Modellazione strutturale di edifici storici in muratura e misti: valutazioni comparate e criteri operativi

L’obiettivo della presente tesi è evidenziare l’importanza dell’approccio critico alla valutazione della vulnerabilità sismica di edifici in muratura e misti Il contributo della tesi sottolinea i diversi risultati ottenuti nella modellazione di tre edifici esistenti ed uno ipotetico usando due diversi programmi basati sul modello del telaio equivalente. La modellazione delle diverse ipotesi di vincolamento ed estensione delle zone rigide ha richiesto la formulazione di quattro modelli di calcolo in Aedes PCM ed un modello in 3muri. I dati ottenuti sono stati confrontati, inoltre, con l’analisi semplificata speditiva per la valutazione della vulnerabilità a scala territoriale prevista nelle “Linee Guida per la valutazione e riduzione del rischio sismico del Patrimonio Culturale”. Si può notare che i valori ottenuti sono piuttosto diversi e che la variabilità aumenta nel caso di edifici non regolari, inoltre le evidenze legate ai danni realmente rilevati sugli edifici mostrano un profondo iato tra la previsione di danno ottenuta tramite calcolatore e le lesioni rilevate; questo costituisce un campanello d’allarme nei confronti di un approccio acritico nei confronti del mero dato numerico ed un richiamo all’importanza del processo conoscitivo. I casi di studio analizzati sono stati scelti in funzione delle caratteristiche seguenti: il primo è una struttura semplice e simmetrica nelle due direzioni che ha avuto la funzione di permettere di testare in modo controllato le ipotesi di base. Gli altri sono edifici reali: il Padiglione Morselli è un edificio in muratura a pianta a forma di C, regolare in pianta ed in elevazione solamente per quanto concerne la direzione y: questo ha permesso di raffrontare il diverso comportamento dei modelli di calcolo nelle sue direzioni; il liceo Marconi è un edificio misto in cui elementi in conglomerato cementizio armato affiancano le pareti portanti in muratura, che presenta un piano di copertura piuttosto irregolare; il Corpo 4 dell’Ospedale di Castelfranco Emilia è un edificio in muratura, a pianta regolare che presenta le medesime irregolarità nel piano sommitale del precedente. I dati ottenuti hanno dimostrato un buon accordo per la quantificazione dell’indice di sicurezza per i modelli regolari e semplici con uno scarto di circa il 30% mentre il delta si incrementa per le strutture irregolari, in particolare quando le pareti portanti in muratura vengono sostituite da elementi puntuali nei piani di copertura arrivando a valori massimi del 60%. I confronti sono stati estesi per le tre strutture anche alla modellazione proposta dalle Linee Guida per la valutazione dell’indice di sicurezza sismica a scala territoriale LV1 mostrando differenze nell’ordine del 30% per il Padiglione Morselli e del 50% per il Liceo Marconi; il metodo semplificato risulta correttamente cautelativo. È, quindi, possibile affermare che tanto più gli edifici si mostrano regolari in riferimento a masse e rigidezze, tanto più la modellazione a telaio equivalente restituisce valori in accordo tra i programmi e di più immediata comprensione. Questa evidenza può essere estesa ad altri casi reali divenendo un vero e proprio criterio operativo che consiglia la suddivisione degli edifici esistenti in muratura, solitamente molto complessi poiché frutto di successive stratificazioni, in parti più semplici, ricorrendo alle informazioni acquisite attraverso il percorso della conoscenza che diviene in questo modo uno strumento utile e vitale. La complessità dell’edificato storico deve necessariamente essere approcciata in una maniera più semplice identificando sub unità regolari per percorso dei carichi, epoca e tecnologia costruttiva e comportamento strutturale dimostrato nel corso del tempo che siano più semplici da studiare. Una chiara comprensione del comportamento delle strutture permette di agire mediante interventi puntuali e meno invasivi, rispettosi dell’esistente riconducendo, ancora una volta, l’intervento di consolidamento ai principi propri del restauro che includono i principi di minimo intervento, di riconoscibilità dello stesso, di rispetto dei materiali esistenti e l’uso di nuovi compatibili con i precedenti. Il percorso della conoscenza diviene in questo modo la chiave per liberare la complessità degli edifici storici esistenti trasformando un mero tecnicismo in una concreta operazione culturale . Il presente percorso di dottorato è stato svolto in collaborazione tra l’Università di Parma, DICATeA e lo Studio di Ingegneria Melegari mediante un percorso di Apprendistato in Alta Formazione e Ricerca.

The aim of the present thesis is to underline the importance of a critical approach to the seismic vulnerability assessment of historical masonry and composite buildings. The contributions of this thesis highlights the different results obtained modelling three real existing buildings and an hypothetical one using two different softwares based on the technique called “frame- type macro-element models”. The modelling of the different hypothesis has required four models made by Aedes PCM and a model in 3muri; more over the data obtained have been compared with data deriving from the type of analysis suggested for the territorial assessment in the “Linee Guida per la valutazione e riduzione del rischio sismico del Patrimonio Culturale” (Guidelines for evaluation and reduction of Cultural Heritage’s seismic risk). It can be noticed that the values obtained are quite different especially in the case of non regular builidings; moreover the evidences of the real damages on the buildings show a deep hiatus between damages predicted through computation and real ones; this could be a warning to the acritical approach to the numeric values and a recall to the importance of the cognitive process. The four case studies shown have different characteristics. The first one is a simple, one floor structure, symmetrical in both directions. The other three are real buildings: the Morselli Pavillon is a masonry one with a C-plan, regular in elevation only in y direction: it has been chosen because in the same model it is possible to analyse the different answers in the different directions; the Marconi high school presents a very irregular top floor and a commingling of masonry and concrete elements; Block 4 of Castelfranco Emilia Hospital is a masonry building, it has the same irregularity in the upper floor but has a regular plan. The evidence acquired has shown a good accordance for the seismic safety index obtained with the two softwares for the simple and regular model (a 30% delta), while it became very consistent for irregular ones (60%), in particular when continuous masonry walls were replaced by isolated pillars. The comparisons made for the structures have been extended to the model proposed by the Guide Lines for LV1 territorial assessment, showing a difference of about 30% for Pavillon Morselli and 50% for Marconi High School; the simplified method is correctly more precautionary. It is possible to say that the more a building is regular in relation to the masses and stiffnesses distributions, the better the softwares based on frame-type macro element model, providing results in accordance with each other and easier to control. This evidence could be extended becoming a real operative criteria, recommending to subdivide the existing masonry buildings, often very complex because of the stratification and the different construction phases, in more simple parts. This should be done using the information acquired during the knowledge path on the building, which becomes a very useful and vital instrument. The complexity of historical buildings could be approached in an easier way identifying regular subunits easier to investigate, considering the materials, the construction phases and the behaviour shown in time. A clear comprehension of the behaviour of the structures allows to be more punctual and less invasive in the interventions, more respectful of the existing building, linking once again the work of the consolidation to the principles of restoration which include minimum and recognizable intervention, respect of the existing materials and use of new compatible materials. The knowledge path thus gives the keys to unlock the complexity of the historical building, transforming a merely technical work in a real and concrete cultural operation . This PhD is realized in collaboration between University of Parma, DICATeA and Studio di Ingegneria Melegari di Parma.