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Protezione sismica dell'edilizia esistente e di nuova edificazione attraverso sistemi innovativiFinal Workshop, 12-13 maggio 2000, Napoli

ADEGUAMENTO SISMICO DI EDIFICI IN C.A. MEDIANTEISOLAMENTO ALLA BASE: APPLICAZIONE AD UN CASO REALE

Mauro Dolce 1, Michelangelo Laterza1, Angelo Masi2, Feliciano Troiano1

SOMMARIOViene presentata, esaminandone tutti gli aspetti progettuali, un’applicazione della tecnicadell’isolamento sismico all’adeguamento di un edificio in c.a. progettato senza criteri antisismici.Il lavoro affronta tre problematiche principali: il livello di protezione sismica raggiungibile, laprogettazione esecutiva, l’analisi economica. Per quanto riguarda il livello di protezioneconseguibile, la risposta sismica della struttura isolata è stata messa a confronto con quelladell’attuale, ottenendo risultati che hanno confermato l’efficacia del metodo. Particolare rilievo èstato dato alla progettazione esecutiva, fornendo una soluzione ai tipici problemi tecnologici checondizionano la realizzabilità di un simile intervento. La stima del costo di intervento ed ilraffronto di tale costo con quello di un intervento tradizionale, hanno evidenziato la convenienzaeconomica dell’isolamento sismico.

SUMMARYAn application of the seismic isolation technique to the retrofit of a R/C building designed with noseismic resistance is presented. The work deals with three main problems: seismic protection levelwhich can be attained, detailing and construction procedure, cost analysis. As far as the protectionlevel is concerned, the seismic response of the isolated structure has been compared with that ofthe fixed base structure, confirming the effectiveness of the retrofitting technique. A specialconcern has been given to the detailing, providing a solution of the typical technological problemswhich condition the feasibility of such intervention. The estimation of the costs and thecomparison with the cost of a conventional retrofit has shown the economical convenience ofseismic isolation.

1Dipartimento di Strutture, Geotecnica, Geologia Applicata all'Ingegneria, Università degli Studi della Basilicata2 Dipartimento di Scienze, Storia dell’Architettura e Restauro, Università degli Studi “G. D’Annunzio” di Chieti

1. INTRODUZIONENell’adeguamento sismico di edifici esistenti, alle classiche tecniche di rinforzo si affiancano oggi metodiinnovativi [1] che hanno dimostrato la loro straordinaria efficacia in numerose prove sperimentali [2, 3, 4]. Fradi essi, l'isolamento alla base, utilizzato frequentemente per gli edifici nuovi [5], presenta in molti casi vantaggiconsiderevoli rispetto ad altre tecniche, quali il rafforzamento diffuso su tutti gli elementi strutturali, ol’inserimento di nuovi elementi di elevata rigidezza e resistenza, quali pareti, controventi, etc..Queste ultime, infatti, mirano ad aumentare la sicurezza al collasso delle strutture migliorandone lecaratteristiche di resistenza e duttilità, ma richiedono estesi interventi di rifacimento delle parti non strutturali eaggravi degli sforzi in fondazione, con conseguenti sensibili aumenti dei costi di intervento. In alternativa, latecnica dell’isolamento alla base riduce direttamente le sollecitazioni sugli elementi strutturali e sulle fondazionie permette di non intervenire sulla struttura in elevazione né, in assenza di dissesti, sulla struttura di fondazione.Seppure in presenza di alcune complicazioni particolarmente delicate quali:

• elevati spostamenti relativi rispetto al terreno, nei confronti dei quali occorre verificare la compatibilità conil corretto funzionamento degli impianti e con la presenza di edifici contigui,

• inserimento degli isolatori tra struttura e fondazione, di cui si parlerà diffusamente nel seguito,l’isolamento alla base, rispetto ai normali ed irrinunciabili obiettivi garantiti da una progettazione tradizionale,assicura alcune prestazioni aggiuntive, generalmente orientate verso il controllo della risposta ai terremoti piùviolenti, grazie al miglioramento della sicurezza, con il contenimento o l’eliminazione pressoché completa dei


danni. Tali prestazioni appaiono ancor più apprezzabili, se si considerano i danni indiretti insieme a quelliriguardanti gli elementi non strutturali ed i valori contenuti (beni economici, situazioni di alta pericolosità, valori“intangibili” come vite umane o beni artistici e storici non ripetibili). Inoltre, come si vedrà in seguito, alcunestime orientative basate sulla valutazione dei costi di intervento, hanno evidenziato significative convenienzeanche dal solo punto di vista economico.Nel presente lavoro vengono esaminati tutti gli aspetti progettuali relativi all’applicazione dell’isolamento ad unparticolare edificio, per conseguire il pieno adeguamento sismico, ai sensi della norme italiane [6, 7]. Oltre adeffettuare le necessarie analisi per la determinazione di sollecitazioni e deformazioni nella struttura e nel sistemad’isolamento, si è particolarmente curato l’aspetto esecutivo, mettendo a punto idonei dettagli costruttivi el’intera procedura applicativa. Infine si è svolto un confronto economico al fine di valutare la convenienzadell’isolamento sulla base dei soli costi di applicazione.

2. CARATTERISTICHE DELL'EDIFICIO DA ADEGUAREL’edificio oggetto di studio (Figg.1 e 2), situato in provincia di Potenza nel comune di Acerenza, fu progettatonei primi anni '70 e completato nel 1980.

N° impalcati 3

Superficie impalcato tipo 495 mq

Altezza maxFuori terra 13 m

Fig. 1 Dati metrici dell'edificio

Il progetto fu depositato al Genio Civile nell'ottobre del 1972, ma fu redatto secondo le norme tecnicheantecedenti la legge 1086 del 1971 e utilizzando in pratica il R.D. del 1939. L'attuale destinazione d'uso è dicentro di riabilitazione psicomotoria.L’edificio è costituito da tre piani fuori terra e da una copertura a falde inclinate. Al piano terra sono ubicati lapalestra, lo studio medico ed i locali di servizio, tra i quali una lavanderia, al primo piano le sale di terapia ed ibagni. Il secondo livello è invece inutilizzato.La superficie media del primo impalcato è di 669 mq, i livelli superiori hanno invece una superficie di 495 mq.,l’altezza massima fuori terra è di 13.00 m.Le fondazioni sono di tipo diretto e costituite da travi rovesce poste a quota 2.30 m dal livello campagna.Le strutture portanti in c.a. sono costituite da pilastri e travi realizzate solo nella direzione ortogonaleall’orditura dei solai, ad eccezione dei telai di estremità. Le travi, tutte emergenti, sono armate con percentuali diarmatura molto basse così come i pilastri (mediamente dell’ordine del 1%).I solai sono di tipo misto con travetti in c.a.p., di altezza totale pari a 38 cm. Le tamponature sono costituite dauna fila esterna di mattoni pieni ed una interna di mattoni forati.Il collegamento verticale è costituito da una scala realizzata con travi a ginocchio, in posizione centrale.In conseguenza degli eventi sismici susseguitisi nell’area a partire dall’evento del 23/11/1980, la costruzione,sulla quale non è stato eseguito alcun intervento, sembra non aver subito danni evidenti alle strutture. Sonovisibili solo lesioni di piccola entità nelle tamponature, accompagnate a distacco di intonaco.Il calcestruzzo adoperato per la realizzazione dell'edificio è di classe Rck 180, con valori della resistenza diprogetto fcd = 9.35 N/mm2 e della tensione ammissibile sc,amm = 6.75 N/mm2. Le tensioni tangenziali ammissibili


valgono tco = 0.44 N/mm2 e t c1 = 1.49 N/mm2. L'acciaio è di classe FeB 22k con valori della resistenza diprogetto fyd = 191.3 N/mm2 e della tensione ammissibile sf,amm = 115 N/mm2.

Fig. 2 - Carpenteria I e II livello


3. ANALISI DELLO STATO DI FATTOL'analisi dello stato di fatto è stata effettuata facendo riferimento alle norme attuali per le costruzioni in zonasismica [6]. Le sollecitazioni provocate dalle azioni sismiche, sono state valutate convenzionalmente medianteun’analisi modale e spettro di risposta per zona sismica di II categoria.I carichi unitari permanenti considerati sono gli stessi utilizzati nella progettazione originaria, mentre per ivariabili si è fatto riferimento alla normativa vigente.Le verifiche di resistenza sono state effettuate allo Stato Limite Ultimo (SLU).

4. MODELLAZIONE E ANALISI DELLO STATO DI FATTOLa struttura é stata modellata in campo elastico, adottando e.f. monodimensionali. E’ stata utilizzata la classicaschematizzazione tridimensionale a piani rigidi. I solai di copertura, inclinati, sono stati schematizzati attraversoun piano orizzontale posto alla quota del baricentro delle masse e collegato rigidamente al piano sottostante (lacopertura è costituita strutturalmente da capriate, sostanzialmente indeformabili per azioni orizzontali). I valoridelle masse di piano traslazionali e rotazionali, sono riportati in Tab. 1.

I livello II livello Sottotetto Copertura

MT [t] 7458 5505 2428 2007

MR [t⋅m2] 1518646 1229684 463851 382815Tab. 1 - Masse di piano espresse in tonnellate massa.

Modo T (sec) mx (%) my (%) Smx (%) Smy (%)I 0,905 0,000 76,532 0,000 76,532II 0,800 0,076 0,585 0,076 77,117III 0,648 62,313 0,000 62,389 77,117IV 0,353 0,003 18,972 62,392 96,089V 0,308 31,076 0,002 93,468 96,091VI 0,295 0,032 0,000 93,500 96,091VII 0,171 0,014 3,614 93,514 99,705VIII 0,159 0,630 0,259 94,144 99,964IX 0,138 5,261 0,004 99,405 99,968

Tab. 2 - Modi di vibrare della struttura esistente

Nella Tab.2 sono caratterizzati, attraverso il periodo T e la partecipazione delle masse m secondo le duedirezioni principali in pianta (x longitudinale, y trasversale) i primi nove modi di vibrare della struttura.Il primo modo, di periodo piuttosto elevato (T=0.90sec), risulta essere di traslazione lungo y e cioè nelladirezione in cui mancano le travi. Il secondo modo è, chiaramente, rotazionale, mentre il terzo modo, il primonella direzione x, ha periodo decisamente più basso (T=0.648sec).In Tab. 3 sono riportate, per uno dei due telai longitudinali principali, le verifiche di resistenza delle travi e deipilastri maggiormente sollecitati. Il superamento della condizione di rottura è indicato con la sigla (N.V.), ed ècaratterizzato da una percentuale Rult/Rmax pari al rapporto tra la resistenza ultima e la corrispondentesollecitazione massima.


VERIFICHE TRAVI (flessione)N° I livello Mult/Mmax N° I livello Mult/Mmax

9-10 N.V. 60% 14-15 N.V. 55%10-11 N.V. 60% 15-16 N.V. 65%11-12 N.V. 60% 16-17 N.V. 55%12-13 N.V. 60% 17-18 N.V. 60%13-14 V. 110%

VERIFICHE PILASTRI (pressoflessione)N° I livello Rult/Rmax N° I livello Rult/Rmax9 N.V. 80% 19 N.V. 65%10 N.V. 85% 20 V. 120%11 N.V. 95% 21 N.V. 85%12 N.V. 95% 22 N.V. 55%13 N.V. 95% 23 N.V. 40%18 N.V. 75% 24 N.V. 80%

Tab. 3 Verifiche di resistenza di travi e pilastri

I risultati delle verifiche mettono chiaramente in evidenza l’inadeguatezza della struttura nei confrontidell’azione sismica di progetto, ma fanno anche presumere un comportamento a travi deboli e pilastri forti,comunque auspicabile in una struttura intelaiata, ed una non trascurabile resistenza alle azioni orizzontali,premessa indispensabile ad una favorevole applicazione dell’isolamento sismico.

5. ADEGUAMENTO SISMICO DELL'EDIFICIOL’adeguamento sismico dell'edificio mediante isolamento alla base è stato progettato in accordo con [7],rispettando i seguenti requisiti:

• livello di protezione nei confronti dei danni, strutturali e non, tale da evitare la limitazione d’uso, ancheparziale, dell’edificio o la necessità di interventi di riparazione;

• livello di protezione a collasso, dei dispositivi di isolamento e delle sottostrutture, superiore a quello dellasovrastruttura.

Tali requisiti vengono assicurati attraverso le verifiche allo Stato Limite di Danno (SLD), per un evento sismicocaratterizzato da un prefissato periodo medio di ritorno TR (la risposta dell’insieme isolatore-struttura si devemantenere entro il campo lineare elastico), ed allo Stato Limite Ultimo (SLU), per un evento sismicocaratterizzato da un periodo medio di ritorno superiore al precedente (i dispositivi di isolamento possonoraggiungere le condizioni limite di funzionamento e la struttura subire danni, strutturali e non, di entitàcontrollata; le strutture poste al di sotto del livello di isolamento devono restare in campo elastico).Per quanto riguarda le caratteristiche dell’azione, ed in particolare la forma dello spettro, si è fatto riferimento aterreni sia rigidi (tipo A secondo le [7]) che mediamente rigidi (tipo B), sebbene le caratteristiche del sitofacciano propendere per il primo tipo.

5.1 Modellazione dell’edificio adeguato:La struttura è stata calcolata con lo stesso modello utilizzato per l’analisi dello stato di fatto, modificandolo perla presenza degli isolatori e del grigliato di travi al primo livello isolato. Sono stati utilizzati isolatorielastomerici armati, modellati in campo elastico, in accordo con le direttive fornite dalle [7], assumendo larigidezza secante in corrispondenza della deformazione di progetto ed uno smorzamento x pari al 10%.Pur essendo il terreno di fondazione appartenente alla categoria A, si è studiato il comportamento della strutturaanche nel caso di terreno del tipo B più deformabile.L'azione sismica è stata quindi rappresentata con gli spettri di risposta elastici per terreni del tipo A e B riportatiin [7]. Assumendo un coefficiente di smorzamento viscoso pari al 10%, il fattore di riduzione dell’azione risulta:

84.0)102/(7)2/(7 33 =+=+= xh

Essendo l'edificio ubicato in zona sismica di II categoria (S = 9), si è assunto ag/g=0.25 nelle verifiche allo SLUe ag/g=0.07 allo SLD.Tenuto conto della destinazione d'uso dell'edificio, è stato utilizzato un coefficiente d’importanza I = 1.2, cheporta il periodo di ritorno del terremoto di progetto da 500 anni a 750 anni. Le verifiche nei confronti dei duestati limite, di danno ed ultimo, sono state eseguite per le seguenti combinazioni di azioni:

( )( ) (SLU) GEI

(SLD)

2K

0

ÂÂ

Y++⋅

Y++⋅

i Kii

i KiiK

Q

QGEI


dove i simboli hanno il significato riportato in [7].

5.2 Progettazione degli isolatori:Nel diagramma di Fig. 3 sono riportati gli sforzi normali alla base dei pilastri dovuti ai soli carichi verticali. Sipuò notare l’evidente differenza di sforzo normale tra i pilastri 1-8 insieme a quelli del corpo scala, e i restanti.In una prima ipotesi progettuale si erano disposti isolatori in gomma sotto tutti i pilastri, utilizzando due diversedimensioni, in dipendenza dell’entità dello sforzo assiale che gravava sull’appoggio. Tale ipotesi è statasuccessivamente scartata, preferendo disporre appoggi scorrevoli (dispositivi aventi rigidezza tagliantetrascurabile) sotto i pilastri più scarichi (1-8 e corpo scala), ed utilizzando isolatori di dimensioni ecaratteristiche identiche per tutti gli altri.Una volta noti la massa totale dell’edificio, il tipo d’isolatore (compresa la forma) e la sua disposizione nellastruttura, sono state definite le dimensioni geometriche dello stesso. A tale scopo, il comportamento dellastruttura è stato assimilato a quello di un oscillatore ad un solo grado di libertà, per il quale occorreva fissare ilperiodo fondamentale T che, compatibilmente con gli spostamenti consentiti all’edificio ed agli isolatori,massimizzasse l’abbattimento della risposta sismica rispetto al caso di struttura fissa.Nel caso in esame, considerato che l’edificio non ha strutture adiacenti, si è assunto per T il massimo valorepossibile, nel solo rispetto delle verifiche imposte dalle [7] agli isolatori. Il valore del periodo così determinato èpari a 2.5 secondi per tutte e due le categorie di terreno. Sono stati comunque presi in considerazione anche icasi con periodo T = 2.0 sec., progettando, in definitiva, 4 tipi di isolatori.Le Linee Guida [7] consigliano di utilizzare un fattore di forma primario S1≥12, un fattore di forma secondarioS2≥4 e, per l’elastomero, un modulo elastico tangenziale G≥3.5 MPa.Sia per l’isolatore di forma quadrata (assunta per ragioni d’ingombro nella progettazione relativa al terreno tipoB) che circolare (per terreno tipo A), i fattori di forma possono essere espressi come:

iei tn

D

t

DSe

t

D

L

AS

⋅==

⋅== 21 4

'

dove A’ è l’area caricata dell’isolatore, L e ti rappresentano rispettivamente la superficie laterale libera e lospessore del singolo strato di elastomero, te ed n rispettivamente l’altezza totale ed il numero di strati dielastomero, mentre D è il diametro dell’isolatore circolare o il lato di quello quadrato (Fig. 4).

SFORZO NORMALE ALLA BASE (da carico verticale-SLU)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34

Pilastri

kN

Fig. 3 - Sforzi assiali agenti negli isolatori


Fig. 4 – Isolatore quadrato e circolare

Nel dimensionamento degli isolatori si è imposta la condizione aggiuntiva che la rigidezza assiale del singoloisolatore fosse maggiore o uguale a quella del pilastro sotto il quale veniva collocato. Tale condizione limitaeventuali fenomeni di rocking della sovrastruttura che, nell’intervento progettato, possono inficiare lacomplanarità delle superfici degli appoggi scorrevoli, compromettendone il funzionamento.

Cat. A Cat. BT=2.0 sec T=2.5 sec T=2.0 sec T=2.5 sec

Sezione Circolare Circolare Quadrata QuadrataD[mm] 520 520 550 590hi[mm] 135 160 175 235te[mm] 94 114 135 169ti[mm] 4,5 5,0 6,5 5,0

G[Mpa] 0,5 0,4 0,5 0,37S1 29 26 21 30S2 5,6 4,6 4,07 3,49

Tab. 4 - Dati caratterisitci degli isolatori

In Tab. 4 sono riportate le principali caratteristiche dei quattro tipi di isolatori ottenuti per le quattro situazioniesaminate (terreno tipo A e B, periodo T pari a 2.0 e 2.5 sec).

6. ANALISI DELL'EDIFICIO ADEGUATOTutti e quattro i casi precedentemente descritti, relativi a diversi tipi di terreno e diverse condizioni diisolamento, sono stati analizzati, al fine di valutare la risposta in campo lineare delle strutture adeguate. Irisultati sono stati confrontati con quelli determinati, utilizzando la normativa vigente per le costruzioni in zonasismica, sulla struttura a base fissa, evidenziando le differenze ed i vantaggi conseguiti con l’isolamentosismico.

6.1 Verifiche degli interventi di adeguamentoLe Figg. 5 e 6 rappresentano, per le strutture isolate, rispettivamente gli spostamenti alla base, calcolati comesomma vettoriale delle componenti nelle due direzioni considerate per l’azione sismica nella condizione di SLU[7], e gli spostamenti relativi massimi di piano (drift) della sovrastruttura, nella condizione di SLD. Questiultimi risultano, nel caso di terreno tipo A, inferiori al valore limite paria all’1%o di h (altezza di interpiano).


Spostamenti medi di base struttura-terreno

168

209

256

313

0 100 200 300 400

cat.A, T=2sec

cat.A, T=2,5sec

cat.B, T=2sec

cat.B, T=2,5sec

[mm]

Fig. 5 - Spostamenti alla base degli edifici isolati

Spostamenti relativi del telaio più deformabile (dir - y)

0.53

1.36

1.39

0.43

1.09

1.11

0.36

0.92

0.94

0.29

0.72

0.73

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60

1

2

3

Liv

ello

[d/h, 0/00]

cat. A, T=2,5 sec

cat. A, T=2sec

cat. B, T=2,5 sec

cat. B, T=2 sec

Fig. 6 - Spostamenti relativi di piano

6.2 Verifica degli elementi strutturaliAi fini delle verifiche degli elementi strutturali, le Linee Guida [7] permetterebbero di assumere, nel caso inesame (S=9), un coefficiente di struttura pari a 1,5. I confronti riportati di seguito tra sollecitazione resistente esollecitazione agente fanno però riferimento, per maggiore generalità, alle sollecitazioni così come sono ottenutedall’analisi elastica, senza alcuna riduzione.Per quanto riguarda le travi (Tab. 5), si è calcolato il rapporto tra il momento ultimo, determinato attribuendo aicoefficienti dei materiali un valore unitario [7], e quello massimo agente sulle travi più sollecitate (primolivello).Solo nel caso di terreno di categoria A e periodo T=2,5 sec., le sollecitazioni sono sempre inferiori alleresistenze, mentre per T=2 sec. alcune travi necessiterebbero di piccoli rinforzi. Per la cat. B e T=2 sec. i rapporticapacità/domanda sono simili a quelli della struttura a base fissa, sebbene, ai fini della sicurezza, occorreconsiderare che per quest’ultima si è fatto riferimento ad uno spettro ridotto, che tiene implicitamente conto diuna significativa richiesta di duttilità alla struttura.Per confrontare le sollecitazioni nei pilastri (Tab. 6 – primo livello maggiormente sollecitato), si èconvenzionalmente considerato un incremento proporzionale della sollecitazione di presso-flessione tra il puntodi coordinate (M, N) del dominio dato dai soli carichi verticali e quello conseguente alla combinazione deicarichi verticali con il sisma. La condizione dei pilastri risulta pienamente soddisfacente per tutti i casi diisolamento presi in esame, ad eccezione del caso relativo alla cat. B e T=2 sec. Rapportata a quella delle travi, lacondizione dei pilastri evidenzia ancora un favorevole comportamento a pilastri forti e travi deboli.


Confronto sollecitazioni nelle travi tra struttura fissa e quelle isolate

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

Mu/Mmax

Stru. fissa 60% 60% 60% 60% 55% 65% 55% 60%

cat. A, T=2 sec 100% 100% 100% 95% 95% 105% 95% 100%

cat. A, T=2,5 sec 125% 125% 125% 120% 125% 135% 120% 130%

cat. B, T=2 sec 65% 65% 65% 65% 65% 70% 65% 70%

cat. B, T=2,5 sec 80% 80% 80% 80% 80% 85% 80% 90%

9-10 10-11 11-12 12-13 14-15 15-16 16-17 17-18

Tab. 5 – Verifica delle travi

Confronto sollecitazioni nei pilastri tra struttura fissa e quelle isolate

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

160%

180%

200%

Ru/Rmax

Stru. fissa 80% 85% 95% 95% 95% 75% 65% 120% 85% 55% 40% 80%

cat. A, T=2 sec 115% 165% 150% 160% 165% 130% 120% 135% 125% 100% 85% 120%

cat. A, T=2,5 sec 145% 190% 175% 185% 185% 165% 150% 165% 150% 125% 105% 155%

cat. B, T=2 sec 80% 120% 115% 120% 125% 85% 80% 95% 90% 65% 60% 80%

cat. B, T=2,5 sec 95% 140% 130% 140% 135% 110% 100% 115% 105% 115% 75% 100%

9 10 11 12 13 18 19 20 21 22 23 24

Tab. 6 – Verifica dei pilastri

Per il caso (terreno tipo A e periodo isolato T=2.5 sec) oggetto della progettazione esecutiva di seguito riportata,sono state effettuate anche le verifiche allo SLD, risultate abbondantemente soddisfatte.

6.3 Progettazione esecutiva dell’intervento di adeguamentoNello stato di fatto il piano terra poggia direttamente, tramite vespaio, sul terreno. La fondazione a travi rovesce,2.35 metri al di sotto del piano campagna (Fig. 7-a), permette, per il notevole dislivello tra piano di posa e pianodi calpestio, di costruire il grigliato di travi irrigidenti, il solaio del primo livello isolato e di inserire gli isolatoritra struttura di fondazione e grigliato (Fig. 7-b).


a) b)Fig. 7 - Confronto tra stato di fatto e intervento

La trave di fondazione è sottoposta ad elevate sollecitazioni torsionali per effetto delle forze di taglio indottedagli isolatori, richiedendo l’esecuzione di una serie di collegamenti trasversali, a formare un vero e propriograticcio. I collegamenti esistenti (Fig. 8), che risultano inadeguati, vengono sostituiti integralmente (Fig. 9).

Nella progettazione esecutiva dell'intervento di adeguamento, è necessario considerare due aspetti fondamentali:• spostamenti dell’ordine di 22 cm, tra sovrastruttura e sottostruttura (fondazione);• possibilità di sostituzione degli appoggi.

Gli interventi progettati (Figg. 9, 10, 11) per far fronte a queste due esigenze consistono in:• realizzazione di un seminterrato non praticabile di altezza 2.0 m, allo scopo di accedere ai pilastri centrali

(12-13-14-15-16-17-18) e laterali (1-2-3-4-5-6-7-8);• realizzazione di una intercapedine lungo tutto il perimetro dell’edificio in modo da consentire lo

spostamento di progetto e l’accessibilità ai pilastri perimetrali della struttura (9-11, 18-19, 24-34). Sul latodove vengono disposti gli appoggi scorrevoli, la fondazione esistente viene trasformata in muro disostegno, con il compito di sostenere e garantire la separazione della struttura in elevazione dal terreno atergo. Gli appoggi scorrevoli vengono disposti, in questo caso, all’intradosso del solaio superiore;

• realizzazione di uno scavo interno alla struttura, nella zona dove non viene realizzato il seminterrato, trasolaio (ancora da realizzare) e piano di posa della fondazione, allo scopo di garantire lo spostamentorelativo tra la fondazione e la restante parte della struttura;

• realizzazione di un collegamento verticale interno tra piano terra e fondazione, per garantire l’accessibilitàai pilastri (20-23) del vano scala, mediante una scala in ferro opportunamente isolata.

Le travi del primo livello isolato sono state dimensionate e armate in funzione del taglio trasmesso dai martinettinella fase di montaggio/rimozione degli appoggi, e quindi del funzionamento ad arco tirante, che richiedeun’armatura longitudinale dimensionata per assorbire uno sforzo di trazione pari al taglio.


Fig. 8 – Fondazione: stato di fatto


24

Fig. 9 – Fondazione: intervento


Fig. 10 – Grigliato superiore


Fig. 11 – Intervento: sezioni

6.4 Collegamento isolatori-strutturaIl collegamento tra gli isolatori e la struttura viene realizzato mediante unione bullonata. I bulloni vengonocollegati alle travi della fondazione esistente e del grigliato superiore, mediante bussole preventivamenteposizionate (Figg. 12-16).


Fig. 12 – Esempio di posizionamento delle bussole: vista assonometrica

Fig. 13 – Isolatore con contropiastra: vista in pianta

Fig. 14 - Particolare isolatore: sez. B-B'


Fig. 15 - Esempio di posizionamento delle bussole per il collegamento degli isolatori

Fig. 16 - Collegamento isolatore-struttura: sez. A-A'


6.5 Progettazione appoggi scorrevoliGli appoggi scorrevoli utilizzati (Figg. 17-19) sono del tipo teflon-acciaio INOX. Le dimensioni in pianta dellostrato di teflon dipendono dallo sforzo normale su di esso agente. Sono state adottate tensioni medie di lavoro

2N/mm 10=s , ottenendo 2 tipologie di appoggio:• appoggi scorrevoli del corpo scala: 350f ;

• appoggi perimetrali: 200f .

Nel caso degli appoggi del corpo scala, oltre allo strato precedentemente definito e posto centralmente rispettoalla piastra, vengono disposti, alle quattro estremità della piastra, altri quattro dispositivi in teflon, con ilcompito di garantire l’orizzontalità dello spostamento.

Fig. 17 - Appoggi scorrevoli 1-7: sez. trasversale (A-A')

Fig. 18 - Appoggio scorrevole: piastra inferiore con area di impronta del PTFE (corpo scala)

Fig. 19 - Appoggi scorrevoli: particolare


6.6 ImpiantiPer il collegamento delle tubazioni dell’impianto idrico-sanitario di carico e scarico alla rete di adduzione edalla rete fognaria, si utilizzano comuni tubi flessibili di lunghezza opportunamente maggiorata (Fig. 20), chepermettono, per estensione del tratto curvo, uno spostamento orizzontale tra la sovrastruttura e il terreno pari a25 cm. La soluzione può essere adottata anche per l’impianto elettrico, predisponendo un cavo di collegamentotra struttura e rete esterna anch’esso di lunghezza maggiorata.

Fig. 20 - Collegamento delle tubazioni idriche e di scarico

7. FASI ESECUTIVE DELL'INTERVENTOLe fasi per la realizzazione dell’intervento sono così suddivise:

• demolizione della tamponatura e tramezzatura al primo livello;• scavo all’interno dell’edificio fino al raggiungimento del piano di posa delle fondazioni. L’operazione

deve essere eseguita, nel rispetto dell’altezza tra piano terra e livello superiore, con escavatori di mediadimensione e pale meccaniche di piccola dimensione. I primi eseguono, dall’esterno del fabbricato, lamaggior parte dello scavo, i secondi, dall’interno dell’edificio, effettuano un lavoro di scavo e trasporto diterreno dalle zone in cui i primi hanno difficoltà ad arrivare con il cucchiaio (Fig. 21);

• scavo intorno al perimetro dell’edificio fino al piano di posa delle fondazioni ed esecuzione dei muri disostegno per la formazione dell’intercapedine (Fig. 22);

Fig. 21 - Schema delle modalità e delle attrezzature per lo scavo.

Fig. 22 - Scavo perimetrale

• demolizione delle travi di fondazione per la formazione dell’accesso al seminterrato da realizzare, e perl’esecuzione delle nuove travi di collegamento;

• realizzazione delle nuove travi di collegamento in fondazione;• perforazioni delle travi di fondazione, in prossimità dei pilastri, per il posizionamento delle bussole di

ancoraggio inferiore degli isolatori;


• realizzazione del grigliato di travi, con inserimento delle bussole di ancoraggio superiore degli isolatori, edel solaio a travetti del primo livello isolato. Particolare attenzione deve essere posta nella fase dipreparazione. Infatti, nella zona in cui non è previsto il seminterrato, a solaio realizzato, diventa nonaccessibile la zona tra la fondazione e il solaio stesso. E’ necessario, quindi, lasciare un’aperturaprovvisoria nel solaio, in modo che possa essere effettuato il disarmo delle travi e dello stesso solaio.

• realizzazione dei collegamenti degli impianti con l’esterno della struttura;• rifacimento della muratura esterna ed interna, pavimentazione e rifiniture;• installazione degli isolatori e degli appoggi scorrevoli.• quest’ultima è sicuramente la fase più delicata dell’intervento, e nei prossimi paragrafi verranno descritte

in maggiore dettaglio le varie fasi di esecuzione.

7.1 Installazione degli isolatoriLa posizione in pianta del pilastro non influenza le fasi operative di messa in opera dell’isolatore,quindi sia per i pilastri d’angolo che per quelli interni la procedura è la stessa. Considerando di volerinstallare l’isolatore sotto un pilastro interno, le fasi possono essere così suddivise:

• posa in opera dei martinetti idraulici: ne vengono posizionati due tra la fondazione esistente e il grigliatosuperiore (Fig. 23). Tra martinetto e travi, sia di fondazione sia del grigliato superiore, vengono interposte,per ripartire il carico, delle piastre di acciaio;

• trasferimento del carico del pilastro: i martinetti vengono messi in carico contemporaneamente. Imartinetti vengono bloccati meccanicamente quando la forza totale applicata è pari ad un’aliquota dellosforzo normale agente sui singoli pilastri (v. Tab. 7), considerando agenti i soli carichi permanenti. Altaglio del pilastro, operazione eseguita successivamente, i martinetti, pur dovendo contrastare un caricosuperiore, non subiranno apprezzabili deformazioni grazie alla loro notevole rigidezza.

• taglio della colonna: tale operazione viene realizzata con seghe a lama diamantata; il taglio viene eseguitoa secco o con il raffreddamento ad acqua della lama. L’orizzontalità del taglio praticato è garantitamontando l’attrezzatura su appositi sistemi rigidi;

• installazione dell’isolatore: l’isolatore viene inserito e connesso alla struttura e fissato con bulloni allebussole filettate poste in opera precedentemente. Tra l’isolatore e la trave superiore viene inserito unmartinetto piatto (Fig. 24), di spessore leggermente inferiore all’intercapedine esistente tra grigliato econtropiastra superiore dell’isolatore, in cui viene immesso resina epossidica in pressione. In questo modoil martinetto, contrastando la trave superiore, mette in carico l’isolatore. L’immissione della resinacontinuerà fino a quando i martinetti laterali risulteranno scarichi e l’azione della sovrastruttura saràportata completamente dall’isolatore. A questo punto nell’intercapedine viene iniettata malta antiritiro e arapido indurimento, che includerà il martinetto a perdere. Si pensa di installare un isolatore alla volta,facendo affidamento su un gruppo di lavoro costituito da: un operatore diplomato, con funzione dicontrollore e coordinatore delle attività di installazione, un operatore qualificato per l’utilizzo del gruppopompa-martinetto-manometro, un operatore qualificato per il taglio dei pilastri, un operatore generico. Ilperiodo necessario per l’installazione del singolo isolatore è stato stimato in una giornata lavorativa.

Fig. 23 – Posa in opera dei martinetti


Pilastri N [kN] Pilastri N [kN] Pilastri N [kN] Pilastri N [kN] Pilastri N [kN]1 97 2 143 3 152 4 169 5 1466 149 7 154 8 101 9 248 10 54611 565 12 623 13 569 14 565 15 63016 629 17 638 18 345 19 196 20 20221 191 22 194 23 461 24 189 25 24626 515 27 504 28 208 29 446 30 44531 504 32 503 33 513 34 246

Tab. 7 – Carichi da applicare ai martinetti

Fig. 24 – Messa in carico dell'isolatore

7.2 Installazione degli appoggi scorrevoliLe fasi di installazione di un appoggio scorrevole sono del tutto simili a quelle viste per l’isolatore in gomma,differenziandosi esclusivamente per l’utilizzo di martinetti piatti anche nella fase di scarico del pilastro datagliare, a causa delle dimensioni ridotte dello spazio utile tra grigliato superiore e fondazioni.I tempi di esecuzione e il personale utilizzato per l’installazione degli appoggi scorrevoli sono gli stessiquantificati per gli isolatori.

8. CONSIDERAZIONI DI CARATTERE ECONOMICOLe valutazioni dei costi di un intervento di adeguamento sono solo in parte connessi al costo effettivo direalizzazione. Accanto a questo, infatti, anche i costi socio-economici connessi all’evacuazione dell’edificiodurante l’esecuzione dei lavori incidono in maniera importante. Non si può poi giudicare l’economicità di unintervento, se si prescinde dai benefici conseguenti, sia in tempi immediati, sia in prospettiva futura.Per la valutazione dei costi di realizzazione dell'intervento, è stato effettuato un computo metrico e una stimasulla base dei prezzi medi utilizzati attualmente in Italia. Il costo complessivo stimato è risultato all’incirca paria £. 400.000.000.Il costo complessivo è stato ripartito tra le principali categorie di lavoro. Come si può osservare dal graficoseguente ( Fig. 25), le maggiori spese vengono sostenute per l’acquisto e la messa in opera dei dispositivi diisolamento. Altra spesa rilevante è rappresentata dalla realizzazione dei muri di sostegno intorno all’edificio,necessari a garantire la separazione della struttura dal terreno.Per effettuare una valutazione, in termini relativi, della convenienza economica dell'intervento proposto, è statoeffettuato un confronto con un costo medio di un intervento di tipo tradizionale.Un intervento tradizionale comporterebbe un rafforzamento diffuso di travi e pilastri, con conseguenti spese didemolizione e rifacimento di tamponature, tramezzature, impianti, comprese le opere di finitura. Il costo mediodell’intervento tradizionale è stato valutato riferendosi ai costi mediamente sostenuti per l'adeguamento sismicodi edifici oggetto di contributo pubblico a seguito del terremoto del 23 novembre 1980. Il costo mediodell’adeguamento è pari all'80% del costo teorico di ricostruzione dell'edificio (D.L. 30/3/1990 n°76 [8]).


Questo viene calcolato moltiplicando la superficie convenzionale (Sc) del fabbricato per il costo unitario dicostruzione che, riferito a metro quadrato, è stabilito ogni anno con decreto del Ministero dei Lavori Pubblici.La superficie convenzionale è pari a

nrc SSUS ⋅+= %60

indicando con SU la superficie utile abitabile (superficie di pavimento misurata al netto di murature, pilastri,tramezzi, scale interne, balconi) e con Snr la superficie non residenziale (superfici destinate a servizi ed accessoricome soffitte, locali motore, balconi).Assumendo un costo di costruzione di circa un milione a metro quadrato si ottiene un costo teorico diricostruzione dell'intero edificio in esame pari a circa 1400 milioni e, dunque, un costo medio di un interventotradizionale di circa 1100 milioni di lire. Il costo dell'adeguamento con isolamento alla base, pari a circa il 40%dell'intervento tradizionale, risulterebbe pertanto estremamente favorevole.

16.484.301

11.163.338

31.372.632

46.078.276

57.829.75354.043.815

62.220.875

113.387.503

-

20.000.000

40.000.000

60.000.000

80.000.000

100.000.000

120.000.000

Demoli

zioni

Scavo

inte

rno

Travi

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ndaz

ione

Travi

in ele

vazio

ne

Mur

i di s

oste

gno

Solaio+

Pavim

enta

zione

Mur

atur

a

Isolam

ento

£

Fig. 25 - Ripartizione costi

In termini di costi socio-economici connessi all’esecuzione dell’intervento, l’inserimento dell’isolamentosismico nel caso in esame comporterebbe lavori solamente al piano terra e in fondazione, lavori che attraversouna opportuna programmazione, potrebbero permettere il proseguimento delle attività almeno ai piani superiori.Non altrettanto può dirsi per un intervento tradizionale, che in genere richiede la completa evacuazionedell’edificio.In termini di benefici immediati, occorre rilevare come un intervento di tipo tradizionale, proprio a causa dellasua invasività, richieda in generale il sostanziale rifacimento degli impianti e delle finiture, il che comporta unincremento di valore dell’immobile. Per contro l’introduzione dell’isolamento alla base comporta, nel caso inesame, solamente un miglioramento delle condizioni del piano terra, avendo sostituito al pavimento su vespaio,un vero e proprio solaio con nuova pavimentazione.In termini di benefici attesi, invece, occorre considerare che l’isolamento sismico garantisce una protezionenettamente superiore, rispetto a quella conseguibile con un intervento di tipo tradizionale.

9. CONCLUSIONIÈ stata studiata la possibilità di realizzare un intervento di adeguamento di un edificio esistente in c.a. mediantel’isolamento alla base, dopo averne preliminarmente analizzata la capacità resistente sotto le azioni previste perzona di media sismicità.I risultati mostrano che l’intervento determina un abbattimento delle forze sismiche, tale che la resistenzadisponibile in ogni elemento risulta essere sempre maggiore delle sollecitazioni indotte dalla combinazionedell’azione sismica con quella verticale, con riferimento ad un terremoto con periodo di ritorno di 750 anni


circa. In particolare, per le travi più sollecitate, il rapporto tra il momento ultimo e quello massimo passa da unvalore medio del 60% nel caso di struttura fissa ad un valore medio del 120% in caso di struttura adeguatamediante isolamento alla base:

%120M

M %60

.max

u

.max

@˜̃¯

ˆÁÁË

ÊÆ@˜̃

¯

ˆÁÁË

Ê

isolatastrufissastr

u

M

M

Incrementi maggiori si ottengono per i pilastri. Analizzando, infatti, l’elemento più sollecitato, risulta che ilrapporto tra la resistenza ultima e la sollecitazione massima passa da un valore nettamente insufficiente del 40%ad un valore del 105%:

%105S

R %40

max

u

fissa .max

=˜̃¯

ˆÁÁË

ÊÆ=˜̃

¯

ˆÁÁË

Ê

str

u

S

R

Occorre sottolineare che, in tale confronto, le sollecitazioni sulla struttura a base fissa sono calcolate con unospettro ridotto, che dunque presuppone lo sviluppo di notevoli plasticizzazioni, difficilmente sostenibili daglielementi strutturali allo stato attuale, laddove le sollecitazioni calcolate sulla struttura isolata sono ottenute conlo spettro elastico, e dunque non presuppongono richieste di duttilità alla struttura.Evidenziata l’efficacia dell’intervento, si è passati alla verifica della realizzabilità dello stesso. Si è constatatoche l’unica attività sostanzialmente diversa, rispetto ad un intervento tradizionale, è rappresentata dalla messa inopera dei dispositivi di isolamento (operazione identica a quella di una futura eventuale sostituzione). Taleoperazione consta di tre fasi essenziali: messa in carico dei martinetti, taglio dei pilastri e messa in carico deidispositivi di isolamento.Una stima dei costi di realizzazione dell’intervento ha mostrato che la spesa complessiva dell’adeguamento è dicirca 400 milioni di lire, conseguendo un risparmio dell'ordine del 60% rispetto ad un intervento tradizionale.Questo risultato è dovuto al fatto che l’intervento con isolamento alla base interessa solo le fondazioni e il pianoterra della struttura, mentre i livelli superiori non necessitano di alcun rinforzo.Un ulteriore aspetto a favore dell’intervento proposto risulta il livello di protezione sismica raggiunto dallastruttura, nettamente superiore a quello conseguibile con un intervento di tipo tradizionale.In definitiva possiamo affermare che il progetto esecutivo dell’intervento mediante isolamento alla base haconfermato, rispetto ai metodi tradizionali, i seguenti vantaggi:

• minore invasività e minori difficoltà di realizzazione;• livello di protezione nettamente maggiore;• minori costi di intervento.

BIBLIOGRAFIA[1] M. Dolce, Passive Control of Structure, Atti della 10th european conference on earthquake engineering,

Settembre 1994, Vienna.

[2] F.Braga, P.D’Anzi, M.Dolce, F.Ponzo, Retrofitting of R.C. Buildings by Energy Dissipating Bracing:Numerical Simulations and Comparison with Experimental Tests, Atti della 11th world conference onearthquake engineering, Giugno 1996, Acapulco.

[3] A.R. Bixio, F. Braga, M. Dolce, D. Nigro, F. Ponzo, M. Nicoletti, Prove dinamiche di rilascio di unedificio isolato alla base dell’Università di Potenza, Atti del 9o congresso ingegneria sismica in italia,Settembre 1999, Torino.

[4] C. Valente, D. Cardone, M. Dolce, F.C. Ponzo, MANSIDE: Shaking Table Tests of R/C Frames withvarious Passive Control Systems, Proc. 12th World Conference on Earthquake Engineering, Gennaio 2000,Auckland, New Zealand.

[5] F. Braga, M. Dolce, The Isolated Buildings of the University of Basilicata at Potenza – Italy. Attidell'International Post SMiRT Conference Seminar on Seismic Isolation, Passive Energy Dissipation andActive Control of Vibrations of Structures, Agosto 1997, Taormina.

[6] “Norme tecniche per il calcolo, l’esecuzione ed il collaudo delle strutture in cemento armato, normale eprecompresso e per le strutture metalliche”; “Norme tecniche per le costruzioni in zone sismiche”, D.M.gennaio 1996;

[7] “Linee guida per la progettazione, esecuzione e collaudo di strutture isolate dal sisma”, 1998;

[8] “Testo unico delle leggi per gli interventi nei territori della Campania, Basilicata; Puglia e Calabria colpitidagli eventi sismici del novembre 1980, del febbraio 1981 e marzo 1982”, D.L. 30/3/1990 n°76

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