DIAGNOSI DEGLI EDIFICI ESISTENTI
(Ordinanze P.C.M. n. 3274/03, n. 3316/03 e n. 3431/05)
VALUTAZIONE DI SICUREZZA SISMICA
Ogni edificio è un caso a sé: le norme forniscono gli elementi per la valutazione dei singoli edifici ed i risultati non sono estendibili a edifici diversi pur appartenenti alla stessa tipologia.
Interventi di adeguamento sismico possono essere effettuati qualora ne sia verificata la necessità, a seguito di verifiche tecniche.
FONTI PER LA VALUTAZIONE
Le resistenze medie ottenute dalle prove in situ vanno divise per i fattori di confidenza, per definire la resistenza dei materiali da utilizzare nelle formule di capacità degli elementi strutturali.
LIVELLI DI CONOSCENZA
Gli aspetti che definiscono i livelli di conoscenza sono la geometria, i dettagli costruttivi e le proprietà dei materiali. Un livello di conoscenza si intende raggiunto quando i tre aspetti vengono analizzati e definiti ad un livello pari o superiore.
BENI CULTURALI
La Direttiva del 12 ottobre 2007 del Presidente del Consiglio dei Ministri per la valutazione e la riduzione del rischio sismico del patrimonio culturale, rappresenta il più aggiornato riferimento metodologico per affrontare le problematiche di conoscenza, prevenzione e protezione dei beni architettonici d’interesse culturale, nello spirito dell’art. 29 del Codice dei beni culturali e del paesaggio. Il documento, che fa riferimento alle Norme Tecniche per le Costruzioni, è il frutto dell’intesa istituzionale tra il Dipartimento della Protezione Civile e il Dipartimento per i Beni Culturali e Paesaggistici - Direzione Generale per i Beni Architettonici e Paesaggistici del Ministero per i Beni e le Attività Culturali, in attuazione del Decreto Interministeriale 23 maggio 2005, finalizzato all’elaborazione delle Linee Guida per l’applicazione al patrimonio culturale della normativa tecnica di cui all’Ordinanza della Presidenza del Consiglio dei Ministri 20 marzo 2003, n. 3274.
Il testo, che ha parere favorevole del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici, è stato redatto con l'intento di specificare un percorso di conoscenza e valutazione della sicurezza sismica concettualmente analogo a quello previsto per le costruzioni non tutelate, ma opportunamente adattato alle esigenze e peculiarità del patrimonio culturale.
Nella sezione "Conoscenza del manufatto" (cap. 4) sono indicate prove, indagini e tecniche diagnostiche per la caratterizzazione meccanica dei materiali e definire lo stato di conservazione: termografia, georadar, tomografia sonica, endoscopia, ultrasuoni, prove penetrometriche, doppio martinetto piatto, prove di taglio, etc.
La Direttiva auspica l'installazione di monitoraggi per eseguire un'accurata analisi del comportamento strutturale per interpretare i dissesti in atto, registrando in continuo i movimenti più significativi.
FASE 1
Valutazione dei livelli di conoscenza, campagna di indagine e rilievo di dettaglio
1.a - Raccolta e analisi delle informazioni disponibili, definizione della campagna diagnostica strumentale e dei fattori di confidenza
- Raccolta dei documenti di progetto con particolare riferimento a relazioni geologiche, geotecniche e strutturali ed elaborati grafici strutturali;
- Analisi delle informazioni disponibili in merito alla geometria strutturale, ai dettagli strutturali, alle proprietà dei materiali strutturali, alla stratigrafia ed alla proprietà dei terreni di fondazione;
- Individuazione della campagna diagnostica strumentale, del metodo di analisi per la valutazione della sicurezza e dei fattori di confidenza da applicare alle proprietà dei materiali, perseguendo un livello di conoscenza LC1 o LC2 o LC3, come definito dall’Ordinanza P.C.M. 3274/2003 e s.m.i.
1.b - Rilievi di dettaglio: geometria e dettagli costruttivi strutturali
Geometria
- Rilievo ex novo completo, ovvero un rilievo visivo a campione nel caso in cui siano disponibili i disegni originali di progetto.
- Verifica dello spessore dei solai a tutti i livelli, mediante l’esecuzione di videoendoscopie (con strumentazione a fibre ottiche). Valutazione della capacità dei diaframmi orizzontali di trasmettere le forze tra i diversi sistemi resistenti a sviluppo verticale, con ipotesi di solai infinitamente nel loro piano.
- Ispezioni videoendoscopiche sulle tamponature e sulle tramezzature di spessore superiore a 10 cm per determinarne la geometria interna e le caratteristiche dei materiali.
- Saggi in fondazione per verificarne la profondità del piano di posa, la tipologia e le caratteristiche geometriche.
Lo studio della reale capacità dissipativa della struttura consente risultati più coerenti con la realtà, riducendo il più possibile il grado di approssimazione del modello numerico e sfruttando tutte le risorse disponibili nell’edificio in termini di resistenza al sisma.
Particolare attenzione viene rivolta all’approfondimento delle cause di eventuali lesioni, dissesti o stati di degrado, scoprendo la struttura in corrispondenza di eventuali fessure e lesioni ed effettuando saggi accurati.
Dettagli costruttivi
I dettagli costruttivi, ossia la quantità e disposizione delle armature, vengono determinati mediante prove di tipo indiretto, ossia mediante l’analisi magnetometrica con parcometro e prove di tipo diretto, mediante l’esecuzione di traccia verticale per la determinazione delle armature e del loro diametro.
Considerando che è fondamentale la conoscenza dei dettagli costruttivi dei singoli elementi strutturali (armature longitudinali e trasversali), si privilegiano, quanto a numero di elementi indagati ed accuratezza dell’indagine, i pilastri rispetto alle travi. Per le travi, è comunque necessario effettuare demolizioni dei pavimenti per determinare l’armatura a momento negativo in corrispondenza dei nodi travi-pilastro.
Nel caso in cui esistano disegni costruttivi originali, è consentito effettuare una limitata verifica in situ delle armature e dei collegamenti presenti negli elementi più importanti; in caso contrario, è necessario effettuare una estesa verifica in situ delle armature. I quantitativi di prova inderogabilmente richiesti sono specificati nella tabella 11.2a dell’OPCM 3431/2005.
1.c - Indagini strumentali: proprietà dei materiali strutturali e del terreno di sedime
Proprietà dei materiali strutturali (es. cemento armato)
- Individuazione delle caratteristiche meccaniche del calcestruzzo e dell’acciaio d’armatura mediante estrazione di campioni
- Valutazione del degrado del calcestruzzo mediante misura della profondità di carbonatazione.
- Esecuzione di prove a rottura con emissione del rapporto di prova da parte di Laboratorio Ufficiale accreditato dal Ministero dei Trasporti e delle Infrastrutture, ai sensi della Legge 1086/71.
- Prelievo di carote in calcestruzzo mediante carotatrici a corona diamantata, secondo quanto indicato dalla norma UNI EN 12504-1 (2002), adottando il criterio di ridurre al minimo il danneggiamento del campione nel corso delle operazioni di estrazione.
- Esecuzione di prove non distruttive: prove ultrasoniche, sclerometriche o di estrazione, opportunamente combinate (metodo SonReb) e tarate su quelle distruttive.
La resistenza delle carote misurata certificata dal laboratorio sulle carote viene “corretta” tenendo conto dei numerosi fattori che la differenziano da quella che si misurerebbe su un equivalente provino standard: diverse modalità di preparazione e stagionatura, differente età di stagionatura tra carota e provino standard, disturbo conseguente alle operazioni di prelievo, umidità del campione, presenza di armature incluse, direzione del prelievo in funzione della direzione del getto, forma e dimensioni della carota, dimensione massima dell’inerte, etc.
Per le opportune correzioni si fa ricorso ai coefficienti del documento n. 214.4R “Guide for Obtaining Cores and Interpreting Compressive Strenght Results” dell’American Contrete Institute (2003), ripreso da numerose Regioni (ad es. Toscana e Basilicata) per la redazione delle Linee Guida finalizzate alla valutazione della qualità dei materiali di edifici in cemento armato, nell’ambito delle verifiche tecniche di cui all’OPCM 3274/2003.
Per l’identificazione della resistenza caratteristica convenzionale si fa riferimento a quanto riportato nelle Norme Tecniche per le Costruzioni di cui al DM 14 gennaio 2008 pubblicato sulla G.U. n° 29 del 04.02.2008.
Nel caso in cui si rinvengano i disegni costruttivi originali ed i certificati originali di prova, vengono effettuate limitate prove in situ, sempre che i valori ottenuti risultino superiori a quelli indicati nei disegni costruttivi originali e nei certificati originali di prova i collegamenti presenti negli elementi più importanti; in caso contrario, è necessario effettuare estese prove in situ.
I quantitativi di prova sono specificati nella tabella 11.2b dell’OPCM 3431/2005.
Terreno di sedime
- Esucuzione di almeno due prove con la tecnica di prospezione sismica a rifrazione (MASW o REMI), secondo le due direzioni principali dell’edificio, per individuare la velocità media di propagazione entro 30 metri di profondità delle onde di taglio (Vs30): misura dei tempi di primo arrivo delle onde sismiche generate da un punto verso una molteplicità di punti allineati in superficie.
Lo studio della propagazione delle onde sismiche consente di identificare la categoria del sottosuolo per definire l’azione sismica di progetto.
L’individuazione della categoria del suolo consente di definire i parametri dello spettro di risposta elastico, sia della componente verticale sia della componente orizzontale. Il modello con cui viene definito il moto sismico di un punto della superficie del suolo è rappresentato dallo spettro di risposta elastico: una forma spettrale (spettro normalizzato), considerata indipendente dal livello di sismicità, moltiplicata per il valore di accelerazione massima del terreno che caratterizza il sito.
La determinazione dello spettro elastico consente di ottenere l’azione sismica di progetto, che viene poi combinata con le altre azioni, permanenti e variabili, agenti sulle struttura.
FASE 2
Analisi e le verifiche dei livelli di sicurezza sismica
2.a - Modellazione della struttura
- realizzazione di un modello numerico della struttura, che ne rappresenti il più fedelmente possibile le distribuzioni di massa e di rigidezza effettiva considerando, laddove appropriato, anche il contributo degli elementi non strutturali.
Il modello della struttura è costituito da elementi resistenti piani a telaio o a parete connessi da diaframmi orizzontali.
La rigidezza dei diaframmi orizzontali è valutata tenendo conto delle aperture in essi presenti, e la regolarità in pianta dell’edificio in modo da perfezionare il modello secondo i metodi proposti nel Capitolo 4.4 dell’Allegato 2 dell’O.P.C.M. 3274/2003 e ss.mm. e ii.
Nello specifico, per ogni edificio, vengono realizzati due modelli tridimensionali: un modello “lineare”, in cui la rigidezza flessionale ed a taglio delle sezioni resistenti è riferita a condizioni fessurate, e un modello “non-lineare” in cui le sezioni di estremità degli elementi resistenti primari saranno modellate con sezioni “a fibre”, a cui viene assegnato il legame costitutivo non-lineare del materiale corrispondente.
2.b - Spettro di risposta
L’individuazione della categoria del suolo consente di definire i parametri dello spettro di risposta elastico, sia della componente verticale sia della componente orizzontale. Il modello con cui viene definito il moto sismico di un punto della superficie del suolo è rappresentato dallo spettro di risposta elastico: una forma spettrale (spettro normalizzato), considerata indipendente dal livello di sismicità, moltiplicata per il valore di accelerazione massima del terreno che caratterizza il sito.
La determinazione dello spettro elastico consente di ottenere l’azione sismica di progetto, che viene poi combinata con le altre azioni, permanenti e variabili, agenti sulle struttura.
2.c - Analisi e verifiche di sicurezza in campo lineare (livello 1) e non-lineare (livello 2)
- Esecuzione di analisi lineare dinamica del modello “lineare” e di analisi non-lineare statica (push-over) del modello “non-lineare”, mediante software agli elementi finiti (Finite Element Analysis) di comprovata affidabilità.
- Verifica dell’applicabilità del metodo lineare ed individuazione della curva di capacità globale forza-spostamentodi,
- Esecuzione delle verifiche di sicurezza previste dall’OPCM 3431/2005 per gli elementi duttili, fragili e i nodi.
L’esito delle verifiche viene sintetizzato sia a livello globale, preferibilmente mediante diagrammi di spostamento, sia a livello locale, per tutti gli elementi resistenti.
Vengono analizzati due stati limite distinti: oltre allo stato limite di danno lieve, viene considerato lo stato limite di danno severo o lo stato limite di collasso.
2.d - Interpretazione dei risultati
- Analisi della sicurezza nei confronti della stabilità (Stato Limite di Collasso) e della protezione nei confronti del danno (Stato Limite di Danno – SLD).
In particolare vengono valutati i tre stati limite:
- Stato Limite di Collasso (SL di CO), quando la struttura risulta fortemente danneggiata, con ridotte caratteristiche di resistenza e di rigidezza residue, appena in grado di sostenere i carichi verticali. In tale caso l’edificio presenta un fuori piombo significativo e non è in grado di subire, senza collasso, ulteriori modeste accelerazioni al suolo.
- Stato Limite di Danno Severo (SL di DS), quando la struttura presenta danni importanti, con significative riduzioni di resistenza e di rigidezza, tali che la riparazione dell’edificio risulta non conveniente.
- Stato Limite di Danno Lieve (SL di DL), quando la struttura presenta danni modesti in cui la riparazione risulta conveniente in quanto non sono compromessi gli elementi portanti in termini di resistenza e rigidezza.
L’obiettivo della valutazione di sicurezza sismica è quello di determinare il PGA, ossia il moltiplicatore dell’accelerazione orizzontale massima su suolo di categoria A.
In particolare si calcolano tre valori di PGA: PGACO, PGADS e PGADL, corrispondenti rispettivamente alle situazioni SL di CO, SL di DS e SL di DL.
La verifica di sicurezza sismica consente di definire gli indicatori di rischio di collasso e di inagibilità, come definiti nell’Allegato 2 al Decreto del Capo D.P.C. del 21 Ottobre 2003.
Tali indicatori si ottengono mediante il rapporto tra i tre livelli di accelerazione al suolo, corrispondenti ai tre stati limite, e le accelerazioni attese rispettivamente con probabilità 2% (PGA2%), 10% (PGA10%) e 50% (PGA50%) in 50 anni, tenendo conto anche del fattore di importanza e dei coefficienti di amplificazione topografica e stratigrafica del sottosuolo.
Analizzate le cause di vulnerabilità ed identificate le criticità strutturali, vengono definiti gli obiettivi di sicurezza facendo riferimento alle Linee Guida dell’Applied Technology Council (ATC) e della Federal Emergency Management (FEMA).
FASE 3
Ipotesi di intervento strutturale
Vengono, quindi, presentate le varie tecniche di adeguamento sismico e proposti i criteri generali di scelta, analizzando sia gli aspetti tecnici sia quelli economici, secondo il principio della “giusta misura e del minimo intervento”.
Vengono specificatamente comparate le varie strategie in termini di efficacia, sicurezza, tempistica, invasività, innovazione e costi, facendo particolare riferimento ai bollettini editi dalla FIB (Fédération Internationale du Béton) ed i manuali della IUSS Press.
