Metodi di indagine sulle strutture esistenti

GENERALITA

I metodi di indagine possono fornire informazioni puntuali o globali sulle caratteristiche della struttura.

Le prove che si possono condurre su di una struttura vengono classificate in:

  • indagini di tipo distruttivo: sono tutte quelle prove che comportano il danneggiamento della struttura in modo tale da comprometterne il funzionamento iniziale;
  • indagini di tipo non distruttivo: sono quelle che non inducono alcun deterioramento o danneggiamento della struttura;
  • indagini di tipo poco distruttivo: sono quelle indagini che comportano la manomissione locale della struttura; le lesioni sono di entità tale da potersi considerare trascurabili rispetto alla struttura nel suo insieme.

Nell’ambito della verifica di una struttura esistente le tecniche di interesse sono quelle di tipo non distruttivo o eventualmente di tipo poco distruttivo per ovvi motivi di conservazione del manufatto.

Prove di tipo distruttivo possono essere condotte su parti della struttura non più recuperabili o su modelli in scala del manufatto (esempio: prove sismiche su tavolo vibrante di modelli di edifici storici o parti di edificio ai fini di valutare quale sarebbe il comportamento sismico della struttura reale sulla base dell’analisi del comportamento del modello).

PROVE PREVISTE DALL’ORDINANZA

Calcestruzzo
: la misura delle caratteristiche meccaniche si ottiene mediante estrazione di campioni ed esecuzione di prove di compressione fino a rottura.

Acciaio
: la misura delle caratteristiche meccaniche si ottiene mediante estrazione di campioni ed esecuzione di prove a trazione fino a rottura con determinazione della resistenza a snervamento e della resistenza e deformazione ultima.

Metodi di prova non distruttivi: non possono essere impiegati in sostituzione di quelli sopra descritti, ma sono consigliati a loro integrazione.

Analisi dei cinematismi locali di collasso in edifici esistenti in muratura: applicazione numerica

Negli edifici esistenti in muratura spesso avvengono collassi parziali per cause sismiche, in genere per perdita dell’equilibrio di porzioni murarie; la verifica nei riguardi di questi meccanismi, secondo le modalità descritte nel seguito, assume significato se è garantita una certa monoliticità della parete muraria, tale da impedire collassi puntuali per disgregazione della muratura.
I meccanismi locali sono di due tipi:

  • meccanismi per azioni perpendicolari al piano della parete
  • meccanismi per azioni nel piano della parete

Le verifiche possono essere svolte tramite l’analisi limite dell’equilibrio, secondo l’approccio cinematico (teorema dei lavori virtuali), che si basa:

  1. sulla scelta del meccanismo di collasso;
  2. sulla successiva valutazione dell’azione orizzontale che attiva tale cinematismo.

Pertanto il metodo di verifica presuppone l’analisi dei meccanismi locali ritenuti significativi per la costruzione.
Questi possono essere ipotizzati:

  • sulla base della conoscenza del comportamento sismico di strutture analoghe, già danneggiate dal terremoto
  • considerando la presenza di eventuali stati fessurativi, anche di natura non sismica

Andranno inoltre tenute presenti:

  • la qualità della connessione tra le pareti murarie
  • la tessitura muraria
  • la presenza di catene
  • le interazioni con altri elementi della costruzione o degli edifici adiacenti

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Alcuni esempi di meccanismi locali

L’approccio cinematico al problema permette quindi:

  1. di valutare l’azione orizzontale che attiva il cinematismo
  2. di determinare l’andamento dell’azione orizzontale che la struttura è progressivamente in grado di sopportare all’evolversi del meccanismo, fino all’annullamento della stessa forza orizzontale (cioè fino a che la struttura non è più in grado di sopportare azioni orizzontali)

Viene introdotto il moltiplicatore α rapporto tra le forze orizzontali e una quantità dipendente dai corrispondenti pesi delle masse presenti.

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L’applicazione del metodo cinematico porta alla determinazione della curva di capacità dell’elemento analizzato

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Esempio di curva di capacità

dove
α0 è il moltiplicatore che attiva il meccanismo (stato limite di danno)
dk spostamento di un opportuno punto di controllo k del sistema (es. baricentro delle masse)
dk,0 spostamento di un opportuno punto di controllo k del sistema, per il quale si annulla il moltiplicatore dei carichi orizzontali (a=0).

La curva di capacità così ottenuta viene trasformata nella curva di capacità di un sistema equivalente ad un grado di libertà, attraverso l’individuazione dei nuovi parametri a* e d*

A questo punto si procede alle verifiche di sicurezza, attraverso il controllo della compatibilità degli spostamenti e/o delle resistenze richieste alla struttura

Ipotesi assunte

Per l’applicazione del metodo di analisi si ipotizza, in genere:

  • resistenza nulla a trazione della muratura;
  • assenza di scorrimento tra i blocchi;
  • resistenza a compressione infinita della muratura.

Tuttavia, per una simulazione più realistica del comportamento, è possibile considerare, in forma approssimata:

  1. gli scorrimenti tra i blocchi, considerando la presenza dell’attrito;
  2. le connessioni, anche di resistenza limitata, tra le pareti murarie;
  3. la presenza di catene metalliche;
  4. la limitata resistenza a compressione della muratura, considerando le cerniere adeguatamente arretrate rispetto allo spigolo della sezione;
  5. la presenza di pareti a paramenti scollegati.

Analisi cinematica lineare – determinazione del moltiplicatore α0

Per ottenere il moltiplicatore orizzontale α0 dei carichi che porta all’attivazione del meccanismo locale di danno è necessario applicare ai blocchi rigidi che compongono la catena cinematica le seguenti forze:

  • i pesi propri Pi dei blocchi, applicati nel loro baricentro;
  • i carichi verticali Pj portati dagli stessi (pesi propri e sovraccarichi dei solai e della copertura, altri elementi murari non considerati nel modello strutturale);
  • un sistema di forze orizzontali proporzionali ai carichi verticali portati, se queste non sono efficacemente trasmesse ad altre parti dell’edificio; eventuali forze esterne (ad esempio quelle trasmesse da catene metalliche);
  • eventuali forze interne Fh (ad esempio le azioni legate all’ingranamento tra i conci murari).

Assegnata una rotazione virtuale θk  al generico blocco k, è possibile determinare in funzione di questa e della geometria della struttura, gli spostamenti virtuali δk  delle diverse forze applicate nella rispettiva direzione.
Il moltiplicatore α0 si ottiene applicando il Principio dei Lavori Virtuali, in termini di spostamenti, uguagliando il lavoro totale eseguito dalle forze esterne ed interne applicate al sistema in corrispondenza dell’atto di moto virtuale.

Valutazione di vulnerabilità sismica di un ponte esistente: applicazione numerica

Descrizione della struttura

Il ponte è a travata semplicemente appoggiata. Presenta tre campate con luce di calcolo di 5,75 – 9,15 – 8,80 m. L’impalcato è costituito da 7 travi precompresse inglobate con i ferri di ripresa alla sommità alla soletta dell’impalcato. Le travi sono a trapezio delle dimensioni alla base di 60 cm, in sommità 42 cm ed alte 40 cm , disposte ad interasse di 107 cm. Le pile sono costituite ciascuna da semplici setti in calcestruzzo, armate con 1Ø16/40 cm, e barre orizzontali 1Ø16/35 cm.

Gli appoggi delle travi sono costituiti da cuscinetti in neoprene dello spessore di circa 25mm.

Pianta

Sezione longitudinale

Sezione trasversale

I plinti delle pile e spalle sono impostati su fondazioni profonde ovvero pali di diametro 30cm e lunghezza 8m.

Indagini svolte

Una campagna di indagini in sito è stata svolta per il rilievo geometrico e per l’esecuzione di prove distruttive e non distruttive sui materiali, finalizzata a:

· caratterizzare il c.a. delle pile e delle spalle del ponte;

· rilevare il numero e il diametro delle barre d’armatura delle pile e delle spalle.

Elementi strutturali sismoresistenti

La presente opera è, come già descritto, costituita da tre impalcati in semplice appoggio su spalle laterali e 2 pile centrali. Pertanto nella catena di trasmissione degli sforzi al suolo, si sono indagate le vulnerabilità dei seguenti elementi strutturali:

  • i plinti delle spalle;
  • i pali delle spalle;
  • le elevazioni delle pile;
  • i plinti delle pile;
  • i pali delle pile;
  • gli appoggi in neoprene delle travi dell’impalcato;
  • la perdita d’appoggio degli impalcati;
  • la chiusura del giunto longitudinale tra i due impalcati adiacenti, con innesco del martellamento.

Vulnerabilità sismica di strutture esistenti

La valutazione della vulnerabilità sismica di un’opera esistente ha come finalità quella di stabilire, tra tutte le opere presenti sul territorio nazionale, una sorta di graduatoria al fine di determinare quali sono le opere che necessitano di un immediato intervento per migliorare la loro risposta all’azione sismica. A partire dalla graduatoria così definita, viene successivamente stabilito il finanziamento destinato a ciascuna opera per definire tutti gli interventi necessari a perseguire questo scopo. La vulnerabilità sismica dell’opera è in altre parole l’attitudine dell’opera a subire danneggiamenti sotto un determinato livello di intensità sismica; minori sono i livelli di intensità sismica per i quali l’opera subisce danni moderati, severi o collassi maggiore sarà la vulnerabilità sismica dell’opera stessa.
Ai fini normativi, l’obiettivo da perseguire è la definizione dei tre livelli di accelerazione al suolo corrispondenti ai tre stati limite definiti (PGA di CO, DS, DL) ovvero il picco di accelerazione al suolo (PGA) che comporta il collasso (CO), il danno severo (DS) o il danno lieve (DL).
Tali valori di PGA sono da rapportare alle accelerazioni attese (PGA) con una assegnata probabilità di eccedenza (rispettivamente di 2%, 10%, 50%) nel periodo di riferimento di 50 anni. Solitamente la normativa fornisce il PGA10% relativo alla probabilità di eccedenza del 10% in 50 anni. Il PGA con probabilità di eccedenza del 2% in 50 anni si ottiene moltiplicando per 1.5 il PGA10%, mentre PGA con probabilità di eccedenza del 50% in 50 anni si ottiene dividendo per 2.5 il PGA10%.

danni
Quando si deve stabilire la vulnerabilità sismica di un’opera, la prima cosa da fare è quella di effettuare un sopralluogo e reperire elementi progettuali dell’opera (disegni architettonici e strutturali, proprietà meccaniche dei materiali dell’opera, certificati di collaudo originali) al fine di stabilire le modalità di risposta all’azione sismica della struttura stessa e conseguentemente gli elementi che sono più vulnerabili all’azione sismica.
Successivamente occorre stabilire un programma di indagini (rilievo geometrico dell’opera, indagini distruttive e non distruttive dei materiali impiegati ecc.) volto a stabilire un livello di conoscenza (LC) dell’opera. Le indagini si concentreranno, ovviamente, su quegli elementi strutturali che sono più vulnerabili all’azione sismica (ad es. per i ponti le pile, le spalle e le fondazioni). Stabilito il livello di conoscenza ne conseguono dei fattori di confidenza (FC) da utilizzare durante l’analisi strutturale dell’opera e in fase di verifica degli elementi strutturali. Maggiore è il livello di conoscenza ottenuto, minori sono i fattori di confidenza e quindi migliori sono le proprietà meccaniche dei materiali che si possono utilizzare in fase di verifica.

Nell’articolo “Valutazione di vulnerabilità sismica di un ponte esistente: applicazione numerica” viene presentata un’applicazione numerica per la determinazione della vulnerabilità sismica di un ponte esistente in accordo con la norma NTC 2008