Keywords: edifici industriali monopiano, adeguamento sismico, miglioramento sismico.

ABSTRACT Il presente studio analizza un complesso di edifici a destinazione industriale sito nel Comune di Padova, edificato e ampliato nel corso degli anni precedenti alla definizione delle recenti zonazioni sismiche. Il complesso industriale è costituito da due strutture di epoche diverse: la parte originaria è rappresentata da una struttura in calcestruzzo gettato in opera, mentre il recente ampliamento da una struttura prefabbricata con elementi in calcestruzzo armato precompresso progettata non sismicamente data la classificazione del sito ricadente nella vecchia zona 4. Tale caso studio rappresenta una situazione tipica nella zona industriale di Padova. Sono state modellate le strutture del complesso eseguendo dapprima una verifica sismica dell’intero stabilimento nella condizione attuale e in seguito valutandone i punti critici e proponendo alcune soluzioni volte al miglioramento della risposta delle strutture sottoposte all’azione sismica di progetto. 1 INTRODUZIONE

Il caso studio di seguito presentato è relativo a due fabbricati a destinazione industriale in calcestruzzo armato ordinario e precompresso, realizzati precedentemente all’emanazione delle vigenti Norme Tecniche per le Costruzioni del 2008. Al momento della costruzione, la normativa vigente non prevedeva di considerare la località di progetto nella classificazione sismica. La costruzione in oggetto è stata quindi coerentemente progettata e realizzata senza considerare le azioni sismiche.

In Italia questo tipo di situazione è stata riscontrata in molteplici casi: numerosi edifici hanno visto pertanto variare la classificazione sismica del loro sito, passando da una condizione di zona a sismicità nulla o per la quale non era obbligatorio il progetto sismico (ad esempio la precedente zona 4) a sito caratterizzato da entità dell’azione sismica. A motivo di tale variazione normativa, ci si è trovati a far fronte ad un

numero sostanzioso di edifici di differente destinazione – residenziale, direzionale, industriale -, eretti anche di recente, strutturalmente inadatti a rispondere adeguatamente alla domanda sismica, perché appunto non ideati in tale ottica progettuale.

Le criticità più evidenti sono emerse soprattutto a seguito dei recenti eventi sismici che nel maggio scorso hanno colpito l’Emilia Romagna, e parte del Veneto e della Lombardia causando il collasso di molti edifici industriali di questa tipologia.

I responsabili delle attività produttive si ritrovano pertanto di fronte all’attuale problematica della valutazione dei possibili interventi volti all’adeguamento o al miglioramento sismico degli stabilimenti di produzione, sulla base delle alternative progettuali percorribili, che si distinguono caso per caso in relazione alle specificità del sito, della tipologia strutturale da adeguare e dell’organizzazione interna degli spazi di lavoro.

Mariano Angelo Zanini, Carlo Pellegrino, Giulio Righetto Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale - ICEA, Università degli Studi di Padova

Strategia per il miglioramento sismico di un edificio industriale sito in Padova

D’altra parte non sempre questi interventi possono essere realizzati a causa di specifiche restrizioni operative o di costi d’intervento elevati tali da rendere più economicamente sostenibile la costruzione ex-novo e demolizione delle strutture esistenti. Tutte queste sfumature fanno si che spesso lo studio della migliore soluzione di intervento di adeguamento sismico diventi un complesso problema progettuale, dovendo appunto tener conto di molteplici variabili e garantire quanto più possibile la prosecuzione delle attività di produzione all’interno degli ambienti di lavoro.

Il presente studio porta all’attenzione le problematiche sopra sinteticamente esposte analizzando un tipico complesso industriale sito nel Comune di Padova e composto da due porzioni principali di fabbricato: una parte originaria risalente agli anni ’60 costruita con telai in calcestruzzo armato gettato in opera e tamponature in laterizio e un recente ampliamento in adiacenza realizzato con elementi prefabbricati in c.a.p.. La struttura più recente oltre a non essere stata progettata per sopportare le azioni sismiche di progetto previste dalle vigenti normative per il sito in cui sorge lo stabilimento industriale, è stata edificata in aderenza alla vecchia struttura non tenendo conto in fase di progetto della necessità di un adeguato giunto sismico tra le strutture dei due edifici, in maniera tale da evitare possibili fenomeni di martellamento a seguito dell’occorrenza di azioni sismiche.

Dando per scontato che la struttura, nella sua configurazione attuale, non sia in grado di sopportare, senza danni significativi e/o crolli parziali (ad es. perdita di appoggio degli elementi prefabbricati, cedimento della sezione di base dei pilastri ecc.), le azioni orizzontali dovute al terremoto di progetto previsto dalle Norme Tecniche per le Costruzioni, si ritiene che una ragionevole strategia di intervento, in linea con le moderne metodologie ed espressamente prevista nelle Norme Tecniche per le Costruzioni, potrebbe essere quella consistente nel "miglioramento", sia globale che locale, della struttura in relazione alla sua risposta all'azione sismica. Infatti, un adeguamento al 100% dell’azione sismica prevista per nuove costruzioni, potrebbe comportare una serie di interventi eccessivamente invasivi che andrebbero a incidere pesantemente sull’attività produttiva. D’altra parte, come per ogni edificio industriale, il vincolo più restrittivo consiste nel garantirne la possibilità di continuare, senza

significative interruzioni, la produzione e la lavorazione all’interno.

Nell’ambito di un approccio prestazionale, una strategia ragionevole per il “miglioramento” strutturale, anche in linea con le indicazioni del DL n. 74 del 06/06/2012 per le province colpite dal terremoto Emiliano, potrebbe essere quella di fare in modo che siano soddisfatte tutte le verifiche allo Stato Limite di Salvaguardia della Vita (SLV) per un’azione sismica pari al 60% di quella prevista dall’attuale normativa.

Vengono successivamente illustrate le principali carenze strutturali, realizzato il modello strutturale (Figura 1), eseguita la verifica sismica e proposte alcune soluzioni per il miglioramento sismico

Figura 1. Modello strutturale del complesso industriale analizzato.

2 DATI COSTRUTTIVI

2.1 Struttura prefabbricata La parte più recente della struttura è

rappresentata da un capannone in calcestruzzo armato precompresso ad elementi prefabbricati come rappresentato nelle Figure 2 e 3, caratterizzato dai seguenti elementi strutturali: - due tipologie di coperture, tegoli appoggiati

su travi rovesce a T e coperture a shed provviste di lucernari, appoggiate su travi rettangolari caratterizzate da un’apposita sella di forma curvilinea sagomata in maniera tale da ospitare i copponi degli shed;

- tamponatura con pannelli di tamponamento alleggeriti in calcestruzzo prevalentemente di tipo verticale ma anche orizzontale disposti come coronamento di un porticato adibito a carico-scarico merci, collegati con attacchi in acciaio sottodimensionati in relazione all’entità dell’azione sismica;

- tre tipologie di pilastri rettangolari prefabbricati inseriti in plinti a bicchiere con bassa percentuale meccanica di armatura;

- nessun tipo di collegamento meccanico tra i vari elementi strutturali.

Figura 2. Pianta della struttura prefabbricata.

Figura 3. Sezione trasversale della struttura prefabbricata.

In Figura 4 è riportato il modello della

struttura prefabbricata di recente costruzione realizzato tramite elementi finiti mono-dimensionali.

Figura 4. Modello FEM della struttura prefabbricata.

2.2 Struttura gettata in opera La struttura gettata in opera è costituita da un

corpo centrale di circa 7,5 metri d’altezza

realizzato trasversalmente tramite telai affiancati. Longitudinalmente, come si può osservare dal modello in Figura 5, è costituita da tre coppie telai collegati tra loro da travi prefabbricate di copertura aventi forma ad Y. A coronamento del nucleo centrale del fabbricato, in parte ad un solo livello e in parte a più livelli, è stata realizzata una struttura perimetrale in calcestruzzo e copertura a solaio di minor elevazione rispetto al corpo centrale.

Figura 5. Modello FEM struttura gettata in opera: corpo centrale (blu) e strutture perimetrali (giallo).

Il corpo centrale risulta pertanto contenuto all’interno della struttura perimetrale, scaricando pertanto le forze sismiche relative alle masse della copertura sulla struttura perimetrale e riducendo quindi le sollecitazioni alla base dei pilastri. Si osserva che la quota di copertura delle strutture perimetrali, essendo più bassa rispetto alla quota della copertura del corpo centrale, espone i pilastri al meccanismo del “pilastro corto”, con potenziale rottura fragile a taglio proprio in corrispondenza della discontinuità altimetrica.

2.3 Collegamenti fra gli elementi strutturali Non esistono collegamenti meccanici

(staffature, bullonerie, etc.) fra gli elementi strutturali principali (travi, pilastri) dato che l’approccio progettuale utilizzato non considerava le azioni sismiche.

I tamponamenti perimetrali di chiusura sono invece fissati ai pilastri mediante il sistema illustrato in Figura 6, tramite l’utilizzo di un inserto metallico a testa di martello nel pannello di tamponamento e il fissaggio mediante bullonatura M14 al pilastro.

Figura 6. Collegamento dei pannelli di tamponamento ai pilastri.

3 AZIONE SISMICA

La costruzione è stata originariamente progettata in condizioni non sismiche e quindi per i soli carichi permanenti strutturali e non strutturali, e i carichi accidentali dovuti al vento e alla neve.

Gli spettri di risposta elastica sono stati determinati seguendo la indicazioni contenute nel DM 14.01.08. Con riferimento all’allegato B del DM 14.01.08, vengono riportati in Tabella 1 i parametri di riferimento relativi alla località in cui è ubicata la costruzione (Comune di Padova), necessari per la determinazione dello spettro di risposta di progetto per azioni orizzontali allo SLV. Tabella 1. Parametri ag, F0, T*C, del sito di riferimento per SLV.

SL-PVR TR ag F0 T*C SLV-10% 475 0,085 2,620 0,333

Dalle relazioni geotecniche sviluppate in sede

di progetto e sulla base delle indagini geognostiche reperite per il sito in questione si è deciso di considerare la categoria di sottosuolo D (terreno a grana fine mediamente consistente). Sulla base delle scarse informazioni sull’effettivo grado di vincolo delle fondazioni a bicchiere e le incertezze caratterizzanti la risposta strutturale dell’edificio si è deciso di assumere cautelativamente un valore di fattore di struttura pari a q = 1,5, alla luce delle modeste capacità dissipative del sistema strutturale.

4 MODELLAZIONE STRUTTURALE Una volta valutata l’entità delle azioni sulle

strutture si è proceduto alla modellazione strutturale del caso di studio. Il complesso strutturale dello stabilimento industriale è stato rappresentato da un modello agli elementi finiti, schematizzando la struttura in maniera adeguata allo scopo delle analisi, mediante il ricorso a elementi monodimensionali per travi, pilastri e a

coppie di elementi monodimensionali controventanti per la modellazione strutturale delle rigidezze associabili alle tamponature presenti nella parte originaria dello stabilimento.

In accordo alle prescrizioni contenute nelle vigenti normative (DM 14/01/2008), è stata eseguita una modellazione tridimensionale delle strutture (Figure 7, 8), data la specifica irregolarità planimetrica e altimetrica degli stabili. A ciascun elemento sono state assegnate le rispettive caratteristiche meccaniche del materiale e geometriche della sezione, considerando anche la condizione di calcestruzzo fessurato tramite il dimezzamento del modulo elastico.

Come osservato in molteplici situazioni e evidenziato in maniera evidente negli ultimi eventi sismici in Emilia Romagna, la mancanza di collegamenti fra gli elementi strutturali della costruzione, in particolar modo tra le travature e i pilastri, ha comportato il collasso del sistema a causa della perdita di appoggio degli elementi di copertura. Data pertanto la necessità di fissare i vari elementi di copertura in maniera tale da evitare appunto crolli di singoli elementi per perdita d’appoggio, si è ritenuto superfluo andare a modellare l’effettiva condizione strutturale attuale di elementi non collegati fra loro. Per tale ragione si è ritenuto opportuno dimensionare singolarmente i singoli collegamenti meccanici tra i vari elementi di copertura in relazione alle forze sismiche sollecitanti. Una volta eseguito tale dimensionamento, si è proceduto alla valutazione delle strutture nel loro stato attuale, ma nella configurazione di elementi di copertura tra loro collegati meccanicamente, in maniera tale da scongiurare i fenomeni di perdita di appoggio, tramite la costruzione di un modello ad elementi finiti in cui le connessioni tra i vari elementi di copertura e tra le travi e i pilastri simulassero il vincolo di cerniera.

Nella modellazione strutturale sono stati considerati tutti i pesi propri strutturali e i carichi permanenti. Per quanto riguarda gli effetti irrigidenti derivanti dalle tamponature presenti si è proceduto con la schematizzazione con bielle a croce di S. Andrea per le tamponature in laterizio della parte originaria, in maniera tale da rappresentare in maniera significativa l’effetto irrigidente di tali elementi nella risposta strutturale dei fabbricati. Per quanto riguarda i pannelli di tamponamento verticali, sono stati rappresentati per semplicità di trattazione come masse puntuali senza valutarne l’effetto irrigidente.

Figura 7: Modello tridimensionale della struttura prefabbricata.

Figura 8: Modello tridimensionale della struttura esistente in calcestruzzo armato gettato in opera.

Per quanto riguarda i pochi pannelli orizzontali distribuiti lungo il porticato per il carico-scarico merci lungo il prospetto Nord, in via semplificata si è ritenuto il loro contributo in termini di incremento di rigidezza trascurabile, ai fini della valutazione del comportamento strutturale globale del complesso industriale. Sono stati infine computati i carici permanenti dei lucernari e degli impianti ancorati alle coperture inserendoli nel modello come masse distribuite aggiuntive sugli elementi di copertura.

Una volta definito il modello strutturale è stata eseguita un’analisi dinamica modale con spettro di risposta andando a valutare le sollecitazioni agenti sugli elementi strutturali tramite la combinazione degli effetti dell’azione sismica applicata lungo le due direzioni principali X e Y, come previsto dalla vigente normativa (DM 14/01/2008).

5 IPOTESI DI MIGLIORAMENTO SISMICO

L’intervento di miglioramento sismico dello stabilimento industriale si può suddividere in due parti principali: nella prima fase dello studio è stata prevista la solidarizzazione di tutti gli elementi strutturali principali (tegoli, shed, travi, pilastri e pannellature) mediante l’applicazione di collegamenti meccanici in acciaio; nella seconda fase sono stati progettati gli interventi di adeguamento strutturale necessari per garantire l’assorbimento delle sollecitazioni sismiche gravanti sugli elementi portanti esistenti, non adeguatamente dimensionati per sopportare le sollecitazioni sismiche dovute ai citati collegamenti.

5.1 Collegamenti meccanici Si è pensato di collegare gli elementi di

copertura presenti mediante connessioni meccaniche composte da piastre in acciaio adeguatamente dimensionate (in relazione all’entità delle forze orizzontali derivantidalle masse dei vari elementi) ed unite agli elementi di copertura mediante foratura e inserimento di spinotti in acciaio inox. Le operazioni di collegamento possono prevedere l’unione trasversale mediante piastre dei tegoli binervati compressi (TT) presenti nella zona uffici/servizi in maniera tale da creare le condizioni di piano rigido.

I tegoli binervati, i tegoli shed e le travi a I presenti possono essere collegati alle rispettive travature portanti (Figura 9), fornendo i vincoli perimetrali degli elementi di copertura stessi nel comportamento strutturale complessivo sotto azione sismica.

Nello specifico, il collegamento orizzontale dei tegoli può essere assicurato da spinotti vincolanti le anime degli elementi di copertura alle travature portanti: il collegamento si può configurare tramite la disposizione di una piastra metallica bullonata al piede del tegolo per permettere la rotazione (come da schema di calcolo) e a sua volta saldata ad una piastra ancorata alla trave.

Il collegamento tra i tegoli a shed e le travature principali può essere realizzato tramite l’applicazione di 2+2 barre filettate all’estradosso della trave (Figura 10).

Figura 9: Collegamento meccanico tra le travi portanti e i tegoli binervati TT.

Figura 10: Collegamento meccanico tra le travi portanti e i tegoli a shed. (Collegamento ordine 2 – tipo 14 - Reluis, Strutture prefabbricate: catalogo delle tipologie esistenti)

Anche per le travi a I del fabbricato originario

si sono studiati dei collegamenti meccanici atti a garantire la congruenza in spostamento tra gli elementi collegati.

Per quanto riguarda il collegamento tra le travi principali e i pilastri si può prevedere l’applicazione di una coppia di angolari piegati in acciaio inox ad alta resistenza per ciascun pilastro, fissati sia alla trave che alla colonna con tasselli chimici (Figura 11).

Figura 11: Collegamento fra trave e pilastro

Con riferimento alle tamponature in calcestruzzo armato alleggerito, il ribaltamento dei pannelli verticali può essere impedito attraverso l’utilizzo di angolari in acciaio bullonati ai pilastri e ai pannelli in corrispondenza dei due spigoli superiori.

Per i pannelli orizzontali presenti a coronamento del porticato esterno, infine, si può proporre la sostituzione con pannelli di tamponamento coibentati più leggeri in materiale poliuretanico.

5.2 Rinforzo della struttura portante Per quanto riguarda l’ossatura portante del

complesso industriale, la principaleproblematica che costringe all’intervento all’interno degli ambienti dello stabilimento riguarda la risoluzione del problema di martellamento tra le due strutture (struttura prefabbricata recente e struttura gettata in opera originaria). Data la configurazione in aderenza dei due fabbricati e l’impossibilità di realizzare un adeguato giunto strutturale si è ritenuta percorribile esclusivamente l’ipotesi di solidarizzazione dei due fabbricati (Figura 12).

In tale ottica è stata realizzata un’incamiciatura tale da ottenere un unico pilastro per le due strutture nella zona di adiacenza.

Figura 12: Zona di contatto tra le due strutture e pilastri oggetto di intervento.

In Figura 13 viene raffigurata la geometria dei nuovi pilastri che inglobano al loro interno i vecchi pilastri esistenti all’interno della nuova sezione: il notevole incremento dimensionale ha comportato un aumento della rigidezza flessionale nelle due direzioni principali con conseguente crescita delle sollecitazioni sismiche gravanti, richiedendo pertanto un impegnativo dimensionamento delle fondazioni atte a trasferire al suolo le forze agenti.

La fondazione per tali elementi potrà essere costituita da un allargamento del dado di calcestruzzo di coronamento e da micropali inclinati di fondazione.

Figura 13: Solidarizzazione dei pilastri nella zona di contatto fra le due strutture.

Analogo intervento può essere previsto anche per i pilastri accoppiati presenti nel fabbricato originario gettato in opera (Figura 14).

Figura 14: Unione delle coppie di pilastri presenti affiancati presenti nella struttura originaria gettata in opera.

6 VERIFICHE SISMICHE ED ULTERIORI INTERVENTI DI RINFORZO PUNTUALE

Una volta previsti tutti gli interventi inevitabili descritti sopra, sono stati riverificati i principali elementi strutturali alla luce delle sollecitazioni agenti nella nuova configurazione strutturale. Si è osservato come gli interventi di incamiciatura dei pilastri esistenti comportino una significativa redistribuzione delle forze orizzontali agenti tra i vari elementi verticali, in relazione ai nuovi rapporti di rigidezza. Con tale configurazionesono risultate non soddisfatte le verifiche dei pilastri del porticato esterno, comportando la necessità di analoghi interventi di incamiciatura in calcestruzzo con aumento della sezione resistente. Nel caso invece dei pilastri interni nella zona Nord-Ovest dello stabilimento, anch’essi non verificati, si può realizzare una solidarizzazione con dei nuovi setti in calcestruzzo armato realizzati esternamente proprio in corrispondenza di tali elementi, nell’ottica progettuale di minimizzare gli interventi negli ambienti interni dello stabilimento, riducendo così le interazioni con le varie fasi della produzione dello stabilimento.

Riepilogando, si riportano in Figura 15gli interventi finali progettati per il rinforzo delle strutture esistenti dello stabilimento industriale analizzato: - esecuzione d’incamiciature per i pilastri

esistenti in corrispondenza della zona di confine tra i due fabbricati (originario e recente), in maniera da eliminare il potenziale fenomeno di martellamento;

- rinforzo dei pilastri della tettoia nella zona nord-ovest, tramite incamiciatura con aumento della sezione, in modo da avere una maggiore inerzia e soddisfare le verifiche di resistenza;

- realizzazione di setti in calcestruzzo esterni solidarizzati con i pilastri interni aventi resistenze insufficienti tramite un collegamento con barre filettate lungo l’altezza dei due corpi in maniera da garantire livelli di resistenza e deformabilità adeguati alle sollecitazioni agenti;

- unione di due coppie di pilastri nel fabbricato esistente per solidarizzare i rispettivi telai gettati in opera che sorreggono la copertura.

Figura 15: Rappresentazione in pianta degli interventi di miglioramento sismico eseguiti sugli elementi strutturali dello stabilimento industriale.

7 CONCLUSIONI Lo studio per il miglioramento sismico dello

stabilimento industriale esposto in questo lavoro vuole evidenziare come il mero collegamento meccanico degli elementi strutturali di copertura non garantisca la verifica sismica degli edifici industriali esistenti non progettati sismicamente. L’unione degli elementi di copertura, se da un lato evita i fenomeni di perdita di appoggio rilevati anche nei recenti eventi sismici in Emilia, dall’altro comporta un cambio di schema strutturale che può avere ripercussioni peggiori

sulle strutture esistenti, non progettate infatti per sopportare azioni orizzontali.

Per tali ragioni risulta quindi necessario intervenire aumentando la capacità portante alle forze orizzontali dei pilastri esistenti tramite tecniche di incamiciatura in calcestruzzo armato. L’aumento delle sezioni conseguente al collegamento degli elementi di copertura comporta incrementi di forze orizzontali assorbite – a causa delle maggiori rigidezze – e la necessità di intervenire mediante rinforzo delle fondazioni esistenti.

Si evidenzia inoltre come la soluzione adottata comporti un irrigidimento generale della struttura esistente, e quindi il conseguente abbassamento del valore del primo periodo di vibrazione (Figura 16). Tale evidenza porta ad un incremento dell’accelerazione sismica agente sulla struttura dell’ordine del 112% rispetto al valore iniziale.

Figura 16: Variazione del primo periodo di vibrazione del complesso strutturale analizzato.

Con questo studio si è quindi osservato come l’adeguamento di strutture prefabbricate esistenti non sia problematica banale, ma anzi richieda un’attenta analisi degli effetti di ciascun intervento strutturale, data l’originaria carenza progettuale degli elementi strutturali, non dimensionati per sopportare azioni orizzontali.

RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI Decreto Ministeriale 14 gennaio 2008, “Norme

tecniche per le costruzioni”, 2008, DL 6 giugno 2012, n. 74 Interventi urgenti in

favore delle popolazioni colpite dagli eventi sismici che hanno interessato il territorio delle province di Bologna, Modena, Ferrara, Mantova, Reggio Emilia e Rovigo, il 20 e il 29 maggio 2012.

Reluis, Linee di indirizzo per interventi locali e

globali su edifici industriali monopiano non progettati con criteri antisismici, Gruppo di Lavoro Agibilità Sismica dei Capannoni Industriali, 2012.

Reluis, Strutture prefabbricate: catalogo delle

tipologie esistenti, 2008. Reluis, Strutture prefabbricate: schedario dei

collegamenti, 2007

G. Toniolo, Terremoto dell’Emilia - Maggio 2012 Capannoni prefabbricati: riparazione – miglioramento – adeguamento, 2012.

A. Castagnone, D. LeoneStrutture prefabbricate:

proposte di miglioramento antisismico, G: Fabbrocino Strutture prefabbricate: Principi

generali ed esempi applicativi, 2008.