Adeguamento Strutturale ed Antisismico di Edifici Scolastici: Esempio di Applicazione ad una Scuola di Roma
1.INTRODUZIONE L’esperienza illustrata in questo articolo è stata, fra tutte quelle svolte negli ultimi anni, sicuramente fra le più interessanti. Tanto interesse scaturisce dalla sua completezza e difficoltà che ci hanno messo alla prova sia come tecnici della diagnosi che come progettisti.
Il tutto ebbe inizio nel 2004, quando un’Amministrazione Pubblica in provincia di Roma ci chiamò dimostrandoci l’interesse a condurre una campagna ricognitiva sugli istituti scolastici di propria competenza. Pochi mesi dopo i primi incontri iniziò la campagna diagnostica su tre edifici scolastici, situati sulla stessa altura, ma diversi per funzione, età di costruzione e caratteristiche costruttive. L’intento della campagna era quello di rilevare eventuali anomalie strutturali e/o carenze impiantistiche in modo tale da restituire al Comune un quadro generale di “salute” dei suoi fabbricati.
2. DESCRIZIONE DELL’EDIFICIO E DEL PROGETTO DI ADEGUAMENTO
In particolare uno dei tre edifici analizzati evidenziò già durante i primi sopralluoghi la necessità di approfondire le indagini strutturali. Il fabbricato in questione è costituito da due piani che solo in parte sono fuori terra perchè esso è stato eretto su un pendio (Fig. 1). L’edificio si basa su una struttura intelaia in cemento armato che essendo stato costruita negli anni ’80 risponde alle più comuni regole costruttive anti-sismiche (travi fuori spessore di solaio, ordite nelle due direzioni principali, solai in latero-cemento con soletta integrativa, cordoli perimetrali). Tuttavia la qualità del calcestruzzo gettato era scadente. Inoltre, pur essendo recente la costruzione, la ricerca dei documenti progettuali a disposizione dell’amministrazione e del genio civile non ha dato buoni risultati rendendo quindi necessario anche un dettagliato rilievo strutturale.
In seguito all’entrata in vigore dell’Ordinanza 3274 e le sue successive modifiche si sono eseguite le indagini sulla struttura al fine di raggiungere un Livello di Conoscenza 2 [1]. In particolare si sono portate a termine prove di compressione su carote di diametro 80 mm, battute sclerometriche, prove di estrazione di tasselli post-inseriti (pull-out) ed ultrasoniche per la determinazione della resistenza a compressione del calcestruzzo, risultata pari a 11 MPa.
In base al rilievo strutturale raccolto e le valutazioni sui materiali svolte si è potuto procedere al calcolo strutturale. Questo ha mostrato che la struttura non era verificata nei confronti delle azioni da normativa e quindi occorreva un adeguamento strutturale.
Si è scelto di eseguire un intervento di adeguamento sismico, rendendo così la struttura conforme alle verifiche per il grado di sismicità del sito, così come indicato in Normativa (zona sismica 2). L’intervento di adeguamento scelto doveva rispondere alle seguenti caratteristiche: semplicità esecutiva, basso impatto con le strutture e le finiture esistenti e costi competitivi. Alla luce di queste caratteristiche il progetto ha previsto il rinforzo delle travi con fibre in carbonio ed il rinforzo dei pilastri (gli elementi che risultavano più critici) con una camicia in calcestruzzo (40 mm) ad alte prestazioni rinforzato, con fibre di acciaio come suggerito da precedenti ricerche [2-6].
Il progetto è stato eseguito nel 2007, quindi rispettando le indicazioni del DM 2005 [7]. Per quando riguarda il rinforzo in calcestruzzo fibro-rinforzato si è fatto riferimento alle recenti linee CNR DT-204 [8].
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3. DESCRIZIONE DELLE PROVE COMPLEMENTARI
Trattandosi di un intervento di adeguamento con tecniche innovative, il progetto è stato sottoposto alla valutazione del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici, che ha richiesto alcune prove complementari al fine valutare l’efficacia della soluzione proposta (le prove sono state coordinate dal Prof. A. Meda e dal Prof. P.Riva e finanziate da Tecnochem Italiana S.p.A). In particolare è stata richiesta la realizzazione di un pilastro e di un nodo trave-pilastro con le stesse dimensioni degli elementi presenti nell’edificio, caricato in modo tale da avere le stesse massime sollecitazioni di progetto e rinforzato, come previsto, negli elaborati progettuali. Le prove avevano lo scopo, oltre che di valutare il buon funzionamento dal punto di vista strutturale, anche di dimostrare l’applicabilità tecnologica di un getto fibro-rinforzato di così ridotto spessore. Dopo la realizzazione degli elementi e del loro rinforzo, si è provveduto alle prove sperimentali, inizialmente applicando le azioni sollecitanti di progetto (così come richiesto dal Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici). Successivamente le prove sono proseguite portando gli elementi a collasso.
Si procede ora ad illustrare sinteticamente la prova eseguita sul pilastro (Fig. 2). Occorre ribadire che la scelta dell’intervento proposto è risultata vantaggiosa non solo dal punto di vista tecnologico e strutturale, ma anche di quello economico.
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Al fine di soddisfare le richieste progettuali, è stato realizzato un pilastro di sezione 400×400 mm ed altezza 3.0 m (Fig. 2). L’armatura è in accordo con quanto rilevato durante le indagini eseguite sull’edificio. Una volta eseguito il getto del pilastro (Fig. 3), si è proceduto, dopo 14 giorni di maturazione, ad una idro-sabbiatura superficiale al fine di incrementare l’aderenza del successivo getto di rinforzo, rispettando le indicazioni di capitolato previste in progetto. Il pilastro è stato poi posizionato sul banco di prova (Fig. 4) ed è stato caricato applicando un’azione assiale pari a 170 kN, ossia l’azione dovuta ai soli carichi permanenti di progetto, utilizzando due martinetti idraulici (Fig. 4). In questo modo si è simulata la situazione reale nella quale il pilastro non è completamente “scarico” al momento dell’esecuzione del rinforzo.
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Si è quindi provveduto al getto di rinforzo di 40 mm di spessore (Fig. 5) con calcestruzzo ad alte prestazioni fibro-rinforzato. Il calcestruzzo utilizzato è caratterizzato da una resistenza a compressione di 130 MPa e da una resistenza a trazione uni-assiale di 6 MPa [8].
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Al fine di garantire il collegamento della camicia di rinforzo alla base del pilastro si è provveduto a formare uno scasso di 50 mm di spessore nel basamento di fondazione ed ad inserire nel primo tratto di 150 mm una rete di acciaio armonico Ø 2mm/20 mm/20 mm la cui efficacia è stata mostrata in altre ricerche [9].
Dopo sette giorni di maturazione è stata allestita la prova sperimentale. Il precarico iniziale è stato poi incrementato fino a 645 kN, valore dell’azione assiale corrispondente alla situazione di carico di progetto più critica. Successivamente è stata avviata la prova ciclica sottoponendo il campione di prova a cicli di carico orizzontale di ampiezza crescente, utilizzando un martinetto elettromeccanico, fissato alla parete di contrasto e collegato al pilastro con un sistema di snodi. L’azione orizzontale è stata applicata ad una quota pari a 2 m rispetto alla base superiore della fondazione del pilastro, in modo da avere la combinazione di taglio e di momento flettente al piede del pilastro prevista dal progetto.
Inizialmente è stata applicata un’azione orizzontale in grado di simulare le azioni massime di progetto (azione assiale N = 645 kN, momento flettente M = 144 kNm e taglio V = 72 kN). In questa fase sono stati eseguiti cinque cicli di carico orizzontale applicando quindi, ad azione assiale costante, il massimo momento flettente e il massimo taglio nelle due direzioni. Sotto queste azioni il pilastro non ha mostrato segni di apprezzabile danneggiamento e non si è avuta nessuna fessurazione nella camicia di rinforzo. A conferma, il comportamento dell’elemento strutturale è risultato di tipo elastico lineare.
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La realizzazione di un pilastro alto 3 m trova giustificazione nella necessità di valutare la efficacia dell’intervento di rinforzo, non solo dal punto di vista del funzionamento strutturale, ma anche dal punto di vista della fattibilità.
Al fine di verificare le effettive potenzialità della tecnica di intervento, si è deciso di proseguire la prova applicando cicli di carico orizzontale di ampiezza crescente fino al collasso. I risultati della prova portata fino a collasso sono mostrati in Figura 6. Il pilastro è arrivato a collasso raggiungendo una duttilità superiore a quella richiesta dalla normativa per telai ad alta duttilità (d/dy ≈ q=5,85). In Figura 7 è mostrato il quadro fessurativo al termine della prova.
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Anche una seconda prova, svolta per indagare il funzionamento del rinforzo di un nodo sia con le fibre in carbonio che con il ringrosso in calcestruzzo fibro-rinforzato, ha fornito risultati più che soddisfacenti. Sulla base dei risultati ottenuti nelle prove sperimentali, è stato possibile mettere in opera l’intervento progettato (Fig. 8).
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La messa in opera di questo intervento, considerato pilota per il carattere innovativo del materiale utilizzato, non ha presentato alcuna particolare difficoltà.
4. CONCLUSIONI
Il lavoro descritto in questo articolo rappresenta uno dei rari casi di completezza di un intervento su di un edificio esistente: dalla diagnosi alla messa in opera dell’intervento di adeguamento sismico, passando per l’approvazione del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici.
Il progetto proposto, attualmente in esecuzione, è di grande interesse per il suo carattere innovativo basato sull’applicazione di calcestruzzi ad alte prestazioni fibro-rinforzati per l’adeguamento sismico. Le prove complementari hanno dimostrato l’eccellente risposta strutturale della tecnica di rinforzo, che ha consentito di ottenere significativi incrementi di resistenza e duttilità. La scelta di questo tipo di applicazione, rispetto a tecniche più tradizionali, è legata a vantaggi tecnologici, strutturali e non ultimo economici. La tecnica di intervento descritta può quindi essere proposta in diversi interventi di adeguamento sismico, in particolare su elementi realizzati con calcestruzzi di scarsa qualità.
5. BIBLIOGRAFIA
[1] OPCM 3274, “Primi elementi in materia di criteri generali per la classificazione sismica del territorio nazionale e di normative tecniche per le costruzioni in zona sismica”, 20 marzo 2003.
[2] G. Martinola, A. Meda, G.A. Plizzari, Z. Rinaldi, “An application of high performance fiber reinforced cementitious composites for R/C beams strengthening”, FRAMCOS 6. Catania (Italy). 18-21 June 2007.
[3] L. Maisto, A. Meda, G.A. Plizzari, Z. Rinaldi, “R/C beams strengthening and repair with high performance fiber reinforced concrete jacket”, 4th International Conference on The Conceptual Approach to Structural Design. Venezia (Italy). 27-29 June 2007.
[4] A. Meda, G.A. Plizzari, Z. Rinaldi, G. Martinola, “Strengthening of R/C existing columns with high performance fiber reinforced concrete jacket”, 2nd International Conference on Concrete Repair, Rehabilitation, and Retrofitting. Cape Town (South Africa). 21-23 novembre 2005.
[5] L. Maisto, A. Meda, G.A. Plizzari, Z. Rinaldi, “Rinforzo di pilastri in c.a. con incamiciatura in calcestruzzo fibrorinforzato ad elevate prestazioni”,17° Congresso C.T.E. Roma, 6-8 novembre 2008.
[6] M. Ferrini, N. Signorini, P. Pelliccia, F. Pistola, V. Prestifilippo, G. Sabia, “Risultati delle campagne d’indagine svolte dalla Regione Toscana per la valutazione della resistenza del calcestruzzo di edifici esistenti in cemento armato”, Valutazione e riduzione della vulnerabilità sismica di edifici esistenti in c.a. Roma, 29-30 maggio 2008.
[7] D.M. 14-9-05, ”Norme tecniche per le costruzioni” G.U. n. 222 – 23-9-2005.
[8] CNR-DT 204/2006, “Istruzioni per la progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Strutture di Calcestruzzo Fibro-rinforzato”. CNR 2006.
[9] L. Cominoli, A. Marini, A. Meda, “Pareti di taglio rinforzate mediante incamiciatura con calcestruzzi fibro-rinforzati ad alte prestazioni”, 17° Congresso C.T.E. Roma, 6-8 novembre 2008.
fonte enco-journal
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