Un modello per la stima dell’agibilità sismica degli edifici in muratura

Negli ultimi decenni la valutazione della vulnerabilità sismica degli edifici a scala territoriale ha assunto un ruolo sempre più centrale per gli organi amministrativi coinvolti nelle attività di riduzione del rischio. In particolare, la vulnerabilità degli edifici è stata finora indagata facendo prevalente riferimento al danno strutturale atteso. Tuttavia la prestazione di una costruzione può essere valutata anche in termini di agibilità, intesa come la sua fruibilità con un livello di rischio per la vita umana paragonabile a quello prima dell’evento. L’esito di agibilità post sisma influenza il numero di senza tetto da assistere nella fase di emergenza e l’allocazione delle risorse economiche da distribuire nel processo di ricostruzione, come avvenuto talvolta in passato.

In questo lavoro si presenta un modello per la stima dell’agibilità per edifici in muratura, calibrato sui dati osservati dopo il terremoto de L’Aquila del 2009. Il modello si basa sul calcolo di un indice di agibilità, funzione dell’intensità macrosismica, ottenuto dalla somma pesata di sette parametri, che influenzano il comportamento degli edifici sotto sisma: posizione dell’edificio all’interno dell’aggregato, numero di piani fuori terra, periodo di costruzione, classe strutturale, presenza di interventi di rinforzo, tipo di copertura e danno pre-esistente agli elementi strutturali. Per ognuno di questi parametri sono state definite delle categorie caratterizzate da una crescente perdita di agibilità stimata sulla base di analisi di regressioni monoparametriche, e successivamente è stata valutata la loro importanza relativa sull’esito di agibilità della struttura mediante l’analisi in componenti principali. 

Sono state poi definite le Matrici di Probabilità di Agibilità in funzione dell’intensità macrosismica IMCS e dell’indice di agibilità, considerando tre possibili esiti: edificio agibile, edificio parzialmente inagibile ed edificio inagibile. Un esempio svolto illustra come applicare la procedura proposta. Tre misure quantitative d’intensità quali: picco di accelerazione al suolo, picco di velocità al suolo e accelerazione spettrale corrispondente ad un periodo proprio di vibrazione T pari a 0.3 s, sono state associate ad ogni edificio del database, al fine di definire in futuro un nuovo modello per la previsione dell’agibilità degli edifici.

Danni da terremoto: negli ultimi anni in Italia si è data molta importanza all'agibilità strutturale di un edificio

Negli ultimi decenni, la valutazione della vulnerabilità degli edifici ad uso civile è diventata di grande interesse a causa delle grandi perdite economiche e del notevole numero di vittime registrate a seguito di terremoti (Calvi et al., 2006; Romano et al., 2019a, 2018), pur se spesso di intensità moderata. In particolare modo, gli edifici in muratura, che risultano particolarmente vulnerabili (Coccia et al., 2017, 2016), sono largamente diffusi nel territorio italiano costituendo oltre il 57% delle abitazioni totali. A tal proposito, la riduzione della vulnerabilità su larga scala è diventata un tema centrale delle politiche governative, anche grazie all’impulso dato dal Dipartimento nazionale della protezione civile.

Nella letteratura internazionale sono stati sviluppati molti modelli di vulnerabilità per la stima delle perdite (Colonna et al., 2017; Ferlito et al., 2013; Rota et al., 2008), conseguenti al verificarsi di futuri terremoti possibili sul territorio nazionale. I modelli più ricorrenti per la valutazione della vulnerabilità su larga scala possono essere classificati come: empirici, meccanici e ibridi (D’Ayala et al., 2015). Tutti questi modelli portano alla calibrazione di matrici di probabilità di danno (Drago et al., 2016; Sun Yang et al., 1989; Whitman, 1973) o curve di fragilità (Romano et al., 2019b; Rota et al., 2008).

I modelli empirici (Braga et al., 1982; Rosti et al., 2018) sono basati sui dati relativi ai danni post terremoto osservati nell’immediato post sisma. I metodi analitici e meccanici (Borzi et al., 2008; D’Ayala and Speranza, 2003) si basano su una selezione di prototipi di edifici rappresentativi, per i quali devono essere definite la geometria, le proprietà meccaniche e i dettagli costruttivi. Tali metodi si sono molto diffusi negli ultimi anni grazie alle grandi capacità computazionali disponibili (D’Ayala, 2013; Erberik, 2008; Mouyiannou et al., 2014).

La maggior parte dei lavori presenti in letteratura sono funzione del potenziale danno strutturale che l’edificio può subire a seguito di un sisma (Drago et al., 2016). Tuttavia, negli ultimi anni, la comunità scientifica sta ponendo molta attenzione alla definizione dell’agibilità strutturale (Stannard et al., 2014), ossia la capacità di un edificio di essere riutilizzabile a valle di un evento sismico.

In particolare, in Italia, nella fase iniziale del processo di ricostruzione, a seguito del terremoto de L’Aquila del 2009, un criterio per l’allocazione delle risorse era basato sul giudizio di agibilità (Di Ludovico et al., 2017a, 2017b; Rossetto et al., 2014). Di recente Rosti et al. (2018), a partire dai dati inerenti il terremoto de L’Aquila, hanno correlato il danno strutturale, definito attraverso degli indici di danno, all’esito di agibilità; Sisti et al. (2018), utilizzando i dati provenienti dal terremoto del Centro Italia del 2016, hanno evidenziato una forte correlazione tra l’esito di agibilità e alcune caratteristiche strutturali.

Zucconi et al. (2018; 2018; 2017) hanno proposto un modello empirico per la previsione probabilistica dell’agibilità degli edifici post- terremoto, basato sul calcolo di un indice d’agibilità strutturale funzione di diversi parametri, che influenzano il comportamento sismico di costruzioni murarie. Il modello definisce delle matrici di probabilità d’agibilità in funzione dell’indice stesso e dell’intensità macrosismica Mercalli-Cancani-Sieberg IMCS.

Modello per la valutazione dell'agibilità degli edifici

Indice di agibilità

Il modello Zucconi et al. (2018; 2018; 2017) è stato calibrato considerando circa 60 000 edifici ispezionati dopo il terremoto de L'Aquila del 2009 e appartenenti a 90 comuni suddivisi in 248 insediamenti. Il database è disponibile nella piattaforma di danno osservato Da.D.O (Dolce et al., 2017), promossa dal Dipartimento di Protezione Civile nazionale, con lo scopo di raccogliere e catalogare i dati post-sisma relativi ai terremoti avvenuti in Italia negli ultimi cinquanta anni. I dati analizzati sono stati raccolti compilando la scheda AeDES "Scheda di I livello di rilevamento del danno, pronto intervento e agibilità per edifici ordinari nell’emergenza post- sismica” (Baggio et al., 2000), escludendo quindi strutture di grandi luci ed edifici monumenti.

Il modello si basa su sette parametri descrittivi degli edifici:

1. Posizione dell’edificio all'interno dell'aggregato strutturale;
2. Numero di piani fuori terra;
3. Epoca di costruzione;
4. Classe strutturale;
5. Presenza di interventi di rafforzamento;
6. Tipo di copertura;
7. Danni preesistenti agli elementi strutturali.

Il parametro classe strutturale è stato definito a partire dalle tipologie strutturali della scheda AeDES, dove sono considerate 30 diverse tipologie, definite in funzione delle strutture verticali e orizzontali. Sulla base di analogie nel comportamento sismico tali tipologie sono state assemblate in quattro categorie (Figura 1), la cui vulnerabilità aumenta con l'identificativo. In modo simile sono state individuate le categorie rilevanti de gli altri parametri.

Dalla combinazione pesata dei valori calcolati per tali parametri è stato definito un indice di agibilità, U, in funzione della misura d’intensità macrosismica, IMCS, nel seguente modo:

𝑈|𝐼𝑀𝐶𝑆 = ∑𝑝   (𝑢𝑖𝑖|𝐼𝑀𝐶𝑆)𝑤̅𝑖𝑖

dove:

• 𝑢𝑖𝑖|𝐼𝑀𝐶𝑆 è il valore assegnato all’i-esimo dei sette parametri sopra elencati in funzione della categoria di appartenenza e dell'intensità macrosismica IMCS;
• p = 7 è il numero di parametri;
• 𝑤̅𝑖𝑖 è il peso normalizzato del parametro i- esimo, determinato attraverso l'analisi in componenti principali (Jolliffe, 2002), i cui valori sono mostrati in Tabella 1 (Zucconi et al., 2017).

IMMAGINE 1: Categorie classi strutturali

Il valore assegnato all’i-esimo parametro esprime la perdita del livello di agibilità dell’edificio espressa in funzione dell’elemento corrispondente, in un intervallo compreso tra 0 e 1, dove 0 è l’edificio completamente agibile e 1 è l’edificio completamente inagibile. Le categorie di ogni parametro e i valori dei coefficienti ui di Equazione 1 sono mostrati nelle Tabelle 2-8 (Zucconi et al., 2017).

Allo stesso modo, U esprime, mediante una analoga suddivisione in categorie, la perdita globale di agibilità dell'edificio, sulla base della perdita di funzionalità dei diversi parametri strutturali.

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Articolo tratto dagli atti del XVIII Convegno ANIDIS - Ascoli Piceno 2019