Il portale delle costruzioni in acciaio in Italia

Progettazione di interventi su edifici esistenti

adeguamento sismico e innovazione


Gli interventi sull’esistente costituiscono un tema di sempre più sentita importanza di fronte all’invecchiare del patrimonio delle costruzioni e delle infrastrutture realizzate durante i decenni della forte crescita economica e demografica del secolo scorso. Tra questi compare predominante il problema della sicurezza sismica delle costruzioni esistenti, realizzate secondo criteri antisismici obsoleti oppure senza considerare l’azione sismica perché al momento del progetto l’area nella quale sarebbero state realizzate non ricadeva tra quelle classificate sismiche. Oggi è ben noto come l’intero territorio italiano sia soggetto a rischio sismico e i recenti eventi hanno purtroppo evidenziato la vulnerabilità sismica del costruito quale emergenza sociale ed economica che minaccia sia la vita degli abitanti che le attività produttive. Per questi motivi la ricerca di soluzioni efficaci e competitive per ridurre la vulnerabilità delle costruzioni esistenti nei confronti dei terremoti e le loro applicazioni sul campo hanno assunto ruoli di crescente centralità nel settore delle costruzioni. In tale ambito l’acciaio gioca un ruolo indubbiamente fondamentale grazie alle seguenti peculiarità:
  • leggerezza degli elementi strutturali, resa possibile da un elevato rapporto peso/resistenza, una caratteristica che, a sua volta, consente di semplificare il trasporto e la posa in opera delle strutture e di ridurre al minimo gli effetti collaterali dovuti all’incremento del carico e delle masse sulle strutture esistenti;
  • dimensioni contenute degli elementi strutturali, come conseguenza naturale dell’elevata efficienza strutturale dell’acciaio, una caratteristica che consente di semplificare la sostituzione e/o l’integrazione di opere esistenti con elementi rinforzanti;
  • pregio estetico degli elementi in acciaio, fondamentale quando la sinergia strutturale tra materiali vecchi e nuovi si coniuga con il valore architettonico che nasce dal contrasto tra caratteristiche disomogenee;
  • rapidità di costruzione, una caratteristica sempre auspicabile, ma in particolar modo quando l’intervento è urgente oppure quanto non è possibile una interruzione prolungata dell’uso della costruzione;
  • reversibilità degli interventi, caratteristica delle strutture in acciaio basata sui collegamenti a secco smontabili, importante soprattutto per gli interventi sull’edilizia storica.
Per tali motivi la carpenteria metallica è una soluzione che molto ben si presta agli interventi strutturali volti alla riduzione della vulnerabilità sismica delle costruzioni esistenti, comunemente realizzate in muratura o in calcestruzzo armato.

Ex Fornace Morandi - Bruno Stocco Architetto
Figura 1 - Recupero dell'ex Fornace Morandi, Padova

Nell’ambito di tali interventi, occorre distinguere tra miglioramento e adeguamento sismico. Nel miglioramento sismico i provvedimenti adottati permettono di garantire una maggiore sicurezza, ad esempio tramite il rinforzo di alcuni elementi strutturali maggiormente vulnerabili, senza modificare in modo significativo lo schema statico della costruzione e senza raggiungere le prestazioni richieste dalla normativa per le nuove costruzioni.
L’intervento di adeguamento sismico, invece, prevede che la struttura sia in grado di resistere agli stessi carichi di progetto richiesti per le nuove costruzioni. Ciò potrebbe comportare la massiccia alterazione del sistema strutturale e la modifica radicale della risposta dell’edificio alle sollecitazioni sismiche.
La normativa nazionale specifica che è possibile eseguire lavori di miglioramento in caso di cambio di destinazione d’uso, per eliminare errori di progettazione e/o esecuzione, quando l’intervento di consolidamento è eseguito su edifici monumentali non adatti a lavori di più ampio respiro.
L’adeguamento sismico è invece obbligatorio nei casi di sopraelevazione o ampliamento di un fabbricato con aumento della volumetria e delle superfici, aumento dei carichi dovuto a un cambio di destinazione d’uso, modifica sostanziale del sistema strutturale a seguito di interventi di rinnovamento rispetto all’originale o, in generale, quando la ristrutturazione comporta un’alterazione del comportamento statico complessivo.
La progettazione degli interventi di adeguamento richiede una preliminare analisi di vulnerabilità della costruzione esistente e la definizione degli obiettivi progettuali, fissando le prestazioni richieste in caso di azioni sismiche: limitazione del danneggiamento degli impianti e del contenuto (controllo delle accelerazioni assolute), limitazione del danneggiamento degli elementi non strutturali (controllo degli spostamenti relativi), sicurezza nei confronti della rottura (controllo delle sollecitazioni e delle deformazioni), protezione a seguito di un evento sismico e sostituzione degli elementi danneggiati, fattibilità e rapporto tra costi e benefici. Successivamente si procede con la definizione della strategia di intervento che può prevedere un incremento di duttilità, dissipazione, resistenza e rigidezza. Per raggiungere tali incrementi di prestazioni strutturali si può in generale procedere tramite interventi sugli elementi strutturali oppure tramite l’inserimento di dispositivi extra-strutturali. Una terza via prevede la riduzione dell’energia sismica in ingresso tramite isolamento sismico.
Grazie alle sue peculiarità prima discusse, l’acciaio può essere utilizzato con successo sia per interventi locali di rinforzo degli elementi strutturali (Figura 2) che per la realizzazioni di dispositivi che affiancano la struttura esistente. Tra queste ultime soluzioni si annoverano i controventi dissipativi, utilizzati con successo in molti recenti interventi di adeguamento sismico di strutture esistenti.

Interventi di rinforzo
Figura 2 - Interventi di rinforzo condominio Giuliani, L'Aquila. Opere di riparazione e rafforzamento locale con esito "E" a seguito del sisma del 2009 - rinforzi strutturali con metodo CAM su struttura in cemento armato.

I controventi possono essere inseriti all’interno dei telai della struttura esistente con circoscritti interventi di demolizione e ricostruzione delle tamponature esterne e dei divisori interni, eventualmente affiancati da rinforzi locali nelle travi e nei pilastri. Ciò determina una interruzione nella fruizione delle costruzioni oggetto dell’adeguamento sismico limitata nel tempo e negli spazi convolti. La dissipazione può avvenire ad esempio tramite sistemi elastoplastici ad instabilità impedita che si basano sul comportamento isteretico dell’acciaio quando si supera la forza di snervamento, oppure tramite sistemi viscoelastici che sfruttano le proprietà dissipative di gomme ad alta capacità di smorzamento.
Dato che spesso ci si trova di fronte a strutture esistenti con ridotta duttilità, un punto critico nella progettazione di tali sistemi di controventi dissipativi è quella di garantire l’attivazione della dissipazione per spostamenti laterali ridotti. Ciò determina, nel caso dei controventi ad instabilità impedita, l’utilizzo di elementi sacrificali piuttosto corti, quindi solo un tratto del controvento sarà danneggiato ed eventualmente sostituito in caso di azione sismica di elevata entità.
Una soluzione alternativa che preveda dissipatori elastoplastici o viscoelastici è quella che sfrutta sistemi di controvento esterni alla struttura esistente. Adottando questa soluzione si possono ottenere numerosi vantaggi: non si interrompe l’utilizzo della struttura esistente in quanto tutte le operazioni di costruzione e montaggio non coinvolgono gli spazi interni, le fondazioni esistenti non sono gravate da carichi aggiuntivi in condizioni statiche e sismiche, è più semplice controllare il comportamento sismico in quanto il progetto non è vincolato alla distribuzione degli spazi interni e meno influenzato dalla planimetria dell’edificio, è possibile integrare nei dispositivi esterni funzioni accessorie, quali scale di sicurezza o pianerottoli di collegamento, o elementi di caratterizzazione architettonica.
 

BENI CULTURALI: TUTELA E VALORIZZAZIONE


Gli edifici esistenti con valenza storico-monumentale costituiscono uno straordinario patrimonio per l’Italia e necessitano di essere salvaguardati come documenti delle radici culturali del paese e valorizzati affinché possano essere inseriti in un circuito economico di crescita. Il deterioramento dei materiali e la concezione statica legata alle sole azioni gravitazionali rendono le costruzioni storiche estremamente vulnerabili nei confronti dell’azione sismica e richiedono interventi in grado di preservarne l’integrità. Affinché non si abbia la perdita del valore culturale del bene architettonico, e perché questo possa essere consegnato ai posteri, gli interventi devono essere concepiti ed eseguiti nella logica del restauro.
La scelta delle tecniche di intervento è questione assai complessa ed è subordinata alla profonda conoscenza del bene in cui le questioni storiche ed evolutive sono da ricostruire sovrapponendo alle vicissitudini politico-culturali e naturali, i risultati di studi archivistici ed iconografici, e quelli di analisi geometrico-architettoniche e materico-strutturali. Prima di scegliere i materiali è necessario concepire l’intervento mirando a ridurre o eliminare puntualmente le vulnerabilità riconosciute, lasciando inalterati i meccanismi non interessati, rispettando l’autenticità del bene, limitando al massimo le sostituzioni e conservando i materiali originali con un completo controllo visivo dei presidi posti in opera. L’intervento dovrà essere non invasivo, ovvero reversibile, affinché possa essere manutenuto e sostituito nel momento in cui si rendano disponibili nuovi materiali o tecnologie ancor meno invasive di quelle usate; l’intervento dovrà essere realizzato valutando le compatibilità meccanico-strutturali e quelle chimico-fisiche con i materiali ed i sistemi costruttivi del bene architettonico.

Opificio Golinelli
Figura 3 - Recupero dell'Opificio Golinelli, Bologna

I sistemi di rinforzo possono essere concepiti impiegando materiali tradizionali posti in opera con tecniche affini a quelle originali o con tecniche innovative, o impiegando elementi strutturali realizzati con materiali moderni in affiancamento o in sostituzione di elementi degradati, per rinforzare la struttura indebolita o per integrare la struttura esistente in modo da eliminare le vulnerabilità intrinseche del sistema tradizionale.
Ciò premesso, la scelta dei materiali e delle tecniche di intervento devono essere le più adatte alla conservazione del valore culturale del bene. In un trascorso non molto lontano l’uso del cemento portland e del calcestruzzo strutturale ha fatto pensare a sistemi compatibili con gli edifici storici, realizzati in massima parte in muratura, fino a che eventi clamorosi e tragici hanno dimostrato non solo l’incapacità di preservare la costruzione ma anche la dannosità dell’uso di questi materiali spesso incompatibili anche dal punto di vista chimico-fisico. L’inserimento di elementi in calcestruzzo armato, infatti, oltre che aumentare le masse delle costruzioni, introduce evidenti discontinuità strutturali, capaci di mettere in discussione gli equilibri necessari a garantire la staticità di sistemi basati sul comportamento attritivo del materiale. Alla luce di ciò, l’acciaio, già storicamente usato, rimane il materiale più affidabile negli interventi di restauro strutturale in quanto possiede tutte le caratteristiche atte a garantire la piena compatibilità con l’edificio storico.
Il primo punto a favore dell’uso di elementi in acciaio è sicuramente la quasi completa reversibilità dei sistemi che vengono posti in opera prefabbricati ed ancorati alla costruzione esistente per mezzo di piastre di contrasto ed elementi di contatto. Sistemi di tiranti realizzati con acciai ad alte prestazioni sono per questo molto usati proprio nella predisposizione di presidi atti a contrastare le spinte di archi e volte in edifici di assoluto interesse storico (Figura 4) ed archeologico.

Campanile dei Frari
Figura 4 - Presidi metallici in quota messi in opera nel Campanile dei Frari, Venezia, in occasione degli interventi di consolidamento statico

Secondo aspetto vincente è la possibilità di realizzare sistemi per assolvere a compiti specifici senza alterare i meccanismi resistenti virtuosi del sistema esistente (criterio del minimo intervento). Ad esempio, possono essere realizzate cordolature di coronamento degli edifici per conferire alla muratura il necessario incatenamento sommitale, favorendo l’ancoraggio di elementi esistenti (es. capriate in legno) affinché non si sfilino dagli alloggiamenti e nel contempo costituiscano un vincolo nei confronti del ribaltamento delle pareti, senza aggiungere masse significative e garantendo la massima flessibilità nei confronti degli spostamenti verticali che devono essere lasciati liberi per non alterare gli stati tensionali dovuti alle azioni gravitazionali (Figura 5).

Palazzo Straboni Fermo
Figura 5 - Cordolature intralicciate di coronamento, Palazzo Straboni, Fermo

Altro esempio significativo è la possibilità di progettare nel dettaglio sistemi di irrigidimento di piano, da porre in opera a secco e capaci di integrare anche elementi rompitratta, atti a garantire l’efficienza membranale interferendo al minimo con il regime tensionale dovuto ai carichi verticali con minimi aggravi di massa e garantendo la conservazione degli orizzontamenti e coperture esistenti (Figura 6).

Comune di Poggio San Marcello
Figura 6 - Irrigidimenti membranali con travi rompitratta e irrigidimenti di copertura, Comune di Poggio San Marcello (AN)

Terzo aspetto positivo è la similitudine tra sistemi di orizzontamento e copertura in legno e in acciaio; se sostituire un solaio in legno con uno in calcestruzzo armato è operazione alquanto invasiva e dannosa per una costruzione esistente in muratura, la sostituzione di elementi lignei (travi e capriate) con elementi simili in acciaio, per quanto discutibile dal punto di vista materico, è assolutamente compatibile dal punto di vista costruttivo e meccanico-strutturale.
Quarto aspetto positivo, al quale si è già fatto cenno, è l’ottimo rapporto prestazionale tra caratteristiche meccaniche e massa, fondamentale nel limitare l’inerzia dei sistemi. Ciò rende particolarmente adatto l’uso dell’acciaio nella valorizzazione degli edifici storici: la possibilità di progettare sistemi con massa ridotta (in alcuni casi compensabile con la sostituzione di elementi non strutturali) e comportamento specializzato per fronteggiare azioni specifiche (soppalchi, passerelle, scale) permette l’inserimento di sistemi strutturali in grado di amplificare la fruibilità del bene senza alterarne il comportamento sismico complessivo e mantenendo la permeabilità visiva necessaria per godere degli apparati della costruzione storica (Figura 7).

Ex concerie di Fabriano
Figura 7 - Intervento per il riuso delle ex concerie di Fabriano (AN)

Quinto punto di attenzione riguarda la riconoscibilità dell’intervento. Particolarmente significativi sono i sistemi di integrazione di elementi lignei capaci di garantire la conservazione materica degli elementi strutturali originali rispettando appieno il criterio della riconoscibilità dell’intervento (Figura 8).

Abbadia di Fiastra
Figura 8 - Interventi di rinforzo solaio in legno, Abbadia di Fiastra (MC)

Infine la compatibilità chimico-fisica del materiale, un tempo discussa per la facile ossidabilità caratterizzata da aumento di volume e colature, è oggi superata dall’impiego di elementi zincati o in acciaio inossidabile che possono essere usati occasionalmente per risarcire lesioni nei paramenti murari, realizzare l’ammorsamento tra paramenti privi di elementi di ingranamento o come elementi di ancoraggio di strutture in acciaio esterne.
 

TERREMOTI E SOSTENIBILITà: IL PRIMATO DELLA COSTRUZIONE IN ACCIAIO


In termini generali, è evidente che i terremoti producono perdite economiche e sociali particolarmente rilevanti.
E' altrettanto consolidato il fatto che la prevenzione, intesa come l'insieme delle azioni necessarie a ridurre il rischio sismico, costi meno delle perdite, dirette e indirette, da affrontare in caso di terremoto. Nonostante questo, la prevenzione incontra spesso resistenze nella sua applicazione per motivi legati alla percezione del rischio che conducono spesso a scelte irrazionali. Costruire una nuova costruzione con prestazioni sismiche migliori richiede solitamente un incremento, lieve ma certo, dei costi iniziali di costruzione mentre riduce drasticamente le perdite quantificabili nel caso di terremoto. Questo evento viene comunque percepito come improbabile, anche se così non è nell'arco di vita di una costruzione, e il problema ignorato. A questo aspetto, di carattere culturale e relativo alle nuove costruzioni, si somma il problema delle costruzioni esistenti, per le quali un'azione di prevenzione completa e immediata non sarebbe economicamente sostenibile.
Le considerazioni precedenti hanno determinato una crescente attenzione per tutti gli studi orientati ad una valutazione più razionale del rischio sismico e, più in generale, della sua influenza sui costi attesi nell'arco di vita dell'edificio. Studi che prendono in esame sia le possibili perdite dirette (es. riparazione dei danni) che quelle indirette (es. interruzione delle funzioni), valutando i costi in termini di consumo di risorse e di impatto ambientale. Il mondo delle costruzioni si sta velocemente muovendo verso nuovi criteri per orientare le scelte nell'ambito delle nuove costruzioni e per individuare priorità e strategie di intervento per quello che riguarda il patrimonio esistente.
Per quanto riguarda le nuove costruzioni, le migliori prestazioni della costruzione in acciaio rispetto ad altre soluzioni, in termini di sostenibilità, è un fatto ormai riconosciuto e già oggetto del numero monografico di Architetture in Acciaio dedicato alla sostenibilità. E' interessante sottolineare che questo primato è confermato anche nello specifico delle costruzioni in zona sismica: ad esempio si riporta il confronto tra consumo di energia richiesto per due costruzioni con le stesse caratteristiche funzionali e di resistenza al sisma, la prima realizzata con una struttura in c.a. e elementi di completamento tradizionali e la seconda con struttura in acciaio ed elementi di completamento prefabbricati con connessioni a secco (Figura 9).

Confronto consumo energia edifici in acciaio e c.a.
Figura 9 - Confronto consumo di energia per costruzione edifici in acciaio e cemento armato  

Più articolate e complesse le considerazioni relative alle costruzioni esistenti, per le quali sono in fase di studio metodi di valutazione del rischio finalizzati ad una classificazione sismica analoga a quella energetica, ormai ampiamente diffusa. La valutazione del rischio passa attraversa una stima dei danni mediamente attesi nel ciclo di vita, tenendo conto della probabilità che un evento sismico di un’assegnata intensità si verifichi durante la vita utile della costruzione (pericolosità), delle specifiche caratteristiche di resistenza della costruzione (vulnerabilità), dei costi diretti e indiretti da sostenere nel caso di danneggiamento (esposizione). Il quadro complessivo può essere sintetizzato in termini di costo annuo atteso per metro quadro e convertito, in un'interpretazione orientata alla sostenibilità ambientale, in consumo di energia atteso per anno, per metro quadro. Si può ottenere in definitiva una grandezza omogenea a quella utilizzata per la classificazione energetica dalla quale far scaturire un’analoga classificazione sismica. Anche in questo caso, a parità di altre condizioni (pericolosità sismica e destinazione d'uso), il costo atteso per perdite causate dal sisma risulta solitamente inferiore nel caso di una costruzione in acciaio rispetto ad altri sistemi costruttivi. Si riportano ad esempio alcuni risultati di uno studio di confronto tra edifici in c.a. e edifici in acciaio progettato con diversi livelli di capacità resistente nei confronti del sisma; i costi di riparazione sono espressi in equivalente consumo di energia e la situazione si riferisce ad un terremoto con periodo medio di ritorno di 100 anni (Figura 10). Si rileva quindi che le generali considerazioni sulle migliori caratteristiche di sostenibilità ambientale delle costruzioni in acciaio conservano la loro validità anche nello specifico del comportamento nei confronti delle azioni sismiche.

Confronto costi di riparazione per edifici in acciaio e c.a.
Figura 10 - Confronto costi di riparazione per edifici in acciaio e cemento armato
 

Contenuti a cura della Commissione Sismica per le Costruzioni in Acciaio - riproduzione riservata

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