Una soluzione tutta gomma per l‟isolamento sismico di una struttura esistente
in c.a.: le “strutture di trasferimento”
Antonello De Luca, Giuseppe Brandonisio, Simona Luongo, Attilio De Martino
Università di Napoli “Federico II”, Dipartimento di Strutture per l’Ingegneria e l’Architettura. P.le V. Tecchio 80, 80126,
Napoli.
Giuseppe Mautone
Ingegnere libero professionista, Salerno.
Guglielmo De Stefano, Gennaro D‟Onofrio
Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti – Provveditorato Interregionale alle OO.PP. Per la Campania, la Puglia, il
Molise e la Basilicata.
Keywords: Isolamento sismico; adeguamento; messa in forza isolatori
ABSTRACT
Nel presente lavoro vengono illustrate le problematiche relative alla progettazione strutturale ed esecutiva
dell‟intervento di adeguamento sismico dell‟edificio sede della caserma dei Carabinieri nel Comune di Quindici
(AV), realizzata verso la fine degli anni „80.
Il ricorso alla tecnica dell‟isolamento sismico alla base si è reso necessario in quanto i dettagli costruttivi non sono
tali da garantire gli standard minimi di sicurezza in caso di sisma. Il sistema strutturale esistente è, infatti, privo sia
di duttilità locale che globale.
Per conseguire l‟adeguamento sismico della struttura esistente in c.a. mediante l‟isolamento sismico alla base, si è
adottata una soluzione “tutta gomma”, che ha comportato la riduzione dei punti di appoggio della costruzione,
passando da 68 pilastri in c.a. a 31 isolatori sismici HDRB, con la conseguente necessità di progettare e realizzare
una struttura di trasferimento che merita un‟attenzione particolare, stante la sua innovazione e considerato che, a
conoscenza degli autori, non esistono realizzazioni di tale tipo nel mondo.
1
INTRODUZIONE
L‟intervento illustrato in questo articolo è
rappresentativo di un‟applicazione su un edificio
esistente in c. a. dei principi d‟isolamento sismico,
con trasferimento dei carihci della sovrastruttura a
pochi punti d‟appoggio (gli isolatori sismici), per
concentrar gli sforzi normali sui dispositivi.
La volontà di applicare un sistema
d‟isolamento sismico con una soluzione tutta
gomma è dettata dalla consapevolezza che la
teoria che regola l‟utilizzo degli isolatori
elastomerici per l‟isolamento sismico è ormai
consolidata e discende da decenni di
sperimentazione a partire dagli anni ‟80 negli Stati
Uniti. Al contrario i sistemi d‟isolamento FPS,
diffusamente applicati in l‟Aquila in seguito al
terremoto del 2009, essendo di nuova generazione,
non sono supportati da una consolidata
sperimentazione, e soprattutto non hanno ancora
testato terremoti reali. inoltre, con l‟esperienza
della ricostruzione post-sisma in Abruzzo si sono
registrate anche problematiche legate al
funzionamento delle superfici di scorrimento, con
conseguente necessità di sostituire alcuni
dispositivi sismici FPS.
L‟adeguamento sismico della Caserma dei
Carabinieri di Quindici (AV), con l‟utilizzo di soli
dispositivi elastomerici (soluzione tutta gomma), è
un intervento che, a conoscenza degli autori,
risulta essere l‟unico al mondo nel suo genere.
Infatti, l‟operazione prevista dal progetto, che
ne contraddistingue l‟unicità, prevede il passaggio
dei carichi gravitazionali da 68 pilastri a 31
isolatori elastomerici, attraverso una struttura di
trasferimento costituita da un graticcio superiore
di travi che ingloba le travi del primo impalcato ed
un graticcio inferiore di travi che ingloba la
fondazione esistente.
Essendo un intervento di adeguamento sismico,
le scelte progettuali hanno dovuto confrontarsi con
lo stato di fatto dovendo fronteggiare numerose
esigenze e problematiche che nella progettazione
ex nova non si presentano. La metodologia
adottata, infatti, utilizza il concetto di
realizzazione “per cantieri”, con il quale tanti
restauri complessi, ad esempio quelli che hanno
adottato il metodo della sostruzione, sono stati
realizzati nel corso della storia delle costruzioni.
Nel caso in esame, il principio della realizzazione
“per cantieri”, è stato dettagliato attraverso la
definizione dei singoli cantieri e delle seguenti
singole tempistiche: 1) realizzazione trave
inferiore per cantieri e dei bulbi in corrispondenza
degli isolatori; 2) predisposizione dei casseri delle
travi superiori; 3) getto del calcestruzzo delle travi
superiori; 4) scasseratura delle travi superiori; 5)
appoggio degli isolatori sui bulbi in c.a.; 6) taglio
del singolo pilastro; 7) completamento della trave
inferiore in corrispondenza del pilastro tagliato,
trave che comunque poggia sul reticolo di travi
inferiori già esistenti.
Le fasi 6 e 7 sono quelle realizzate “per
cantieri”. A valle di ogni taglio dei pilastri
esistenti, sia la trave superiore che il dispositivo di
isolamento inizieranno a “lavorare” nell‟intorno
del taglio del pilastro esistente. Nelle altre zone, la
messa in carico dei dispositivi e delle travi
superiori non avviene fino a quando non vengono
tagliati, “per cantieri”, i pilastri adiacenti. Prima
dei tagli gli isolatori non sono quindi messi in
carico.
La procedura “per cantieri” consente pertanto
la messa in carico degli isolatori uno per volta. Va
inoltre aggiunto che:
- la rigidezza del graticcio di travi in testa ai
dispositivi;
- la rigidezza verticale degli isolatori
(appositamente progettati a tale scopo, con un
fattore di forma primario elevato, S1=20);
- la presenza del rustico in elevazione, e quindi
l‟assenza di elementi fragili in elevazione e,
nel contempo, di carichi estremamente ridotti;
consentono l‟esecuzione di tali operazioni in
assoluta sicurezza, con margini di gran lunga
superiori a quelli che la struttura ha in fase di
esercizio.
2
2.1
L‟EDIFICIO ED IL PROGETTO
Lo stato di fatto
La costruzione dell‟opera esistente è iniziata
alla fine degli anni ‟80, e non è stata mai
completata. Il manufatto è costituito da tre corpi di
fabbrica distinti (Figura 1): il primo (blocco A), si
sviluppa su tre livelli di cui uno interrato; il
secondo (blocco B), in parte su tre in parte su due
livelli; l‟ultimo (blocco C), su soli due livelli, di
cui uno interrato.
I tre blocchi risultano sconnessi tra loro da un
giunto sismico di spessore pari a 10 cm (Figura 2).
Giunto sismico 10 cm
Figura 1. Volumetrico con individuazione dei tre blocchi.
Giunto sismico 10 cm
Blocco B
Blocco C
Figura 2. Giunto sismico di 10 cm tra il blocco B e C.
Allo stato attuale, così come si evince dalla
foto di Figura 3, risultano realizzate le opere
strutturali e parte delle tompagnature e
tramezzature, mentre mancano totalmente le
finiture.
Blocco B
Blocco C
Figura 3. Blocco B e C nello stato di fatto.
Le strutture esistenti sono state progettate e
realizzato con i seguenti materiali:
- calcestruzzo: Rck 250 (attuale C20/25).
- acciaio FeB38K (non esiste più).
È stata eseguita una campagna di saggi sui
materiali esistenti e di indagini sui terreni presenti
in sito, per una corretta e completa
caratterizzazione meccanica dei materiali e dei
terreni stessi. Le prove eseguite hanno confermato
le caratteristiche meccaniche dei materiali
strutturali previsti in progetto. Non risulta degrado
degli stessi.
Il progetto originario delle strutture in c.a. è
stato redatto nel rispetto della Legge n. 64/74 e
della Legge Regionale n.9/83 e del D.M.
19.6.1984.
La normativa tecnica vigente all‟epoca di
realizzazione delle strutture è stata profondamente
e radicalmente modificata con la recente
introduzione delle nuove norme tecniche per le
costruzioni del 2008.
Le strutture esistenti sono state progettate
mediante un‟analisi statica equivalente. Le azioni
sismiche considerate derivano dai coefficienti
sismici previste dalle vecchie norme tecniche
italiane:
- grado di sismicità S = 9 (c=0.07);
- coefficiente di struttura β = 1.00;
- coefficiente di fondazione ε = 1.15;
- coefficiente di risposta R = 1.00;
- coefficiente di protezione sismica I=1.40.
che danno luogo allee forze sismiche di piano
indicate Figura 4.
III impalcato
Il recupero funzionale
L‟edificio in esame si sviluppa su due livelli e
prevede: (i) un piano terra destinato all‟attività
operativa della caserma con gli uffici, le celle e le
camerate (Figura 6); (ii) un secondo livello, per
cui è prevista una sopraelevazione, al fine di
rendere tutto l‟edificio su due livelli fuori terra,
con la realizzazione degli alloggi per gli ufficiali
(Figura 7).
IV impalcato
(+7.5)
4,2
57.8 t
2.2
1,8
6.6 t
accelerazione orizzontale, per i vari stati limite in
Figura 5.
74.4 t
I impalcato
(+0.0)
1
2,4
7,5
5,9
15,3
6,9
8,1
10,9
4,4
4,3
Figura 6. Pianta piano terra.
7,5
7,5
4,8
4,8
5
Viceversa, la verifica della rispondenza delle
strutture esistenti (unitamente alla verifica delle
nuove opere) alle attuali norme tecniche per le
costruzioni, è stata condotta considerando le
azioni sismiche che derivano dai seguenti
parametri:
- classe dell‟edificio: Classe IV;
- vita nominale della struttura: vn=50;
- periodo di riferimento per l‟azione sismica:
Tr=100anni;
- tipo terreno: categoria C.
7,5
Figura 4. Forze sismiche di piano nello stato di fatto.
2,4
10,5
5
II impalcato
4,4
(+5.0)
111.2 t
5,9
15,3
11,9
Figura 7. Pianta primo piano con indicazioni sulla
soprelevazione (in linea tratteggiata).
Figura 5. Spettri di risposta in accelerazione per i corpi di
fabbrica nello stato di fatto (a base fissa).
Avendo indicato con Tr il periodo di ritorno
dell‟azione sismica (espresso in anni), con ag/g
l‟accelerazione orizzontale massima del terreno,
con F0 il valore massimo del fattore di
amplificazione dello spettro in accelerazione
orizzontale, e con TC* il periodo (espresso in
secondi) d‟inizio del tratto a velocità costante
dello spettro in accelerazione orizzontale si
riportano gli spettri di risposta elastici in
2.3
L’adeguamento sismico della struttura
Le verifiche condotte, sia allo stato di fatto che
con eventuale sopraelevazione, hanno mostrato
che gli elementi strutturali esistenti (travi e pilastri
in c.a.), non sono capaci di sopportare in sicurezza
le azioni derivanti da un eventuale sisma di
intensità massima pari a quello previsto dalla
normativa tecnica attuale. I dettagli costruttivi,
caratteristici delle opere progettate ed eseguite
negli anni ‟80, infatti, non sono tali da garantire
l‟escursione in campo plastico delle membrature, e
non risultano rispettati i moderni indirizzi
progettuali sulla gerarchia delle resistenze tra gli
elementi dissipativi e non. Il sistema strutturale
esistente è pertanto da considerarsi privo di
duttilità locale e globale.
Considerato inoltre che l‟impostazione della
normativa tecnica è stata profondamente
modificata, e che il fabbricato si presenta allo stato
attuale incompleto ed esposto, da molto tempo
(circa 30 anni), alle intemperie – le strutture in
molti punti sono a faccia vista, senza protezione
dell‟intonaco, mentre i solai di copertura sono
privi di impermeabilizzazione – occorre
intervenire mediante interventi diffusi di
adeguamento sismico. Per poter adeguare un
fabbricato esistente occorre tuttavia valutare tutte
le possibili soluzioni, sia dal punto di vista tecnico
che economico. Si è optato per l‟isolamento
sismico alla base del fabbricato, che di fatto
costituisce una soluzione all‟avanguardia e che
permette di conseguire una riduzione delle azioni
sismiche sulle strutture esistenti.
La soluzione prescelta è quella che permette di
sopperire al meglio alle carenze dei dettagli
costruttivi e la conseguente difficoltà di riuscire a
rispettare i vincoli imposti dalla normativa tecnica
attualmente vigente. Per conferire alle strutture in
elevazione una più uniforme rigidezza (si ricorda
che i tre corpi di fabbrica sono attualmente
giuntati e che i nuclei in c.a. esistenti sono
localizzati piuttosto eccentricamente e quindi in
modo da causare, sotto le azioni orizzontali, delle
torsioni del sistema strutturale) i tre corpi di
fabbrica vengono tra loro uniti provvedendo alla
solidarizzazione dei giunti esistenti, e vengono poi
realizzati tre nuovi setti in c.a..
L‟operazione di solidarizzazione dei giunti
(Figura 8) avviene inserendo barre metalliche
filettate 20 all‟interno dei fori nelle travi del
secondo ed ultimo impalcato che vengono poi
casserate e cementate ottenendo dalle due
un‟unica trave.
Fori di alloggiamento delle
barre 20
Figura 8. Alloggiamenti
riconnessione giunto.
delle
barre
d‟acciaio
per
I nuovi setti, invece, hanno uno spessore di 30
cm ed una altezza di circa 7 metri. Vengono
realizzati a partire dal piano di calpestio di piano
terra, fino all‟estradosso del terzo impalcato
(piano di copertura del primo piano). Detti setti
vengono poi solidarizzati alle travi in c.a. esistenti
mediante la messa in opere di idonee zanche
metalliche. Ai pilastri confinanti con i nuovi setti
(Figura 9) viene asportato il copri ferro e viene
realizzata una camicia in cemento armato di
solidarizzazione.
Figura 9. Fase di realizzazione delle pareti in cemento
armato e loro solidarizzazione con gli elementi travi e
pilastri esistenti.
3
L‟ISOLAMENTO SISMICO ALLA BASE
CON SOLUZIONE TUTTA GOMMA
Al fine di progettare il sistema d‟isolamento si
è preliminarmente ricavato il periodo d‟isolamento
della struttura.
Essendo l‟edificio intelaiato su due livelli, il
periodo d‟isolamento target è stato fissato pari a
Tis=2.5s, ovvero sei volte più grande del periodo a
base fissa T=0.4s. Per la valutazione dei valori
massimi delle sollecitazioni e degli spostamenti è
stato usato un programma di calcolo agli elementi
fintiti nel quale è stata modellata l‟intera struttura,
costituita da:
- strutture in elevazione esistenti.
- strutture in elevazione di nuova
costruzione.
- nuove strutture sopra i dispositivi
d‟isolamento.
- nuove strutture sotto i dispositivi
d‟isolamento.
Al fine di indagare il comportamento dinamico
della struttura, si è effettuata dapprima un‟analisi
modale su un modello semplificato della struttura
composto da:
- nuove travi a livello degli isolatori;
- isolatori;
- massa della struttura applicata nel
baricentro delle masse.
Le analisi, svolte con l‟ausilio del programma
di calcolo agli elementi finiti SAP2000, hanno
fornito i seguenti risultati:
- periodo primo modo struttura isolata:
T1=2.49s;
- periodo secondo modo struttura isolata:
T2=2.49s;
- massa partecipante: 99.6%.
I risultati delle analisi sono riassunti in Tabella
1 e nelle Figure 10-12 in termini periodi, masse
partecipanti e forme modali.
Tabella 1. Modi di vibrare della struttura isolata.
Modo
T
[s]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
2.49
2.49
1.12
0.06
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04
0.03
0.03
0.03
Mx
[%]
0
0.99
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
My
[%]
0.99
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Mz
[%]
0
0
0
0
0
0.01
0.02
0.04
0
0.02
0.04
0
Mx
[%]
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
My
[%]
0.99
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Mz
[%]
0
0
0
0
0
0.01
0.03
0.07
0.07
0.09
0.13
0.13
Figura 10. Primo modo di vibrazione della struttura isolata.
Figura 11. Secondo modo di vibrazione della struttura
isolata.
Nelle Figure 13 e 14 sono riportati,
rispettivamente, gli spettri di risposta elastici in
accelerazione orizzontale e in spostamento
orizzontale per i vari stati limite, nel caso di
fabbricato isolato simicamente alla base.
Figura 13. Spettri di risposta in accelerazione per i corpi di
fabbrica a base isolata.
Figura 14. Spettri di risposta in spostamento per i corpi di
fabbrica a base isolata.
La soluzione d‟isolamento prevede inoltre la
separazione dell‟edificio dal muro scannafosso
perimetrale, al fine di consentire lo spostamento
della struttura in caso di sisma. In Figura 15 è
raffigurato la sezzione di taglio della soletta
(Figura 15b)) con successivo inserimento di una
lastra di acciaio zincato (Figura 15a) per ridurre
l‟attrito tra le superfici di scorrimento,
consentendo lo spostamento relativo in caso di
sisma.
LASTRA DI
ACCIAIO
ZINCATO
a)
TAGLIO DELLA SOLETTA
b)
Figura 12. Terzo modo di vibrazione della struttura isolata.
c)
Figura 15. Sconnessione dell‟edificio da isolare col muro
scannafosso perimetrale.
L‟adeguamento sismico avviene attraverso
l‟interposizione d‟isolatori del tipo elastomerico
(Figura 16), con le caratteristiche riportate in
tabella 2, tra il piano di posa delle fondazioni e
l‟impalcato di calpestio del piano terra, previa
realizzazione di un primo graticcio di travi rigide
(50cm×(100+140)cm in direzione longitudinale e
80cm×(100+50)cm in direzione trasversale) al di
sopra delle travi di fondazione esistenti e di un
secondo
graticcio
di
travi
((30+50)cm×(50+110)cm
in
direzione
longitudinale e (30+50)cm×50cm in direzione
trasversale) al di sotto delle travi del primo
impalcato.
In corrispondenza degli isolatori vengono
realizzati dei bulbi 100×100cm.
Si vuole evidenziare con le piante sopra
indicate (Figure 17 e 18) il passaggio da 68 pilastri
a 31 appoggi isolati ciascuno dei quali non è mai
collocato al di sotto dei pilastri esistenti.
Tabella 2. Caratteristiche isolatori sismici.
G
D
tr
ti
[MPa]
[mm]
[mm]
[mm]
0.4
0.4
0.4
700
600
500
207
217
176
9
7
18
S1
S2
19.5
21.4
22.7
3.4
2.8
2.8
N°isol
4
8
18
Figura 16. Isolatori sismici.
Figura 18. Pianta del sistema
individuazione dei 31 isolatori sismici.
4
d‟isolamento
con
I PROBLEMI DI REALIZZAZIONE E DI
TRASFERIMENTO DEI CARICHI
Il taglio dei pilastri per il trasferimento dei
carichi agli isolatori elastomerici, ha richiesto una
particolare attenzione per la cantierizzazione e
realizzazione degli interventi. Anche se in una
proposta progettuale iniziale era previsto l‟utilizzo
dei martinetti per la messa in forza del sistema
d‟isolamento per il trasferimento dei carichi
dall‟impalcato in elevato agli isolatori stessi, la
soluzione finale consente un trasferimento diretto
dei carichi dal pilastro tagliato agli isolatori, in
assenza di martinetti. Si vogliono quindi appresso
descrivere, in riferimento al telaio P21-P53 del
corpo A-B, le fasi di realizzazione necessarie alla
cantierizzazione per l‟edificazione del graticcio di
travi superiore ed inferiore ed il taglio dei pilastri.
L‟intervento è descrittivo di una fase di cantiere
che precede lo sviluppo della soprelevazione
rendendo l‟intera operazione più agevole.
4.1
Fase 0: stato di fatto
La sezione di Figura 19 è rappresentativa dello
stato di fatto dell‟edificio. Viene, altresì,
evidenziato lo stato di trasmissione dei carichi
dalle travi del primo implacato ai pilastri del
primo ordine alle fondazioni.
Figura 17. Pianta delle fondazioni nello stato di fatto con
individuazione dei 68 pilastri.
Figura 19. Sezione strutturale nello stato di fatto.
Figura 20. Pilastri del primo ordine nello stato di fatto.
4.2
Fase 1: realizzazione graticcio inferiore
per cantieri
In questa fase viene riportata la realizzazione
del graticcio di travi inferiori sovrapposte
all‟esistente fondazione; le travi si realizzano per
cantieri al fine di consentire una migliore agibilità
fino alla fase di taglio dei pilastri.
P23
P18
Figure 25. Armature del graticcio superiore.
Figura 21. Realizzazione graticcio inferiore per cantieri.
Figure 26. Realizzazione graticcio superiore.
4.4
Figura 22. Disposizione armature graticcio inferiore.
Fase 3: posizionamento isolatori
Nella fase 3 è previsto il posizionamento degli
isolatori al di sopra dei bulbi precedentemente
edificati insieme alle parti di travi del graticcio del
piano di fondazione (Figura 27 e 28).
Figura 23. Realizzazione graticcio inferiore per cantieri.
4.3
Fase 2: realizzazione graticcio superiore
per intero
Figura 27. Posizionamento isolatori sismici tra i due graticci.
Nella fase 2 è prevista la realizzazione della
trave superiore del graticcio del primo impalcato.
In Figura 24 viene evidenziato l‟andamento dei
carichi verticali ancora convogliati nei pilastri
preesistenti. In Figura 25 e 26 le fasi di
realizzazione delle travi del graticcio superiore e
inferiore.
Figure 28. Disposizione armature e realizzazione bulbi in
corrispondenza degli isolatori sismici.
4.5
Figura 24. Realizzazione graticcio superiore.
Fasi di taglio
A seguito del posizionamento degli isolatori
iniziano le fasi di taglio dei pilastri, che come
vuole la pratica propria del restauro avvengono
per cantieri, sostituendo il pilastro tagliato con il
completamento della porzione di trave di
fondazione corrispondente. Al taglio di ciascun
pilastro si sono valutate le sollecitazioni massime
nei due impalcati fuori terra che risultano sempre
inferiori alla capacità ultima degli elementi
strutturali grazie alla grande inerzia della struttura
di trasferimento.
Si descrivolo appresso le sotto-fasi di taglio dei
pilastri.
4.5.1 Fase di taglio 1: taglio del pilastro 22 e 51
Nella fase di taglio 1 si procede alla
demolizione per mezzo di una sega del pilastro 22
e 51. Ciò comporta il passaggio dei carichi agli
isolatori adiacenti (Figura 29).
F2
Figura 32. Sezione e pianta: completamento del graticcio
inferiore.
4.5.3
Ultima fase di taglio: taglio del pilastro 52
Fultima
52
F1
F1
22
51
Figura 29. Sezione e pianta: messa in forza e taglio dei
pilastri 22 e 51.
Segue poi il completamento della trave del
graticcio inferiore per cantieri in corrispondenza
dei pilastri demoliti (Figura 30).
F1
Figura 33. Sezione e pianta: messa in forza e taglio dei
pilastri 52.
4.5.4 Completamento del graticcio inferiore
La fase ultima corrisponde alla configurazione
finale dove si evidenzia la conclusione della trave
del graticcio di fondazione con la definizione delle
interruzioni del graticcio, necessarie al passaggio
per l‟ispezione dei dispositivi d‟isolamento
(Figura 34).
F1
Figura 30. Sezione e pianta: completamento del graticcio
inferiore.
4.5.2 Fase di taglio 2: taglio del pilastro 49
Nella fase di taglio 2 si procede alla
demolizione del pilastro 49. Ciò comporta la
messa in forza dell‟isolatore vicino (Figura 31).
F2
49
Figura 31. Sezione e pianta: messa in forza e taglio del
pilastro 49.
Segue quindi il completamento della trave del
graticcio inferiore (Figura 32).
Fultima
Figura 34. Sezione e pianta: completamento del graticcio
inferiore.
4.6
Considerazioni sulla rigidezza del graticcio
superiore e degli isolatori
È stata valuatata e verificata la varazione dello
stato tensionale agente nelle travi della
sovrastruttura durante le diverse fasi di taglio
sopra descritte.
A tal fine, nel diagramma di Figura 35 si
riporta sull‟asse delle ascisse le 7 fasi di taglio
sopra descritte e sulle ordinate le sollecitazioni da
flessione che nascono nelle travi della
sovrastruttura. Si può osservare che il massimo
momento si ottiene nella fase di taglio 5,
corrispondente al taglio del pilastro 53, con un
picco di momento nelle travi in elevazione di
15kNm. È anche evidente che tali sollecitazioni
risultano comunque sempre inferiori alla capacità
ultima degli elementi strutturali che, con
riferimento ad una sezione tipo delle travi della
sovrastruttura di geometria 30cm×50cm con
armatura inferiore di 216 ed armature superiore
212 (acciaio tipo FeB38k; fyk=3800kg/cm2),
risultano pari a MRd+=59.10kNm e MRd=34.32kNm, rispettivamente.
Tale osservazione consente di affermare che
grazie alla sufficiente rigidezza del sistema di
trasferimento (costituito da un graticcio di travi
superiori che ingloba il primo impalcato, e un
graticcio di travi inferiori che ingloba le
fondazioni), la struttura in elevato non risente di
un sostanziale aggravio di sollecitazioni da
cedimenti
differenziati
che
potrebbe
comprometterne la sicurezza, nelle diverse fasi di
taglio e in assenza di un sistema di pre-messa in
forza costituito da martinetti piatti. Le operazioni
di taglio possono quindi essere eseguite con
adeguati margini di sicurezza strutturale,
agevolate inoltre dal fatto che l‟edificio si presenta
incompleto in una condizione di carico favorita
rispetto alla condizione d‟esercizio, per l‟assenza
dei carichi fissi non strutturale e dei carichi
accidentali.
100
1.6
0,70
2.6
Figura 36. Ipotesi dimensioni graticcio di progetto
80cm×160cm (condizione di progetto).
1.3
1,0
2.6
Figura 37. Ipotesi dimensioni graticcio 80cm× 130cm.
1.1
1,2
2.6
Figura 38. Ipotesi dimensioni graticcio 80cm × 110cm.
0.9
M [kNm]
1,4
2.6
80
MRd+
60
Figura 39. Ipotesi dimensioni graticcio 80cm ×90cm.
MRd-
40
20
0
0.8
0
1
2
3
4
5
6
7
1,5
2.6
Fase
Figura 35. Sollecitazioni massime nelle travi della
sovrastruttura durante le 7 fasi di taglio.
In riferimento all‟inerzia del sistema di
trasferimento del graticcio di travi superiori che
ingloba le travi di primo impalcato, si è eseguita
un‟analisi parametrica in funzione del rapporto tra
il monento d‟nerzia delle travi della struttura di
trasferimento e la somma dei momenti d‟inerzia
delle travi della struttura in elevato. Si sono quindi
avanzate seguenti diverse ipotesi sulle dimensioni
del graticcio superiore al variare della rigidezza
dello stesso:
- k=Igraticcio/Itravi sovrastruttura=50 (condizione di
progetto) (Figura 36);
- k=Igraticcio/Itravi sovrastruttura=38 (Figura 37);
- k=Igraticcio/Itravi sovrastruttura=25 (Figura 38);
- k=Igraticcio/Itravi sovrastruttura=13 (Figura 39);
- k=Igraticcio/Itravi sovrastruttura=7 (Figura 40);
- k=Igraticcio/Itravi sovrastruttura=3 (Figura 41).
Figura 40. Ipotesi dimensioni graticcio 50cm×80cm.
0.6
1,7
2.6
Figura 41. Ipotesi dimensioni graticcio 50cm×80cm.
Sulla base delle ipotesi suddette, si sono
eseguite delle analisi strutturali parametriche, in
cui si sono fatte variare sia la rigidezza del
graticcio superiore, sia la rigidezza verticale degli
isolatori (ovvero il fattore di forma primario S1), al
fine di comprendere la loro influenza sui cimenti
agenti nelle travi della sovrastruttura durante la
delicata fase di trasferimento delle azioni
gravitazionali dai 68 pilastri in c.a. a 31 isolatori
sismici. In dettaglio, con riferimento al telaio P21-
P53 del corpo A-B, in Figura 42 sono sintetizzati i
risultati di tale analisi parametrica, con un
diagramma che riporta: in ascissa il rapporto k tra
il momento d‟inerzia delle travi del graticcio
(Igraticcio) e la somma dei momenti d‟inerzia (Itravi
sovrastruttura) delle travi del telaio soprastante (tutte di
sezione 30cm×50cm); in ordinata il valore
assoluto del massimo momento flettente misurato
nelle travi in elevazione durante le 7 fasi di
graduale trasferimento dei carichi dai 68 pilastri
dell‟edificio ai 31 dispositivi d‟isolamento. Nel
grafico sono diagrammate le curve indicate con le
lettere (a)÷(e), che corrispondono ai 5 diversi
valori del fattore di forma primaria (S1=5, 10, 15,
20, 30) considerati per valutare l‟influenza della
rigidezza verticale degli isolatori sui momenti
delle travi della sovrastruttura. Le due rette
tratteggiate (f) e (g) indicano, rispettivamente, i
valori dei momenti resistenti positivi (MRd+) e
negativi (MRd-) delle travi in elevazione, armate
con 216 inferiori e 212 superiori (acciaio tipo
FeB38k; fyk=3800kg/cm2).
In merito all‟influenza della rigidezza del
grigliato sulle sollecitazioni delle travi in
elevazione, tutte le curve (a)÷(e) mostrano un
andamento decrescente con una notevole
variabilità dei momenti, con pendenze maggiori
per k<13 e gradienti più dolci per alti valori di k.
Si osserva inoltre che i valori dei momenti che
nascono nelle travi della sovrastruttura sono
accettabili (se confrontati con le rette (e) e (f)
associate ai momenti resistenti MRd+ e MRd-)
quando k>25.
Il grafico di Figura 42 mostra anche una elevata
sensibilità dei momenti nelle travi con la rigidezza
verticale degli isolatori sismici caratterizzati da
bassi fattori di forma primaria (S1<15); viceversa,
tale sensibilità si riduce in presenza di dispositivi
caratterizzati da S1 medio-alti (ovvero S1≥15),
infatti le corrispondenti curve (c)÷(e) tendono ad
infittirsi, diventando sovrapposte per k<13.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
M [kNm]
k=25
k=50
k=38
(a)
(f) MRd+
S1=5
(b)
(g) MRd
S1=10
(c)
(d)
k=3
k=1.5
0
k=7
5
S1=15
P S =20
1
S1=30
k=Igraticcio/Itravi sovrastruttura
k=13
10
15
-
(e)
20
25
30
35
40
45
50
55
Figura 42. Sollecitazioni massime nelle travi della
sovrastrutture al variare dell‟inerzia del graticcio superiore e
del fattore di forma primario S1 degli isolatori.
Infine, si fa osservare che il punto P di Figura
42 rappresenta la combinazione di rigidezze k=50
e S1=20 adottate in fase di progetto, cui
corrisponde un momento massimo nelle travi pari
a 15kNm, e quindi contenuto rispetto alle
resistenze
flessionali
delle
stesse
(MRd+=59.10kNm MRd-=34.32kNm), confermando
la bontà delle scelte progettuali prese sia per
dimensionare la sezione del graticcio di
fondazione sia per fissare lo spessore ed il numero
di strati di gomma degli isolatori, tutti
caratterizzati da S1=20.
5
CONCLUSIONI
L‟applicazione dei principi dell‟isolamento
sismico che richiede pochi punti di appoggio con
la conseguente concentrazione di carichi elevati
sugli isolatori, in un‟opera di adeguamento
sismico, risulta essere un‟operazione tutt‟altro che
immediata e semplice.
L‟attuazione di tali principi nel progetto
illustrato consente infatti di dimezzare i punti di
appoggio della struttura, passando da 68 pilastri a
31 appoggi isolati.
Tali appoggi isolati risultano essere sempre
disallinaeti con i soprastanti pilastri, assumendo
una collocazione nuova per la trasmissione dei
carichi dalla struttura in elevato alle fondazioni.
La riduzione dei punti di appoggio possibile
grazie alla presenza di una struttura di
trasferimento che ingloba le travi del primo
implacato e le travi di fondazione, assumendo una
dimensione rispettivamente di 80cm×160cm e
80cm×260cm.
L‟inerzia così grande delle suddette travi, ha
consentito di operare in completa sicurezza nelle
fasi di taglio, consentendo il progressivo
trasverimento dei carichi dai pilastri agli isolatori
in assenza di un sistema di pre-messa in forza di
questi.
La riduzione dei punti di appoggio è
un‟operazione
estremamente
complessa
soprattutto per le modalità di attuazione, per
questo motivo si è dovuti ricorrere ad una
realizzazione per cantieri tipica degli interventi di
restauro che ha visto prima il taglio progressivo e
distanziato dei pilastri poi il successivo
completamento delle travi del graticcio inferiore
in corrispondenza del pilastro tagliato.
La struttura di trasferimento si colloca, quindi,
come protagonista indiscussa del progetto
descritto, che conferisce allo stesso un primato
mondiale
nell‟applicazione
dell‟isolamento
sismico ad un‟opera in c.a. esistente.