L`utilizzo di controventi dissipativi per la protezione sismica

Fabio Neri1 ([email protected]), Mario La Guzza2 ([email protected]), Antonio Russo2
([email protected])
L’utilizzo di controventi dissipativi per la protezione sismica del plesso
scolastico Cappuccini a Ramacca (CT)
Successivamente agli eventi vulcanici e sismici dell’ottobre 2002 che hanno colpito la Sicilia Orientale
sono stati eseguiti numerosi sopralluoghi ed ispezioni allo scopo di controllare le condizioni degli edifici
pubblici ed in particolar modo quelli scolastici. A seguito di questi sopralluoghi il plesso scolastico
Cappuccini è stato dichiarato inagibile a causa di un diffuso quadro fessurativo negli elementi divisori.
L’edificio in oggetto, ubicato a Ramacca a circa 50 km da Catania, è stato costruito in opera in c.a. nella
seconda metà degli anni 70 e quindi prima della classificazione sismica del territorio comunale. Si
presenta con una pianta compatta di forma rettangolare e con due assi di simmetria estendendosi per
circa 32 m nella direzione maggiore e per 25 m in quella minore, con una superficie coperta di circa
750 mq, due piani fuori terra ed un volume complessivo di circa 6.500 mc. La struttura in c.a. gettata in
opera è composta da travi, pilastri e solai in latero cemento con fondazioni dirette. L’edificio presenta
nella zona centrale un atrio coperto che strutturalmente rappresenta una interruzione degli impalcati di
piano e che svetta in elevazione rispetto il solaio di copertura creando una irregolarità nella struttura.
Il progetto di miglioramento delle prestazioni sismiche di un edificio come quello in oggetto,
caratterizzato da insufficiente duttilità e resistenza, è stato ulteriormente complicato in questo caso
dall’aver riscontrato calcestruzzi di qualità inferiore a quanto previsto in fase progettuale e da
notevoli valori di cedimenti in fondazione che rappresentavano la vera causa del quadro fessurativo.
Indagini, verifiche preliminari e sismicità
Essendo riusciti ad entrare in possesso solo parzialmente della documentazione relativa al progetto
strutturale originale, propedeuticamente all’avvio della fase progettuale si è avviata una campagna
di indagini diagnostiche, basata su un accurato rilievo geometrico e strutturale (travi, pilastri e
fondazioni) e su sondaggi finalizzati ad individuare l’armatura presente, i particolari dei nodi, le
caratteristiche meccaniche dei materiali nonchè il relativo stato di degrado e dei dissesti (quadri
fessurativi e cedimenti). Il progetto del piano di indagini è stato redatto al fine di raggiungere un
livello di conoscenza LC2 secondo quanto previsto dall’O.P.C.M. 3274. Il rilievo accurato dei
cedimenti della struttura e del quadro fessurativo ha registrato cedimenti massimi di circa 130 mm e
come questi fossero la causa del quadro fessurativo presente. Inoltre in corrispondenza della zona
oggetto dei maggiori cedimenti si sono riscontrati valori di resistenza dei cls notevolmente inferiori
a quelli di progetto (10-13 mPa). Inevitabilmente le verifiche strutturali dello stato di fatto hanno
evidenziato, coerentemente a quanto previsto, la incapacità della struttura di resistere alle azioni di
progetto relative alle nuove costruzioni.
L’edificio è collocato in una zona in pendio caratterizzato da una alternanza di depositi pluviocolluviali con strati di argille limose che possono essere classificati, ai sensi della OPCM 3274 e
smi, come terreni di tipo B. Il comune di Ramacca è classificato in zona sismica di II categoria con
PGA=0,25 g.
Il progetto
Vista la tipologia del sistema strutturale costituita da telai in c.a., nonché la distribuzione dei singoli
elementi resistenti, il miglioramento sismico è stato effettuato mediante l’inserimento di controventi
dissipativi con l’obbiettivo di ridurre l’effetto delle azioni orizzontali sul complesso strutturale in
c.a., indirizzando l’energia trasmessa dal sisma in zone opportunamente concepite in termini di
resistenza e di capacità dissipativa (telai controventati).
I controventi sono stati realizzati collegando in serie ad un’asta in acciaio un dispositivo antisismico
(dissipatore). La tipologia di dissipatori scelta per l’intervento, rientra nella categoria dei dissipatori
isteretici assiali ad instabilità impedita (Buckling Restrained Axial Dampers - BRAD). Tali sistemi,
particolarmente adatti ad essere utilizzati per l’adeguamento sismico di edifici intelaiati in acciaio,
cemento armato o c.a.p., presentano le proprie capacità dissipative quando soggetti a cicli alterni di
trazione e compressione. Considerando la distribuzione degli ambienti, ed avendo valutato
preliminarmente i carichi e le masse coinvolte, si è scelto di disporre i controventi all’interno dei
telai costituenti il vano centrale dell’edificio, controventando quattro telai per ogni direzione
principale, per un totale di 24 elementi dissipativi (Fig. 1). Avendo concentrato l’intervento in
questa zona (atrio), priva di impalcato al primo ed al secondo livello, si sono agevolate le
lavorazioni e si è potuto evitare di intervenire all’interno delle aule o nei tompagni perimetrali,
ovvero in zone che avrebbero comportato maggiori oneri per il ripristino dello stato dei luoghi e
delle loro funzionalità.
T. 3
T. 2
TELAI
CONTROVENTATI
T. 4
T. 1
PARTE DEMOLITA E RICOSTRUITA
Figura 1. Pianta carpenteria piano terra e
posizionamento telai di controvento
Figura 2. Telaio controventato T.1
La progettazione del sistema dissipativo è stata effettuata in maniera iterativa cercando di conciliare
il range di operatività del sistema controvento equivalente definita a livello teorico (quindi la
rigidezza e la resistenza richiesta in funzione della struttura esistente), con le caratteristiche
meccaniche e geometriche reali dei due elementi costituenti lo stesso. La procedura di calcolo ha
seguito dunque due passi fondamentali: il primo, costituito dal calcolo della rigidezza e della
resistenza equivalente dell’intero sistema in funzione degli spostamenti di interpiano e dell’azione
sismica di riferimento, il secondo, costituito dalla scelta delle caratteristiche meccaniche e
geometriche degli elementi asta e dissipatore e la relativa verifica mediante analisi non lineari. In
Tabella 1 si riportano le caratteristiche dei controventi dissipativi utilizzati in progetto.
PIANO
3°
2°
1°
Rigidezza
controvento
Tubolare
[kN/mm]
[mm / mm]
100
120
200
168.3 / 8
219.1 / 12
219.1 / 12
SIGLA
21/40
20/30
39/30
Dissipatore tipo BRAD
Fy
Fmax,media Rigidezza
elastica
[kN]
[kN]
[kN/mm]
150
150
300
180
180
350
Tabella 1: Caratteristiche controventi dissipativi
130
165
305
Spost. max
progetto
[mm]
± 20
± 15
± 15
Massimi spostamenti di interpiano [m]
Direzione x
Direzione y
Libero
Controventato
Libero
Controventato
5.86 10-2
1.58 10-2
10.58 10-2
1.66 10-2
-2
-2
-2
4.62 10
1.33 10
7.76 10
1.42 10-2
5.83 10-2
8.56 10-3
4.38 10-2
7.66 10-3
Impalcato
1°
2°
3°
Tabella 2: Confronto massimi spostamenti di interpiano per il sistema con e senza controventi dissipativi
t
6.0E-002
Spostamento [m]
4.0E-002
2.0E-002
0.0E+000
-2.0E-002
Nodo 169
Terzo Impalcato
Libero
-4.0E-002
Controventato
-6.0E-002
0
10
t
20
30
Figura 3. Tipico raffronto di spostamenti di interpiano in direzione X tra struttura libera e controventata
Nella configurazione post intervento le azioni sismiche si concentrano nei controventi e di
conseguenza nelle maglie strutturali che li contengono. Al fine di un efficace funzionamento
dell’intervento progettuale è necessario: in una logica di “criterio di gerarchia delle resistenze”, che
gli elementi strutturali preposti al trasferimento delle azioni sismiche al terreno rimangano in campo
elastico; che i cedimenti in fondazione siano trascurabili (in caso contrario le torri contenenti i
controventi si comporterebbero come un corpo rigido incernierato alla base). I precedenti problemi
sono stati risolti mediante l’accoppiamento di angolari e piatti metallici alle travi ed ai pilastri delle
torri di controvento e con la realizzazione di un sistema di micropali in corrispondenza dei punti di
scarico sul terreno dei sistemi di controvento (Fig. 2).
Al fine di validare l’efficacia della soluzione progettuale si sono effettuate analisi lineari e non
lineari. Con riferimento a quest’ultime si sono condotte delle analisi time-history non lineari
utilizzando come input accelerogrammi spettro compatibili. Le analisi condotte (Fig. 3) hanno
mostrato una notevole riduzione degli spostamenti e delle sollecitazioni nella struttura esistente, con
al contempo richieste di duttilità nei dissipatori compatibili con quanto disponibile (Tab. 2).
Le analisi non lineari effettuate sul sistema finale hanno mostrato come l’obbiettivo di progetto
dell’adeguamento sismico, come definito dall’O.P.C.M. n.3274/03 e s.m.i., venga ampiamente
soddisfatto. Al contempo si è cercato di integrare l’intervento progettuale con il contesto edilizio
esistente (Figg. 4, 5, 6).
Prove sui dissipatori
Allo scopo di testare la risposta meccanica dei dispositivi antisismici BRAD, sono state eseguite su
di essi le prove di qualificazione richieste dell’O.P.C.M. 3274/03, secondo le indicazioni al punto
10.B.3 “Dispositivi a comportamento non lineare e lineare”. Le prove sono state realizzate su 2
dispositivi, ovvero un BRAD 21/40 ed un BRAD 20/30.
Figura 4. Vista dei telai controventati T.1 – T.2
Figura 5. Vista del telaio T.1
Figura 6. Particolare di attacco controvento
La prova sui dispositivi è stata eseguita con controllo degli spostamenti impressi: indicando con d2
lo spostamento massimo ammesso sul prototipo, si è proceduto con 5 cicli completi di deformazioni
alternate, con ampiezza massima non inferiore a ±0,1 d2 ±0,2 d2 ±0,3 d2 ±0,5 d2 ± d2, ed una
prova quasi statica, condotta imponendo al prototipo almeno 5 cicli completi di deformazione
alternate, con ampiezza massima pari a ±1,2 d2.
L’analisi dei cicli alle diverse ampiezze (Fig. 7), evidenzia le notevoli caratteristiche inelastiche del
dispositivo. Per carichi di trazione, il comportamento del dispositivo è sostanzialmente uguale a
quello del materiale elastico-perfettamente plastico, in cui raggiunta la soglia di snervamento, gli
spostamenti crescono sotto carico costante. Per carichi di compressione si manifesta invece un
effetto incrudente nel tratto plastico della curva, dovuto all’effetto del confinamento prodotto dal
materiale presente all’interno del sistema che, impedendo al materiale del dissipatore di deformarsi
in direzione trasversale, aumenta la forza necessaria a deformarlo in compressione
Conclusioni
Gli studi condotti hanno mostrato l’elevata efficacia della tecnica della dissipazione energetica,
mediante dissipatori isteretici, nel migliorare la protezione sismica degli edifici esistenti in c.a.. A
differenza di interventi tramite l’isolamento alla base, i controventi dissipativi sono quasi sempre
applicabili per strutture intelaiate in c.a., sebbene il loro utilizzo impone interventi diffusi
all’interno degli edifici producendo un non sempre trascurabile livello di invasività e di interferenza
con il regolare svolgimento delle attività svolte.
Il costo dei soli lavori relativi all’intervento di miglioramento strutturale (inclusi anche ripristini e
finiture), effettuato tramite l’intervento proposto, è stato pari a circa 220k € con una incidenza di
circa 35 €/mc di edificio. Questi valori di costo, se rapportati anche al livello di incremento delle
prestazioni sismoresistenti, permettono di affermare come la tecnica della dissipazione sismica
mediante controventi isteretici, rispetto ad altre strategie di intervento, consenta di raggiungere
buoni rapporti in termini benefici-costi.
Figura 7. Diagramma carico spostamento BRAD mod. 21/40 – cicli ±2, ±4, ±6, ±10, ±20 mm
1
2
Università di Catania
Libero professionista – Necatec srl