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Seconda parte della lezione di Stefania Arangio del 17 ottobre 2014 al Master di II livello in Analisi e mitigazione del rischio idrogeologico.
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VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
PORDENONE
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI
GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
Parte II
Ing. Stefania Arangio
ROMA – 17 Ottobre 2014
www.stronger2012.com
Master di II livello in
Analisi e mitigazione del rischio idrogeologico
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
2/107
Introduzione
Danni alle costruzioni da fenomeni geologici e idrogeologici
Parte I
Scheda tecnica per il rilevamento speditivo di costruzioni in zone
soggette a fenomeni geologici e idrogeologici
Parte II
Valutazione del danneggiamento
• Modellazione strutturale
• Utilizzo della interferometria satellitare
• Effetti delle colate rapide sulle costruzioni
Un esempio di cattiva progettazione
Conclusioni
OUTLINE
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
3/107
Introduzione
Danni alle costruzioni da fenomeni geologici e idrogeologici
Parte I
Scheda tecnica per il rilevamento speditivo di costruzioni in zone
soggette a fenomeni geologici e idrogeologici
Parte II
Valutazione del danneggiamento
• Modellazione strutturale
• Utilizzo della interferometria satellitare
• Effetti delle colate rapide sulle costruzioni
La progettazione in zone a rischio frana
OUTLINE
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
4/107
Da Giovenale (II sec. d.C)
«Abitiamo in una città (Roma) che si regge in gran parte su fragili
puntelli. Con questi il padrone di casa tiene in piedi le mura pericolanti.
Ricopre con della calce una vecchia crepa e ci invita a dormire tranquilli
in un edificio in pericolo di crollo…»
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
5/107 Analisi del danneggiamento di un edificio in c.a. a Roma
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
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- Edificio con struttura portante in calcestruzzo armato
- 10 piani
- 28 x 40 m
South front West front
Analisi del danneggiamento di un edificio in c.a. a Roma
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
7/107 Ispezione visive e analisi del quadro fessurativo
Ascensore B
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SCALA A
SCALA B
Locale ALocale B
20 (30 x 120)
1 (180 x 25) 2 (180 x 25) 3 (180 x 25) 4 (180 x 25) 5 (180 x 25) 6 (180 x 25)
7 (25 x 120)8 (45 x 35)9 (25 x 80)10 (60 x 40)11 (45 x 45)12 (25 x 70)13 (45 x 35)14 (25 x 120)
15 (30 x 120) 16 (90 x 40) 17 (200 x 66 sp. 20/25)
Viale Città d'Europa
Collina
18 (75 x 25)19 (30 x 120)
21 (60 x 25)22 (25 x 30)23 (25 x 30)24 (60 x 25)
25 (30 x 120)
27 (60 x 25) 28 (25 x 30) 29 (25 x 30) 30 (60 x 25)
31 (30 x 120)
26 (30 x 120)
32 (30 x 120)33 (25 x 60)
34 (200 x 56 sp. 20/16)35 (75 x 25)
36 (30 x 120)
37 (30 x 120) 38 (45 x 35) 39 (25 x 80)40 (60 x 40) 41 (45 x 45) 42 (25 x 70) 43 (45 x 35)
44 (30 x 120)
45 (180 x 25)46 (180 x 25)47 (180 x 25)48 (180 x 25)49 (180 x 25)50 (180 x 25)
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Garage al piano interrato
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
8/107 Ispezione visive e analisi del quadro fessurativo
Ascensore B
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SCALA A
SCALA B
Locale ALocale B
20 (30 x 120)
1 (180 x 25) 2 (180 x 25) 3 (180 x 25) 4 (180 x 25) 5 (180 x 25) 6 (180 x 25)
7 (25 x 120)8 (45 x 35)9 (25 x 80)10 (60 x 40)11 (45 x 45)12 (25 x 70)13 (45 x 35)14 (25 x 120)
15 (30 x 120) 16 (90 x 40) 17 (200 x 66 sp. 20/25)
Viale Città d'Europa
Collina
18 (75 x 25)19 (30 x 120)
21 (60 x 25)22 (25 x 30)23 (25 x 30)24 (60 x 25)
25 (30 x 120)
27 (60 x 25) 28 (25 x 30) 29 (25 x 30) 30 (60 x 25)
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32 (30 x 120)33 (25 x 60)
34 (200 x 56 sp. 20/16)35 (75 x 25)
36 (30 x 120)
37 (30 x 120) 38 (45 x 35) 39 (25 x 80)40 (60 x 40) 41 (45 x 45) 42 (25 x 70) 43 (45 x 35)
44 (30 x 120)
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Garage
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9/107 Ispezione visive e analisi del quadro fessurativo
Ascensore B
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SCALA A
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Locale ALocale B
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1 (180 x 25) 2 (180 x 25) 3 (180 x 25) 4 (180 x 25) 5 (180 x 25) 6 (180 x 25)
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15 (30 x 120) 16 (90 x 40) 17 (200 x 66 sp. 20/25)
Viale Città d'Europa
Collina
18 (75 x 25)19 (30 x 120)
21 (60 x 25)22 (25 x 30)23 (25 x 30)24 (60 x 25)
25 (30 x 120)
27 (60 x 25) 28 (25 x 30) 29 (25 x 30) 30 (60 x 25)
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37 (30 x 120) 38 (45 x 35) 39 (25 x 80)40 (60 x 40) 41 (45 x 45) 42 (25 x 70) 43 (45 x 35)
44 (30 x 120)
45 (180 x 25)46 (180 x 25)47 (180 x 25)48 (180 x 25)49 (180 x 25)50 (180 x 25)
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10/107 Ispezione visive e analisi del quadro fessurativo
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SCALA A
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Locale ALocale B
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1 (180 x 25)
2 (180 x 25)
3 (180 x 25) 4 (180 x 25) 5 (180 x 25) 6 (180 x 25)
7 (25 x 120)8 (45 x 35)
9 (25 x 80)10 (60 x 40)
11 (45 x 45)
12 (25 x 70)
13 (45 x 35)14 (25 x 120)
15 (30 x 120) 16 (90 x 40) 17 (200 x 66 sp. 20/25) 18 (75 x 25)19 (30 x 120)
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34 (200 x 56 sp. 20/16)35 (75 x 25)
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37 (30 x 120) 38 (45 x 35) 39 (25 x 80) 40 (60 x 40) 41 (45 x 45) 42 (25 x 70) 43 (45 x 35) 44 (30 x 120)
45 (180 x 25)46 (180 x 25)47 (180 x 25)48 (180 x 25)49 (180 x 25)50 (180 x 25)
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Piano terra – zona di ingresso
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11/107 Ispezione visive e analisi del quadro fessurativo
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MP
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RAMPA
SCALA A
SCALA B
Locale ALocale B
20 (30 x 120)
1 (180 x 25)
2 (180 x 25)
3 (180 x 25) 4 (180 x 25) 5 (180 x 25) 6 (180 x 25)
7 (25 x 120)8 (45 x 35)
9 (25 x 80)10 (60 x 40)
11 (45 x 45)
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13 (45 x 35)14 (25 x 120)
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21 (60 x 25)22 (25 x 30)23 (25 x 30)24 (60 x 25)
25 (30 x 120)
27 (60 x 25) 28 (25 x 30) 29 (25 x 30) 30 (60 x 25)
31 (30 x 120)
26 (30 x 120)
32 (30 x 120)33 (25 x 60)
34 (200 x 56 sp. 20/16)35 (75 x 25)
36 (30 x 120)
37 (30 x 120) 38 (45 x 35) 39 (25 x 80) 40 (60 x 40) 41 (45 x 45) 42 (25 x 70) 43 (45 x 35) 44 (30 x 120)
45 (180 x 25)46 (180 x 25)47 (180 x 25)48 (180 x 25)49 (180 x 25)50 (180 x 25)
3 piano
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
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Traslazione verticale con
comportamento a taglio o a
flessione
Rotazione rigida
Traslazione e rotazione
per cedimenti differenziali
Traslazione verticale con
comportamento a taglio
Rotazione rigida
Traslazione e rotazione
per cedimenti differenziali
Lesioni ad andamento
diagonale sulle tamponature
Meccanismi di
danneggiamento associati
Danno osservato Rappresentazione schematica
del modo di danno
Quadro fessurativo e meccanismi di danneggiamento compatibili
Analisi del quadro fessurativo
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
13/107
Traslazione verticale con
comportamento a taglio
Rotazione rigida
Flessione nelle travi
Traslazione e rotazione
per cedimenti differenziali
Traslazione verticale con
comportamento a taglio
Rotazione rigida
Traslazione e rotazione
per cedimenti differenziali
Collasso di piano deboleLesioni diagonali sul pilastro
Lesioni sui pavimenti
Meccanismi di
danneggiamento associati
Danno osservato Rappresentazione schematica
del modo di danno
Analisi del quadro fessurativo
Quadro fessurativo e meccanismi di danneggiamento compatibili
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
14/107
Traslazione verticale con
comportamento a taglio
Rotazione rigida
Traslazione e rotazione
per cedimenti differenziali
Distacco della tamponatura
Il meccanismo di danneggiamento compatibile
con tutti i danni osservati è quello di traslazione
e rotazione per cedimenti differenziali.
Meccanismi di
danneggiamento associati
Danno osservato Rappresentazione schematica
del modo di danno
Analisi del quadro fessurativo
Quadro fessurativo e meccanismi di danneggiamento compatibili
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
15/107
Profilo dei cedimenti - 2008
Profilo dei cedimenti - 2009
Monitoraggio dei cedimenti
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
16/107 Applicazione di procedure per la valutazione del danno
Metodi empirici
Basati su indicazioni dei massimi cedimenti ammissibili per
le varie tipologie edilizie
Metodi semi-empirici
L’edificio viene considerato come una trave
equivalente . Si considera che sia danneggiato
quando alcuni parametri superano le soglie
limite
Modelli raffinati
Modelli a elementi finiti lineari e non lineari
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
17/107 Metodi semi-empirici: 1) Modello a trave equivalente
Considerano la tipologia edilizia, le caratteristiche geometriche globali e i
materiali ma non considerano i singoli elementi strutturali
Modello a trave equivalente di Burland e Wroth (1974)
Modello a trave equivalente
• trave con comportamento elastico
• senza peso
• materiale uniforme
• spessore unitario
• L = lunghezza edificio
• H = altezza edificio
• s = spessore
• Δ = spostamenti verticali
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
18/107 Metodi semi-empirici: 1) Modello a trave equivalente
εb(max) massima deformazione a flessione
εd(max) massima deformazione a taglio
+
(Timoshenko)
Modello a trave equivalente
di Burland e Wroth
flessione
taglio
P
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
19/107 Metodi semi-empirici: 1) Modello a trave equivalente
Se
Sagging mode of deformation Hogging mode of deformation
1. If L/H <0.66 the cracking is due to shear deformation
2. If L/H > 0.66 cracking is due to bending moment
3. The uniformly distribute load and the point load give similar results
==
Curve limite Δ/L
Deformazione diagonale critica
Deformazione flessionale critica
L/H L/H
flessionale
diagonale
Deformazione
diagonale critica
Deformazione
flessionale
critica
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
20/107 Modello a trave equivalente: vantaggi e svantaggi
Vantaggi Svantaggi
• Semplice da utilizzare
• Considera alcune caratteristiche di
base della costruzione (H, L, E)
• Poco accurato
• Non e’ in grado di cogliere
alcuni aspetti come:
• La percentuale di aperture
• La qualità delle tamponature
• Le altezze di interpiano
• etc.
• Non da buoni risultati in caso di
modi di deformazione multipli
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
21/180 Metodi semi-empirici: 2) Modello a trave multistrato
Una trave multistrato e’ costituita da:
• piastre rigide (gli impalcati) che resistono a flessione
• I nuclei tra le piastre (i muri) che resistono a taglio
Finno et al. (2005)
Voss (2003)
Plate
Plate
Core material
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
22/107 Metodi semi-empirici: 2) Modello a trave multistrato
Modello a trave multistrato• L = lunghezza edificio
• H = altezza edificio
• s = spessore
•Ai = Area che resiste a flessione
•Av = Area che resiste a taglio
• yi = altezza di ogni piano
• λH = posizione dell’asse neutro
• I = momento di inerzia equivalente
Sezione trasversale
Neutral axis
λH
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
23/107 Modello a trave multistrato: rappresentazione matematica
∆
𝐿=
𝐿
12𝜆𝐻+
𝐸𝐼
𝐺𝐴𝑣 𝐿𝜆𝐻 𝜀𝑏(𝑏𝑜𝑡𝑡𝑜𝑚 )
∆
𝐿=
𝐿2 𝐺𝐴𝑣 𝑖
24𝐸𝐼𝑉𝑖𝑉
+ 𝐺𝐴𝑣 𝑖
2𝑉𝑖𝑉𝐺𝐴𝑣
𝛾𝑖
Relazioni tra il rapporto Δ/L e le massime deformazioni a flessione e a taglio
Le fessure dovute a sforzi flessionali
sono principalmente localizzate
all’intersezione tra travi e pilastri
DANNO STRUTTURALE
Le fessure dovute a sforzi di taglio
sono generalmente localizzate sulle
tamponature.
DANNO NON STRUTTURALE
(generalmente)
hogging
∆
𝐿=
𝐿
12 1 − 𝜆 𝐻+
𝐸𝐼
𝐺𝐴𝑣 𝐿 1 − 𝜆 𝐻 𝜀𝑏(𝑡𝑜𝑝 )
sagging
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
24/107 Classificazione del danno
After Boscardin and Cording (1989)
Classe di danno Grado di severita’ Deformazione a
trazione limite ε
0 Negligible - N 0.000 – 0.050
1 Very slight - VS 0.050 – 0.075
2 Slight - S 0.075 – 0.150
3 Moderate - M 0.150 – 0.300
4 to 5 Severe - SE >0.300
Le deformazioni vengono calcolate usando le equazioni e I valori ottenuti
vengono confrontati con i valori limite
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
25/107 Modello a trave multistrato: vantaggi e svantaggi
Vantaggi Svantaggi
• Semplice da utilizzare
• In grado di considerare alcune
importanti caratteristiche della
struttura e dei materiali (H, L, E,
hi, λH, % di aperture)
• Considera modi di
deformazione multipli
• Può essere poco accurato
• Non considera il
comportamento globale
della struttura
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
26/107
I modelli agli elementi finiti sono molto piu’ accurati
- Si considera l’interazione tra le varie
parti della struttura
- Si può considerare il comportamento
non lineare
- Lo svilulppo delle fessurazioni puo’
essere riprodotto in modo accurato
Il principale limite e’ che sono onerosi dal punto di vista computazionale.
Inoltre, la corretta valutazione del danno dipende dall’accuratezza delle
informazioni sulle caratteristiche geometriche e sui materiali
Modellazione agli elementi finiti
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
27/107 Applicazioni al caso studio
Parte 1
Confronto tra
il modello a trave equivalente e
il modello a trave multistrato
-Edificio intelaiato in calcestruzzo
armato,
- 10 piani
- deformazione di sagging.
- lunghezza edificio: 28.5 m
- interpi: 3.3 m
- L/H = 0.86
Parte 2
Identificazione del danno usando il
modello a trave multistrato e la
modellazione a elementi finiti
-Edificio intelaiato in calcestruzzo armato
- 9 piani
- 28 x 40 m
- modi di deformazione mutlipli.
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
28/107
Confronto tra
il modello a trave equivalente e
il modello a trave multistrato
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
29/107
Burland and Wroth’s modelFinno et al.’s model
safe conditions
unsafe conditions
Caso 1 (1/4)
∆
𝐿=
𝐿
12 1 − 𝜆 𝐻+
𝐸𝐼
𝐺𝐴𝑣 𝐿 1 − 𝜆 𝐻 𝜀𝑏(𝑡𝑜𝑝 )
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
30/107 Caso 1 (2/4)
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
31/107 Caso 1 (3/4)
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
32/107 Caso 1 (4/4)
Il modello a trave equivalente e’ meno cautelativo e non considera le
variazioni di rigidezza legate alla presenza di aperture
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
33/107
Identificazione del danno usando il modello a trave multistrato
e la modellazione a elementi finiti
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
34/107 Caso 2
Pa
rt I
South front
Sezione
considerata
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
35/35/107P
art
I
Modello longitudinale
Sezione
trasversale
Caso 2
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
36/107 Risultati del modello a trave multistrato
0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025 0,003 0,0035 0,004
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
shear deformation - sagging
Lev
el
2030
2025
2020
2015
2010
2005
2001
N VS S M SE
0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025 0,003 0,0035 0,004
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
shear deformation - hogging
Lev
el
2030
2025
2020
2015
2010
2005
2001
N VS S M SE
0
10
20
30
40
50
60
70
50 49 48 47 46 45
sett
lem
nt
(mm
)
columns number
differential columns settlement
rigid rotation ω
slope "sagging"/"hogging"
Poli. (differential columns
settlement)
sagging hogging
Shear deformation at each floor
Fessure dovute a sforzi di taglio: in 2010 – Moderate
(In genere non su elementi strutturali) In 2025 - Severe
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
37/107P
art
I
2001
2005
20102015
202020252030
0,0000
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,0010
50 49 4847
4645
years
flexural
deformation
column number
Cracks due to flexural
deformations:
in 2010 – Sligth
In 2025 - Moderate
Risultati del modello a trave multistrato
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
38/107 Modellazione a elementi finiti
column 37
column 49 column 47
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
39/107 Modellazione a elementi finiti
Sono applicati al piede
del modello gli
spostamenti ottenuti dal
monitoraggio
STATO ØSTATO 1
column 49 column 47
Lo sforzo normale
diminuisce nel pilastro
49 mentre aumenta nel
pilastro 47
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
40/107 Risultati della modellazione a elementi finitiP
art
I
Normal stress vs Years in columns 49
and 47
-600
-400
-200
0
200
400
600
-10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000
Column 47 N-Mx
Domain 2000 20012005 2010 2015
2020 2025 2030
-4000,0
-3000,0
-2000,0
-1000,0
0,0
2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030
NYears
Normal stress - Years 49
47
-4000
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
4000
-10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000
Column 49 N-Mx
Domain 2000 20012005 2010 20152020 2025 2030
N
N
M
M
column 49 column 47
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
41/107 Risultati della modellazione a elementi finitiP
art
I
E’ importante considerare il comportamento degli elementi strutturali fuori
dal piano
La ridistribuzione dei carichi porta un carico elevato sul pilastro 37 che
sara’ il primo a raggiungere la deformazione massima
N.49
N.47N.37
STATO Ø STATO 1
Years 0,00%
0,05%
0,10%
0,15%
0,20%
2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030
ε
ε -years 49
47
37
Years
ε
Column 37
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
42/107 Modellazione delle paretiP
art
I
1
2
3
4
5
6 7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17 18
19
20
21
2223242526272829303132
12345678910
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
222324
25
26
2728
29
30
31
32
33
RA
MP
A
RAMPA
SCALA A
SCALA B
Locale ALocale B
20 (30 x 120)
1 (180 x 25)
2 (180 x 25)
3 (180 x 25) 4 (180 x 25) 5 (180 x 25) 6 (180 x 25)
7 (25 x 120)8 (45 x 35)
9 (25 x 80)10 (60 x 40)
11 (45 x 45)
12 (25 x 70)
13 (45 x 35)14 (25 x 120)
15 (30 x 120) 16 (90 x 40) 17 (200 x 66 sp. 20/25) 18 (75 x 25)19 (30 x 120)
21 (60 x 25)22 (25 x 30)23 (25 x 30)24 (60 x 25)
25 (30 x 120)
27 (60 x 25) 28 (25 x 30) 29 (25 x 30) 30 (60 x 25)
31 (30 x 120)
26 (30 x 120)
32 (30 x 120)33 (25 x 60)
34 (200 x 56 sp. 20/16)35 (75 x 25)
36 (30 x 120)
37 (30 x 120) 38 (45 x 35) 39 (25 x 80) 40 (60 x 40) 41 (45 x 45) 42 (25 x 70) 43 (45 x 35) 44 (30 x 120)
45 (180 x 25)46 (180 x 25)47 (180 x 25)48 (180 x 25)49 (180 x 25)50 (180 x 25)
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
43/107 Modellazione delle pareti: fessurazione
Simulation Real cracks
La modellazione a elementi finiti permette di ricostruire l’andamento del
quadro fessurativo
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
44/107 Considerazioni conclusive sulla modellazione
Esistono diversi metodi per la valutazione del danno.
Il tecnico deve valutare quale sia il più adatto al caso in esame.
In caso di danneggiamento riconducibile a cedimenti differenziali sono necessarie
accurate prove geologiche e verifiche sulle fondazioni
Se vengono richieste anche indicazioni sulla progettazione delle opere di
risanamento la modellazione agli elementi finiti fornisce la possibilità di valutare
quantitativamente e qualitativamente gli effetti migliorativi dell’intervento
STATO ØSTATO 1
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
45/107
Introduzione
Danni alle costruzioni da fenomeni geologici e idrogeologici
Parte I
Scheda tecnica per il rilevamento speditivo di costruzioni in zone
soggette a fenomeni geologici e idrogeologici
Parte II
Valutazione del danneggiamento
• Modellazione strutturale
• Utilizzo della interferometria satellitare
• Effetti delle colate rapide sulle costruzioni
Progettazione in zone a rischio frana
OUTLINE
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
46/107 Il quartiere dei “palazzi storti”
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
47/18047/107
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
48/107P
art
II
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
50/107 Dissesti geologici in atto
(Da Campolunghi et al. 2008)
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
51/107 Analisi delle deformazioni con l’interferometria satellitare
Il DInSAR e’ una tecnica di telerilevamento basata sullo studio della
differenza di fase tra coppie di immagini SAR (Syntethic Aperture
Radar) acquisite in diversi momenti, al fine di ricavare informazioni
sugli spostamenti avvenuti tra due distinte acquisizioni
La tecnica fu utilizzata inizialmente per studiare eventi singoli come I
terremoti e le eruzioni vulcaniche
Più recentemente, sono stati sviluppati degli algoritmi per analizzare
l’evoluzione temporale degli spostamenti di superficie di centri
urbani attraverso la generazione di serie temporali di spostamenti.
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
52/107
The SBAS algorithm (developed at IREA-CNR) allows the generation of a displacement time history for each
coherent pixel
Deformation time series - SBAS algorithm
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
53/107
Si considera un rete geodetica naturale di punti di misurazione (permanent
scatters).
I risultati sono organizzati in un database GIS che registra coordinate, velocità
annuale di spostamenti, time history degli spostamenti
I differenti colori indicano differenti velocità annuali di spostamento
GIS database
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
54/107 DinSAR measurements in the considered area
Area - Basilica di San Paolo
1507 edifici – 5032 punti di misura
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
55/107P
art
II
Vista dell’area
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
57/18057/107 Dati DinSAR per la classificazione degli edifici
Criterio 1: velocità degli spostamenti verticali – edifici con
spostamenti maggiori di 7mm/anno sono considerati
vulnerabili
Criterio 2: elevata deviazione standard perche e’ indice di
significativi spostamenti differenziali
Criterio 3: presenza di numerosi punti di misura – I risultati ottenuti
sono più affidabili
Nell’area di interesse ci sono molto edifici. Per stabilire quali debbano
essere analizzati in dettaglio per primi si effettua una prima
classificazione secondo 3 criteri
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
58/107 Classificazione degli edifici – Criterio 1 (velocita’ media)
Red buildings - mean velocity >7 mm/year
Buildings with velocity v > -7 mm/year
Buildings with velocity -7 <v < 0 mm/year
Buildings with velocity v > 0 mm/year
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
59/107 Classificazione degli edifici – Criterio 2 (deviazione standard)
Green buildings have large Standard Deviation
Buildings with large Standard Deviation
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
60/107 Classificazione degli edifici – Criterio 3 (numero dei punti)
Blue buildings have numerous measurements points
Buildings with points> 10
Buildings with 0<points<10
Buildings with velocity points = 0
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
61/107 Edifici selezionati
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
62/107 Dettaglio dell’area
Sezione geologica
Deposito
alluvionale
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
63/107 Valutazione del danno su tre edifici
Bld. 2
Building 2
Bld. 3
Bld. 1
Building 3
Building 1
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
64/107 Caratteristiche geometriche degli edifici
Le mappe digitali contengono varie informazioni utili sugli edifici come la loro
altezza, lunghezza e superficie
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
65/107 Edificio 1
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
66/107 Edificio 1: analisi dei cedimenti
2000 20051995 2010
La struttura e’ stata
soggetta a elevati
spostamenti
differenziali
Le fondazioni
sono state
rinforzate solo
sotto metà edificio
0
20
40
60
80
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1995
2000
2005
2010
Uy
(mm
)
columns
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
67/107 Edificio 1: valutazione del danno
0
20
40
60
80
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1995
2000
2005
2010
Uy
(mm
)
columns
N = negligible
VS = very slight
S = slight
M = moderate
SE = severe
0,0% 0,2% 0,4% 0,6% 0,8% 1,0%
lev 1
lev 2
lev 3
lev 4
lev 5
lev 6
lev 7
lev 8
lev 9 1995
2000
2005
2010
0,0% 0,2% 0,4% 0,6% 0,8% 1,0%
lev 1
lev 2
lev 3
lev 4
lev 5
lev 6
lev 7
lev 8
lev 9 1995
2000
2005
2010
0,0% 0,2% 0,4% 0,6% 0,8% 1,0%
lev 1
lev 2
lev 3
lev 4
lev 5
lev 6
lev 7
lev 8
lev 9 1995
2000
2005
2010
col. 7-10
columns 1- 4 col. 4-7
N VS SM SE N VS SM SE N VS SM SE
shear deformations
bending deformations
19952000200520100.00%
0.05%
0.10%
0.15%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
N
VS
S
max
columnsyear
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
68/107 Edificio 1: valutazione del danno
0,0% 0,2% 0,4% 0,6% 0,8% 1,0%
lev 1
lev 2
lev 3
lev 4
lev 5
lev 6
lev 7
lev 8
lev 9 1995
2000
2005
2010
columns 1- 4
N VS SM SE
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
69/107 Edificio 1: confronto con il danno osservato
19952000200520100.00%
0.05%
0.10%
0.15%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
N
VS
S
max
columnsyear
N = negligible
VS = very slight
S = slight
M = moderate
SE = severe
Danneggiamento del giunto
bending deformations
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
70/107 Edificio 2
0
10
20
30
40
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2010
2000
2005
1995
Uy
(mm
)
columns
hogging 1
hogging 2
sagging
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
71/107
0,00%
0,05%
0,10%
0,15%
1 2 3
1995
2000
2005
2010
ε max
Edificio 2: valutazione del danno
0,0% 0,1% 0,2% 0,3% 0,4% 0,5%
lev 1
lev 2
lev 3
lev 4
lev 5
lev 6
lev 7
lev 8
lev 91995
2000
2005
2010
0,0% 0,1% 0,2% 0,3% 0,4% 0,5%
lev 1
lev 2
lev 3
lev 4
lev 5
lev 6
lev 7
lev 8
lev 91995
2000
2005
2010
0,0% 0,1% 0,2% 0,3% 0,4% 0,5%
lev 1
lev 2
lev 3
lev 4
lev 5
lev 6
lev 7
lev 8
lev 9
1995
2000
2005
2010
sagging hogging 2
N
VS
S
M
N = negligible
VS = very slight
S = slight
M = moderate
SE = severe
N VS S M SEN VS S M SE
hogging 1
N VS S M SE
0
10
20
30
40
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2010
2000
2005
1995
Uy
(mm
)
columns
hogging 1
hogging 2
sagging
shear deformations
bending deformations
hogging 1 sagging hogging 2
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
72/107 Edificio 3
0
10
20
30
40
50
60
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6
1995
2000
2005
2010
columns
Uy
(mm
)
Danno in
corrispondeza del
giunto tra le due
parti dell’edificio
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
73/18073/107Edificio 3: valutazione del danno attuale e stima di quello futuro
0,0% 0,1% 0,2% 0,3% 0,4%
lev 1
lev 2
lev 3
lev 4
lev 5
lev 6
lev 7
lev 8
lev 9
lev 101995
2000
2005
2010
2015
2020
0,0% 0,1% 0,2% 0,3% 0,4%
lev 1
lev 2
lev 3
lev 4
lev 5
lev 6
lev 7
lev 8
lev 9
lev 101995
2000
2005
2010
2015
2020
columns 15 -11
N VS S M SE
columns 10 -6
N VS S M SE
N = negligible
VS = very slight
S = slight
M = moderate
SE = severe
0
10
20
30
40
50
60
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6
1995
2000
2005
2010
columns
Uy
(mm
)
199520002005201020152020
0,00%
0,05%
0,10%
0,15%
0,20%
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6
N
VS
S
M
max
columns year
shear deformations
bending
deformations
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
74/18074/107 Edificio 3: valutazione del danno attuale
19952000
2005201020152020
0,00%
0,05%
0,10%
0,15%
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6
N
VS
S
M
max
columns year
N = negligible
VS = very slight
S = slight
M = moderate
SE = severe
Without reparations the structural damage
could be classified as “moderate” in few years
bending deformations
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
75/18075/107 Considerazioni sull’applicazione dell’interferometria satellitare
• L’interferometria satellitare e’ uno strumento efficace per lavalutazione del danno strutturale di estese aree urbanizzate dovee’ necessario considerare molti edifici in poco tempo, perche permetteuna prima classificazione degli edifici
• Le storie temporali ottenute dall’interferometria satellitare possonoessere applicate a modelli semplificati degli edifici ma possonoessere anche usare come input di analisi numeriche avanzate.
• Esistono registrazioni dal 1992 che potrebbero essere utili pereffettuare back analysis
• Questo approccio integrato può essere utile per il monitoraggiostrutturale e per le indagini di Ingegneria Forense
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
76/107
Introduzione
Danni alle costruzioni da fenomeni geologici e idrogeologici
Parte I
Scheda tecnica per il rilevamento speditivo di costruzioni in zone
soggette a fenomeni geologici e idrogeologici
Parte II
Valutazione del danneggiamento
• Modellazione strutturale
• Utilizzo della interferometria satellitare
• Effetti delle colate rapide sulle costruzioni
Progettazione in zone a rischio frana
OUTLINE
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
77/107 Effetti delle colate rapide sulle costruzioni
Sono state analizzate le tipologie di collasso delle parti strutturali e
non strutturali e sono stati ricavati dei modelli meccanici che
consentono la valutazione dei carichi resistenti allo stato limite
ultimo di elementi strutturali e non strutturali investiti dal flusso della
colata
Sono state ricavate delle relazioni analitiche che forniscono una stima
delle velocità di impatto delle colate contro le strutture
Le relazioni sono state ottenute considerando una corrente di fluido di
densità costante, trascurando la presenza di masse trasportate.
Nonostante questo sono risultate sufficientemente accurate
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
78/107
1) Collasso delle tamponature
Meccanismo resistente ad arco
Faella C., Nigro E. (2001), Effetti delle colate rapide sulle costruzioni
pu : pressione ultima
Pu: carico ultimo
Crollo delle tamponature del piano
terra senza danni significativi agli
elementi strutturali
Velocità di impatto
della colata
Meccanismi di collasso
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
79/107
2) Meccanismo a tre cerniere
nei pilastri in c.a.
qu : carico di collasso
D: dimensione caratteristica del pilastro
Grave danneggiamento e/o
collasso di elementi strutturali
singoli con formazione di cerniere
plastiche in testa, al piede e in
mezzeria
Meccanismi di collasso
Velocità di impatto
della colata
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
80/107
Faella C., Nigro E. (2001), Effetti delle colate rapide sulle costruzioni
3) Meccanismo a due cerniere
nei pilastri in c.a.
qu : carico di collasso
D: dimensione caratteristica del pilastro
Grave danneggiamento e/o
collasso di elementi strutturali
singoli con formazione di
meccanismi di piano/cerniere
plastiche in testa e al piede di più
pilastri
Velocità di impatto
della colata
Meccanismi di collasso
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
81/107
4) Meccanismo a taglio in
pilastri in c.a.
qu : carico di collasso
D: dimensione caratteristica del pilastro
Trasporto di parte dell’edificio in
seguito al crollo delle strutture
portanti del piano terra
Velocità di impatto
della colata
Faella C., Nigro E. (2001), Effetti delle colate rapide sulle costruzioni
Meccanismi di collasso
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
82/107 Meccanismi di collasso
5) Edifici con struttura portante
in muratura
Velocità di impatto
della colata
Faella C., Nigro E. (2001), Effetti delle colate rapide sulle costruzioni
pu : pressione ultima
puv: pressione ultima
(rottura a flessione)
puo: pressione ultima
(rottura a taglio)
Lo sistema resistente e’ dato dalla
sovrapposizione di uno schema
resistente flessionale e di uno a
taglio
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
83/107
Introduzione
Danni alle costruzioni da fenomeni geologici e idrogeologici
Parte I
Scheda tecnica per il rilevamento speditivo di costruzioni in zone
soggette a fenomeni geologici e idrogeologici
Parte II
Valutazione del danneggiamento
• Modellazione strutturale
• Utilizzo della interferometria satellitare
• Effetti delle colate rapide sulle costruzioni
Progettazione in zone a rischio frana
OUTLINE
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
84/107Considerazioni sulla progettazione in zone a rischio frana
Spesso la responsabilità è dell’uomo per
aver edificato senza rispettare la natura dei
luoghi
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
85/107
Interventi di ampliamento e sopraelevazione
che trascurano la morfologia dei luoghi
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
88/107 Un caso di Ingegneria forense
2
Ristrutturazione urbanistica di
un sito con un edificio adibito ad
attività produttiva
ESTRATTO DEL PRG
Render del progetto
Realizzazione di un complesso immobiliare in zona a rischio frana
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
89/107 Analisi documentale
Il progetto e’ stato analizzato considerando i seguenti aspetti:
- Considerazioni sulla presenza del vincolo idrogeologico
- Pericolosità geologica dell’area e fattibilità dell’intervento
- Considerazioni sulla stabilità del versante
- Verifiche strutturali e analisi degli elaborati grafici
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
90/107 Considerazioni sulla presenza del vincolo idrogeologico
Sono stati analizzati i documenti facenti parte del progetto:
- Relazione di fattibilita’ geologica
- Piano di investigazione ambientale
- Relazione geologico-geotecnica
- Parere tecnico geologico-geotecnico
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
91/107
Estratto della Carta del
Sistema ambientale
Considerazioni sulla presenza del vincolo idrogeologico
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
92/107 Anomalie nella documentazione
La progettazione viene effettuata come se il vincolo non fosse presente…ma viene
richiesta l’autorizzazione ai fini del vincolo per la realizzazione della strada di cantiere
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
93/107 Anomalie nella documentazione
L’autorizzazione viene concessa…ma non viene fatta presente l’incongruenza tra
l’approccio utilizzato nella progettazione degli edifici e della strada di cantiere
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
94/107 Pericolosità dell’area e fattibilità dell’intervento
Fattibilita’
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
95/107 Fattibilità dell’intervento
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
96/107
Bordo della scarpata
Bordo della scarpata
traslato di 10 m
Parte degli edifici è
realizzato in zona non
edificabile
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
97/107 Considerazioni sulla stabilità del versante
Carta geomorfologica
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98/107 Considerazioni sulla stabilità del versante
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
99/107 Considerazioni sulla stabilità del versante
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
103/107
54
Tensione limite 97,5 kg/cmq
Verifiche strutturali
Pilastro in falso
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104/107 Verifiche strutturali
VULNERABILITA’ DELLE COSTRUZIONI AI FENOMENI GEOLOGICI E IDROGEOLOGICI
105/107 Verifiche strutturali
Verifica pilastri edificio C
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106/107
• Il complesso immobiliare era in fase di realizzazione in una zona
soggetta a vincolo idrogeologico
• La pericolosità geologica dell’area era documentata nelle carte
tecniche a disposizone del progettista. Negli stessi documenti era
indicato che l’area era parzialmente non edificabile
• La geomorfologia e l’inventario dei fenomeni franosi pregressi
indicano la presenza di un potenziale dissesto.
• Inoltre le verifiche strutturali non erano conformi alla normativa
vigente
Considerazioni conclusive sul progetto analizzato
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107/107 III Convegno Ingegneria Forense – Roma – Maggio 2015
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Energy Harvesting and Resilience
Roma – Milano – Terni – Atene - Nice Cote Azur
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