Esoscheletri in acciaio per il retrofit strutturale di edifici in c.a.: concept strutturale e applicazioni

L’utilizzo di strutture additive esterne, comunemente denominate esoscheletri, è sin dagli anni ’80 considerata una delle alternative possibili da utilizzare per retrofit sismico delle strutture esistenti in c.a. a bassa capacità dissipativa. Ne sono testimonianza i primi codici giapponesi e americani che si sono occupati di riabilitazione strutturale, nonché le molteplici applicazioni eseguite con l’uso dell’acciaio in ambito internazionale, soprattutto in zone ad alta pericolosità sismica.

L’utilizzo di tale strategia di intervento è oggigiorno ritornata di grande attualità, non solo perché è l’unica implementabile in maniera sicura senza interrompere l’utilizzo della costruzione, ma anche perché può essere efficacemente adottata, nei casi in cui si possa effettuare un ampliamento strutturale con addizione laterale di volumi, per il retrofit integrato (formale, energetico e funzionale) dell’intera costruzione.

Nel presente lavoro viene proposta una classificazione tipologica in famiglie degli esoscheletri e la definizione dei parametri chiave di progetto indispensabili per concepire e dimensionare correttamente tali sistemi. Attraverso alcuni emblematici esempi dell'utilizzo degli esoscheletri in acciaio, si illustra una scheda di catalogazione implementabile in un apposito database, che può essere utile sia per fornire spunti progettuali a chi si appresta ad utilizzare tali sistemi come strategia di intervento che per reperire dati di input per studi di vulnerabilità finalizzati alla costruzione delle curve di fragilità.

Famiglie tipologiche (Concept strutturale) e nomenclatura proposta

Esistono molteplici soluzioni progettuali per il retrofit con gli esoscheletri, la cui scelta ottimale dovrebbe avvenire secondo un approccio olistico implementato in una logica di tipo life cycle, mettendo a sistema, attraverso una analisi costi-benefici, requisiti strutturali, ambientali ed architettonici.

Focalizzando l’attenzione sugli aspetti strutturali, la concezione di un qualsiasi intervento dovrebbe avvenire, in modo organico, effettuando tre scelte, consecutive e conseguenziali, definite rispettivamente:

1. Scelta tecnologica o del materiale per impiego strutturale;
2. Scelta tipologica o dello schema resistente;
3. Scelta dimensionale o della dimensione di primo tentativo (pre-dimensionamento).

La scelta tecnologica o del materiale per impiego strutturale

Con riferimento alla prima scelta, la possibilità di realizzare sistemi leggeri, resistenti e reversibili, dotati di elevata qualità in fase realizzativa, orienta spesso i progettisti verso l’impiego dei materiali metallici.
Questi ultimi consentono rapidità di trasporto e semplicità di posa in opera, offrendo al contempo la possibilità di integrarsi all’involucro, soprattutto quando questo è pensato come sistema stratificato a secco.

Gli esoscheletri, se non inglobati da un nuovo involucro, sono direttamente esposti agli agenti atmosferici e, pertanto, vanno adeguatamente protetti nei riguardi della corrosione atmosferica o generalizzata. Accanto agli acciai per impiego strutturale non legati o bassolegati, che costituiscono certamente la soluzione più economica, andrebbero considerati, sempre in una logica life cycle per ragioni connesse alla durabilità, i più costosi acciai inossidabili e le leghe di alluminio.

Nel caso si adottino comuni acciai per impiego strutturale, oltre al grado e sub-grado, occorre scegliere accuratamente il sistema di protezione nei riguardi della corrosione.

Per il grado, nel caso in cui si adottino sistemi a comportamento non dissipativo (ND), è conveniente utilizzare acciai di tipo S355 per tutti gli elementi del sistema.

Di contro, nel caso in cui si voglia attribuire alla struttura additiva una funzione dissipativa, in accordo ai principi del capacity design, è possibile differenziare i materiali, favorendo l’impiego di acciai di grado alto (S355 o superiore) per le parti sovraresistenti e di grado basso (S275 o inferiore) per le parti che dovranno plasticizzare.

La scelta del subgrado deve avvenire in accordo alla norma EN 1993-1-10:2005 per limitare il rischio di fragilità alle basse temperature, in funzione delle condizioni ambientali e dell’intensità degli sforzi presenti nell’organismo resistente. Per parti saldate si consiglia l’impiego di acciai con subgrado J0 o superiore. Infine, per il sistema di protezione nei riguardi della corrosione generalizzata, è possibile coniugare estetica a durabilità utilizzando i cosiddetti sistemi duplex, che sfruttano in modo sinergico le prerogative della tradizionale zincatura a caldo e della verniciatura.

La scelta tipologica o dello schema resistente

Definiti i materiali occorre procedere alla scelta dello schema resistente (tipologia strutturale), le cui alternative disponibili sono ovviamente correlate alla precedente scelta tecnologica. La scelta è inoltre condizionata dalle caratteristiche geometriche (configurazione planimetrica ed altimetrica) e meccaniche (resistenza, rigidezza e duttilità globale) del sistema che si intende proteggere, nonchè da limitazioni connesse al complesso terreno-fondazione (possibilità di adottare fondazioni superficiali o profonde). 

Altro aspetto rilevate riguarda la presenza nella costruzione esistente di piani sufficientemente rigidi o di zone in cui inserire sistemi o link per il corretto trasferimento delle azioni all’esoscheletro, che dovrà avvenire in modo diffuso lungo tutto il perimetro dell’edificio.

Oltre che da questioni meramente strutturali, la scelta dello schema resistente dipende da altri fattori, ovvero dalla quantità di spazio disponibile/utilizzabile lungo il contorno della costruzione e da aspetti formali e distributivi di natura essenzialmente architettonica.

Ciò premesso, per descrivere compitamente il nuovo sistema sismoresistente, la scelta tipologica va analizzata a differenti livelli, procedendo dal generale al particolare secondo una logica di tipo deduttiva.

Le modalità si trasferimento delle azioni: sistemi piani e sistemi a comportamento spaziale

A livello di sistema o macroelementi (Livello I) il trasferimento delle azioni può avvenire con elementi piani 2D (pareti di taglio) o spaziali 3D (nuclei o gusci).

Nel primo caso (Figura 1a) le pareti possono essere disposte ortogonalmente alla facciata (2D⊥) o parallelamente ad essa (2D//), così come descritto dai primi codici che si sono occupati di riabilitazione strutturale delle strutture in c.a. [JBDPA, 1977].

I sistemi 2D⊥, che traggono ispirazione dalla architettura gotica, ovvero dal concetto di contrafforte, hanno il vantaggio di svincolarsi dalla griglia strutturale, potendo essere distribuiti, qualora sia necessario, in modo da regolarizzare la risposta dinamica della costruzione esistente. Si prestano inoltre ad essere industrializzati, soddisfacendo la domanda in termini di rigidezza e resistenza globale, modificando esclusivamente il numero di pareti aggiunte.

Per la loro morfologia, i sistemi 2D⊥ facilitano dal punto di vista strutturale l’estensione laterale della costruzione, favorendo l’inserimento di impalcati per le parti aggiunte e di sistemi per il trasferimento delle azioni. In questo caso il collegamento con la struttura esistente può avvenire con semplici link rigidi o mediante dispositivi a dissipazione aggiuntiva, possibilmente incernierati all’estremità sia per evitare il trasferimento di momenti parassiti che per limitare il numero di tasselli/barre di ancoraggio da inserire sulle piastre di estremità.

Di contro questi sistemi, per ragioni essenzialmente dimensionali (massima altezza in pianta della parete), possono essere convenientemente utilizzati per il retrofit di edifici mono o multipiano di modesta altezza. La limitazione sull’altezza determina inoltre l’adozione di fondazioni profonde necessarie all’assorbimento del momento e del taglio alla base della parete.

Molto più comuni sono le soluzioni con pareti 2D// che, essendo disposte parallelamente al piano della facciata, possono crescere notevolmente in larghezza. Per tale ragione questi sistemi sono particolarmente indicati per edifici multipiano con elevato numero di piani. Di contro, questi sistemi sono condizionati dalla griglia strutturale e necessitano di opportuni dispositivi/sistemi per il trasferimento delle azioni orizzontali a livello di piano.

In alternativa ai sistemi piani è possibile adottare i più costosi ed efficienti sistemi a comportamento spaziale (3D) che, per loro natura, possono essere visti come macroelementi capaci di assorbire azioni orizzontali comunque dirette a prescindere dal loro orientamento.

Questi sistemi possono essere piani o curvi (Figura 1b), a semplice o doppia curvatura. In entrambi i casi, ovvero sia per i sistemi piani che per quelli curvi, è possibile adottare sistemi continui (membrane o gusci) o grigliati (a semplice o a doppio strato).

Nel caso dei grigliati a semplice strato, particolarmente indicata è la soluzione a diagrid (per sistemi piani) e a gridshell (per sistemi curvi), che possono in questo caso essere conformati seguendo un processo di ottimizzazione strutturale.

Figura 1 - Scelta tipologica: Livello I - Sistemi a comportamento piano (a) e spaziale (b).

Facendo un focus sui sistemi piani, le pareti di taglio possono essere a sezione costante o rastremata (Figura 2), seguendo in questo caso l’andamento del taglio e del momento globale.

Par quanto concerne il regime di sollecitazione che si può innescare all’interno della parete (Figura 3a), soprattutto nell’ipotesi di utilizzo di materiali metallici, le tipologie correntemente utilizzate e codificate in ambito normativo sono i controventi concentrici (CBF), i controventi eccentrici (EBF), i controventi ad instabilità impedita (BRB) ed i telai a nodi rigidi.

Tra questi, la soluzione che unisce efficienza e semplicità di progettazione/realizzazione, è quella con i CBF.

In base alle configurazione delle aste di parete, i controventi concentrici possono essere a croce di S. Andrea (CBF_X), a V rovescia (CBF_⊥), a portale (CBF_P) e a K o a diamante (CBF_K), con quest’ultima che, in assenza di montanti, richiama lo schema delle diagrid (Figura 3a).

La scelta dello schema più conveniente dipende dalle prestazioni strutturali, ovvero dalla rigidezza e resistenza locale richiesta a livello di piano dal sistema, nonché dalla necessità o meno di prevedere passaggi o aperture. Agendo comunque sulla configurazione della parete a livello globale, è possibile migliorare la prestazioni anche nel caso in cui la disposizione delle aste di parete non sia particolarmente efficiente, come ad esempio nel caso dei sistemi a portale.

Figura 2 - Configurazione dei sistemi piani 2D: sistemi con sezione costante o rastremata.

La scelta dei profili

Passando dalla scala del sistema o del macroelemento a quella degli elementi componenti, occorre procedere alla scelta dei profili (Figura 3b). Bisogna osservare a tale riguardo che la scelta ottimale del tipo di sezione dipende dal regime di sollecitazione primario a cui le membrature sono sottoposte [Di Lorenzo et al, 2017].

Nel caso in cui le sollecitazioni dominanti siano di tipo assiale, certamente la soluzione più efficiente è fornita dai profili cavi (HS), sia essi finiti a caldo (HF-HS) o formati a freddo (CF HS). I profili cavi circolari (CHS), invece, associano un certo pregio estetico alla elevata efficienza. Inoltre, non presentando spigoli vivi, risultano più sicuri nei confronti di possibili urti accidentali delle persone, qualora le addizioni laterali vengano utilizzate come elemento di connessione orizzontale (e.g. ballatoi) e/o come vie di fuga. 

La scelta tipologica si conclude con la descrizione dei link/sistemi di trasferimento delle azioni tra esoscheletro e struttura esistente, nonché tra esoscheletro e sottostruttura/fondazione (Figura 3b).

Figura 3 - Scelta tipologica dal Livello II al Livello V. 

Possono inoltre essere presenti opzionalmente dispositivi a dissipazione/smorzamento addizionale la cui funzione è quella di ridurre le azioni in fondazione. Di contro, questa strategia richiede da parte della costruzione esistente una maggiore capacità di spostamento, in termini assoluti e relativi, in molti casi non compatibile con le prestazioni strutturali del manufatto da proteggere. Occorre in questi casi, sacrificando la principale prerogativa che consiglia l’uso degli esoscheletri, eseguire degli interventi locali che richiedono quindi la parziale interruzione della funzione/utilizzo della costruzione. 

Il pre-dimensionamento

Conclusa la scelta tipologica, la corretta concezione strutturale del sistema sismoresistente termina con il suo pre-dimensionamento. Questo processo, a differenza del dimensionamento che è basato su calcoli semplificati, avviene assegnando una dimensione (una forma nel caso dei sistemi 3D) di primo tentativo ai macrolementi e agli elementi attraverso l’utilizzo di opportuni rapporti di forma globali (rapporto lunghezza/altezza della struttura) e locali (rapporto lunghezza/altezza delle membrature).

Il pre-dimensionamento può quindi essere inteso come una rivisitazione in chiave moderna della teoria delle proporzioni, dove i rapporti di forma sono desunti dall’esperienza del singolo progettista o per analogia con strutture simile già realizzate.

Ulteriori parametri geometrici riguardano la distribuzione delle pareti da relazionare alla griglia strutturale della costruzione esistente in pianta e in alzato. Nel caso di macrolementi ripetitivi, è possibile introdurre il concetto di frequenza (Fi), ovvero di numero di elementi disposti rispetto alla maglia strutturale analizzata secondo una preassegnata direzione (i) valutata rispetto ad un sistema di riferimento globale (X, Y e Z). Ad esempio, con FX si intende il numero di pareti presenti per unità di maglia valutata nella direzione X globale. Analogamente per FY e FZ. In termini assoluti si potrebbero inoltre introdurre ulteriori parametri, come ad esempio il numero di macroelementi disposti secondo una assegnata direzione (Ni). Altri parametri, nel caso di esoscheletri parziali, potrebbero riguardare la percentuale di riempimento (φi), ovvero la superfice normalizzata a quella laterale della costruzione interessata esclusivamente da elementi sismoresistenti valutata sul piano di normale i. 

Per sintetizzare l’intero processo di concezione strutturale e favorire la catalogazione degli esoscheletri, utile quest’ultimo per fornire spunti progettuali e favorire l’eventuale industrializzazione di questi sistemi, nel seguito si propone la seguente nomenclatura:  

(EX) – (S ReH-Kv) - (2D o 3D) – (// o ⊥) - (CBF) - (X)

dove: 

• EX indica l’esoscheletro;
• S ReH-Kv rappresenta il materiale acciaio per impiego strutturale con relativo grado e sub-grado;
• 2D o 3D rappresenta rispettivamente il comportamento piano o spaziale del macrolemento; 
• // o ⊥ è l’orientamento degli esoscheletri 2D rispetto alla parete su cui sono applicati;
• CBF è il tipo di parete di taglio (in questo caso reticolare con controventi concentrici);
• X è il tipo di configurazione delle aste di parete.

A questi si potrebbero aggiungere i parametri geometrici di frequenza (FX, FY e FZ) o il numero di elementi/maglie interessate (NX, NY e NZ), nonché la percentuale di riempimento (φX, φY e φZ), valutata rispetto alle superfici di normale X, Y e Z del sistema di riferimento globale.

... CONTINUA.

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Speciale Esoscheletri

Il presente articolo fa parte di una serie di contributi a firma di docenti dell'Univeristà di Napoli ed esperti (Prof. Ing. Raffaele Landolfo, Prof. Ing. Gianmaria Di Lorenzo,Prof. Ing. Antonio Formisano, Arch. Eleonora Colacurcio, Arch. Agustina Di Filippo), sul tema degli Esosceletri e in particolare sul loro uso negli interventi di retrofit sismico di edifici esistenti in calcestruzzo armato.

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