- Valutazione del comportamento e criteri di miglioramento sismico di strutture prefabbricate monopiano
Il terremoto che ha interessato l’Emilia nel 2012 ha mostrato la grande vulnerabilità sismica delle strutture prefabbricate esistenti nella zona. Il sottoscritto ha preso parte ha numerosi sopralluoghi che hanno avuto come oggetto l’individuazione e l’analisi delle cause dei crolli sulla base dei quali si è potuto stabilire ed evincere una serie di criteri e metodologie per il miglioramento/adeguamento sismico di tali strutture. Dall’analisi dei danni rilevati sulle strutture, si sono ricercate le cause più probabili ed evidenti che hanno provocato i maggiori danni agli edifici. Spesso le diverse cause hanno inoltre interagito tra di loro portando ad uno scenario di danneggiamento più complesso e con cause più difficili da individuare. In questi casi la scelta e la progettazione del tipo di intervento più opportuno da adottare è più complessa. L’obiettivo del lavoro è stato perciò quello di stabilire delle metodologie per individuare le carenze gravi alle strutture e di progettare gli interventi adatti a risolverle e ad eliminarle.
Un ulteriore filone di ricerca e di sviluppo intrapreso è quello che ha mirato a fornire delle indicazioni in merito a criteri di modellazione agli elementi finiti delle strutture prefabbricate con particolare riferimento alla scelta della modellazione dei collegamenti e delle connessioni tra elementi. Tutto questo nell’ottica di stimare quanto più precisamente sia possibile il reale comportamento dinamico delle strutture reali prefabbricate. Nello studio gli effetti dovuti alla presenza o meno di tamponamenti collaboranti saranno debitamente considerati come pure gli effetti legati alla non rigidezza dell’impalcato, ipotesi spesso difficile da verificare per la presenza di aperture in copertura e mancanza di collegamenti rigidi tra elementi orizzontali del solaio. Legato a tale studio e alla sua applicazione si sono realizzati analisi del tipo time-history sui modelli numerici agli elementi finiti di tre diversi capannoni industriali danneggiati dai sismi del 2012 e di cui si è indagato lo stato di danneggiamento col fine di giustificare numericamente quello che è accaduto praticamente in termini di meccanismi di danneggiamento esibiti dalle tre strutture.
Il sottoscritto ha partecipato inoltre ad una campagna sperimentale volta alla valutazione del comportamento sotto azioni cicliche di connessioni pilastro-trave di strutture parzialmente prefabbricate e completate in opera. Nel corso delle prove in oggetto sono stati imposti spostamenti ciclici di ampiezza crescente alle estremità delle travi simulando così l’azione sismica. Il sottoscritto ha inoltre condotto analisi numeriche al fine di simulare il comportamento ciclico ottenuto sperimentalmente.
- Identificazione dinamica mediante prove sperimentali e monitoraggio sismico di strutture esistenti
Il sottoscritto ha collaborato alla realizzazione di una campagna sperimentale di prove dinamiche, condotte su di un campanile sito a Ficarolo (RO) e seriamente danneggiato dagli eventi sismici del 2012. La campagna è consistita in due prove di caratterizzazione dinamica della struttura mediante registrazione e rielaborazione dell’eccitazione dinamica indotta da vibrazioni naturali. La prima prova è stata realizzata dopo gli eventi sismici che ne hanno causato il danneggiamento; la seconda dopo gli interventi di consolidamento e ripristino della struttura fornendo indicazioni sull’efficacia del rinforzo. La strumentazione utilizzata per la misura della risposta dinamica della struttura in termini di accelerazione è costituita da 12 accelerometri biassiali di tipo innovativo a tecnologia MEMS. Il sistema di monitoraggio innovativo è il sistema SHM602 prodotto dalla Teleco S.p.A. e sviluppato congiuntamente alle Università di Bologna e Modena-Reggio Emilia. Dalla rielaborazione dei risultati sperimentali è stato possibile inoltre avere informazioni per mettere a punto la miglior configurazione di sistema di monitoraggio permanente, installato successivamente. Il sottoscritto ha collaborato alla installazione e configurazione del sistema di monitoraggio permanente, e tuttora sta gestendo il sistema rielaborando i dati che il sistema giornalmente acquisisce. La strumentazione che è stata installata sulla struttura muraria della torre campanaria è costituita da una unità di acquisizione e da 8 accelerometri piezoelettrici ad alta sensibilità e due sonde di temperatura ed umidità. L’unità di acquisizione è un prodotto specifico National Instruments per acquisizioni in remoto per sensori di diversa natura. L’unità di acquisizione è dotata di processore e memoria in modo tale da gestire tutto il processo di acquisizione e di salvataggio dei dati acquisiti. Il sistema stesso rappresenta un efficace strumento di controllo in tempo reale dello stato di salute della struttura in seguito ad un evento calamitoso. Al contempo, mediante le informazioni registrate anche dalle due sonde si cercherà di individuare una possibile correlazione tra variazioni di umidità e temperatura e frequenze di vibrazione.
- Analisi di vulnerabilita’ statica e sismica di edifici storici e monumentali
La muratura è il materiale con cui è realizzato la maggior parte del patrimonio monumentale italiano. La percentuale di edifici realizzati con tale materiale cresce decisamente poi se si considerano i soli manufatti realizzati qualche secolo fa. Il pregio di tale materiale da costruzione risiede principalmente nel fatto che, essendo realizzato blocco su blocco e quasi interamente a mano, consente una estrema versatilità di posa accompagnata una buona velocità di realizzazione. Tale sistema costruttivo, come dimostrano gli edifici storici in muratura arrivati fino ad oggi, risulta essere inoltre un sistema assai duttile e adattabile composto da uno scheletro più rigido, i blocchi e da un legante deformabile, la malta. Tale peculiarità è di notevole importanza soprattutto se si pensa alla capacità de formativa richiesta da un evento sismico. E’ di notevole importanza quindi, avere affidabili modelli di rappresentazione dei sistemi in muratura per poter svolgere analisi per carichi verticali ed orizzontali al fine di indagare la sicurezza di un edificio o stimarne la sua vulnerabilità alle azioni esterne. Per poter inoltre proporre un intervento di consolidamento e miglioramento che sia efficace occorre inoltre conoscere quali sono le reali capacità della struttura sia in termini di resistenza, e quindi di capacità portante, che di duttilità e quindi di capacità de formativa. Il sottoscritto ha condotto studi di vulnerabilità e sulla individuazione delle criticità di edifici monumentali anche di rilevante valore storico-culturale sia da un punto di vista semplificato che da un punto di vista più raffinato (mediante analisi numeriche su modelli agli elementi finiti) al fine di impostare utili confronti sulle riserve di sicurezza che queste strutture posseggono nei confronti delle azioni sismiche.
- Comportamento meccanico e applicazioni strutturali di materiali innovativi FRCM
A seguito dei numerosi eventi sismici avvenuti negli ultimi anni anche in Italia, il rinforzo strutturale degli edifici storici in muratura è diventato un tema sempre più rilevante nell’ambito dell’ingegneria civile. Tali edifici, infatti, sono altamente vulnerabili nei confronti di azioni fuori piano, quali terremoti e pressioni del vento elevate, costituendo di conseguenza un pericolo per la salvaguardia della vita umana. Accanto alle convenzionali tecniche di consolidamento, talvolta complesse e onerose, se ne sono affiancate alcune di recente innovazione, fra cui l’impiego dei materiali compositi fibrorinforzati, derivanti dalla combinazione di due o più fasi di diversa natura, allo scopo di raggiungere prestazioni più elevate rispetto ai singoli materiali costituenti. Questi materiali, in virtù della loro elevata leggerezza e delle loro notevoli prestazioni meccaniche, sono ormai ampiamente diffusi nel settore del recupero strutturale.
I materiali compositi a matrice polimerica FRP, Fiber Reinforced Polymers, sono stati i primi a comparire nel mercato edilizio. Essi tuttavia presentano alcuni svantaggi, come la sensibilità alle alte temperature e l’incompatibilità con supporti in muratura. Per oltrepassare tali limiti, un’altra tipologia innovativa di composito è attualmente oggetto di ricerca: i materiali compositi a matrice inorganica cementizia FRCM, Fiber Reinforced Cementitious Matrix.
Il sottoscritto ha collaborato allo svolgimento di campagne sperimentali per lo studio del comportamento a trazione e della legge di aderenza mattone-rinforzo di campioni di FRCM. Da tali prove, utilizzate per la definizione delle proprietà meccaniche del pacchetto di rinforzo si è passati alla calibrazione di modelli numerici agli elementi finiti e interpretativi del comportamento sperimentale. Dopo la definizione del comportamento del pacchetto di rinforzo in FRCM si sono valutate le performance di alcune applicazioni di rinforzo di tali pacchetti su muri in scala reale testati a pressoflessione fuori-piano. Durante tali prove sono state definite le modalità di rottura più comuni e ed è stato possibile testare l’efficienza dei rinforzi provando muri con e senza rinforzo.
- Stima del comportamento dinamico di edifici mediante analisi su modelli anelastici equivalenti e criteri di ottimizzazione strutturale
Le strutture in c.a., se sottoposte ad azione sismica, presentano un comportamento molto complesso (a causa della non linearità geometrica e dei materiali) che per essere correttamente modellato richiede l’uso di analisi dinamiche non lineari nel dominio del tempo. Pertanto l’azione sismica deve essere definita tramite accelerogrammi. Questi possono essere ottenuti in diversi modi: si può ricorrere ad accelerogrammi artificiali oppure si possono impiegare accelerogrammi registrati nel corso di eventi sismici passati. L’adozione di accelerogrammi come input sismico rende le analisi su strutture reali spesso anti economiche e troppo onerose da un punto di vista computazionale.
Il sottoscritto ha studiato diverse metodologie per lo studio e la valutazione del comportamento sismico di edifici a telaio e ha proposto dei criteri per la definizione di un metodo che prevede la realizzazione di un modello equivalente a pochi gradi libertà, classificato come stick nel report FEMA 440 e ricavato a partire da un modello dettagliato della medesima struttura (la cui definizione è sempre data nel documento statunitense FEMA 440). Il modello ESM (Equivalent Stick Model) qua introdotto, è ottenuto mediante determinazione delle curve di capacità di piano dei gradi di libertà ritenuti significativi e applicando regole di condensazione statica sui gradi di libertà. Tali curve di capacità, sono ricavate mediante analisi statico-incrementali, derivanti dall’applicazione al modello dettagliato della struttura, di una distribuzione di carico orizzontale accresciuta in maniera monotona.
Ulteriori indicazioni sono state date in merito alla definizione delle leggi isteretiche più opportune, da adottare per il singolo grado di libertà, e per l’attribuzione delle masse traslazionali e rotazionali da calcolare ed inserire nel modello stick. Il modello numerico assemblato, vista la sua estrema economicità computazionale legata ai pochi gradi di libertà di cui è costituito, viene utilizzato per condurre analisi dinamiche time-history in cui l’input sismico viene modellato mediante accelerogrammi.
Il modello ESM, viene poi inserito, nel contesto più ampio di una procedura progettuale denominata, per ovvie ragioni, ESMM (Equivalent Stick Model Method), che rappresenta un’estensione alla determinazione del modello equivalente e fornisce una possibile modalità di applicazione di quest’ultimo. La procedura consta complessivamente di otto step, discussi diffusamente nella tesi, di cui i primi cinque descrivono i passi per l’ottenimento del modello stick, mentre gli altri tre danno le indicazioni per una possibile modalità d’applicazione.
Da ultimo, per la validazione dell’intera metodologia, si sono considerate applicazioni a casi studio rappresentanti strutture reali. I risultati ottenuti mediante analisi sui modelli stick possono essere quindi pensati e visti come, un’approssimazione ottenuta mediante un modello equivalente, dei risultati, ritenuti esatti, derivanti dalle analisi dinamiche condotte sul modello dettagliato. Le time-history condotte sui modelli equivalenti stick mostrano generalmente una buona corrispondenza, talvolta ottima, con le analisi sui modelli tridimensionali dettagliati ma risultano essere molto meno onerose computazionalmente. La procedura proposta e il modello equivalente ricavato, possono essere efficacemente impiegati nella progettazione di un nuovo edificio o nello studio di uno esistente. Il modello nello specifico risulta essere particolarmente attraente in applicazioni di ricerca o di progettazione in cui analisi dinamiche siano da eseguirsi in maniera ricorsiva e ripetitiva. Vista l’incertezza legata alla definizione dell’input dinamico, le differenze tra la risposta sismica determinata dal modello dettagliato, e quella stimata mediante un modello stick, sono generalmente, abbondantemente all’interno della variabilità dello spostamento orizzontale richiesto ad una struttura e determinato utilizzando più input sismici di intensità paragonabili.
- Rilievo dei danni e valutazione delle possibili cause di collasso di edifici colpiti dal sisma 2012
Il terremoto che ha interessato l’Emilia nella primavera del 2012 ha indubbiamente mostrato la grande vulnerabilità sismica delle strutture prefabbricate esistenti nella zona. Il sottoscritto ha preso parte ha numerosi sopralluoghi che hanno avuto come oggetto l’individuazione e l’analisi delle cause dei crolli. Le cause principali dei crolli sono da imputare alla mancata applicazione di regole di progetto antisismico, conseguente alla mancata classificazione sismica delle zone interessate. Infatti, i collassi avvenuti hanno evidenziato la vulnerabilità degli edifici prefabbricati non progettati secondo criteri antisismici. In particolare, la mancanza di connessioni tra le varie parti monolitiche degli edifici è stata la causa principale della maggior parte dei collassi. I grandi spostamenti in sommità che hanno causato la perdita di appoggio delle travi prefabbricate dai pilastri o di tegoli di copertura in appoggio semplice sulle travi sono stati in alcuni casi accentuati anche da altri fenomeni quali, ad esempio, l’interazione con elementi non strutturali, in particolare i pannelli di tamponamento, in muratura o prefabbricati, e le irregolarità in pianta dei fabbricati. Inoltre, molti crolli hanno interessato pannelli di tamponamento prefabbricati a causa dell’inadeguatezza dei lori sistemi di ancoraggio sugli elementi di supporto. Alcuni crolli anche molto estesi, sono con buona probabilità correlati dall’inadeguatezza delle fondazioni, non progettate nei riguardi delle azioni orizzontali derivanti dal sisma, ma solo per l’azione del vento. Infine, numerosi crolli sono avvenuti a causa del ribaltamento di scaffalature di magazzini o di magazzini automatizzati, le cui strutture portanti, dimensionate per carichi verticali, non hanno retto alle azioni orizzontali.
In questo ambito il sottoscritto ha studiato numerose strutture esistenti al fine di definire e identificare le più probabili cause dei crolli.
