Edilizia Sostenibilità ITACA

Il complesso miglioramento sismico di un’opera particolare degli anni ’70

L’architettura
La Scuola Don Milani di Opera è stata progettata dall’Arch. Guido Canella e dal suo collega di studio Arch. Michele Achilli. La realizzazione è avvenuta nel 1972.

E’ noto, da varie pubblicazioni e atti di convegni, che l’Arch. Canella, insieme al collega di studio Arch. Michele Achilli, fin dal periodo degli anni sessanta del secolo scorso “è stato promotore di una visione originale dell’architettura, dichiaratamente programmatica, in cui ricerca tipologica ed elaborazione formale hanno teso alla conquista di nuovi comportamenti collettivi”.

Degli stessi anni è l’avvio di momenti di ricerca in ambito universitario, inizialmente sulla natura tipologica dell’architettura e sulle principali funzioni di vita associata, e successivamente sui caratteri originali dell’architettura milanese e del paesaggio lombardo.

Il suo lavoro di architetto, svolto costantemente in parallelo all’attività universitaria, testimonia una ostinata volontà di forma che pur facendosi veicolo di implicazioni morali e civili della ricerca architettonica, nel tempo hanno dimostrato limiti di flessibilità funzionale e, nelle scelte dei materiali da costruzioni, limiti di durevolezza e di effettiva manutenibilità.

Citando “l’architettura della città” di Aldo Rossi, “nella natura dei fatti urbani c’è qualcosa che li rende simili all’opera d’arte. Questa artisticità dei fatti urbani è molto legata alla loro qualità, al loro unicum, essi sono complessi in sé per cui è possibile analizzarli ma difficilmente definirli. Il concetto che ci si fa di un certo fatto urbano sarà molto diverso dal tipo di conoscenza di chi lo vive. Tuttavia il nostro compito è quello di definire il fatto urbano dal punto di vista del manufatto: definirlo e definire il luogo, funzione, architettura, sistemi di strade possibili nella città ecc.
Tra i vari metodi di affrontare lo studio delle città emerge il metodo comparativo: comparazione metodica della successione regolare delle differenze crescenti. Nonostante il metodo storico sia importante, è necessario fare attenzione allo studio delle permanenze per evitare che la storia delle città si risolva solo in uno studio di queste, che potrebbero considerarsi alla stregua di elementi patologici. Lo studio della città presenta delle analogie con quelle della linguistica” e da qui la cogente necessità di aggiornare i canoni di riferimento, i dizionari e forse anche le regole grammaticali.

Ora, citando gli atti di un convegno, “l’utopia canelliana tende a scardinare il sistema urbano capitalistico, riportando vita nei quartieri dormitorio, e riproponendo lo scambio al posto dell’anomia e della dissociazione. Le architetture di Canella sono state, da questo punto di vista, un disperato tentativo di combattere l’urbanesimo della speculazione edilizia e della rapina del territorio. Esse sembrano perfino chiudersi a volte, arroccandosi nell’utopia quasi contorta della propria irrinunciabile missione nel mondo, forse perchè già arresesi all’impossibilità d’una gestione più virtuosa e democratica dello sviluppo urbano, visto come orizzonte ormai non più raggiungibile.

Riferendoci in particolare alla realizzazione della scuola materna di Opera, è evidente l’obiettivo progettuale di inserire in un contesto urbano privo di identità elementi di forte riconoscibilità aventi forte valenza identitaria per la comunità a cui l’opera architettonica era posta a servizio, assumendosene il carico attraverso le forme più spinte che l’integrazionismo funzionale sapesse inventarsi, per trarre il massimo frutto dalle scarse risorse disponibili.
I volumi dell’edificio evidenziano le funzioni svolte, come la pelle aderente ad uno scheletro animale che lascia trasparire le funzionalità interne. La funzione collettiva è posta come fulcro attorno al quale ruotano le singole attività didattiche.
Lo scheletro visibile delle funzioni immaginate nel 1972 sono diventate ora un limite, aggravato ulteriormente dalle necessità, registrate al momento dell’edificazione, in tema di economicità dell’intervento e dunque di ristrettezza delle risorse.


Il Comune di Opera, e dunque la comunità di persone nel cui ambito si trova il patrimonio ideale e materiale della Scuola Don Milani, ritiene di dover riqualificare l’edificio ampliandone le prestazioni funzionali ed elevando la qualità degli spazi e delle prestazioni in tema di vivibilità e di didattica a servizio degli alunni.
Nel corso del procedimento che porterà a breve ai lavori di riqualificazione ed ampliamento dell’edificio, l’amministrazione comunale ha inteso valorizzare l’idealità sottesa al progetto originario, rispettare la logica complessiva dei volumi, salvaguardare l’intera popolazione scolastica a cui è destinato l’edificio, fornendo spazi didattici duplicati e con parità di trattamento delle classi rispetto alla funzione collettiva svolta dal fulcro ideale del progetto, costituito dagli spazi collettivi centrali. Non ci sono classi di serie A, poste nell’edificio, e classi di serie B esternalizzate in nuovi volumi dissonanti rispetto ad una visione di insieme, ma l’ammodernamento del progetto del 1972 avviene raccogliendo il testimone dal progettista originario e facendo propri i presupposti del 1972.

IL MIGLIORAMENTO SISMICO

Il progetto di miglioramento sismico è stato realizzato dall’Ing. Ilaria Favario dello Studio Valz Gris (www.studioingvalzgris.it), con la supervisione e le prove in sito dell’Ing. Giuseppe Paleari (www.ingpaleari.it). Direttore operativo per le strutture, in fase di esecuzione, è l’Ing. Riccardo Valz Gris.

L’edificio costruito secondo il progetto originario consiste in una struttura mista a telaio e pareti in c.a. realizzata negli anni ’70 e adibito a scuola materna. Le fondazioni sono costituite da setti/travi rovesce su una platea in c.a. Gli orizzontamenti sono costituiti da solai laterocementizi di spessore 22cm, mentre i tamponamenti sono costituiti da murature in laterizio o in vetrocemento.
La struttura esistente è caratterizzata da geometrie irregolari che non favoriscono la risposta sismica dell’edificio e da previsioni di armature insufficienti allo scopo. La costruzione del modello strutturale della scuola vede inoltre alcune difficoltà legate alla geometria tridimensionale della stessa con evidenti parti non rettilinee o tridimensionalmente curve, difficilmente schematizzabili nel modello. Sono state pertanto operate alcune semplificazioni.
Il progetto strutturale è previsto per l’intero fabbricato solo sugli elementi risultati inadeguati alla risposta sismica, le cui resistenze saranno incrementate mediante sistemi FRP (Fiber Reinforced Polymer) e placaggi metallici, tali da raggiungere il livello di miglioramento sismico richiesto dalle norme vigenti (60% accelerazione sismica massima).

LIVELLI DI CONOSCENZA E PROPRIETA’ DEI MATERIALI
In riferimento alla procedura per la valutazione del livello di conoscenza si è fatto riferimento al paragrafo 8.5. del D.M. 14/01/2008 e all’appendice C8A della Circolare 02/02/2009 par. C8A.1.B.
In prima fase non essendo stati eseguiti saggi strutturali al fine di verificare le disposizioni di armatura e le proprietà dei materiali si è fatto riferimento esclusivamente sulle informazioni dedotte e ricavate dagli elaborati di progetto strutturale originali.
Non essendo state effettuate prove sui materiali impiegati e non essendo disponibili certificazioni di prove effettuate presso i laboratori, le caratteristiche dei materiali sono state, in prima ipotesi, dedotte dagli elaborati grafici di progetto:
– “calcestruzzo a 3 ql di cemento tipo 300”
– “ferro tondo di armatura a41”

Vista la documentazione disponibile ma la mancanza di più ampie verifiche in sito, nella prima fase è stato utilizzato, a favore di sicurezza, un livello di conoscenza del fabbricato LC1 al quale corrisponde un fattore di confidenza 1.35.

A conclusione della prima analisi sono state eseguite una serie di indagini di seguito elencate:
– verifica dettagliata rispondenza tra disegni strutturali e stato di fatto;
– esecuzione di saggi con demolizione localizzata dell’intonaco per l’individuazione dei vari elementi strutturali presenti (pilastri e travi)
– esecuzione di prove sperimentali su fabbricato mediante indagini con pacometro, individuazioni dei ferri, prove sclerometriche.

In seguito alle verifiche in sito, in questa seconda fase, si è ritenuto applicabile un livello di conoscenza del fabbricato LC2 al quale corrisponde un fattore di confidenza 1,20.


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Come esplicitato nelle note alla tabella C8A.1.3a, nel controllo del raggiungimento delle percentuali di elementi indagati ai fini del rilievo dei dettagli costruttivi si è tenuto conto delle situazioni ripetitive, che consentono di estendere ad una più ampia percentuale i controlli effettuati su quegli elementi strutturali con evidenti caratteristiche di ripetibilità, per uguale geometria e ruolo nello schema strutturale. Inoltre, ai fini delle prove sui materiali, è consentito sostituire alcune prove distruttive, non più del 50%, con un più ampio numero, almeno il triplo, di prove non distruttive, singole o combinate, tarate su quelle distruttive.

ANALISI STATICA SITUAZIONE ESISTENTE
Per la verifica della sicurezza è stata effettuata prima l’analisi per soli carichi statici, con fattore di confidenza pari a 1,00, valutando così l’effettiva risposta della struttura, al fine di poter stimare in fase successiva la vulnerabilità sismica e determinare il livello di accelerazione sopportato dalla struttura.
Tale verifica ha evidenziato alcune situazioni di non rispondenza degli elementi strutturali alle norme attualmente vigenti per cui si riscontrano aste non verificate a flessione e a taglio anche per i soli carichi verticali.
Questa condizione è dovuta in parte ad una parziale difformità del modello rispetto alla situazione reale dovuta alla irregolarità in pianta ed in altezza dell’edificio, che si presenta con una forma circolare e con numerosi piani sfalsati, rampe e sbalzi.
Inoltre, l’aumento dei carichi di progetto previsti dalla norma attualmente in vigore, rispetto a quelli considerati per la progettazione dell’edificio giustificano le non verifiche in condizioni statiche.
In particolare, le travi ed i pilastri non verificati presentano un evidente deficit di armatura rispetto a quanto richiesto dalle norme tecniche, avendo diametri e distribuzione dei ferri inferiori ai minimi richiesti dopo l’entrata in vigore del D.M. 2008.
L’edificio allo stato attuale non è in grado di offrire garanzie di resistenza nei confronti delle azioni sismiche, il livello di azione sismica sopportabile dall’edificio è assimilabile a zero in quanto la condizione di non verifica si ottiene già in condizioni non sismiche sul modello di calcolo.
Pertanto, occorre procedere, nel modello di analisi, ad un adeguamento di tutte le aste non verificate mediante inserimento di armature aggiuntive a flessione e rinforzi puntuali a taglio.
Le aste per cui si rende necessario tale intervento sono evidenziate in rosso nelle immagini seguenti.

Verifica aste a presso-flessione: CONDIZIONE STATICA

Verifica aste a taglio: CONDIZIONE STATICA

ANALISI SISMICA SITUAZIONE ESISTENTE
Una volta inseriti nel modello di calcolo gli interventi atti a soddisfare la verifica per i soli carichi statici è possibile procedere con l’analisi sismica della struttura.
Al fine di poter progettare gli interventi di miglioramento sismico dell’edificio scolastico, cosi da garantire la“resistenza” fino al raggiungimento dello Stato Limite Ultimo di salvaguardia della Vita (SLV) per un’azione sismica pari al 60% di quella di progetto, occorre procedere innanzitutto individuando i meccanismi che annullano l’indicatore di rischio sismico, individuando gli elementi che hanno capacità nulla.
Nelle immagini seguenti sono evidenziate in rosso le aste (travi e pilastri) non verificate rispettivamente a flessione e taglio per l’azione sismica adottata

Verifica aste a presso-flessione: CONDIZIONE SISMICA

Verifica aste a taglio: CONDIZIONE SISMICA

La distribuzione altimetrica del fabbricato con salti di quota inferiori ad 1m implica la presenza di pilastri “corti” e quindi con concentrazioni di sforzi nei nodi trave-pilastro, ma in generale alcune aste, essendo state calcolate in origine solo per carichi verticali come previsto dalla normativa dell’epoca, presentano l’armatura longitudinale e staffatura non idonea a soddisfare le attuali esigenze di resistenza e di duttilità visto anche le dimensioni delle travature di piano.

Verifica shell

I setti in generale risultano verificati, ad eccezione dei due setti a tutta altezza che presentano armatura insufficiente in direzione x. Come si vede dall’immagine riportata la verifica non è soddisfatta solo in corrispondenza dei nodi alle estremità dei setti che dovrebbero presentare dei raffittimenti di armatura. Si prevede pertanto il rinforzo anche dei setti in corrispondenza di tali nodi non verificati a taglio.

Nel seguito sono descritte con maggior attenzione le situazioni di non verifica, per ogni elemento che necessita di rinforzo sono indicati gli interventi atti ad eliminare le condizioni di non verifica delle aste.

INTERVENTI DI MIGLIORAMENTO
L’obiettivo degli interventi è innalzare la capacità portante degli elementi strutturali da rinforzare, in modo da ridurre lo stato tensionale delle aste, all’interno dei limiti previsti.
Gli interventi di miglioramento in questa fase consistono nella realizzazione di rinforzi mediante fasciature con tessuto e lamine in fibra di carbonio bidirezionale, oppure con l’incollaggio mediante resine di piastre metalliche.

MIGLIORAMENTO SISMICO MEDIANTE FRP
Il termine FRP e l’acronimo di Fiber Reinforced Polymer, ossia di “materiale polimerico fibrorinforzato”. Gli FRP, appartengono alla vasta famiglia dei “compositi strutturali” e sono materiali costituiti da fibre di rinforzo immerse in una matrice polimerica. Nei compositi fibrorinforzati le fibre svolgono il ruolo di elementi portanti sia in termini di resistenza che di rigidezza, mentre la matrice, oltre a proteggere le fibre, funge da elemento di trasferimento degli sforzi tra le fibre e tra queste ultime e l’elemento strutturale a cui il composito e stato applicato. Le fibre possono essere disposte in tutte le direzioni, secondo i dati di progetto, in maniera tale da ottimizzare le proprietà meccaniche del composito nelle direzioni desiderate. La caratteristica peculiare dei compositi strutturali e quella di fornire prestazioni meccaniche migliori o, perlomeno, più “complete” di quelle che sarebbero fornite dalle singole fasi componenti. Nei compositi a matrice polimerica, la matrice e generalmente a base di resine epossidiche; per miscelazione con un opportuno reagente esse polimerizzano (reticolano) fino a diventare un materiale solido vetroso. I rinforzi sono costituiti da:
• Fibre di carbonio: le fibre di carbonio di distinguono in fibre ad alta resistenza ed elevato modulo elastico ed in fibre ad alta resistenza ed elevatissimo modulo elastico (HM).
• Fibre di vetro: le fibre di vetro sono del tipo vetro E e del tipo vetro A.R. resistenti agli alcali.
• Fibre di basalto: hanno proprietà intermedie alle fibre di carbonio e vetro, in quanto posseggono caratteristiche meccaniche comparabili in termini di resistenza meccanica alle fibre di carbonio e modulo di elasticità simile alle fibre di vetro.
• Fibre metalliche: fibre di acciaio ad altissima resistenza meccanica.
Gli FRP sono materiali utilizzati già da parecchi anni, in settori come quello navale, aeronautico e militare dove vengono sfruttati per la loro ineguagliabile resistenza specifica (intesa come resistenza meccanica a trazione per unità di peso). La notevole riduzione dei costi, in particolare delle fibre di carbonio, dovuta alla loro maggiore diffusione e ad un’ottimizzazione dei processi produttivi, ha consentito l’introduzione degli FRP anche nel settore delle costruzioni edili.
Il campo di applicazione e molto ampio e possono essere impiegati per:
• ripristino e miglioramento statico e sismico di strutture dissestate o degradate, laddove e indispensabile integrare la sezione resistente a trazione e taglio;
• confinamento di elementi compressi o presso inflessi (pilastri, pile da ponte, ciminiere) per migliorarne la capacita portante o la duttilità dove e richiesta una contemporanea integrazione delle armature longitudinali;
• rinforzo di elementi inflessi mediante placcaggio esterno delle zone sollecitate a trazione;
• ripristino di strutture localmente danneggiate da urti come, ad esempio, travi da ponte impattate da mezzi fuori sagoma;
• miglioramento sismico e restauro di strutture a volte senza aumento delle masse sismiche e senza pericolo di percolamento di liquidi verso la superficie intradossale;
• placcaggio di nodi trave-pilastro, per il miglioramento in campo sismico;
• rinforzo di elementi portanti in edifici il cui sistema strutturale viene modificato a causa di nuove esigenze architettoniche o di utilizzo (cambiamento di destinazione d’uso);
• riparazione di strutture danneggiate dall’incendio;
• miglioramento sismico di edifici industriali in c.a..

RINFORZI A FLESSIONE
Il rinforzo a FLESSIONE si rende necessario per elementi strutturali soggetti ad un momento flettente di progetto maggiore della corrispondente capacità flessionale.
Il modello di calcolo non considera la resistenza a flessione dei rinforzi in fibra di carbonio, che nella pratica può essere eseguito con materiali compositi applicando una o più lamine, ovvero uno o più strati di tessuto, al lembo teso dell’elemento da rinforzare. La procedura adottata per ottenere un aumento della capacità portante a flessione delle aste nel modello prevede di aumentare puntualmente le armature esistenti degli elementi per cui la verifica non è soddisfatta verificando tali travi con il solutore in modo da ottenere un confronto tra il momento resistente che gli elementi raggiungerebbero se sufficientemente armati e quello che raggiungono nella situazione reale. Il rapporto tra le due condizioni consente di quantificare l’aumento di resistenza che dovrà essere garantita dagli interventi di rinforzo.
In questo modo è stato possibile definire l’entità del rinforzo, scegliendo le caratteristiche delle lamine in carbonio da utilizzare, le dimensioni e il numero di strati necessario per ognuna asta, tale da garantire la corretta risposta in termini di resistenza flessionale ai fini del miglioramento sismico.
Per il calcolo delle resistenze sono stati utilizzati i coefficienti del livello di conoscenza LC2.
Di seguito le immagini, con indicazione dei numeri delle aste, individuano in rosso gli elementi non verificati a flessione.

Il progetto dei rinforzi in FRP, i cui risultati sono tabellati nel progetto esecutivo, è stato eseguito per tutti gli elementi che necessitano di fatto di rinforzo, trascurando le situazioni di non verifica dovute ai limiti della modellazione.
Il rinforzo dei pilastri a sezione quadrata sarà eseguito mediante placcaggio dell’intera sezione con piastre in acciaio, atte ad aumentare l’area resistente a flessione. L’utilizzo delle fibre FRP non è indicato, infatti, nel rinforzo dei pilastri in quanto si tratta di elementi presso-inflessi. Le placche metalliche possono essere fissate alla sezione in c.a. mediante incollaggio come per le lamine.
La lunghezza dei placcaggi di rinforzo deve essere non inferiore ad 1,00 m.

RINFORZI A TAGLIO
Il rinforzo a taglio si realizza applicando strisce di tessuto, su uno o più strati, in aderenza alla superficie esterna dell’elemento da rinforzare. L’incollaggio del tessuto può avvenire ai due lati della trave, con configurazione ad U e in avvolgimento all’intera sezione della trave. Le strisce possono essere applicate in maniera discontinua, con spazi vuoti fra strisce consecutive oppure in maniera continua, con strisce adiacenti l’una all’altra.

Il sistema di rinforzo strutturale ad alte prestazioni, che comprende tessuti FRP e resine da impregnazione applicati direttamente in situ a formare un composito fibro‐rinforzato trova applicazione per:
• Incremento della capacità portante di elementi strutturali
• Rinforzo a taglio
• Rinforzo a flessione
• Rinforzo strutturale di colonne (per confinamento o duttilità)
• Miglioramento delle caratteristiche strutturali per adattarsi a nuovi limiti normativi
• Miglioramento sismico di strutture o riparazione di danneggiamenti dovuti dal sisma


Nell’immagine seguente si individuano graficamente in rosso le travi su cui si prevedono gli interventi di rinforzo a taglio.

Rafforzamento locale nodi trave pilastro
Le strutture intelaiate in c.a. sono spesso caratterizzate da un comportamento globale insoddisfacente a causa della bassa duttilità disponibile e dell’assenza di una gerarchia delle resistenze che induca meccanismi globali di collasso. I recenti eventi sismici hanno evidenziato numerose problematiche ai nodi trave-pilastro, dovute allo svilupparsi di numerose cerniere plastiche in testa o al piede dei pilastri. Il basso grado di confinamento dei pilastri, dovuto alla presenza di poche staffe o di staffe aperte, può provocare infatti una crisi flessionale in testa o al piede, con conseguente schiacciamento del calcestruzzo compresso non confinato, instabilità delle barre in compressione e sfilamento di quelle in trazione. In particolare, l’assenza di staffe nei nodi trave-pilastro, specialmente se esterni, può dar luogo ad una crisi di tipo locale dovuta a rottura per taglio del pannello.
Pertanto, al fine di garantire un adeguato comportamento sotto azione sismica ed incrementare la duttilità a tale sistema si procede, in accordo a quanto definito nelle linee guida nazionali (Linee Guida Reluis), all’incremento della resistenza a taglio delle travi e dei pilastri nelle parti convergenti nel nodo e il confinamento delle estremità dei pilastri, dove sono concentrate le maggiori richieste di duttilità in pressoflessione.
In accordo a quanto riportato nelle Linee Guida Reluis (Cap. 3), le tipologie di intervento che migliorano le prestazioni del nodo trave-pilastro sono:
1. L’incremento della capacita del pannello di nodo e della porzione di sommità del pilastro rispetto all’azione di taglio esercitata dalla tamponatura si ottiene mediante applicazione di fasce diagonali di tessuto metallico unidirezionale in corrispondenza del nodo
2. L’incremento della resistenza a taglio del pannello di nodo può essere conseguito mediante disposizione di tessuto quadriassiale bilanciato in fibra di carbonio
3. Il confinamento delle estremità dei pilastri viene realizzato mediante fasciatura con tessuto unidirezionale in fibra di carbonio e consente di conferire agli stessi un significativo incremento della resistenza a taglio e della capacità deformativa. Per l’estremità superiore del pilastro, l’incremento di resistenza a taglio conferita dal confinamento è anche benefico nei riguardi dell’azione tagliante aggiuntiva dovuta al puntone che si forma nella tamponatura
4. L’incremento della resistenza a taglio delle estremità delle travi è realizzata mediante fasciatura ad U con tessuto unidirezionale in fibra di carbonio.


SINTESI DEGLI INTERVENTI DI RINFORZO IN PROGETTO
Le aste che necessitano di rinforzo strutturale, come analizzato nei capitoli precedenti, sono state elencate in funzione dello sforzo di rottura (flessione e taglio), della geometria e posizione delle aste (travi ribassate o in spessore e pilastri) e per ognuna si è verificata la possibilità o meno di procedere con il miglioramento sismico, al fine di meglio descrivere il contesto sui cui si dovrà intervenire e di definire con precisione l’entità di tali interventi.
Si è riscontrato che le maggiori difficoltà si presentano per il rinforzo a taglio della corona circolare a sostegno del primo solaio, in quanto le aste sono in spessore di solaio. Le altre travi non verificate per la sola sollecitazione di taglio sono quasi tutte travi ribassate per cui risulta di più semplice attuazione l’applicazione delle fibre.
Per il rinforzo a flessione invece le maggior difficoltà riguardano gli interventi su elementi inglobati all’interno delle tamponature esterne per cui occorrerà effettuare demolizioni puntuali.

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