Miglioramento sismico di edificio esistente mediante dissipazione supplementare di energia

Il presente contributo illustra il progetto di miglioramento sismico del Corpo A del Liceo Scientifico “G. Galilei” di Ancona, sviluppato con l’obiettivo di incrementare la sicurezza strutturale dell’edificio mantenendo, per quanto possibile, bassa l’interferenza con l’uso scolastico e con le finiture esistenti. Il lavoro assume particolare interesse perché affronta un tema molto ricorrente nel patrimonio edilizio pubblico italiano: la necessità di intervenire su strutture in calcestruzzo armato esistenti con soluzioni compatibili con i vincoli di esercizio, di costo e di cantierizzazione.
La strategia adottata si basa sull’impiego di controventi dissipativi in configurazione a V rovescia con dissipatori ad attrito rotazionale, integrati da rinforzi locali “in forze” nelle zone in cui la sola dissipazione supplementare non risultava sufficiente a compensare le carenze di resistenza della struttura originaria. L’impostazione progettuale è stata coerente con un approccio prestazionale, finalizzato a trasferire una quota significativa della dissipazione a componenti dedicate, ciclicamente stabili, ispezionabili e manutenibili, lasciando l’organismo strutturale esistente quanto più possibile in un regime di risposta sostanzialmente elastico.

L’articolo descrive le principali criticità dell’edificio, le motivazioni che hanno condotto alla scelta del sistema dissipativo, i criteri di modellazione numerica adottati, la definizione degli input sismici mediante accelerogrammi spettro-compatibili, la lettura dei principali parametri di risposta e l’integrazione, all’interno del progetto, di un sistema di monitoraggio strutturale in continuo. Viene inoltre discusso il ruolo della modellazione BIM nel coordinamento tra struttura esistente, nuovi esoscheletri, dispositivi dissipativi e sistemi impiantistici. Il caso studio viene proposto come esempio replicabile di intervento a elevata efficacia tecnica e contenuta invasività, particolarmente adatto al patrimonio scolastico esistente.

Parole chiave: miglioramento sismico; dissipazione supplementare di energia; rotational friction dampers; chevron braces; analisi dinamica non lineare; FNA; monitoraggio strutturale; BIM.

L’Italia è un territorio caratterizzato da una pericolosità sismica diffusa e storicamente documentata. Gli eventi sismici che hanno interessato il Paese hanno mostrato in modo ricorrente come il danno non dipenda soltanto dall’intensità dell’azione, ma anche dalla vulnerabilità del costruito e dalla capacità degli edifici di mantenere livelli accettabili di sicurezza, integrità e funzionalità. In tale quadro il patrimonio scolastico rappresenta una categoria particolarmente sensibile, sia per l’elevata esposizione legata alla presenza quotidiana di studenti, docenti e personale, sia per il valore pubblico e strategico che tali edifici assumono anche in condizioni emergenziali.
Gli edifici scolastici esistenti presentano spesso un’elevata eterogeneità tipologica e costruttiva: epoche differenti, dettagli esecutivi variabili, interventi manutentivi non sempre coordinati, ampliamenti successivi e irregolarità distributive che possono tradursi in fragilità locali e in una risposta sismica poco favorevole. In questi contesti il progetto di miglioramento sismico non può essere letto come un semplice esercizio di incremento di resistenza, ma deve essere impostato come costruzione di un nuovo meccanismo globale di risposta, capace di ridurre la domanda sugli elementi più vulnerabili e di rendere gestibile il danno atteso. Il caso studio qui presentato riguarda il Corpo A del Liceo Scientifico “G. Galilei” di Ancona. L’intervento è stato sviluppato dal gruppo di progettazione con un obiettivo molto concreto e, al tempo stesso, estremamente attuale: ottenere un sensibile incremento delle prestazioni sismiche adottando soluzioni compatibili con una logica di cantiere a bassa invasività. Tale esigenza non rappresenta soltanto un vincolo operativo, ma una vera e propria chiave progettuale, poiché rende trasferibile il metodo anche ad altri edifici scolastici analoghi, nei quali continuità d’uso, tempi di esecuzione, compatibilità architettonica e riduzione delle opere “bagnate” costituiscono aspetti decisivi.

Un ulteriore elemento di interesse del progetto è l’integrazione del monitoraggio strutturale in continuo, assunto non come accessorio sperimentale ma come parte integrante della strategia di gestione del rischio. L’edificio pubblico viene così interpretato come organismo “osservabile”, nel quale la misura continua delle grandezze di risposta può supportare manutenzione, verifica post-evento e aggiornamento dei modelli interpretativi.
Lo studio Blasi Ingegneria è stato incaricato dalla Provincia di Ancona per la progettazione preliminare, definitiva ed esecutiva delle opere strutturali di miglioramento sismico ed efficientamento energetico del Liceo Scientifico “G. Galilei” di Ancona. L’incarico prevedeva anche la successiva fase di Direzione Lavori, aspetto che ha permesso un controllo diretto tra progettato, dispositivo effettivamente installato e comportamento atteso del sistema. La stazione appaltante ha mostrato, già in sede di impostazione del bando, una particolare attenzione verso sistemi evoluti di protezione sismica, individuando come possibili strategie l’isolamento alla base o la dissipazione supplementare di energia. Il progetto di miglioramento sismico qui discusso si è sviluppato sulla base di una precedente analisi di vulnerabilità sismica, alla quale si è fatto riferimento per quanto riguarda le caratteristiche geometriche e meccaniche degli elementi strutturali esistenti.

Il livello di conoscenza raggiunto è stato pari a LC2; le caratteristiche medie dei materiali e la contenuta variabilità statistica dei campioni hanno consentito di assumere dati sufficientemente affidabili per la successiva fase di progetto. Il fattore di confidenza è stato impiegato coerentemente con il quadro normativo nelle verifiche dei meccanismi duttili e fragili.
Senza volere entrare troppo nei dettagli legati alla campagna di indagine e caratterizzazione delle caratteristiche meccaniche dei materiale calcestruzzo e acciaio, il risultato finale restituiva una resistenza media a compressione del calcestruzzo pari a 27.30 MPa, Fym acciaio pari a 441,0 Mpa.
Un coefficiente di variazione CV pari all’11% ha permesso, insieme alla valutazione circa la distribuzione dei campioni indagati, di confermare, in fase di progettazione, la variabilità contenuta dei dati statistici riscontrati e quindi la loro attendibilità.

Le analisi di vulnerabilità hanno evidenziato carenze di resistenza sismica diffuse e, soprattutto, criticità localizzate in corrispondenza dei mezzi piani. Questa condizione ha avuto un ruolo decisivo nell’impostazione del progetto, perché ha mostrato fin dall’inizio che l’intervento non poteva essere risolto né con una semplice strategia di irrigidimento né con la sola dissipazione supplementare, ma richiedeva una combinazione ragionata tra riduzione della domanda globale e rinforzo locale degli elementi più vulnerabili.

Breve descrizione del fabbricato

Il complesso in oggetto è costituito da un unico corpo di fabbrica in pianta pressoché rettangolare, inscrivibile in un rettangolo di dimensioni pari a circa 30 × 27 m. Il Corpo A presenta tre piani fuori terra, oltre a un piano parzialmente interrato, con torrino di copertura in corrispondenza del vano scala. L’altezza media netta interpiano è pari a circa 3 m. Una caratteristica distributiva e strutturale di particolare rilievo è costituita dalla presenza di sfalsamenti di quota di circa 1,70 m tra i vari 
piani, collegati mediante una scala in cemento armato con soletta piena. Tale configurazione si è rivelata uno degli aspetti più problematici sotto il profilo sismico. Infatti, proprio in corrispondenza di questo dislivello, i pilastri e i setti del vano ascensore risultano interrotti a quota intermedia, con conseguente formazione di elementi tozzi, fortemente vulnerabili in termini di domanda a taglio. Le analisi sviluppate in fase di progetto di miglioramento sismico hanno mostrato che tali carenze risultavano difficilmente compensabili mediante la sola dissipazione supplementare di energia. È stato pertanto necessario prevedere, accanto al sistema dissipativo, un rinforzo locale “in forze” degli elementi più critici. Questa osservazione è importante perché chiarisce fin da subito il senso del progetto: l’intervento non è stato concepito come applicazione standard di una tecnologia dissipativa, ma come costruzione di una strategia integrata, calibrata sulla struttura reale e sui suoi specifici punti deboli.

Approccio specifico alla progettazione

Nell’ingegneria sismica contemporanea la progettazione non è più centrata esclusivamente sulla verifica di resistenza dei singoli elementi, ma sulla definizione del meccanismo globale di risposta mediante i principi di gerarchia delle resistenze, duttilità e controllo della domanda inelastica. In tale impostazione si individuano porzioni della struttura destinate a un danneggiamento controllato, nelle quali concentrare la dissipazione, salvaguardando gli elementi primari e garantendo il rispetto degli obiettivi prestazionali. La formalizzazione di questi obiettivi ricade nel quadro del Performance-Based Design, che impiega strumenti di analisi avanzati quali analisi statica non lineare, analisi dinamica non lineare e procedure semplificate calibrate su modelli isteretici equivalenti. In coerenza con tale quadro concettuale, l’impiego di dispositivi di protezione sismica mira a ridurre la danneggiabilità della compagine strutturale trasferendo una quota significativa della dissipazione a componenti appositamente progettati, caratterizzati da comportamento ciclico stabile, sostituibilità e ispezionabilità.
Nel caso in esame la strategia progettuale è stata impostata affinché la struttura esistente risulti, per quanto possibile, in campo sostanzialmente elastico nelle condizioni di miglioramento sismico, mentre la dissipazione venga demandata a un sistema dedicato costituito da dissipatori ad attrito rotazionale inseriti in controventi a chevron. Tale soluzione consente incremento della capacità dissipativa globale, controllo della domanda di spostamento e accelerazione, limitazione delle rotazioni plastiche negli elementi in c.a. preesistenti e concentrazione della domanda in elementi sostituibili e manutenibili. Tuttavia, le criticità locali evidenziate nella fase conoscitiva hanno imposto fin dall’inizio una precisazione sostanziale: la dissipazione supplementare sarebbe stata efficace nella riduzione della domanda globale, ma non sufficiente da sola a sanare alcune vulnerabilità a taglio concentrate in punti singolari della struttura. Il progetto è stato quindi volutamente sviluppato come intervento combinato.

L’articolo completo lo trovi solo numero 26 della rivista Lo Strutturista.

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