Autore: Marco Mennella
Tutor: Prof. Ing. Nicola Longarini
Internship: Groma Architecture Engineering Studio
Master: Master di I livello in “Progettazione sismica delle strutture per costruzioni sostenibili” a.a. 2024/25
Il presente lavoro di tesi ha come oggetto di studio il progetto dell’intervento di adeguamento sismico del corpo di fabbrica 3 del Tribunale di Santa Maria Capua Vetere. L’edificio in oggetto ospita il Tribunale Penale (piano terra, piano primo, piano secondo e piano quinto), la Procura della Repubblica (piano terzo e piano quarto) e gli uffici dell’Ordine degli Avvocati (piano terra) di Santa Maria Capua Vetere. La sua costruzione risale agli inizi degli anni ’70, con struttura portante intelaiata in c.a. fondata su pali.
Preliminarmente è stato descritto il comportamento sismico delle strutture esistenti in cemento armato. Infatti, oltre il 60% dei fabbricati in Italia è stato costruito prima del 1974, anno in cui è stata introdotta la prima norma per le costruzioni in zona sismica. Negli anni antecedenti tale norma, la progettazione strutturale era basata prevalentemente sui carichi verticali e non prendeva in considerazione il comportamento dinamico della struttura, dunque tali edifici risultano ad oggi privi di criteri antisismici. Anche dopo il 1974, una parte del territorio nazionale era classificata “non sismica” ed in essa nessuna azione sismica era presa in considerazione.
Successivamente si passa al problema della valutazione della sicurezza, per cui risulta fondamentale la conoscenza della struttura (geometria e dettagli costruttivi) e dei materiali che la costituiscono (calcestruzzo e acciaio); per questo viene introdotta un’altra categoria di fattori, i “fattori di confidenza”, che vanno a ridurre preliminarmente i valori medi di resistenza dei materiali per ricavare i valori da adottare nel progetto o nella verifica, da dividere ulteriormente per i coefficienti parziali di sicurezza. La struttura, se non progettata espressamente per sostenere un terremoto, avrà quasi sicuramente un comportamento sotto sisma ben diverso da quello in genere auspicato. Occorre pertanto rimettere in discussione il metodo di analisi con cui valutarne la risposta.
Si analizza un edificio pubblico in cemento armato, risalente agli inizi degli anni ’70, che presenta tutte le carenze e problematiche tipicamente riscontrabili nelle costruzioni di quel periodo. Inizialmente, è stata eseguita un’analisi storico-critica, ovvero lo studio dei documenti tecnici relativi alla struttura che sono stati recepiti, ed il rilievo geometrico strutturale, che ha confermato la geometria dell’edificio. Nello specifico, il Corpo 3 presenta dimensioni 39,60m x 28,20m al piano interrato e ai primi due piani fuori terra, e dimensioni 39,60m x 13,60m ai piani successivi. Attraverso indagini distruttive e non distruttive è stato possibile acquisire le informazioni necessarie per i materiali. Nel caso in esame, si è raggiunto un livello di conoscenza LC2, al quale corrisponde un fattore di confidenza FC=1,20. Utilizzando le informazioni relative alla fase di indagine conoscitiva, viene implementato un modello ad elementi finiti del corpo di fabbrica in esame.
Viene condotta un’analisi dinamica modale, che mostra un comportamento dinamico irregolare. In particolare, per i primi tre modi di vibrare, vengono eccitate percentuali di masse non trascurabili contemporaneamente nelle due direzioni ortogonali X e Y, determinando una risposta roto-traslazionale. Successivamente, viene condotta un’analisi statica lineare, dove, per soli carichi verticali, l’edificio risulta già vulnerabile in alcuni suoi elementi, con 14 elementi non verificati a taglio. L’analisi di vulnerabilità sismica mostra, invece, che la risposta della struttura alle azioni sismiche risulta inadeguata a soddisfare i livelli di sicurezza prescritti dalla normativa per lo Stato Limite di Salvaguardia della Vita (SLV), sia per meccanismi duttili che per meccanismi fragili, per cui risulta necessario elaborare una strategia progettuale atta ad innalzare il livello di sicurezza migliorando la performance strutturale.
Per il caso studio in esame si è scelto di utilizzare isolatori elastomerici HDRB, costituiti da strati alterni di acciaio e di elastomero collegati mediante vulcanizzazione, caratterizzati da smorzamento viscoso equivalente tra il 10% ed il 15%. Inoltre, sono stati scelti anche isolatori a scorrimento a superficie curva, concepiti per sostenere soltanto gli effetti dei carichi gravitazionali. Nel pre-dimensionamento del sistema di isolamento, viene valutato il periodo fondamentale della struttura a base fissa, e si ipotizza un periodo della struttura isolata di 3 secondi. Tale valutazione è obbligatoria per il calcolo della rigidezza orizzontale degli isolatori. Noto tale valore, si procede alla scelta della tipologia di isolatori, ed al loro posizionamento in pianta. La soluzione progettuale prevede l’utilizzo di 25 isolatori elastomerici HDRB e di 28 isolatori a scorrimento a superficie curva. Pertanto, si procede alla modellazione del sistema di isolamento nel modello ad elementi finiti. Il sistema di isolamento viene modellato come lineare equivalente in quanto lo smorzamento lineare equivalente risulta inferiore al 30%. Successivamente, si prevede il rinforzo dei pilastri al piano interrato, prevedendo un ringrosso delle sezioni, utilizzando un calcestruzzo di classe C30/37 ed acciaio B450C. Inoltre, i pulvini creati al di sopra degli isolatori vengono collegati con travi HEA 160 ortogonali e diagonali in modo da creare un diaframma rigido al di sopra degli isolatori e al di sotto del solaio del piano terra.
È stata svolta, pertanto, un’analisi dinamica modale, attraverso la quale si è potuto evidenziare il disaccoppiamento delle componenti traslazionali e rotazionali della risposta modale della struttura. La struttura isolata raggiunge l’85% di massa partecipante nei primi due modi traslazionali, pertanto, i risultati ottenuti con l’apposito modello ad elementi finiti, possono ritenersi validi. La stragrande maggioranza della massa partecipante dell’edificio isolato viene eccitata dal primo modo di vibrare che determina una deformata modale descrivibile come lo spostamento di un corpo rigido sul piano di isolamento. Tale comportamento porta con sé un abbattimento degli spostamenti di interpiano. Ne consegue la possibilità di evitare non solo il collasso delle strutture, ma anche qualsiasi danno sia agli elementi strutturali e non strutturali che al contenuto dell’edificio.
I risultati hanno mostrato una notevole diminuzione nel numero di elementi non verificati. In particolare, la percentuale di elementi non verificati passa dal 62,28% al 5,18% con l’intervento di adeguamento sismico previsto. La stragrande maggioranza della massa partecipante dell’edificio isolato viene eccitata dal primo modo di vibrare che determina una deformata modale descrivibile come lo spostamento di un corpo rigido sul piano di isolamento. Tale comportamento porta con sé un abbattimento degli spostamenti di interpiano. La presenza degli isolatori, inoltre, regolarizza la distribuzione delle rigidezze della struttura nelle due direzioni, con rapporto r2/ls2 che assume sempre valori unitari. La struttura può considerarsi torsionalmente indeformabile. Considerati i rapporti capacità/domanda che si avrebbero sulla struttura a seguito del terremoto di progetto, le riduzioni di effetti sismici dovrebbero portare la gran parte degli elementi ad avere sotto sisma un comportamento elastico. Tuttavia, sulla base delle resistenze riscontrate, si è valutato che una minima parte di essi continuerebbe, comunque, a subire domande strutturali di una certa entità in termini di deformazioni plastiche. Per questi ultimi si procederà ad un rafforzamento locale mediante la tecnica dell’incamiciatura per tutti i pilastri non verificati, mentre, per le travi, si prevedono interventi mediante incamiciatura per gli elementi che presentano un rapporto capacità/domanda superiore a 0,80, ed interventi con la tecnica del placcaggio metallico per le travi che presentano un rapporto capacità/domanda inferiore a 0,80.
Rapporti Capacità/Domanda (per azioni flettenti) elementi non verificati allo SLV
Rapporti Capacità/Domanda (per azioni taglianti) elementi non verificati allo SLV
FOR INTERNATIONAL STUDENTS
This thesis focuses on the design of the seismic retrofitting intervention for Building Block 3 of the Courthouse of Santa Maria Capua Vetere. The building in question houses the Criminal Court (ground floor, first, second, and fifth floors), the Public Prosecutor’s Office (third and fourth floors), and the offices of the Bar Association (ground floor) of Santa Maria Capua Vetere. It was built in the early 1970s with a reinforced concrete framed structure founded on piles.
Initially, the seismic behaviour of existing reinforced concrete structures was described. In fact, over 60% of buildings in Italy were built before 1974, the year in which the first seismic design code was introduced. Before that, structural design was primarily based on vertical loads, without consideration for the dynamic behaviour of structures, resulting in buildings that lack seismic design criteria. Even after 1974, parts of the national territory were classified as “non-seismic” and no seismic action were considered for structures built there.
The safety assessment issue is then addressed, where it is essential to understand the structure’s geometry, construction details, and material properties (concrete and steel). For this purpose, a category of factors called “confidence factors” is introduced to preliminarily reduce the mean resistance values of materials, in order to derive the values to be used in design or verification, which are further divided by partial safety factors. A structure not explicitly designed to withstand earthquakes will almost certainly behave differently under seismic actions than typically expected. Therefore, it is necessary to reconsider the analysis methods used to assess its response.
The study analyses a public reinforced concrete building from the early 1970s, which exhibits all the typical deficiencies of constructions from that period. Initially, a historical-critical analysis was carried out by studying technical documents and conducting a geometric and structural survey, which confirmed the building’s geometry. Specifically, Block 3 has dimensions of 39.60 m x 28.20 m at the basement and first two above-ground floors, and 39.60 m x 13.60 m on the upper floors. Through destructive and non-destructive investigations, the necessary material information was acquired. In this case, a knowledge level LC2 was reached, corresponding to a confidence factor FC = 1.20. Using the data from the preliminary investigations, a finite element model (FEM) of the building block under study was implemented.
A modal dynamic analysis was conducted, revealing irregular dynamic behaviour. In particular, for the first three vibration modes, significant mass participation occurred simultaneously in the two orthogonal directions X and Y, resulting in a combined rotational and translational response. A linear static analysis was then performed, which, under vertical loads alone, already showed vulnerability in some elements, with 14 elements failing in shear. The seismic vulnerability analysis revealed that the structure’s response to seismic actions was inadequate to meet safety levels prescribed by the regulations for the Life Safety Limit State (SLV), both for ductile and brittle failure mechanisms. Therefore, a design strategy to improve the structural performance and increase safety levels was necessary.
For this case study, high-damping rubber bearings (HDRB), composed of alternating layers of steel and elastomer bonded by vulcanization and characterized by an equivalent viscous damping between 10% and 15%, were chosen. Additionally, curved surface sliding isolators, designed to support only gravity loads, were used. During the preliminary design of the isolation system, the fundamental period of the fixed-base structure was evaluated, and an isolated structure period of 3 seconds was hypothesized. This evaluation is required to calculate the horizontal stiffness of the isolators. Once this value was established, the type and layout of the isolators were defined. The design solution includes 25 HDRB isolators and 28 curved surface sliding isolators. Consequently, the isolation system was modelled in the finite element model. The isolation system was modelled as equivalent linear since the equivalent linear damping is less than 30%. Furthermore, the basement columns were strengthened by enlarging their sections using C30/37 concrete and B450C steel. The isolator heads were connected with orthogonal and diagonal HEA 160 beams to create a rigid diaphragm above the isolators and below the ground floor slab.
A modal dynamic analysis was then performed, which highlighted the decoupling of the translational and rotational components in the modal response of the structure. The isolated structure achieves 85% mass participation in the first two translational modes, making the finite element model results reliable. Most of the mass participation in the isolated building is excited by the first vibration mode, which results in a modal shape described as a rigid body displacement on the isolation plane. This behaviour leads to a significant reduction in inter-story drifts. Consequently, it is possible to prevent not only structural collapse but also damage to both structural and non-structural elements, as well as to building contents.
The results showed a significant reduction in the number of unverified elements. Specifically, the percentage of unverified elements dropped from 62.28% to 5.18% after the seismic retrofitting intervention. The presence of isolators also regularizes the stiffness distribution of the structure in both directions, with the r2/ls2 ratio consistently equal to unity. The structure can thus be considered torsionally undeformable. Considering the capacity/demand ratios expected in the structure after the design earthquake, the reduction in seismic effects should lead most elements to remain elastic under seismic loading. However, based on the observed resistances, a small portion of elements would still undergo significant plastic deformations. For these elements, local strengthening through jacketing is planned for all unverified columns, while for beams, jacketing will be applied to elements with a capacity/demand ratio above 0.80, and steel plate strengthening will be used for those with a ratio below 0.80.
Capacity/Demand ratios (for bending actions) items not audited at the SLV
Capacity/Demand ratios (for shear actions) elements not verified at the SLV