Intervento di demolizione e ricostruzione di edifici residenziali in c.a. mediante isolamento sismico alla base

I dettagli di un intervento di adeguamento sismico effettuato su tre edifici residenziali in calcestruzzo armato, comprendenti un totale di 24 appartamenti

di Angelo De Cocinis - 11/11/2016
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Intervento di demolizione e ricostruzione di edifici residenziali in c.a. mediante isolamento sismico alla base

Nel presente lavoro sono descritti diversi dettagli di un intervento di adeguamento sismico effettuato su tre edifici residenziali in calcestruzzo armato (c.a.), comprendenti un totale di 24 appartamenti, situati nel comune di L’Aquila in località Pettino (AQ).

Lo studio dell’adeguamento sismico

Lo studio dell’adeguamento sismico, passato attraverso il positivo confronto con gli enti interessati alla ricostruzione, quali Fintecna, Consorzio Reluis, Cineas, gli uffici competenti del Comune de L’Aquila e del Genio Civile, si è sviluppato prevedendo un intervento di demolizione e successiva ricostruzione degli edifici includendo efficaci criteri di protezione sismica (isolamento alla base) ed il soddisfacimento di quelli legati al risparmio energetico.

La perizia e la progettazione relativa al consolidamento sono iniziate non appena emanate le prime Ordinanze (es: Ord. 3790 del 9 luglio 2009) riguardanti gli edifici dichiarati inagibili (con inagibilità di tipo “E”), quindi già nel luglio del 2009, in modo da poter essere presentate a Fintecna nel febbraio del 2010. Esse sono state poi definitivamente ammesse a contributo nell’Ottobre del 2011.

Il progetto esecutivo iniziale

Il progetto esecutivo iniziale di miglioramento sismico è stato studiato in dettaglio ed affinato con analisi e confronti tecnici di elevato profilo professionale, grazie ai ricercatori Reluis, in particolare sviluppando diverse ipotesi di intervento e valutandone i costi associati. Dopo attente e scrupolose analisi, il progettista ha potuto dimostrare la convenienza a demolire e ricostruire.

La caratteristica peculiare del progetto dei nuovi fabbricati è l’interfaccia di isolamento sismico costituita da una serie di isolatori elastomerici a mescola morbida, in teoria in grado di consentire la piena funzionalità delle strutture anche in caso di sisma. Non è banale rimarcare come questa tecnologia, solitamente utilizzate per strutture strategiche e casi particolarmente rilevanti, è qui impiegata tramite un’iniziativa privata nel caso di fabbricati ad uso residenziale.

La fase progettuale

L’attenzione particolare durante la fase progettuale, l’ottimizzazione dei costi in relazione alle fasi costruttive, oltre a particolare attenzione ed impegno da parte dell’impresa esecutrice, hanno permesso di realizzare l’intervento interamente tramite i finanziamenti concessi dalle strutture commissariali. In aggiunta, la particolare tecnica di intervento è stata eseguita prestando molta attenzione non solo all’aspetto puramente strutturale (il sistema di isolamento alla base), ma dedicando una certa cura anche a quello architettonico. Da questo punto di vista, infatti, è stato realizzato un restyling finalizzato a garantirne un aspetto più moderno (Figura 1) e sono stati particolarmente curati i dettagli costruttivi che hanno permesso di limitare le fonti di rumore attive e passive.

Più in generale, è da rimarcare anche la dotazione impiantistica adottata, di concezione evoluta, che ha permesso di dedicare molta attenzione alle fonti di energia rinnovabili, sia per la produzione di acqua calda per usi sanitari, sia per la produzione di energia elettrica, ben oltre i minimi previsti dalle norme vigenti in materia.

Isolamento Sismico

Figura 1 Confronto fra gli edifici esistenti (a) e quelli ricostruiti (b)
con sistema di isolamento sismico alla base

Stato di fatto: configurazione strutturale e analisi del danno

I tre edifici esistenti oggetto di studio (Figura 2) erano caratterizzati da una struttura originaria costituita da setti portanti in c.a. di spessore 25 cm posti lungo una sola direzione per l’intera lunghezza del fabbricato, con cinque solai fuori terra ed un solaio di copertura a più falde inclinate.

Più in dettaglio, i solai dal primo al quinto piano erano in latero-cemento di spessore 22 cm con orditura in direzione Est-Ovest ed in appoggio sui setti portanti. Il solaio di copertura, sempre in latero-cemento e di spessore 22 cm, era invece ordito secondo l’inclinazione della falda. I setti in c.a risultavano collegati ad ogni piano da 3 travi in spessore di solaio di sezione 100 x 22 cm; per tale motivo, la rigidezza lungo il fuori piano dei setti è da considerarsi sicuramente molto più bassa rispetto alla direzione dei setti (Figura 3). Il vano scala in posizione centrale e di collegamento tra i due blocchi di fabbrica contenenti gli appartamenti era composto da rampe in c.a. di spessore 15 cm ancorate alle travi di piano, ai setti e al vano ascensore composto a sua volta da setti di circa 12 cm di spessore. Le fondazioni a trave rovescia avevano un piano d’imposta pari a -150 cm rispetto al pavimento finito.

Dal punto di vista strutturale, l’edificio esistente è stato classificato, in accordo alle definizioni introdotte dall’attuale normativa (D.M.14/01/2008, Norme Tecniche per le Costruzioni), come una struttura a pareti accoppiate o miste equivalenti a pareti.

I fabbricati presentavano pertanto un comportamento sotto azione sismica fortemente disomogeneo: la presenza di setti in cemento armato con rigidezze elevate in una direzione e telai con elementi fortemente snelli, quindi caratterizzati da bassa rigidezza ed elevata deformabilità, nell’altra direzione, creavano una struttura la cui risposta dinamica risentiva fortemente dell’angolo di incidenza del sisma.

Ne consegue che il danno rilevato su fabbricati simili, ma diversamente orientati, a parità di intensità sismica, può essere notevolmente diverso, così come effettivamente è stato riscontrato in questo caso (edificio di via Francia, civico 26, in Figura 2).

Isolamento Sismico

Figura 2 I tre edifici esistenti oggetto di studio: la particolare struttura sismo-resistente e il diverso orientamento dell’edifico di Via Francia, civico 26, ha generato, rispetto agli altri, una differente risposta sismica ed un danneggiamento meno accentuato.

Isolamento Sismico

Figura 3 Configurazione strutturale degli edifici: si notino i setti in c.a. disposti lungo il lato corto che si elevano per tutta l’altezza del fabbricato e le travi di accoppiamento in spessore di solaio 100 x 22 cm particolarmente deformabili.

L’analisi dell’edificio e delle lesioni causate dal sisma è stata effettuata tramite sopralluoghi ed indagini in situ.

Il maggior danneggiamento strutturale si è riscontrato negli edifici 2 e 3 (Figura 4), con particolare concentrazione nella zona del vano scala e dei setti in c.a. a piano terra e primo piano. Essi risultavano gravemente compromessi con rotture e deformazioni residue particolarmente accentuate e con evidenti espulsioni di materiale (Figura 5). Sono state inoltre rilevate deformazioni torsionali sugli interi fabbricati, in particolare riscontrabili in maniera diretta sul nucleo del vano ascensore e sui setti strutturali, fortemente lesionati sul lato Nord alla quota del pianerottolo intermedio delle scale tra piano terra e primo piano, in corrispondenza di una disomogeneità architettonico-strutturale in elevazione ed in pianta (Figura 6).

I setti in c.a. sono risultati inoltre lesionati per taglio a livello del piano terra, ed in alcuni tratti anche per pressoflessione.

Anche il nucleo del vano ascensore in c.a. in opera è stato fortemente danneggiato tra piano terra e primo piano, con parziale espulsione del calcestruzzo che ha lasciato esposta l’armatura.

I fenomeni deformativi erano ben evidenti anche sui tamponamenti interni ed esterni (Figura 7). Le lesioni più diffuse erano in corrispondenza del primo piano con andamento a croce o inclinato con espulsione parziale o totale localizzata di materiale.

Erano presenti inoltre fratture ad andamento orizzontale in corrispondenza dei solai di piano ad indicare un distacco dei tamponamenti dalla struttura portante ed evidenti danni a livello dei garage con lesioni soprattutto nelle pareti esterne poste a Nord. È da rimarcare inoltre la presenza di deformazioni anche a livello dei solai del primo piano, dove si sono rilevati ingobbamenti dei pavimenti.

L’edificio 1, invece, grazie al differente orientamento in pianta rispetto agli altri edifici, è stato sottoposto ad un livello di danneggiamento globalmente minore (Figura 8).

Isolamento Sismico

Figura 4 Rilievo di alcune lesioni esterne dell’edificio situato in Via Francia 28

Isolamento Sismico

Figura 5 Rilievo di alcune lesioni esterne dell’edificio situato in Via Francia 28 particolarmente concentrate nella zona del vano scala a piano terra.

Isolamento Sismico

Figura 6 Rilievo di alcune lesioni esterne degli edifici siti in via Francia 30 (a) e via Francia 28 (b) del lato nord ovest.

Isolamento Sismico

Figura 7 Rilievo di alcune lesioni degli edifici siti in via Francia 28-30: danneggiamento dei tamponamenti interni (a) ed esterni (b).

Isolamento Sismico

Figura 8 Rilievo di alcune lesioni esterne dell’edificio situato in Via Francia 26. Danno rilevato meno esteso e di grado inferiore rispetto ai civici 28 e 30

Progetto di miglioramento sismico

Prima di entrare nella fase di progetto vera e propria, è stato necessario svolgere le seguenti fasi riguardanti lo stato di fatto:

  • caratterizzare le proprietà meccaniche dei materiali esistenti attraverso il prelievo di un numero di carote di c.a. e di barre di acciaio congrue, in accordo alle disposizioni della Circolare 2 febbraio 2009 n.617;
  • verificare la reale costituzione geometrica degli elementi sismo-resistenti e delle armature in esse contenute attraverso opportuni saggi e prove con laser scanner;
  • caratterizzare le proprietà del sottosuolo sia in termini di portanza, sia di risposta sismica attraverso prove penetrometriche in foro, CPTU e misure down-hole.

Dalle indagini effettuate, è stato riscontrato come la configurazione statica originaria del fabbricato costituisse la principale vulnerabilità dell’edificio stesso. La struttura originaria era infatti caratterizzata da alcune importanti carenze dovute in particolar modo alla distribuzione dei setti in c.a. disposti solo lungo la direzione Nord-Sud degli edifici 1 e 2 e collegati ortogonalmente da travi a spessore di solaio.

Gli edifici erano pertanto rigidi in una direzione e “flessibili” nell’altra, ragion per cui si è reso necessario all’interno del progetto di miglioramento sismico l’introduzione di nuovi elementi atti a rinforzare la struttura e a conferire maggior rigidezza.

Tenendo conto di tale oggettiva carenza, si sono pertanto pianificate le seguenti fasi:

  • riparazione e consolidamento dei setti trasversali esistenti per consentire l’efficace collegamento con la struttura di rinforzo;
  • costruzione di nuovi controventi sismici in direzione longitudinale in corrispondenza del perimetro;
  • consolidamento delle fondazioni, necessario in seguito dell’inserimento delle nuove strutture e alla conseguente modifica della distribuzione delle pressioni sul terreno in caso di sisma;
  • tenuto conto dell’elevato livello di danneggiamento dello stato di fatto, è stata inoltre prevista la demolizione e la ricostruzione del vano scala.

L’intervento pianificato ha come obiettivo di assicurare una migliore distribuzione delle rigidezze e delle resistenze nelle due direzioni principali, grazie alla disposizione planimetrica dei nuovi telai in c.a., studiata per garantire una maggiore regolarità in pianta, minimizzare gli effetti torsionali (cioè cercando di posizionare il centro di massa il meno distante possibile da quello di rigidezza) e migliorare la regolarità della distribuzione delle resistenze evitando, per quanto possibile, meccanismi fragili locali o di piano. A seguito degli interventi programmati, si ritiene che la struttura possa presentare un migliore comportamento nei confronti dell’azione sismica in entrambe le direzioni.

Come dimostrazione di una distribuzione più uniforme delle rigidezze in pianta , si faccia riferimento al confronto riportato in Figura 9, fra l’ellisse delle rigidezze nello stato di fatto pre-sisma, che tende ad una forma ovale molto allungata, e quello post-intervento di miglioramento sismico, caratterizzato invece da un’ellisse che tende maggiormente alla forma circolare.

Obiettivo dell’intervento è stato inoltre di aumentare la resistenza dei setti e, nel contempo, realizzare il giusto confinamento delle sezioni originarie.

Per quanto riguarda il consolidamento dei setti trasversali esistenti, si è pensato ad un rinforzo mediante placcaggio con betoncino armato. In particolare l’intervento prevedeva la messa in opera, su entrambe le facce del setto e per una fascia di lunghezza pari a 1.5 m in corrispondenza dei due bordi della parete stessa, di betoncino per ripristino strutturale. L’incremento di sezione determina, inoltre, un leggero innalzamento della resistenza dei setti nei confronti delle azioni fuori dal piano e permette un più agevole ed efficace collegamento dei nuovi setti/pilastri. Questi ultimi, previsti in corrispondenza degli estremi delle pareti esistenti di dimensioni 100 x 40 cm e delle nuove travi estradossate di collegamento di dimensioni 30 x 90 cm, materializzano un irrigidimento ed un miglioramento della resistenza sismica per l’edificio anche in direzione longitudinale.

IN ALLEGATO L'APPROFONDIMENTO TECNICO COMPLETO

A cura di Ing. Angelo De Cocinis
Ing. Sara Ferrari
Ing. Paolo Pederzini
Ing. Cinzia Franchini

Articolo pubblicato sulla rivista Progettazione Sismica di Eucentre

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