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Adeguamento sismico di un edificio strategico
mediante isolamento alla base e traslazione
G. Monti, M. Vailati
Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica, Sapienza Università di Roma. Via A. Gramsci 53, 00198 Roma
R. Marnetto
De.La.Be.Ch. Costruzioni Srl. Via Catania 9, 00161 Roma
G. Ducci, C. Schiavi
Autostrade per l’Italia SpA. Via A. Bergamini 50, 00159 Roma
Keywords: isolamento sismico, interventi di adeguamento, strutture isolate alla base.
ABSTRACT
In questa memoria si presenta una soluzione, di una certa originalità, per adeguare sismicamente un fabbricato di
grande valenza strategica. In particolare, si evidenziano alcune questioni di carattere applicativo e accessorio che
spesso accompagnano gli interventi eseguiti con la tecnica dell’isolamento sismico alla base. In questi casi si
presentano, infatti, problematiche tecniche affatto secondarie quali: il mantenimento dell’integrità degli impianti a
seguito del movimento del piano d’isolamento, il possibile martellamento dell’edificio isolato con gli eventuali
edifici attigui e la manutenibilità del sistema d’isolamento. Sono, questi, aspetti che condizionano in maniera
decisiva la fattibilità e l’efficacia finale dell’intervento. Fra tutti, però, si vuole qui approfondire la soluzione
individuata per evitare il martellamento in condizioni sismiche con un edificio in adiacenza, separato da un giunto
di ampiezza insufficiente. Tale obiettivo è stato raggiunto mediante la traslazione rigida dell’edificio, ottenuta
inserendo alla sua base degli isolatori predeformati, il cui ritorno elastico ha prodotto la traslazione dell’edificio,
col conseguente ampliamento del giunto. Questa modalità di intervento ha consentito di mantenere operative le
varie attività strategiche anche nel corso delle lavorazioni.
1
INTRODUZIONE
Il fabbricato oggetto dello studio ospita gli
uffici della Direzione Generale Firenze di
“Autostrade per l’Italia”, situato a Campi
Bisenzio (FI), ed è noto come Palazzo Fagnoni,
dal nome del progettista Raffaello Fagnoni
(Firenze, 1901-1966), che lo progettò alla fine
degli anni ‘50, in assenza di normativa tecnica,
ma soprattutto di nozioni teoriche, per la
progettazione antisismica.
Per questo motivo, data la rilevanza strategica
delle funzioni ospitate all’interno dell’edificio, si
è ritenuto di eseguire degli studi mirati a
valutarne l’adeguatezza sismica attuale ed
eventualmente intervenire per migliorarne il
comportamento sismico.
Da tali studi è emerso che l’edificio, in
condizioni sismiche, non era in grado di fornire le
prestazioni previste dalla NTC-08, per cui si è
deciso di procedere al suo adeguamento.
Tra i vari requisiti essenziali dettati dal
Committente, particolarmente impegnativo si è
rivelato quello del mantenimento delle attività
svolte all’interno del fabbricato durante
l’esecuzione dei lavori; ciò ha richiesto la scelta
di una strategia di adeguamento che facilitasse lo
svolgimento delle lavorazioni mantenendo in
completa sicurezza i frequentatori degli uffici.
Dopo aver esaminato diverse strategie, si è
infine scelto di isolare alla base l’edificio, anche
in considerazione del fatto che la presenza del
piano pilotis rendeva più agevoli le operazioni di
realizzazione del piano d’isolamento.
In aggiunta a questo intervento di tipo globale,
è stato anche eseguito un insieme di rafforzamenti
locali poco invasivi dei pilastri del primo livello,
con l’obiettivo di eliminare il possibile insorgere
di meccanismi di rottura fragili, migliorandone la
bassa capacità a taglio.
I pilastri, infatti, avevano staffe in quantità
decisamente insufficienti, come spesso accade
negli edifici progettati in quel periodo, a causa
dell’assenza di sensibilità progettuale e di
indicazioni normative riguardo il ruolo cruciale
delle armature trasversali.
L’intervento è articolato in più fasi, descritte in
dettaglio nel seguito, ognuna delle quali
comprende lavorazioni eseguite in parallelo, per
le loro caratteristiche di ripetitività e di assenza di
intersezioni. Ciò è stato reso possibile dalla
particolare configurazione del fabbricato, che è
costituito da due ali simmetriche rispetto al corpo
d’ingresso centrale, che svolge la funzione di
smistamento dei flussi, per cui la successione
delle fasi di lavoro è potuta avvenire in parallelo
in ognuna delle due ali.
Un aspetto di particolare interesse – e di una
certa innovatività – dell’intervento qui descritto
riguarda il modo in cui si è affrontato il problema
degli spostamenti elevati che, nel corso
dell’evento sismico, si hanno in una struttura
isolata alla base. Per evitare che le porzioni
giuntate della struttura – ali e corpo centrale –
martellassero fra loro, i giunti esistenti, di
ampiezza insufficiente, sono stati ampliati.
Questo è stato ottenuto “allontanando” le ali
laterali dal corpo centrale. Inizialmente si era
previsto di montare anche al di sotto degli
isolatori elastomerici delle slitte ad attrito ridotto
per facilitarne la traslazione, ma poi si è
proceduto in una maniera diversa, molto più
efficace ed economicamente più conveniente,
come descritto in dettaglio più avanti.
2
Questa particolare configurazione geometrica
dell’edificio ha, in effetti, consentito di realizzare
l’intervento d’isolamento sismico in condizioni
ideali, disponendo gli apparecchi unicamente
sotto i pilastri al piano pilotis delle due ali ed
evitando le complessità legate all’isolamento dei
corpi scala. Il corpo centrale, che comunque
rispetta i requisiti di sicurezza in condizioni
sismiche, non è stato quindi isolato.
Figura 1. Panoramica dell’edificio.
Figura 2. Pianta del fabbricato al piano pilotis. L’atrio
centrale funziona da smistamento dei flussi per le due ali
laterali, dove sono localizzati gli uffici.
DESCRIZIONE DEL FABBRICATO
Una panoramica dell’edificio è mostrata in
Figura 1. Esso è composto da tre corpi di
fabbrica, come mostrato nella pianta in Figura 2.
L’intervento descritto di seguito è riferito ai due
corpi di fabbrica laterali, campiti in grigio, sopra
definiti le “ali” del fabbricato, che ospitano gli
uffici. Uno di essi, quello a sinistra, è
rappresentato in maggior dettaglio in Figura 3.
Entrambe le ali presentano una pianta di forma
rettangolare, avente lati pari a 11.50 x 32 m; sono
alti circa 12.80 m fuori terra e sono costituiti da
un piano interrato adibito ad alloggiamento
impianti alto 6.40 m, da un piano terra a pilotis,
utilizzato come parcheggio, alto 5.00 m.
L’elevazione è completata da due piani
destinati a uffici alti 3.90 m ciascuno; all’interno
delle ali non sono presenti corpi scala, che sono
invece localizzati nel corpo di fabbrica centrale.
Figura 3. Ala Est del palazzo. A destra, sopra la scala di
accesso all’atrio, si trova il giunto che separa i due corpi di
fabbrica. Uno analogo separa l’atrio dall’ala Ovest.
Figura 4. Sez. C-C’ di Figura 2. In evidenza l’ala Ovest.
Figura 5. Particolare della sezione sull’ala Ovest.
Ognuno dei due piani pilotis è costituito da 24
pilastri, i quali presentano una conformazione “a
fungo”, come mostrato in Figura 6.
Essi presentano una sezione circolare cava
variabile lungo l’altezza, con il diametro esterno
pari a 400 mm allo spiccato e pari a 600 mm
all’attacco con il capitello superiore, anch’esso a
sezione circolare cava. Quest’ultimo ha diametro
esterno che varia da 600 mm fino a 4.00 m
all’attacco con la soletta superiore. Il foro interno,
che attraversa capitello e pilastro, ha diametro
costante pari a 150 mm.
Si osservi che la presenza del foro interno
produce una notevole riduzione della sezione
resistente a taglio, soprattutto nella porzione
inferiore del pilastro, dove lo spessore della
corona circolare è appena di 125 mm.
I solai del primo livello sono a soletta piena di
altezza 0.50 m, mentre quelli del secondo e della
copertura sono di tipo latero-cementizio, con
altezza 0.12 m e interasse dei travetti di 0.40 m.
È importante rilevare, ai fini della soluzione
proposta d’isolamento alla base, che il piano
interrato è costituito da setti in cemento armato
perimetrali e da pilastri centrali di notevoli
dimensioni, posti in corrispondenza dei pilastri “a
fungo” superiori. Oltretutto la sommità di ogni
pilastro e setto dell’interrato è collegato in
maniera continua da travi di altezza pari a circa
0.70 m e larghezza di 0.8 m; nell’insieme la
struttura del piano interrato fornisce così una
superficie di appoggio, nell’intorno di ogni
pilastro, dove è possibile collocare i dispositivi di
sollevamento per l’inserimento, sotto i pilastri,
degli isolatori sismici.
La foto in Figura 7, che risale all’epoca della
costruzione dell’edificio, fornisce una chiara
visione della geometria della struttura oggi
interrata.
Figura 6. Vista del tipico pilastro “a fungo” e della
successione degli strati di finitura. Si noti la cavità verticale
interna al pilastro che ospita i condotti di scarico.
La struttura è costituita da telai in calcestruzzo
armato ottenuti dalla solidarizzazione in opera di
pilastri prefabbricati. Una sezione trasversale
dell’edificio, riportata in Figura 4, è mostrata in
maggior dettaglio in Figura 5.
Figura 7. Foto d’epoca che mostra la geometria della
struttura interrata.
2.1
I dettagli costruttivi e i materiali
Le dimensioni delle sezioni dei vari elementi
strutturali, nonché le dimensioni e la disposizione
delle armature degli stessi, sono state desunte
dagli elaborati grafici originali (datati 1959) e poi
verificate visivamente in sito.
Come spesso accade, si sono riscontrate alcune
incongruenze sull’armatura dei pilastri “a fungo”
fra quanto indicato negli elaborati di progetto e
quanto rilevato in sito.
Figura 8. Pilastro “a fungo” del piano pilotis.
Deterioramento della corteccia esterna con ossidazione
delle barre longitudinali e della spirale trasversale.
I disegni di progetto prevedono, infatti, che i
pilastri siano armati con una corona esterna di
27φ24 e con una staffatura costituita da 2 spirali
φ10/80 mm. Dai rilievi effettuati in sito – la
Figura 7 ne dà evidenza – si è invece osservato
che le barre verticali sono costituite da 24φ22 e
che la staffatura esistente è costituita da spirali
φ5/50 mm, peraltro molto corrose e a passo non
costante.
Non è azzardato affermare che, in questa
configurazione di armatura trasversale, la
capacità a taglio sia fornita da meccanismi non
convenzionali, fra cui l’“effetto spinotto”
garantito dalle corpose armature longitudinali.
Per quanto riguarda la resistenza del
calcestruzzo, si è potuto osservare che la tecnica
stessa di realizzazione di questi pilastri cavi,
ottenuta
mediante
centrifugazione,
poi
abbandonata dai produttori, oltre ad alterare le
posizioni delle armature, ha prodotto la
segregazione degli inerti più pesanti verso il
mantello esterno. Si è quindi venuta a creare, in
maniera del tutto accidentale, una sezione la cui
corteccia esterna è dotata di grande resistenza,
mentre quella interna è essenzialmente costituita
di cemento e inerti a grana fina e, quindi, meno
resistente.
Nelle verifiche di sicurezza eseguite si è
quindi adottata l’armatura effettivamente
riscontrata nel corso dei rilievi e, per il
calcestruzzo dei pilastri, una resistenza ridotta per
tener conto della non omogeneità delle proprietà
meccaniche lungo il raggio.
3
L’ADEGUATEZZA SISMICA PRIMA
DELL’INTERVENTO
La configurazione strutturale con piano pilotis,
in passato e nei recenti eventi sismici, ha spesso
dimostrato scarsa resistenza alle azioni
orizzontali. Infatti, sotto azioni orizzontali, la
parte superiore rimane sostanzialmente rigida,
così che la domanda di spostamento si concentra
sui pilastri del piano terra. In tale situazione,
nell’edificio in esame, si ha la formazione di
cerniere plastiche unicamente alla base dei
pilastri, che non sono in grado di dissipare
adeguatamente l’input di energia del terremoto,
sia perché resi fragili dalla presenza del carico
assiale che ne riduce la duttilità disponibile, sia
perché affetti da significativi effetti P-delta.
Le verifiche di sicurezza, condotte in LC2,
sono state eseguite determinando la domanda
sugli elementi strutturali mediante analisi modale
lineare con spettro di risposta elastico allo SLV,
con parametri determinati in base alla pericolosità
locale, per la classe di terreno A. Per una
probabilità di superamento del 10% in 75 anni,
cui corrisponde un periodo di ritorno di 712 anni,
la PGA su suolo A è risultata pari a 0.154g.
La scelta di tale analisi è legata al fatto che,
come evidenziato al prossimo paragrafo,
l’edificio esibisce chiaramente un comportamento
elasto-fragile. In tali condizioni si ha un
comportamento globale a bassa dissipazione di
energia che implica un fattore di comportamento
q molto basso.
3.1
La valutazione dell’adeguatezza sismica
Dal confronto fra le domande ottenute
dall’analisi e le corrispondenti capacità è emerso,
come ampiamente atteso, che gli elementi critici
sono i pilastri del piano pilotis. La loro capacità
nei confronti delle azioni orizzontali è stata
valutata con i metodi tradizionali degli stati
limite, rispetto ai meccanismi resistenti di pressoflessione e di taglio. In particolare, si è osservato
che la capacità di taglio, determinata col metodo
del traliccio a inclinazione variabile, è risultata
inferiore alla capacità flessionale.
In base al confronto capacità-domanda, si è
potuto dimostrare che i pilastri “a fungo”
collasserebbero per taglio prima che si riesca a
sviluppare la cerniera plastica, presentando quindi
un comportamento elastico fino alla rottura
fragile per taglio.
Questo comportamento si riflette sull’intero
edificio, che quindi esibisce, nel complesso, un
comportamento elasto-fragile assolutamente
inaccettabile. Da qui, la decisione di intervenire
per migliorarne le prestazioni, adeguandole ai
requisiti di normativa richiesti per le nuove
costruzioni.
4
R1. Risanamento della superficie corticale dei
pilastri e passivazione delle armature
corrose,
R2. Applicazione di cerchiaggio preteso a
tutt’altezza mediante CAM e successiva
intonacatura strutturale.
I1. Posa delle attrezzature e carpenterie per il
trasferimento del carico dai pilastri,
I2. Taglio al piede dei pilastri,
I3. Posa in opera degli isolatori e dei tripodi.
LA STRATEGIA DI INTERVENTO
Qualsiasi strategia d’intervento si fosse
adottata avrebbe dovuto rispettare i due requisiti
fondamentali, di ordine pratico e formale:
a) le attività lavorative ai piani superiori
dovevano poter proseguire senza interruzioni nel
corso delle operazioni di cantiere,
b) la fisionomia caratteristica dei pilastri “a
fungo” non doveva essere modificata, e quindi
questi non dovevano subire interventi di
rafforzamento radicali che ne alterassero la
sagoma e la valenza architettonica.
Nelle fasi iniziali dello studio, si era previsto
di incrementare la capacità degli elementi più
vulnerabili – i pilastri “a fungo” del piano pilotis
– con interventi di rafforzamento mediante
incamiciature esterne in calcestruzzo armato. Si
era tuttavia considerato che tale intervento
avrebbe fortemente modificato l’aspetto figurale
dei pilastri, alterando il delicato equilibrio
formale dell’edificio che ne costituisce il vero
valore intrinseco.
Si è allora deciso di perseguire una soluzione
alternativa, orientata alla riduzione della domanda
del terremoto, piuttosto che all’incremento della
capacità della struttura.
L’isolamento alla base è da subito emerso
come la miglior soluzione per il caso in esame,
con l’inserimento di dispositivi d’isolamento
sotto i pilastri “a fungo” esistenti, che in tal modo
sono protetti senza che l’aspetto ne sia alterato.
Tale strategia si è rivelata ottimale sotto tutti i
punti di vista – tecnico, architettonico, funzionale
– ed è stata pertanto adottata per l’adeguamento
sismico del fabbricato.
4.1
Le fasi sono articolate nelle operazioni
sequenziali di seguito descritte:
Le fasi d’intervento
La strategia adottata prevede dunque tre fasi
d’intervento in successione:
R. Rafforzamento a minima invasività dei
pilastri “a fungo” delle ali,
I. Isolamento alla base delle ali,
T. Traslazione delle ali.
T1. Posa dei dispositivi di ancoraggio per la
traslazione,
T2. Posa del sistema oleodinamico per il
rilascio servoassistito dei dispositivi
d’isolamento elastomerici,
T3. Rilascio del sistema di ritenzione e
conseguente spostamento del fabbricato
con monitoraggio in continuo,
T4. Montaggio dei carter di protezione dei
dispositivi.
5
5.1
IL PROGETTO DELL’INTERVENTO
Il rafforzamento dei pilastri a “fungo”
L’analisi è svolta con l’obiettivo di identificare
il momento di snervamento della sezione di
sommità e calcolare il corrispondente taglio che
lo genera. In accordo alle regole della
progettazione in capacità, tale taglio di domanda
deve essere inferiore al taglio di capacità della
sezione di base. Essendo, infatti, il pilastro un
elemento a mensola, poiché è incernierato alla
base, il taglio è costante sull’altezza.
Come specificato dalla Circolare 617 al §
C8.7.2.4, per valutare il taglio di domanda sul
pilastro, il valore del momento di capacità va
valutato con le resistenze medie dei materiali,
moltiplicate per il fattore di confidenza FC (in
questo caso = 1.20).
In accordo al criterio della progettazione in
capacità, si vuole evitare che la resistenza a taglio
sia minore di quella a flessione. Dalla valutazione
dell’adeguatezza sismica si era invece riscontrato
che i pilastri “a fungo” collassano per taglio,
prima che si riesca a sviluppare la cerniera
plastica in sommità e quindi presentano un
comportamento elasto-fragile.
Il rafforzamento dei pilastri è eseguito con
l’obiettivo di modificarne il comportamento, da
elastico-fragile a duttile, consentendo quindi alla
sezione di sommità di raggiungere eventualmente
lo snervamento. A tal fine, prescindendo dalla
domanda derivante dalle azioni esterne, in
accordo al criterio di progettazione in capacità, la
capacità a taglio è aumentata fino a renderla
maggiore della domanda di taglio derivante dalla
capacità a flessione.
L’intervento di rinforzo è effettuato con la
tecnica CAM. La capacità di calcolo a taglio è
stata valutata considerando che le staffe esistenti
siano completamente rimosse e sostituite dai
listelli di acciaio inox, tipici del CAM.
Le verifiche mostrano che i pilastri, dopo la
sostituzione delle armature trasversali col CAM,
plasticizzano prima di raggiungere la capacità a
taglio e quindi presentano un comportamento
duttile. In accordo al criterio della progettazione
in capacità, si è dunque invertito il meccanismo di
collasso dei pilastri.
5.2
L’isolamento alla base
Il progetto del sistema d’isolamento alla base
dei corpi di fabbrica laterali, le ali, è stato
eseguito mediante analisi modale con spettro di
risposta sul modello agli elementi finiti
rappresentato in Figura 9.
Figura 9. Vista laterale e sezione del modello EF.
Le travi e i pilastri della struttura sono stati
modellati con elementi finiti di tipo beam. Si
osservi che la prima fila di pilastri sulla destra al
piano pilotis è più corta, poiché poggia
direttamente su una trave estradossata posta in
corrispondenza delle scale di accesso.
Il modello presenta, alla base dei pilastri
prefabbricati “a fungo”, degli elementi spring che
rappresentano gli isolatori sismici.
In
corrispondenza
degli
isolatori
a
scorrimento, laddove nei pilastri cavi alloggiano i
discendenti di scarico, sono stati disposti dei
carrelli per simularne il comportamento; il
vincolo cinematico adottato discende dall’aver
assunto rigidezza nulla per le slitte, poiché il
coefficiente di attrito tra le superfici è molto
basso (ca. 0.003).
Il modello utilizzato non tiene conto della
parte interrata del fabbricato, quella in cui sono
ospitati gli impianti, poiché è talmente rigida da
non interferire con il comportamento della parte
fuori terra.
Le proprietà meccaniche e la disposizione dei
due tipi di isolatori sotto i 24 pilastri di ogni ala,
oltre a rispettare le condizioni imposte dalla
presenza degli scarichi, sono state definite in
modo da fornire un periodo proprio di
oscillazione di circa 2.4 sec.
Le caratteristiche degli isolatori sono:
- carico verticale max in condizioni statiche:
1060 kN,
- carico verticale max in condizioni
dinamiche: 855 kN,
- spostamento max allo SLC: 100 mm.
Come stabilito al § 7.10.5.2 della NTC-08, il
sistema d’isolamento può essere rappresentato da
un modello lineare equivalente, in questo caso
visco-elastico lineare.
Per quanto indicato nella Circolare 617,
quando è possibile adottare l’analisi lineare,
particolare cura deve essere rivolta alla
determinazione delle caratteristiche lineari
equivalenti del sistema. Per i sistemi quasi lineari
l’effetto sarà tanto maggiore quanto più alta e la
dissipazione di energia.
Nel caso in esame, per il parametro di
smorzamento
viscoso,
equivalente
alla
dissipazione fornita dagli isolatori di tipo
elastomerico, si è adottato il valore 16%.
5.2.1 Analisi modale
L’analisi modale ha consentito di calcolare i
periodi propri e le forme modali, con le relative
masse partecipanti. In Tabella 1 si osserva che il
primo modo è traslazionale in direzione
longitudinale, il secondo è traslazionale in
direzione trasversale, mentre il terzo è torsionale.
Tabella 1. Periodi propri e masse partecipanti dei primi tre
modi di vibrare della struttura isolata alla base.
Modo
1
2
3
T
(s)
2.43
2.41
2.28
Mlong
(%)
91.6
0.6
6.8
Mtrasv
(%)
0.6
89.0
0.0
Mtors
(%)
3.8
5.8
54.2
Dalle
associate
forme
modali
(non
rappresentate) si può apprezzare come tutto lo
spostamento sia concentrato sul piano
d’isolamento e come la deformazione dei pilastri
superiori sia notevolmente inferiore, a tal punto
che lo spostamento d’interpiano dei due livelli
superiori il piano pilotis si riduce a pochi mm.
5.2.2 Spostamenti degli isolatori
Gli spostamenti sono stati ottenuti, per ogni
singola direzione, combinando con la regola CQC
i contributi dei singoli modi ottenuti con l’analisi
modale presentata al par. 5.2.1. Gli spostamenti
ottenuti nelle due direzioni sono quindi combinati
con la regola “100-30” (o “30-100”) che dà luogo
a due valori dello spostamento agenti
contemporaneamente sul singolo isolatore, i
quali, sommati vettorialmente forniscono gli
spostamenti di domanda risultanti per lo SLC:
- isolatori elastomerici: di = 90 mm,
- isolatori a scorrimento: ds = 100 mm.
Tali spostamenti, divisi per un fattore pari a
1.5 per compiere il passaggio allo SLV, sono stati
considerati per valutare le deformazioni imposte
alle porzioni dei condotti del gas e di altri servizi
che attraversano l’interfaccia d’isolamento.
Queste, infatti, sono state sostituite per consentire
di sopportare senza rotture gli spostamenti relativi
della sovrastruttura isolata allo SLV.
5.2.3 Controllo di movimenti indesiderati
Un aspetto importante da considerare è la
corretta distribuzione in pianta delle rigidezze
degli isolatori. Infatti, se è vero che la costruzione
presenta in questo senso una doppia simmetria
che favorirebbe una corretta ripartizione delle
forze fra i vari elementi, è anche vero che 4 dei
24 pilastri in ognuno dei corpi di fabbrica laterali
ospitano i discendenti di scarico delle acque.
Sotto tali pilastri non è stato dunque possibile
installare dei dispositivi elastomerici, poiché ciò
avrebbe comportato la realizzazione di fori
all’interno di questi, con evidenti complicazioni
di carattere tecnologico. La soluzione adottata per
questi casi prevede l’impiego di isolatori a
scorrimento, nei quali è più semplice eseguire un
foro per il passaggio delle condutture.
D’altra parte, ciò comporta che la
distribuzione in pianta delle rigidezze non sia più
regolare, poiché gli isolatori a scorrimento hanno
rigidezza orizzontale sostanzialmente nulla. Ciò
potrebbe produrre dei movimenti torsionali
indesiderati. Al §7.10.4.2 della NTC 2008 si
sostiene, infatti, che, per minimizzare gli effetti
torsionali, la proiezione del centro di massa della
sovrastruttura sul piano degli isolatori e il centro
di rigidezza dei dispositivi di isolamento devono
essere, per quanto possibile, coincidenti.
Per ovviare a questo inconveniente si è
adottato un numero maggiore di dispositivi di
scorrimento, pari a 13, in modo da riposizionare il
centro delle rigidezze il più possibile in
prossimità del centro delle masse e quindi
minimizzare gli effetti torsionali.
Per quanto riguarda invece l’altro aspetto
menzionato in Normativa, per il quale, al fine di
minimizzare le differenze di comportamento degli
isolatori, le tensioni di compressione cui lavorano
devono essere per quanto possibile uniformi, c’è
da rilevare che i pilastri “a fungo” portano
sostanzialmente lo stesso carico assiale per cui
non si hanno differenze di comportamento legate
al carico assiale.
Viceversa, è stata posta particolare attenzione
a che il carico verticale di progetto agente sul
singolo isolatore, sotto le azioni sismiche e quelle
concomitanti, sia sempre di compressione.
5.2.4
Controllo degli spostamenti relativi
rispetto alle costruzioni adiacenti
Un aspetto di particolare importanza ha
riguardato il controllo degli spostamenti dei corpi
laterali, isolati alla base, rispetto al corpo
centrale, realizzato con un sistema di pareti che lo
rendono particolarmente rigido.
La NTC-08, al § 7.10.4.4, stabilisce che debba
essere previsto adeguato spazio tra la
sovrastruttura isolata e il terreno o le costruzioni
circostanti, per consentire liberamente gli
spostamenti sismici in tutte le direzioni.
Soprattutto, i giunti di separazione tra le diverse
porzioni d’impalcato e tra questo e la
sottostruttura devono essere dimensionati in
modo da permettere il corretto funzionamento del
sistema d’isolamento, senza impedimenti al libero
spostamento delle parti isolate. Inoltre, le
connessioni a cavallo dei giunti fra le varie parti
sono state opportunamente scelte e dimensionate
affinché il loro eventuale malfunzionamento non
comprometta l’efficienza dell’isolamento.
Si è potuto verificare che il giunto presente fra
i corpi laterali e il corpo centrale è di ampiezza
molto limitata, intorno ai 40 mm (Figura 10),
insufficiente anche prima dell’intervento. Questa
è una situazione riscontrabile nella quasi totalità
degli edifici realizzati in Italia.
L’impiego dell’isolamento comporta una
notevole riduzione delle forze, ma anche un
incremento degli spostamenti, valutati pari a 100
mm allo SLC. E’ stato quindi necessario
prevedere un ampliamento del giunto con
l’edificio adiacente. Ciò si è ottenuto traslando le
due ali laterali dell’edificio ed allontanandole dal
corpo centrale, come spiegato più avanti.
E’ anche importante rilevare che, come
d’altronde indicato nella Circolare 617, anche per
azioni sismiche relative allo SLD, possono
verificarsi spostamenti relativi non trascurabili
(qualche centimetro) in corrispondenza delle
interfacce, orizzontali e verticali, fra la
sovrastruttura e le parti fisse (sottostruttura,
terreno, costruzioni adiacenti).
Tali spostamenti porterebbero a danni alle
connessioni e alle tubazioni, se queste non
fossero esplicitamente progettate per sostenerli.
Si è dunque prestata particolare attenzione a
rendere opportunamente flessibili gli impianti in
corrispondenza
dell’attraversamento
delle
interfacce, soprattutto i condotti di scarico
verticali presenti all’interno dei pilastri “a fungo”.
Per questi sono state adottate giunzioni
flessibili che permettono di subire spostamenti
dell’entità detta, senza determinare danni e
malfunzionamenti.
6
6.1
L’ESECUZIONE DELL’INTERVENTO
Il rafforzamento dei pilastri “a fungo”
La prima tecnica d’intervento consiste nella
bonifica dello strato più esterno di calcestruzzo,
particolarmente ammalorato, e nella sostituzione
delle armature trasversali con nastri metallici ad
alta resistenza, con la tecnica comunemente nota
come CAM (Confinamento Attivo dei Manufatti)
che consiste nell’applicazione di nastri di acciaio
inox pretesi (Figura 11).
I nastri di acciaio hanno spessore 0.9-1.0 mm e
larghezza 19 mm. In corrispondenza della
“reggetta” di chiusura essi presentano una
resistenza di progetto pari a 532 MPa.
La parte inferiore dei pilastri, tranne quelli in
cui è presente il condotto di scarico, è stata
gettata con malta espansiva per aumentare
l’efficacia del confinamento esercitato dal CAM,
che quindi opera su una sezione piena e non cava.
Figura 11. Applicazione del sistema CAM sui pilastri “a
fungo”, preventivamente bonificati. Sono evidenti le
“reggette” di chiusura.
6.2
Figura 10. Una vista del giunto esistente tra le ali e il blocco
centrale. Il giunto presenta un’ampiezza insufficiente ed è
stato necessario procedere al suo ampliamento per
consentire gli elevati spostamenti associati all’isolamento
alla base.
L’isolamento sismico alla base
La seconda tecnica d’intervento consiste
nell’inserimento di dispositivi d’isolamento
elastomerici sotto i pilastri “a fungo” esistenti,
che hanno lo scopo di disaccoppiare il moto della
struttura sovrastante da quello del terreno,
riducendone in tal modo la domanda in
accelerazione esercitata dal terremoto.
Fra le varie tipologie descritte al § 11.9.1 della
NTC-08, nel caso in esame sono stati scelti gli
Isolatori Elastomerici ad elevata dissipazione
(HDRB).
In alcuni punti di sostegno è stato anche
necessario adottare degli isolatori a scorrimento,
costituiti da appoggi caratterizzati da bassi valori
delle resistenze per attrito. Tali dispositivi sono
stati denominati “tripodi” per il fatto di essere
realizzati da un assemblaggio di tre isolatori a
scorrimento (Figura 12). La Figura 13 mostra il
loro posizionamento sotto un pilastro “a fungo”,
dal quale è stata rimossa la porzione inferiore.
I tripodi, che sono a tutti gli effetti degli
isolatori anch’essi – a resistenza e rigidezza
orizzontale virtualmente nulla –, sono stati
installati sotto i pilastri nella cui cavità è presente
un discendente di scarico che, per ovvie ragioni,
non può essere interrotto dalla presenza
dell’isolatore elastomerico. L’adozione di tre
slitte poste a costituire un triangolo intorno al
pilastro, consente di lasciare libera la parte in asse
al pilastro per il passaggio di detti scarichi.
6.3
Figura 12. Il “tripode”: vista e sezione. Si noti il particolare
del condotto di scarico dotato di gomito deformabile.
Figura 13. Inserimento dei “tripodi” sotto i pilastri,
preventivamente tagliati alla base.
La traslazione delle ali
Il §8.7.4 “Criteri e tipi d’intervento” della
NTC-08 prevede, fra le varie tecniche
d’intervento, anche l’ampliamento dei giunti. Nel
caso in esame, quest’operazione è eseguita
traslando i due corpi di fabbrica laterali verso
l’esterno, dopo aver eseguito l’installazione dei
tripodi e degli isolatori elastomerici, questi ultimi
deformati nella posizione di progetto a SLC e ivi
bloccati con apposite carpenterie (Figura 14).
Dopo la rimozione dei blocchi, i dispositivi
tendono a ritornare elasticamente alla loro
posizione indeformata, spostando l’edificio
sovrastante. La velocità della traslazione è
controllata da un sistema di tirantature (Figura
15) disposto su due allineamenti. Al termine
dell’operazione si provvede al montaggio dei
carter di ricoprimento dei dispositivi e alla
finitura superficiale dei pilastri.
Figura 14. Rappresentazione dell’isolatore elastomerico,
predeformato al massimo spostamento in modo che, alla
rimozione del blocco (in viola), esso ritorni in posizione
facendo traslare l’edificio sovrastante.
Figura 15. Uno dei due allineamenti, questo passante nel
blocco centrale di smistamento flussi del fabbricato, per il
rilascio dei fabbricati: si noti dalla parte opposta la mensola
attiva sull’ala Est.
Figura 17. Un pilastro con l’isolatore elastomerico dopo il
ritorno elastico alla posizione indeformata.
7
Figura 16. Due isolatori elastomerici predeformati, prima
della fase di rientro elastico in posizione centrata.
La Figura 16 mostra un’immagine di due
isolatori elastomerici al momento della rimozione
del blocco. In questa configurazione, gli isolatori
sono al loro massimo spostamento corrispondente
allo SLC e ciò costituisce una sorta di collaudo in
corso d’opera delle capacità deformative del
sistema, nonché della sua stabilità nei confronti
dei carichi verticali.
La Figura 17 mostra invece la porzione
inferiore di un pilastro “a fungo” in cui l’isolatore
elastomerico è ormai ritornato nella posizione
indeformata recuperando la deformazione
iniziale: l’edificio sovrastante si è dunque
spostato della stessa quantità.
CONCLUSIONI
Si sono descritti gli interventi necessari
all’adeguamento sismico di un edificio strategico
(denominato Palazzo Fagnoni) di proprietà della
Società Autostrade per l’Italia S.p.A., realizzato
alla fine degli anni ’50, adibito ad uffici della
Direzione Generale Firenze, sito a Campi
Bisenzio (FI).
L’edificio è realizzato su piano pilotis su
pilastri a sezione cava con una configurazione in
elevazione “a fungo” che li rende particolarmente
vulnerabili a taglio. Si è dunque deciso di
realizzare un sistema d’isolamento sismico alla
base dell’edificio, inserendo i dispositivi
d’isolamento sotto i pilastri “a fungo” esistenti,
che hanno lo scopo di disaccoppiare il moto della
struttura sovrastante da quello del terreno,
riducendo in tal modo la domanda in
accelerazione esercitata dal terremoto.
Il principale vantaggio di questa soluzione è
stato nella possibilità di operare esclusivamente al
livello del piano pilotis, senza interruzione
dell’operatività degli uffici ai piani superiori. Le
uniche lavorazioni previste in questa zona sono
infatti consistite nell’installazione dei dispositivi
coprigiunto alle due interfacce fra i tre corpi di
fabbrica e nella realizzazione di collegamenti
flessibili delle condutture dei servizi che
attraversano detti giunti.
Si è poi prevista l’adozione di 13 dispositivi
d’isolamento a scorrimento sotto i pilastri al cui
interno sono presenti discendenti di scarico e
l’adozione di 11 dispositivi d’isolamento
elastomerici sotto tutti gli altri pilastri.
Ai fini dell’analisi, la rigidezza dei primi è
stata presa pari a zero, come conseguenza di un
coefficiente forfettariamente assunto pari a 0.003;
la rigidezza dei secondi è stata calibrata in modo
da avere un primo periodo proprio del sistema
isolato pari a circa 2.4 secondi, mentre la
percentuale di smorzamento viscoso equivalente è
stata presa pari al 16%.
L’efficacia della soluzione studiata è stata
verificata mediante analisi modale con spettro di
risposta, da cui si è visto che la domanda di taglio
sui pilastri a fungo si riduce a circa 1/3 rispetto a
quella del caso non isolato, rimanendo al disotto
della corrispondente capacità e consentendo
quindi il rispetto della verifica di sicurezza.
Il sistema d’isolamento si è quindi dimostrato
una misura efficace per ridurre la domanda sui
pilastri “a fungo”, che di conseguenza richiedono
minimi interventi di rafforzamento mediante il
sistema CAM per incrementarne la capacità.
Perché il sistema d’isolamento sia veramente
efficace, lo spostamento longitudinale dei corpi di
fabbrica laterali deve essere consentito da
un’adeguata ampiezza dei giunti. Tuttavia, i
giunti esistenti fra il corpo centrale e i due laterali
presentano un’ampiezza insufficiente anche in
assenza d’isolamento sismico. L’intervento
contempla quindi anche l’ampliamento del
giunto, come peraltro previsto anche al § 8.7.4
“Criteri e tipi d’intervento” della NTC-08, fino a
ottenere l’ampiezza desiderata.
Nel caso in esame, quest’operazione si esegue
rilasciando lentamente i due corpi di fabbrica
laterali verso l’esterno, utilizzando i sistemi
oleodinamici installati a contrasto in apposite
carpenterie metalliche ancorate all’intradosso del
piano pilotis; tale operazione avverrà avendo cura
di rimuovere preventivamente i bloccaggi
meccanici installati sugli isolatori elastomerici
predeformati allo spostamento ad SLC. In
seguito, completata la traslazione, si eseguono le
operazioni finali di montaggio dei carter.
Le fasi di studio preliminari sono state rivolte
a valutare la fattibilità dell’intervento ed hanno
via via ridotto le incertezze che inizialmente
accompagnavano la proposta, fino a renderla
realizzabile. Si è così addivenuti a una soluzione
certamente delicata nelle fasi realizzative, ma in
grado di superare i molti vincoli derivanti dalla
straordinarietà dell’intervento.
BIBLIOGRAFIA
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l’applicazione delle nuove norme tecniche per le
costruzioni di cui al decreto ministeriale 14 gennaio
2008. Supplemento ordinario n. 27 alla Gazzetta
Ufficiale 26 febbraio 2009, 47, 229-293-392.
DM 14 Gennaio 2008. Nuove norme tecniche per le
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4 febbraio 2008, 29, 237-291.
Dolce M., Gigliotti R., Laterza M., Nigro D., Marnetto R.
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“L’ingegneria Sismica in Italia”, Potenza-Matera, Italy.
Marnetto, R., Massa, L., Vailati, M., 2004. Progetto
sismico di strutture nuove in cemento armato ai sensi
dell’ord. 3274 del 08/05/2003 e successive integrazioni
n.3316, Edizioni Kappa, Roma.