Intervento n. 1 - Prof. De Stefano

Alessandro De Stefano*
DISEG
POLITECNICO DI TORINO
DIPARTIMENTO DI
INGEGNERIA STRUTTURALE, EDILE E GEOTECNICA
*Docente di Ingegneria Sismica, Politecnico di Torino
[email protected]
Prevenzione
Proteggere costruzioni, infrastrutture,
territorio prima che il sisma avvenga
• Proteggere dove il danno sismico non c’è ancora stato costa
molto meno che ricostruire o riparare dove il danno è già
avvenuto.
• OBIEZIONE: si, ma proteggere e prevenire prima che il sisma
avvenga costa molto perché occorre intervenire su tutto il
territorio nazionale.
• RISPOSTA : se si guarda alla storia sismica recente e la
frequenza dei terremoti importanti si constata che anche
riparare e ricostruire dopo il terremoto di fatto riguarda quasi
tutto il territorio nazionale.
• Quindi prevenire conviene, anche perché si può fare senza
urgenza, con criteri di priorità motivati e con procedure più
trasparenti e denaro pubblico che non si muove verso strane
direzioni.
Le difficoltà della prevenzione sismica
Kofi Annan nel 1999:
Building a culture of prevention is not easy.
While the costs of prevention have to be paid in
the present, its benefits lie in a distant future.
Moreover, the benefits are not tangible; they are
the disasters that did NOT happen.
Da:Università di Trieste, Inaugurazione dell’Anno Accademico 2009-2010, Prolusione di
G. Panza
Prevenzione come strumento per
difendere il territorio dall’emergenza
Il territorio va difeso dall’emergenza, ma
la prevenzione ha nemici potenti:
◦ L’indifferenza e la scarsa sensibilità collettiva.
◦ L’incapacità a tutti i livelli di investire con
visione a lungo termine.
◦ La presenza di reti opache e ben protette di
interessi condivisi che con l’emergenza
prosperano.
Immagini
Terremoto più intenso del previsto?
Struttura flessibile e tamponamenti rigidi
e fragili?
Collegamenti tra travi e pilastri mal
progettati e/o costruiti?
Struttura irregolare in altezza?
Come interpretare le immagini?
Un evento sismico non è fenomeno puramente
casuale ma riflette meccanismi imponenti di
accumulo e rilascio di energia. Purtroppo tali
meccanismi non sono pienamente noti, né osservabili
e misurabili facilmente e con interpretazione univoca.
I suoi effetti, però, sono osservabili
ed in qualche caso illuminanti e
suggeriscono punti di vista diversi
e filisofie progettuali alternative
Il terremoto di progetto
Ospedale regionale di Lushan: tre corpi
di fabbrica separati da giunti
◆ 2 corpi di fabbrica non
isolati.
Danni: strutture, impianti,
muri, controsoffitti.
◆ 1 fabbricato isolato alla
Sisma di Lushan, 20
Aprile 2013: magnitudo
7,0, 150 km lontano, 5
anni dopo il forte sisma
di Wenchuan (Magn.
8,1):
base, senza alcun danno,
neppure cosmetico, divenuto
l’unico centro di soccorso per
migliaia di feriti.
8
Dispositivi in gomma
armata
Dispositivi a scorrimento su superficie curva
(pendolo rovescio)
Politecnico di Torino
Azione e risposta
In una vibrazione forzata la risposta della
struttura può essere sensibilmente più ampia
della eccitazione, come si sperimenta
facilmente con un semplice pendolo;
L’amplificazione della risposta dipende
essenzialmente dalla natura del suolo e dalle
proprietà dinamiche della struttura.
Se il pendolo è lungo e la massa grande e se
la mano che lo regge fa un moto ampio e
rapido la massa del pendolo può rimanere
quasi ferma (isolamento alla base).
2 corpi di fabbrica
non isolati
11
1 fabbricato
isolato alla base
12
IO SONO
DUTTILE, MI
PIEGO MA
NON MI
SPEZZO ED
IL
TERREMOTO
LO
AFFRONTO
CON
SUCCESSO
SONO CONTENTO CHE NON
CROLLIAMO, MA TIENI A
BADA QUESTA TRAVE; SE SI
SPOSTA TROPPO MI FA
MOLTO MALE
Progetto basato sulla «performance»
(Performance=sicurezza strutturale)
IO SONO
DUTTILE, MI
PIEGO MA
NON MI
SPEZZO ED
IL
TERREMOTO
LO
AFFRONTO
CON
SUCCESSO
SMETTI DI FARE L’IDIOTA E IL
PRESUNTUOSO. LASCIA CHE ALTRI
SOPPORTINO IL TERREMOTO. TU TIENI
LA SCHIENA DRITTA E PORTA I PESI,
COSì IO NON MI DANNEGGIO E LA VITA
RIPRENDE PRESTO E CON POCA SPESA.
Progetto basato sulla «resilienza» (resilienza=limitare
i danni e consentire il recupero rapido e poco costoso
della funzionalità=sostenibilità=PREVENCZIONE)
Adeguamento e miglioramento sismico delle
costruzioni
I
Edifici esistenti e
terremoto:
Adeguamento?
Miglioramento?
Intervento locale?
Alessandro De Stefano
Docente di Ingegneria Sismica
Normative: riferimento ma non
feticcio
Le norme tecniche sono frutto di un
faticoso inseguimento della realtà
osservata da parte di esperti normatori.
Le normative tecniche sono un necessario
riferimento, per certi aspetti senza
alternative, ma spesso sono inadeguate.
Quando nuove normative rimpiazzano le
vecchie quasi sempre impongono maggior
severità e cautela, rivelando la precedente
inadeguatezza.
La natura delle norme tecniche
Le norme tecniche attuali non possono che essere
«prestazionali»; sono troppo dettagliate per coprire
tutte le situazioni possibili con chiarezza evitando
arbitrio e ambiguità e per non ostacolare
l’innovazione tecnologica.
impongono prestazioni obbligatorie (Princìpi, che
vanno rispettati: p. es. la struttura non deve
collassare) e suggeriscono regole che
implicitamente permettono di rispettare i princìpi.
Le regole possono essere disattese purché si dimostri
che la sicurezza ottenuta con scelte diverse è
equivalente o maggiore.
In altri Paesi (p.es. USA) le norme tecniche non
hanno valore legale assoluto ma possono essere
imposte dal committente come condizione
contrattuale
Prevenzione sismica nei luoghi di lavoro e
formazione
Il D.lgs 81/2008 propone un sistema di gestione della sicurezza e della salute in
ambito lavorativo preventivo e permanente, attraverso:
•
•
•
•
l'individuazione dei fattori e delle sorgenti di rischi;
la riduzione, che deve tendere al minimo del rischio;
il continuo controllo delle misure preventive messe in atto;
l'elaborazione di una strategia aziendale che comprenda tutti i fattori di
una organizzazioni (tecnologie, organizzazione, condizioni operative...)
Il decreto, inoltre, ha definito in modo chiaro le responsabilità e le figure in
ambito aziendale per quanto concerne la sicurezza e la salute dei lavoratori.
1. Il D.lgs 81/2008 dovrebbe prevalere su NTC 2008 in modo chiaramente
formulato; il sisma deve essere incluso nell’elenco sei rischi da prendere in
conto per la sicurezza dei lavoratori. In questo modo gli immobili ad uso
lavorativo possono essere assoggettati a verifiche ed interventi obbligatori
per protezione antisismica anche se costruiti prima dell’entrata in vigore delle
norme sismiche vigenti e mai ristrutturati o modificati. Si tratterebbe di un
provvedimento semplice ma potenzialmente efficace.
2. I luoghi di istruzione e formazione dovrebbero essere equiparati agli edifici
industriali per le finalità di cui sopra
Prerogative edifici esistenti
Concepiti e progettati con le conoscenze
del tempo in cui sono sorti
Possono contenere difetti non visibili e storie
Di interventi, riparazioni e modifiche
non documentati
In generale non sono progettati secondo criteri
Di duttilità globale
(Capacity Design)
Tema 1
Valutazione della sicurezza
Interventi (Retrofit, adeguamento,
miglioramento, intervento locale)
◦ Definizioni
Destinazione d’uso e funzione strategica o
rilevante
◦ Definizioni
◦ Ordinanze DPC
Adeguamento a costo competitivo
◦ Muro di taglio e struttura secondaria
◦ Tecnologie di protezione antisismica
Edifici esistenti: Verifiche di sicurezza?
Sopraelevazione?
SI
*
Cambio destinazione d’uso
con aumento carichi ?
SI
Trasformazioni organismo strutturale?
SI
Alterazioni comportamento globale?
SI
NO
ATTENZIONE ALLA TRAPPOLA!
Le norme vanno viste in modo completo
* Cambio destinazione d’uso con aumento carichi ?
No!
Posso allora evitare le valutazioni di
sicurezza?
Esempio: nel progetto di riuso i carichi sullo spiccato di
fondazione non crescono o crescono meno del 10%.
Ma se le masse vengono spostate o incrementate ai piani
alti si ricade nel mancato rispetto delle due ultime due
condizioni dello schema di flusso della pagina precedente:
• Trasformazioni organismo strutturale?
• Alterazioni comportamento globale?
La valutazione di sicurezza può diventare necessaria!
Tema 2
Valutazione della sicurezza
Interventi (Retrofit, adeguamento,
miglioramento, intervento locale)
◦ Definizioni
Destinazione d’uso e funzione strategica o
rilevante
◦ Definizioni
◦ Ordinanze DPC
Adeguamento a costo competitivo
◦ Muro di taglio e struttura secondaria
◦ Tecnologie di protezione antisismica
Interventi di adeguamento atti a conseguire i
livelli di sicurezza previsti dalle presenti norme
Interventi di miglioramento atti ad aumentare la
sicurezza strutturale esistente, pur senza
necessariamente raggiungere i livelli richiesti
dalle presenti norme
Riparazioni o interventi locali che interessino
elementi isolati e che comunque comportino un
miglioramento delle condizioni di sicurezza
preesistenti
Definizioni
(NTC 2008 8.4)
Edifici esistenti: Miglioramento e intervento locale?
Sopraelevazione?
No
Cambio destinazione d’uso
con aumento carichi oltre soglia ?
No
Trasformazioni organismo strutturale?
No
Alterazioni comportamento globale?
No
SI
Criteri di
scelta
dell’intervento
edifici
fortemente
irregolari
per
•Tipo
•Tecnica
•Urgenza
correggere tale sfavorevole situazione.
•rinforzo di alcuni elementi.
•inserimento di elementi aggiuntivi;
Duttilità
globale
Sempre opportuno migliorarla
Duttilità
globale
Verificare che i rinforzi locali non la
riducano
TIPI DI INTERVENTO
rinforzo o ricostruzione di tutti o parte degli elementi;
modifica organismo
strutturale:
•aggiunta di nuovi elementi resistenti pareti in c.a.,
•pareti di controvento in acciaio,
•incatenamento per strutture murarie
modifica organismo
strutturale:
•saldatura di giunti tra corpi fabbrica,
•ampliamento dei giunti,
•eliminazione elementi vulnerabili,
•eliminazione di eventuali piani «deboli» ...
sistema strutturale aggiuntivo in grado di resistere per
intero all’azione sismica di progetto;
elementi non strutturali
elementi strutturali,
(esempio: incorniciatura in c.a. di pareti in laterizio)
protezione passiva
controventi dissipativi e/o isolamento alla base;
riduzione delle masse
limitazione o cambiamento della destinazione d’uso dell’edificio;
demolizione parziale o totale.
rinforzo o ricostruzione di tutti o parte
degli elementi;
Tipo di intervento utilizzabile sia per
adeguamento che per miglioramento o intervento
locale
In caso di miglioramento o intervento locale
(rinforzo di pareti con intonaco armato,
sostituzione o rinforzo di orizzontamenti con
aumento di massa o rigidezza,…) occorre evitare
che l’intervento MODIFICHI IN MISURA
SIGNIFICATIVA LA RISPOSTA DINAMICA.
In caso di adeguamento un intervento di questo
tipo può risultare molto oneroso perché:
◦ Si tratta di intervento distribuito ed esteso
◦ Interrompe la fruibilità ed il servizio dell’immobile fino al
termine dei lavori
◦ Comporta demolizione e rifacimento di finiture e impianti
Tema 3
Valutazione della sicurezza
Interventi (Retrofit, adeguamento,
miglioramento, intervento locale)
◦ Definizioni
Destinazione d’uso e funzione
strategica o rilevante
◦ Definizioni
◦ Ordinanze DPC
Adeguamento a costo competitivo
◦ Muro di taglio e struttura secondaria
◦ Tecnologie di protezione antisismica
Definizioni
Funzione strategica: operatività non
interrotta durante il sisma (es.: ospedali)
Funzione rilevante: solo danni strutturali e
sovrastrutturali lievi, incolumità delle
persone garantita, operatività ripristinabile
in tempi rapidi (es.: scuole)
EDIFICI STRATEGICI E RILEVANTI
Che cosa non dovrebbe fare l’Ente proprietario
della di un edificio strategico o rilevante?
Collocare la funzione strategica o rilevante in un edificio
storico monumentale: l’esigenza di conservazione del
bene architettonico non è compatibile con la sicurezza
necessaria
Destinare a funzione strategica o rilevante edifici
acquisiti da Enti pubblici o privati senza un rigoroso
controllo visivo e sperimentale su componenti strutturali
e non strutturali
Trattare con sufficienza il rischio del terremoto. Ogni volta che
la zonazione sismica è cambiata è divenuta più severa
Trattare con sufficienza il rischio climatico ed idro-geologico. Il
clima sta cambiando e può generare eventi traumatici
Che cosa dovrebbe fare l’Ente committente di lavori in un
edificio strategico o rilevante
Affidare incarichi di progettazione tenendo conto dei
costi di manutenzione e del ciclo vitale della costruzione
porre la sicurezza al primo posto
(prima di acustica o risparmio energetico)
Affidare incarichi ed appalti con bandi che non siano
fondati sulla scelta del minimo costo.
prendere in considerazione le tecnologie antisismiche
moderne. Spesso sono competitive, abbattono i costi
manutentivi e permettono applicazioni dall’esterno senza
interrompere il servizio
Ordinanze DPC
Opcm n. 4007 del 29 febbraio 2012 e Ocdpc n. 52 del 20
interventi locali o di
miglioramento degli edifici strategici
(???). Specificano altresì che sono esclusi dai contributi gli
febbraio 2013 prevedono
edifici scolastici, poiché per essi sono disponibili altri contributi
pubblici, ad eccezione di quegli edifici che nei piani di
emergenza di protezione civile ospitano funzioni strategiche.
Gli interventi di miglioramento sismico devono consentire di
raggiungere un valore minimo del rapporto capacità /domanda
pari al 60% (???) e, comunque, un aumento della capacità
non inferiore al 20% di quella corrispondente
all'adeguamento sismico ( vedi art. 9).
Tema 4
Valutazione della sicurezza
Interventi (Retrofit, adeguamento,
miglioramento, intervento locale)
◦ Definizioni
Destinazione d’uso e funzione strategica o
rilevante
◦ Definizioni
◦ Ordinanze DPC
Adeguamento a costo competitivo
◦ Muro di taglio e struttura secondaria
◦ Tecnologie di protezione antisismica
Nuovo muro
di taglio
Telaio esistente
declassato a struttura secondaria
(con compito di portare solo forze
verticali)
Il telaio deve
essere molto
meno rigido del
muro di taglio,
così subisce solo
forze orizzontali
modeste e non si
danneggia.
Così mantiene la
capacità
portante
verticale
L’aggiunta di muri di taglio rigidi con
declassamento a struttura secondaria del
telaio in C.A. preesistente comporta di
solito drastiche economie perché:
◦ Non si interviene su tutte le travi, i pilastri
e i nodi;
◦ Non si demoliscono e ricostruiscono
sovrastrutture, finiture e impianti;
◦ Spesso si può intervenire dall’esterno
riducendo o eliminando l’interruzione del
servizio. Occorre, però, che le fondazioni
siano sicure
ISOLAMENTO
DISSIPAZIONE CONTROLLATA
TRASMETTITORI DI SHOCK
SMORZATORI A MASSA
Non temere le
tecnologie moderne.
Spesso costano meno di alternative più
tradizionali
Tecnologie antisismiche
Campano Lucano 23.11.1980 18:34 - direzione x
1.4
Sa (g)
1.2
L’accelerazione massima con
cui la struttura risponde al
1
sisma diminuisce al crescere
della dissipazione e dello
0.8 smorzamento
smorz. 2%
smorz. 5%
smorz.10%
smorz.20%
0.6
0.4
0.2
0
0
L’accelerazione massima con cui la struttura
risponde al sisma diminuisce al crescere del
periodo fondamentale di vibrazione della
stessa struttura
0.5
1
1.5
2
T (s)
Spettro elastico delle accelerazioni
2.5
Tuned Mass Damper (TMD)
Politecnico di Torino
Alessandro De Stefano
Politecnico di Torino
Politecnico di Torino
L’edificio
Stato di fatto
Struttura in c.a. – anno 1972 –
Pianta non regolare a forma di “L”
Struttura portante a telaio con unico
vano ascensore e due vani scala
disposti agli estremi del lato lungo
3 piani f.t. con seminterrato
Preferenza di intervento esterno alla
struttura
L’edificio
Planimetria
L’intervento
Disposizione degli elementi
L’intervento
Dissipatori isteretici
Aste in acciaio inserite nella struttura come
elementi controventanti
Dotati della capacità di raggiungere un livello
elevato di plasticizzazione controllata
Attivi sia in fase di trazione che in fase di
compressione (sono contenuti in una speciale
incamiciatura che ne inibisce l’instabilità per
carico di punta)
Dissipazione dell’energia cinetica del sistema
edificio mediante cicli isteretici del materiale
Riduzione progressiva degli effetti del sisma
B.R.A.D.
L’intervento
Bukling
Restreined
Axial
Dampers
Telai
applicati
L’intervento
Montanti
HEB300
Traversi
HEA300
BRAD 500kN
Pali D168 s10
L=12m
Analisi strutturale
Modello di calcolo
Modello agli elementi finiti
tridimensionale
Elementi beam per
modellare gli elementi
monodimensionali con
caratteristiche reali rilevate
dagli esecutivi originali
Elementi shell per modellare i solai attribuendo uno
spessore equivalente per simulare la reale rigidezza
Elementi Spring-damper per modellare i dissipatori
con comportamento non lineare inserito per via
tabellare tramite diagrammi forza-spostamento
Analisi strutturale
Input dati BRAD
Effetto dei dampers
Confronto spostamenti
Spostamenti BY PILASTRI INCERNIERATI
S p o stam en ti (cm )
Risultati
Senza BRAD
3.50
3.25
3.00
2.75
2.50
2.25
2.00
1.75
1.50
1.25
1.00
0.75
0.50
0.25
0.00
-0.25
-0.501.00
-0.75
-1.00
-1.25
-1.50
-1.75
-2.00
-2.25
-2.50
-2.75
-3.00
-3.25
-3.50
51.00
101.00
151.00
201.00
251.00
Tempo (s)
Con BRAD
301.00
351.00
401.00
451.00
Seismic hazard
Debolezze dell’approccio probabilistico
L’approccio probabilistico (PSHA) alla stima della
scuotibilità (hazard) connette la magnitudo o
l’intensità epicentrale al tempo di ritorno (RT). Il
legame è dato dalla legge di Gutemberg-Richter
(original e o corretta) e dalla distribuzione di
Poisson (in forme quali la legge esponenziale).
Sono modelli senza memoria ed invarianti nel
tempo.
Il recepimento normativo lega il tempo di ritorno,
e quindi la grandezza del terremoto di progetto,
all’importanza della costruzione ed della sua
destinazione d’uso.
Domanda: Qual’è il Tempo di Ritorno (tempo atteso di
intervallo tra due eventi) di un terremoto che ha il
10% (o il 2%) di probabilità di verificarsi almeno una
volta in n anni?
n = 10 anni
n = 50 anni
n = 100 anni
n = 200 anni
TR
(P[I ≥ I0] = 10%)
95
475
950
1900
TR
(P[I ≥ I0] = 2%)
495
2475
4950
10000
Torniamo ora al terremoto di progetto;
Tempo, probabilità e intensità
(c’è da crederci? Funziona davvero così)
La vulnerabilità sismica di un edificio è un
suo carattere comportamentale descritto
attraverso una legge causa-effetto in cui
la causa è il terremoto e l'effetto è il
danno.
Indichiamo genericamente con s e con w
due parametri misuratori del sisma e del
danno.
Vulnerabilità
Immaginiamo ora che una «Critical Industrial Facility
(CIF)» ed un numero di costruzioni ordinarie (OC)
insistano sullo stesso territorio. Progettiamo la CIF , p.es.
perché resista ad un terremoto con il 2% di probabilita di
eccedenza in 100 anni (RT di circa 5000 anni)
Progettiamo le OC perché resistano ad un sisma con il
10% di probabilità di eccedenza in 50 anni (RT di circa
500 anni).
Supponiamo, ora, di sapere che un terremoto con RT di
5000 anni, ammesso che sia verosimile, si è verificato
5000 anni fa e non si è mai ripetuto fino ad oggi. Qual è la
probabilità che avvenga nel prossimo anno?
Se do credito alla distribuzione esponenziale posso
stimare che un simile evento abbia circa il 60% di
probabilità di verificarsi, una probabilità molto alta. Se
ciò avvenisse, che ne sarebbe delle costruzioni ordinarie,
non attrezzate per un sisma così intenso?
La storia sismica di 5000 anni non è nota. Non ci sono
dati. Una previsione su base statistica non si può fare
con leggi di distribuzione vuote di dati, o per
estrapolazione da basi di dati di sismi più modesti e
più frequenti. Ed ancora, non possiamo considerare
un sisma molto violento, fisicamente possibile, come
improbabile perché raro se non sappiamo nulla di ciò
che è avvenuto in passato. LA PRUDENZA E’
D’OBBLIGO.
Terremoto probabile o massimo
terremoto credibile?
Elenco dei terremoti con il maggior numero di
vittime avvenuti nel mondo a partire dall’anno 2000
Tutti i terremoti più devastanti sono stati sottostimati dalle
tradizionali stime probabilistiche dello scuotimento atteso (GSHAP)
=> Necessità di una verifica oggettiva delle stime di pericolosità
sismica
Differenza fra i valori di intensità osservati e quelli previsti da GSHAP
Kossobokov & Nekrasova (AGU, 2010)
Wyss, Kossobokov & Nekrasova (Nat.Haz., 2012)
Il concetto di tempo di ritorno (RT) si concilia anche
difficilmente, ai fini pratici, con l’evidenza dei
terremoti replicati in poco tempo nella stessa area
geografica ma con sismogenesi diversa.
Tra i molti esempi:
• California: San Fernando (1971), Loma Prieta
(1989), Northridge (1994)
• Turchia: due forti sismi presso il mar di Marmara
(17 agosto, 12 novembre 1999)
• Cina: Wenchuan (maggio 2008, M 7,9), Lu Shan
(150 km di distanza, 5 anni dopo
• Cile ……..
Tempo di ritorno?
Importanza
degli effetti
di
amplificazio
ne locale