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Effetti sulle strutture ed infrastrutture

2.11.1 IntroduzioneQuesto contributo si riferisce sia alle struttureindustriali tipo edificio sia alle strutture industrialidi tipo non edificio (impianti). Per quantoriguarda le prime, il terremoto de L’Aquila dell’a-prile 2009 rappresenta il primo vero esempio inItalia di risposta sismica su ampia scala di edificiproduttivi. Questi, ormai da molti anni, sonomolto spesso realizzati con elementi prefabbri-cati in cemento armato. Il terremoto ne ha evi-denziato le maggiori debolezze ascrivibili princi-palmente a deficienze o nei criteri progettuali onella realizzazione. Si sono, infatti, evidenziateinsufficienti distanze tra strutture adiacenti, causadi fenomeni di martellamento, di insufficientelunghezza delle selle di appoggio degli elementi(spesso travi di copertura), di insufficiente resi-stenza degli elementi perimetrali di tamponatura.Tra le seconde, si sono frequentemente osservaterotture localizzate in corrispondenza degli

appoggi degli elementi orizzontali, dovute all’ef-fetto combinato dell’esiguità delle lunghezze diappoggio e di copriferro maggiore di quantospecificato in progetto. Per quanto riguarda lestrutture industriali di tipo non edificio si fa riferi-mento ai sili, adibiti allo stoccaggio del polipo-prilene, della multinazionale Vibac (azienda chi-mica produttrice di film-plastica), situata a Baz-zano, nei pressi di Onna (AQ). Essi presentanoun caso interessante di danneggiamento acostruzioni metalliche. Alcuni di essi sono crol-lati, altri sono rimasti in sede fortemente defor-mati, sia localmente in corrispondenza di alcunianelli, sia diffusamente. In particolare tipichemodalità di rottura che si sono verificate durantetale evento sismico sono: lo schiacciamento deglianelli di base (elephant foot buckling); le defor-mazioni indotte da fenomeni d’instabilità; il mar-tellamento sulle costruzioni in calcestruzzoarmato prefabbricato circostanti.

2.11 Il comportamento delle strutture industriali nell’evento de L’Aquila

B. Faggiano1, I. Iervolino1, G. Magliulo1, G. Manfredi1, I. Vanzi2 �

1 Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Università degli Studi di Napoli Federico II. www.unina.it2 Dip. di Progettazione, Riabilitazione e Controllo delle Strutture Architettoniche, Università di Chieti. www.unich.it

2.11.2 Strutture industriali di tipo edificioGli edifici industriali, ormai da molti anni, sonomolto spesso realizzati con elementi prefabbri-cati in cemento armato. Il terremoto de L’Aquiladell’aprile 2009 rappresenta il primo eventosismico in Italia che ha coinvolto su ampia scalaedifici produttivi. Infatti, il terremoto dell’Irpiniadel 1980 non ha interessato zone particolar-mente industrializzate, come del resto quelli del-l’Umbria e del Molise; gli effetti di questi ultimi,per giunta, si risentirono in termini significativisu un territorio di estensione molto limitata. Perosservare alcuni danni a tale tipologia di costru-zioni bisognerebbe risalire al terremoto delFriuli del 1976, ma in tal caso i danni hannoriguardato strutture progettate in assenza diprescrizioni antisismiche e, comunque, con con-cezioni obsolete. La provincia de L’Aquila,invece, rappresenta un’interessante realtà indu-striale, per di più in via di sviluppo. Le concen-trazioni industriali di Pile, Bazzano, Monticchioed Ocre sono fortemente caratterizzate da edi-fici in cemento armato prefabbricato a ossaturaportante, vale a dire con elementi portanti rap-

presentati da travi e pilastri; generalmente essirisultano essere monopiano, raramente, e avolte parzialmente, a due piani. I pilastri presen-tano la testa con o senza forcella; sovente sonocaratterizzati da mensole tozze (selle) sulle qualipoggia il carroponte oppure, nel caso di edificia due piani, poggiano le travi del livello inter-medio. L’orditura delle travi è spesso classica-mente trasversale, con elementi a sezione varia-bile in altezza, di forma ad I e trave di grondalongitudinale; si osservano comunque anchecasi di orditura longitudinale. La sezione si puòpresentare a T rovescio, in modo da consentirel’appoggio dei tegoli e, nel caso di piano inter-medio, il getto integrativo. La copertura è gene-ralmente caratterizzata da tegoli, spesso diforma a π, raramente ad U, talvolta intervallatida lucernai; tegoli a π vengono utilizzati ancheper l’impalcato intermedio, nei pochi casi in cuiè presente. Le tamponature esterne, talvolta rea-lizzate in opera in mattoni, sono costituite dapannelli prefabbricati in c.a. verticali o, menofrequentemente, orizzontali, non nervati. Relati-vamente ai collegamenti, quelli pilastro-fonda-

zione sono caratterizzati, come quasi sempreaccade sul territorio nazionale, da plinti a bic-chiere, che garantiscono il vincolo incastro. Icollegamenti trave-pilastro sono spinottati,quindi incernierati, almeno da un lato, general-mente con interposto pacchetto di neoprene perla distribuzione dei carichi. Come già indicato,il collegamento in testa al pilastro è sovente rea-lizzato mediante la forcella, mentre nel caso dilivello intermedio, esso avviene su mensolatozza. Il collegamento tegolo-trave si presentaspesso non vincolato agli spostamenti orizzon-tali e privo di pacchetto di neoprene per laripartizione dei carichi; raramente, invece, èspinottato, con foro nel tegolo e spinotto uscentedalla trave. I tegoli sono uniti fra loro dal gettointegrativo, quando presente, altrimenti nonsono collegati oppure il collegamento è rappre-sentato da piastrine metalliche saldate fra loro,la cui presenza, però, non è facilmente indivi-duabile con una semplice indagine visiva. I pan-nelli di tamponatura sono collegati o alla travedi gronda o al pilastro mediante inserti in variomodo. Talvolta accade che essi siano collegati

agli elementi di impalcato, quali i tegoli. Unadelle tipologie riscontrate appartenente al primocaso prevede un profilo annegato nel pannelloverticale; un bullone è inserito in tale profilo emediante dado è collegato ad un angolare, che,in virtù della sua forma, può essere vincolato albordo del canale della trave di gronda. Relati-vamente al collegamento pannello-pilastro, dif-fusa è la tipologia con profilo annegato nel pila-stro e baionetta con boccola collegata medianteun bullone molto lungo al pannello. Quest’ultimosistema consente anche il collegamento delletamponature all’impalcato costituito da tegoli.Raramente è stato anche riscontrato il collega-mento delle tamponature alla struttura portantemediante angolari e bulloni. Il numero osservatodi edifici caratterizzati da un sistema strutturalea pannelli portanti è decisamente inferiorerispetto a quello degli edifici ad ossatura por-tante. Alcuni edifici industriali prefabbricati il 6aprile 2009 erano ancora in fase di completa-mento; conseguentemente è stato possibileosservare il comportamento di tali strutture sottoeccitazione sismica in diversi stadi transitori.

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Progettazione Sismica

2.11.3 Analisi dei danni e delle prestazioni nelterremotoGli elementi strutturali degli edifici industrialihanno risposto al terremoto del 6 aprile 2009 inmaniera generalmente conforme a quanto pre-visto dalla normativa con cui sono stati realiz-zati: nessun pilastro è collassato, sebbene, indiversi casi, si sia osservata la formazione diuna cerniera plastica, giustificata dall’intensitàdell’azione sismica (Fig. 1). In qualche caso talecerniera non si è formata esattamente alla basedel pilastro, vale a dire in corrispondenza del-l’attacco con la fondazione, ma anche oltre unmetro al di sopra, in corrispondenza della dimi-nuzione di armatura longitudinale. Inoltre non sisono riscontrati casi di formazione di cernieraplastica in travi o tegoli per incremento dell’a-zione verticale. Tuttavia, il danneggiamentodegli edifici industriali prefabbricati va analiz-zato attentamente; questo, infatti, è stato carat-terizzato da collassi parziali, che, qualora lascossa principale fosse avvenuta in orario lavo-rativo anziché alle 3 del mattino, avrebberoprobabilmente causato vittime.Lo schema statico della parte in c.a. presentaalta deformabilità; e pertanto la maggior partedei danni riscontrati alle parti strutturali (calce-struzzo armato) dipende da spostamenti relativitra gli elementi. Infatti, si sono sistematicamenteosservati fenomeni di martellamento tra elementi

appartenenti alla stessa struttura. Si sono inoltrespesso osservati fenomeni di martellamento traedifici adiacenti, sia per le strutture prefabbri-cate sia per quelle gettate in opera, a causa del-l’esiguità dei giunti di separazione. In figura 2,tratta da Giordano et al. (2009), è evidenziatoil martellamento tra i tegoli e la trave di coper-tura per un edificio industriale prefabbricato sitoin Bazzano.A conferma degli studi numerici (Magliulo et al.,2008; Capozzi et al., 2009) condotti negli ultimianni, i collegamenti hanno rappresentato glielementi deboli in termini di prestazioni sismichedi tali edifici sia di vecchia che di nuova costru-zione. Alcuni edifici hanno riportato danni alcollegamento trave-pilastro: l’unico caso osser-vato di collasso di travi in edifici prefabbricati èstato proprio determinato dal deterioramento ditale collegamento e dal collasso per perdita diappoggio. Infatti, come prevedibile da indaginiparametriche (Capozzi et al., 2009), si è avutala rottura del calcestruzzo funzionante da copri-ferro per lo spinotto, lì dove era minimo lo spes-sore. Nella stessa struttura, in corrispondenza dialtri traversi, è possibile osservare anche il col-lasso della trave per perdita di appoggio in cor-rispondenza del lato privo di spinotto, a causadello spostamento eccessivo, ed il martellamentotra trave e forcella (Fig. 3).Il fenomeno di rottura del calcestruzzo di copri-

ferro dello spinotto è anche riscontrabile allivello intermedio in alcuni edifici prefabbricati adue piani, per i quali, come detto, il collega-mento trave-pilastro è su mensola tozza. Lostesso fenomeno ha anche caratterizzato il col-lasso di alcuni tegoli. In tal caso, infatti, anche lìdove cautelativamente il collegamento tegolo-trave era stato assicurato mediante spinotto,l’esiguo spessore del calcestruzzo di copriferrodello spinotto sulla trave, per giunta con insuffi-ciente staffatura, ha ceduto, con la conseguenteperdita di appoggio del tegolo (Fig. 4a). Ovvia-mente tale perdita di appoggio si è verificatacon maggiore facilità nei casi in cui non è statoprevisto alcun collegamento fisso tegolo-travee/o unione relativa tegolo-tegolo; tra questi,particolarmente sfortunate le situazioni caratte-rizzate da edifici in fase di montaggio, in cui lasoletta collaborante del solaio, sebbene previ-sta, non era stata ancora realizzata.I danni più importanti e diffusi agli edifici indu-striali prefabbricati causati dal terremoto del 6aprile 2009 sono, però, quelli relativi alle tam-ponature; del resto, il rilevante danneggiamentoagli elementi di perimetro, sebbene le tipologiecostruttive siano differenti, accomuna tali edificia quelli realizzati in c.a. gettato in opera. Il vin-colo in testa dei pannelli verticali al bordo delcanale della trave di gronda, realizzatomediante profilo annegato nel pannello, bullonecon dado ed angolare, ha talvolta ceduto o perrottura dell’angolare e/o per fuoriuscita dellatesta del bullone dal profilo (Fig. 4b). Tale fuo-riuscita è stata anche una delle cause del col-lasso dei pannelli collegati ai pilastri con profiloannegato nel pilastro e baionetta con boccolacollegata mediante bullone al pannello; per taletipologia di collegamento talvolta si è riscontrataanche la rottura della baionetta in corrispon-denza della boccola. In altri casi la rottura è

dovuta alla fuoriuscita di tutto il profilo dal pan-nello in cui era annegato. La tenuta del collega-mento è apparsa migliore nel caso in cui i pan-nelli sono collegati alla struttura mediante ango-lari e bulloni. Nel caso di tamponature costituiteda mattoni, l’azione sismica ha determinato lospanciamento rispetto al piano verticale, in tanticasi fino all’espulsione dei mattoni ed al conse-guente collasso parziale o totale della tampona-tura. Infine, tra gli errori di realizzazione, val lapena segnalare, per le strutture prefabbricate, iproblemi di rottura localizzata in corrispon-denza delle selle di appoggio delle travi sui pila-stri. In figura 5, tratta da Camata et al. (2009),è riportata una situazione di incipiente collasso,causata dall’aumento del copriferro nel pilastroper rispetto delle specifiche per la resistenza alfuoco; si è pertanto creato, proprio nella zonadell’appoggio della trave, un volume di calce-struzzo non armato.

Effetti sulle strutture ed infrastrutture

Fig. 1Formazione di cernieraplastica in pilastri di edificiproduttivi: (a) autorimessaFIAT sita a Pile; (b) edificioadibito ad allevamentobovino sito a Fossa.

Fig. 2Effetti del martellamento trala trave e i tegoli dicopertura (Giordano et al.2009).

a. b.

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Progettazione Sismica

2.10.4 Strutture industriali di tipo non-edificio:il caso dei Sili Vibac a Bazzano.I sili della multinazionale Vibac (azienda chimicaproduttrice di film-plastica), situata a Bazzano,nei pressi di Onna (Fig. 6) presentano un casoeccezionale di danneggiamento a costruzionimetalliche, nonché rappresentano un casoemblematico di danneggiamento indotto dalsisma del 6 Aprile. I sili sono adibiti allo stoccag-gio del polipoprilene in perle, al momento delterremoto essi erano pieni (EERI, 2009). Alcunisili sono crollati, altri sono rimasti in sede forte-mente deformati, sia localmente in corrispon-denza di alcuni anelli, sia diffusamente (Fig. 7).Ad un esame visivo più ravvicinato i crolli sonoavvenuti per ribaltamento dovuto allo schiaccia-mento degli anelli di base e della tramoggia. Inol-tre lungo l’altezza dei sili sono evidenti deforma-zioni indotte da fenomeni d’instabilità delle paretiche risultano essere imbozzate. In alcuni casi si èriscontrato un effetto di martellamento sullecostruzioni in calcestruzzo armato prefabbricatocircostanti, le quali hanno conseguito la rotturaparziale delle tamponature e a loro volta hannoindotto forti deformazioni dei cilindri metallici dei

sili. Tali forme di danneggiamento sono chiaroeffetto della componente verticale del sisma, dicui ne evidenziano l’importanza (Fig. 7).I sili della Vibac hanno struttura metallica. Gene-ralmente per loro concezione i sili hanno un pesostrutturale molto basso, normalmente notevol-mente inferiore rispetto al peso del materialeportato. Tale caratteristica implica una strutturamolto snella con spessore dei pannelli di rivesti-mento dell’ordine dei micromillimetri. E’ evidenteche tali strutture presentano una spiccata sensibi-lità ai fenomeni di instabilità sia locale sia glo-bale. Infatti la modalità di collasso più comune èl’instabilità delle pareti per effetto delle azioniassiali di compressione. Tali azioni sono dovuteall’attrito esercitato dal materiale insilato sullepareti. La pressione orizzontale diametrale eser-citata sulla superficie del cilindro dal materialeinsilato stabilizza lo stesso nei confronti dell’im-bozzamento e dei fenomeni di instabilità dellepareti del silo, generando un campo di tensionidi trazione di tipo membranale. La distribuzioneed entità delle sollecitazioni in ognuna delle particostituenti il silo, il cilindro e la tramoggia, è for-temente influenzata dal comportamento di estra-

Fig. 3Collasso di travi per perditadi appoggio di un edificio

adibito ad allevamentobovino sito a Fossa.

Fig. 4(a) Collasso di tegoli perrottura del calcestruzzo di

copriferro e perdita diappoggio in un’autorimessa

FIAT a Pile.(b) Collasso di pannelli di

tamponatura per rotturadell’angolare o fuoriuscitadella testa del bullone dal

profilo in un edificio adibitoa deposito materiale e

macchinari sito a Bazzano.

a. b.

zione del materiale, che a sua volta dipendedalla forma del silo.I sili della Vibac hanno una forma allungata tipica-mente usata per lo stoccaggio di materiale plastico.Il comportamento di estrazione prevalente è dun-que quello del tipo cosiddetto “di massa”, avente lacaratteristica che il primo materiale a fuoriuscire èquello che è stato inserito per primo nel silos, tuttala massa di materiale è in movimento nella fuoriu-scita. Per contro nel caso dei sili con forma tozza,prevale il comportamento di estrazione del tipo “afumaiolo”, avente la caratteristica che si crea untubo centrale nella massa di materiale, che vienerisucchiato dalla tramoggia. Tale “tubo” è alimen-tato dal materiale insilato a tutta altezza; la partedi materiale esterna al tubo resta ferma durante lafuoriuscita. In particolare, nei sili allungati, quandocompletamente pieni, lungo l’altezza del cilindro,dalle fasce più alte la pressione diametrale cresceverso il basso fino ad assumere un valore costante,infine in corrispondenza della variazione disezione, che si restringe a partire dall’anello dovesi innesta la tramoggia, si generano degli elevatipicchi di tensione. Ovviamente nel caso di silosvuoto o parzialmente pieno il comportamentorisulta differente, perdendosi l’effetto stabilizzantedelle pressioni diametrali nella parte vuota con

conseguente brusca variazione della tensione cri-tica. Variazioni di pressione all’interno del silosdipendono anche dalla fuoriuscita del materialeattraverso la tramoggia, che provoca un effetto dirisucchio e quindi depressioni. Per poter controllaree regolare tale effetto i sili sono provvisti di valvoledi pressione. Alla luce di ciò è plausibile che da unlato l’effetto della componente verticale del sismaha provocato un brusco e importante incrementodelle azioni di compressione nelle pareti dei sili,instabilizzanti, contemporaneamente l’azionesismica in tutte le sue componenti ha accentuatol’effetto di eventuali distribuzioni asimmetriche dipressioni, dovute ad eccentricità strutturali, o almetodo di riempimento del silos o all’anisotropiadel materiale insilato, provocando una riduzionedell’effetto stabilizzane delle pressioni diametralistesse. A ciò si può aggiungere che imbozzamentipossono essere dovuti anche ad imperfezionicostruttive in corrispondenza dei giunti tra le fasceanulari di rivestimento del silos, considerando inol-tre che i giunti in ogni caso rappresentano una dis-continuità nel flusso delle tensioni longitudinali dicompressione, con elevate tensioni localizzate.Quanto detto giustifica pienamente il comporta-mento al collasso riscontrato in occasione del terre-moto Aquilano del 6 Aprile. 211

Effetti sulle strutture ed infrastrutture

Figura 6.(a) Localizzazione dellostabilimento VIBAC nelcomune di Bazzano (AQ).(b) Sili prima del sisma.

Fig. 5Rottura localizzata dellasella di appoggio dellatrave.

a. b.

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Progettazione Sismica

Fig. 7Immagini dei sili del sisma.

Foto di G. Verderame,ISPRA, F.M. Mazzolani.

2.11.5 ConclusioniLa maggior parte degli edifici sedi di attività pro-duttive investiti dal terremoto de L’Aquila del 6aprile 2009 sono strutture prefabbricate incemento armato monopiano. I danni da esse sub-iti a seguito del terremoto sono legati alla grandedeformabilità degli elementi strutturali e, soprat-tutto, alla cattiva prestazione di alcuni collega-menti, in particolare quelli relativi alle tampona-ture. Infatti spesso si sono avuti fenomeni di mar-tellamento; in alcuni casi, inoltre, si è osservata larottura del calcestruzzo di copriferro dello spinottonei collegamenti trave-pilastro e tegolo-trave conconseguente collasso per perdita di appoggio, inaltri la rottura dei profili, dei bulloni e/o degliangolari caratterizzanti il collegamento delle tam-ponature con la struttura. L’elevata frequenza concui sono stati osservati tali fenomeni suggerisce lanecessità di dedicare maggiore attenzione, da unpunto di vista di ricerca e normativo, a tali aspetti,i quali, benché caratterizzati da meccanismi strut-turali di facile comprensione, causano spesso lamessa fuori servizio dell’intera struttura danneg-giata: di primaria importanza appare sicura-

mente la caratterizzazione meccanica in termini diprestazioni sismiche dei vari collegamenti presentinelle strutture industriali prefabbricate.Per quanto riguarda le strutture di tipo non-edi-ficio, il caso dei sili della Vibac di Bazzano evi-denzia che fino ad oggi, i sili sono stati conside-rati come strutture che non si progettano nelrispetto di appropriati requisiti in zona sismica.In tale ottica evidentemente è necessario averecura durante la fase di progettazione che ilrischio di danneggiamento delle strutture, non-ché di incidente industriale rilevante nel caso dicontenimento di sostanze pericolose, sia control-lato e adeguatamente limitato.Si sottolinea infine che la tipologia dei danni rile-vata generalmente nelle strutture industriali, sianoesse dei cosiddetti tipi edificio e non edificio, stret-tamente può essere stata influenzata dalle carat-teristiche di campo vicino del moto al suolo edella sua intensa componente verticale. Alla lucedi quanto accaduto si ritiene di particolare impor-tanza una revisione ed integrazione delle prescri-zioni normative che tengano in dovuto conto lespecificità dei terremoti prossimi alla sorgente.

RingraziamentiGli autori ringraziano il prof. Alberto Mandara peraver fornito un prezioso contributo alla documenta-zione tecnico-scientifica sulle tipologie costruttive dei

sili, l’Ing. Vittorio Capozzi per la collaborazione scien-tifica relativa allo studio dei collegamenti con spinotto,gli Ingg. Antonella Colombo e Stefano Terletti per ilconfronto di idee in merito ai danni osservati.

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Effetti sulle strutture ed infrastrutture

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