NTC 2018 e riqualificazione sismica di un edificio in cemento armato

NTC 2018 e riqualificazione sismica di un edificio in cemento armato: dall’analisi strutturale al sismabonus, con guide e strumenti di calcolo pronti all’uso

In questo focus proponiamo il progetto di intervento di miglioramento sismico di un edificio esistente in cemento armato, con tutte le peculiarità e difficoltà connesse. L’intervento ha la finalità di migliorare la capacità della struttura sfruttando anche le detrazioni fiscali previste dal sismabonus.

Di seguito vengono illustrate e commentate le varie fasi progettuali sviluppate mediante l’ausilio di un software di calcolo strutturale. 

 

Download file di esempio e strumenti di calcolo

 

Descrizione dell’opera

L’opera oggetto dello studio è un edificio a telai in cemento armato realizzato negli anni ‘70 nel comune di Roma. La struttura è destinata ad uffici privati non aperti al pubblico con 2 piani fuori terra più la copertura. L’opera riflette le caratteristiche tipiche di una progettazione per soli carichi verticali con telai in entrambe le direzione realizzati con travi in spessore di solaio. Di seguito si riportano delle immagini della struttura, la carpenteria tipo dei primi 2 livelli e una tabella descrittiva delle caratteristiche della struttura.

Immagine che rappresenta una vista 3D della struttura

Vista 3D della struttura

Vista in prospetto

Carpenteria dei primi due livelli

 

Tipologia Struttura a telai in cemento armato
Dimensioni in Pianta 13,9m x 18,4m
Interasse Pilastri 4,5 in x ; 4,5 y
Altezza Interpiano piano 1 piano 2 copertura
3,20 3,00 2,40-3,70
Sezione Pilastri 40×40
Sezione Travi 100×20 in x 60×20 in y
Solai piano 1 e 2 Laterocementizi per uffici non aperti al pubblico h=20 Peso proprio G1    2800     [N/m2]
Sovraccarico Permanente G2    2360     [N/m2]
Sovraccarico Variabile Q    2000     [N/m2]
copertura Laterocementizi per coperture non accessibili h=20 Peso proprio G1 2800   [N/m2]
Sovraccarico Permanente G2 1360     [N/m2]
Sovraccarico Variabile Q       500   [N/m2]
Neve      480   [N/m2]
Tamponature esterne Doppia fodera 30cm (12+8)                                                                    2340   [N/m2]
Fondazioni trave a T rovescia in cemento armato

Normativa di riferimento

La verifica verrà eseguita in riferimento al DM 17.01.2018 e per quanto non riportato in esso si farà riferimento alla Circolare n.617/2009.

Conoscenza della struttura

Il primo passo per l’analisi di un edificio esistente è quello di definire come è fatta la struttura per ciò che riguarda: il modello geometrico, le proprietà dei materiali, i dettagli costruttivi. In base al bagaglio di informazioni che si riesce ad ottenere da documentazioni e prove in situ, si accederà ad uno dei tre livelli di conoscenza previsti dalla norma LC1, LC2, LC3.

Dell’edificio in oggetto si possiede il progetto dell’epoca di costruzione con gli elaborati grafici e le indicazioni dei materiali. Visto il bagaglio di informazioni di partenza, si decide di completarlo con una serie di ispezioni e prove sui materiali per raggiungere il livello di conoscenza intermedio LC2. Si riportano di seguito le tabelle della circolare che riportano l’individuazione dei Livelli di Conoscenza:

Quindi per l’edificio in esame avremo quanto riportato nella seguente tabella di sintesi:

Elementi presenti Elementi da indagare
Dettagli Costruttivi 60 pilastri 95 travi 9 pilastri 15 travi
Materiali superficie del piano 256m2 1 prova per cls e 1 per acciaio per piano

 

Nell’edificio in esame si decide di non eseguire la valutazione come indicato al punto 8.3 delle NTC 2018 riportato di seguito:

“Qualora sia necessario effettuare la valutazione della sicurezza della costruzione, la verifica del sistema di fondazione è obbligatoria solo se sussistono condizioni che possano dare luogo a fenomeni di instabilità globale o se si verifica una delle seguenti condizioni:

  • nella costruzione siano presenti importanti dissesti attribuibili a cedimenti delle fondazioni o dissesti della stessa natura si siano prodotti nel passato;
  •  siano possibili fenomeni di ribaltamento e/o scorrimento della costruzione per effetto: di condizioni morfologiche sfavorevoli, di modificazioni apportate al profilo del terreno in prossimità delle fondazioni, delle azioni sismiche di progetto;
  • siano possibili fenomeni di liquefazione del terreno di fondazione dovuti alle azioni sismiche di progetto.”

Pertanto si esclude completamente il piano di fondazione dalla valutazione del livello di conoscenza.

Inoltre nella circolare, in calce alla tabella delle percentuali degli elementi da indagare C8A.1.3a, è presente la seguente nota:

“(a) Nel controllo del raggiungimento delle percentuali di elementi indagati ai fini del rilievo dei dettagli costruttivi si tiene conto delle eventuali situazioni ripetitive, che consentano di estendere ad una più ampia percentuale i controlli effettuati su alcuni elementi strutturali facenti parte di una serie con evidenti caratteristiche di ripetibilità, per uguale geometria e ruolo nello schema strutturale.”

Siccome la struttura in esame presenta delle evidenti condizioni di ripetitività, in quanto è stata progettata per telai identici che si ripetono e calcolati solo per carichi verticali, ciò consente di ridurre il numero di elementi da indagare. Ad esempio, come illustrato nell’immagine seguente, i telai dello stesso colore avranno le stesse caratteristiche.

Vista 3D con individuazione dei telai analoghi in direzione X

Vista 3D con individuazione dei telai analoghi in direzione Y

In virtù di queste considerazioni, il numero di elementi totali e da indagare diventano quelli riportati nella seguente tabella:

Elementi presenti Elementi da indagare totale
18 pilastri 61 travi 4 pilastri 9 travi 13
superficie del piano 256m2 1 prova per cls e 1 per

acciaio per piano per tipologia di elemento

6

 

All’interno del software EdiLus è presente una procedura guidata per la definizione del livello di conoscenza, nella quale si può costruire, direttamente sul modello, un database tridimensionale di informazioni. In questo modo, il software individua in automatico il livello di conoscenza in virtù delle indicazioni previste dalla norma e riportate nelle tabelle precedenti.

In un’apposita finestra è possibile indicare la documentazione di base disponibile (vedi immagine):

Finestra di EdiLus-EE per l’indicazione della documentazione disponibile

Mediante l’oggetto “prove d’indagine” (vedi immagine seguente) è possibile localizzare i punti in cui:

  •  è stato indagato il dettaglio costruttivo;
  • è stata eseguita una prova distruttiva sul calcestruzzo (carotaggio) con indicazione del relativo risultato;
  •  è stata eseguita una prova non-distruttiva sul calcestruzzo (sclerometrica, ultrasonica, Sonreb) con indicazione del relativo risultato;
  • è stata eseguita una prova sull’acciaio con indicazione del relativo risultato.
Oggetto "prova di indagine"

Oggetto “prova di indagine”

Per escludere gli elementi che non si ritiene necessario considerare nella valutazioni delle percentuali di elementi da indagare, sia per i motivi illustrati in precedenza, sia per superare questioni legati alla modellazione, si può ricorrere all’oggetto “escludi per analogia”. Come si evince dall’immagine seguente, il pilastro (o la trave) può essere suddiviso in più elementi finiti per esigenze di modellazione pur continuando ad essere un elemento unitario sotto il punto di vista delle caratteristiche dei materiali, per cui può risultare ragionevole prenderlo in considerazione una volta soltanto.

Oggetto “escludi per analogia”

Dopo avere inserito tutte le informazioni menzionate in precedenza (informazioni di base, prove, dettagli costruttivi), il programma restituisce in automatico il valore del livello di conoscenza.

Vista 3D livello di conoscenza

Pertanto si conferma che per il nostro edificio avremo:

  • Livello di Conoscenza LC2
  • Fattore di Confidenza FC= 1,2

Si ricorda che il Fattore di Confidenza è quel termine con cui si abbattono le resistenze dei materiali nelle verifiche.
Nella sezione Livello di Conoscenza è possibile anche determinare le resistenze dei materiali dedotte dai risultati delle prove mediante la funzione “wizard materiali”. Con questo strumento, selezionando tutta  o una parte della struttura, il software ci restituirà, in base ai dati immessi, la resistenza media del materiale calcestruzzo o acciaio. Per il calcestruzzo, il risultato sarà derivante dalla elaborazione dei dati di prove distruttive  e non-distruttive. Nel nostro esempio abbiamo eseguito solo prove distruttive (carotaggi):

Wizard materiali per calcestruzzo armato

 

Quindi le resistenze dei materiali saranno:

  • Calcestruzzo:  Resistenza media cubica              Rm =   26,32 N/mm2
  • Acciaio: Resistenza media allo snervamento     Fy   = 409,00 N/mm2

Per completare la ricostruzione dell’edificio per poi passare alla valutazione, l’ultimo passo è quello dell’inserimento della armature dei vari elementi strutturali. Nel caso in esame si è in possesso delle tavole esecutive del progetto originario che sono state verificate con le ispezioni eseguite.

Quella riportata di seguito è l’armatura tipo della trave interna ortogonale all’orditura dei solai (direzione X), quindi quella destinata ad assorbire i carichi. Si notano le caratteristiche di una tipica trave continua progettata per carichi verticali.

Armatura tipo delle travi nella direzione principale

Quella che vediamo nell’immagine seguente invece, è la tipica armatura delle travate interne nella direzione Y. Si evince chiaramente che essa è concepita per fungere solo da collegamento tra i telai.

Armatura tipo delle travi nella direzione secondaria

Dati Sismici

I dati di analisi sismica sono i seguenti:

Accelerazione del sito Ag/g = 0,118
Classe d’Uso II
Terreno prevalente C
Categoria topografica T1

Per quanto riguarda il tipo di analisi da eseguire, siccome siamo in LC2 possiamo eseguire qualsiasi tipo di analisi, nel nostro caso scegliamo un’ analisi lineare con utilizzo del fattore di struttura q.

Riepiloghiamo nella seguente tabella le caratteristiche dell’analisi:

tipo di analisi tipo di meccanismo Tipo di verifiche Verifiche q Resistenze
Analisi lineare con

fattore di struttura q

duttili resistenza Pressoflessione retta/deviata 1,5 – 3 R/ FC
fragili resistenza taglio, torsione, rottura del nodo 1,5 R/(γm*FC)

Come si evince dalla tabella riportata, vanno distinte le analisi e le verifiche per meccanismi duttili e fragili, e molto importante è la scelta del fattore di struttura per i meccanismi duttili.

Scelta del fattore di struttura q per i meccanismi duttili

Per la scelta del fattore di struttura per i meccanismi duttili, si riporta lo stralcio della circolare con le relative indicazioni:

 

Per valutare i tassi di lavoro sotto i carichi statici, si potrebbe sfruttare nel programma la mappatura del coefficiente di sicurezza delle tensioni in esercizio. Affinché tale valutazione sia significativa si prendono in considerazione gli effetti  sui pilastri dei primi due livelli:

Mappatura dei coefficienti di sicurezza per tensioni in esercizio

Da questa visualizzazione si evince che:

  •  Il minimo Coefficiente di Sicurezza è 2,71, quindi piuttosto alto;
  •  La variazione tra i vari elementi risulta contenuta (max/min=5,94/2,71=2,2).

Inoltre la struttura risulta piuttosto regolare in altezza quindi si potrebbe optare per un fattore di struttura abbastanza alto. In realtà la presenza di molte travi in spessore e la presenza sul perimetro di travi con inerzia maggiore rispetto ai pilastri (possibile meccanismo di piano debole) fa preferire una soluzione più cautelativa, pertanto si utilizza un fattore di struttura:

q = 2

a questo punto si può passare al passo successivo. La valutazione.

Analisi dello stato di fatto

Un’opportuna valutazione della vulnerabilità sismica dello stato di fatto parte imprescindibilmente dalla valutazione della struttura sotto l’effetto dei soli carichi verticali. Infatti la prima analisi eseguità è quella sotto l’effetto dei soli carichi statici, i cui risultati sono sintetizzati nelle due schermate successive, dove si vedono le mappature dei coefficienti di sicurezza per pressoflessione retta e deviata e a taglio. Dall’analisi non emerge nessun problema significativo per flessione (CSmin=0,91) se non nelle sezioni di estremità, ma qualche carenza più diffusa a taglio sulle travi portanti (CSmin=0,85).

Mappatura dei coefficienti di sicurezza per taglio

Coefficienti di sicurezza flessione

Coefficienti di sicurezza flessione

 

Si passa quindi all’analisi sismica.

Occorre precisare che il software EdiLus consente di ottimizzare l’analisi di vulnerabilità eseguita sulla struttura mediante degli strumenti, a disposizione dell’utente, per escludere alcuni elementi/meccanismi dalla verifica.

Ad esempio, come discusso in precedenza, si ritiene non necessario eseguire la valutazione delle verifiche geotecniche delle fondazioni.

Altresì, nella verifica di resistenza dei nodi, ha senso portare in conto tutti i nodi più significativi da un punto di vista sismico, pertanto si riterrà opportuno escludere dalla verifica i nodi della copertura. Queste operazioni si eseguono mediante il meccanismo delle eccezioni. Fatte queste premesse si riportano i risultati dell’analisi di vulnerabilità rappresentate mediante una mappatura delle accelerazioni sismiche di collasso (PGAC) espresse come percentuale rispetto alle accelerazioni di domanda (PGAC/PGAD) per i meccanismi analizzati flessione, taglio, rottura del nodo:

Mappatura delle PGA per flessione

Mappatura delle PGA per flessione

Mappatura delle PGA per taglio

Mappatura delle PGA per taglio

 

Mappatura delle PGA per rottura del nodo

Mappatura delle PGA per rottura del nodo

 

Scheda di vulnerabilità sismica

Scheda di vulnerabilità sismica

Come si vede dalle immagini e dalla scheda di vulnerabilità sismica, la capacità globale dell’edificio dello stato di fatto è  PGAC,FATTO=0,266   (26,6%) e il meccanismo condizionante è quello della rottura del nodo.

Classificazione Rischio Sismico

Siccome l’intervento è finalizzato al miglioramento sismico favorito dalle incentivazioni fiscali legate al sisma bonus, occorre procedere alla classificazione sismica dell’edificio. Seguendo le indicazioni delle  “Linee Guida per la classificazione del Rischio Sismico delle Costruzioni” per eseguire tale classificazione per il caso in esame occorre ricorrere al Metodo Convenzionale. In alternativa esiste anche un Metodo Semplificato che non richiede analisi. Le caratteristiche dei due metodi sono riepilogati nella seguente tabella:

Metodo Convenzionale Semplificato
Tipo di edificio Tutti Muratura

Edifici assimilabili a capannoni

Edifici in C.A. con telai in entrambe le direzioni

Tipo d’intervento Miglioramento Intervento Locale
Passaggio di Classi 2 1
Detrazione 80% (85%) 70% (75%)
Tipi di Analisi Tutti quelli previsti dalle NTC Nessuno

Il metodo Convenzionale si basa sulla individuazione di 2 parametri: un parametro tecnico, l’IS-V, ed un parametro economico il PAM. Con ognuno di questi 2 parametri si entra in una classificazione (vedi immagine), la peggiore tra le due rappresenta la Classe Sismica dell’edificio.

Occorre ricordare che sia l’IS-V che il PAM, in maniera diversa dipendono direttamente dall’indicatore di rischio sismico riportato nella scheda di vulnerabilità.

 

Perdita Media Annua Attesa (PAM) classe PAM
PAM≤0,5% A+PAM
0,5% < PAM ≤ 1,0% APAM
0,5% < PAM ≤ 1,0% BPAM
1,0% < PAM ≤ 1,5% CPAM
1,5% < PAM ≤ 2,5% DPAM
2,5% < PAM ≤ 3,5% EPAM
3,5% < PAM ≤ 4,5% FPAM
7,5% ≤ PAM GPAM

 

Indice di Sicurezza Classe IS-V
IS-V > 100% A+IS-V
80% ≤ IS-V < 100% AIS-V
60% ≤ IS-V < 80% BIS-V
45% ≤ IS-V < 60% CIS-V
30% ≤ IS-V < 45% DIS-V
15% ≤ IS-V < 30% EIS-V
 IS-V ≤ 15% FIS-V

Classificazione del rischio sismico

All’interno di EdiLus mediante il servizio EdiLus-CRS PRO è possibile avere in automatico la classificazione sismica dello stato di fatto e dello stato di progetto, nel caso in esame l’edificio risulta essere:

Classe sismica dello stato di fatto

Classe sismica dello stato di fatto

Quindi nello Stato di Fatto l’edificio risulta avere un IS-V 26,59% un PAM 7,29% quindi è di Classe F.

Definizione degli interventi per il miglioramento/adeguamento

Obiettivo dell’intervento è il miglioramento sismico sfruttando il sisma bonus. Affinchè si abbia il passaggio delle due classi per avere il massimo delle detrazioni fiscali, bisogna arrivare almeno in classe D (PAM<3,5%; IS-V> 30%), ma in realtà l’obiettivo è quello di migliorare in maniera significativa la sicurezza strutturale, ovviamente compatibilmente con i budget di spesa a disposizione.

Pertanto, l’obiettivo che ci si pone è di portare la struttura ad avere una capacità 60% <ζE < 70%. Le NTC 2018 non impongono un limite minimo per il valore dell’indicatore di rischio sismico nel caso di miglioramento, si indica soltanto che l’incremento deve essere almeno del 10% (ΔζE>10%).
Analizzando le criticità emerse sullo stato di fatto si decide di:

  • Rinforzare a flessione e taglio con FRP le travi in spessore centrali che portano i solai;
  • Aumentare la sezione di alcuni pilastri mediante incamiciatura in cemento armato;
  • Confinare con FRP tutti i nodi dei primi due livelli.
Placcaggio con FRP per flessione

Disposizione di tessuto unidirezionale per l’intera larghezza di fibre di carbonio sia sulla faccia inferiore che superiore. Anche se i problemi si sono riscontrati a flessione sulle sezioni di estremità, si preferisce disporre le fibre sull’intera lunghezza della trave.

Avvolgimento con FRP per Taglio

Disposizione nelle zone di estremità per una lunghezza di 1m dal nodo di fasce continue di tessuto unidirezionale in FRP in avvolgimento completo.

Incamiciatura in Cemento Armato

Ringrosso delle sezioni in cemento armato come evidenziato in figura. Le sezioni vengono portate da 40×40 a 50×60 ad eccezione dei due pilastri sul lato corto opposto alla scala che vengono portati da 40×40 a 50×70. Questo intervento ha la finalità di equilibrare le rigidezze ed ridurre al minimo i comportamenti torsionali della struttura in virtù della presenza della zona scala. Inoltre con questi interventi ci si prefige di eliminare i potenziali meccanismi di piano debole.

Fasciatura dei nodi con FRP

Fasciatura dei nodi con tessuto quadriassiale in FRP.

 

Analisi dello stato di Progetto

Con gli interventi descritti, si migliora il comportamento della struttura rispetto ad una serie di meccanismi fragili  (taglio su travi e  pilastri, rottura del nodo, meccanismi di piano), pertanto si può ritenere ragionevole ipotizzare una maggiore capacità dissipativa della struttura rispetto allo stato di fatto. Di questo si può tenere in conto adottando un diverso fattore di struttura per lo stato di progetto:  q = 2,4

Mappatura delle PGA per flessione nello stato di progetto

Mappatura delle PGA per flessione nello stato di progetto

Mappatura delle PGA per taglio nello stato di progetto

Mappatura delle PGA per taglio nello stato di progetto

 

Mappatura delle PGA per rottura del nodo nello stato di progetto

Mappatura delle PGA per rottura del nodo nello stato di progetto

 

Scheda di vulnerabilità sismica dello stato di progetto

 

Confronto stato di fatto e stato di progetto

EdiLus consente di redigere una scheda in cui si mettono a confronto i dati di vulnerabilità sismica tra lo stato di fatto e lo stato di progetto:

Scheda di confronto

Come si evince dalla scheda di confronto, l’indicatore di rischio è passato da 0,266 a 0,665 quindi in termini percentuali:

26,7%  ->  66,5%

Quindi con gli interventi predisposti si è riusciti a raggiungere l’obiettivo di miglioramento previsto (60% – 70%) e l’incremento di capacità minimo previsto dalle NTC per gli interventi di miglioramento sismico (ΔζE>10%).

Classificazione Rischio Sismico

Siccome per l’intervento di miglioramento sismico si intendeva accedere ai benefici fiscali concessi dal sisma bonus, occorre verificare se si è riusciti a conseguire il passaggio delle classi di rischio previsto. Nello stato di progetto è possibile verificare la classificazione sismica  dello stato di progetto mettendola a confronto con quella dello stato di fatto:

Classificazione del rischio sismico: confronto tra stato di fatto e di progetto

Come si evince dalla immagine precedente, la struttura passa da :

Classe      F Classe      B
ClassePAM  F ClassePAM  A
ClasseIS-V  E ClasseIS-V  B

 

Quindi si ha il passaggio di più di 2 classi di rischio, pertanto si può accedere al massimo delle detrazioni fiscali disponibili, 85% in quanto si tratta di un edificio condominiale.

 

Download file di esempio e strumenti di calcolo