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Paolo Clemente, PhD Ingegnere Strutturista, Dirigente di Ricerca

ISOLAMENTO SISMICO DI EDIFICI ESISTENTI:

CRITERI DI PROGETTO E TECNICHE ESECUTIVE

PAOLO CLEMENTE

ISOLAMENTO SISMICO DI EDIFICI ESISTENTI: CRITERI DI PROGETTO E TECNICHE ESECUTIVE

RICOSTRUIRE, MIGLIORARE O ADEGUARE SISMICAMENTE adottando le moderne tecnologie antisismiche

Palazzo dei Capitani del Popolo, Sala della Ragione, Ascoli Piceno, 27 ottobre 2016

PROGETTAZIONE STRUTTURALE

• Analisi delle azioni, tra cui quelle sismiche “Freeman osservò che non ha senso parlare di progettazione

antisismica senza conoscere bene le azioni sismiche”

(George Housner, EERI Oral History p. 39)

• Modellazione e comportamento strutturale “L’ingegneria strutturale è l’arte di formare

con materiali, che nella realtà non si conoscono,

delle forme, che nella realtà non si possono analizzare,

per resistere a delle forze, che nella realtà non si possono valutare,

in modo che la gente non possa, nella realtà, sospettarlo”

(S. Kelsey)

PAOLO CLEMENTE




CALAMITÀ NATURALI IN ITALIA Nella seconda metà del secondo millennio (stima ENEA, 1999):

• Vittime dovute a eventi naturali = circa 1200 all’anno

• 75% durante eventi sismici

Terremoti Frane

PAOLO CLEMENTE




CALAMITÀ NATURALI: EFFETTI Nel passato ► una catastrofe causava essenzialmente vittime

Oggi ► una catastrofe può causare disastri ambientali e

danni all’economia

Terremoto Sicilia sudorientale del 1693

• disastro ambientale, oggi sede di molti

stabilimenti petrolchimici

2012: Terremoto Pianura Padana Emiliana

• gravi danni all'economia della regione e

dell'intero paese

Considerate

• l’estensione delle aree interessate

• la varietà del patrimonio edilizio esistente

la riduzione del rischio sismico richiede

un notevole impegno finanziario

PAOLO CLEMENTE




PREVENZIONE O RICOSTRUZIONE?

Prevenzione:

• Investimento necessario per riduzione rischio sismico su tutto il

territorio nazionale = centomila miliardi di lire (Stima GNDT dopo il

sisma dell’Irpinia del 1980)

• Somma non disponibile né utilizzabile in tempi brevi, né allora né adesso

• Investimento estremamente conveniente, tenuto conto dei costi di

gestione delle varie emergenze e ricostruzioni successive

E’ necessaria

un’oculata programmazione della spesa e degli interventi, stabilendo:

delle priorità, per quanto riguarda il patrimonio pubblico (opere

strategiche o di particolare rilevanza, quali prefetture, caserme,

ospedali, scuole, ecc.)

degli incentivi, per quanto riguarda il patrimonio privato

PAOLO CLEMENTE




LA SICUREZZA SISMICA IN ITALIA

In Italia il 70% dell’edificato non è adeguato al sisma di progetto al sito

Motivi:

• Evoluzione della classificazione sismica

• Evoluzione della normativa tecnica

• Qualità delle costruzioni

• Edifici storici, tra cui anche:

Edifici residenziali

Scuole, Ospedali, Musei

Strutture strategiche

PAOLO CLEMENTE




PREVISIONE DEI TERREMOTI

Interv. Tempo Utilità Commenti

Brevis

-simo pochi

sec/min early warning per impianti

RIR, treni AV, …

Possibile ma non utile in

Italia

Breve poche

ore ÷

qualche

mese

preparare le risorse per

emergenza e l’evacuazione

Al momento non siamo in

grado di fare ciò

Medio qualche

anno individuare aree dove

intervenire prioritariamente

per ridurre il rischio

Esperimenti di previsione:

aree di grandi dimensioni e

tempi lunghi, non

utilizzabili al momento per

scopi di protezione civile

Lungo decine

di anni ridurre vulnerabilità e

esposizione, preparare le popolazioni

Le mappe di pericolosità ci

danno questa informazione

Per salvare vite umane ► costruire edifici antisismici

PAOLO CLEMENTE




PGA: per ciascun sito in funzione della probab. di superamento PNCR in 50 anni

PNCR è correlata al periodo di ritorno TNCR

PNCR = 10% in 50 anni

TNCR = 475 anni


TNCR = 50 anni


TNCR = 2475 anni

PERICOLOSITÀ SISMICA DI BASE

PSHA: insieme di mappe ciascuna per un PNCR ≥2% (TNCR ≤ 2475 anni)

Tempo di osservazione To dovrebbe essere >> TNCR (ma: To=1000÷2000 anni)

L’estrapolazione a tempi maggiori tiene conto delle incertezze

Valori per PNCR ≥2% (TNCR ≤ 2475 anni) sono sufficentemente cautelativi ??

PAOLO CLEMENTE




PROBABILISTIC G.A.– DETERMINISTIC G.A. PGA

PNCR = 2% in 50a

DGA

Neo-deterministico

(Panza et al.)

(Panza et al.)

• PGA > DGA quasi ovunque ► PGA a vantaggio di sicurezza a volte con

scarti notevoli

• PGA < DGA in alcuni punti a volte con scarti notevoli

• Obiettivo ► proseguire gli studi fino a ottenere stime molto prossime con i

due approcci

PAOLO CLEMENTE




0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.01 0.10 1.00P

GA

(g)

PNCR

TERREMOTO DI PROGETTO

PNCR = 2% in 50a

PNCR = 10% in 50a

y = 0.55x

0.0

0.1

0.2

0.3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

PG

AA

(g)

(PN

RC

50=

10

%)

PGAA (g) (PNRC50=2%)

PAOLO CLEMENTE




SLU CON PNCR=10% Progettare a SLU con PNCR = 10% in 50a vuol dire:

• Progettare edifici in grado di sopportare senza crollare un evento con

probabliità del 10% di essere superato in 50 anni

• Progettare edifici che nella loro vita possono sopportare al più un evento pari a

quello di progetto: in occasione di questo potrebbero danneggiarsi tanto da

dovere essere demoliti

e, quindi:

• Salvaguardare la vita fino a un’azione sismica << quella che potrebbe

verificarsi

• Non poter garantire nulla per eventi maggiori, per i quali possono verificarsi

Crolli parziali o totali e perdita di molte vite

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.01 0.10 1.00

PG

AA

/ P

GA

A(2

%)

PNRC50

0.05

0.20

0.35

0.50

0.64

PAOLO CLEMENTE




Ai 3 siti si hanno differenti risposte allo stesso evento sismico

RISPOSTA SISMICA LOCALE

Array velocimetrico a Belmonte Castello (FR): Receiver Functions

di registrazioni di aftershocks del sisma dell’Aquila, 2009

R

0

2

4

6

8

0 5 10 15f (Hz)

R - SN/UP

R - WE/UP

S

0

2

4

6

8

0 5 10 15f (Hz)

S - SN/UP

S - WE/UP

B

0

2

4

6

8

0 5 10 15f (Hz)

B - SN/UP

B - WE/UP

PAOLO CLEMENTE




MICROZONAZIONE SISMICA

Pianificazione territoriale

• Scelta siti per nuove

strutture

• Definizione priorità di

intervento su esistente

Livello I

•Zone instabili

•Zone stabili (pianeggianti, VS30 > 800 m/s)

•Zone stabili ma suscettibili di amplificazione

Livello II: coefficienti di amplificazione

attraverso abachi (situazioni semplici 1D)

Livello III: coefficienti di amplificazione

attraverso misure in sito e modellazione Livello III

MOPS ► Microzone Omogenee

in Prospettiva Sismica

(amplificative e non)

PAOLO CLEMENTE




0.0

0.5

1.0

0.0 1.0 2.0

Se

(g

)

T (sec)

Soft Soil

Rigid Soil

TCA TC

PGAA·F

PGA = PGAA·S

PGA·F

PGAA

0.0

1.0

2.0

3.0

0.0

0.5

1.0

0.2 0.4 0.6

T C/

T CA

T C(s

ec)

TCA (sec)

SOFTMEDIUMRIGID

EFFETTI LOCALI: S, TC

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

0.0 0.5 1.0 1.5

Soil

Fact

or

S

PGA·F (g)

SOFT

MEDIUM

RIGID

Coeff. amplificazione stratigrafica T inizio tratto a velocità costante

TCA ► TC

PGAA ► PGA= PGAA·S

PAOLO CLEMENTE




COSTRUZIONI ESISTENTI (C8)

Costruzione esistente = struttura completamente realizzata

• c.a. o acciaio: redatta relazione a struttura ultimata (art. 65 DPR 06.06.2001 n. 380)

• muratura: redatto certificato di collaudo statico (Cap.4 DM 20.11.1987 o NTC)

Sicurezza costruzioni esistenti: problema complesso a causa di

• elevata vulnerabilità, soprattutto rispetto alle azioni sismiche

• valore storico-architettonico-artistico-ambientale

• notevole varietà di tipologie e sub-tipologie strutturali

apparecchio murario, orizzontamenti, catene, tiranti e altri dispositivi

Complessità problematiche coinvolte determina

• difficile standardizzazione di metodi di verifica e di progetto e dell’uso

delle tecnologie di intervento tradizionali e moderne, perciò

• approccio prestazionale con

adozione di poche regole di carattere generale

alcune indicazioni importanti per la correttezza delle diverse fasi di

analisi, progettazione, esecuzione

PAOLO CLEMENTE




VALUTAZIONE SICUREZZA (C8.3)

Procedimento volto a:

• Verificare (in alternativa)

se la struttura è in grado di resistere alle azioni di progetto delle NTC

l’entità massima delle azioni che la struttura è capace di sostenere (nelle

combinazioni di progetto e con i margini di sicurezza delle NTC)

• Stabilire quali provvedimenti adottare affinché l’uso della struttura sia

conforme alle NTC (in alternativa)

Uso della costruzione possa continuare senza interventi

Uso debba essere modificato con

Declassamento

Cambio di destinazione

Imposizione di limitazioni e/o cautele nell’uso

Sia necessario intervenire (aumentare o ripristinare la capacità portante)

Relazione progettista deve specificare

• il livello di sicurezza prima e dopo l’intervento

• eventuali conseguenti limitazioni da imporre nell’uso della costruzione

PAOLO CLEMENTE




VALSIC: OBBLIGATORIETÀ (8.3)

• Obbligatoria se sono presenti variazioni nella struttura:

Riduzione evidente capacità resistente e/o deformativa dovuta a

azioni ambientali (sisma, vento, neve e temperatura)

degrado delle caratteristiche meccaniche dei materiali

azioni eccezionali (urti, incendi, esplosioni)

situazioni di funzionamento ed uso anomalo

deformazioni significative imposte da cedimenti del terreno

Provati gravi errori di progetto o di costruzione

Cambio destinazione d’uso, con variazione significativa dei carichi

variabili e/o della classe d’uso della costruzione

Interventi non strutturali che interagiscono (modificandone capacità o

rigidezza) con elementi aventi funzione strutturale

• Non obbligatoria se situazione determinata da variazione azioni per:

Revisione normativa (entità delle azioni)

Revisione zonazioni delle azioni ambientali (sisma, neve, vento)

Variazio

ni in

dip

endenti

dall’

uom

o

Varia

zio

ni

dip

endenti

PAOLO CLEMENTE




VALSIC: STRUTTURE PARTICOLARI

(C8.3)

Opere pubbliche strategiche

(protezione civile o suscettibili di conseguenze rilevanti in caso di collasso):

• le verifiche vanno esaminate anche da revisori non intervenuti nella

valutazione (date le possibili implicazioni economiche e sociali)

Beni tutelati

• interventi di miglioramento in linea di principio in grado di conciliare le esigenze

di conservazione con quelle di sicurezza, ferma restando la necessità di

valutare quest’ultima

• devono essere evitati interventi che insieme li alterino in modo evidente e

richiedano

l’esecuzione di opere invasive, come può avvenire nel caso di ampliamenti o

sopraelevazioni

l’attribuzione di destinazioni d’uso particolarmente gravose

PAOLO CLEMENTE




VALSIC: VERIFICHE (C8.3)

Verifiche non soddisfatte per

• Azioni controllate dall’uomo (carichi permanenti e altre azioni di servizio)

provvedimenti necessari e improcrastinabili

• Azioni ambientali, non controllabili dall’uomo e soggette ad ampia

variabilità nel tempo ed incertezza nella loro determinazione

per le problematiche connesse, non si può pensare di imporre

l’obbligatorietà dell’intervento o del cambiamento di destinazione d’uso

o, addirittura, la messa fuori servizio dell’opera, non appena se ne

riscontri l’inadeguatezza

Decisioni calibrate sulle singole situazioni in relazione a

• gravità dell’inadeguatezza e conseguenze

• disponibilità economiche

• implicazioni in termini di pubblica incolumità

Provvedimento più idoneo scelto

• da proprietari o gestori dell’opera (enti pubblici o privati o singoli cittadini)

• eventualmente individuando uno o più livelli delle azioni, commisurati alla

vita nominale restante e alla classe d’uso (rispetto ai quali si rende necessario

effettuare l’intervento di incremento della sicurezza entro un tempo prestabilito)

PAOLO CLEMENTE




CLASSIFICAZIONE DEGLI INTERVENTI (8.4)

Riparazioni o interventi locali

• Intervento: elementi isolati, singole parti e/o elementi della struttura, porzioni

limitate della costruzione (aumento della sicurezza)

• Progetto e valutazione sicurezza: solo su parti interessate, documentando

che gli interventi:

non producono modifiche al comportamento delle altre parti e globale

comportano un miglioramento della sicurezza

Miglioramento

• Intervento: aumento sicurezza strutturale (anche se < livello nuove costr.)

• Progetto e valutazione sicurezza: estesi alle parti interessate da modifiche

di comportamento e alla struttura nel suo insieme

• Beni di interesse culturale: è possibile limitarsi ad interventi di miglioramento

effettuando la relativa valutazione della sicurezza

Adeguamento

• conseguire i livelli di sicurezza previsti dalle norme per le nuove costruzioni

N.B.: Adeguamento e miglioramento devono essere sottoposti a collaudo statico

PAOLO CLEMENTE




OBBLIGO DI ADEGUAMENTO (8.4.1)

Adeguamento obbligatorio in caso di

a) Sopraelevazione

b) Ampliamento mediante opere strutturalmente connesse alla costruzione

c) Variazioni di classe e/o di destinazione d’uso che comportino incrementi

dei carichi globali in fondazione superiori al 10% (con obbligo di verifica locale delle

singole parti e/o elementi della struttura, anche se interessano porzioni limitate della costruzione)

d) Trasformazione che porti ad un organismo edilizio diverso dal precedente

Progetto di adeguamento (in ogni caso):

• riferito a intera costruzione

• verifiche dell’intera struttura post-intervento

(C8.4.1)

Sopraelevazioni e interventi che comportano un aumento del numero di piani:

ammissibili solamente ove siano compatibili con gli strumenti urbanistici

Una variazione dell’altezza dell’edificio, per la realizzazione di cordoli sommitali, sempre che resti

immutato il numero di piani, non è considerata sopraelevazione o ampliamento, ai sensi dei punti a) e b).

In tal caso non è necessario procedere all’adeguamento, salvo che non ricorrano le condizioni di cui ai

precedenti punti c) o d).

PAOLO CLEMENTE




VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA

E REDAZIONE DEI PROGETTI (8.5)

Situazioni

riscontrabili

molto

diverse

Livelli di conoscenza (LC) dei parametri

di modellazione:

• Geometria

• Dettagli costruttivi

• Materiali

Valutazione basata su:

Analisi storico-critica

Rilievo

Caratterizzazione

meccanica materiali

Fattori di confidenza (FC)

ulteriori coefficienti parziali di sicurezza

che tengono conto delle carenze nella

conoscenza dei parametri del modello

• Impossibile prevedere regole specifiche per tutti i casi

• Modello per la valutazione della sicurezza definito e

giustificato dal Progettista, caso per caso, in relazione

al comportamento strutturale attendibile della

costruzione

PAOLO CLEMENTE




EDIFICI ESISTENTI

Edifici vecchi progettati

• con riferimento a standard di sicurezza meno severi di quelli attuali o

• senza tener conto delle azioni sismiche

Adeguamento sismico difficile o impossibile per ragioni:

• Tecnologiche

• Economiche

Tra le soluzioni va presa in considerazione:

• Demolizione e ricostruzione (non edifici storici)

Concetti strutturali sviluppati per le nuove costruzioni

• non possono sempre essere applicati agli edifici esistenti

PAOLO CLEMENTE




Tecniche tradizionali non adatte per adeguamento sismico edifici storici:

TECNICHE TRADIZIONALI E INNOVATIVE

Possono solo evitare il collasso

Non possono evitare gravi danni

Le moderne tecnologie, invece:

Riduzione azione sismica

No danni anche per eventi violenti

Scarsa interferenza con la

struttura

Incremento di resistenza e duttilità

Irreversibili

Materiali diversi e incompatibili

Modifica concezione strutturale

originaria

PAOLO CLEMENTE




PROGETTAZIONE ANTISISMICA Scopo: assicurare che in caso di evento sismico

- sia protetta la vita umana

- siano limitati i danni

- rimangano funzionanti le strutture essenziali (Prot.Civ.)

Sisma di media intensità: sopportarlo senza danni evidenti

Terremoto violento: non crollare, pur danneggiandosi anche irreparabilmente

0

0

Se (g)

Sd (g)

Spettro elastico =

accelerazioni effettive

Spettro di progetto =

accelerazioni ridotte

attraverso il

Fattore di comportamento q

“q” dipende dalla capacità della struttura di dissipare energia durante l’evento:

danneggiamento controllato, che coinvolga molti elementi

PAOLO CLEMENTE




PROGETTAZIONE NON SOSTENIBILE

Principio economicamente non sostenibile !! ► Costi di ricostruzione

Strutture strategiche

(strutture di protezione civile, ponti, ospedali, caserme, ecc.)

devono restare operative durante e dopo il sisma

Strutture a rischio di incidente rilevante

(Impianti nucleari, chimici, contenenti materiali pericolosi)

devono rispettare stringenti requisiti di sicurezza

TECNOLOGIE INNOVATIVE

si basano sulla drastica riduzione delle forze sismiche agenti sulla struttura,

piuttosto che affidarsi alla sua resistenza

Isolamento sismico

Incremento del periodo

fondamentale di vibrazione

Dissipazione di energia

Incremento di smorzamento

PAOLO CLEMENTE




INTRODUZIONE ALL’ISOLAMENTO SISMICO

Disaccoppiamento tra moto della struttura e del terreno

È possibile progettare in campo elastico

Riduzione azioni

sismiche

Se,is/Se,bf < 0.20

Aumento

spostamento

SDe > 0.20 m

alla base

Se (accelerazione) SDe (spostamento)

T Tbf Tis

Spettro di risposta elastico = massima accelerazione Se nella struttura in

funzione del suo periodo fondamentale di vibrazione T

Tbf = 0 ÷ 1 sec Tis ≥ 2 sec

Acc. al

suolo

Scelta sostenibile

PAOLO CLEMENTE




1 1

kis, cism0

k1, c1

m1

PORTALE SISMICAMENTE ISOLATO

11

2

2 2

is bf

2 2

bf is

T

T

1

1 0

m

m m

11 2

1

1 1

g11

2

11111 upp2p

g22

2

22222 upp2p

kis, cism0

ug

u0

k1, c1

m1

u1

0 bssbssss uukuucum

0 bssbssgbbgbbbb uukuucuukuucum

PAOLO CLEMENTE




CONDITIO SINE QUA NON

Terreno non molto soffice

non deve amplificare componenti con

TTis

In alternativa si possono utilizzare sistemi di dissipazione dell’energia

Sovrastruttura rigida: Tbf << Tis

non deve amplificare le azioni trasmesse attraverso il sistema di isolamento

Giunti laterali realizzabili (per consentire gli

spostamenti dovuti al sistema di

isolamento)

Rispettare compatibilità con strutture adiacenti

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 1 2 3 4

Se

(g)

T (sec)

Soft Soil

Medium Soil

Rigid Soil

L'AquilaTR=475a

=5%

PAOLO CLEMENTE




DISPOSITIVI ANTISISMICI

Isolatori

Isolatori a scorrimento a sup. piane (Sliding devices, SD)

Isolatori in materiale elastomerico e acciaio

a basso smorzamento (Low Damping Rubber Bearings, LDRB)

ad alto smorzamento (High Damping Rubber Bearings, HDRB)

con inserti (per es. piombo, Lead Rubber Bearings, LRB)

Isolatori a scorrimento a sup. curve (Curved Surface Slider, CSS)

Dispositivi di vincolo temporaneo

Dispositivi di vincolo del tipo “a fusibile”

Dispositivi (dinamici) di vincolo provvisorio

Dispositivi dipendenti dallo spostamento

Dispositivi a comportamento lineare

Dispositivi a comportamento non lineare

Dispositivi dipendenti dalla velocità o a comportamento viscoso

PAOLO CLEMENTE




CARATTERISTICHE DISPOSITIVI

Funzione di appoggio

che si esplica nel sopportare i carichi verticali in condizioni di esercizio e in

condizioni sismiche

Bassa rigidezza orizzontale

che permetta agli apparecchi di subire spostamenti relativi tra le due facce,

superiore ed inferiore, di una determinata entità, in caso di eventi sismici

Adeguata rigidezza nei confronti delle forze orizzontali di piccola entità

(vento, traffico o sismi di bassa energia)

Buona capacità dissipativa, di ricentraggio e di vincolo laterale sotto

carichi orizzontali di servizio (non sismici)

ISOLATORI

Funzioni di: dissipazione di energia

ricentraggio del sistema

vincolo laterale sotto carichi orizzontali di servizio

DISPOSITIVI AUSILIARI

PAOLO CLEMENTE




ISOLATORI ELASTOMERICI ARMATI (HDRB)

PAOLO CLEMENTE




HDRB: COMPONENTI E DIMENSIONI

Contropiastra sup.

Contropiastra inf.

Piastra

Piastra

Gomma

Armatura

Zanca d’ancoraggio

Zanca d’ancoraggio

Foro

Vu

lcanizzata

ts= 2÷4mm

ti = 4÷10mm

tssmin = 20÷25mm

24

eA D

24A D

e g it n t

14

iS A L D t

2 eS D t

e din eK G A t

v c eK E A t

v eK K

12

11 6 4 3c din bE G S E

i

L D t

Fattore di forma secondario

(instabilità globale)

Fattore di forma primario

(instabilità locale)

Rigidezza equivalente

Rigidezza verticale

PAOLO CLEMENTE




HDRB: COMPORTAMENTO

Es

i

d

t

1

1.5c

din r

V

S G A

23 / 4

2 i e

D

t t

2 arccos Ed

D

2

4 r

DA sen

s

dE V F

Taglio

V

Compressione c

M

Flessione

Ogni strato di gomma è soggetto a taglio, compressione e flessione, che

provocano le seguenti deformazioni angolari:

Area ridotta:

2 2 x y

Es

e

d

t

PAOLO CLEMENTE




HDRB: VERIFICHE

Tensione degli inserti in acciaio:

1 2

1.3

s yk

r s

t tV f

A t

Verifica di stabilità

2 crV

V

,max t c s t

Deformazione di taglio totale:

,maxs s

Deformazione di taglio per lo spostamento sismico totale:

* = valore massimo della deformazione di taglio raggiunto

nelle prove di qualificazione relative all’efficacia

dell’aderenza elastomero-acciaio, senza segni di rottura

,max 5t

2E ed t

1 rcr

e

GA S DV

t

*

,max 1.5 2 s

PAOLO CLEMENTE




HDRB: PARAMETRI CARATTERISTICI

Curve caratteristiche forza – spostamento:

• per ciascun ciclo, i due parametri sintetici

Rigidezza equivalente Ke (d=dmax)

din din e

e

din

e

G A G Ad tFK

d d d

AG

t

Coefficiente di smorzamento

viscoso equivalente ξ (Wd=energia

dissipata in un ciclo completo di carico)

2

d

e

W

Fd

Inoltre, fissato lo spostamento massimo d2, va definito:

Carico verticale massimo V in corrispondenza dello spostamento d2

F (kN)

d (mm)

PAOLO CLEMENTE




ISOLATORI GOMMA-PIOMBO

Uno o più nuclei in piombo

▼

Smorzamento viscoso equiv.

fino a 25-30%

Vantaggio:

• L’isolatore può essere in gomma naturale, più resistente

Svantaggi:

• Processo di produzione più difficoltoso

• Minore capacità di ricentraggio

PAOLO CLEMENTE




ISOLATORI A SCORRIMENTO CON SUPERFICI PIANE (SD)

PAOLO CLEMENTE




SD

Appoggi acciaio-PTFE con bassi valori delle resistenze per attrito

• Coefficiente di attrito dinamico

in genere 6 ÷ 12% ► si riduce a 1 ÷ 2% mediante lubrificazione

è funzione di:

Pressione di contatto (lineare)

Velocità di scorrimento

Temperatura

Usura

pertanto la sua valutazione è molto incerta e viene trascurato, ossia si

assume attrito nullo, lasciando liberi gli spostamenti orizzontali

• Carico portato: indipendente dallo spostamento

• Non hanno capacità ricentrante ► sono necessari:

dispositivi ausiliari o

isolatori elastomerici

PAOLO CLEMENTE




ISOLATORE A SCORRIMENTO CON SUPERFICI

CURVE (CSS)

PAOLO CLEMENTE




CSS

Incorporano senza ausilio di altri elementi:

• Funzione ricentrante: data dalla superficie curva, che consente di far tornare

in posizione il dispositivo quando cessa l’azione orizzontale esterna

• Funzione dissipativa: superficie non lubrificata, attrito non ridotto

PAOLO CLEMENTE




ISOLATORI A DOPPIO E TRIPLO PENDOLO

Con la stessa azione laterale si può

avere uno spostamento maggiore.

Le superfici potrebbero avere

coefficiente di attrito diverso: in tal

caso il dispositivo comincia a scorrere

sulla superficie che offre minore

resistenza, poi si mette in moto anche

sull’altra

PAOLO CLEMENTE




Deriva da:

Friction Pendulum System (FPS)

• sviluppati in USA, utilizzando elementi

a scorrimento rivestiti da speciale

tessuto

Seismic Isolation Pendulum (SIP)

• sviluppati in Germania con materiali a

scorrimento polietilenici e

• applicazioni anche in Grecia, Turchia,

ecc.,

• in Italia, con materiali a scorrimento

simili e di altro tipo

CSS

PAOLO CLEMENTE




CSS: RIGIDEZZA, PERIODO, SMORZAMENTO

Equazione del pendolo: equilibrio tra F d’inerzia e F di richiamo del peso:

2R

Tg

0m R mg

mg Vk

R R

k g

m R

x R Rigidezza:

0mg

mR

Pulsazione

Periodo

R

Indipendenti

dalla massa

3 tipi di attrito:

• 𝝁𝒔𝒕𝟎 Attrito di primo distacco

• 𝝁𝒅𝒚𝒏 = 𝜇 attrito dinamico

• 𝝁𝒔𝒕𝟏 attrito al cambio di verso del moto

( 𝜇𝑑𝑖𝑛<𝜇𝑠𝑡1<𝜇𝑠𝑡0)

𝝁𝒔𝒕𝟎

𝝁𝒅𝒚𝒏 𝝁𝒔𝒕𝟏

PAOLO CLEMENTE




CSS: LINEARIZZAZIONE

max

1

eff

F V Vk

d R d

VR d

12

1effT

gR d

• L’attrito non deve essere eccessivo, altrimenti il sistema potrebbe non

ricentrarsi ► 20%

• Attrito statico > attrito dinamico ► garantisce una rigidezza nei confronti

dei carichi statici e sismi di piccola entità

2

1d

R

Smorzamento legato a

• attrito dinamico

• raggio R (e quindi al periodo T)

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

-6 -4 -2 0 2 4 6

F

d

F0

Fmax

Fmin

KeK

-F0

Modello lineare equivalente:

0F V

PAOLO CLEMENTE




CSS: DIMENSIONAMENTO PRELIMINARE

Si assumono cost:

Raggio R

Attrito

Carico verticale V

d2 = d ?

2

1is

d

R

12

1isT

gR d

Si assegna

d = d1

Si calcola Ke,

Tis , is

Spettro di risposta con is

d2 (Tis)

FINE

SI

NO

Si assume

d = d2

PAOLO CLEMENTE




DISPOSITIVI AUSILIARI A COMP. VISCOSO

trasmettono soltanto azioni orizzontali

hanno rigidezza trascurabile rispetto alle azioni verticali

Forza proporzionale a v, non contribuiscono alla rigidezza del sistema

La forma del ciclo è ellittica per α=1

Il valore massimo della forza viene sempre raggiunto in corrispondenza dello

spostamento nullo

PAOLO CLEMENTE




SISTEMI DI ISOLAMENTO

HDRB SD AUX CSS COMMENTI

A X

B X X

Spostamenti differenziali verticali in

corrispondenza di isolatori diversi:

• adottare dispositivi elastomerici con

elevata rigidezza verticale

• utilizzare gli isolatori in gomma

soltanto come dispositivi ausiliari,

ossia senza affidare loro carichi

verticali

C X X

D X X X

E X

PAOLO CLEMENTE




Interfaccia d’isolamento = superficie di

separazione sulla quale è attivo il sistema

d’isolamento

Sovrastruttura e Sottostruttura si devono mantenere sostanzialmente in

campo elastico. Per questo la struttura può essere progettata con riferimento ai

particolari costruttivi della zona 4 (con deroga sui dettagli costruttivi per strutture in c.a.)

Sistema d’isolamento deve garantire un’affidabilità superiore

Sottostruttura = parte della struttura

sotto il sistema d’isolamento (incluse le

fondazioni);

• ha, in genere, deformabilità orizzontale

trascurabile

• è soggetta agli spostamenti imposti dal

movimento sismico del terreno

Sovrastruttura = parte della struttura

isolata, ossia posta al di sopra

dell’interfaccia d’isolamento

REQUISITI GENERALI

PAOLO CLEMENTE




Deformabilità verticale degli isolatori

• deve essere messa in conto se Kv / Kesi < 800

Kv = rigidezza verticale del sistema di isolamento

Kesi = rigidezza equivalente orizzontale del sistema di isolamento

Sovrastruttura e Sottostruttura:

modellate come sistemi a comportamento

elastico lineare

Sistema di isolamento:

può essere modellato, in relazione alle sue

caratteristiche meccaniche:

• con comportamento visco-elastico lineare o

• con legame costitutivo non lineare

Coerentemente con i requisiti generali:

MODELLAZIONE

PAOLO CLEMENTE




PROGETTO PRELIMINARE

Scelta periodo di isolamento Tis

(da spettro elastico)

Modello

scatola rigida di massa M con molle orizzontali

Sistema 3 DOF (2 traslazioni + 1 rotazione)

Obiettivo (ottimale)

primi 2 modi traslazionali nelle 2 direzioni princ.

• HRDB + SD: disposti in modi che GKesi Gmassa

• CSS: sempre GKesi Gmassa

Kesi Kesi

Kz M

Calcolo rigidezza globale Kesi

• HDRB + SD: scelta numero e distribuzione

HRDB e calcolo rigidezza singoli Ke

• CSS: calcolo raggio curvatura

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.0

0.4

0.8

0 1 2 3 4

SD

e(m

)

Se

(g)

T (s)

ELASTIC SPECTRA

Superstructure - SLV

Spost

is

esi

MT 2

K

PAOLO CLEMENTE




0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.0

0.4

0.8

0 1 2 3 4

SD

e(m

)

Se

(g)

T (s)

ELASTIC SPECTRA


Spost

PGT PRELIMINARE: SCELTA DI Tis

Sistema isolamento: SLC

Sovrastruttura: SLV con q=1.5

Sottostruttura: SLV con q=1

isT

Si ricava Tis, verificando :

• Disaccoppiamento:

Tis >> Tbf ► Tis < 2.0 s

• Spostamento < limite accettabile

*

eS

Se* = corrisponde

all’azione sismica

che la

sovrastruttura

consolidata è in

grado si sopportare

in campo elastico

PAOLO CLEMENTE




PGT PRELIMINARE: RIGIDEZZA

Nota:

M = massa totale sovrastruttura

is

esi

MT 2

K

Fissato:

Tis = periodo fondamentale

edificio isolato

Kesi = rigidezza orizzontale sistema di isolamento

12

1isT

gR d

esie

KK

n

HDRB: rigidezza

singolo isolatore

CSS:

raggio

dispositivi

PAOLO CLEMENTE




MINIMIZZARE GLI EFFETTI TORSIONALI

Proiezione del centro di massa dell’edificio

sul piano degli isolatori e

Centro di rigidezza dei dispositivi di

isolamento (nel caso di sottostruttura

flessibile, centro di rigidezza del sistema

sottostruttura-isolamento)

debbono essere, per quanto possibile,

coincidenti

Se le sue capacità dissipative e ricentranti

rispetto alle azioni orizzontali sono affidate a

pochi dispositivi, occorre che tali dispositivi

siano, per quanto possibile, disposti

perimetralmente e siano in numero

staticamente ridondante

Ottimizzare il

comportamento

dinamico, ossia

primi due modi di

pura traslazione

Almeno 8 HDRB

PAOLO CLEMENTE




0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.0

0.4

0.8

0 1 2 3 4

SD

e(m

)

Se

(g)

T (s)

ELASTIC SPECTRA


Spost

EFFETTI SISMA Ex e Ey Dagli spettri, in corrispondenza di Tis, si ricavano:

eS

DeS

Se =

accelerazione su

sovrastruttura

SDe =

spostamento

isolatori

Se Gmasse = Grigidezze possiamo assumere per tutti gli isolatori:

A vantaggio di sicurezza potremmo assumere:

d0Ex,y = 0.1*SDe d0Ey,x = 0.1*SDe

Ex (sisma x) d0Ex,x = SDe d0Ex,y = 0

Ey (sisma y) d0Ey,x = 0 d0Ey,y = SDe

isT

PAOLO CLEMENTE




iF

ECCENTRICITÀ ACCIDENTALE

Rigidezza torsionale

i tot e isF m S T

,Ey i Ey accM F e

, 0.05Ex acc ye L , 0.05Ey acc xe L

2 2 2 2

0 0 0 0z ei i i e i ii iK K x y K x y

,Eyacc x Ey zd M K y

,acc Eye

EyM

,Ex i Ex accM F e

,Eyacc y Ey zd M K x

,Exacc x Ex zd M K y

,Exacc y Ex zd M K x

x

y

Componente spostamento lungo x

Forza d’inerzia

Eccentricità accidentale

Coppia torcente

Componente spostamento lungo y

PAOLO CLEMENTE




COMBINAZIONE SPOSTAMENTI

E x E y

Spettro d0Ex,x d0Ex,y d0Ey,x d0Ey,y

Comb. 1 dEx,x + 0.3*dEy,x = dE1,x

Ex+0.3Ey dEx,y + 0.3*dEy,y = dE1,y

2 2

E1 E1,x E1,yd d d

Spostamento di calcolo d2 = max(dE1,dE2)

Totali dEx,x dEx,y dEy,x dEy,y

Ecc. Acc. dExacc,x dExacc,y dEyacc,x dEyacc,y

Comb. 2 0.3*dEx,x + dEy,x = dE2,x

0.3Ex+Ey 0.3*dEx,y + dEy,y = dE2,y

2 2

E2 E2,x E2,yd d d

PAOLO CLEMENTE




SCELTA/PROGETTO ISOLATORI ELASTOMERICI

Kesi Disposizione

Ke = Kesi / n d2

in base a

• Spostamento spettrale

• Disposizione isolatori

Scelta dell’isolatore

Verifica carico verticale

sismico V

Volume

Costo

NO SI

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

100 200 300 400 500

Ke

(kN

/mm

)

dE (mm)

Gdin = 0.8 MPa

ti = D/100te = dE/2

1000

950

900

850

800

750

700

650

600

550

500

450

400

350

300

ng=25

0

5

10

100 200 300 400 500

V (

MN

)

dE (mm)

Gdin = 0.8 MPa

ti = D/100te = dE/2

1000/10

900/9

900/9

800/8

800/8

750/7.5

700/7

650/6.5

600/6

550/5.5

500/5

450/5

400/4

350/3.5

300/3

ng=25

Scelta tra più soluzioni tecnicamente possibili (n = 8, 12, 16, 20) ► sulla base

di considerazioni economiche

PAOLO CLEMENTE




MOVIMENTI INDESIDERATI E RICENTRAGGIO

Minimizzare le differenze di comportamento degli isolatori

• tensioni di compressione per quanto possibile uniformi

Evitare o limitare azioni di trazione negli isolatori

• Carico verticale V ≥ 0

a tal fine si può agire sugli interassi della maglia strutturale

• Se dall’analisi V<0:

isolatori elastomerici: tensione di trazione < min (2G, 1.0 MPa)

isolatori di altro tipo: prove sperimentali a trazione oppure opportuni

dispositivi in grado di assorbire integralmente la trazione

Ricentraggio dei dispositivi

• Vanno previsti adeguati sistemi di contrasto per eliminare spostamenti

residui incompatibili con la funzionalità dell’edificio e/o con il corretto

comportamento del sistema d’isolamento

PAOLO CLEMENTE




ISPEZIONABILITÀ – RIGIDEZZA

L’alloggiamento dei dispositivi d’isolamento ed il loro collegamento alla

struttura devono essere concepiti in modo da:

• assicurarne l’accesso

• rendere i dispositivi stessi ispezionabili e sostituibili

Strutture del piano di posa degli isolatori e del piano su cui appoggia la

sovrastruttura devono avere un comportamento rigido nel piano suddetto:

• diaframma rigido, sia sopra che sotto il sistema di isolamento

• elementi verticali con spostamento orizzontale in condizioni sismiche <

1/20 dello spostamento relativo del SI

PAOLO CLEMENTE




PROTEZIONE DAL FUOCO

In alternativa, occorre prevedere dispositivi che, in caso di distruzione

degli isolatori, siano idonei a trasferire il carico verticale alla sottostruttura

San Francisco Emergency

Management Center (M=8.3)

Ove necessario, gli isolatori dovranno essere protetti da possibili effetti

derivanti da attacchi del fuoco, chimici o biologici

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GIUNTI

PAOLO CLEMENTE




IMPIANTI

PAOLO CLEMENTE




COLLAUDO

Il collaudo statico deve essere effettuato in corso d’opera

È di fondamentale importanza il controllo di:

posa in opera dei dispositivi, nel rispetto delle tolleranze e delle modalità di

posa prescritte dal progetto

completa separazione, con i giunti di progetto, tra la sovrastruttura e la

sottostruttura le altre strutture adiacenti con il rigoroso rispetto delle distanze

di separazione (gap) previste in progetto

corretta installazione delle protezioni dei giunti strutturali

elementi di interfaccia flessibili per le tubazioni (gas e acqua)

Il collaudatore può disporre l’esecuzione di speciali prove per la

caratterizzazione dinamica del sistema di isolamento atte a verificare, nei

riguardi di azioni di tipo sismico, che le caratteristiche della costruzione

corrispondano a quelle attese

PAOLO CLEMENTE




PROVE DI RILASCIO

PAOLO CLEMENTE




MONITORAGGIO

Input al bedrock

• almeno una terna accelerometrica in profondità in prossimità dell’edificio

Input in superficie

• almeno una terna accelerometrica in superficie in prossimità dell’edificio

Input in fondazione

• almeno una terna accelerometrica sull’estradosso della fondazione

Risposta della struttura

• almeno 4 accelerometri al primo impalcato e 4 in sommità (se gli impalcati

sono infinitamente rigidi)

• eventuali altri accelerometri ai piani intermedi

Comportamento degli isolatori

• sensori di spostamento relativo nelle due direzioni per un significativo numero

di dispositivi di isolamento

Monitoraggio delle parti non strutturali

• al fine di verificare l'assenza di amplificazioni locali

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APPLICAZIONI A EDIFICI ESISTENTI

PAOLO CLEMENTE




EDIFICIO IN VIA LATINI, FABRIANO

Progetto: G. Mancinelli

PAOLO CLEMENTE




EDIFICIO IN VIA LATINI, FABRIANO (AN)

Progetto: G. Mancinelli

Sottofondazione: Inserimento dei dispositivi tra la fondazione esistente

(rinforzata) e la nuova (al di sotto della vecchia)

PAOLO CLEMENTE




EDIFICIO IN VIA LATINI, FABRIANO (AN)

Progetto:

G. Mancinelli

Sottofondazione: dispositivi tra fondazione esistente (rinforzata) e la nuova

PAOLO CLEMENTE




Progetto G. Mancinelli

EDIFICIO VIA LATINI, FABRIANO

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CENTRO POLIFUNZ. (R. TRAIANO SOCCAVO, NA)

Adeguato sismicamente con 600 HDRB

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Struttura ultimata negli anni 70, prima del terremoto campano-lucano del 1980

(quando l’area non era classificata sismica). Fondazioni su pali

C. P. TRAIANO – ANTE OPERAM

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FEM del Centro Polifunzionale Rione Traiano

si noti la struttura fortemente asimmetrica

C. P. RIONE TRAIANO SOCCAVO (NA)

PAOLO CLEMENTE




CENTRO POLIFUNZ. (R. TRAIANO SOCCAVO, NA)

Taglio dei pilastri : inserimento dei dispositivi lungo i pilastri del

primo livello e inserimento di un piano rigido

Courtesy by ALGA

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C. P. RIONE TRAIANO SOCCAVO (NA) Disconnessione delle pareti portanti

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Impalcato unico su isolatori sismici

26 HDRB (Ke=744 kN/mm) + 55 SD

T = 2.96 s, dE= =300 mm, V = 1000 kN

EDIFICIO VIA TIGLI, PIANOLA (AQ)


PAOLO CLEMENTE




• Crollo della tamponatura al primo livello

• Danni pesanti alle temponature ai livelli superiori

DANNI BLOCCO 1

PAOLO CLEMENTE




Lievi danni (blocco più regolare degli altri).

DANNI BLOCCO 2

Block 1 Block 2

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Lesioni nelle tamponature come nel blocco 1 ma senza crolli

DANNI BLOCCO 3

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Seismometri Acquisitore

CARATTERIZZAZIONE DINAMICA

PAOLO CLEMENTE





PAOLO CLEMENTE




Destroid by the earthquake of 1906

Recostructed in 1912

Damaged during the earthquake of

Loma Prieta in 1989

Retrofit, 2000 (530 LRB, 62 SD)

CITY HALL DI SAN FRANCISCO

PAOLO CLEMENTE




SCUOLA A VANADZOR (ARMENIA)

Edificio in muratura, 4 piani (55 anni)

Adeguamento con “Medium Damping Rubber Bearing” (MDNB), 2002

(Progetto: M. Melkumyian)

PAOLO CLEMENTE




SCHOOL BUILDING IN VANADZOR, ARMENIA

PAOLO CLEMENTE




Progetto: M. Melkumyian

SCUOLA A VANADZOR (ARMENIA)

PAOLO CLEMENTE




IRAN BASTAN MUSEUM (TEHRAN)

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

PAOLO CLEMENTE




ST. CATHOGHIKEH (YEREVAN, ARMENIA)

PAOLO CLEMENTE




EDIFICI STORICI, MONUMENTI Demolizione e ricostruzione non possono essere considerate

Edifici affollati da turisti ► è richiesto un grado di sicurezza elevato

Interventi tradizionali:

• spesso inappropriati dal punto di vista architetonico,

• possono causare la perdita dl valore storico

Soluzioni con tecniche tradizionali:

• scelta dell’intervento che rispetti la concezione strutturale originaria

e/o i requisiti di non invasività e di reversibilità e verifica del grado di

sicurezza raggiungibile

• miglioramento della struttura rafforzando i suoi elementi costruttivi e,

quindi, il suo comportamento originario

Problemi

• definire il minimo accettabile

• definire concetti enorme diversi da quelli per le nuove costruzioni

PAOLO CLEMENTE




TEMPIO DI DIANA A EFESO

“Grecae magnificentiae vera admiratio extat templum Ephesiae Dianae CXX

annis factum a tota Asia. In solo id palustri fecere, ne terrae motus sentiret

aut hiatus timeret, rursus ne in lubrico atque instabili fondamenta tantae

molis locarentur, calcatis ea substravere carbonibus, dein velleribus lanae”

Gaio Plinio Secondo, Naturalis Historia, Libro XXXVI, §95

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POSEIDONIA (PAESTUM - 273 A.C)

tre templi dorici le cui fondazioni sono separate dalla

roccia di base da uno strato di sabbia

PAOLO CLEMENTE




Asian Art Museum, San

Francisco (HDRBs)

Salt Lake City & County Bldg. (1894)

retrofit in 1989, 447 LRBs & LDRBs,

cost=4.4 MUS$

RETROFIT DI EDIFICI STORICI CON ISOLAMENTO SISMICO

Wellington Parliament, built in 1921

(retrofit with LRBs in 1992-93)

National Western Art Museum

(Le Corbusier), Tokyo

Retrofit with sub-foundation (1999)

1st retrofit of museums with I.S.)

PAOLO CLEMENTE




STRUTTURA ISOL. SISMICO EDIFICI ESISTENTI

Nuovo sistema di isolamento sismico per edifici esistenti

• Piattaforma isolante al di sotto delle fondazioni

• Edificio non modificato anche nei piani interrati

• Tunnel utilizzabili per passaggio pedonale o parcheggio

Applicazioni

• Edifici di interesse storico artistico

• Centri storici: aggregati edilizi complessi

• Impianti chimici e nucleari (edifici con tubazioni e altro)

PAOLO CLEMENTE




SISEB: INSERIMENTO DEI TUBI

Scavo trincea

Inserimento tubi mediante spingitubo o micro-tunnelling (no dig

techniques – diametro tubi ≥ 2 m, per consentire l’ispezione)

PAOLO CLEMENTE




SISEB: TUBI

• Forma particolare

• Composti da:

settori circolari inferiori

settori circolari

elementi removibili che li

connettono

Elementi rossi: sostituiti

dagli isolatori

Elementi grigi:

da rimuovere

PAOLO CLEMENTE




SISEB: ISOLATORI

Rimozione elementi rossi

Connessione tubi adiacenti con elementi in c.a. o acciaio

Posizionamento dei sispositivi di isolamento

Rimozione elementi grigi

PAOLO CLEMENTE




Pareti verticali

Irrigidimento terreno o connessioni rigide tra edificio e sistema

di isolamento

SISEB: PARETI

PAOLO CLEMENTE




Parete

interna

Isolatori

Inseriti previa rimozione degli

elementi di connessione

Settore cilindrico

superiore

Settore cilindrico inferiore

Tubi in c.a. inseriti a con tecnica

spingitubo o microtunnelling (D ≥ 2 m)

Terreno

Gap

STRUTTURA ISOL. SISMICO EDIFICI ESISTENTI Brevetto internaz.: P. Clemente (ENEA), A. De Stefano, G. Barla (POLITO)

Parete

esterna Connessione rigida

tra l’edificio e il

sistema di isolamento

PAOLO CLEMENTE




CASE STUDY: PALAZZO MARGHERITA (PM)

Caratterizzazione dinamica

Miglioramento sismico

convenzionale per sopportare

almeno 0.05g

Isolamento sismico

Attenzione a: Vibrazioni indotte

Cedimenti del suolo

PAOLO CLEMENTE




PALAZZO MARGHERITA: PLANIMETRIA

PAOLO CLEMENTE




PALAZZO MARGHERITA - PIANTA

PAOLO CLEMENTE




PALAZZO MARGHERITA - SEZ. LONGITUDINALE

PAOLO CLEMENTE




PALAZZO MARGHERITA - SEZ. TRASVERSALE

PAOLO CLEMENTE




PREVENZIONE = INFORMAZIONE

EDIFICIO NON

ANTISISMICO

Edifici non adeguati:

• No scuole

• No ospedali

• No edifici strategici

Edifici vecchi (non storici):

• Demolizione e ricostruzione

ISOLAMENTO SISMICO DI EDIFICI ESISTENTI: CRITERI DI ...prev.enea.it/2016-10-27...

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