Vulnerabilità sismica degli edifici

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Calcolo strutture c.a. e acciaio - edilizia - ambiente - opere idrauliche - opere stradali sicurezza - collaudi
PROTOCOLLO PER LA VALUTAZIONE DELLA
VULNERABILITA’ SISMICA DEGLI EDIFICI PUBBLICI
Civitavecchia, lì
Dott. Ing. Guglielmo Pepi
CAPITOLO 1 - VULNERABILITÀ E RISCHIO
La vulnerabilità è intesa come stima dell’intensità del terremoto per la quale l’edificio
raggiunge una delle due condizioni seguenti:
a) Condizione limite di operatività, ossia di danneggiamento lieve tale da non
pregiudicare l’utilizzazione della struttura.
b) Condizione di collasso incipiente.
Il rischio, ovviamente riferito alle condizioni di pericolosità sismica del sito in cui sorge la
costruzione, tenendo conto anche di eventuali effetti di amplificazione locale, viene
espresso in termini di tempo di ritorno del terremoto che produce le condizioni limite dette.
CAPITOLO 2 - PROCEDURE VC/VM
La metodologia di riferimento nazionale per la valutazione della vulnerabilità e del rischio
sismico del singolo edificio prevede l’impiego delle Procedure VC/VM, rispettivamente per
edifici in c.a. ed in muratura (Ing. M. Dolce e Ing. C. Moroni – Dipartimento di Strutture,
Geotecnica, Geologia Applicata all’Ingegneria – Università degli Studi della Basilicata –
Potenza).
Essa è basata su un modello di calcolo semplificato che permette l’analisi piano per piano
per la determinazione sia degli spostamenti relativi tra un piano e l’altro, al fine di valutare
le condizioni di operatività, sia della resistenza sismica dell’organismo strutturale nei
riguardi delle condizioni di collasso.
La complessità del modello è commisurata al grado di conoscenza delle caratteristiche
meccaniche e geometriche della struttura reale. Tale conoscenza non è mai totale e il
livello di dettaglio è correlato ai tempi ed ai costi di esecuzione dei rilievi e delle indagini
sperimentali sui materiali e sugli elementi componenti. Le procedure VC/VM ottimizzano
l’impegno richiesto, in termini di indagini in sito e in termini di calcolo
L’adozione di alcuni assunti sulle caratteristiche della struttura, dell’azione sismica, della
pericolosità del sito e dei terreni di fondazione limita l’affidabilità dei risultati ottenuti, ma
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l’applicazione della stessa procedura ad edifici diversi permette di confrontare in maniera
quantitativa la loro vulnerabilità e di evidenziare le situazioni più critiche, su cui intervenire
con maggiore urgenza.
Molte delle strutture in cemento armato esistenti sono state progettate per soli carichi
verticali e presentano bassi quantitativi di armature longitudinali nei pilastri, perciò il
meccanismo di collasso più probabile è quello a colonne deboli e travi forti, caratterizzato
dalla formazione di cerniere plastiche alle estremità di tutti i pilastri dei singoli piani. La
valutazione della resistenza al collasso può essere allora effettuata per ogni piano in modo
indipendente e richiede la conoscenza della sola resistenza dei pilastri. La non perfetta
rispondenza del modello alla realtà comporta certamente qualche errore di stima, ma si
tratta di approssimazioni in favore di sicurezza. Viene infatti trascurata la capacità
resistente dovuta all’intelaiamento degli elementi strutturali.
Nel modello può essere considerato o meno il contributo in termini di resistenza di
tamponature e tramezzature interne che talvolta si rivela fondamentale nella prevenzione
dei collassi di piano.
Le azioni sismiche vengono tradotte in forze statiche equivalenti distribuite lungo l’altezza
del fabbricato, tenendo conto, per determinarne l’entità, del periodo proprio d’oscillazione
della struttura in ciascuna delle due direzioni ortogonali principali e della forma dello
spettro di risposta, in funzione del tipo di suolo presente nel sito in esame.
Viene determinata, piano per piano, la forza orizzontale che causa il raggiungimento delle
condizioni di operatività, definite in termini di spostamento relativo di piano diviso per
l’altezza di interpiano (drift), e con riferimento allo stato limite di danno.
Ai fini del calcolo delle condizioni di collasso la procedura determina il taglio resistente
complessivo di ciascun piano, per ognuna delle due direzioni, tenendo conto delle reali
capacità duttili che i singoli pilastri possono sviluppare, in relazione all’entità degli sforzi di
compressione e di taglio agenti.
Partendo dalle resistenze di piano, o dalle forze di piano che producono gli spostamenti
limite ai fini dell’operatività, si può ricavare l’accelerazione al suolo che determina le
condizioni critiche per i due livelli prestazionali considerati, attraverso una serie di
passaggi che mettono a confronto gli effetti indotti dall’azione sismica (sollecitazioni,
deformazioni), ossia la domanda, con le corrispondenti capacità per ciascun piano e per
ciascuna direzione. Si può quindi individuare la situazione più sfavorevole nel rapporto
domanda/capacità, sulla base della quale calcolare l’accelerazione al suolo che ne
determina il raggiungimento.
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2.1 Finalita’ e articolazione delle indagini preliminari
Il programma di indagini può essere articolato in tre fasi. Obiettivo della prima fase è la
raccolta dei dati in possesso dell’amministrazione, utili ad una prima valutazione di
vulnerabilità e la loro integrazione con rilievi geometrici che permettano di verificare la
corrispondenza tra le caratteristiche effettive della struttura e la documentazione tecnica
disponibile. Tali rilievi saranno di accuratezza variabile in funzione del livello di
conoscenza a cui si mira, Limitata (LC1), Adeguata (LC2), Accurata (LC3) e andranno
finalizzati alla determinazione, a campione, delle dimensioni degli elementi strutturali (travi
e pilastri), della configurazione generale della struttura (presenza e disposizione dei telai
con travi emergenti), della consistenza delle tamponature e delle tramezzature interne.
Scopo della seconda fase è soprattutto quello di approfondire i rilievi sperimentali,
attraverso prove non distruttive o poco distruttive sui materiali strutturali (calcestruzzi,
acciai, murature). Le prove non distruttive sui calcestruzzi consistono in prove
sclerometriche ed ultrasoniche, mentre la resistenza cubica (Rc CAROTE) viene derivata dalla
rivalutazione della resistenza cilindrica (fcar) ottenuta direttamente dalle carote, mediante
un’espressione, che porta in conto le dimensioni geometriche del provino e il
rimaneggiamento causato dall’estrazione:
Nella terza fase, infine, si studiano le tipologie di intervento più opportune, in relazione alle
caratteristiche degli edifici presi in esame, ai fini del loro adeguamento o miglioramento
sismico, secondo una logica di ottimizzazione della spesa e di riduzione del rischio.
2.2 Tagli di piano
Il primo passo per il calcolo della vulnerabilità consiste nel determinare il taglio prodotto ai
vari
piani
dell’accelerazione
agente
globalmente
sulla
struttura,
assunta
convenzionalmente pari a 1g. A tale scopo si usa il metodo dell’analisi statica lineare, che
definisce le forze di piano seguendo una prefissata forma semplificata lineare del primo
modo di vibrare della struttura:
Fj = Fh (zj Wj) / Σ (zl Wl)
in cui:
Fh = W poiché l’accelerazione è pari a 1g
Fj è la forza applicata al piano j
Wj e W l sono i pesi delle masse ai piani j e l rispettivamente
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zj e zl sono le altezze dei piani j e l
W è il peso complessivo della costruzione in elevazione
g è l’accelerazione di gravità.
Il taglio agente al piano j, Vag,j, nella direzione considerata è ottenuto
to sommando le forze
agenti al di sopra del piano j-esimo
esimo in esame:
I rapporti SDj tra i tagli di piano Vj corrispondenti alla condizione limite in esame (collasso
oppure operatività) ed i corrispondenti tagli di piano agenti Vag,j (per accelerazione pari a
g), definiscono la prestazione strutturale dei singoli piani dell’edificio in termini
te
di
accelerazioni sulle masse strutturali, espresse come frazione di g.
2.2 Accelerazioni del suolo - Vulnerabilità
Il passaggio successivo consiste nel determinare le accelerazioni massime del terreno in
situ (PGA) e su roccia (ag), corrispondenti al raggiungimento delle condizioni limite ai
singoli piani e nelle due direzioni considerate.
Occorre esaminare diversi effetti legati al comportamento dinamico della struttura
struttur e alle
sue capacità duttili.
Questi vengono messi in conto attraverso una serie di coefficienti, che legano
leg
l’accelerazione del terreno che produce il raggiungimento della condizione limite in esame,
definita come PGAj, all’accelerazione
accelerazione sulle masse strutturali:
Noti i coefficienti α,, dall’inversione di tale espressione si ricavano facilmente le
accelerazioni
razioni massime al suolo in sito e su roccia (ag), che determinano il raggiungimento
delle condizioni limite:
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Si è dunque determinata la vulnerabilità reale della struttura, espressa in termini di
accelerazione massima a terra del terremoto che produce il collasso o la perdita di
operatività.
2.3 Il rischio sismico
La stessa vulnerabilità consente di definire il rischio di collasso, ossia il periodo di ritorno
del terremoto corrispondente all’accelerazione
all
di picco trovata.
Con riferimento alle mappe della pericolosità sismica italiana si possono ottenere, per
interpolazione, i periodi di ritorno corrispondenti alle accelerazioni a terra mediante
l’equazione:
dove i parametri α e k sono funzione del sito ed ag è l’accelerazione
’accelerazione su roccia di cui si
vuole determinare la ricorrenza.
CAPITOLO 3 - AFFIDABILITÀ DELLE STIME ED ASPETTI CONNESSI
L’attendibilità
lità dei risultati che la procedura presentata può fornire è fortemente legata alla
quantità e qualità delle informazioni oltreché alla significatività del modello realizzato. In
condizioni ottimali il metodo fornisce risultati molto affidabili e vicini sia alla realtà
sperimentale, sia ai valori ottenuti con procedure più complesse e sofisticate. In assenza
di tali condizioni può essere necessaria una revisione del parametro finale di vulnerabilità
vulner
e di rischio, mediante un giudizio soggettivo del tecnico che valuti sia la variabilità
intrinseca della stima, per la cattiva conoscenza dei parametri principali, sia la possibilità
che essa non risulti cautelativa, per la presenza di fattori negativi che il metodo e il
modello non possono mettere in conto.
Per l’attendibilità dei risultati
tati del metodo, sono fondamentali l’adeguatezza
deguatezza del modello
relativo all’edificio analizzato, la qualità delle informazioni e un buon grado di conoscenza
acquisito attraverso sopralluoghi e documentazione disponibile. Saranno necessari il
progetto o rilievo architettonico, il progetto strutturale o altri
ltri elaborati di carpenteria,
carpen
saggi
effettuati sugli elementi strutturali per individuare
individua le armature e verificare
verifica le loro dimensioni
o per determinare le caratteristiche delle murature,
murature oltre ad un certo numero di prove sui
materiali.
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Si ricorda, peraltro, che alcuni fattori strutturali peggiorativi delle prestazioni antisismiche
degli edifici non sono portati in conto dal modello, quali:
• Irregolarità delle aperture e presenza di piccole nicchie nelle pareti strutturali;
• Presenza di spinte statiche (tetti, volte, archi, negli edifici in muratura, pareti di sostegno
del terreno, ecc.);
• Notevole snellezza dell’edificio;
• Elevata snellezza delle strutture verticali.
L’effettiva vulnerabilità dell’edificio aumenta in presenza di danni preesistenti, di giunti
strutturali inadeguati, di cedimenti fondali o di solai di caratteristiche non adeguate alla
luce e all’utilizzo (aule, palestre, ecc.) e/o con evidenti inflessioni.
Da non sottovalutare, inoltre, nel giudizio complessivo sull’immobile, la vulnerabilità delle
parti non strutturali. Queste sono soggette a danni, anche per terremoti di bassa intensità,
e possono provocare cadute pericolose di elementi pesanti. Possono considerarsi fattori di
rischio le altezze d’interpiano superiori ai 3.5 m senza cordoli rompitratta intermedi o altri
provvedimenti atti a ridurre il rischio di ribaltamento di tamponature e tramezzi, le
tamponature disposte esternamente alla maglia strutturale e/o su sbalzi, i rivestimenti
pesanti in cattivo stato di manutenzione, le controsoffittature pesanti, i cornicioni e i camini
in muratura e gli sbalzi di grande luce.
CAPITOLO 4. COSTI DELLE VERIFICHE TECNICHE
Il tema dei costi di servizi di ingegneria per la valutazione della sicurezza sismica non è
facile. Al fine di orientare i titolari le Amministrazioni, alle prese con necessità di
pianificazione degli investimenti, è possibile fare riferimento all’Ordinanza OPCM
3362/2004, che nell’allegato 2 riporta le seguenti indicazioni:
Costo convenzionale di verifica per edifici
Per gli edifici il costo convenzionale di verifica, comprensivo delle indagini necessarie, e' definito
in funzione del volume totale dell'edificio, espresso in metri cubi e valutato dallo spiccato delle
fondazioni, ed e' pari:
•
per edifici con volume fino a 10.000 m3 al prodotto del volume dell'edificio per un costo
unitario di 2,50 Euro/m3, con un minimo di 3.000 Euro/edificio;
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•
per edifici con volume superiore a 10.000 m3 e fino a 30.000 m3 alla somma del costo
previsto per un edificio di 10.000 m3 e del prodotto fra il volume dell'edificio eccedente
10.000 m3 ed un costo unitario di 1,80 Euro/m3;
•
per edifici con volume superiore a 30.000 m3 e fino a 60.000 m3 alla somma del costo
previsto per un edificio di 30.000 m3 e del prodotto fra il volume dell'edificio eccedente
30.000 m3 ed un costo unitario di 1,20 Euro/m3;
•
per edifici con volume superiore a 60.000 m3 e fino a 100.000 m3 alla somma del costo
previsto per un edificio di 60.000 m3 e del prodotto fra il volume dell'edificio eccedente
60.000 m3 ed un costo unitario di 0,60 Euro/m3;
•
per edifici con volume superiore a 100.000 m3 alla somma del costo previsto per un
edificio di 100.000 m3 e del prodotto fra il volume dell'edificio eccedente 100.000 m3 ed un
costo unitario di 0,30 Euro/m3.
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