TITOLO DELLA TESI: Valutazione della vulnerabilità sismica per edificio residenziale in c.a.
MASTER: Progettazione sismica delle strutture per costruzioni sostenibili
AUTORE: Francesco Schiavone
TUTOR: Prof. Ing. Marco Zucca
Il patrimonio edilizio esistente rappresenta una componente rilevante del costruito italiano e presenta, in numerosi casi, caratteristiche strutturali e livelli di sicurezza non pienamente rispondenti agli attuali criteri di progettazione sismica. La valutazione della vulnerabilità delle costruzioni esistenti e l’individuazione di strategie di intervento efficaci costituiscono pertanto un tema di particolare interesse nell’ambito della sicurezza strutturale e della riqualificazione del patrimonio edilizio.
La presente tesi affronta la valutazione della vulnerabilità sismica di un edificio residenziale esistente in calcestruzzo armato, realizzato alla fine degli anni ’80 e situato originariamente nel Comune di Fasano (BR).
L’edificio, di tipo residenziale in linea, è costituito da una struttura portante caratterizzata da telai in calcestruzzo armato, solai in laterocemento e fondazioni a plinti isolati.
L’obiettivo principale del lavoro è stato quello di valutare il comportamento strutturale dell’edificio nei confronti dell’azione sismica, individuare le principali criticità e definire una possibile strategia di intervento finalizzata al miglioramento delle prestazioni strutturali.
La conoscenza della struttura è stata sviluppata attraverso l’analisi storico-critica e l’esame della documentazione progettuale originale.
Le informazioni relative alla geometria degli elementi, ai dettagli costruttivi e alle armature sono state utilizzate per la definizione del modello numerico, mentre per le caratteristiche meccaniche dei materiali si è fatto riferimento ai valori di progetto.
L’edificio è stato virtualmente ricollocato nel Comune di Barletta, come scenario di studio per valutare la risposta della struttura in presenza di una domanda sismica più gravosa rispetto a quella del sito originario, classificato in zona sismica 4. Tale approccio ha consentito di analizzare il comportamento dell’organismo strutturale in condizioni di maggiore pericolosità sismica, mantenendo invariata la configurazione geometrica e strutturale dell’edificio.
Il modello tridimensionale agli elementi finiti è stato sviluppato mediante MIDAS Gen NX.
Il percorso di analisi ha previsto una prima analisi strutturale per carichi gravitazionali, finalizzata alla verifica dello stato di equilibrio e alla valutazione della distribuzione delle sollecitazioni nella configurazione iniziale. Successivamente è stata condotta l’analisi dinamica lineare, comprendente l’analisi modale e la valutazione della risposta della struttura mediante spettro di risposta. L’analisi modale ha evidenziato un comportamento caratterizzato da modi prevalentemente traslazionali nelle direzioni principali, accompagnati da una componente torsionale non trascurabile.
Particolare rilievo è stato attribuito all’analisi statica non lineare (pushover), utilizzata per caratterizzare la capacità resistente e deformativa dell’edificio oltre il campo elastico.
Risultati principali
- Le analisi hanno evidenziato una capacità resistente e deformativa relativamente contenuta nella configurazione originaria.
A seguito dell’individuazione delle criticità sono state sviluppate strategie di rinforzo degli elementi strutturali, finalizzate all’incremento della resistenza, della rigidezza e della duttilità dell’organismo strutturale.
L’analisi degli elementi rinforzati ha mostrato il superamento delle criticità riscontrate nello stato di fatto: a seguito dell’incamiciatura, i pilastri risultano verificati a flessione e taglio con coefficienti di sfruttamento inferiori all’unità.
Per le travi sono stati individuati interventi specifici a flessione e a taglio mediante fasce in tessuto di acciaio galvanizzato. - Il confronto tra le configurazioni ante e post-intervento ha evidenziato un significativo incremento della capacità resistente e, soprattutto, della capacità deformativa globale. Nella distribuzione multimodale il taglio massimo alla base passa da circa 950 kN a 2500 kN in direzione X e da circa 725 kN a 2100 kN in direzione Y.
Parallelamente, la struttura rinforzata è in grado di sostenere spostamenti molto maggiori rispetto alla configurazione originaria, evidenziando un ampliamento significativo del campo di comportamento non lineare e della duttilità globale. - Le verifiche in termini di spostamento allo Stato Limite di Salvaguardia della Vita hanno evidenziato, per la configurazione post-intervento, il soddisfacimento della domanda sismica considerata. Nel complesso, la tesi mostra come la combinazione di analisi lineari e non lineari, supportata dalla modellazione numerica agli elementi finiti, consenta di interpretare in maniera approfondita il comportamento sismico di una costruzione esistente e di valutare l’efficacia delle strategie di rinforzo.
I risultati ottenuti evidenziano che l’intervento studiato produce un significativo incremento della resistenza e, soprattutto, della capacità deformativa della struttura, favorendo un comportamento globale duttile e coerente con i principi della gerarchia delle resistenze.
Fig.1 – Confronto ante-post intervento fra due curve pushover in direzione X (Gruppo 2 – distribuzione multimodale)
Fig.2 – Confronto ante-post intervento fra due curve pushover in direzione Y (Gruppo 1 – distribuzione 2)
FOR INTERNATIONA STUDENT
The existing building stock represents a significant component of the Italian built environment and, in many cases, is characterized by structural features and safety levels that do not fully comply with current seismic design criteria. The assessment of the seismic vulnerability of existing buildings and the identification of effective retrofit strategies therefore represent topics of particular relevance in the fields of structural safety and the rehabilitation of the existing building stock.
This thesis addresses the seismic vulnerability assessment of an existing reinforced concrete residential building, constructed in the late 1980s and originally located in Fasano (BR), Italy.
The building is a residential multi-storey structure characterized by a reinforced concrete frame system, reinforced concrete and clay-block floor slabs, and isolated spread footings.
The main objective of the study was to assess the structural behaviour of the building under seismic loading, identify the main structural deficiencies, and develop a possible retrofit strategy aimed at improving its structural performance.
Knowledge of the structure was developed through a historical-critical analysis and an examination of the original design documentation.
The information concerning the geometry of the structural members, construction details, and reinforcement layouts was used to define the numerical model, while the design values were adopted for the mechanical properties of the materials.
The building was virtually relocated to Barletta, as a study scenario aimed at assessing the structural response under a more demanding seismic hazard than that of the original site, which is classified as Seismic Zone 4. This approach made it possible to investigate the behaviour of the structural system under conditions of higher seismic hazard while keeping the geometric and structural configuration of the building unchanged.
The three-dimensional finite element model was developed using the MIDAS Gen NX software.
The analysis procedure initially included a structural analysis under gravity loads, aimed at verifying the equilibrium condition and assessing the distribution of internal forces in the initial configuration. Subsequently, a linear dynamic analysis was performed, including modal analysis and the evaluation of the structural response through response spectrum analysis. The modal analysis highlighted a behaviour characterized by predominantly translational modes in the principal directions, together with a non-negligible torsional component.
Particular emphasis was placed on the nonlinear static analysis (pushover analysis), which was used to characterize the strength and deformation capacity of the building beyond the elastic range.
Main Results
- The analyses highlighted a relatively limited strength and deformation capacity in the original configuration.
Following the identification of the structural deficiencies, retrofit strategies were developed for the structural members, aimed at increasing the strength, stiffness, and ductility of the structural system.The analysis of the strengthened members showed that the deficiencies identified in the existing configuration were overcome. Following the application of reinforced concrete jacketing, the columns satisfied the flexural and shear checks, with utilization ratios lower than unity. For the beams, specific flexural and shear strengthening interventions were designed using strips made of galvanized steel fabric.
- The comparison between the pre- and post-retrofit configurations highlighted a significant increase in strength capacity and, above all, in the overall deformation capacity. Under the multimodal load distribution, the maximum base shear increased from approximately 950 kN to 2500 kN in the X direction and from approximately 725 kN to 2100 kN in the Y direction.
At the same time, the strengthened structure was able to sustain significantly greater displacements than the original configuration, demonstrating a substantial expansion of the nonlinear response range and an improvement in overall ductility.
- The displacement-based checks at the Life Safety Limit State showed that the post-retrofit configuration satisfied the considered seismic demand.
Overall, the thesis demonstrates how the combination of linear and nonlinear analyses, supported by three-dimensional finite element modelling, can provide an in-depth assessment of the seismic behaviour of an existing building and allow the effectiveness of structural strengthening strategies to be evaluated. The results show that the investigated retrofit intervention produces a significant increase in structural strength and, above all, in deformation capacity, promoting a ductile global response consistent with the principles of the capacity design approach and the hierarchy of strength.
Fig. 1 – Comparison of pre- and post-retrofit pushover curves in the X direction (Group 2 – multimodal load distribution)
Fig. 2 – Comparison of pre- and post-retrofit pushover curves in the Y direction (Group 1 – Distribution 2)