seismic vulnerability and interventions in - ICOMOS

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UNIVERSIDADE DE COIMBRA: UNIVER(SC)IDADE
desafios e propostas de uma candidatura a património da humanidade
29 e 30 de Novembro de 2007, Coimbra. Encontro organizado pelo Gabinete de Candidatura à UNESCO - Universidade de Coimbra,
Câmara Municipal de Coimbra e ICOMOS-Portugal
Sérgio Logormasino
SEISMIC VULNERABILITY
AND INTERVENTIONS IN
HISTORICAL CENTRES
Sergio Lagomarsino
Department of Civil, Environmental and Architectural Engineering
– University of Genoa (I)
The seismic vulnerability of historical buildings
The earthquakes always caused serious damage to the cultural heritage.
• Ancient masonry buildings have been realized by the rule of thumb, learning
from the experience of previous structures. The proportions of structural
elements have been refined by a deep perception of the structural behaviour;
this trial and error process took into consideration only static actions, mainly
the vertical loads. Notions as dynamic amplification, damping, soil structure
interaction are not simple to be managed without a theoretical approach.
• Earthquake is a rare action and the experience of the builders was poor. In
high seismicity areas, where earthquakes occur quite often, buildings are
characterized by constructive details and devices proper to protect them from
seismic actions. In areas of moderate seismicity, similar devices may be found
only in the buildings realized immediately after a big earthquake, together with
traditional repairing (tie rods, buttresses, scarp walls, foil arches between
facing buildings); however, the awareness of the importance of these devices
disappeared after two or three generations.
1
Sérgio Logormasino
Seismic behaviour of masonry buildings
IN-PLANE MECHANISMS
(2° failure mode)
OUT-OF-PLANE MECHANISMS
(1° failure mode)
FLOORS and ROOF
2
Sérgio Logormasino
Out-of-plane mechanisms (1° failure mode)
3
Sérgio Logormasino
Effectiveness of steel tie rods
Shear in-plane mechanisms (2° failure mode)
4
Sérgio Logormasino
Shear in-plane mechanisms (2° failure mode)
Seismic behaviour of ancient churches
MACROELEMENTS
DAMAGE MECHANISMS
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Sérgio Logormasino
Seismic behaviour of ancient churches
MACROELEMENT
DIFFERENT POSSIBLE
DAMAGE MECHANISMS
Damage assessment in the seismic emergency
Umbria-Marche earthquake (1997): a methodology for damage and vulnerability
assessment (Lagomarsino and Podestà, Earthquake Spectra, May 2004)
Overturning of the church façade
6
Sérgio Logormasino
Overturning of the façade gable
Shear mechanisms in the plane of the façade
7
Sérgio Logormasino
Shear mechanisms in the plane of the façade
Triumphal arches
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Sérgio Logormasino
Out-of-plane mechanisms of the lateral walls
Damage mechanisms in the apse and the lateral chapels
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Sérgio Logormasino
Vulnerability of historical centres - collapse mechanisms
BUILDINGS’ AGGREGATE
A. Giuffrè – Safety and conservation in Ortigia
historical centre (Syracuse, Sicily, I)
Meccanismi di RIBALTAMENTO GLOBALE
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Sérgio Logormasino
Fasi di formazione dell’
dell’aggregato
• the former buildings were built isolated
• the following are added in adjacency
• the last buildings obstruct the free areas
A
B
A
C
MeccanismI di RIBALTAMENTO PARZIALE
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Sérgio Logormasino
Meccanismi di RIBALTAMENTO per irregolarità
irregolarità in altezza
Meccanismi per mancato allineamento nell’
nell’aggregato
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Sérgio Logormasino
Meccanismi di RIBALTAMENTO GLOBALE: corpi addossati
Meccanismi di MARTELLAMENTO: edifici adiacenti
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Sérgio Logormasino
Meccanismi dovuti a strutture di copertura spingenti
Meccanismi di MARTELLAMENTO delle travi dei solai
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Sérgio Logormasino
FASI COSTRUTTIVE E TRASFORMAZIONI
DISCONTINUITÀ
DISCONTINUITÀ MURARIE (canne
(canne fumarie,
fumarie, finestre tamponate)
tamponate)
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Sérgio Logormasino
SICUREZZA E CONSERVAZIONE
Gli interventi di consolidamento sul costruito storico
Costruzione e struttura erano considerate in forma unitaria
(proporzionamento geometrico e regole dell’arte).
La conservazione dei manufatti storici era garantita dalla manutenzione.
A partire dalla metà dell’800 si afferma una progressiva distinzione tra gli
aspetti formali ed estetici e quelli strutturali:
- nascono le prime teorie del restauro
- la scienza delle costruzioni propone modelli per il calcolo delle
strutture
- nella tecnica delle costruzioni si afferma l’uso di nuovi materiali (il ferro
ed il cemento armato, a scapito della muratura
Ciò porta ad una distinzione di competenze:
- a livello professionale (restauratori, strutturisti)
- negli Enti di controllo (Soprintendenze, Genio Civile)
EVENTI PROPULSORI
IL CROLLO DEL CAMPANILE DI S. MARCO A VENEZIA (1902)
IL CAMPANILE FU RICOSTRUITO IN UNA STRUTTURA INTERNA DI CEMENTO ARMATO
(1912 – PROGETTO DI ARTURO DANUSSO – DITTA PORCHEDDU )
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Sérgio Logormasino
EVENTI PROPULSORI
IL TERREMOTO DI MESSINA (1908)
LA PRIMA NORMATIVA SISMICA:
IL REGIO DECRETO DEL 1909
COSTRUZIONI ORDINARIE:
La norma prevede una serie di
provvedimenti tecnici volti a ricondurre
gli edifici esistenti a quelli di nuova
costruzione (muratura confinata).
COSTRUZIONI MONUMENTALI:
La norma afferma per la prima volta il criterio del “caso per caso”
“Per le riparazioni degli edifici di carattere nazionale, in ispecie di valore artistico, storico
od archeologico, sarà stabilito, caso per caso, il partito da seguire per il consolidamento”
GLI INTERVENTI DI CONSOLIDAMENTO
LA PRIMA META’ DEL XX SECOLO
Periodo caratterizzato da una grande fiducia nell’ingegneria e nelle tecniche moderne
Constatata l’impossibilità di applicare i modelli di calcolo alle costruzioni murarie, si
tenta di riportare queste nell’alveo della scienza della costruzioni attraverso interventi
“ortopedici”, attraverso l’introduzione di nuove strutture resistenti
GRANDE AFFERMAZIONE DEL CEMENTO ARMATO NEL
RESTAURO DEI MONUMENTI
CARTA DEL RESTAURO – Atene 1931:
“Gli esperti hanno inteso varie comunicazioni relative all’impiego di materiali
moderni per il consolidamento degli antichi edifici, ed approvano l’impiego
giudizioso di tutte le risorse della tecnica moderna, e più specialmente del cemento
armato”.
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Sérgio Logormasino
RESTAURO DELLA CHIESA DI S.ANDREA A VERCELLI – A. GIBERTI,1926
MOLE ANTONELLIANA DI TORINO – A. POZZO, 1930-1936
IL TERREMOTO IN IRPINIA (1980)
Magnitudo 7
- 3000 vittime
- 300.000 senza tetto
NUOVA NORMATIVA SISMICA
(D.M. LL.PP. – 2 July 1981)
Adeguamento sismico: con la riparazione è anche obbligatorio adeguare la
costruzione al livello di sicurezza richiesto per le nuove strutture.
ANALISI CON UN MODELLO STRUTTURALE
METODO POR
Interventi consigliati:
- cordoli in cemento armato in breccia nella muratura
- sostituzione dei solai lignei con rigidi solai in cemento armato
- rifacimento delle coperture con pesanti solette in cemento armato
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Sérgio Logormasino
Il comportamento sismico delle costruzioni in muratura
fascia
o cordolo
maschio
nodo
L’inserimento dei cordoli in cemento armato nella muratura
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Sérgio Logormasino
Aumento delle masse ed effetti torsionali
Disgregazione e scorrimento tra cordoli e muratura
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Sérgio Logormasino
MeccanismI di RIBALTAMENTO PARZIALE
Quali interventi per un consolidamento conservativo?
MIGLIORAMENTO SISMICO: mantenere il comportamento originario
della costruzione in muratura, contrastando i meccanismi di danno più
vulnerabili con tecniche non invasive, reversibili e durabili.
Riscoperta delle tecniche di intervento tradizionali:
- catene metalliche
- contrafforti e ringrossi murari
- conservazione dei solai lignei (leggeri)
Uso attento del rinforzo, anche con l’uso di materiali innovativi:
- leggero irrigidimento dei solai
- cordoli esterni in acciaio
- rinforzo della muratura con iniezioni o diatoni artificiali
- uso dei materiali compositi (FRP) per cerchiature, volte, solai
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Sérgio Logormasino
Leggero irrigidimento dei solai in legno
• irrigidimenti nel piano e flessionali con tecnica a ‘secco’
• controventature con tiranti metallici o interventi intradossali
• irrigidimenti estradossali con strisce in FRP
• solette in calcestruzzo alleggerito, con connettori
Cordoli esterni in acciaio
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Sérgio Logormasino
Consolidamento della muratura - CUCI E SCUCI
Consolidamento della muratura – INIEZIONI DI MALTA
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Sérgio Logormasino
Consolidamento della muratura – BETONCINO ARMATO
- intervento invasivo
- eccessivo aumento della rigidezza
- difficoltà di realizzazione
- problemi termici (condensa)
jacketing
injection
Intonaco armato
24
Sérgio Logormasino
Applicazione di intonaco armato solo ai piani superiori
Intonaco armato solo su un lato della parete
Tirantini antiespulsivi
Diatoni artificiali
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Sérgio Logormasino
Intervento con diatoni armati
Indagine
sperimentale
Muro non consolidato
Muro con diatoni
26
Sérgio Logormasino
Confronto tra le prove
fm = 1.3 MPa
E = 1050 MPa
fm = 1.8 MPa
10000
9000
8000
7000
Forza (kg)
6000
5000
4000
3000
provino n.1
provino n.2
Carico euleriano
2000
1000
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Spostamento (mm)
Consolidamento della muratura – CERCHIATURA FRP
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Sérgio Logormasino
The Committee asked to draw up the
GUIDELINES FOR THE CULTURAL HERITAGE
Coordinators:
Michele Calvi, President of the Commission Seismic Risk
Roberto Cecchi, Director of the Ministry of Cultural Heritage
Drawers:
Paolo Faccio, IUAV, University of Venice
Agostino Goretti, National Seismic Survey
Sergio Lagomarsino, University of Genoa
Advisors:
Antonio Borri
Michele Jamiolkowski
Gaetano Manfredi
Claudio Modena
Carlo Viggiani
Giovanni Carbonara
Giorgio Croci
Paolo Rocchi
Luciano Marchetti
28
Sérgio Logormasino
Indice del documento
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Oggetto delle Linee Guida
Requisiti di sicurezza e conservazione
Azione sismica
Conoscenza del manufatto
Modelli per la valutazione della sicurezza sismica
Criteri per il miglioramento sismico e tecniche di
intervento
Capitolo 1 – Oggetto delle Linee Guida
1.1 FINALITÀ E CRITERI
Le Linee Guida sono state redatte con l’intento di specificare un percorso di
conoscenza, valutazione della sicurezza sismica e progetto degli eventuali
interventi, concettualmente analogo a quello previsto per le costruzioni non
tutelate, ma opportunamente adattato alle esigenze e peculiarità del
patrimonio culturale.
La finalità è quella di formulare, nel modo più oggettivo possibile, il
giudizio sulla sicurezza e sulla conservazione garantite dall’
dall’intervento di
miglioramento sismico.
sismico
Per la conservazione in condizioni di sicurezza del patrimonio culturale in
area sismica è necessario disporre di strumenti di analisi a diverso livello di
approfondimento, applicabili a due diverse scale:
- la valutazione della vulnerabilità del patrimonio culturale a scala
territoriale;
- la valutazione della sicurezza e la progettazione degli interventi sul singolo
manufatto.
29
Sérgio Logormasino
MODELLI PER LA VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA SISMICA
Valutazione finalizzata al progetto
Analisi territoriale
LV2: valutazione su singoli macroelementi
(meccanismi locali)
LV1: analisi con modelli meccanici
semplificati o a base statistica
IS =
a SLU
γ I Sa g
LV3: valutazione della risposta del manufatto
nel suo complesso
Per i beni culturali tutelati è in ogni caso necessario attenersi ad interventi di
miglioramento. Con il termine di miglioramento si intende l’esecuzione di
opere in grado di far conseguire all’edificio un grado di sicurezza non
necessariamente uguale a quello previsto per le nuove costruzioni.
Il confronto tra la capacità della struttura e l’azione sismica viene inteso
come un elemento quantitativo da portare in conto, insieme ad altri, in un
giudizio qualitativo complessivo che considera le esigenze di
conservazione, la volontà di preservare il manufatto dai danni sismici e i
requisiti di sicurezza, in relazione alla fruizione e alla funzione svolta.
Capitolo 2 – Requisiti di sicurezza e conservazione
LIVELLI DI SICUREZZA
Nel caso del patrimonio culturale, considerato che l’adeguamento sismico non
è obbligatorio e vincolante, è ragionevole confrontare la capacità sismica
con livelli di sicurezza di riferimento, opportunamente graduati con
riferimento alla rilevanza culturale e all’uso e funzione svolti.
Categorie di rilevanza culturale: bassa, media, elevata
Categorie di uso: abbandonato o occasionale, frequente, molto frequente
Categoria d’uso
Categoria di rilevanza
Limitata
Media
Elevata
P eccedenza
γI
P eccedenza
γI
P eccedenza
γI
Saltuario-abbandonato
40%
0.50
25%
0.65
17%
0.80
Frequente
25%
0.65
17%
0.80
10%
1.00
Molto frequente
17%
0.80
10%
1.00
6,5%
1.20
30
Sérgio Logormasino
Capitolo 4 – Conoscenza del manufatto
4
FC = 1 +
FATTORE DI CONFIDENZA
∑F
Ck
k =1
Rilievo geometrico
rilievo geometrico
completo
FC1 = 0.05
rilievo geometrico
completo, con
restituzione grafica dei
quadri fessurativi e
deformativi
FC1 = 0
Rilievo materico e
dettagli costruttivi
Proprietà mecca-niche
dei materiali
limitato rilievo materico
e degli elementi
costruttivi
FC2 = 0.10
esteso rilievo materico
e degli elementi
costruttivi
FC2 = 0.05
esaustivo rilievo
materico e degli
elementi costruttivi
FC2 = 0
Terreno e fondazioni
limitate indagini sul
terreno e le fonda-zioni
e disponibilità
d’informazioni sulle
fondazioni
FC4 = 0.08
disponibilità di dati
limitate indagini sui
geologici; limitate
parametri meccanici dei
indagini sul terreno e le
materiali
fondazioni
FC3 = 0.06
FC4 = 0.04
estese o esaustive
estese indagini sui
parametri meccanici dei indagini sul terreno e le
fondazioni
materiali
FC4 = 0
FC3 = 0
parametri meccanici
desunti da dati già
disponibili
FC3 = 0.12
Capitolo 5 – Modelli per la valutazione della sicurezza sismica
Analisi limite dell’equilibrio (Heymann) – approccio cinematico
C2
2
3
C3
Meccanismo a 4 cerniere
1
C1
n+m
o
⎛ n
⎞ n
α 0 ⎜ ∑ Pi δ x,i + ∑ P j δ x, j ⎟ − ∑ Pi δ y,i − ∑ Fh δ h = L fi
⎜ i =1
⎟ i =1
j= n +1
h =1
⎝
⎠
31
Sérgio Logormasino
CONCLUSIONI
La grande sfida per gli ingegneri e gli architetti che si occupano degli
aspetti strutturali è contribuire in modo decisivo nella definizione del
giusto punto di equilibrio tra sicurezza e conservazione: a tal fine è
opportuno un uso combinato di valutazioni qualitative e quantitative.
Nel secolo scorso, in Italia, gli interventi di consolidamento sul
costruito storico sono stati progettati senza far uso di modelli
meccanici, ritenendoli inadeguati o temendo che questi avrebbero
portato ad interventi maggiormente invasivi. In realtà, volendo operare
“cautelativamente”, spesso sono stati realizzati interventi inutili,
ingiustificati e talvolta negativi.
Attraverso un uso corretto (non dimenticando i loro limiti), i modelli di
calcolo possono rappresentare uno strumento decisivo per una
conservazione consapevole degli edifici storici, anche in area sismica.
32

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