Validazione di modelli numerici da dati di monitoraggio permanente: il caso studio del Tribunale di Fabriano

Questa seconda fase si è avvalsa di una selezione di registrazioni relative agli eventi sismici principali che hanno interessato il Centro Italia nel 2016/2017. La struttura non ha subito danni rilevanti a seguito del terremoto ma è molto interessante per la sua complessità tipologica costruttiva e la varietà di interventi di consolidamento subiti nel tempo che dal punto di vista della modellazione si traducono in numerose potenziali incertezze che rendono più articolata la fase di calibrazione. I confronti operati ai fini della validazione in termini di cicli d’isteresi delle forze inerziali e spostamenti di sommità e di spettri di piano hanno mostrato una buona corrispondenza tra misure sperimentali e numeriche, dimostrando l’attendibilità ed efficacia della tecnica di modellazione adottata.

L'analisi modale sperimentale si sta sviluppando grazie a tecnologia e costi sempre più accessibili

Ai fini delle valutazioni sismiche degli edifici esistenti è essenziale la definizione di modelli numerici attendibili. Nel caso del costruito storico in muratura, tipologia meno ingegnerizzata e quindi spesso meno standardizzata di altre, le incertezze associate non solo ai materiali ma anche all’efficacia dei dettagli costruttivi che possono influenzare la risposta simulata sono numerose.

Tali incertezze possono essere certamente approfondite attraverso l’esecuzione di indagini in situ che però in genere consentono di acquisire una conoscenza puntuale alla scala locale della struttura. Per altre, come il grado di ammorsamento tra pareti ortogonali o l’effettiva rigidezza dei solai, è utile integrare approfondimenti puntuali con informazioni rappresentative della risposta globale.

A tale scopo le informazioni ottenibili da misure di vibrazione ambientale risultano molto utili consentendo di definire le proprietà dinamiche della costruzione in termini di frequenze e forme modali. Nell’ultimo decennio, l’analisi modale sperimentale ha trovato largo impiego nell’ingegneria civile, anche nell’ambito del monitoraggio permanente (Rainieri et al. 2011, Modena et al. 2016, Masciotta et al. 2017, Ubertini et al. 2017) e a supporto di valutazioni di sicurezza sismica (come ad esempio illustrato in Guéguen et al. 2014, Michel et al. 2008, Cavalagli et al. 2018, Ubertini et al. 2018).

La sua diffusione è favorita dalle tecnologie sempre più avanzate e dai costi richiesti sempre più appetibili: caratteristiche che ne rendono promettente in futuro l’impiego anche a larga scala. La letteratura è tuttavia più carente di casistiche relative agli edifici ordinari in muratura, che per lo più riguardano tipologie strutturali particolarmente flessibili come le torri o a carattere monumentale (Gattulli et al. 2016, Karatzetzou et al. 2015, Lorenzoni et al. 2013).

In questo contesto, l’articolo tratta il caso studio del Tribunale di Fabriano (Ancona) (§2), sul quale è installato un sistema di monitoraggio dinamico permanente dell’Osservatorio Sismico delle Strutture - OSS (Dolce et al. 2017) e che è stato oggetto delle attività di ricerca del progetto ReLUIS 2017/2018 Task 4.1- Analisi di edifici monitorati dall’Osservatorio Sismico delle Strutture (Cattari et al. 2018a, Cattari et al. 2019). La struttura è stata modellata attraverso l’approccio a telaio equivalente usando il software 3Muri (Lagomarsino et al. 2013, Stadata s.r.l).

Il modello è stato dapprima calibrato in campo lineare usando una procedura manuale di model updating (§4), indirizzata grazie all’esecuzione di progressive analisi di sensibilità, sulla base dei dati di identificazione dinamica elaborati a partire da alcune registrazioni di rumore ambientale a disposizione (§3). Esso è stato poi validato tramite l’esecuzione di analisi dinamiche non lineari beneficiando delle registrazioni acquisite dal sistema di monitoraggio permanente a seguito delle scosse che hanno interessato il Centro Italia nel 2016/2017 (§5).

Analisi storica ed interventi di consolidamento

Il Tribunale di Fabriano è stato costruito attorno al 1940 per ospitare l’Istituto Industriale specializzato per la lavorazione della carta. E’ caratterizzato da una pianta a T (superficie media pari a 1220 m2) e comprende tre piani e un seminterrato, per un’altezza totale di 16.8 m (Figura 1). L’edificio aveva originariamente solo due piani e il seminterrato. La sopraelevazione dell’ultimo livello è datata 1950.

IMMAGINE 1: Veduta d'insieme del Tribunale di Fabriano

Nel 1999, dopo essere stato danneggiato nel 1997 dal terremoto che ha colpito le regioni Umbria e Marche, l’edificio ha subito una serie di interventi di restauro e miglioramento sismico (Figura 2). Tra gli interventi strutturali più significativi si annoverano:

• La demolizione e ricostruzione del corpo scale esterno che permette di raggiungere il secondo piano attraverso un corpo aggiunto in cemento armato, separato dal resto dell’edificio mediante un giunto sismico;
• Interventi estesi sulle strutture portanti verticali quali la realizzazione di intonaco armato sulle murature;
• Interventi estesi sugli orizzontamenti quali: il consolidamento di alcuni solai mediante soletta armata e il rifacimento di altri; l’inserimento di controventi di piano in acciaio a livello della copertura;
• Interventi mirati a migliorare la qualità del collegamento tra le pareti portanti verticali e solai tramite un intervento di chiodatura armata dei cantonali con barre ad aderenza migliorata.

IMMAGINE 2: Quadro degli interventi di consolidamento realizzati

Rilievo tecnologico

Per quanto riguarda le strutture verticali, l’edificio è caratterizzato dalla presenza di tre tipologie murarie, a loro volta suddivise in sotto-tipologie in funzione dell’intervento di consolidamento a cui sono state sottoposte (Figura 3):

• MUR1: muratura in pietra a spacco con buona tessitura e spessore variabile tra 40 e 125 cm. Presenta un intervento di intonaco armato realizzato solo internamente in alcune pareti (MUR1_C1) o su entrambi i lati in altre (MUR1_C2).
• MUR2: muratura in mattoni pieni, di spessore variabile tra 25 e 45 cm e consolidata mediante intonaco armato realizzato su entrambi i paramenti murari.
• MUR3: muratura con pietre a spacco di buona tessitura caratterizzata dalla presenza di un rivestimento esterno in mattoni faccia vista con tessitura gotica di 24 cm. Su questa tipologia muraria è stato realizzato un intervento con intonaco armato solo internamente. Poiché lo spessore totale delle pareti è molto variabile (da 50 a 90 cm), in fase di analisi si è ritenuto necessario separare tale tipologia in due sottocategorie, in funzione dello spessore del paramento e delle conseguenti ripercussioni sull’omogeneizzazione equivalente della sezione: MUR3_A (con spessori complessivi tra 78 e 90 cm), MUR3_B (con spessori complessivi tra 50 e 65 cm).

Per quanto riguarda invece le strutture orizzontali, le tipologie di solaio presenti sono:

• SOL1: solaio in putrelle in acciaio IPE200 e voltine in laterizio forato, consolidato mediante soletta armata di 6 cm.
• SOL2: solaio in acciaio con pignatte in laterizio, caratterizzato dalla presenza di una soletta armata al di sopra della quale è presente un massetto alleggerito. Tale tipologia era già presente all’epoca degli interventi del 1999, essendo stata probabilmente realizzata in sostituzione delle porzioni danneggiate del vecchio solaio a voltine.
• SOL3: solaio realizzato in sostituzione della tipologia precedente, realizzato con profili di acciaio IPE e lamiera grecata. Sopra è stato realizzato un getto di calcestruzzo con rete elettrosaldata di spessore pari a circa 6 cm, sottofondo e finitura. In funzione della sezione dei profili in acciaio utilizzati (diversi in base alla luce da coprire) si sono distinti nelle analisi: SOL3_A (IPE 240) e SOL3_B (IPE 160).
• SOL4: è la tipologia presente nel piano sottotetto non calpestabile. E’ costituita da profili in acciaio W e tavolato in legno. In funzione dell’altezza del profilo, si sono distinti: SOL4_A (profilo alto 160 mm); SOL4_B (profilo di dimensioni minori).

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