AUTORE: Ing. Matteo Caporale
TUTOR: Ing. Marco Zucca
INTERNSHIP: Open Project s.r.l.
MASTER: Master di II livello in “Progettazione sismica delle strutture per costruzioni sostenibili” a.a. 2023/24
Il presente lavoro di tesi si propone di approfondire l’analisi della vulnerabilità sismica di un edificio esistente in calcestruzzo armato, attraverso un percorso metodologico articolato in tre fasi principali: una revisione critica della vulnerabilità sismica del patrimonio edilizio italiano, uno studio delle metodologie normative e analitiche per la valutazione degli edifici esistenti, ed infine un’analisi specifica della vulnerabilità sismica di un caso studio.
Nella fase preliminare del lavoro di tesi è stata condotta un’analisi per inquadrare il patrimonio edilizio esistente in Italia. Dopo tale approfondimento sono state esaminate nel dettaglio le normative vigenti durante le diverse epoche costruttive e, infine, è stato approfondito lo stato dell’arte relativo alla valutazione, alle analisi (lineari e non) e alle verifiche delle strutture esistenti in calcestruzzo armato. Particolare attenzione è stata dedicata all’iter che regola la valutazione della sicurezza degli edifici esistenti secondo la normativa vigente, ai metodi di analisi strutturale, con un focus sull’analisi dinamica modale con spettro di risposta ridotto con fattore di comportamento “q”, e alle possibili strategie di intervento atte a migliorare la sicurezza sismica delle strutture.
Successivamente, si è passati al caso studio, ovvero la verifica della vulnerabilità sismica di un edificio esistente in calcestruzzo armato costruito in epoca antecedente alla prima normativa antisismica italiana del 1974. L’edificio esaminato, adibito a uso uffici, presenta una struttura a telaio in calcestruzzo armato con una maglia regolare di travi e pilastri e solai in latero-cemento. L’immobile è composto da due piani interrati e sei piani fuori terra, per un totale di circa 13.000 m² di superficie lorda e una superficie media per piano di circa 1.800 m².
L’analisi di vulnerabilità sismica è stata condotta organizzando una campagna di indagini estesa per raggiungere un livello di conoscenza LC2. Le indagini hanno permesso di caratterizzare sia gli elementi strutturali, geometricamente e meccanicamente, sia i carichi agenti sulla struttura. Il rilievo geometrico-strutturale è stato restituito prima in formato bidimensionale su AutoCAD e poi in formato BIM tridimensionale con Revit. Tale rilievo è poi stato utilizzato come base per la modellazione strutturale condotta con il software di calcolo agli elementi finiti MasterSap. Nello specifico l’interscambio è avvenuto esportando le pilastrate sottoforma di modello unifilare da Revit ed importandole su MasterSap, rettificandole dagli errori di approssimazione dovuti all’interscambio stesso.
Contestualmente alla fase di modellazione è stata condotta una fase di post-produzione dei dati derivati dalle indagini specialistiche, in particolar modo sono state raccolte e analizzate le informazioni relative sia alle caratteristiche dei materiali che alle armature dei vari elementi strutturali indagati.
Figura 1 – Modello BIM 3D
Dopo aver completato il modello di calcolo in MasterSap, comprensivo di tutte le informazioni di carattere geometrico, meccanico e dei carichi agenti, è stata condotta la verifica di vulnerabilità sismica dell’edificio.
Figura 3 – Modello di calcolo strutturale
In primo luogo, è stata eseguita un’analisi modale per constatare l’effettiva applicabilità dell’analisi modale con spettro di risposta e, successivamente, è stata condotta l’analisi di vulnerabilità vera e propria. La valutazione della sicurezza è stata investigata mediante un approccio iterativo, applicando innanzitutto l’azione sismica relativa allo Stato Limite di salvaguardia della Vita per un edificio di nuova costruzione e poi riducendo progressivamente l’intensità dell’input sismico fino a raggiungere la massima azione sismica sopportabile dalla struttura.
Dai risultati ottenuti è emerso un livello di sicurezza nei confronti delle azioni orizzontali pari al 30% dell’azione sismica di progetto considerata. Sulla base del livello di sicurezza raggiunto e in accordo con la committenza, sono state ipotizzate delle possibili strategie di intervento finalizzate al miglioramento sismico della struttura, mirate quindi a raggiungere un livello di sicurezza pari al 40%, con una valutazione economica di massima.
Gli interventi proposti per perseguire tale livello di sicurezza, come incamiciatura in c.a. dei pilastri e rinforzo a taglio e a flessione con FRP delle travi, sono stati progettati, modellati e verificati, ritenendo raggiunto il miglioramento sismico della struttura.
FOR INTERNATIONAL STUDENTS
The present thesis aims to deepen the analysis of the seismic vulnerability of an existing reinforced concrete building through a methodological approach divided into three main phases: a critical review of the seismic vulnerability of Italian building stock, a study of regulatory and analytical methodologies for the assessment of existing buildings, and finally, a specific analysis of the seismic vulnerability of a case study.
In the preliminary phase of the thesis work, an analysis was conducted to frame the existing building stock in Italy. Following this, the regulations in force during different construction periods were examined in detail, as well as the state of the art related to the evaluation, linear and non-linear analyses, and checks of existing reinforced concrete structures. Particular attention was given to the procedure regulating the safety assessment of existing buildings according to current standards, structural analysis methods, focusing on modal dynamic analysis with a reduced response spectrum with behaviour factor “q,” and possible intervention strategies aimed at improving the seismic safety of structures.
Afterwards, we moved to the analysis of the case study, which involved verifying the seismic vulnerability of an existing reinforced concrete building constructed before the first Italian seismic regulation in 1974. The building under examination, used as office space, has a reinforced concrete frame structure with a regular grid of beams and columns and brick-concrete floors. The property consists of two underground floors and six above-ground floors, totalling about 13,000 m² of gross floor area and an average floor area of about 1,800 m².
The seismic vulnerability analysis was conducted by organizing an extensive investigation campaign to reach a knowledge level LC2. The investigations allowed for the characterization of both the structural elements, geometrically and mechanically, and the loads acting on the building. The geometric-structural survey was first rendered in two-dimensional format on AutoCAD and then in three-dimensional BIM format using Revit software. This survey was then used as the basis for the structural modelling conducted with the structural calculation software MasterSap. Specifically, the interchange involved exporting the column grid as a wireframe model from Revit and importing it into MasterSap, correcting for approximation errors due to the interchange itself.
Simultaneously with the modelling phase, a post-processing phase of the data derived from specialized investigations was conducted, particularly collecting and analyzing information related to both the material characteristics and the reinforcement of the various structural elements investigated.
After completing the calculation model in MasterSap, including all geometric, mechanical, and load information, the seismic vulnerability assessment of the building was carried on.
Firstly, a modal analysis was performed to verify the applicability of the modal analysis with response spectrum, and subsequently, the actual vulnerability analysis was carried out. The safety evaluation was investigated using an iterative approach, initially applying the seismic action relative to the Life Safety Limit State for a new building and subsequently progressively reducing the intensity of the seismic input until reaching the maximum seismic action that the structure could withstand.
The results obtained indicated a safety level against seismic action equal to 30% of the considered design seismic action. Based on the achieved safety level and in agreement with the client, possible intervention strategies aimed at improving the seismic safety of the structure to reach a safety level of 40% were hypothesized, with a preliminary economic evaluation.
The proposed interventions to achieve this safety level, such as RC jacketing of the columns and shear and flexural strengthening of the beams with FRP, were designed, modeled, and verified, considering the seismic improvement of the structure to be achieved.