Conoscenza e tecnologie appropriate per la sostenibilità e la resilienza in urbanistica

Knowledge and Appropriate Technologies for Sustainability and

Resilience in Planning

VULNERABILITÀ SISMICA DI EDIFICI 02/03/2016 Maria Pia Boni

2016 Workshop

Lisa Astolfi, Funda Atun, Maria Pia Boni, Annapaola Canevari, Massimo Compagnoni, Luca Marescotti, Maria Mascione, Scira Menoni, Pierluigi Paolillo, Floriana Pergalani, Mauro

Salvemini

Esistono molti modi di intendere la vulnerabilità (in questo caso sismica) che dipendono, oltre che dalla “scuola di pensiero”, da cosa si intende valutare e dal punto di vista che si intende assumere, ad esempio: Vulnerabilità fisica (di un edificio, di un impianto, di un versante, …)

Vulnerabilità funzionale (di un ospedale, di un acquedotto, …)

Vulnerabilità sistemica (combinazione degli aspetti di vulnerabilità che caratterizzano un sistema complesso,…)

Vulnerabilità socio- economica (di una città, di una nazione, …)

Vulnerabilità organizzativa (di un sistema di gestione, …)

Vulnerabilità di un sistema urbano (analisi delle diverse componenti, relazioni, funzionalità di un intero sistema urbano) ….

RISCHIO SISMICO

Azioni sismiche

per norme

Effetti locali

Pericolosità sismica di base

Pericolosità locale

ESPOSIZIONE

FENOMENO SISMICO

VULNERABILITÀ

VULNERABILITÀ SISMICA

Propensione di un determinato oggetto o sistema, ad essere danneggiato a causa di un evento sismico

E’ una caratteristica intrinseca dell’oggetto, non dipende dalla pericolosità e non bisogna confonderla con il danno E’ un’analisi che si compie in “tempo di pace”, non è da confondere con la valutazione dell’agibilità post-sisma

NB:

Attualmente si usa spesso, anche a livello normativo e di ricerca, indicare la valutazione della vulnerabilità come verifica sismica. Le verifiche sismiche, eseguite con vari metodi, prevedono un’analisi dell’edificio per appurare se la struttura è «sufficientemente resistente» rispetto alle azioni sismiche che ci si attende in quel sito e, di norma, per quello specifico tipo di edifici. La definizione di vulnerabilità adottata nella presente relazione, invece, da un punto di vista concettuale, prevede l’analisi della struttura indipendentemente dal sito in cui si trova (si applicano le azioni sismiche solo per il successivo calcolo del danno)

Individuazione di una relazione tra una misura della qualità della costruzione (q), una misura della severità del terremoto che la può colpire (s) ed il danno che ne conseguirebbe (d)

d = f (q, s)

Edificio in c.a. di tre piani caratterizzato da un meccanismo di piano soffice. Pettino (AQ) Il piano terra a differenza dei restanti piani è caratterizzato da ampie aperture (ingresso edificio e garage); la richiesta di spostamento si è concentrata al piano terra. Foto di P. Ricci e G.M. Verderame

Interazione pilastro-tamponamento rigido sotto finestra.

Stairs damage Shear failure of a short column in the staircase. Photo by G. De Carlo and G.M. Verderame

Danneggiamento delle tamponature: edificio in calcestruzzo armato di quattro piani Sono evidenti le tipiche fessurazione diagonali presenti sulle tamponature dei primi due livelli

Danneggiamento delle tamponature: edificio in calcestruzzo armato di quattro piani Espulsione della fodera esterna della tamponatura presente al secondo e al terzo livello. Foto di P. Ricci e G.M. Verderame

obiettivo dello studio

scala di analisi

numero di edifici da valutare

tempi disponibili (solitamente limitati)

risorse disponibili (solitamente limitate)

Scelta influenzata da molti fattori:

tecniche tipologiche: considerano l'edificio come membro indifferenziato di una classe tipologica, definita in funzione dei materiali, della tecnica costruttiva o di altri fattori

tecniche meccanicistiche: sostituiscono all'edificio un suo modello meccanico teorico (sono le più vicine all'usuale approccio ingegneristico alla valutazione della sicurezza)

tecniche semeiotiche: considerano l'edificio come un organismo la cui vulnerabilità può essere descritta attraverso sintomi. In generale, esse introducono un certo numero di fattori di vulnerabilità. Per ciascun fattore viene assegnato all'edificio un certo livello; l'incremento dei livelli denuncia un incremento di vulnerabilità

Es.: in base all'organismo al quale viene assimilato l'edificio

(Corsanego A., 1984)

Tecniche tipologiche

PREGI: poco costose e richiedono indagini piuttosto semplici; fruiscono di notevoli basi di dati

DIFETTI: non distinguono i singoli edifici all'interno di una classe non consentendo di definire una graduatoria fra di essi; difficile esportabilità

Tecniche meccanicistiche

Tecniche semeiotiche

PREGI: elevato grado di dettaglio delle informazioni ottenibili

DIFETTI: richiedono che nel fabbricato sia individuabile uno schema statico sufficientemente chiaro

PREGI: potenzialmente molto versatili, perché usano il più grande numero di informazioni dei fabbricati esaminati

DIFETTI: implicano una certa perizia da parte di chi opera sul campo; la loro affidabilità dipende dalla razionale esplicitazione di una relazione fra i livelli ed i danni sismici attesi

q ⇒ classe tipologica s ⇒ intensità macrosismica d ⇒ stato di danno

d = f (q, s)

Si definiscono le classi tipologiche degli edifici e quindi, dall’analisi dei danni occorsi in terremoti passati, si ricavano per le classi le matrici di probabilità di danno in funzione dei livelli intensità sismica

L’assegnazione di un edificio ad una classe tipologica viene attribuita sulla base del riconoscimento di alcune caratteristiche della struttura (di solito materiale impiegato e struttura verticale)

Esempio: scala MSK (Medvedev - Sponheur – Karnik) A: costruzione in pietrame naturale, strutture in argilla, costruzioni con mattoni di

creta e paglia, case in mattoni crudi o con malta di argilla, case con argilla e limo.

B: costruzioni in mattoni comuni, in grossi blocchi, in muratura con telai di legname, costruzioni in pietra squadrata.

C: costruzioni prefabbricate con struttura in calcestruzzo, costruzioni prefabbricate a larghi pannelli, strutture in legno ben fatte.

Anche in diverse scale macrosismiche sono definite classi tipologiche

I grado

SCOSSA NON PERCEPIBILE L'intensità della vibrazione è al disotto dei limite della sensibilità ed è avvertita e registrata soltanto dagli strumenti sismici

V grado

SCOSSA FORTE a) La scossa è avvertita dalla maggior parte delle persone all’interno delle case, da molti all'aperto. Molti dormienti si

svegliano. Qualcuno scappa fuori dalla casa, gli animali diventano inquieti. Si verifica un tremore dell'intero edificio. Oggetti sospesi oscillano considerevolmente. I quadri si spostano. Gli orologi a pendolo possono fermarsi. Oggetti poco stabili possono cadere o ruotare. Porte e scuri di finestre aperti sbattono, liquidi che riempiono serbatoi (o recipienti) traboccano in piccola misura. La vibrazione è forte e dà la stessa sensazione della caduta in casa di un oggetto pesante.

b) Possibili danni di categoria 1 ad alcuni edifici di tipo A. c) In qualche sorgente si nota una variazione di portata

VIII Grado

DISTRUZIONE DI EDIFICI a) Spavento generale, alcune persone sono nel panico. Anche le persone che guidano auto sono disturbate. Qua e là si

staccano rami di alberi. Anche la mobilia si muove e in parte si rovescia. In parte i lampadari sono danneggiati. b) I danni possono cosi riassumersi:la maggior parte degli edifici del tipo C subisce danni della categoria 2 e pochi anche

della categoria 3. La maggior parte degli edifici del tipo B subisce danni della categoria 3 e pochi di categoria 4. La maggior parte degli edifici del tipo A subisce danni della categoria 4 e pochi di categoria 5. Si storcono e si spostano monumenti e statue; pietre sepolcrali crollano. Crollano muri di pietre.

c) Piccoli franamenti in scavi o in rilevati stradali con scarpate ripide. Nel terreno si formano crepe di qualche centimetro di larghezza. L'acqua nei laghi si intorbida. Si formano nuovi laghi. Sorgenti si estinguono o cominciano a sgorgare; molte volte variano le loro portate e le quote a cui emergono.

XI grado

CATASTROFE Anche qui non sono considerati più gli effetti sugli uomini e sugli animali. Perciò si considerano le sole lettere b) e c). a) Distruzione della maggior parte e collasso di molti edifici di tipo C. Anche ponti e dighe ben costruiti possono essere

distrutti, rotaie contorte. Strade si rendono inutilizzabili. Distrutte condutture sotterranee. b) Numerose modifiche dei terreno dovute a crepe, fratture e movimenti sia orizzontali sia verticali; numerosi franamenti di

vario tipo. L'intensità del terremoto richiede ricerche speciali.

…

…

…

CLASSI DI VULNERABILITÀ NELLA SCALA EMS 98

Mur

atur

a

Cem

ento

arm

ato

Per ogni classe tipologica definiscono la probabilità che gli edifici ad essa appartenenti subiscano danni classificabili secondo uno dei sei stati di danno, dato un terremoto di assegnata «violenza» (es.: intensità macrosismica). Si ricavano dall’analisi statistica dei danni in terremoti recenti

Classe “A”

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 1 2 3 4 5Stati di danno

Prob

abili

tà

VI VII VIII IX X

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 1 2 3 4 5Stati di danno

Prob

abili

tà

VI VII VIII IX X

Classe “C”

L’approccio si articola in due passi:

1. determinazione dell’indice di vulnerabilità e dell’indice di danno

2. costruzione delle curve di fragilità che mettono in relazione la vulnerabilità, la severità del terremoto atteso e il danno.

q ⇒ indice di vulnerabilità V s ⇒ accelerazione massima del terreno y d ⇒ indice di danno legato al costo della riparazione

d = f (q, s)

Schede di vulnerabilità per edifici (GNDT, primi anni ’90)

Livello 1: contiene dati relativi alla localizzazione, alla geometria ed alla tipologia dell'edificio

Livello 2: contiene in senso stretto le informazioni utili per il calcolo della vulnerabilità

Raccolgono alcune informazioni sulle caratteristiche degli elementi costitutivi dell'edificio, ritenute importanti per valutarne la capacità di un di resistere ai terremoti

Sono costituite da due livelli:

Esistono schede per edifici in muratura ed in c.a.

La scheda di primo livello è comune a tutte le tipologie, cambia quella di secondo livello

Per edifici in c.a. Per edifici in muratura

11 p

aram

etri

11 p

aram

etri

PARAMETRI ELEMENTI DI VALUTAZIONE

TIPO ED Norm. nuove costruz. (cl. A) 36 1 Parametro 3. Resistenza convenzionaleORGANIZZAZIONE Norm. riparazioni (cl. A) 2 Tipologia struttura verticale τk (t/mq)

1 DEL 14 25 Cord. o cat. tutti livelli (cl. B) 3SISTEMA Buoni amm. fra mur. (cl. C) 4

RESISTENTE (S.R.) Senza cord. cattivi amm. (cl. D) 5

2 QUALITA' DEL S.R. 15 26 (vedi manuale) 37

Numero di piani N 38 Minimo fra Ax e Ay A (mq)Area tot. cop. At (mq) 40 Massimo fra Ax e Ay B (mq)

Area Ax (mq) 45 Coeff. a0 = A/At Coeff γ = B/A

3 RESISTENZA 16 27 Area Ay (mq) 49 q = (Ax+Ay) . h . pm / At + ps

CONVENZIONALE τk (t/mq) 53 C = a0τk / (qN).[1+(qN)/(1.5a0τk(1+γ))]1/2

SCHEMI - RICHIAMI (MURATURA)Clas-si

Qual. inf.Parametri

Classi

Qualità dell’informazione

Elementi di valutazione Schemi - richiami

Ad ogni parametro si assegna una classe (A, B, C, D) in base agli elementi di valutazione la qualità dell’informazione (E, M, B, A)

E - qualità elevata: informazioni prevalentemente dirette (misure effettuate in sito, letture di elaborati grafici affidabili, visione diretta degli elementi di informazione) con un grado di attendibilità vicino alla certezza.

M - qualità media: informazioni prevalentemente dedotte (letture indirette quali quelle desunte da fotografie, misure desunte da elaborati non esecutivi, saggi non distruttivi di scarsa attendibilità, letture dirette su situazioni analoghe, informazioni orali di persone di fiducia del rilevatore) con un grado di attendibilità intermedio fra il precedente (E) ed il seguente (B).

B - qualità bassa: informazioni prevalentemente presunte (misure dedotte da ragione- voli ipotesi conoscitive quali quelle sulle usuali modalità e sulle più frequenti scelte progettuali, informazioni orali diverse dalle precedenti) con un grado di attendibilità di poco superiore ad una scelta puramente casuale della classe.

A - informazione assente: con un grado di attendibilità intorno ai limiti di una scelta casuale. In questi casi la valutazione del rilevatore ha valore puramente indicativo.

Qualità dell’informazione

1. Tipo ed organizzazione del sistema resistente: valuta il funzionamento scatolare dell'organismo murario attraverso il rilievo della presenza di collegamenti ai piani, ammorsature agli spigoli

2. Qualità del sistema resistente: è influente su questo parametro l'omogeneità e la fattura del tessuto murario

3. Resistenza convenzionale: attraverso un calcolo speditivo, con l'ipotesi di solaio infinitamente rigido e di pura traslazione dei piani, in assenza di eccentricità in pianta, quantizza la resistenza in due direzioni perpendicolari delle strutture in elevazione

4. Posizione dell'edificio e delle fondazioni: con questo parametro vengono messi in conto alcuni aspetti relativi alle fondazioni ed al terreno di fondazione e ritenuti influenti sul comportamento sismico globale, quali alcune caratteristiche geotecniche

5. Orizzontamenti: si considera la rigidezza nel piano (funzionamento a diaframma), il tipo e l'efficacia dei collegamenti alle murature

6. Configurazione planimetrica: mette in conto la forma in pianta attraverso la valutazione dei rapporti fra lato corto e lato lungo e fra sporgenze e lato lungo

7. Configurazione in elevazione: mette in conto le variazioni e discontinuità in elevazione, quali la presenza di una torre, di un piano porticato

8. Distanza massima fra le murature: con questo parametro si vuole valutare l'efficacia delle murature perpendicolari come vincoli di una data parete

9. Copertura: la copertura è valutata, sia come una sorta di orizzontamento "privilegiato", sia per la eventuale presenza di elementi con spinte non equilibrate

10. Elementi non strutturali: con questo parametro si valuta l'influenza che ha sui danni conseguenti ad un evento sismico la presenza, il tipo ed il collegamento alle strutture di tutti quegli elementi non portanti quali comignoli, cornicioni, piccoli aggetti ecc.

11. Stato di fatto: mette in conto la diminuzione di resistenza (e di duttilità) conseguenti a lesioni, dissesti, stato di degrado negli elementi strutturali

Ad ogni parametro sono attribuiti un punteggio, in funzione della classe, ed un peso

Il prodotto del punteggio per il relativo peso fornisce l'indice numerico parziale per il singolo parametro

La somma degli indici parziali porta all'indice di vulnerabilità, numero compreso tra 0 e 382.5 ("migliore" "peggiore")

L'indice viene di solito normalizzato su una scala relativa e convenzionale 0 - 100

Parametro Classe Peso

A B C D 1 Org. sist. resist. 0 5 20 45 1.0 2 Qual. sist. res . 0 5 25 45 0.25 3 Resist.

convenzion. 0 5 25 45 1.5

4 Pos. edif. e fond. 0 5 25 45 0.75 5 Orizzontamenti 0 5 15 45 var 6 Config. planim. 0 5 25 45 0.5 7 Config. in elev. 0 5 25 45 var 8 Dist. max. murat. 0 5 25 45 0.25 9 Copertura 0 15 25 45 var

10 Elem. non strutt. 0 0 25 45 0.25 11 Stato di fatto 0 5 25 45 1.0

Esempio di rappresentazione dell’indice di vulnerabilità in un centro urbano

I.V. < 2020 < I.V. < 4040 < I.V. < 6060 < I.V. < 8080 < I.V.

Indice di vulnerabilità degli edifici (I.V.)

Non elaboratoNon classificato

d = f ( V , y)

Correlazione tra accelerazione e danno mediante curve di fragilità basate su danni osservati (per ogni valore di V e ogni valore di y si analizza la distribuzione del danno osservato)

yi e yc, sono definiti rispettivamente come i valori di accelerazione che mediamente causano l'inizio del danno ed il collasso nella costruzione

Schema del processo di semplificazione

y yper 1 =

y <y < yper y -yy -y =

y y per 0 =

V)(y, d

c

ciic

i

i

≤

≤

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65y(g)

Dan

no

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10

• Impossibilità di effettuare sopraluoghi

• Ricorso a dati esistenti («poveri») – es.: ISTAT

• Unità minima di rappresentazione – sezione di censimento

• Utilizzo delle classi definibili in base ai dati disponibili

Approccio tipologico • Riconoscimento delle tipologie A, B, C (numero di edifici e volumi) • Matrici di probabilità di danno

Approccio dell’indice di vulnerabilità

Classificazione (numero di edifici e volumi) in base a • Età (7 classi) • Numero di piani (3 classi) • Materiale (4 classi - muratura, cemento armato, cemento armato a

pilotis, altro) • Stato di manutenzione (2 classi) • Edifici isolati o inseriti in aggregati (2 classi)

Banca dati indice di vulnerabilità (distribuzione dei valori dell’indice)

Curve di fragilità

Valori medi e coefficienti di variazione dell'indice di vulnerabilità per le diverse classi di edifici in muratura e cemento armato in base all’età

Edifici in muratura buono stato di manutenzione cattivo stato di manutenzione N. edif. Vuln. med. Coeff. var. N. edif. Vuln. med. Coeff. var.

pre 1919 662 55.15 0.262 742 61.78 0.250 1919-1945 473 49.46 0.246 574 52.80 0.269 1946-1960 452 47.73 0.270 738 49.54 0.281 1961-1971 322 43.15 0.258 414 44.62 0.258 post 1971 212 37.91 0.205 156 42.50 0.279 tutti gli edif. 4745 50.84 0.291

Edifici in cemento armato 1945-60 126 53.35 0.494 1961-71 512 50.86 0.503 post 1971 1084 43.25 0.501

Distribuzione dell’indice di vulnerabilità per edifici in muratura con buono stato di manutenzione (dati Lunigiana e Garfagnana - 1 - edifici costruiti prima del 1919; 2 - edifici costruiti tra il 1919 e il 1945; 3 - edifici costruiti tra il 1946 e il 1960; 4 - edifici costruiti tra il 1961 e il 1971; 5 - edifici costruiti dopo il 1971)

Percentuale di abitazioni nella classe di vulnerabilità A della scala MSK, per i comuni italiani (sito http://www.protezionecivile.it)

Esempio di mappa di vulnerabilità calcolata con il metodo tipologico

RISCHIO SISMICO E SCENARIO SISMICO DI DANNO

RISCHIO SISMICO

Azioni sismiche

per norme

Effetti locali

Pericolosità sismica di base

Pericolosità locale

ESPOSIZIONE

FENOMENO SISMICO

VULNERABILITÀ

La misura del rischio è funzione del tipo di danno che si intende valutare: - in termini economici, i danni medi annui al costruito dovuti a tutti i futuri

eventi sismici (valore del danno atteso medio annuo) - dal punto di vista della salvaguardia delle persone, il numero di vittime

(valore atteso del numero di vittime) - ecc.

Entità dei danni che è lecito attendersi in un’area a causa di futuri eventi sismici.

La valutazione del rischio è di tipo probabilistico (si utilizza come dato la pericolosità di base calcolata con approccio probabilistico)

Applicazione: utilità essenzialmente di tipo pianificatorio/amministrativo (es.: identificare le zone a maggior rischio per distribuire in modo ottimale le risorse per la sua mitigazione)

Rischio annuo del patrimonio edilizio coinvolto (% crolli)

Crolli attesi con probabilità di superamento del 10% in 50 anni

Prog

etto

SAV

E (G

ND

T, 2

004)

Effetti causati, in un determinata area, da uno specifico evento

Per definizione, il calcolo dello scenario di danno è di tipo deterministico: - si seleziona un evento sismico - si valuta la vulnerabilità della struttura o dell’area - tramite l’applicazione delle correlazioni danno/severità evento/vulnerabilità

si calcola il danno

Applicazione: utilità tipica relativa alla pianificazione d’emergenza

Il danno (come detto per il rischio) può essere valutato con misure diverse a seconda dell’obiettivo per cui viene calcolato: misure in termini economici, vittime, ecc..

Gruppo Nazionale per la Difesa dai Terremoti - CNR (1994),Scheda di esposizione e vulnerabilità di primo livello e di rilevamento danni, Gruppo Nazionale per la Difesa dai Terremoti - Roma.

Guagenti E., Petrini V. (1989), Il caso delle vecchie costruzioni: verso una nuova legge danni-intensità, Proceedings of the 4th Italian National Conference on Earthquake Engineering, - Milan - (Italy), 1, 145-153, Milano.

Grimaz, S., Meroni, F., Petrini, V., Tomasoni, R., and Zonno, G., 1996. Il ruolo dei dati di danneggiamento del terremoto del Friuli, nello studio di modelli di vulnerabilità sismica degli edifici in muratura, Proceedings of the Conference on “La scienza e i terremoti-Analisi e prospettive dall’esperienza del Friuli-1976/1996,” Udine, Italy, pp. 89–96.

Grunthal, G., 1998. European Macroseismic Scale 1998. Cahiers du Centre Européen de Géodynamique et de Séismologie 15:

Corsanego A. “Vulnerabilità sismica degli edifici e metodi per valutarla”, Ingegneria Sismica, Anno I, No. 1, 1984.

Corsanego, A. & Petrini , V. 1994. Criteri di valutazione della vulnerabilità sismica del patrimonio edilizio esistente sul territorio nazionale, Ingegneria Sismica, vol. 1, Patron ed., pp. 16-24.

Braga, F., M. Dolce, D. Liberatore, “Southern Italy November 23, 1980 Earthquake: A Statistical Study on Damaged Buildings and an Ensuing Review of the M.S.K.-76 Scale”, pubblicazione CNR-PFG n.503, Rome 1982

G. Zuccaro (CD a cura di), Inventario e vulnerabilità del patrimonio edilizio residenziale del territorio nazionale, mappe di rischio e perdite socio - economiche – Napoli, 2004 (dal sito del progetto SAVE del GNDT 2004 - http://gndt.ingv.it/Att_scient/Prodotti_attesi_2004/Dolce_Zuccaro/Mappe/Start2.htm)

Bibliografia