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LA PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE IN MURATURA:

ANTISISMICA, PROGETTO DEL NUOVO

E RECUPERO DELL'ANTICO

I TERREMOTI E LE STRUTTURE IN MURATURAProf. Ing. Alessandro De StefanoProfessore Ordinario - POLITECNICO DI TORINODISEG - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e GeotecnicaAlessandro.destefano@polito.it; aledestef@gmail.com

I TERREMOTI E LE STRUTTURE IN MURATURAProf. Ing. Alessandro De StefanoProfessore Ordinario - POLITECNICO DI TORINODISEG - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e GeotecnicaAlessandro.destefano@polito.it; aledestef@gmail.com

Istituto Salesiano “Don Bosco” – Lombriasco (TO)

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Classificazione delle strutture murarie

� 1o Tipo – Strutture realizzate solo in muratura (le più antiche);

� 2o Tipo – Strutture con pannelli murari verticali che sopportano solai e travi poco o per nulla collegati alla muratura

� 30 Type – Edifici con muratura intersecata da componenti orizzontali e verticali ben collegati (muratura armata o intelaiata)

Severi danni (collassi) su struttura murarie storiche dovute ai terremoti hanno suggerito a osservatori non esperti una percezione negativa della adeguatezza della muratura come tecnologia costruttiva in zona sismica.

Di fatto danni e collassi sono dovuti a: povera qualità dei materiali; qualità della costruzione insufficiente; insufficiente comprensione del comportamento strutturale; progetto non accurato; manutenzione mancante o sbagliata; sopraelevazioni o appendici aggiunte in modo superficiale e improvvido.

Muratura in zona sismica

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Vantaggi della muratura� Meno costosa del calcestruzzo armato;� Migliore resistenza al fuoco;� Migliore risposta a variazioni di temperatura;� Migliore protezione acustica; � Processo costruttivo più facile(non occorrono

gru e grandi mezzi d’opera);� versatilità nell’adattamento al contesto

ambientale e paesaggistico;� Durabilità.

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Svantaggi della muratura

� Relativa fragilità (riducibile con l’impiego di cordoli e armature verticali);

� significativa diminuzione di resistanza in presenza di azioni cicliche;

� Duttilità e resistenza a compressione modeste, che impongono limitazioni di altezza in zona sismica.

Orientamenti italiani consolidati per la muratura in zona sismica

• Comportamento «scatolare»

• Connessioni rigide e resistenti tra muri concorrenti

• Solai rigidi nel loro piano e capaci di trasferire taglio

• Orizzontamenti e solai non spingenti

http://www.google.it/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&ved=0CCgQFjAB&u

rl=http%3A%2F%2Fwww.geometrire.it%2Fcms_rc%2Fallegati%2F1726__0821_03_-

_Edifici_muratura_zona_sismica.pdf&ei=LkRLVdS

Sintesi semplice e seria di argomenti riguardanti

il tema delle murature nuove in zona sismica

Ma sento il bisogno di instillare nelle menti sane di chi ascolta il germe

delle malattie contagiose del dubbio e del dissenso

Terremoto più intenso del previsto?

Pericolosità e terremoto di progetto

I terremoti non sono eventi puramente probabilistici. Sono

causati da fenomeni geofisici di accumulo e rilascio di energia

ancora non ben conoscibili

I loro effetti sono visibili e talvolta, se li

analizziamo senza pregiudizio, ne possiamo

trarre spunto per rimettere in discussione

concetti consolidati e consuetudini professionali.

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Pericolosità sismica: debolezza di un approccio puramente

probabilistico

La stima probabilistica della scuotibilità (PSHA = Probabilistic Seismic Hazard

Assessment) mette in relazione la probabilità di un evento sismico con la

Magnidudo (o l’Intensità Macrosismica) ed il tempo di ritorno (R T). La legge di

Gutemberg-Richter regola la relazione. Il processo probabilistico adottato può

essere la distribuzione poissoniana-esponenziale (come nelle Norme Tecniche

Italiane) che si basa su un modello invariante nel tempo e senza memoria e si

propone di rispondere alla seguente domanda:

Quale è il tempo di ritorno atteso di un sisma di intensità I0 w( o Magnitodo M0 )con il1 0% (o il 2%) di probabilità di essere eguagliato o superato almeno una volta in n anni?

n = 10 anni n = 50 anni n = 100 anni n = 200 anni

RT

(P[I ≥ I0] = 10%)

95 475 950 1900

TR

(P[I ≥ I0] = 2%)

495 2475 4950 10000

Giocando con la distribuzione esponenziale

• Consideriamo un terremoto di intensità macrosismica I0 , con probabilità 2% di essere uguagliato o superato almeno una volta in 100 anni. RT = 4950 years.

• Immaginiamo ora che, per rivelazione divina, sappiamo CON CERTEZZA che in terremoto così avvenne circa 4950 anni fa e mai più fino ad oggi.

• Quale è la probabilità che un terremoto uguale o superiore a quello avvenga il prossimo anno? The exponential distribution answers:

Pdivine revelation (I≥I0)=1-e-4951/RT = 63%

• Ma se trascuriamo la storia pregressa la probabilità che un simile evento accada nel prossimo anno vale :

PPSHA = 1/RT = 0,02%

Di fatto, senza suggerimenti soprannaturali la storia sismica dei 5000 anni

trascorsi è sconosciuta. Nessun dato. Una previsione probabilistica non può

basarsi su leggi di distribuzione senza dati reali. Non possiamo sostenere a

cuor leggero che un terremoto intenso, definito raro ed improbabile usando

una legge di distribuzione senza memoria del passato, sia davvero

improbabile (FREQUENZA E PROBABILITA’ NON COINCIDONO)

Una idea alternativa è la definizione, per ogni sito, del «massimo terremoto

credibile». Il metodo Neo-Deterministico (NDSHA) che la propone opera su

modelli geofisici e non puramente probabilistici.

PROBABILISTIC EXPECTATION VERSUS

MAXIMUM CREDIBLE VALUE

Gerarchia delle resistenze, duttilità, fattore q:OSPEDALE REGIONALE DI Lushan, Un caso illuminante: tre

corpi di fabbrica separati da giunti

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◆ 2 corpi di fabbrica fondatirigidamente al suolo.Danni: strutture, impianti, muri , controsoffitti.

◆ 1 corpo di fabbrica isolatoalla base: nessun danno(neppure cosmetico). La sola risorsa sanitaria in loco capace di assistere I feriti dal terremoto(250.000)

Sisma di Lushan, 20 Aprile 2013:

magnitudo 7,0, lontano 150 km far, 5

anni dopo l’evento distruttivo di

Wenchuan (Magn. 8,1):

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2 corpi di fabbrica fondati rigidamente sul suolo

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1 Un corpo di fabbrica

isolato alla base

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• Per un ospedale non è importante

solo la salvaguardia della vita di

chi si trova nell’edificio durante il

terremoto, ma anche, e

soprattutto, la salvaguardia della

vita di chi viene ferito fuori

dall’ospedale, nei tanti edifici che

collassano o subiscono danni gravi.

• Un ospedale che non perde

neppure per un minuto la capacità

operativa consente

quell’assistenza e cura tempestiva

che sola può evitare molti lutti.

Che cosa ci insegna l’ospedale di

Lushan?

Questo vale per tutti gli edifici strategici e rilevanti. Ma

credo che valga per tutti gli edifici

• In una corretta progettazione antisismica la sicurezza

strutturale e la salvaguardia della vita delle persone

devono essere comunque garantite.

• Il caso dell’ospedale di Lushan aiuta a comprendere che

questo è un punto di partenza e non di arrivo.

• Se la struttura non collassa e nessuno è gravemente

ferito o ucciso ma i danni sovra-strutturali sono gravi ed

estesi prendono forma gli scenari seguenti:

– Le attività produttive e commerciali sono interrotte con

danni economici talvolta irreversibili.

– Le abitazioni sono dichiarate inagibili e gli abitanti dislocati

in alberghi o alloggi provvisori, come case in legno di uso

temporaneo, container, …

– Le riparazioni richiedono tempi lunghi ed impegno

finanziario severo, aggravato da procedure d’urgenza

scarsamente controllate e ritardi nella erogazione di

contributi pubblici.

• Tutto ciò crea condizioni di insostenibilità e induce danni

indiretti nella salute psichica degli individui, nella tenuta

del tessuto sociale, nel senso di identità ed

appartenenza della società civile, nella fiducia nel

futuro.

Da

sicurezza delle

strutture e delle

persone

a

protezione della

funzione, sostenibilità,

resilienza

Il fattore q delle

norme è un valore

massimo ma può

essere più basso.

Più q è alto più si

accetta il rischio di

danni sovrastrutturali

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a) Sostituzione di solai in legno con solai in latero-cemento

b) Inserimento di cordoli nel muro ad ogni piano (a tutto spessore)

c) Uso di intonaci armati con rete elettrosaldata

d) Rinforzo con cappe in C.A. su cupole e volte

EDIFICI IN MURATURA ESISTENTI:Regole e criteri per proteggere costruzioni in muratura esistenti diffusamente accettati ma talvolta obsoleti e

pericolosi

EVITARE USO DI MATERIALI CON PROPRIETA’ MECCANICHE E FISICO CHIMICHE NON

COMPATIBILI CON LA MURATURA PREESISTENTE:

PER LE COSTRUZIONI STORICHE RIDURRE L?INVASIVITA’ DEGLI INTERVENTI E

PREFERIRE, OVE POSSIBILE, SOLUZIONI REVERSIBILI E SOSTITUIBILI.

Sostituzione di un impalcato esistente con un solaio in laterocemento: se POSSIBILE EVITARE

Esempio:

Irrigidimento di un solaio in legno con soletta indipendente e

cordolo in c.a.

Interventi sulle strutture in muratura proposti in letteratura

Se la ventilazione del solaio è

scarsa e il getto di cls troppo

umido il legno a contatto del

getto può marcire

Interventi volti a ridurre l’eccessiva deformabilità dei s olai nel loropiano

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Che molti edifici storici in muratura, «rinforzati» seguendo quei criteri hanno subito danni gravi per incompatibilità dei materiali, mancanza di comprensione dei meccanismi di risposta sismica, modifica peggiorativa del comportamento statico e dinamico.

EDIFICI IN MURATURA ESISTENTI

Il terremoto insegna…

Esempio 1:Difetti di collegamento tra cordolo in C.A. e muratura

Esempio 2: Collasso of causato dallo scorrimento del cordolo sulla muratura

Il cordolo,

solidale con

solaio di

sottotetto e

tetto, scorre sui

muri sottostanti

e causa il

ribaltamento e

crollo di parte di

essi (effetto

ariete)

Errori ed inconvenienti più comuni: (a) Mancanza di connessione delle armature su muri

concorrenti; (b) Mancanza di sovrapposizione tra pannelli di rete

adiacenti; (c) Distribuzione disuniforme e modifica del

comportamento globale dinamico della costruzione (una parete perimetrale in posizione eccentrica, rinforzata in tal modo, può spostare il centro di rigidezza e generare danni sulle pareti opposte ;

(d) Scarsa durabilità;

Esempio 3: Intonaci armati

SulmonaOnna

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Alessandro De Stefano Politecnico di Torino

TEN

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Dice il Saggio:

“La pratica conduce alla perfezione ”

Alessandro De Stefano Politecnico di Torino

NICK

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“La pratica DOVREBBE condurre alla perfezione !”

Fermi tutti!!?

Alessandro De Stefano Politecnico di Torino

Il saggio

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è OK, gente!

- dobbiamo parlarne ancora!

- dobbiamo molto imparare…..

Allora il Saggio dice: “Sappiamo di nonsapere! “

Alessandro De Stefano Politecnico di Torino

Il saggio aggiunge

28

Il terremoto minaccia e distrugge, ma insegna ogni volta qualcosa di nuovo.Impariamo ogni sua lezione.

La normativa reccoglie i frutti delle lezioni passate, ma non siamo sicuri che ciconsenta di superare indenni quelle future. Ogni terremoto disastroso svelainadeguatezze normative o pericolose forzature interpretative.

Dice ancora il saggio: “Terremoto nemico, ma anche maestro! “

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Allora proviamo ad andare a

scuola dal terremoto.

Meccanismi di danno osservati

Nelle costruzioni in muratura

funzione strutturale e funzione

architettonica coincidono

Macro-elementi e meccanismi di danno

Macroelementi: parti costruttivamente reconoscibili dellacostruzione con caratteri omogenei rispetto al comportamentostrutturale. Possono coincidere talvolta con partizioniarchitettoniche o funzionali.I macro-elementi interagiscono tra loro nelle zone di contattoreciproco dove la resistenza non è sufficiente a garantire la continuità strutturale e si possono quindi generare lesioni, fessuree dicontinuità.

I macro-elementi e l’analisi strutturale

Le strutture murarie non armate si comportano usualmente come sistemi coerenti e

spazialmente continui sotto azioni sismiche modeste. Pur se la risposta è non-lineare

fin da valori molto bassi di sollecitazione, i codici di calcolo lineari commerciali ad

elementi finiti riescono a fornire una immagine credibile della risposta. Per sismi

intensi e, talvolta, anche moderati, le strutture murarie tendono a disaggregarsi in

macro-elementi, dinamicamente indipendenti ma reciprocamente interagenti. I

meccanismi di danno e collasso cambiano radicalmente e l’analisi FEM non è in

grado di cogliere la realtà.

Funzionano meglio i codici di analisi che già operano per macro-elementi.

Per le murature, diversamente che per gli edifici a struttura flessibile, il metodo

statico non lineare va bene, ma attenzione a situazioni di forte non-linearità.

La verifica di «stabilità locale» (ribaltamento fuori piano) è necessaria perchè

questo tipo di collasso, se non contrastato, avviene per livelli di energia anche di un

ordine di grandezza inferiore alla rottura nel piano

Fault treePrimary fault

1

Damage 1.1+2.1

Damage 1.2 Damage 1.3

Damage 1.3.1

Damage 1.3.1.1

Damage 1.3.2

Concurring primary fault 2

Primary faults cause other faults and damages. The induced damages can themselves cause other damages in a causal hierarchic frame. On the other side induced observed damages are potential symptoms of the primary faults

The true challenge towards a reduction of the invasive impact and destructive effects of wrong retrofit interventions consists in the ability to identify the few primary faults and to orient the retrofitting action to inhibite them

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Collasso fuori piano favorito dalla spinta del tetto

danno:• collasso locale del timpano per la spinta della trave di colmo del tetto

Causa: piani di falda del tetto non controventati

Convento di Santa Maria di Collemaggio, L’Aquila

NB: ciò avviene anche quando la

muratura non è spingente

trasversalmente (capriate)

Danno nel sottotetto

Ribaltamento del muro

indebolito dalle aperture

Ribaltamento del muro

Danni da ribaltamento alla base dei pilastri

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Danni da ribaltamento sulle volte

+

Danni in architravi e maschi murari per meccanismi nel piano

Danni in architravi e maschi murari per meccanismi nel piano

Danni in architravi e maschi murari

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Danni alle volte causati da ribaltamento dei muri

Danni nel piano ai maschi murari

Crollo di volte sulle scale

Biblioteca Provinciale, L’Aquila, (1877)

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Ribaltamento della facciata

Danni alla base pelle colonne (facciata)

Ribaltamento di facciate e spigolo

Interventi provvisori

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Danni nella bibliotecaGLI SCAFFALI GRAVANO PER INTERO SUL MURO

Martellamento

Convitto NazionaleProspetto e sezioni

Flessione orizzontale del muro

Il meccanismo resistente delle quinte murarie è

determinato da effetto arco sia nella sezione

verticale che in pianta. Funziona se:

1. il muro è compatto e ben strutturato al suo

interno (non funziona nei muri a sacco con

paramenti non connessi)

2. le imposte (slai o muri trasversali) non si

allontanano reciprocamente.

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Vulnerabilità delle murature a sacco

Collasso totale di volte molto ribassateCollasso parziale per caduta di gravi dall’alto

Tetti spingenti lateralmente

Collegamento con catene di muri perimetrali contrapposti

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Pericolosità di muri con paramenti non collegati

Spinte localizzate

Irregolarità in altezza

Collasso fuori-piano

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Archi e volte

Volte

Meccanismi di danno archiarchi

Flessione (arco a tre cerniere, 1) or taglio (2)

(1)

(2)

Posa catene sopra volta

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Rotture in muri degradati per trazione trasversale

intervento con «cuci-scuci»

Rotture di piano o globali

Meccanismi di rottura nel piano del muro

Rottura per taglio di maschi murari� per scorrimento lungo i giunti orizzontali� per fessurazione diagonale, con scorrimento lungo i giunti

verticali ed orizzontali� per fessurazione diagonale, con rottura degli elementi in laterizio

� qualità della malta e del mattone� tipo di tessitura della muratura

� entità del carico verticale� rapporto di snellezza H/D

Il tipo di rottura è influenzato da:

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

τu/fu

p/fu

Domini di resistenza di maschi murari

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

τu/fu

p/fu

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

τu/fu

p/fu

H/D=0.6 H/D=1.2

H/D=2.0

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DAL SITO DPC – schede di vulnerabilità

e agibilità

«Retrofit» sismico tradizionale in murature storiche

Capochiave

Si può intervenire sulle muratore storiche con tecnologie

moderne, purchè poco invasive e, ove possibile, reversibili;

Soprattutto con progetti accorti e molto buon senso.

Facciata della BasilicaDi S. Maria di Collemaggio

Figure. Façade before the earthquake Figure. Façade at the moment of the earthquake

Interventi di protezione sismica non risolutivi:Collemaggio, Pianta e sezione trasversale

Figure. Accelerometers (A) and hammer impact points (M) (Antonacci et al. 2001)

2 1 2

1- Controventi rigidi

orizzontali nel

sottotetto a croce di

Sant’Andrea

2- Controventi

dissipativi orizzontali

nel sottotetto a

croce di Sant’Andrea

2

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Santa Maria di Collemaggio (XIII sec)

Basilica Santa Maria di Collemaggio

Danni:•Collasso della volta del transetto;•Collasso degli archi trionfali;•Collasso di tamburo e cupola;•Severe lesioni e minaccia di collasso imminente in absidee presbiterio;

Interno di Santa Maria di Collemaggio

Seismic retrofitted…

Il «damper» dissipa energia per snervamento uniforme uniform del quadrilatero mentre i cavi restano in tensione.

Figure. Quadrilater steel hysteretic damper

Ex-monastero della Lauretana (XV sec.)

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Pianta e sezione

C

B

A

Torsione della lanterna

Effetto ariete trave di colmo

Catene inefficaci e intervento provvisorio sbagliato

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Edifici esistenti e terremoto:

Adeguamento?

Miglioramento?

Intervento locale?

Alessandro De Stefano

Docente di Ingegneria Sismica

Adeguamento e miglioramento sismico delle costruzioni

RESTRUCTURA 2013, Torino, Lingotto Fiere - Oval

Giovedì 21 Novembre 2013 – h 14:30-17:30

I

Argomenti

• Valutazione della sicurezza

• Interventi (Retrofit, adeguamento, miglioramento,

intervento locale)

– Definizioni

• Destinazione d’uso e funzione strategica o rilevante

– Definizioni

– Ordinanze DPC

• Adeguamento a costo competitivo

– Muro di taglio e struttura secondaria

– Tecnologie di protezione antisismica

Prerogative edifici esistenti

Concepiti e progettati con le conoscenze del tempo in cui sono sorti

Possono contenere difetti non visibili e storieDi interventi, riparazioni e modifiche

non documentati

In generale non sono progettati secondo criteriDi GERARCHIA DELLE RESISTENZE

(Capacity Design)

Tema 1

• Valutazione della sicurezza

• Interventi (Retrofit, adeguamento, miglioramento,

intervento locale)

– Definizioni

• Destinazione d’uso e funzione strategica o rilevante

– Definizioni

– Ordinanze DPC

• Adeguamento a costo competitivo

– Muro di taglio e struttura secondaria

– Tecnologie di protezione antisismica

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Edifici esistenti: Verifiche di sicurezza?

Trasformazioni organismo strutturale?

Alterazioni comportamento globale?

Sopraelevazione?

Cambio destinazione d’uso con aumento carichi ?

SI

SI

SI

SI

NO

*

ATTENZIONE ALLA TRAPPOLA!

Le norme vanno viste in modo completo

* Cambio destinazione d’uso con aumento carichi ? No!

Posso allora evitare le valutazioni di sicurezza?

Esempio: nel progetto di riuso i carichi sullo spiccato di fondazione non crescono

o crescono meno del 10%.

Ma se le masse vengono spostate o incrementate ai piani alti

si ricade nel mancato rispetto delle due ultime due

condizioni dello schema di flusso della pagina precedente:

• Trasformazioni organismo strutturale?• Alterazioni comportamento globale?La valutazione di sicurezza può diventare necessaria!

Tema 2

• Valutazione della sicurezza

• Interventi (Retrofit, adeguamento,

miglioramento, intervento locale)– Definizioni

• Destinazione d’uso e funzione strategica o rilevante

– Definizioni

– Ordinanze DPC

• Adeguamento a costo competitivo

– Muro di taglio e struttura secondaria

– Tecnologie di protezione antisismica

Definizioni (NTC 2008 8.4)

• Interventi di adeguamento atti a conseguire i livelli di sicurezza previsti dalle presenti norme

• Interventi di miglioramento atti ad aumentare la sicurezza strutturale esistente, pur senza necessariamente raggiungere i livelli richiesti dalle presenti norme

• Riparazioni o interventi locali che interessino elementi isolati e che comunque comportino un miglioramento delle condizioni di sicurezza preesistenti

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Edifici esistenti: Miglioramento e intervento locale?

Trasformazioni organismo strutturale?

Alterazioni comportamento globale?

Sopraelevazione?

Cambio destinazione d’uso con aumento carichi oltre soglia ?

No

No

No

No

SI

Tecnologie antisismiche

0 0.5 1 1.5 2 2.50

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4Campano Lucano 23.11.1980 18:34 - direzione x

T (s)

Sa

(g)

smorz. 2%smorz. 5%smorz.10%smorz.20%

Spettro elastico delle accelerazioni

L’accelerazione massima con cui la

struttura risponde al sisma

diminuisce al crescere della

dissipazione e dello smorzamento

L’accelerazione massima con cui la struttura risponde al

sisma diminuisce al crescere del periodo fondamentale

di vibrazione della stessa struttura

Tuned Mass Damper (TMD)

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INTERVENTI CON

ISOLAMENTO SISMICO

Politecnico di Torino

Politecnico di Torino

Dispositivi in gomma armata

Dispositivi a scorrimento su superficie curva (pendolo rovescio)

Destrutta dal terremoto nel 1906

Ricostruita in 1912

Danneggiata dal terremoto di Loma

Prieta in 1989

Ristrutturazione con isolamento nel

2000 (530 LRB, 62 SD)

City Hall in San Francisco

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IRAN BASTAN MUSEUM (TEHRAN)

(P. Clemente, A. Santini, M.G. Ashtiany)

P.M.: PROGETTO SOLES®, PUNTI DI SOLLEV.

P.M.: PROGETTO SOLES®, SOLLEVAMENTO

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P.M.: PROGETTO SOLES®, COLLEGAMENTO

TECNICA SOLESTM

I dispositivvi isolatori sono

collocati tra le due piastre

che vengono

strutturalmente separate, in

modo che la piastra

superiore poggia solo su

isolatori

Diaframma interno

Isolatori

Demi-cilindro superiore

Semi-cilindro inferiore

Suolo

trincea

S.I. STRUCTURE FOR EXISTING BUILDINGSInternational Brevetto internazionale ENEA ( P. Clemente) e Politecnico di

Torino (A. De Stefano, G. Barla)

Diaframma esterno

Rigid

connection

APPLICAZIONE PROPOSTA:PALAZZO MARGHERITA (L’AQUILA)

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Grazie per l’attenzione