INTRODUZIONE AL PROGETTO
L’Ospedale San Benedetto, situato ad Alatri e costruito nel 1978, si estende su un’area di circa 33.500 mq, con una struttura costituita da sei corpi di fabbrica, ciascuno caratterizzato da telai piani bidirezionali in calcestruzzo armato. Gli elementi strutturali sono stati progettati tenendo conto dell’azione sismica, in accordo con le normative tecniche dell’epoca di costruzione.
Ciò nonostante, le analisi recenti che La SIA ha svolto hanno evidenziato importanti lacune nella sua capacità di sopportare eventi sismici, secondo le normative tecniche vigenti.
La SIA è stata incaricata di progettare, inoltre, le necessarie migliorie strutturali. L’incarico ha riguardato la valutazione della vulnerabilità sismica ed il progetto degli interventi di consolidamento sismico del complesso ospedaliero.
Gli interventi studiati dal team di ingegneri di La SIA si sono concentrati sull’installazione di avanzati sistemi di isolamento sismico e l’adozione di tecniche di ingegneria all’avanguardia per aumentare la resistenza sismica dell’edificio, come se fosse di nuova progettazione.
La sfida più grande del progetto in questione è stata l’implementazione di questi interventi di ingegneria sismica in maniera tale da minimizzare l’interruzione delle attività quotidiane e garantire l’adeguamento sismico senza impatti negativi sull’operatività dell’ospedale.
Da un punto di vista strutturale, il complesso ospedaliero è costituito da una struttura portante intelaiata in calcestruzzo armato gettato in opera. Il progetto originario, risalente al 1978, ha previsto la realizzazione di n° 6 corpi di fabbrica separati da giunti di spessore 15 e 30 cm e, quindi, strutturalmente indipendenti tra loro.
Globalmente l’edificio presenta pianta irregolare a “H” ed un ingombro di circa 33500 mq, con coperture piane praticabili.
I corpi A, B e C si sviluppano su sei piani fuori terra e presentano, inoltre un piano seminterrato e un piano interrato.
I corpi D, E e F si sviluppano, invece, su due piani fuori terra e presentano anch’essi un piano seminterrato e un piano interrato.
Tutti i corpi di fabbrica presentano telai bidirezionali in c.a., solai latero – cementizi con soletta di ripartizione in c.a. e tamponature costituite da doppia fodera di laterizi forati
È interessante notare che all’epoca di costruzione della struttura originaria, il territorio ove essa insiste era stato classificato come sismico di seconda categoria.
La struttura risulta dunque concepita per sostenere non solo i carichi gravitazionali (secondo il D.M. 16/06/1976), ma anche per resistere alle azioni sismiche secondo quanto previsto dalle norme DD. MM. 3/3/1975 n° 39.
ESITI VERIFICHE VULNERABILITÀ STATO DI FATTO
Le strutture del complesso ospedaliero sono state dettagliatamente analizzate e attraverso la modellazione FEM è stato possibile valutarne sia la capacità di resistenza ai carichi statici sia ai carichi sismici.
L’analisi numerica effettuata nella condizione dei soli carichi gravitazionali ha mostrato un esito sostanzialmente soddisfacente anche in relazione alle attuali NTC2018.
Per quanto concerne il comportamento del fabbricato in presenza di azioni sismiche il giudizio è tutt’altro che positivo: sebbene l’edificio sia stato progettato tenendo conto delle azioni orizzontali di tipo sismico, non possiede sufficiente capacità portante per sostenere i carichi di progetto orizzontali, valutati secondo le attuali normative tecniche vigenti. In particolare:
• Nonostante la presenza di telai bidirezionali, sono presenti nodi non confinati.
• I giunti esistenti risultano di spessore sufficiente ad evitare fenomeni di martellamento, a meno di due giunti che in ogni caso eccedono le verifiche di una percentuale limitate e solo al 100% del sisma di progetto.
• Le tamponature agli ultimi piani di tutti i corpi di fabbrica risultano vulnerabili al fenomeno di ribaltamento fuori piano sotto azioni orizzontali.
Alla luce di quanto sopra, considerato il tipo di analisi svolte (lineari dinamiche con fattore di comportamento), la valutazione della sicurezza dell’edificio in esame è stata valutata prendendo in considerazione il parametro definito dalla NTC2018, che costituisce il fattore indicativo per un rapido confronto tra l’azione massima sopportabile da una struttura esistente e l’azione massima che si utilizzerebbe in caso di progetto ex-novo.
Tale parametro è così definito:
In base al quadro di sintesi riportato nelle tabelle precedenti, è possibile dedurre il valore di indice di rischio sismico globale, relativo all’intera struttura, considerato pari al minore tra i valori pertinenti ai diversi corpi di fabbrica, per ciascuno stato limite considerato:
zE (SLD) = 0.27
zE (SLV) = 0.25
DEFINIZIONE DELLE STRATEGIE DI CONSOLIDAMENTO SISMICO
Attese le carenze allo stato di fatto, esistono diverse strategie di intervento. Partendo dal presupposto in cui la domanda risulti superiore alla capacità, in generale, è possibile classificare le strategie di intervento a seconda che negli interventi si agisca sulla riduzione della domanda e/o sull’aumento della capacità: si può, da una parte, intervenire aumentando la capacità delle strutture esistenti, attraverso rinforzi globali o agendo localmente aumentando la duttilità e/o la resistenza anche di singoli componenti.
Dall’altra parte, è possibile adottare strategie di intervento che riducano la domanda, ad esempio riducendo l’azione sismica sull’edificio tramite l’isolamento alla base, che aumenta il periodo della struttura, oppure lo smorzamento dell’azione sismica, con l’impiego di dispositivi di dissipazione viscosa, andando a ridurre lo spettro.
Data la principale esigenza di intervenire senza l’interruzione del servizio, ci si è orientati verso tecniche di controllo strutturale di tipo passivo come i sistemi di isolamento alla base: in caso di sollecitazione sismica, l’inserimento degli isolatori consente di incrementare il periodo proprio di vibrazione della struttura, allontanandolo dalla zona dello spettro di risposta con maggiori accelerazioni. Questo crea un disaccoppiamento dinamico della costruzione rispetto al terreno (effetto “filtro”), così da ridurre la trasmissione alla sovrastruttura dell’energia fornita dall’azione sismica.
Per effetto di quest’ultima, il sistema fondazione-isolatori-struttura è in grado di dissipare l’energia sismica del suolo: la dissipazione è concentrata quasi esclusivamente nei dispositivi di isolamento, i quali dissipano l’energia sismica trasmessa loro dalle fondazioni a spese di grandi deformazioni, mediante ampi cicli di isteresi.
Ciò consente alla sovrastruttura di avere una risposta praticamente in campo elastico.
Questo modifica considerevolmente l’input sismico, in quanto riducendo le accelerazioni trasmesse al fabbricato, si innalza considerevolmente la capacità di risposta della struttura nei confronti della resistenza ultima e dello stato limite di danno.
Tra le diverse tipologie di isolatori, la scelta progettuale si è orientata al sistema di isolamento sismico dell’intera struttura attraverso l’applicazione di Isolatori a scorrimento a superficie curva, con il puntuale dimensionamento delle caratteristiche nello studio delle sollecitazioni sui singoli pilastri.
Tali sistemi permettono il disaccoppiamento del moto terreno-struttura tramite uno scorrimento relativo di due superfici a contatto. Questo scorrimento si attiva nel momento in cui viene vinta la forza di attrito tra i piatti in contatto. Le superfici di contatto possono essere piane o curve. In questo secondo caso si parla di isolatori a pendolo (friction pendulum).
Il vantaggio dell’utilizzo di isolatori a pendolo è la capacità auto-ricentrante del dispositivo, che, invece, viene persa nel caso di superfici piane. Un importante vantaggio di questa famiglia di isolatori è l’elevata capacità portante sotto carico verticale, se confrontata con la famiglia degli isolatori elastomerici. Importante anche la caratteristica di mantenimento della prestazione strutturale in caso di incendio.
Dal punto di vista progettuale, il parametro di maggiore importanza del sistema di isolamento è la sua capacità di spostamento, ovvero il massimo spostamento ammissibile prima dell’innesco della crisi del dispositivo. Questo valore deve essere confrontato con quella che in gergo tecnico viene chiamata “domanda di spostamento sismica”, che dipende principalmente dalla sismicità del sito. In sostanza, la domanda di spostamento sismica rappresenta la richiesta di spostamento relativo terreno-struttura innescata dal terremoto.
Questo intervento porta a dover effettuare degli interventi aggiuntivi sulle “condizioni al contorno” del fabbricato, in modo tale che lo spostamento relativo tra terreno-elevazione, non sia impedito o non provochi danni.
La struttura è circondata prevalentemente da una intercapedine a cielo aperto che rende questo sistema come il più conveniente rispetto ad altri: laddove l’intercapedine è coperta da marciapiedi solidali al muro di contenimento terra, si prevedono la demolizione dell’esistente e la realizzazione di passerelle di collegamento in corrispondenza degli ingressi al fabbricato dotate di apparecchi di scorrimento alla base.
La presenza di travi bidirezionali e solai rigidi al primo impalcato della struttura, costituisce di per sè un diaframma rigido, per cui gli isolatori verranno installati al di sotto di tale diaframma, previo taglio dei pilastri.
Anche in questo caso, per evitare interferenze ed eventuale indebolimento degli elementi esistenti, oltre che per realizzare un piano di isolamento quanto più possibile altimetricamente uniforme, si rende necessaria la realizzazione di pulvini in c.a. provvisti di camicia di acciaio, propedeutica per la corretta installazione dei dispositivi a scorrimento.
In corrispondenza dei giunti tra i vari corpi di fabbrica, i pilastri adiacenti verranno ringrossati in modo tale da ottenere un unico elemento strutturale, dotato di opportuno pulvino di collegamento sul quale verrà installato il dispositivo di isolamento. Ciò, al fine di ridurre il numero di dispositivi, pur garantendo una sufficiente ridondanza del sistema, e per scongiurare l’insorgere di sollecitazioni di trazione che possano compromettere il buon funzionamento degli isolatori.
Per garantire un completo disaccoppiamento del moto della sottostruttura rispetto a quello della sovrastruttura, si rende altresì necessaria la demolizione delle rampe di collegamento tra il piano S2 ed S1, per i vani scala dei corpi A e C. Il collegamento verticale tra tali piani potrà poi essere ripristinato con nuove scale in carpenteria metallica, opportunamente giuntate alla struttura esistente.
SCELTA DELLA CATEGORIA DI INTERVENTO
La scelta della tipologia di interventi di riduzione del rischio sismico e del livello di sicurezza da raggiungere sono stati dettati in primo luogo dalla ridotta capacità resistente degli elementi strutturali (evidenziate dall’analisi di vulnerabilità sismica); in secondo luogo, si è tenuto conto anche dell’attuale destinazione d’uso del fabbricato, avente funzione di struttura ospedaliera e che quindi deve garantire sempre la propria operatività, anche durante la realizzazione di qualsiasi tipo di lavorazione.
Si sono previsti, dunque, interventi mirati all’adeguamento sismico della struttura (secondo definizione da NTC 2018) attraverso una riduzione della domanda sismica, attraverso l’installazione di dispositivi di isolamento sismico.
Questa scelta, unitamente con le tecnologie di intervento adottate, comporta i seguenti vantaggi:
• incremento significativo del periodo proprio di vibrazione della struttura esistente, con conseguente abbattimento dell’azione sismica;
• l’impiego di un sistema di isolamento sismico consente che la struttura lavori sempre in campo lineare e quindi non induce nessuna deformazione sostanziale negli elementi principali. Questa caratteristica preserva l’integrità ed annulla i danneggiamenti di tutti gli elementi non strutturali come i tamponamenti; inoltre garantisce un’assoluta protezione di quanto contenuto nella struttura. Gli oneri di manutenzione della struttura dopo un terremoto sono praticamente azzerati;
• intervento limitato ad un solo piano (secondo interrato) di tutta l’intera struttura: rinforzo locale dei pilastri e inserimento dell’isolatore riguardano solo quel livello specifico. Tutti i livelli superiori a quello di isolamento non richiedono nessun intervento in quanto le sollecitazioni agenti sono notevolmente ridotte e quindi possono mantenere le caratteristiche architettoniche originarie. Il lavoro di taglio dei pilastri ed inserimento degli isolatori può essere effettuato senza interferire con le attività svolte ai piani superiori;
• Scelta di dispositivi a bassa manutenzione, come gli isolatori a pendolo scorrevole a superficie curva. Questi sono completamente realizzati in carpenteria metallica e materiali sintetici e quindi non sono soggetti a nessun fenomeno di deterioramento. La manutenzione può considerarsi marginale in quanto è necessario, solo ogni 5 anni circa un controllo visivo della protezione corrosiva. Inoltre, a seguito di un evento sismico, nessuno degli elementi costituenti il dispositivo necessita di essere sostituito: si richiede solo una supervisione straordinaria.
METODOLOGIA DI PROGETTO
L’analisi della risposta dell’edificio in condizioni sismiche è stata eseguita per mezzo di analisi dinamiche modali con spettro di risposta assegnato (spettro da RSL normalizzato). La sovrastruttura e la sottostruttura sono state modellate come sistemi a comportamento elastico lineare, mentre il sistema di isolamento, in relazione alle sue caratteristiche meccaniche, con un legame costitutivo visco-elastico lineare.
In particolare, ai fini della descrizione del comportamento degli isolatori, è stata adottata una rigidezza equivalente riferita allo spostamento totale di progetto, per ogni stato limite esaminato, di ciascun dispositivo facente parte del sistema di isolamento.
La rigidezza totale equivalente del sistema (Kesi) di isolamento è pari alla somma delle rigidezze equivalenti dei singoli dispositivi.
L’energia dissipata dal sistema di isolamento è espressa in termini di coefficiente di smorzamento viscoso equivalente del sistema (ξesi), valutato con riferimento all’energia dissipata dal sistema di isolamento, in cicli con frequenza nell’intervallo delle frequenze naturali dei modi considerati.
Di seguito si riportano alcune immagini del modello di calcolo adottato.
Come si può osservare dalle immagini sopra riportate, l’introduzione del sistema di isolatori consente il disaccoppiamento del moto sovrastruttura/sottostruttura. L’elongazione del periodo prodotta dai dispositivi, comporta spostamenti molto più elevati all’interfaccia di isolamento rispetto agli spostamenti ante operam, ma il moto della sovrastruttura è quasi completamente di tipo traslazionale (effetti torsionali indotti quasi esclusivamente dalle eccentricità accidentali prescritte dalla normativa) di tipo rigido, a conferma dell’efficacia del sistema progettato.
TIPOLOGIA DI ANALISI
Per fornire una indicazione della sicurezza sismica del fabbricato isolato sismicamente POST OPERAM, come argomentato nei paragrafi precedenti, si è proceduto ad un’analisi di tipo dinamico lineare (RSA). Tale analisi è stata condotta per il 100% dell’azione sismica di progetto.
Come si può notare dagli spettri sopra riportati, per periodi T ≥ 0.8 Tis (periodo della struttura isolata), in accordo con la normativa vigente, vi è una riduzione delle ordinate spettrali pari a:
Dove:
è lo smorzamento viscoso equivalente del sistema di isolamento.
La struttura isolata, a seguito degli interventi previsti, presenta un periodo proprio significativamente maggiore, rispetto ai periodi fondamentali di ciascun corpo di fabbrica ante operam. Questo, unitamente con l’incremento di smorzamento offerto dai dispositivi a scorrimento a superficie curva, comporta una notevole riduzione della domanda sismica in termini di accelerazione.
CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE POST OPERAM
Per il complesso ospedaliero, individuate le criticità più importanti, si sono progettati interventi ad hoc tesi all’adeguamento sismico del presidio e alla minima invasività.
Le analisi svolte sul modello di calcolo implementando gli interventi precedentemente illustrati hanno mostrato esito soddisfacente, per tutte le verifiche previste dalle vigenti normative tecniche.
La valutazione della sicurezza dell’edificio in esame POST OPERAM ha evidenziato i seguenti indici:
• INDICE DI RISCHIO SISMICO ANTE OPERAM zE (SLD) = 0.27
• INDICE DI RISCHIO SISMICO POST OPERAM zE (SLD) = 1
• INDICE DI RISCHIO SISMICO ANTE OPERAM zE (SLV) = 0.25
• INDICE DI RISCHIO SISMICO POST OPERAM zE (SLV) = 1
La realizzazione del sistema di isolamento consente di adeguare sismicamente la struttura, in accordo con le prescrizioni delle vigenti NTC2018.
– Progetto a cura di Chiara Esposito – Ingegnere Civile Strutturista –
