AUTORE Francesco Lomurno
TUTORS: Prof. Marco Zucca
INTERNSHIP: Redesco progetti srl
MASTER: Master in “Progettazione sismica delle strutture per costruzioni sostenibili” a.a. 2021/22
Lo scopo della presente tesi di laurea è quello di illustrare le analisi e le risoluzioni ingegneristiche relative al problema di miglioramento sismico, e adeguamento statico, di un edificio storico monumentale tipico Umbertino.
Il progetto in oggetto è stato svolto dallo scrivente, in team, contestualmente alla esperienza di tirocinio presso lo studio Redesco progetti srl che ne è il firmatario. Tale lavoro fa riferimento ad un caso studio generico, se pur ispirato ad una specifica tipologia edilizia e con specifici requisiti prestazionali ed architettonici. Infatti, per ragioni di privacy nei confronti degli altri progettisti dell’intervento e del committente non è possibile parlare di aspetti diversi da quelli strutturali.
Gli approcci utilizzati nella modellazione globale delle strutture sono sia di tipo lineare elastico che, per ciò che concerne la sismica, statico non lineare.
Alcune analisi di dettaglio su elementi strutturali particolarmente complessi sono illustrate in capitoli dedicati in cui sono mostrate elaborazioni sofisticati e poco comuni nell’ambito dell’ingegneria strutturale, in particole per ciò che concerne le scale voltate rampanti.
L’edificio si trova a Roma e rappresenta tipico palazzo amministrativo-produttivo di inizio ‘900. Esso si estende all’interno di un intero isolato compreso in un’area totale di circa 5600 m2.
La complessità di questa costruzione è dovuta alla sua mole ed al fatto che sia composto da più corpi edificati in età e con tecnologie diverse. Trattasi, a tutti gli effetti di un aggregato, costituito da parti in muratura, parti in calcestruzzo armato e parti in acciaio.
Il comparto si compone di: un “Corpo Monumentale” edificato nel 1910, di 4 piani, un “Corpo Centrale” di 3 piani di cui l’ultimo realizzato negli anni ’60 e due ali laterali monopiano con coperture di grande luce in cui si trovavano le industrie. Al di sotto di una porzione del comparto si estende l’interrato costituito da volte in muratura, depositi di sicurezza blindati e un rifugio antiaereo della seconda guerra mondiale.
Le fondazioni sono in parte superficiali, realizzate con platee in calcestruzzo armato, tecnologia all’avanguardia per l’epoca di realizzazione, e in parte profonde, realizzate con basamenti in muratura su pozzi e barulle.
Il complesso è soggetto a tutela ai sensi del D. Lgs. 42/2004 “Codice dei beni culturali e del paesaggio” per cui nella progettazione degli interventi strutturali si è optato per soluzioni quanto più possibile non invasive e su un uso di materiali con caratteristiche chimiche e tecnologiche non troppo diverse da quelli esistenti.
Ho avuto il pregio di dedicarmi a questo progetto in una équipe di colleghi, diretto dall’ingegner Gianluca Vesa. Dal punto di vista architettonico-funzionale l’intervento è volto all’ammodernamento del comparto con l’ampliamento di una sede museale; con la realizzazione di spazi aperti al pubblico quali: una caffetteria, un bookshop e una sala congressi; e nella realizzazione di una biblioteca. Inoltre, all’interno del comparto è presente la Scuola dell’arte superiore che sarà riqualificata e riattrezzata. In ultimo, il progetto prevedere l’allocazione di un distaccamento dei Carabinieri del nucleo anti-contraffazione, che sarà indipendente dal resto dell’edificio.
Le analisi globali sismiche sono realizzate a partire dal modello realizzato con 3 Muri e le analisi statiche dai modelli realizzati con Midas-Gen. La vulnerabilità sismica è riconducibile all’analisi dei cinematismi locali principali che si possono attivare per effetto delle azioni orizzontali e all’analisi globale del tipo statico non lineare. Tali analisi sono state condotte sia nella configurazione dello stato di fatto che nello stato di progetto dove sono state introdotte le modifiche degli impalcati, le nuove aperture e modifiche delle murature e inserite le nuove strutture verticali in calcestruzzo o acciaio.
Le analisi statiche sono condotte con i modelli al continuo che meglio riproducono le caratteristiche locali dell’edificio e sono di più facile fruizione da questo punto di vista. In alcuni casi i modelli al continuo sono stati utilizzati anche per verifiche sismiche “locali” in campo lineare per avere risultati ridondanti rispetto a quelli ottenuti con il modello in 3 Muri e anche talvolta perché di maggiore rapidità di utilizzo. In Midas Gen sono state implementate analisi modali con spettro di risposta assumendo un coefficiente di struttura “q” in linea con la normativa, confermato poi dalle analisi statiche non lineari in 3 Muri mediante apposita procedura (metodi numerici per ricavare q dalle analisi pushover). Quindi la progettazione è stata compiuta sfruttando entrambi gli strumenti sinergicamente.
Le verifiche sismiche sono state condotte con uno spettro sismico di normativa ridotto sulla base del rapporto ξE tra capacità e domanda sismica calcolato. Le nuove costruzioni, i nuclei in c.a. e le fondazioni su micropali sono stati progettati per resistere ad un congruo valore del sisma cui corrisponde il superamento dello stato limite di salvaguardia della vita umana definito dal punto di funzionamento sulla curva di pushover dell’edificio nel complesso. Si è tenuto conto di un sisma ridotto tarato sull’effettiva capacità globale dell’edificio nello stato di progetto cioè per edificio migliorato ma non adeguato con ξE pari a 0.6.
Supporti fondamentali per l’analisi delle strutture sono stati, oltre che i risultati delle indagini strutturali, i rilievi geometrici e il modello BIM 3D dello stato di fatto.
FOR INTERNATINAL STUDENTS:
The purpose of this degree thesis is to illustrate the engineering analyzes and resolutions relating to the problem of seismic improvement, and static adaptation, of a typical historic monumental building in the Umbertine style.
That project was carried out by the writer, in a team, at the same time as the internship experience at the Redesco projects srl studio which is the signatory. This work refers to a generic case study, albeit inspired by a specific building typology and with specific performance and architectural requirements. In fact, for reasons of privacy interesting the other designers of the project and the client, it is not possible to talk about aspects other than the structural ones. The approaches used in the global modeling of the structures are both linear elastic and, relating to the seismic, a static non-linear approach was adopted.
Some detailed analyses of particularly complex structural elements are illustrated in dedicated chapters which show sophisticated elaborations, uncommon in the field of structural engineering, in particular with regard to rampant vaulted staircases.
The building is located in Rome and represents a typical administrative-production building from the early 1900s. It extends within an entire block including a total area of approximately 5600 m2. The structure is interesting for its distinctive feature of being both a monumental administrative seat and a factory-building in which coins and medals were minted.
The complexity of this construction is due to its size and to its composition. In fact, the structure is composed by various buildings built in different ages and with different technologies. Structurally it can be defined as an aggregate composed of parts in masonry, reinforced concrete and steel.
The building consists of: a “Monumental part” built in 1910, 4 floors high, a “Central part” 3 floors high, whose top floor was built in the 1960s, and finally two lateral single-storey structures characterized by large span roofs, as in these areas of the building were present industries. A portion of the building has a basement consisting of masonry vaults. In this area there were armored security depots and an anti-aircraft shelter from the Second World War.
There are both superficial foundations, made with reinforced concrete slabs (very advanced technology for the time of construction), and deep foundations, consisting in masonry pillars and barrels (“pozzi e barulle”).
The complex is protected according to the law “Code of cultural heritage and landscape”. For this reason, the design of the structural interventions has provided solutions that are as non-invasive as possible and the use of materials with chemical and technological features that are not too different from the existing ones.
I had the honor of carrying out this project with a team of colleagues, directed by the structural engineer Gianluca Vesa. From an architectural-functional point of view, the intervention is aimed at modernizing the building. In fact, the project includes: the expansion of the museum part, the creation of spaces open to the public such as a cafeteria, bookshop and a conference room, and the construction of a library. In addition, inside the building there is the School of the Art of the Medal which will be renovated. Furthermore, within the complex, a headquarter of the Carabinieri of the anti-counterfeiting unit will be allocated, which will be independent from the rest of the building.
The global seismic analyses are carried out starting from a model created with the “3 Muri” software, while the static analyses were carried out on models created with the “Midas-Gen” software. The seismic vulnerability was assessed both with the analysis of the main local kinematic motions that can be activated with the horizontal actions, and with the global static non-linear analysis. These analyzes were carried out both in the existing configuration and in the project configuration, i.e. with the introduction of modifications on the stories and in existing masonries, the creation of new openings and the insertion of new vertical structures made in concrete and steel.
Static analyses are conducted with continuous models that best reproduce the local characteristics of the building and are easier to use from this point of view. In some cases, the continuous models have also been used for “local” seismic checks in the linear field in order to have redundant results compared to those obtained with the 3Muri model and also sometimes because of greater speed of use. Modal analyzes with response spectrum have been implemented in the Midas Gen software assuming a structure coefficient “q” in accordance with the standards (NTC), which is then confirmed by the non-linear static analyzes carried out in 3Muri using a specific procedure (numerical methods to derive q from pushover analyzes). Therefore, the design was accomplished by exploiting both tools synergistically.
The seismic verifications were conducted with a standard seismic spectrum reduced by ξE ratio calculated as the ratio between the seismic capacity and the seismic demand. The new constructions, the reinforced concrete cores and the pile foundations have been designed to withstand an earthquake value corresponding to the exceeding of the limit state for safeguarding human life (SLV), defined by the operating point on the pushover curve calculated for the building in its entirety. A reduced earthquake calibrated on the actual overall capacity of the building in the “project configuration” was taken into account, i.e. for an improved but not adequate building with ξE ratio equal to 0.6.
Fundamental supports for the analysis of the structures were, in addition to the results of the structural investigations, the geometric surveys and the 3D BIM model of the existing configuration.