Edifici prefabbricati sismo-resistenti: oltre 30 anni di ricerca ed esperienza, per una scelta performante e sicura

A cura del GM Strutture

 

In ambito di realizzazione di strutture sismo resistenti la prefabbricazione in c.a. rappresenta da sempre un’alternativa valida e sicura, non soltanto per la consolidata storia di progettazione antisismica che la contraddistingue, ma anche a seguito del trentennale e costante impegno di ASSOBETON e degli associati per lo studio e l’ottimizzazione delle tecnologie applicabili.

L’attività di ricerca svolta da ASSOBETON si è quindi inserita come opportunità e garanzia di ottimizzazione delle già valide procedure in atto. Gli studi specifici a cui si fa riferimento nell’articolo hanno permesso di approfondire aspetti di dettaglio in ambito di calcolo strutturale sotto sforzo sismico e di gestire, anche in chiave normativa, particolari prescrizioni progettuali. Tali studi si sono resi necessari a seguito delle problematiche derivanti dalle precedenti zonizzazioni sismiche del territorio italiano, che consideravano alcune zone del Paese come scevre dal pericolo sismico (si veda ad esempio la zona non classificata del DM 16/01/96).

Costruzione di edifici antisismici: oltre 30 Anni di ricerca ASSOBETON

Lo studio approfondito del comportamento sismico delle strutture prefabbricate vede, ormai da oltre una trentina d’anni, il coinvolgimento diretto di ASSOBETON.

L’impegno dei ricercatori ha permesso di dimostrare come le caratteristiche del calcestruzzo armato prefabbricato lo rendano adatto alla costruzione di edifici antisismici, se progettati e modellati rispettando particolari prescrizioni, oggi implementate a livello normativo.

Gli studi hanno reso possibile inoltre l’individuazione di principi e linee guida validi per la progettazione e la modellazione delle strutture in tutta Europa. I risultati ottenuti hanno fornito utili indicazioni per la stesura e per la revisione, oggi in corso, dell’Eurocodice 8 [1].

Il comportamento sismico delle strutture prefabbricate: i progetti di ricerca

I progetti, di seguito illustrati, hanno inoltre contribuito a fornire importanti informazioni inerenti il comportamento sismico delle strutture prefabbricate, sia per quanto riguarda il comportamento d’insieme, che per la progettazione dei singoli componenti, come le connessioni tra elementi strutturali:

  1. Studio numerico-sperimentale su pilastri prefabbricati: Unitamente alla quantificazione della duttilità strutturale di questi elementi, sono state valutate la stabilità del comportamento sotto azioni cicliche ed il coefficiente di comportamento q. I risultati della ricerca sono stati utilizzati per validare le prescrizioni contenute nella versione corrente dell'Eurocodice 8.
  2. Confronto tra il comportamento sismico di edifici industriali monopiano prefabbricati e gettati in opera (progetto ECOLEADER): All’interno del progetto il comportamento sismico di un edificio realizzato assemblando componenti prefabbricati è stato comparato con la risposta sismica di un’analoga struttura realizzata con il più tradizionale sistema di calcestruzzo gettato in opera. Le prove eseguite hanno dimostrato che le strutture prefabbricate posseggono significative risorse di resistenza nei riguardi delle azioni sismiche, del tutto comparabili con quelle che caratterizzano analoghe strutture gettate in opera [2].  Grazie agli esiti del progetto sperimentale, nel 2002, il Sottocomitato SC8 ha approvato l’equiparazione di tutti i telai in calcestruzzo al valore q = 4.5.
  3. Valutazione e completamento delle regole di progettazione per le strutture prefabbricate contenute nell'Eurocodice 8, (progetto PRECAST STRUCTURE EC8): Opportune analisi numeriche e sperimentali hanno permesso di confermare la capacità delle coperture prefabbricate di comportarsi come un diaframma rigido, importante nella ripartizione delle azioni sismiche sugli elementi verticali sismo-resistenti. Il progetto ha fornito anche importanti indicazioni circa l’effetto irrigidente dei pannelli prefabbricati e l’influenza del comportamento delle connessioni sulla risposta d’insieme della struttura.
  4. Studio del comportamento sismico delle strutture prefabbricate in riferimento al comportamento delle connessioni (progetto SAFECAST): Nell’ambito di questo progetto, coordinato da ASSOBETON, le tipologie di connessioni più utilizzate sono state sottoposte a prove sperimentali atte alla caratterizzazione del comportamento meccanico per carichi monotonici e ciclici. Sono state realizzate prove a diverso livello di dettaglio: su singoli elementi di collegamento, su nodi completi e su sottostrutture. Le prove eseguite hanno permesso di identificare le caratteristiche principali del comportamento delle varie tipologie di connessioni [3].
    Particolare attenzione è stata dedicata al comportamento sismico delle strutture prefabbricate multipiano. Al fine di coprire le lacune presenti nella conoscenza del comportamento sismico di tali strutture, difatti, è stata pianificata una campagna sperimentale unica al mondo, che ha consentito di approfondire anche il comportamento a diaframma degli impalcati prefabbricati. I risultati sono stati utilizzati per ricavare regole di progetto riguardanti le connessioni e la struttura nel suo complesso [4].
  5. Studio del comportamento sismico delle strutture prefabbricate in riferimento all’interazione pannello-struttura (progetto SAFECLADDING) concentrato sullo studio degli effetti della presenza dei pannelli nel comportamento d’insieme della struttura, in funzione del tipo di collegamento realizzato. Lo studio ha permesso di sviluppare, verificare e migliorare nuovi ed esistenti sistemi di collegamento, anche in vista di interventi su strutture esistenti. Anche questo studio ha permesso la redazione di importanti regole di progetto, riguardanti sia le connessioni che la struttura nel suo complesso [5].
Le soluzioni per le nuove costruzioni: l’importanza delle connessioni

A valle degli studi effettuati, è possibile oggi affermare che, in caso di evento sismico, l’elemento più cruciale da un punto di vista strutturale è costituito dal comportamento delle unioni. Sotto azioni orizzontali di entità eccezionale, difatti, la risposta globale degli edifici prefabbricati in c.a. è fortemente influenzata da quella delle connessioni utilizzate.

In fase progettuale, pertanto, è necessario dedicare particolare attenzione alle connessioni tra i vari elementi che costituiscono un edificio prefabbricato, ovvero:

  • Unioni pilastro – fondazioni
  • Unioni pilastro - trave
  • Unioni trave - tegolo
  • Unioni strutture - pannelli di tamponamento
  • Unione tra edificio prefabbricato ed eventuali parti in opera.

Un’efficace progettazione di tali connessioni è fondamentale, poiché consente la dissipazione dell’energia connessa all’evento sismico agente attraverso lo sviluppo di opportuni meccanismi resistenti e/o duttili in specifiche parti della struttura prefabbricata.

Conoscere il comportamento locale dei giunti permette di individuare, in fase di progettazione, gli aspetti chiave da presidiare per una buona risposta al sisma, al fine di ottenere un comportamento globale ottimale, sia in termini di resistenza che di deformabilità.

Sul comportamento globale giocano però un ruolo fondamentale anche le parti non strutturali dell’edificio. Per questo motivo costruire un edificio in modo da ridurre la sua tendenza a subire un danno richiede un approccio progettuale necessariamente olistico, che consideri anche elementi quali pavimentazioni industriali, impiantistica, tamponamenti esterni, divisori interni, etc., che possono avere importanti effetti sul comportamento globale della struttura.

Eliminare le carenze strutturali sull’esistente: progettare un intervento efficace di riqualificazione sismica

Negli ultimi vent’anni la sismicità del territorio nazionale ha subito notevoli e costanti aggiornamenti. Come risultato di questa evoluzione, su una parte consistente del patrimonio edilizio italiano risulta oggi auspicabile un’attenta valutazione [6], atta a verificare lo stato dell’esistente e a progettare eventuali soluzioni che consentano di minimizzare i potenziali danni e disagi causati dai terremoti.

La tecnica della moderna prefabbricazione ha dimostrato di saper intervenire con successo sugli edifici esistenti, in particolare nella correzione delle carenze relative ai collegamenti tra gli elementi.

In caso di intervento è fondamentale tenere conto in primo luogo che:

  • eventuali modifiche allo schema statico potrebbero determinare incrementi rilevanti della rigidezza, con il conseguente incremento delle azioni sismiche incompatibili con la resistenza e la duttilità della struttura;
  • è necessario operare per consentire spostamenti relativi e scorrimenti come da progetto originale, evitando di introdurre sollecitazioni aggiuntive in elementi non espressamente progettati per sostenerle;
  • è importante valutare se introdurre vincoli laterali per evitare il ribaltamento dei tegoli e delle travi in caso di evento sismico;
  • nel caso di inserimento di vincoli meccanici, si opera per evitare la concentrazione di sforzi in grado di danneggiare localmente il calcestruzzo, utilizzando un sistema di tipo isostatico (che non introduca pertanto sforzi aggiuntivi) e prevedendo un opportuno copriferro al collegamento del dispositivo;
  • se necessario si può intervenire aumentando la base di appoggio degli elementi orizzontali.

Se costruire garantendo la sicurezza degli occupanti e la continuità delle attività imprenditoriali è un imperativo per la committenza italiana, che si trova oggi ad operare una scelta sempre più cruciale dal punto di vista sia umano che imprenditoriale, in ambito di strutture sismo resistenti è bene ricordare che la prefabbricazione vanta una storia professionale e accademica unica al mondo.

Gli studi ASSOBETON in ambito europeo e la lunga esperienza applicativa diretta dei soci, in collaborazione con i migliori progettisti, hanno posto la prefabbricazione in c.a. tra le migliori scelte possibili sia per la costruzione di edifici nuovi che per gli interventi sull’esistente.

 

 

[1] Si vogliono qui citare solo il capitolo 5.11 dell’Eurocodice 8, alla cui stesura i progetti di ricerca hanno fornito un supporto scientifico, e le tre linee guida redatte all’interno degli ultimi due progetti di ricerca, SAFECAST e SAFECLADDING, che sono liberamente a disposizione di progettisti e di Enti normativi:
  • SAFECAST: Design guidelines for connections of precast structures under seismic actions
  • SAFECLADDING: Design guidelines for wall panel connections
  • SAFECLADDING: Design guidelines for precast structures with cladding panels
Le tre linee guida hanno recentemente ottenuto un importante riconoscimenti internazionale con la loro pubblicazione sottoforma di norme ISO:
Gli Eurocodici contengono norme comuni per il calcolo strutturale, nell’ottica del mercato comune. Sono riconosciuti come l’insieme più tecnicamente avanzato di norme di ingegneria civile e strutturale a livello mondiale.
 
[2] Spostamento massimo, comportamento isteretico dissipativo e quadro fessurativo sono risultati del tutto paragonabili tra le due strutture al termine di ogni prova sperimentale.
 
[3] Per ogni tipologia di connessione studiata è stata predisposta una scheda riassuntiva comprendente: le caratteristiche principali in termini di materiali e di geometria, il comportamento monotono ed il comportamento ciclico. Tali dati sono stati impiegati per calibrare modelli numerici da utilizzarsi nella pratica progettuale quotidiana.
 
[4] Il documento redatto ad esito del progetto: “Design guidelines for connections of precast structures under seismic actions” è a disposizione di tutti i progettisti europei ed è scaricabile dal sito https://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/handle/JRC71599 .
Nel 2019 il documento è stato riconosciuto come norma internazionale con codice ISO 20987:2019 “Simplified design for mechanical connections between precast concrete structural elements in buildings” (https://www.iso.org/standard/69686.html
)
 
[5] I due documenti prodotti, “Design guidelines for wall panel connections” e “Design guidelines for precast structures with cladding panels” sono a disposizione di tutti i progettisti europei e sono scaricabili ai seguenti indirizzi: https://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/handle/JRC101780 e https://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/handle/JRC101781
Nel 2020 i due documenti sono confluiti nella norma internazionale ISO 22502:2020 “Simplified design of connections of concrete claddings to concrete structures” (https://www.iso.org/standard/73351.html )
 
[6] La sismicità dei siti è andata via via perfezionandosi al seguito di nuovi eventi sismici e del progresso delle conoscenze scientifiche. L’aggiornamento della zonizzazione sismica ha in genere portato ad una miglior definizione dell’azione di progetto prescritta dalle successive edizioni della normativa. Inoltre, interventi successivi al corpo di fabbrica, come ad esempio aggiunte di partizioni interne, installazione di nuovi impianti, etc, potrebbero avere modificato nel tempo il comportamento globale dell’edificio. Costruzioni progettate in epoche passate, pertanto, potrebbero non risultare adeguate alla luce della nuova azione sismica prevista.