Analisi dinamica numerica e sperimentale: struttura civile con dispositivi smorzanti

Introduzione 
 
II  
informazioni quali: 
- Tipologia strutturale, intesa come tecnica costruttiva adoperata (a 
telaio, a parete, miste, e così via); 
- Geometria globale con indicazioni sulle regolarità o meno in pianta ed 
in altezza, e geometria locale, per poter caratterizzare eventuali 
particolarità costruttive, come nel caso dei nodi trave-pilastro, o come 
nell’interazione suolo - fondazione struttura, o ancora problemi di 
irregolarità legate alla rigidezza globale, come può capitare nel caso di 
edifici con impalcati deformabili nel loro piano (in questo caso cade 
l’ipotesi di tre gradi di libertà dinamici per piano); 
- Tipologia, proprietà meccaniche e fisico-chimiche dei materiali 
adoperati; 
- Destinazione d’uso, per conoscere quali funzionalità deve garantire la 
struttura,  ma  soprattutto  quali  sono  le  masse  dovute ai sovraccarichi  
accidentali in gioco, e come possono essere influenzati i parametri 
modali, in particolar modo il fattore di smorzamento; 
- Storia dell’opera, per risalire ad eventuali modifiche 
architettonico/strutturali, a cambiamenti di destinazione d’uso, o 
semplicemente per conoscere la storia dei carichi, per cause ambientali 
e/o antropiche dovute ad esempio ad azioni sismiche, a movimenti 
franosi, etc... 
Le principali tipologie presenti sul territorio nazionale, si possono 
suddividere in strutture in calcestruzzo armato normale e precompresso, 
in muratura, in acciaio ed in legno. A queste si aggiungono strutture di 
tipo misto che presentano cioè due o più tipologie costruttive, come 
strutture miste in acciaio e c.a., o miste muratura e calcestruzzo e così 
via. 
La conoscenza della tipologia costruttiva è fondamentale perché 
l’influenza  sui  comportamenti  dinamici  varia  a  seconda  della  tecnica 
Introduzione 
 
III  
adoperata. 
La conoscenza della geometria globale serve a capire e prevedere quale 
sarà il comportamento dinamico e soprattutto di valutarne eventuali 
irregolarità che possono in qualche modo far nascere anomalie nelle 
forme modali e di conseguenza nelle sollecitazioni. 
L’importanza della geometria locale sta nella previsione del 
comportamento di eventuali punti critici della struttura in esame, come 
possono essere i nodi di connessione tra travi e pilastri di diverso 
materiale (travi in acciaio su pilastri in c.a.), oppure particolari sistemi di 
appoggio come nel caso dei solai in legno o latero-cemento su pareti in 
muratura, o ancora particolari elementi strutturali posizionati ad hoc per 
la protezione antisismica, come nel caso di controventi dissipativi, e così 
via. 
Ovviamente, di fondamentale importanza è la conoscenza delle 
caratteristiche fisico chimiche dei materiali e delle loro proprietà 
meccaniche, sia in campo lineare che in campo non lineare. Questo è un 
problema molto rilevante nell’ambito della caratterizzazione dinamica 
della struttura o di sue parti, in quanto praticamente mai il materiale si 
presenta omogeneo e perfettamente isotropo, soprattutto nel caso del 
calcestruzzo armato ed ancora di più nella muratura. Alcune 
approssimazioni sono d’obbligo nelle analisi dinamiche, ed anche se non 
si hanno grossi problemi nelle analisi lineari, queste creano maggiori 
incertezze nel caso di analisi non lineari, per esempio per valutare il 
comportamento a fatica del materiale, caso in cui è richiesta una 
modellazione più dettagliata e complessa. 
Ultimo punto importante riguarda ovviamente la destinazione d’uso, in 
quanto a seconda delle prestazioni e funzionalità che deve garantire la 
struttura, si avranno comportamenti diversi per le diverse masse in 
gioco,  ma  soprattutto  verifiche  differenti  sia  agli  stati limite ultimo che 
Introduzione 
 
IV  
agli stati limite di danno. 
Tra le strutture in c.a. andranno sicuramente considerate, in riferimento 
agli edifici, le tipologie a telaio, a parete, miste telaio e parete e altre 
tipologie come per esempio i nuclei. 
Le strutture in acciaio non hanno un grande impiego nell’edilizia 
residenziale, ma trovano comunque largo impiego nell’edilizia industriale 
e nelle grandi opere. Tra le diverse tipologie si possono incontrare 
strutture a telaio, a telaio controventato con controventi eccentrici o 
concentrici, a mensola, a pendolo invertito e così via. 
Dalla combinazione delle due tipologie precedenti nascono una serie di 
opere che devono essere valutate attentamente caso per caso, 
soprattutto in quei punti in cui i due diversi materiali entrano in contatto, 
perché modificano notevolmente il comportamento dinamico globale 
dell’opera, in quanto creano molto spesso delle zone ad elevata 
concentrazione tensionale soprattutto sotto condizioni di carico dinamico. 
Tra queste categorie rientrano le strutture a telaio con travi e pilastri 
composti in acciaio – c.a., e i telai in c.a. con controventi in acciaio. 
Le opere in muratura, molto presenti sul nostro territorio nazionale, 
rappresentano sicuramente la tipologia più complicata da caratterizzare 
dinamicamente, in quanto costituite da materiali in cui le proprietà 
intrinseche variano in funzione di molti parametri alcune delle quali non 
identificabili con precisione. Inoltre, tali strutture, sono per loro 
caratteristica progettate per resistere a carichi di tipo statico, viceversa, 
se sottoposte a carichi dinamici o di tipo ciclico, mostrano un forte e 
rapido degrado a fatica, molto più accentuato rispetto le tipologie 
mostrate in precedenza. 
Le opere in legno non riscontrano un forte interesse in ambito dinamico 
perché come tecnica costruttiva non è molto utilizzata se non in piccole 
realtà localizzate, inoltre tali strutture essendo di modeste dimensioni e 
Introduzione 
 
V 
caratterizzate da materiale piuttosto elastico non causano gravi 
preoccupazioni dal punto di vista del rischio sismico. Una successiva 
distinzione da fare è in riferimento a strutture di nuova costruzione e 
strutture già esistenti. 
Nel primo caso è evidente che con l’introduzione delle nuove ordinanze 
sismiche come la 3274/03 e le successive modifiche ed integrazioni, le 
strutture di nuova costruzione sono realizzate basandosi su aspetti 
prestazionali, e quindi alle problematiche dinamiche, includendo nella 
maggior parte dei casi la presenza di un modello FEM per l’analisi 
modale, non obbligatorio ma quasi sempre presente per la versatilità e 
rapidità di calcolo che oggi offrono i programmi per le analisi alle 
modellazioni finite. Ultimo punto è ovviamente sulle minori incertezze 
che si hanno rispetto le caratteristiche e le proprietà dei materiali 
adoperati, dovendo essere opportunamente testati e certificati secondo 
norma. 
Nel caso delle strutture esistenti, gioca molto l’epoca in cui sono state 
realizzate, in quanto in passato le normative sismiche erano meno 
efficaci se non del tutto inesistenti, inoltre di sicuro non vi sarà la 
presenza di modelli FEM di supporto ed anzi in molti casi, per opere 
molto vecchie, si riscontra la mancanza di tavole di progetto dettagliate. 
Inoltre può capitare di non conoscere le caratteristiche dei materiali o in 
caso contrario, sicuramente avranno subito un degrado nel tempo non 
sempre valutabile con precisione. 
In ultima analisi andranno considerate anche strutture di nuova 
costruzione dotate di sistemi antisismici, come isolatori alla base o 
sistemi dissipativi, per i quali non esiste una normativa per il collaudo in 
fase di esercizio soprattutto per la seconda categoria. 
CAPITOLO 1 
Rilievo geometrico e determinazione  
delle caratteristiche strutturali 
 
 
1.1 Premessa 
Le indagini preliminari sono state suddivise in quattro fasi distinte. 
Nella prima è stato eseguito il rilievo geometrico e strutturale dell’ edificio 
accompagnato da una documentazione fotografica dello stesso, nella 
seconda sono state eseguite le indagini diagnostiche tradizionali, nella 
terza fase le indagini geologiche (svolte dalla CMG di Avellino), ed infine 
nella quarta sono state eseguite le due campagne di prove di 
caratterizzazione dinamica, la prima esaminando la struttura al suo stato 
iniziale, la seconda esaminando la struttura in assenza dei tompagni 
esterni. 
Ognuna di queste fasi ha avuto un obbiettivo mirato. I rilievi effettuati 
sono stati fondamentali per la ricostruzione dell’esatta geometria della 
struttura e dello schema strutturale, informazione fondamentale per le 
successive prove dinamiche che hanno poi concluso la attività di 
conoscenza della struttura. 
Le indagini diagnostiche sono state mirate all’ottenimento di un elevato 
livello di conoscenza della struttura, in termini strutturali e di qualità dei 
materiali impiegati. 
Le indagini geologiche, determinando le caratteristiche del terreno, 
hanno permesso di modellare l’interazione del suolo con le fondazioni, in 
questo modo si è potuto ottenere un modello di calcolo che tenga conto 
della  struttura comprensiva di fondazioni. 
Capitolo 1 
 
2
Ed infine le prove dinamiche, informazioni fondamentali per calibrare il 
modello agli elementi finiti ed ottenere le successive informazioni per 
l’esecuzione degli interventi di adeguamento sismico previsti nel 
progetto. 
 
 
1.2 Descrizione della struttura e rilievo fotografico 
La struttura in oggetto è stata realizzata nella fine degli anni ‘60 e 
non è mai stata completata. Dal punto di vista strutturale, la tipologia è in 
cemento armato con tetto a falde anch’esso dello stesso materiale.  
La struttura conta 3 livelli e 2 impalcati. Il primo livello, è un piano 
seminterrato con terrapieno, sorretto da pareti in c.a. adiacenti agli 
elementi portanti verticali, ma ad essi non collegati strutturalmente come 
hanno evidenziato i rilievi diagnostici. Il secondo livello è un piano 
rialzato, mentre il terzo è un sottotetto. 
La struttura presenta un evidente stato di degrado sottolineato dall’ 
assenza di copriferro e dalla forte ossidazione delle barre di armatura. 
Non sono presenti tramezzi divisori ne pavimentazioni, mentre sono 
presenti i tompagni esterni realizzati in muratura di tufo sia al piano 
rialzato che nel sottotetto. La struttura non conta nessun tipo di infisso, 
inoltre le aperture lasciate nelle pareti sono state, in epoca successiva 
alla realizzazione della struttura, rimodulate, restringendole o 
occludendole completamente con blocchi di lapilcemento, su tutta la 
superficie delle pareti, sia dal lato interno che da quello esterno non è 
presente intonaco.  
Infine si segnala come al piano seminterrato manchi completamente sia 
la pavimentazione che il massetto, facendo si che il piano di calpestio sia 
costituito da terreno. 
Capitolo 1 
 
3
In pianta vengono riportati punti dai quali sono state effettuate le foto: 
 
Posizione scatti foto 
 
        
                         Foto N. 1                                                           Foto N. 2   
      
                         Foto N. 3                                                            Foto N. 4   
Capitolo 1 
 
4
Altra caratteristica da segnalare è il livello del terreno: esso non è uguale 
su entrambi i lati della struttura, dal momento che sul lato frontale arriva 
quasi all’altezza del primo impalcato, mentre su quello posteriore parte 
dal livello appena superiore alla trave di fondazione, creando in questo 
modo un’azione di contenimento della struttura non simmetrica. 
 
 
1.3 Rilievo geometrico 
La struttura presenta dimensioni in pianta  piuttosto contenute  
(13.40 m x 11.10 m) così come in altezza (circa 8.80 m alla linea di 
colmo). Di seguito si riportano (fuori scala) le piante ed i prospetti ricavati 
dal rilievo geometrico eseguito, mentre per i dettagli si rimanda alle 
tavole grafiche allegate: 
 
 
Pianta piano rialzato 
 
Capitolo 1 
 
5
 
Pianta sottotetto 
 
 
Prospetto frontale 
 
 
Prospetto posteriore 
Capitolo 1 
 
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1.4 Rilievo strutturale 
Dal punto di vista strutturale si tratta di un edificio in cemento armato 
con solai, di piano e di copertura, in latero-cemento. Gli elementi portanti 
verticali (pilastri) presentano una sezione quadrata 40x40 cm al piano 
seminterrato e al piano rialzato, mentre nel sottotetto la sezione è 40x30 
cm. La struttura presenta una doppia orditura degli elementi portanti 
orizzontali (travi) alcune a spessore e alcune emergenti. 
Si presentano due particolarità. La prima è rappresentata dal fatto che 
alcune travi siano estradossate, mentre la seconda è rappresentata 
dall’eccentricità di alcuni nodi della maglia delle travi rispetto agli 
elementi portanti verticali. 
Al piano seminterrato sono presenti delle pareti in c.a. a sostegno del 
terreno. È stato indagato l’eventuale collegamento di queste pareti ai 
pilastri, ma non è stato riscontrata nessuna connessione tramite barre di 
armatura, ed inoltre la realizzazione delle pareti è avvenuta in un 
momento differente alla realizzazione dei pilastri in quanto non si è 
riscontrata alcuna continuità di getto tra i due elementi. 
 
     
   Pareti cls– pilastri                                 Parete lapil cemento-pilastri 
              (piano seminterrato)                                     (piano seminterrato) 
 
 
Capitolo 1 
 
7
Lo schema delle fondazioni è stato ricostruito sulla base dei saggi 
effettuati in corrispondenza dei pilastri 3 e 5. In tali punti sono stati 
riscontrati dei plinti piramidali a base quadrata. È stata rinvenuta anche 
la presenza di elementi di collegamento tra i plinti in una sola direzione, 
con delle travi a sezione rettangolare correnti lungo il perimetro della 
costruzione ed al centro, lungo la direzione maggiore. 
La seguente sequenza fotografica riporta le fasi dall’esecuzioni dei saggi 
eseguiti in fondazione: 
       
         Plinto di fondazione pilastro N. 3                 Plinto di fondazione pilastro N. 5 
 
Da questo rilievo effettuato in fondazione, si sono confermate le ipotesi 
fatte nella prima fase e si sono potute effettuare rilievi più precisi e 
dettagliati che hanno permesso di ricostruire lo stato delle fondazioni 
riportate nel modello finale. 
 
 
 
1.5 Indagini diagnostiche 
Sono state eseguite una serie di indagini sugli elementi strutturali 
dell’edificio al fine di ottenere un elevato grado di conoscenza della 
struttura. Lo scopo fondamentale di tali indagini è quello di caratterizzare 
Capitolo 1 
 
8
i materiali come il calcestruzzo e l’acciaio d’armature. In particolare sono 
state svolte le seguenti indagini: 
 
• Prova pacometrica; 
• Prova sclerometrica; 
• Indagini ultrasoniche; 
• Carotaggi; 
• Prelievi di armatura; 
• Prove di carbonatazione. 
 
 
1.5.1 Prova pacometrica 
Con questa prova è possibile ricostruire la maglia delle armature di 
acciaio in ciascun elemento nonché 
determinare la profondità e il 
diametro dei ferri stessi. La posizione 
dei ferri è determinata muovendo una 
particolare sonda a induzione 
magnetica sulla superficie della 
struttura in esame, sino ad 
individuare la direzione di massimo 
assorbimento elettromagnetico che 
corrisponde all’orditura dei ferri. 
Il valore del copriferro è stimato in funzione dell’entità dell’assorbimento 
elettromagnetico mediante la lettura di un apposito diagramma di 
correlazione.  
Per ottenere il diametro delle barre corretto è preferibile effettuare una 
calibrazione attraverso una spicconatura in determinati punti.