto con qualsiasi intervento previsto dalle NTC compreso l’intervento locale.

La criticità di questo aspetto è stato sollevato da più parti in quanto in questa maniera si potrebbero penalizzare gli interventi più complessi ma anche più performanti a favore di interventi che richiedono minori sforzi di analisi e progettazione.

Successivamente a completamento della previsione dell’art. 119 è stato pubblicato dal MIT il DM 329 del 6 agosto 2020 che modifica e sostituisce l’allegato B del DM 58/2017.
La nuova formulazione dell’asseverazione prevista dal DM 329 del 6 agosto 2020 conferma la possibilità di accedere allo sconto fiscale del 110% senza la valutazione della classe sismica e con interventi che non comportano alcun incremento di classe.

A parere dello scrivente, la mancanza di precisi obbiettivi da raggiungere riguardo la sicurezza sismica, può creare non poche difficoltà al progettista strutturale che come previsto dall’art. 119 del Decreto-legge n. 34 deve asseverare l’efficacia dell’intervento al fine della riduzione del rischio sismico e come riportato nel citato articolo in base alle disposizioni del decreto del Ministro delle infrastrutture e dei trasporti n. 58 del 28 febbraio 2017 (Linee guida per la classificazione sismica).

In ogni caso l’applicazione del sismabonus nella versione originaria o in quella aggiornata del superbonus non può che partire da una valutazione quantitativa della sicurezza strutturale dell’edificio (cap. 8.3 NTC2018) e quindi dalla progettazione degli interventi al fine di ridurne le vulnerabilità individuate. 

Se si parte da questo presupposto, la classificazione sismica è semplicemente un modo per esplicitare in maniera sintetica ed oggettiva le prestazioni dell’edificio prima e dopo l’intervento senza alcun costo progettuale significativo aggiuntivo.

Questa premessa si ritiene necessaria per inquadrare correttamente le procedure e le attività necessarie alla valutazione delle prestazioni strutturali utilizzando i soli indici di sicurezza previsti nel cap. 8 delle NTC2018 o se si ritiene anche l’assegnazione della classe sismica.

Già dall’introduzione delle norme NTC 2008 sappiamo che le prestazioni sismiche degli edifici sono individuate da 4 stati limite a cui corrispondono diversi gradi di danneggiamento e che vengono di seguito riportati:

- Stato Limite di Operatività (SLO): a seguito del terremoto la costruzione nel suo complesso, includendo gli elementi strutturali, quelli non strutturali e le apparecchiature rilevanti in relazione alla sua funzione, non deve subire danni ed interruzioni d'uso significativi;

- Stato Limite di Danno (SLD): a seguito del terremoto la costruzione nel suo complesso, includendo gli elementi strutturali, quelli non strutturali e le apparecchiature rilevanti alla sua funzione, subisce danni tali da non mettere a rischio gli utenti e da non compromettere significativamente la capacità di resistenza e di rigidezza nei confronti delle azioni verticali ed orizzontali, mantenendosi immediatamente utilizzabile pur nell’interruzione d’uso di parte delle apparecchiature.

- Stato Limite di salvaguardia della Vita (SLV): a seguito del terremoto la costruzione subisce rotture e crolli dei componenti non strutturali ed impiantistici e significativi danni dei componenti strutturali cui si associa una perdita significativa di rigidezza nei confronti delle azioni orizzontali; la costruzione conserva invece una parte della resistenza e rigidezza per azioni verticali e un margine di sicurezza nei confronti del collasso per azioni sismiche orizzontali;

- Stato Limite di prevenzione del Collasso (SLC): a seguito del terremoto la costruzione subisce gravi rotture e crolli dei componenti non strutturali ed impiantistici e danni molto gravi dei componenti strutturali; la costruzione conserva ancora un margine di sicurezza per azioni verticali ed un esiguo margine di sicurezza nei confronti del collasso per azioni orizzontali.

Le prestazioni delle strutture a comportamento duttile

Un modo per rappresentare efficacemente le prestazioni dell’edificio consiste nel graficizzare su un diagramma avente in ascissa lo spostamento orizzontale dell’ultimo piano ed in ordinata la spinta orizzontale applicata (curva di capacità dell’edificio) i vali stati limite:

Curva di capacità struttura duttile

Il grafico evidenzia il fatto che la prestazione dell’edificio, e quindi il suo danneggiamento, è ben rappresentato dall’entità dello spostamento a cui questo risulta assoggettato.

In particolare per bassi livelli di spostamento i danni sono limitati agli impianti ed alle finiture (SLO, SLD) al crescere della domanda di spostamento il danno si propaga alle strutture fino all’incipiente collasso (SLV,SLC).

Le prestazioni delle strutture a comportamento fragile

Ad onore del vero vi è da dire che tale rappresentazione di danneggiamento progressivo dell’edifico presuppone un comportamento duttile delle strutture, ipotesi realistica per le strutture progettate con le nuove norme e quindi che rispettano la progettazione in capacità ma sicuramente improbabile per gli edifici esistenti.

Negli edifici esistenti in calcestruzzo armato infatti i meccanismi di collasso probabili sono in genere fragili, quali quelli di nodo e di taglio. 

Questi meccanismi sono regolati dalla resistenza e non dalla deformazione per cui sopravvengono con livelli di spostamento bassi, paragonabili a quelli per cui si hanno i danneggiamenti delle tamponature, in questo caso la struttura passa repentinamente dal danneggiamento delle tamponature al collasso e gli stati limite tendono a sovrapporsi, come in figura.

Curva di capacità struttura fragile

Ai fini degli scopi che ci prefiggiamo, ovvero la valutazione delle prestazioni sismiche e quindi dell’assegnazione della classe, la nostra struttura sarà rappresentata in maniera esaustiva dalla sua curva di capacità.

Per ora basti dire che la valutazione numerica di tale curva viene effettuata con analisi statiche non lineari (PUSH OVER) come previsto e regolato nelle norme tecniche utilizzando specifici codici di calcolo agli elementi finiti.

Facciamo un passo avanti, e vogliamo per un dato edificio ubicato in un determinato sito, nota la sua curva di capacità determinare le sue prestazioni sismiche.

Per determinare la prestazione sismica di un edificio, nota la sua curva di capacità, dobbiamo conoscere e modellare la domanda sismica ovvero l’entità delle azioni sismiche che sono attese con una determinata probabilità di superamento.

La domanda sismica viene modellata dalle norme in termini probabilistici utilizzando i concetti di periodo di ritorno (T_R), vita nominale (V_N), coefficiente d’uso (C_U) e probabilità di superamento nel periodo di rifermento (P_R).

La relazione fondamentale che regola queste grandezze è:

T_R= - (C_U x V_N) / ln⁡(1-P_VR)

La frequenza media annuale di superamento

Una grandezza non utilizzata esplicitamente nelle norme tecniche ma utilizzata invece nella classificazione sismica, e che si ritiene a parere dello scrivente molto importante ai fini della valutazione della sicurezza sismica, è la frequenza media annuale di superamento pari al reciproco del periodo di ritorno λ = 1/T_R (1/anno)

Si riportano due esempi in cui tale grandezza viene utilizzata:

• frequenza media annuale di superamento di uno stato limite (λ_L), rappresenta la frequenza annuale con cui la struttura può subire quel livello di danneggiamento
• frequenza media annuale di superamento di una determinata PGA al suolo (λ_PGA) rappresenta la frequenza annuale con cui avvengono sismi che raggiungono o superano quel livello di PGA

A titolo esemplificativo per un edificio nuovo per civile abitazione si ha V_N=50 e C_U=1, i valori dei periodi di ritorno per gli stati limite SLD e lo SLV richiesti dalla normativa sono:

Per lo stato limite SLD

P_VR=63%

T_rSLD = -1x50 / ln⁡(1-0.63) = 50 anni     λ_LD=1/50=0.02

Per lo stato limite SLV

P_VR=10%

TrSLV = -1x50 / ln⁡(1-0.1) = 475 anni     λ_LV=1/475=0.002

La norma quindi richiede che le tamponature si possano danneggiare con una frequenza inferiore al 2% annuo mentre che lo stato limite di salvaguardia della vita venga raggiunto con una frequenza di soli il 0.2% annuo.

A parere dello scrivente negli interventi sugli edifici esistenti la valutazione critica della frequenza media annuale di superamento ottenuta per i vari stati limite risulta molto importante per comprendere l’entità della riduzione del rischio sismico ottenuto.

Il caso di una scuola di nuova costruzione sita in Catania

A titolo di esempio si riporta il confronto tra la frequenza di superamento annuale dello stato limite del collasso per una scuola di nuova costruzione sita in Catania ed una in cui è stata effettuato un miglioramento sismico.

Per lo SLC di una scuola nuova la norma attuale richiede:

 T_rSLC = -1.5x50 / ln⁡(1-0.05) =1462 anni     λ_LC=1/1462=0.07%     PGA=0.343

Per l’intervento di miglioramento, come richiesto dalle NTC 2018, è necessario raggiungere un indice di sicurezza sismica espresso in termini di accelerazioni al suolo di almeno ζ_E = 60% e quindi

PGA = 0.205    Tr = 474     λ_L = 1/474 = 0.21% 

Se si confronta il miglioramento in termini di frequenza annuale di raggiungimento dello stato limite di collasso avrò: r= λ_L  / λ_LC = 0.21%/0.07% = 3; ovvero la frequenza media annuale di raggiungimento del collasso della scuola migliorata secondo norma è di ben 3 volte quella di una scuola nuova edificata nello stesso sito.

La classificazione sismica 

A questo punto abbiamo definito tutte le grandezze che servono a comprendere la classificazione sismica degli edifici come introdotta dalla legge di stabilità del 2017 ed implementata nel Decreto Ministeriale numero 58 del 28/02/2017 e dalle linee guida del Consiglio superiore dei lavori Pubblici.

Le Linee Guida consentono di assegnare ad un edificio una Classe di Rischio Sismico, da A+ a G, mediante un unico parametro che tenga conto sia della sicurezza sia degli aspetti economici.

Ovviamente la classe sismica sarà la peggiore tra quella individuata con il criterio della sicurezza e quello con il criterio economico.

• classe A+ (meno rischio)
• classe A
• classe B
• classe C
• classe D
• classe E
• classe F
• classe G (più rischio)

La novità più interessante introdotta è che la classificazione tiene conto non solo della sicurezza, concetto già presente a partire dalla OPCM 3274 con gli indicatori di rischio sismici, ma degli aspetti economici legati ai danni attesi sulla costruzione.

L'indice IS-V

La classificazione terrà quindi in conto dell’aspetto della sicurezza espresso dall’indice IS-V secondo la tabella:

Tabella 2 - Attribuzione della Classe di Rischio IS-V in funzione dell'entità dell'Indice di Sicurezza

L’indice IS-V è un classico indice di sicurezza sismico espresso come rapporto tra capacità e domanda per il solo stato limite SLV della salvaguardia della vita; è stato inserito per garantire oltre all'aspetto economico del danneggiamento anche la sicurezza degli occupanti.

Se l’indice si esprime in termini di accelerazione di attacco dello spettro Ag assume l’aspetto: IS-V=Ag_SLV/Ag _10%*100, tale valore a meno dell’essere espresso in percentuale è lo stesso dell’indice di sicurezza sismica ζ_E definito al punto 8.3 delle NTC2018, quindi:

IS-V=ζ_E*100

Il parametro PAM

Vediamo invece l’aspetto economico della classificazione sismica che come detto rappresenta la vera novità; questo è legato al costo di riparazione dei danni attesi, prodotti dagli eventi sismici, che si manifesteranno nel corso della vita della costruzione, ripartito annualmente ed espresso come percentuale del costo di ricostruzione (CR).

Il valore del costo di riparazione ripartito annualmente viene quantificato con il parametro PAM (perdita annua media attesa).

Il PAM quantifica quindi le perdite economiche annue attese dovute al danneggiamento degli elementi strutturali e non strutturali in termini di percentuale del Costo di Ricostruzione CR.

Tale concetto è preso a prestito dai modelli utilizzati per quantificare il rischio assicurativo per gli eventi catastrofici in cui la gravità delle conseguenze è decrescente con la frequenza di superamento annuo, tali sono molti fenomeni naturali sisma incluso.

Si riporta la definizione di PMRM (partioned multi-objective risk method) ripreso da Global Catastrophic Risk-Oxford Press in cui gli obbiettivi di rischio altri non sono che i nostri SL.

Nell’immagine riportata di seguito le curve rappresentano come varia la gravità dei danni attesi in funzione della frequenza di superamento annuo dell’evento e partizionate per vari livelli di danno.

Tipiche curve frequenza di superamento vs danno atteso

Come visto, per un dato edificio, siamo in grado di conoscere per ogni stato limite e quindi per un assegnata prestazione sismica la frequenza annua di superamento; per potere quantificare le perdite attese dal punto di vista economico è però necessario conoscere per i vari stati limite, anche la perdita attesa in termini di costo di riparazione.

A questo scopo il legislatore ha di fatto completato le definizioni degli stati limite presenti nelle NTC quantificando per ogni stato limite il costo necessario alla riparazione espresso in percentuale del costo di ricostruzione.

I valori sono stati desunti dall’analisi dei costi effettuati su 2500 interventi della ricostruzione dell’Aquila, ed espressi in percentuale del costo di ricostruzione CR per i vari SL secondo la tabella:

Possiamo quindi ora rivedere la curva di capacità e le prestazioni dell’edificio andando a dare un significato economico ai vari stati limite, a titolo di esempio un sisma che comporta il superamento dello SLD di un edificio comporterà un danno agli elementi non strutturali (tamponature, impianti) per la cui riparazione si quantifica un costo pari al 15% di quello necessario alla completa ricostruzione dell’edificio; diversamente un evento sismico di maggiore intensità che fa raggiungere lo SLV all’edificio produrrà danni estesi anche alle strutture con un danno complessivo per la cui riparazione si quantifica un costo pari al 50% di quello necessario alla completa ricostruzione dell’edificio.

Prestazioni edificio e danno in percentuale al costo di costruzione

A questo punto abbiamo tutti i dati per potere calcolare il PAM ovvero la perdita attesa media annua che si ottiene integrando la funzione che ha in ordinata la perdita economica espressa in % del CR ed in ascissa la frequenza media di superamento; ovviamente la funzione è definita per punti in corrispondenza dei 4 SL definiti dalle NTC2018 (SLO, SLD, SLV, SLC) con in più lo stato limite SLID di inizio danno e lo stato limite SR di completa ricostruzione.

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All'interno anche un caso studio su una classificazione sismica pre e post intervento di miglioramento di un edificio in c.a. di 7 elevazioni realizzato negli anni 70.

Si ringrazia l'Ordine degli Ingegneri di Catania per la gentile collaborazione