ANNO: 2016-2017
TESI DI LAUREA MAGISTRALE
TITOLO DELLA TESI: Progettazione di un sistema di tamponamento prefabbricato soggetto ad azione sismica per edifici monopiano industriali.
Progetto di: Arch. Eleonora Chesi - Arch. Paola Perazzo
La Tesi presenta lo studio della vulnerabilità sismica degli edifici industriali monopiano, proponendo la progettazione di un nuovo sistema di tamponamento capace di assecondare il movimento della struttura portante durante le oscillazioni prodotte da un terremoto. L’obbiettivo di tale soluzione a maggior resilienza, costituita da elementi prefabbricati e giunzioni struttura-involucro innovativi, è volto al miglioramento delle prestazioni degli edifici industriali in caso di sisma oltre ad avere ricadute in relazione ai contenuti della normativa tecnica in materia, portando alla possibilità di raggiungere migliori risultati di ottimizzazione strutturale con significative conseguenze anche in termini di sostenibilità ambientale potendo comportare la riduzione del materiale costruttivo e dell’energia inglobata in fase produttiva e di trasporto.
PUBBLICAZIONE: High resilience prefabricated systems for the industrial buildings in seismic areas.
ARCHITECTURAL RESILIENCE - TECHNE journal of Technology for Architecture and Environment, Settembre 2018.
Introduzione: problemi degli edifici a destinazione produttiva in aree interessate da eventi sismici
Tra gli enormi danni prodotti dai più importanti eventi sismici nel nostro paese, molto significativi sono quelli legati ai settori agricolo e industriale. Per quanto riguarda quest’ultimo, la scarsa resilienza delle soluzioni costruttive prefabbricate, le più diffusamente impiegate per gli edifici che ospitano processi produttivi, ha determinato crolli, danni e situazioni di inagibilità con gravi conseguenze dirette su persone e beni (talora con complicazioni legate alla pericolosità di lavorati, semi-lavorati, sostanze o processi impiegati) e ripercussioni economico-sociali indirette, per il forzoso e spesso definitivo blocco delle attività.
Dai sopralluoghi effettuati (INGV, Protezione Civile, ENEA) per verificare lo stato del patrimonio edilizio dopo gli ultimi terremoti italiani (in particolare, quello dell’Emilia Romagna del 2012), emerge un numero rilevante di edifici produttivi danneggiati da eventi sismici (ANCE/CRESME, 2012, p.82). Solo in relazione al terremoto del 2012, i danni calcolati per edifici e impianti del comparto produttivo ammontano a oltre due miliardi di euro ai quali vanno sommati circa altri tre miliardi per perdite legate all’interruzione dei processi produttivi; diverse sono le vittime dovute alle conseguenze del terremoto su edifici industriali, nonostante le scosse più importanti non siano avvenute in orario lavorativo, e migliaia sono i posti di lavoro persi e ancora potenzialmente a rischio (Liberatore, 2013, p.630).
Si tratta di un problema molto importante se si considera che, in Italia, oltre novantacinquemila strutture produttive sono potenzialmente esposte a rischi naturali elevati ricadendo in territori sensibili (ANCE/CRESME, 2012, p. 84).
La maggior parte delle strutture produttive esistenti in Italia sono di recente costruzione: solo il 7,5% risale al periodo precedente al 1950 e ben il 68% è posteriore al 1970 (ANCE/CRESME, 2012, p.84). Ciononostante, la grande maggioranza di questi edifici non sono conformi alle attuali prescrizioni normative antisismiche, dimostrandosi in molti casi incapaci di sopportare eventi sismici significativi. La legislazione in materia, infatti, ha attraversato un complesso iter che solo in anni recenti ha portato a classificare l’intero territorio nazionale a rischio sismico e a fare propri gli avanzamenti della ricerca nel campo dell’ingegneria sismica consolidatosi negli anni ’80 e ’90.
La prima zonizzazione sismica, avvenuta attraverso il Regio Decreto 193 del 1909 emanato dopo i terremoti di Reggio Calabria e Messina del 1908, teneva conto dei territori colpiti da forti terremoti di cui si aveva notizia negli ultimi cento anni. La prima vera legge in materia antisismica è però la n.64 del 1974 che ha consentito, attraverso una serie di decreti emanati nel periodo 1980-1984, la suddivisione del territorio in tre categorie sismiche con la classificazione di circa il 45% del suolo italiano in una di tali categorie. Solo nel 2003, attraverso l’Ordinanza PCM 3274, tutto il territorio è stato classificato come sismico e suddiviso in quattro zone a differente livello di pericolosità. Attraverso questa Ordinanza si è dato l’avvio allo studio di nuove Norme Tecniche che, anche grazie ai criteri di classificazione introdotti nel 2006 considerando l’accelerazione massima del suolo, ha portato all’emanazione nel 2008 delle nuove Norme Tecniche di costruzione vigenti ancora oggi.
La stragrande maggioranza di capannoni industriali nel territorio nazionale è costituita da edifici monopiano prefabbricati con strutture in calcestruzzo armato o acciaio, caratterizzate principalmente dalle grandi luci di copertura. Gli edifici realizzati con elementi prefabbricati in cemento armato sono generalmente costituiti da elementi di fondazione con plinti a pozzetto, pilastri incastrati alla base del pozzetto di fondazione, travi di collegamento e travi reggi tamponamento, travi di copertura distinte in travi a doppia pendenza per copertura a falde inclinate e in travi piane, collegate agli elementi verticali tramite vincoli rigidi o di semplice appoggio. Gli edifici monopiano in acciaio sono caratterizzati da una maggiore leggerezza complessiva del capannone a parità di luce e di capacità di carico della struttura. Per la loro grande eterogeneità di destinazioni e forme possono essere presenti diversi elementi strutturali, tra cui i principali sono: montanti; travi di bordo; capriate di copertura, generalmente reticolari; arcarecci; controventi.
Nella maggior parte degli edifici monopiano, il sistema di chiusura verticale è caratterizzato da pannelli prefabbricati in cemento armato piani o nervati che differiscono per finitura superficiale, dimensioni, coibentazione ed alleggerimento. Esistono differenti sistemi di connessione del sistema di chiusura con quello strutturale in corrispondenza delle travi di copertura e di travi dedicate (travi porta-pannello) e/o in corrispondenza dei montanti verticali. Principalmente, tali sistemi, dimensionati in funzione degli elevati pesi dei pannelli di tamponamento (elementi di grandi dimensioni alti fino a 10 metri con larghezze normalmente intorno ai 2,5 metri) devono far fronte alle sollecitazioni orizzontali (del vento e sismiche) e prevedono soluzioni di ancoraggio che dovrebbero garantire un certo grado di libertà allo spostamento.
Le strutture produttive prefabbricate sopra sommariamente descritte hanno mostrato, rispetto agli eventi sismici, problemi di diversa natura, riconducibili non solo a carenze strutturali in sé (perdita di appoggio tra trave e pilastro – es. Ercolino, 2016) ma anche a problemi di connessione tra struttura e involucro. Infatti, il differente comportamento sismico della struttura portante e dell’involucro, nonché la scarsa affidabilità degli elementi di giunzione tra essi, hanno infatti comportato in molti casi, anche quando la struttura non ha subito serie conseguenze, il danneggiamento, e in alcuni casi il crollo, dei pannelli di tamponamento con conseguenze sui lavoratori, sui macchinari, sui beni in produzione o a magazzino e sulla continuazione delle attività. Questa problematica è risultata determinante dalle analisi condotte su edifici produttivi danneggiati dal terremoto in Emilia-Romagna del 2012 (Liberatore, 2012).
In particolare, nelle strutture danneggiate dal sisma, si sono riscontrati problemi soprattutto in relazione alle connessioni pannello-pilastro e pannello-trave. Tali connessioni vengono infatti generalmente progettate per sostenere i carichi gravitazionali dei pannelli ed evitarne il ribaltamento dovuto alle sollecitazioni orizzontali; tuttavia, in molti casi, hanno dimostrato di esser state concepite senza tener conto in modo appropriato delle importanti sollecitazioni comportate dagli spostamenti laterali dell’edificio che avvengono in caso di sisma (Belleri, 2013, p.4).
Anche le connessioni concepite appositamente per permettere i mutui spostamenti necessari in caso di sisma hanno spesso mostrato di non funzionare a dovere: tra esse, per esempio, molti dei sistemi di ancoraggio superiore trave-pannello realizzati attraverso due profili a canaletta, l’uno ancorato alla struttura principale e l’altro inserito all’interno dell’elemento di tamponamento durante il getto, generalmente collegati da un connettore a piastrina o a squadretta, talvolta zigrinata in modo da aumentare l’attrito e dissipare in parte la forza sismica. Dopo il sisma dell’Emilia Romagna, infatti, questo tipo di connessioni presentavano spesso problemi quali: una evidentemente insufficiente capacità di spostamento reciproco delle parti; un’elevata e non controllata coppia di serraggio che ha generato all’interfaccia dado-connessione un attrito tale da impedire lo scorrimento; lo slabbramento della canaletta di scorrimento a causa delle enormi forze orizzontali in gioco.
I cedimenti delle connessioni, infine, possono essere causati proprio da un’errata realizzazione del collegamento dei pannelli di tamponamento con la struttura principale; tale collegamento, se troppo rigido, è in grado di modificare lo schema statico, portando a comportamenti durante l’azione sismica diversi da quelli previsti in fase di progetto. (Bournas, 2014, p.2395-2396)
Proposta progettuale per un sistema ad alta resilienza per l’edilizia industriale.
f fronte dei problemi rilevati, anche nell’ambito di iniziative avviate nell’ambito delle attività del consorzio ReLUIS (Rete dei Laboratori Universitari di Ingegneria Sismica), una recente tesi magistrale condotta presso il Dipartimento di Architettura e Design della Scuola Politecnica dell’Università di Genova (seguita da docenti di Tecnica delle costruzioni e Tecnologia dell’architettura) ha messo a punto alcune prime ipotesi volte a migliorare le performance dei sistemi prefabbricati per capannoni industriali proprio puntando sul potenziamento delle loro prestazioni di resilienza per garantire una maggiore capacità adattiva dei componenti di involucro rispetto all’azione sismica.
Le soluzioni proposte nell’ambito dello studio condotto riguardano la definizione di elementi prefabbricati di tamponamento e giunzioni struttura-involucro innovativi che permettano di meglio assorbire l’azione sismica; viene in particolare approfondita la possibilità di realizzazione di elementi di tamponamento semi-indipendenti dal telaio portante e capaci di sopportare spostamenti per scorrimento/rotazione tali da assecondare i movimenti della struttura durante un evento sismico.
La soluzione proposta si basa su un’analisi dello stato dell’arte che ha previsto: un inquadramento normativo; una raccolta dati sui danni subiti dagli edifici industriali nei terremoti 2009-16; la disamina dei sistemi prefabbricati esistenti e delle soluzioni tecnologico-costruttive più diffuse per gli edifici industriali. In particolare, ci si è concentrati sul sistema di chiusura costituito da pannelli prefabbricati e relative connessioni, analizzando i processi produttivi in fabbrica (con visite ad impianti produttivi) e di cantiere.
La classificazione dei pannelli presenti sul mercato ha permesso di valutare le dimensioni e le prestazioni che devono essere soddisfatte e, tra esse, ad esempio: facilità di realizzazione; durata nel tempo; resistenza agli urti; sicurezza rispetto al tipo di lavorazioni previste e a possibili effrazioni; tenuta al fuoco; sicurezza; isolamento termico e acustico; mantenimento delle caratteristiche di base dopo il sisma.
Nello specifico, lo studio si è concentrato sui sistemi di tamponamento per edifici industriali monopiano in acciaio. L’interesse verso questo tipo di edifici nasce dall’osservazione che a causa della loro elevata deformabilità e leggerezza, essi sono normalmente dimensionati a stato limite di esercizio piuttosto che a stato limite ultimo. In pratica, i limiti imposti sulle deformazioni negli stati limite di esercizio (finalizzati a limitare il danneggiamento degli elementi non strutturali e degli impianti), sono di solito più restrittivi dei limiti imposti sulle tensioni negli stati limite ultimi (finalizzati alla salvaguardia della vita e al controllo del collasso), anche se associati a terremoti meno intensi. Anche se può apparire paradossale, l’obbiettivo di limitare il danneggiamento agli elementi non strutturali dell’edificio induce a progettare una struttura più robusta, e quindi maggiormente impattante dal punto di vista economico e ambientale, di quella necessaria a prevenirne il crollo. L’idea qui proposta è di progettare un sistema di tamponamento che sia in grado di sopportare grandi deformazioni angolari della struttura senza danni significativi e che, pertanto, consenta di ridurre il dimensionamento della struttura a quello minimo necessario per gli stati limite ultimi.
Per gli edifici industriali monopiano, la verifica degli stati limite di esercizio per le azioni orizzontali, consiste nel limitare la deformazione angolare della struttura entro certi limiti. In particolare, tale deformazione è data dal rapporto tra lo spostamento orizzontale in sommità (δ) e l’altezza dell’edificio (h) e, in assenza di carroponte, deve sempre risultare inferiore a 1/150 (§4.2.4.2.2 della NTC). Nel caso specifico di azioni orizzontali di natura sismica (§7.3.7.2), tale limite varia in funzione del tipo di tamponamento, essendo pari a 1/200 nel caso di “tamponamenti collegati rigidamente alla struttura che interferiscono con la deformabilità della stessa” e pari a 1/100 nel caso di “tamponamenti progettati in modo da non subire danni a seguito di spostamenti di interpiano, per effetto della loro deformabilità intrinseca ovvero dei collegamenti alla struttura”.
Lo studio quindi è stato orientato a progettare un sistema di tamponamento che potesse sopportare una deformazione angolare della struttura decisamente maggiore di quella normalmente richiesta per gli stati limite di esercizio per questo tipo di edifici, cioè pari a circa 1/33.
Per affrontare il problema sono state individuate diverse soluzioni alternative, poi confrontate tra loro in funzione delle prestazioni definite (e sopra sinteticamente riportate), della stimata complessità realizzativa e della prevedibilità del comportamento in caso di sisma.
Tutte le soluzioni individuate (nella figura 1 alcuni modelli di studio ad esse relativi) sono state progettate basandosi sull’idea di realizzare un sistema di tamponamento capace di assecondare il movimento della struttura portante provocato dall’azione sismica.
Alcune delle prime ipotesi, giudicate poi non idonee rispetto ai parametri definiti, si sono basate sull’impiego di sistemi in grado rendere il pannello di tamponamento deformabile in caso di sisma.
Ci si è concentrati quindi su una seconda categoria di soluzioni nelle quali si è cercato di rendere indipendenti gli elementi di tamponamento dal telaio strutturale. Nella soluzione scelta e sviluppata il pannello non è vincolato alla struttura ma è libero di muoversi, oscillando lateralmente all’interno di guide metalliche grazie alla forma arrotondata del lato inferiore e superiore. L’ipotesi prevede la distribuzione di calcestruzzo e alleggerimenti nel pannello in modo tale da abbassarne il baricentro e favorire il ricentraggio dell’elemento di chiusura dopo le oscillazioni dovute ad un eventuale evento sismico. Per poter studiare il sistema dal punto di vista geometrico lo spostamento laterale del pannello prefabbricato è stato analizzato attraverso l’utilizzo del software CAD 3D Inventor, programma ideato per la progettazione meccanica. I risultati hanno permesso il dimensionamento ottimale dell’elemento di tamponamento e l’analisi delle interazioni possibili tra i diversi componenti edilizi durante il movimento laterale.
Il pannello proposto presenta una stratigrafia molto simile a quella dei pannelli a taglio termico oggi più diffusamente in uso, ma si differenzia da questi per la particolare disposizione dell’alleggerimento posto solo nella parte superiore, in modo tale da portare il baricentro della massa in una posizione inferiore. La forma del pannello, con la base e la sommità semicircolare, permette a quest’ultimo di muoversi liberamente spostandosi nel proprio piano di circa 0.30 m su 10 m di altezza (si veda figura 2).
Il sistema costruttivo che collega i pannelli con la struttura è pertanto concepito in modo tale da permettere la completa autonomia del tamponamento rispetto al sistema portante. Il pannello per potersi muovere è alloggiato, sia superiormente che inferiormente, in due guide a forma di “U” che garantiscono al sistema di tamponamento di scorrere ma evitano il ribaltamento fuori piano. I due giunti sono stati studiati con profili commerciali (figura 3).
Sono previsti particolari soluzioni in corrispondenza del giunto pannello-struttura (basate sull’impiego di elementi semisferici e sistemi a molla in tasche predisposte nei pannelli) e pannello-pannello (basate su giunti maschio-femmina che limitano le superfici di contatto) per diminuire l’attrito tra i diversi elementi e rendere possibile il mutuo scorrimento delle parti in fase di sisma (figura 4).
Il sistema costruttivo progettato dovrebbe poter così garantire, in caso di terremoto, un grado di resilienza superiore a quelli di analoghi sistemi esistenti, permettendo un movimento utile a non compromettere gli elementi portanti di chiusura e i loro giunti. Dopo il sisma, il pannello, grazie alla posizione ribassata del baricentro, dovrebbe essere in grado di riportarsi nel suo punto di equilibrio senza causare danni a cose o persone.
I processi di produzione, movimentazione e trasporto che si possono prevedere per il sistema di tamponamento progettato sono analoghi a quelli dei pannelli prefabbricati tradizionali. La realizzazione dell’elemento in calcestruzzo può avvenire in fabbrica all’interno di una cassaforma sagomata ai lati. L’esecuzione del giunto superiore ed inferiore può avvenire in officina, pertanto non sono necessarie operazioni particolarmente complesse durante la messa in opera in cantiere. Per garantire il funzionamento ottimale del sistema è stato progettato un elemento di chiusura ad angolo, consistente in un carter metallico coibentato capace di comprimersi durante le oscillazioni. Per questo motivo è prevista la sua sostituzione in seguito ad un possibile evento sismico.
Le tipologie di rivestimento per il sistema di tamponamento prefabbricato sono state studiate al fine di migliorare la qualità estetica del manufatto industriale e soprattutto in modo da limitare i danni durante eventi sismici. Per questa ragione ogni pannello prefabbricato è pensato con un proprio rivestimento indipendente che, durante un terremoto, segue il movimento del pannello al quale è ancorato. Si tratta di un limite che potrebbe avere effetti estetici; lo studio effettuato immaginando soluzioni con differenti materiali mostra, in realtà, che il problema è superabile facilmente marcando le fughe degli elementi che costituiscono il rivestimento così da rendere indistinguibile il giunto verticale tra i diversi pannelli (figura 5,6,7).
Si è verificato, inoltre, che fosse possibile garantire la realizzazione delle necessarie bucature, portali di ingresso e punti di carico, compatibilmente con la flessibilità di involucro richiesta dal sistema studiato.
Sono state svolte infine verifiche di dimensionamento su due sistemi di telai differenti, uno a nodi rigidi e l’atro incernierato con controventi, riscontrando come, in entrambi i casi, con l’utilizzo del nuovo sistema di tamponamento, dimensionando correttamente l’edificio, si possa ottenere una diminuzione dell’uso di acciaio pari a circa il 10%.
Conclusioni
Lo studio qui sinteticamente riportato non rappresenta evidentemente che un’ipotesi di lavoro da approfondire, in successive ricerche, con verifiche di calcolo e di laboratorio; tuttavia segna una strada che sembra promettente.
La strategia di progettazione qui presentata è finalizzata da un lato a migliorare le prestazioni degli edifici industriali in caso di sisma, riducendo i danni agli elementi di tamponamento, dall’altro a ridurre le risorse (materiali e energia) impiegate nella loro progettazione e costruzione. In sintesi, tale strategia vuole incidere sui tre pilastri della sostenibilità nella produzione degli edifici industriali:
- sostenibilità sociale: la riduzione dei danni ai tamponamenti in caso di un evento sismico riduce le interruzioni complete o parziali delle attività industriali, limitando le perdite in termini di posti di lavoro o, in casi estremi, la perdita di vite umane;
- sostenibilità economica: la riduzione dei danni ai tamponamenti in caso di un evento sismico limita le perdite economiche associate ai danni materiali agli impianti e alle attrezzature e quelle associate alle interruzioni di produzione;
- sostenibilità ambientale: la riduzione dei danni ai tamponamenti in caso di un evento sismico limita la produzione di rifiuti da demolizione/costruzione e l’impiego di risorse per la sostituzione; inoltre, l’eventuale riduzione delle strutture associate ad una migliore strategia di progettazione, può ridurre ulteriormente l’impiego di materiali ad alta energia incorporata (acciaio).
La disponibilità di soluzioni tecnologiche finalizzate alla riduzione dei danni agli elementi non strutturali degli edifici, quali i tamponamenti, potrebbe inoltre avere delle ricadute anche in relazione ai contenuti della normativa tecnica in materia, con conseguenze legate in particolar modo alla possibilità di raggiungere migliori risultati in termini di ottimizzazione strutturale.
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