Il presente lavoro di tesi ha come oggetto lo studio del comportamento statico e sismico di un edificio scolastico esistente nel comune di Alghero, in Sardegna.
Nonostante la Sardegna sia una regione a bassa sismicità, è previsto dalle nuove normative che gli edifici di interesse strategico, come quelli scolastici, debbano essere verificati anche in termini di vulnerabilità sismica.

L’edificio è stato costruito nel centro storico di Alghero tra il 1940 e il 1960. La struttura si sviluppa su tre piani fuori terra ed è realizzata in muratura portante, con blocchi di pietra squadrata.

Fig. 1 - Veduta esterna del Liceo Manno di Alghero

Fig. 2 - Mappe con vista aerea dell’edificio nella città di Alghero

La modellazione numerica di edifici esistenti pone numerosi problemi tra i quali la corretta individuazione della geometria dell’edificio, spesso soggetto a rimaneggiamenti strutturali nei diversi periodi della sua vita, e la caratterizzazione dei materiali dal punto di vista meccanico e inerziale. Per l’edificio in oggetto si hanno a disposizione dati relativi a rilievi della geometria della struttura e prove sperimentali sui materiali e su alcuni solai, effettuati in occasione di recenti interventi sull’edificio. Ciò consentirà di avere dati sufficienti per una modellazione accurata della struttura.

Fig. 3 - Pianta del piano terra dell’edificio

Fig. 4 - Prospetti dell’edificio
 

Verranno eseguite analisi statiche e analisi sismiche del tipo dinamico lineare con spettro di risposta e analisi di tipo statico non-lineare (pushover), ipotizzando un comportamento non-lineare asimmetrico del materiale muratura, resistente a compressione e non a trazione. Per la curva costitutiva del materiale muratura (costituita nel caso in esame da blocchi squadrati di pietra calcarea) verranno utilizzati dati sperimentali derivati da indagini eseguite in situ e da dati di letteratura, con modelli classici.

La modellazione verrà eseguita con il software di calcolo Aedes.PCM (di tipo BIM strutturale) dedicato alla modellazione di edifici in muratura portante. Il programma consentirà di eseguire analisi statiche, modali con spettro di risposta e pushover, evidenziare anche possibili meccanismi di collasso locale e globale della struttura.

Il caso in studio verrà utilizzato per effettuare analisi sismiche della struttura ipotizzando che l’edificio si trovi rispettivamente in Sardegna e poi in due zone del territorio italiano a maggiore sismicità (Modena e Campobasso, entrambe zone che solo di recente sono state riconosciute come a rischio sismico; vd. fig.5).

Fig. 5 - Ipotetica ubicazione dell’edificio per i diversi casi di analisi sismiche

Come noto, le prime (rudimentali) normative antisismiche sono entrate in vigore in Italia negli anni '70, mentre gran parte del patrimonio edilizio, soprattutto quello scolastico è stato costruito in epoche precedenti, quindi in assenza di regole antisismiche. Perciò non sarebbe irrealistico supporre che l’edificio in questione potesse essere stato costruito con le stesse caratteristiche (con una progettazione per soli carichi statici) in una zona italiana a maggiore sismicità.

Obiettivi principali della tesi saranno quelli di valutare le criticità della struttura in termini di azioni sismiche, nelle tre zone di sismicità considerate, e nel proporre possibili interventi di adeguamento sismico nei diversi casi.
 

L'obiettivo della presente tesi è stato quello di studiare il comportamento sismico della Scuola G. Manno di Alghero attraverso un modello tridimensionale agli elementi finiti, con analisi dinamica con spettro di risposta e con analisi statica non lineare Pushover. 
Per far ciò è stato inizialmente eseguito un accurato studio dello stato di fatto dell’opera, dei materiali e della geometria della struttura e si sono analizzati i dati ottenuti da analisi sperimentali eseguite in situ. Successivamente si sono implementati diversi modelli strutturali della scuola attraverso il programma Aedes PCM, per ricercare quello più rappresentativo. Si è modellata la muratura come un materiale a comportamento non- lineare con bassa resistenza a trazione, secondo il modello costitutivo “Elastico perfettamente plastico bilineare”. Per eseguire uno studio sul comportamento delle strutture in muratura storiche in diverse zone sismiche, si è ipotizzato che la scuola fosse situata non solo ad Alghero (come è), ma anche a Modena e a Campobasso, due zone a maggiore sismicità della Sardegna. 
Questo studio ha permesso di esaminare anche casi in cui siano necessari interventi di adeguamento sulla struttura e si sono fatte delle ipotesi di rinforzo strutturale per questi casi, analizzando con il software anche i casi rinforzati. Le conclusioni a cui ha portato il lavoro svolto si possono riassumere in alcuni punti, elencati di seguito.

Le fasi di modellazione e di identificazione della Scuola hanno messo in luce le tante difficoltà che spesso vengono affrontate quando si vuole effettuare uno studio del comportamento strutturale e sismico di un edificio esistente e, in particolare, di un edificio storico. Tali difficoltà sono legate a diversi fattori, tra i quali: difficoltà di modellazione della muratura in quanto è un materiale non omogeneo e anisotropo; limitati dati geometrici e meccanici sulla struttura; impossibilità di poter eseguire prove più dettagliate e invasive, a causa della comprovata appartenenza della struttura agli edifici storici nazionali sotto tutela del D. Lgs. 22 gennaio 2004 n° 42 "Codice dei beni culturali e del paesaggio". 
Ciò nonostante, grazie alle indagini sperimentali in situ sui materiali e sui terreni, alle analisi di laboratorio sui materiali e grazie ai rilievi architettonici eseguiti si è raggiunto un buon livello di conoscenza, prossimo al massimo, anche se per prudenza si è assunto nelle analisi un livello 1.

Un aspetto interessante è stato di poter immaginare come una struttura esistente in muratura, edificata prima delle norme antisismiche, potrebbe sopportare terremoti di maggiore intensità di quelli previsti nella zona a bassa sismicità rappresentata dalla Sardegna.
Con l’analisi Pushover la struttura fornisce indici di rischio sismico che rimangono all’interno del range di valori previsti dalla normativa per strutture esistenti.

 

 

Solo per il caso di Campobasso tali indici sono risultati troppo bassi e questo ha portato ad ipotizzare interventi di rinforzo strutturale.
Sono stati proposti diversi interventi di rinforzo per l’edificio situato a Campobasso. Per ognuno di essi si è analizzata la struttura rinforzata con analisi Pushover attraverso il software PCM. 
Il confronto dei risultati ha evidenziato che l’intervento che migliora maggiormente gli indici è quello effettuato con rinforzi in FRP applicati sia a pressoflessione sia a taglio. Da un confronto in termini di costi, invece, si evince che l’intervento con iniezioni di malta, che comunque offre un discreto e soddisfacente miglioramento, è il più economico e offre la migliore alternativa qualità prezzo tra tutte le proposte fatte. Con le indagini ad ultrasuoni si potranno capire quanto le iniezioni di malta consolidino la struttura e fino a che punto possano risultare efficaci nel nostro caso.
Occorre comunque evidenziare il fatto che la muratura della scuola di Alghero è risultata essere molto disomogenea, piena di vuoti e povera di malta, con un tipo di pietra molto facilmente attaccabile da agenti esterni, e particolarmente solubile. Questo fatto potrebbe rendere poco efficaci gli interventi di rinforzo, sia quelli con iniezioni di malta, sia quelli con rinforzo esterno.

Le verifiche dei cinematismi locali hanno evidenziato alcuni problemi relativi soltanto ai meccanismi di ribaltamento delle pareti. 
Per quanto riguarda, invece, i fenomeni di flessione vincolata la struttura risponde bene in tutte e tre le zone in cui si è ipotizzato si trovasse. 
I fenomeni di ribaltamento hanno riscontrato criticità quando abbiamo simulato la scuola ubicata a Modena e Campobasso, che risultano essere rispettivamente a media e alta sismicità. 
Per evitare l’innescarsi di questi cinematismi sono stati proposti degli interventi di rinforzo sulle pareti critiche scegliendo di utilizzare entrambe le soluzioni proposte dal software. Si è intervenuti con sistemi di ancoraggio con tiranti in acciaio e piastre per i meccanismi di ribaltamento dello spigolo e del vano scala, e con sistemi in materiali fibro-rinforzati FRP per il ribaltamento della facciata e del blocco bagno. 
Tra i due interventi quello che meglio interveniva sul problema era l’utilizzo degli FRP, che con dimensioni minori dei nastri utilizzati, rispetto ai tiranti d’acciaio, ha permesso una verifica immediata dei cinematismi. 
La criticità rilevata con i tiranti in acciaio riguardava la piastra di ancoraggio che per motivi di verifica a punzonamento deve avere dimensioni eccessivamente grandi, mentre la soluzione con i rinforzi FRP non presentava tali problemi.
A questo link è disponibile il documento pdf della tesi.