Molti interventi edilizi, anche di piccola entità, come un ampliamento o la ristrutturazione di un’abitazione, possono incidere sulla struttura portante dell’edificio.
Si tratta quindi di opere che richiedono una progettazione strutturale mirata e se l’edificio si trova in zona sismica a rischio medio e alto come, per esempio, l’area di Modena e provincia, in cui operiamo, gli interventi devono rispettare anche i rigorosi criteri stabiliti dalla legge e che hanno la funzione di aumentare la sicurezza degli edifici in cui viviamo e lavoriamo.
Ma non è sempre facile capire fino a che punto un’opera passi dall’essere un semplice intervento a una modifica strutturale.
In questo articolo, trattiamo il tema della progettazione strutturale in zona sismica dal nostro punto di vista, cioè quello di ingegneri strutturisti che collaborano anche con altri progettisti, rispondendo anche ad alcune delle domande che ci vengono poste più spesso.
Che cos’è la progettazione strutturale
La progettazione e il calcolo strutturale sono l’insieme di analisi numeriche avanzate, conoscenze specifiche e di valutazioni sugli edifici che permette di realizzare o analizzare dei sistemi resistenti, capaci di rispettare i requisiti di sicurezza statica e dinamica di un organismo edilizio.
Una progettazione di questo tipo comprende il dimensionamento e la verifica dei singoli elementi: fondazione, murature, scale, balconi, vani ascensore, pilastri, setti, travi e solai che compongono la struttura portante del fabbricato o di elementi che, anche se non appartenenti alle strutture portanti, condizionano la sicurezza delle persone che utilizzano la struttura (camini, cornicioni, tamponamenti, parapetti…).
La progettazione strutturale, infatti, parte prima di tutto da un’analisi dell’edificio nel suo complesso e del sito in cui si trova, che comprende:
- Calcolo strutturale avanzato con Analisi Elementi Finiti e Time History
- Calcoli geotecnici per fondazioni e muri di sostegno
- Verifica della vulnerabilità sismica dell’edificio
- Valutazione della sicurezza statica e sismica
- Elaborazione grafica esecutiva
Il suo obiettivo è garantire l’equilibrio dei carichi e la stabilità globale del fabbricato e far sì che la struttura assorba le azioni gravitazionali (permanenti e variabili), ambientali (vento e neve) e le sollecitazioni sismiche che possono verificarsi nel sito di costruzione o di ristrutturazione.
Quali accorgimenti adottare se l’edificio è in una zona a rischio sismico medio o alto
Dal punto di vista del rischio sismico, il territorio italiano è stato suddiviso in 4 zone:
Zona 1 – Rischio sismico alto, perché è alta la probabilità che si verifichino terremoti di elevata entità
Zona 2 – Rischio sismico medio-alto, dove è possibile che si verifichino terremoti di elevata entità
Zona 3 – Rischio sismico medio-basso, dove è meno frequente che si verifichino terremoti di elevata entità
Zona 4 – Rischio sismico basso, dove la probabilità che si verifichi un terremoto è limitata
L’area di Modena e provincia, che è quella in cui operiamo anche noi di Facchini Ingegneria, rientra nelle zone 2 e 3. È quindi possibile che si verifichi nuovamente un sisma di forte entità, come quello che ha interessato il nostro territorio nel maggio del 2012.
In un contesto come questo è obbligatorio progettare strutture in grado di fronteggiare l’evento, nel rigoroso rispetto delle Norme Tecniche per le Costruzioni NTC (D.M. 17 gennaio 2018). È importante ricordare infatti che nei territori ad alta o media sismicità:
- la progettazione strutturale non può prescindere da una rigorosa analisi dinamica, che ha lo scopo di prevenire il collasso locale e globale e di limitare il danneggiamento degli elementi non strutturali
- la configurazione geometrica dell’edificio deve tendere alla regolarità sia in pianta che in elevazione, per minimizzare gli effetti torsionali accidentali e garantire una distribuzione uniforme delle masse e delle rigidezze: un modello regolare, infatti, permette una risposta dinamica più lineare e una maggiore aderenza tra il comportamento simulato in fase di analisi e quello reale
- si punta o sulla capacità della struttura di dissipare l’energia sismica attraverso la formazione di cerniere plastiche in punti predefiniti, per evitare rotture repentine, o sul rendere le strutture particolarmente resistenti rimanendo sempre in campo elastico come nel caso di edifici strategici
- si sfruttano le caratteristiche dei principali materiali da costruzione associate a specifiche tecniche per progettare strutture solide anche in caso di sisma
Tipi di strutture, materiali e loro caratteristiche
In fase di progettazione, è possibile prevedere il modo in cui la struttura oscillerà durante il sisma e le accelerazioni sismiche, così da ridurre drasticamente le incertezze sul comportamento sismico locale e globale. Chiaramente, per massimizzare la durabilità e l’efficienza strutturale di un edificio, è fondamentale progettare tenendo conto delle caratteristiche dei materiali: calcestruzzo armato ordinario o precompresso, acciaio strutturale, legno lamellare o sistemi a pannelli portanti (XLAM) sono i più utilizzati.
Vediamo quali sono le loro peculiarità in termini di progettazione delle strutture.
Progettazione di strutture in calcestruzzo armato (c.a.)
Il calcestruzzo armato (c.a.) è uno dei materiali più diffusi nell’ambito delle nuove costruzioni e nel consolidamento. In un edificio progettato in campo plastico con criteri antisismici, i nodi trave-pilastro sono il cuore della duttilità, perché è lì che si concentra lo sforzo sismico ed è lì che la struttura deve essere “sovraresistente”. Ad esempio senza le staffe raffittite nei nodi trave-pilastro, la sicurezza resta solo sulla carta. È quindi importante che ogni elemento, dalla trave di fondazione al pilastro, risponda a precisi criteri di duttilità e gerarchia delle resistenze. Perciò, già in fase di progettazione, grazie a software di modellazione avanzata e alle conoscenze specifiche, l’ingegnere accerta che i nodi strutturali non collassino sotto l’azione sussultoria o ondulatoria causata dal sisma.
Villa Erion, un progetto che abbiamo seguito di recente, presentava proprio queste criticità. Leggi il caso studio per sapere come siamo intervenuti.
Progettazione di strutture in muratura
Buona parte del patrimonio edilizio della provincia di Modena è costituito da edifici storici o ville in muratura portante. In questo ambito, la sfida è il consolidamento sismico. Scegliere le tecniche più adatte (come iniezioni, intonaci armati o cerchiature) fa sì che l’edificio possa resistere alle forze orizzontali innescate dal sisma, senza snaturarne le caratteristiche architettoniche o comprometterne il valore storico. Sono valutazioni che valgono anche nella progettazione di nuovi edifici in muratura portante ordinaria o in muratura armata.
A questo proposito, potrebbe interessarti leggere come siamo intervenuti nel restauro e consolidamento di Villa Luna.
Progettazione di strutture in legno
Il legno, e in particolare il sistema XLAM (Cross-Laminated Timber), sta vivendo una rinascita grazie alla sua leggerezza e sostenibilità. È il materiale ideale per le sopraelevazioni, nella ristrutturazione di ville moderne e nuove abitazioni. La sua efficacia sismica risiede nei collegamenti metallici (viti, hold-down, angolari) e nella leggerezza della struttura che permette di limitare le masse sismiche. I sistemi alternativi allo XLam sono i telai lignei, come quelli che abbiamo previsto nell’intervento a Villa Viola.
Progettazione di strutture in acciaio
L’acciaio è spesso l’ideale negli interventi di rinforzo in spazi ridotti e nelle residenze moderne. Le strutture in acciaio richiedono una verifica rigorosa contro l’instabilità (sbandamento) e una progettazione dettagliata dei nodi bullonati o saldati. L’acciaio è anche la soluzione solitamente più indicata per le cerchiature (apertura di porte o finestre in muri portanti), dove la rapidità di posa deve essere accompagnata da un calcolo che garantisca quanto più la stessa rigidezza e l’aumento di resistenza della parte di parete rimossa.
Per approfondire le possibili soluzioni tecniche da adottare anche in ambito residenziale, ti consigliamo di leggere il nostro intervento a Villa Luna
Come capire se l’intervento edilizio richiede la consulenza di un ingegnere strutturista?
Quando l’intervento edilizio incide sulle zone portanti verticali (muri portanti e pilastri) e orizzontali (solai e travi) è obbligatorio affidarsi a un ingegnere strutturista. Questo perché ogni intervento che modifica il comportamento della struttura, soprattutto quando l’edificio si trova in zona sismica, richiede una modellazione accurata e un collaudo statico.
Ma quali interventi rientrano in questa casistica?
Per capirlo, facciamo degli esempi rispondendo ad alcune delle domande che riceviamo più spesso. Sono quesiti relativi a interventi che incidono sulle strutture portanti e che non possono essere eseguiti senza la consulenza di un ingegnere civile specializzato in progettazione strutturale.
È possibile inserire le tracce degli impianti all’interno di una muratura portante?
No. In linea di principio, è bene ricordare che la normativa di riferimento (NTC 2018) è molto restrittiva. L’esecuzione di tracce (orizzontali o verticali) riduce la sezione resistente della muratura e ne compromette la stabilità, specialmente nei confronti di carichi eccentrici e spinte sismiche. Se le tracce sono troppo profonde, si riduce drasticamente la capacità del muro di ripartire le sollecitazioni nel piano e fuori piano. Inoltre l’esecuzione delle tracce, anche se piccole, provoca vibrazioni tali che tendono a rompere i mattoni e le malte storiche circostanti danneggiando la muratura. È quindi necessario utilizzare cavedi tecnici dedicati, per non intaccare la sezione strutturale della muratura. Come ha evidenziato in modo chiaro il sisma del 2012, in corrispondenza delle tracce si sono manifestati i maggiori danneggiamenti in quanto punti di indebolimento della muratura.
Si possono inserire tubazioni o impianti all’interno di pilastri e travi in cemento armato?
No. Il calcestruzzo armato è un materiale composito dove la collaborazione tra acciaio e conglomerato cementizio è basata sull’aderenza e sul confinamento. Inserire tubazioni all’interno di un pilastro o di una trave crea un “vuoto” che riduce la sezione reagente alle sollecitazioni. La vicinanza di impianti idraulici alle armature, qualora dovessero avere delle perdite, aumenta il rischio di infiltrazioni che portano all’ossidazione dell’acciaio e al conseguente degrado (carbonatazione) del calcestruzzo. I cavedi tecnici per scarichi o impianti devono essere previsti in fase di progetto strutturale, in collaborazione con il progettista impiantistico in modo da prevedere giusti accorgimenti strutturali per permettere il passaggio senza inficiare la resistenza del fabbricato.
È possibile aprire un vano porta in una muratura portante?
Sì, ma l’intervento richiede una verifica strutturale della parete ante e post operam. Normalmente alla rimozione di una parte di muratura consegue poi la necessità di installare una cerchiatura strutturale progettata ad hoc. Infatti non è quasi mai sufficiente la posa di un semplice architrave: la normativa impone il ripristino della rigidezza e della resistenza della porzione di setto rimossa. È necessario progettare un telaio chiuso (in acciaio o cemento armato) che permetta di variare nel modo minore il possibile comportamento sismico e statico della parete, evitando pericolose ridistribuzioni di carico sugli elementi adiacenti.
Per la realizzazione di un soppalco o un cambio di destinazione d’uso è necessario un progetto strutturale?
Certamente. Un soppalco introduce nuovi carichi permanenti e carichi accidentali che la struttura originaria potrebbe non essere in grado di assorbire. Allo stesso modo, il cambio di destinazione d’uso (per esempio da sottotetto non praticabile a civile abitazione) varia i parametri di carico previsti dal progetto originario. In entrambi i casi, è obbligatoria una verifica della portata dei solai e degli elementi verticali sottostanti per accertarsi che i coefficienti di sicurezza siano rispettati.
Si può demolire un tramezzo apparentemente non portante senza autorizzazioni?
Mai procedere senza un’indagine preventiva. Negli edifici storici o con strutture miste (che sono presenti nel territorio di Modena), anche i divisori leggeri possono aver assunto nel tempo una funzione di irrigidimento o di “puntello” per i solai sovrastanti (fenomeno del puntonamento). Solo un sopralluogo tecnico, l’analisi delle direzioni di orditura dei solai e lo studio della scatola muraria possono confermare se l’elemento è puramente distributivo o se collabora alla stabilità degli impalcati.
L’inserimento di una nuova scala interna richiede calcoli strutturali?
Sì, per due ragioni fondamentali. In primo luogo, la creazione del foro (asola) nel solaio interrompe la continuità del solaio e a seconda di come sarà il foro potrebbe succedere che si debbano interrompere dei travetti che devono essere sostenuti, altrimenti mancherebbe loro l’appoggio. In secondo luogo, se nel solaio è presente una soletta in c.a. collaborante, interrompendola per eseguire il foro, si rischia di compromettere l’effetto diaframma rigido necessario per la ripartizione delle forze sismiche, che quindi si diffondono diversamente. In terzo luogo, è indispensabile progettare i rinforzi dei bordi del foro e verificare i punti di appoggio della scala (carichi concentrati) per evitare fessurazioni o cedimenti localizzati nelle strutture d’appoggio.
Facchini Ingegneria: consulenze strutturali per privati e progettisti
La progettazione strutturale in zona sismica ha lo scopo di garantire la stabilità e la resistenza dell’edificio nel caso in cui si verifichi un terremoto, prevenendo ed evitando che le strutture vengano danneggiate o collassino. In definitiva, quindi, il suo obiettivo è proteggere le persone che si trovano all’interno dell’immobile e contenere la perdita di valore degli immobili a seguito dei danneggiamenti, sia esso un edificio residenziale, una scuola, un ospedale o qualsiasi altra costruzione pubblica o privata. Il compito di progettare un edificio con queste caratteristiche spetta a uno studio di ingegneria strutturale, come Facchini Ingegneria.
Siamo specializzati nella progettazione avanzata e nella valutazione sismica:
- progettazione strutturale ed esecutiva
- progettazione architettonica
- consolidamento strutturale
- collaudi statici
Operiamo principalmente a Modena e provincia e affianchiamo architetti, geometri e altri progettisti – oltre ai privati e ai R.U.P. – nella realizzazione e ristrutturazione di edifici moderni, di nuova costruzione e del delicato patrimonio storico modenese.