Lo Strutturista - Anno I Nr. 3/2020 | Luglio 2020 - Reg. Trib. di Pisa nr. 2754/2019 R.N.C. - 22/19
LE STRUTTURE TRA SCIENZA, TECNICA E ARTE
Focus
LA REGOLARITÀ STRUTTURALE NELLA PROGETTAZIONE SISMICA DEGLI EDIFICI Analisi tecnica a cura dell’ing. Aurelio Ghersi
Ricerca e innovazione
Caso Studio
ing. Nunziata:
ing. Di Lorenzo et al.:
“La precompressione nelle strutture in acciaio e nell’adeguamento di ponti e viadotti”
sismico di costruzioni esistenti in c.a. e c.a.p.: criteri di progetto ed applicazioni”
Nr. 03 Luglio 2020
Focus
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biettivo della progettazione in zona sismica è garantire che la costru-
so e rilevante, è ammesso purché la costruzione mantenga una parte della resistenza e rigidezza nei confronti dei carichi verticali ed abbia ancora un margine di sicurezza rispetto al collasso per azioni orizzontali. Contemporaneamente si vuole far sì che per un’azione sismica di minore entità rali, non eccessivi, consentendo così un rapido ripristino della sua utilizzabilità. Uno degli aspetti importanti da prendere in considerazione per raggiungere questi obiettivi è la regolarità, sia della struttura che della costruzione nel suo complesso, cioè includendo le parti non strutturali. Questo aspetto è ribadito da tanti testi di progettazione antisismica, ad esempio [1] e [2], e dalle normative sismiche, a partire da quella europea, Eurocodice 8 o sinteticamente EC8 [3], che costituisce la base dell’attuale norma italiana NTC18 [4]. Ci si dovrebbe quindi aspettare che i progettisti dedichino ampi sforzi ad ottenere un comportamento regolare delle strutture da loro progettate. Ma basta un è ben differente. Due anni fa ho distribuito un questionario a circa 350 ingegneri di varie regio-
sorgere forti dubbi. Forse i progettisti italiani sono poco capaci? Oppure la normativa non stimola abbastanza o fornisce indicazioni poco realistiche? risultano irregolari”, sottintendendo così che è inutile sforzarsi a ricercare questa regolarità utopica e irraggiungibile. Mi è ben chiaro il senso della risposta e le valutazioni su cui si basa, ma credo che essa sia frutto di una interpretazione della normativa puramente formale ma sostanzialmente priva di senso. regolarità e quale impatto debba avere nella progettazione antisismica.
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>> Figura 1 Terremoto di San Fernando del 1971 Danneggiamenti dell’Olive View Hospital
Voglio innanzitutto affermare con forza che progettare una struttura è ben diverso dall’effettuarne il tanto enfatizzato calcolo. La vera fase progettuale è quella di impostazione della carpenteria e di dimensionamento delle sezioni degli elementi strutturali; il calcolo è invece una delle barre di armatura da disporre. le scelte iniziali. Se la struttura è stata mal concepita, il calcolo potrà attenuarpreoccupante è la tendenza, che vedo diffondersi sempre più, a confondere il calcolo col progetto ed a procedere al dimensionamento delle sezioni in (si veda il mio breve articolo nel numero precedente di questa rivista [5]). Se l’idea di “buon comportamento” di una struttura può sembrare un po’ è stata concepita male, il suo costo sarà inevitabilmente maggiore, anche in misura rilevante, rispetto a quello di una struttura ben ideata.
zione le indicazioni della normativa tate in ambito di ricerca. L’idea che la regolarità condizioni fortemente il comportamento sismico delle strutture nasce già nella prima metà del XX secolo, ma i primi
questa possibilità è rimasta a lungo non applicata e si è diffusa tra i comuni progettisti strutturali solo a partire dai primi anni del 2000.
La mancanza di regolarità in altezza
Nelle ultime decadi del XX secolo è stato affrontato anche il problema del comportamento tridimensionale delle strutture, tipicamente partendo dall’analisi teorica e numerica di schemi monopiano con impalcato rigido ed un asse di simmetria, quindi a due gradi di libertà. È emerso in maniera chiara l’incremento della rotazione dovuto alla risposta lineare in campo elastico e questo ha portato, specialmente nelle normative americane, all’uso di eccentricità opportunamente incrementate per correggere i risultati dell’analisi statica avvicinandoli a quelli dell’analisi modale. La mancanza di regolarità ilding Code 1988, che indica come primo aspetto da valutare il rapporto tra gli spostamenti dei due estremi
Building Code 2000 [7], ma in entrambi i casi sostanzialmente come
aspetti geometrici come angoli rientranti e discontinuità negli impalcati, per i quali viene imposta una mag-
Ovviamente gli strumenti di calcolo del passato erano molto meno potenti degli attuali; i modelli strutturali usati dai ricercatori erano quindi principalmente bidimensionali e
’60 di tale secolo e riguardano in particolare l’influenza dei set-backs -
shear-type
dell’influenza della distribuzione di rigidezza, massa e resistenza ai vari
di un meccanismo di piano che aumenterebbe fortemente la richiesta di duttilità del sistema. L’inserimento di criteri di regolarità in elevazione nelle normative sismiche risale proprio a questo periodo e sembra fatto sulla base del buon-
tema di ricerca nelle ultime due decadi del XX secolo ed ha portato alla ne”, vista come strumento per valulisi modale. Occorre a tal proposito ricordare che la norma sismica italiana ha consentito l’uso dell’analisi modale solo a partire dal 1975, ma
criterio per imporre l’uso dell’analisi modale con spettro di risposta al posto dell’analisi statica.
tuato in termini di drift
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Case study Case study
ESOSCHELETRI IN ACCIAIO ORTOGONALI PER IL RETROFIT SISMICO DI COSTRUZIONI ESISTENTI IN C.A. E C.A.P. CRITERI DI PROGETTO ED APPLICAZIONI
L’
uso di strutture additive esterne rappresenta sin dagli anni ’80 una delle tecniche più adeguate per il miglioramento o l’adeguamento sismico di edi-
è stata mostrata l’applicazione di tale tecnica a due casi studio: la scuola secondaria di primo grado “G. Parrozzani” -
ridotta capacità dissipativa. Questa tecnica di intervento, fu introdotta dai primi codici giapponesi e americani che si occupavano del tema della riabilitazione strutturale e caratterizzò molte applicazioni degli anni successivi, specialmente nelle aree ad alto rischio sismico. Oggigiorno, la sua diffusione è dovuta non solo alla possibilità di essere realizzata in modo sicuro senza interrompere l’operatività un’estensione laterale di volumi della struttura, grazie alle potenzialità che i sistemi intelaiati offrono. Nel presente lavoro, dopo un accurato stato dell’arte sulle principali ricerche e applicazioni degli esoscheletri in acciaio, si è procedei parametri chiave di progetto, indispensabili sia per con-
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Introduzione esistenti in calcestruzzo armato, spesso caratterizzati da una elevata vulnerabilità sismica dovuta a diversi fatconnesse alla durabilità dei materiali costituenti, sono possibili attraverso l’uso di una vasta gamma di strategie e tecniche che il settore edilizio attualmente dispone. ne combinata dei progressi nell’ambito della scienza dei materiali e dell’ingegneria strutturale ha consentito il diffondersi di sistemi innovativi nelle principali norme e linee guida che si occupano di riabilitazione strutturale sia in ambito nazionale che internazionale (JBDPA, 2001; CEB-FIB, 2003; Dolce and Manfredi, 2011) -
ing. Gianmaria Di Lorenzo professore aggregato di Tecnica delle Costruzioni presso DIST, Università di Napoli Federico II
arch. Eleonora Colacurcio borsista di ricerca presso DIST, Università di Napoli Federico II
arch. Agustina Di Filippo borsista di ricerca presso DIST, Università di Napoli Federico II
ing. Antonio Formisano professore aggregato di Tecnica delle Costruzioni presso DIST, Università di Napoli Federico II
ing. Alfredo Massimilla collaboratore di ricerca presso DIST, Università di Napoli Federico II
ing. Raffaele Landolfo professore ordinario di Tecnica delle Costruzioni presso DIST, Università di Napoli Federico II
luppo di nuove metodologie progettuali orientate verso
cemente soprattutto per le numerose potenzialità che
che considera una analisi globale del ciclo di vita della struttura (Formisano et al, 2017; Vitiello et al, 2019). Sebbene siano diverse le tecniche disponibili per tali interventi, solo poche di queste contemplano la realizzazione di sistemi che non interrompono l’operatività dell’e(FEMA, 2006) questa categoria tutti gli interventi realizzati all’esterno della costruzione attraverso strutture additive, dotate di fondazione indipendente, che si collegano lateralmente a quelle esistenti. Qualora l’intervento sia esteso ad
interessa non solo gli aspetti strutturali, ma anche quel-
vengono denominate esoscheletri, rievocando il richiamo della biomimesi al caso dei gusci protettivi di alcune specie animali (Benyus, 2002): applicati dall’esterno, sono capaci di proteggere la costruzione esistente, incrementandone la resistenza e la rigidezza nei riguardi delle azioni laterali (Foraboschi and Giani, 2017). Come rilevato da molteplici workshop (Marini et al, 2015) e progetti di ricerca (PRIN 2009; ReLUIS, 201921), l’utilizzo di tale strategia si sta diffondendo velo-
ad incrementare i livelli di sicurezza strutturale della costruzione esistente nei confronti dei principali stati limite (Foraboschi and Giani, 2018), può divenire il supporto per una seconda pelle capace di migliorare le prestazioni energetiche della costruzione e, con una attenta scelta dei materiali, produrre una ristrutturazione formale (Caverzan, 2016). stallazione del doppio involucro poiché questo, proteggendo le zone maggiormente esposte alle intemperie, costruzione con il conseguente incremento della sua vita utile. Questi sistemi sono pensati non solo per essere inma anche per avvolgerlo integralmente, migliorando anche le prestazioni energetiche e strutturali del sistema di copertura (Terracciano et al., 2014).
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Case study
Se le condizioni al contorno e le limitazioni urbanistiche lo consentono, gli esoscheletri realizzati con materiali metallici e tecnologie a secco, accoppiati ad un nuovo involucro, diventano una strategia in modo sostenibile e reversibile la resilienza dell’ambiente costruito (Bellini et al., 2018). Queste soluzioni di intervento, applicate su interi comparti, favoriscono la rigenerazione urbana rivalutazione economica del patrimonio edilizio preesistente (Angelucci et al., 2013). di un kit di esoscheletro in carpenteria metallica da impiegare per la esistenti in c.a. e c.a.p. monopiano e multipiano di altezza contenuta. esoscheletro e le sue prerogative, tri chiave di progetto, che risultano preliminari all’elaborazione di un prototipo di kit. Dopo aver presentato una proposta di metodologia di
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>> Figura 2
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>> Figura 1
si conclude con la sua applicazione a due casi studio, quali la scuola secondaria di primo grado “G. Parcio industriale monopiano in c.a.p. a Mirabello, in provincia di Ferrara.
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Ricerca e innovazione
LA PRECOMPRESSIONE NELLE STRUTTURE IN ACCIAIO E NELL’ADEGUAMENTO DI PONTI E VIADOTTI
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ell’articolo viene discusso della precompressione a cavi esterni delle strutture in acciaio, vengono introdotti i principi teorici e di calcolo, illustrata una tecnologia semplice ed innovativa di precompressione a cavi esterni. Viene riportata inoltre la sperimentazione su di una trave in acciaio precompresso in scala reale, lunga 21.40 m e caricata con blocchi di calce-
ing. Vincenzo Nunziata ingegnere civile, autore di testi per l’ingegneria strutturale
Introduzione Le principali ragioni della poca diffusione delle strutture in acciaio precompresso sono a mio parere la scarsa conoscenza del sistema e dei metodi di analisi. Quando questo tipo di informazione diventerà patrimonio sciendel settore edile allora si avrà una rapida diffusione delè avvenuto per analoghe tecnologie, ad esempio per il
Vengono mostrate inoltre delle applicazioni della precompressione a cavi esterni per l’adeguamento di ponti e viadotti sia in c.a.p. che in acciaio. Lo scopo è quello di far conoscere tale tecnologia e i principi teorici su cui si basa, ancora poco noti sia a livello universitario che professionale, e di fornire dei il reale impedimento allo sviluppo di tale tecnologia che presenta rispetto ad altre dei vantaggi sia economici che
rappresenterà la nuova frontiera per l’ingegneria strutturale. Scopo di quest’articolo è quello di introdurre l’analisi statica delle principali strutture in a.p. ed alcuni risultati notevoli per il confronto con altre tipologie strutturali. La precompressione delle strutture in acciaio rappresenta un argomento che anche se non nuovo nel senso stretto del termine, in quanto esistono già delle sporararissime pubblicazioni in merito per lo più introvabili, è considerato tale dalla maggioranza degli ingegneri presso i quali è un argomento del tutto sconosciuto. Nell’accingermi a scrivere e pubblicare il mio libro “Strutture in
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Ricerca e innovazione
ra prima e di cui quest’articolo è un’estrema sintesi. Le domande più frequenti provenienti da colleghi, operatori nel settore della carpenteria metallica e dal mondo accademico sono state essenzialmente tre a cui voglio subito rispondere e mettere da parte, esse sono:
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le supposizioni che mi portano a pensare che l’acciaio precompresso non sia diffuso nel settore della carpenteria metallica per due motivi di cui il primo largamente predominante, essi sono: livello teorico e sperimentale come è avvenuto invece per stato insegnato nelle Scuole Universitarie determinando un vuoto di conoscenza presso gli studenti di ingegneria, futuri professionisti; della trave composta o la precompressione a cavi esterni, oggigiorno inesistenti. te pensando la precompressione come un sistema di carichi equivalenti che ne schematizzi l’effetto, tali carichi producono sulla trave delle sollecitazioni opposte a quelle provocate dai carichi permanenti ed accidentali bilanciando parzialmente gli effetti da essi prodotti, l’entità delle sollecitazioni provocate dai carichi equivalenti dipende dal materiale utilizzato. Per il c.a.p. le sollecitazioni provocate dai carichi equivalenti dovranno per forza di cose essere modeste in quanto il materiale base resiste bene a compressione ma poco o nulla a trazione; per sicuramente maggiori oltre che per le migliori caratteristiche resistenti del materiale base anche per la possibilità di poter sfruttare sia la trazione che la compresl’acciaio non è un materiale propriamente simmetrico in quanto resiste bene a trazione ma non altrettanto a della precompressione, anche se si può affermare che la precompressione migliora le caratteristiche resistenti qualunque materiale.
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taggio economico rispetto alle strutture in acciaio non del costo di mercato dei cavi e della tecnologia di precompressione. Tale valore minimo può arrivare anche al 40-50% in funzione della tipologia strutturale e della destinazione d’uso dell’opera. Oltre al vantaggio economico che è sicuramente quello più sentito, vi sono anche altri tipi di vantaggi come la maggiore snellezza a parità di carichi portati, il che comporta di avere travi più basse di uguale o maggiore sicurezza, la minore deformabilità sotto carico, ecc.
Analisi delle strutture in acciaio precompresso Generalità mente nel: sottoporre una struttura a dei carichi che producono sollecitazioni opposte a quelle di esercizio. La si materiale ed in particolare all’acciaio, Figura 1, migliorandone notevolmente le caratteristiche di resistenza. della precompressione fa si che la trave passi da pardi resistenza è dovuto esclusivamente ad un maggiore utilizzo della sezione, che nell’acciaio si dà per scontato. Metodo statico, che considera in ogni sezione l’effetto della precompressione come una pressione eccentrica Metodo dei carichi equivalenti, in cui l’effetto della precompressione viene analizzato mediante l’introduzione di un sistema di forze equivalenti introdotte come forze esterne che agiscono sulla trave e chiamate “carichi equivalenti”.
Ingegneria parametrica ing. Marco Pellegrino ingegnere civile e membro del gruppo Computation and Design di Format Engineers
GALAXIA, IL TEMPIO DEL BURNING MAN 2018
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al 1991 a Black Rock City nel deserto del Nevada si svolge ogni anno il festival del Burning Man che porta 75mila persone a costruire e popolare una città inesistente nel deserto per 8 giorni consecutivi con tende, generatori di elettricità, cibo, acqua e intratteniil dono sono le uniche forme di scambio e la città vive in un’unica grande idea di comunità dove la violenza non è città e tutto ciò che accade a Black Rock City è attiva creazione dei partecipanti. Sono i partecipanti stessi a creare workshop, installazioni d’arte ed eventi ed ognuno può esprimersi liberamente esplorando la città e ciò che offre. Le istallazioni d’arte sono una delle attrazioni principali del festival, molte sono interattive e i partecipanti del festival sono parte integrante di esse; possono toccarle, esplorarle e talvolta persino costruirle. Le installazioni pilastro del festival sono L’Uomo ed il Tempio ed entrambi vengono costruiti da volontari prima dell’inizio del festival e bruciati in due giorni consecutivi Il burn dell’Uomo è una grande fe-
ing. Sara Andreussi ingegnere civile ad Atkins, sezione Nuclear and Power EMEA
distruzione del Tempio è un momento magico e silenritorno alla vita reale. leave no trace ed ogni partecipante è tenuto a riportare indietro tutto ciò che ha portato per contribuire alla costruzione della città e una squadra di volontari è incaricata di pulire la Playa e rimuovere qualsiasi traccia dei 75mila partecipanti per circa un mese. datore dell’omonimo studio londinese, progetta Galaxia, il tempio costruito nel 2018 a Black Rock City. Galaxia è un’installazione a spirale che rappresenta una rete connettiva dell’universo che congiunge gli astri con il mondo terreno. La scultura celebra la speranza dell’ignoto e la zazione di essa è avvenuta grazie ad una forte campagna di crowfounding ideata dall’architetto per coprire le spese di realizzazione dell’opera.
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Ingegneria parametrica
>> Figura 1 Galaxia, il tempio del Burning Man Festival 2018
Galaxia è prima di tutto un Tempio, un luogo sacro e di meditazione che non ha distinzione tra religione e un luogo di preghiera dove tutti possono accedere in silenzio ed emana una forte energia spirituale. pregano e ricordano luoghi imporsoprattutto chi hanno amato. tati dai cittadini ed è vissuto di giorburn del Tempio porta via con sé le preghiere ed i ricordi
>> Figura 2 Galaxia all’alba
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Storia delle strutture
ing. Daniele Borgogni
LA TORRE DI MILLE PIEDI
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in dall’antichità, l’idea stessa di costruire una torre molto alta ha perseguitato a lungo l’immaginazione degli uomini. La vittoria sulla legge di gravità e sulle insidie delle forze della natura, quali i terremoti e il vento, è da sempre stata emblema di forza e poten-
ingegnere civile e libero professionista con una grande passione per le strutture
Tuttavia anche questo progetto rimase solo sulla carta. altezza divenne una sorta di ossessione.
dicendo “Venite, costruiamoci una città e una torre, la cui cima tocchi il cielo e facciamoci un nome, per non disperderci su tutta la terra”. Questo tarlo ha costantemente accompagnato la storia dell’uomo. l’entrata in produzione di nuovi materiali, come le ghise e l’acciaio, rivoluzionarono le tecniche di costruzione, nonché quelle di progettazione. L’idea dominante era quella che non esistessero limiti di sorta. Nel 1833 l’ingegnere inglese Richard Trevithick propose di costruire una colonna di ghisa traforata alta lizzata ma andò a stuzzicare la fantasia progettuale di
viaggio negli Stati Uniti e con il Collega Bourdais iniziò a pensare ad un faro, la Torre del Sole, ovviamente di mille piedi, e sormontata da una fonte di energia elettrica per l’illuminazione di Parigi. L’idea era quella di una parte centrale in muratura circondata da gallerie sovrapposte e da colonnine in ghisa. Le dimensioni della struttura erano strabilianti: basti pensare che, già da sola, la base triangolare superava l’altezza delle torri della Cattedrale considerazione l’enorme peso e la conseguente impossibilità tecnica della realizzazione in muratura. Tuttavia, la stampa dette un grosso risalto all’idea progettuale, se ne iniziò a parlare, soprattutto iniziarono a parlarne
statunitensi Clarke e Reeves, per l’Esposizione Universa-
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Storia delle strutture
>> Figura 1 La Torre americana di 1000 piedi, progettata
>> Figura 2 Schizzo originale della torre Eiffel
Nel 1884 l’idea della torre di mille piedi era nell’aria e la tecnologia disponibile iniziò ad essere matura. Fu così che, durante una riunione negli Metallica , al numero 48 di Rue Fouquet a Levallois-Perret, quando le idee per la partecipazione alla grande esposizione che si sarebbe tenuta a Parigi sembravano essere terminate, smontò tre piloni da un plastico di un ponte metallico ad arco ed approntò il modellino di una struttura fatta to dell’idea ma permise comunque le del reparto montaggi della Maison Eiffel, dal momento che, sin da subi-
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to, sarebbe stato necessario capire come costruire a quelle altezze. Nouguier scrisse riguardo a quel periodo: “Fu allora che ci mettemmo al lavoro. Non siamo stati supportati da alcun incoraggiamento; al contrario, tutti quelli con cui abbiamo parlato del nostro progetto lo stavano prennell’idea originale e continuavamo a lavorare. Quando il progetto fu terminato, quando tutti i calcoli ci avevano mostrato che poteva essere realizzato per una somma relativamente piccola di denaro e che poteva essere facilmente pagato dagli introiti delle salite nella Torre, abbiamo pensato di farlo conoscere al pubblico”. Eiffel rimase stupito dal progetto preliminare e, da grande imprenditore, capì che l’idea era tutt’altro che una semplice fantasia. Ma il progetto era ancora troppo da “ingegneri”. Si racconta che il giudizio di Eiffel fu
che la torre era logica, semplice e sfortunatamente, non tutti i parigini erano dei matematici, perciò era necessario rivisitare il progetto secondo canoni estetici differenti. Maison Eiffel, che “ingentilì” la torre, rendendola più fruibile al grande pubblico dal punto di vista estetico, inserendo, tra le altre cose, i grandi archi che tutti possiamo ammirare e che non hanno, tuttavia, alcuna funzione strutturale. La struttura in ferro, due volte più alta della Cupola di San Pietro a Roma, e più imponente della Piramide di Giza, destò non poche perplessità nell’amritenevano esteticamente inferiore rispetto alle altre architetture parigi-