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Edifici esistenti: come si valuta la vulnerabilità sismica e quali tecniche avanzate di protezione sismica possono essere applicate

Approfondimento sulla valutazione della vulnerabilità sismica di una struttura e sulle tecniche di protezione.

di Redazione

Come si valuta la vulnerabilità sismica di una struttura?

Secondo la definizione del Dipartimento di Protezione Civile la vulnerabilità sismica è la propensione di una struttura a subire un danno di un determinato livello a fronte di un evento sismico di una data intensità.

In poche parole la vulnerabilità sismica è la predisposizione di una struttura a subire danneggiamenti o crolli. La valutazione della vulnerabilità sismica si articola in diverse fasi e può seguire procedure da condurre con diversi livelli di approfondimento e complessità di calcolo. Ai fini della scelta della tipologia di intervento da applicare sarà necessario seguire i metodi di analisi previsti dalle NTC 2018 e quindi condurre analisi strutturali coerenti con le prescrizioni presenti nelle norme tecniche.

L’iter da seguire per la valutazione della vulnerabilità sismica:

A partire dal paragrafo 8.3 delle NTC 2018 viene definito l’iter da seguire per la “Valutazione della sicurezza” ovvero l’individuazione delle criticità di un fabbricato e quindi della sua vulnerabilità, che si articola nelle seguenti fasi:

  • Analisi storico critica
  • Rilievo geometrico e strutturale
  • Caratterizzazione meccanica dei materiali
  • Definizione dei livelli di conoscenza e dei conseguenti fattori di confidenza
  • Valutazione delle azioni e analisi strutturale
  • Eventuali interventi da progettare

Tra gli interventi Il capitolo 8.4 della NTC 2018 individua i seguenti interventi:

  • interventi di adeguamento
  • interventi di miglioramento
  • riparazioni o interventi locali

Affinché la progettazione degli eventuali interventi di miglioramento o adeguamento sismico possano essere affidabili e significativi è necessario realizzare un modello numerico rappresentativo dell’effettivo comportamento strutturale. Ne consegue che i passaggi più delicati saranno la definizione del modello di calcolo e la scelta del metodo di analisi più appropriato.

Nel caso si decidesse di operare con analisi di tipo lineare, il problema principale sarà la definizione del fattore di struttura q da utilizzare per considerare le risorse post elastiche dell’edificio. Non conoscendo per una struttura esistente i criteri adottati in fase di progetto non è semplice ipotizzare il tipo di meccanismo di collasso globale. A causa di questa incertezza si assumeranno fattori di struttura bassi in via cautelativa, ma sicuramente nessuno potrà garantire questo valore. Nel caso di nuove costruzioni il rispetto delle prescrizioni garantirà la scommessa fatta scegliendo aprioristicamente un fattore di struttura. Al contrario per una struttura esistente non sarà possibile imporre i prerequisiti dettati dalle prescrizioni.

Con i metodi non lineari come l’analisi pushover e l’analisi dinamica non lineare, che verranno ampiamente analizzati durante il corso “Valutazione della Vulnerabilità sismica di edifici esistenti e tecniche avanzate di protezione sismica”, non si avrà più la necessità di definire aprioristicamente e arbitrariamente il fattore di struttura, anzi esso stesso potrà essere calcolato mediante queste analisi.

Durante il corso “Valutazione della Vulnerabilità sismica di edifici esistenti e tecniche avanzate di protezione sismica” che si svolgerà il 21 giugno a Pisa, saranno affrontati in maniera approfondita gli aspetti teorici e pratici legati al percorso che culmina con la valutazione della sicurezza di una struttura esistente. L’Ing. Leonardo Bandini, docente del corso e socio di CSI-Italia, analizzerà i pro e i contro legati alle differenti tipologie di analisi e attraverso esercitazioni pratiche svolte su SAP2000 ed ETABS affronterà casi di studio reali.

Perché si deve valutare la vulnerabilità sismica?

Negli edifici di nuova costruzione si utilizza il metodo del capacity design, realizzando strutture caratterizzate da un comportamento globale duttile mentre nelle strutture esistenti difficilmente si riscontra questo comportamento. Dall’osservazione e lo studio dei danni provocati dagli eventi sismici recenti sono state evidenziate carenze nei criteri di progettazione, privi di accorgimenti antisismici e privi di cura nelle modalità di realizzazione ed esecuzione.  In particolare soprattutto per le strutture a telaio in cemento armato fino agli anni 70 si progettava affinché tali strutture potessero resistere ai soli carichi verticali, quindi invece di avere un sistema strutturale a “travi deboli e pilastri forti “ tipico del capacity design si realizzavano strutture a “travi forti e pilastri deboli”, che hanno portato a conseguenze disastrose, dimostrate dagli ultimi eventi sismici avvenuti. Pertanto ora moltissimi edifici si trovano in zone sismiche ma non hanno i requisiti antisismici. L’Italia è uno dei paesi europei con il maggior livello di vulnerabilità sismica, sia per l’assenza almeno fino ai primi anni 80 di un’efficace valutazione dell’effettiva pericolosità sismica sia per la mancanza di specifici codici normativi che potessero portare alla realizzazione di strutture in grado di sopportare un’azione orizzontale commisurata alla reale pericolosità sismica.

Tecniche avanzate di protezione sismica

Per consentire un adeguamento o un miglioramento sismico della struttura possono essere inseriti all’interno delle strutture dispositivi di dissipazione supplementare di energia o di isolamento, il cui ruolo nella compagine strutturale è finalizzato alla massima limitazione del danneggiamento degli elementi. I dispositivi di isolamento o dissipazione ben si adattano all’impiego di protezione di strutture di particolare pregio o importanza, e rappresentano una efficace soluzione al problema della riduzione del rischio sismico di edifici che non rispettano i requisiti prestazionali delle NTC2018.

Ad esempio con l’inserimento di controventi dissipativi si riduce sia la deformabilità del sistema che l’entità delle forze in gioco. La maggiore rigidezza della struttura con i controventi fa ridurre gli spostamenti e grazie alla capacità dissipativa dei dispositivi inseriti l’energia sismica in ingresso viene abbattuta. L’inserimento dei controventi dissipativi fa spostare i periodi propri della struttura in una zona dello spettro sismico a contenuto energetico più alto, l’energia sismica in ingresso incrementa, ma essendo concentrata nei controventi dotati di dispositivi sarà abbattuta.

Con l’isolamento alla base invece i periodi propri della struttura vengono spostati in una zona dello spettro a contenuto energetico più basso, riducendo l’energia sismica in ingresso. Gli isolatori inseriti porteranno ad una significativa dissipazione che determinerà un ulteriore abbattimento di sollecitazioni e spostamenti.

Entrambe le tipologie di intervento richiederanno un maggiore dettaglio nella modellazione, ad esempio potrebbero essere necessarie analisi non lineari, che permetteranno di individuare il progressivo danneggiamento della struttura con formazione dei vari meccanismi duttili e fragili.

Gli interventi di miglioramento o adeguamento sismico con controventi dissipativi o con isolamento sismico alla base possono far conseguire elevati livelli prestazionali ad un costo ragionevole. Tuttavia tutto dipende dagli obiettivi prestazionali che si vogliono raggiungere, ad esempio un intervento mediante isolamento fornirà una protezione significativa degli elementi strutturali e non strutturali ma spesso ne è preclusa l’applicazione a causa di obiettivi di intervento limitati e risorse economiche scarse. Al contrario l’intervento mediante controventi dissipativi, con un più esteso campo di applicazione e con l’utilizzo di dispositivi di dissipazione energetica non troppo sofisticati, permetterà di conseguire ad un costo contenuto il requisito della salvaguardia della vita. Tali tecniche potranno essere una valida alternativa a quelle tradizionali.

Anche se sono tecniche utilizzate da decenni esse sono in continuo sviluppo. Durante il corso “Valutazione della Vulnerabilità sismica di edifici esistenti e tecniche avanzate di protezione sismica” si andranno ad analizzare non solo gli aspetti teorici e legati alla modellazione, ma anche i pro e i contro legati all’utilizzo di tali tecniche avanzate di protezione sismica.

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