Sicurezza Sismica ed Efficienza Energetica di un edificio scolastico con Cappotto Sismico

ADEGUAMENTO SISMICO ED EFFICIENTAMENTO ENERGETICO DELLA SCUOLA SECONDARIA DI PRIMO GRADO “UGO FOSCOLO” DI SEDICO (BL) CON LA TECNICA DEL CAPPOTTO SISMICO: PROGETTAZIONE ED ESECUZIONE

• Coordinamento generale e progettazione strutturale: MTD Studio di Ingegneria (Belluno), Ing. Ludovico De Lotto
• Progettazione architettonica: arch. Roberto De Biasi
• Collaborazione progetto strutturale: ing. Chiara Barattin
• Impresa esecutrice: Hellenia SRL Costruzioni Generali
• Fornitore del cappotto sismico: Ecosism SRL

PREMESSA
In questo articolo si descrive l’intervento di adeguamento sismico ed efficientamento energetico della scuola secondaria di primo piano di Sedico in provincia di Belluno.

La tecnica di intervento utilizzata è quella del “cappotto sismico” che permette di dare risposta contemporaneamente sia alle esigenze di aumento della sicurezza sismica dell’edificio che di efficientamento termico e acustico delle superfici verticali opache, operando quasi esclusivamente dall’esterno dell’edificio.

Nello specifico il cappotto sismico adottato per realizzare l’intervento è il Geniale Cappotto Sismico prodotto dalla ditta Ecosism di Battaglia Terme – Padova.

CARATTERIZZAZIONE DELL’EDIFICIO OGGETTO D’INTERVENTO

La planimetria della scuola è inscrivibile in un rettangolo di dimensioni circa 47×41 m ed è il risultato della realizzazione di due corpi di fabbrica costruiti in tempi diversi.

Il volume originario fu edificato alla fine degli anni 50 ed ha una pianta inscrivibile in un rettangolo 35×20 m con un piano seminterrato e due piani fuori terra.
Questo corpo di fabbrica fu realizzato con fondazioni in calcestruzzo armato, murature portanti perimetrali in pietrame listato nel piano parzialmente interrato ed in mattoni di laterizio per l’elevazione. I solai intermedi e di copertura sono in laterocemento.

Il comune di Sedico (BL) fa parte della zona climatica F caratterizzata da una temperatura minima di progetto di -9.63°C ed una massima di 31.55°C.

Si descrivono brevemente gli impianti presenti:

• -Tutti gli impianti, (idrico, elettrico ed ascensore), sono attualmente funzionanti.
• -L’impianto di riscaldamento è centralizzato con doppio generatore di calore e posizionato nel locale caldaie, i terminali di emissione sono radiatori tradizionali spesso sottofinestra.
• -La regolazione climatica è centralizzata con sonda esterna.
• -Il funzionamento dell’impianto di riscaldamento è a fasce orarie.
• -La produzione di ACS è ottenuta mediante boiler elettrici nei bagni dell’edificio originario, mentre non è fornita nei restanti servizi.

L’immobile presenta vari punti critici, sia a livello costruttivo che impiantistico, i quali favoriscono un consumo energetico eccessivo:

• -In copertura è presente un isolamento minimo ed in certi punti addirittura inesistente;
• -I sottotetti non praticabili risultano essere locali non climatizzati i quali confinano con i locali riscaldati al pian inferiore: le strutture sono scarsamente isolate;
• -I muri perimetrali anche se conformi ai dettami dell’epoca, risultano debolmente isolati termicamente;
• -L’impianto termico è centralizzato e regolato in telegestione ma non sono presenti sistemi di regolazione della temperatura locale e ciò fa sì che le varie aule e corridoi non abbiano un riscaldamento uniforme.

I dati raccolti per stabilire i consumi energetici per gli anni 2015 – 2019:

Tabella 3 Consumi energetici medi

Con questi dati di input, è stato possibile definire l’indice di prestazione energetica global Epi,gl per l’intero edificio che risulta essere pari a 164.34 kWh/mq∙anno: tale dato è un buon risultato in relazione alle tipologie costruttive e agli anni di costruzione.

Il progetto di adeguamento sismico prevede la posa del Geniale Cappotto Sismico® in grado di coniugare in un’unica lavorazione sia l’incremento dell’indice di rischio sismico che l’efficienza energetica del fabbricato.

La stratigrafia individuata in grado di massimizzare l’intervento combinato è la seguente:

Dopo un’attenta analisi della geometria dell’edificio, si è ritenuto che la corretta posa del cappotto non prevedesse l’eliminazione totale dei ponti termici degli aggetti, quali sporti e terrazze. Quindi si è considerato il cappotto solo sulle superfici verticali e le correzioni dei ponti termici dovute a travi, pilastri e finestre.

Di seguito i risultati:

Tabella 4 Consumi pre e post intervento

SINTESI DEI RISULTATI DELLA VERIFICA DI VULNERABILITA’ SISMICA

La vulnerabilità dell’edificio scolastico è stata redatta nel 2016 in conformità con le NTC2008, vigenti all’epoca, a seguito di una vasta campagna di rilievi, saggi e prove per caratterizzare i materiali e gli elementi strutturali al fine di raggiungere il livello di conoscenza LC2.

I due corpi di fabbrica risultavano staticamente verificati, mentre, per le azioni sismiche, il corpo originario presentava un indice pari a 0.38 e l’ampliamento pari a 0.52: risultati ottenuti al netto dell’inadeguatezza del giunto esistente.

Si riportano in seguito le principali cause di questi ridotti indici sono riconducibili a:

• Corpo originario:
• oPresenza della scalinata di accesso a Sud che interrompe i maschi murari del piano superiore.
• oNumerose forometrie nell’area servizi a Nord
• Ampliamento:
• oScarsità delle murature sismo-resistenti;
• oIrregolare distribuzione delle rigidezze a causa delle ampie vetrate presenti;
• oTelai difformi alla gerarchia delle resistenze.

Non erano state constatate vulnerabilità riconducibili a cinematismi.

CARATTERIZZAZIONE DEL TERRENO

Il fabbricato scolastico è ubicato sulla sommità di un dosso di origine strutturale al limite occidentale con la conoide di origine alluvionale e/o fluvioglaciale su cui sorge l’abitato di Sedico: è un dosso modesto con pendenze naturali dell’ordine di qualche grado sull’orizzontale che aumentano lungo la scarpata a sud-est fino a circa 10° – 15°.

L’area, da tempo urbanizzata, presenta buone condizioni di stabilità e non sono presenti segnali di fenomeni franosi e/o erosivi.

Per la caratterizzazione del terreno è stata svolta un’indagine geognostica con la perforazione di un sondaggio meccanico a rotazione e carotaggio continuo dello stesso fino ad una profondità di 8.00 m dal piano compagna per poi procedere con prove SPT ad intervalli regolari sul campione estratto.

De seguito i litotipi rilevati e caratterizzati dalla prova:

• 1.Terreno di riporto e depositi eluvio-colluvionali da 0 a -3m
• 2.Alterazione del substrato roccioso da -3 a -5 m dal p.c.: presenza
• 3.Rocce del substrato da -5 m a -8 m: marne argillose e siltiti marnose grigie

Tabella 5 Caratterizzazione stratigrafia del terreno

La resistenza di progetto del terreno è stata ricavata riducendo del fattore di sicurezza γ=2.3 la capacità portante allo SLU del terreno stimata ipotizzando un meccanismo di rottura globale con criterio di rottura di Mohr-Coulomb.

La capacità portante del terreno per lo strato più scadente (terreno di riporto e depositi eluvio-colluviali situato dal p.c. fino a -3,00 m) per fondazioni a travi rovesce poste ad una profondità di -1,50 m è pari a circa 330 kN/mq.

Per definizione dell’azione sismica di progetto sono stati eseguiti un profilo MASW e 4 test HVSR. Di seguito il confronto fra lo spettro di risposta medio RLS e NTC2018 ottenuti.

Tabella 6 Parametri sismici degli spettri di accelerazione orizzontale NTC18

Tabella 7 Parametri sismici degli spettri di accelerazione orizzontale RLS

L’obiettivo dell’Amministrazione Comunale era di conseguire rapidamente l’adeguamento sismico del fabbricato scolastico e con l’occasione di migliorare le prestazioni energetiche dello stesso.

La problematica principale, individuata in fase preliminare di progettazione, era quella generata dalla presenza del giunto fra i due blocchi che compongono l’edificio di dimensione inadeguata al fine di evitare il mutuo martellamento fra i due elementi in caso di terremoto: si è optato per la cucitura di tale elemento in quanto, la realizzazione di un nuovo giunto di ampiezza idonea avrebbe comportato invasive ed antieconomiche lavorazioni interne di demolizione e di ricostruzione.

La tecnica in grado di massimizzare il rapporto benefici/costi è quella del cappotto sismico, cioè, affiancando alle murature perimetrali esistenti un sistema di setti in calcestruzzo armato di spessore 15 e 20 cm.

La scelta della tecnologia è ricaduta su Geniale Cappotto Sismico® prodotto da Ecosism®: un’innovativa soluzione che, mediante un unico intervento combinato, garantisce l’adeguamento sismico e l’efficientamento energetico degli edifici esistenti in maniera non invasiva, mantenendo fruibile l’edificio oggetto d’intervento.

Il cappotto sismico di Ecosism® viene prodotto sottoforma di pannelli di grandi dimensioni aventi altezza pari a quella d’interpiano: ogni modulo è realizzato a misura, sulla base del rilievo delle facciate del fabbricato ed in funzione delle necessità strutturali, architettoniche e termotecniche indicate nei vari progetti esecutivi.

Geniale Cappotto Sismico® viene applicato solamente all’esterno del fabbricato per realizzare una nuova pelle sismo-resistente: è composto da una lastra sottile in calcestruzzo armato gettato in opera all’interno di due strati isolanti preinseriti in una maglia tridimensionali in acciaio zincato. Tale getto di rinforzo viene collegato in opera alla struttura portante esistente mediante appositi collegamenti lungo le fondazioni e i cordoli di piano.

Caratteristica fondamentale di questo cappotto sismico è la sua estrema personalizzazione: vista l’importanza strategica e sociale dell’edificio scolastico, è stata scelta una stratigrafia in grado di massimizzare l’isolamento termico e, allo stesso tempo, donare alle facciate la massima protezione in caso di incendi andando ad accoppiare, già in stabilimento produttivo, la lana di roccia con l’eps.

A causa dell’elevata irregolarità in pianta, oltre alla solidarizzazione dei due blocchi mediante l’applicazione del cappotto sismico lungo il perimetro dell’intero fabbricato e alla cucitura del giunto esistente, è stato necessario inserire all’interno dell’ampliamento due nuovi setti a tutta altezza ortogonali fra di loro, per migliorare la distribuzione delle rigidezze.

Invece, l’assenza di maschi murari dell’accesso all’atrio lungo il prospetto principale è stata risolta portando a terra i setti di cappotto sismico allineandoli con quelli del primo piano, previa la demolizione della scalinata esterna esistente e la realizzazione di nuove fondazioni continue.

Si è sfruttato l’intervento di demolizione di questa porzione per spostare l’ingresso verso il giardino con un nuovo studio architettonico-funzionale che ha consentito anche l’ampliamento dell’atrio esistente.

Le scale esterne, presenti lungo la facciata a nord, sono state demolite in quanto elemento di interferenza con la continuità di posa richiesta della tecnica di adeguamento con Geniale Cappotto Sismico®, e ricostruite in acciaio in modo staticamente e sismicamente indipendente dal nuovo guscio sismico.

Grazie alla sua maggiore rigidezza rispetto alla struttura portante in laterizio, il nuovo esoscheletro anti-sismico è in grado di attrarre la maggior aliquota dell’azione tagliante generata dal sisma.

Per valutare gli effetti dell’azione tellurica sulla struttura, si è utilizzato infatti un approccio semplificato supponendo che la totalità delle azioni sismiche generate sia contrastata esclusivamente dal nuovo sistema di setti resistenti (cappotto sismico perimetrale e pareti interne). Per fare ciò, nel modello FEM, è stata assegnata rigidezza orizzontale trascurabile sia alle pareti in muratura che ai cordoli di piano, quindi caratterizzandoli esclusivamente con la loro rigidezza verticale.

Tale approccio risulta essere a favore di sicurezza in quanto tutti i modi di vibrare calcolati (considerando solo la rigidezza del nuovo esoscheletro in c.a.) hanno un periodo che ricade all’interno del plateu dello spettro sismico: se si fosse considerato anche il contributo della struttura esistente, si sarebbe ridotta l’intensità dell’azione sismica.

Nel procedere con la modellazione, sono state adottate anche le seguenti ipotesi:

• 1-Durante l’evento sismico, la struttura esistente continua a supportare i carichi gravitazionali (verificare gli spostamenti allo SLV);
• 2-Ad ogni orizzontamento è presente il vincolo di piano rigido: per il blocco originario è generato dalle cappe in calcestruzzo e dai reticoli di cordoli, mentre, per l’ampliamento dalla cappa armata presente sui solai;
• 3-Il comportamento dell’esoscheletro sismico è di tipo non dissipativo: non si applicano le prescrizioni sui dettagli costruttivi indicati al capitolo 7 delle NTC2018.

Di seguito il riassunto dei 6 modi di vibrare considerati: la massa partecipante è maggiore al 90% per tutte le direzioni principali.

Tabella 8 Modi di vibrare analizzati

Tabella 9 Masse partecipanti per modo di vibrare

DIMENSIONAMENTO DELLE CONNESSIONI IN CORRISPONDENZA DEI CORDOLI DI PIANO

Dalle elaborazioni del modello FEM illustrato nel capitolo precedente, sono state estratte le forze sismiche ed i tagli di piano agenti sui vari impalcati dell’edificio scolastico per poter dimensionare i collegamenti fra la struttura esistente ed il nuovo sistema di setti sismo-resistenti.

Tabella 10 Tagli di piano

Si è scelto di disporre degli ancoranti chimici φ16/40 cm in acciaio B450C caratterizzati da una resistenza a taglio pari a 31,0 kN per il singolo tassello e pari a 78,75 kN/m per la lunghezza unitaria.

VERIFICA SPOSTAMENTI DI INTERPIANO

Lo spostamento massimo in sommità allo SLV vale 32mm

Tutti gli spostamenti di interpiano risultano essere sempre inferiori al 4‰ dell’altezza di interpiano nel centro di massa e sono al massimo il 4,2‰ nel punto di massima deformazione: tale valore è stato ritento accettabile dal team di progettazione strutturale.

TIPOLOGIA DELLE FONDAZIONI

Il nuovo esoscheletro sismo-resistente si eleverà da un nuovo cordolo di fondazione realizzato adiacente ed ancorato alle fondazioni esistenti: nelle zone soggette a maggiori sforzi sono stati previsti dei micropali trivellati φ88,90×10 mm in grado di assorbire sia le azioni di compressione che di trazione.

Le fondazioni per i nuovi elementi realizzati, volume d’ingresso e scale esterne, sono state realizzate a platea.

Le pressioni massime al suolo riportate in corrispondenza delle fondazioni del cappotto sismico risultano essere sempre inferiori alla capacità portante del terreno pari a circa 330 kN/mq.

PROGETTAZIONE ESECUTIVA DI PRODUZIONE

La progettazione dei moduli di Geniale Cappotto Sismico® forniti da Ecosism® ai propri clienti inizia in cantiere con il rilievo laser scanner delle facciate del fabbricato oggetto di intervento sulla quale restituzione grafica dovrà necessariamente essere indicata la quota di partenza dei pannelli da parte dell’impresa esecutrice.

Successivamente si passa alla scelta delle altezze esecutive dei vari moduli previsti in fornitura sulla base del rilievo e delle indicazioni tecniche ricevute: tali altezze sono in grado di assicurare una posa in opera agevole e rapida in cantiere.

Il compito fondamentale dell’ufficio tecnico di Ecosism® è quello di unire tutte le caratteristiche geometriche del rilievo alle peculiarità del progetto strutturale, architettonico e termotecnico elaborando quindi un singolo elaborato di produzione che si compone da delle planimetrie chiamate “schemi di posa” e dagli esplodi dei vari muri che compongono la fornitura.

POSA IN OPERA DEL GENIALE CAPPOTTO SISMICO®

Il trasporto dei pannelli di Geniale Cappotto Sismico®, salvo situazioni particolari da valutare caso per caso, avviene per mezzo di motrice o bilico centinati, con alza/abbassa, copri/scopri, altezza minima 2,70 m: i pannelli vengono impilati in pacchi alla fine della produzione in modo da ottimizzare sia i carichi che lo scarico e la posa degli stessi. Lo scarico dal cassone può essere avviene per mezzo di sollevatore telescopico con forche, gru con forche o carrello elevatore a forche: possono essere scaricati anche a mano in caso di necessità; in tal caso l’impresa dovrà tenere in conto sia delle maggiori tempistiche di scarico sia del peso del singolo pannello.

L’installazione procede mediante il corretto posizionamento del singolo modulo, individuato da una sigla alfa-numerica nello schema di posa, lungo il prospetto a cui fa riferimento: si procederà con la posa di più moduli successivi e alla loro immediata unione mediante appositi anelli in acciaio zincato, al fissaggio della loro sponda interna al supporto esistente mediante tasselli da cappotto di opportuna lunghezza e all’inserimento dei ferri d’armatura all’interno dell’intercapedine lasciata fra i due strati di materiali isolanti sfruttando la presenza dei fili della gabbia metallica.

Prima del getto del calcestruzzo, nonostante l’auto-portanza del cassero e la sua resistenza alla spinta del getto, sarà opportuno prevedere dei rinforzi esterni nei seguenti punti: angoli e teste, nervature orizzontali, nervature verticali, architravi e spalle.

Il getto deve avvenire per fasce orizzontali di altezza omogenea, tenendo conto che la spinta esercitata dal calcestruzzo è fortemente condizionata da vari aspetti e in particolare modo dall’ altezza di getto nell’unità di tempo (velocità di getto) e dalla classe di consistenza. La marcatura ETA del cassero Ecosism® prevede la possibilità di gettare fino a 1 m/h di calcestruzzo di classe di consistenza S4: ciò significa che, in condizioni ideali, si potrà gettare una prima fascia di un metro e vi si potrà gettare la seconda fascia dopo almeno un’ora per dare il tempo al conglomerato di sviluppare la presa e ridurre la spinta da esso esercitata. In queste condizioni specifiche è quindi possibile gettare un intero piano di altezza 3 m circa con fasce di getto consecutive senza interruzioni.

È stata portata particolare attenzione alla zona sotto-cornice dell’intero fabbricato: vista l’impossibilità di rimuovere l’aggetto della copertura, Ecosism ha sviluppato una soluzione tecnica per consentire all’impresa di precedere con il getto in modo pratico praticando dei carotaggi localizzati per il getto e facendo inserire a terra le armature dei cordoli all’interno dei singoli pannelli.

Una delle caratteristiche del sistema è la finitura a intonaco che risulta rinforzato dalla rete porta intonaco in acciaio zincato integrata nel cassero. Il ciclo prevede:

• FASE 1 – RINZAFFO:
• Aggrappante a base cementizia per superfici in calcestruzzo e materiali isolanti. Si utilizza una malta secca composta da cemento Portland, sabbie classificate ed additivi specifici per migliorare la lavorazione e l’adesione al supporto.
• FASE 2 – INTONACO DI FONDO:
• Applicazione dell’intonaco di fondo a base di calce e cemento in due mani. Composizione: malta secca composta da calce idrata, cemento Portland, sabbie classificate ed additivi specifici per migliorare la lavorazione e l’adesione.
• L’applicazione dell’intonaco sarà eseguita in due mani: la prima a copertura della rete porta intonaco in acciaio zincato, la seconda per dare un copri ferro alla rete di almeno 10mm. La seconda applicazione deve avvenire con la tecnica del “fresco su fresco”. Andranno applicati gli idonei paraspigoli inox.
• FASE 3 – RASATURA:
• Rasante premiscelato a basso modulo elastico. L’applicazione della rasatura sarà eseguita in duplice mano con annegamento di una rete in fibra di vetro alcali-resistente (150gr/mq) tra le due mani.
• FASE 4 – FINITURA:
• La finitura dovrà essere realizzata a spessore applicando un intonachino acril-silossanico, previa stesura a rullo di primer.

È tuttavia possibile usare anche rivestimenti in pietra, laterizio, ceramica o realizzare una parete ventilata.

L’intuizione dei tecnici incaricati nella scelta di intervenire con il Geniale Cappotto Sismico® si è dimostrata una strategia vincente e di best-practice in grado di coniugare le necessità strutturali che termiche della scuola.