Case-history: Recupero di sottotetto in edificio condominiale

Il progetto del recupero di un sottotetto di un edificio condominiale è illustrato, cortesemente per S.T.A. DATA, dall’ing. Matteo Stanzani. L’intervento è stato studiato con l’ausilio dei software di calcolo strutturale 3Muri Project ed AxisVM. Per le verifiche dei nodi in acciaio è stato usato il software SAITU di S.T.A. DATA.

Lo Studio Tecnico Stanzani è situato nel Comune di Valdilana, in provincia di Biella, e l’edificio oggetto di intervento si trova nel centro di Milano.

1. Inquadramento Tecnico

Le prime indagini, che sono state condotte, riguardano delle analisi storico critiche dell’edificio esistente e dell’unità strutturale oggetto di intervento. L’edificio è degli anni ‘30 e, nell’archivio storico, sono trovati alcuni disegni architettonici che hanno aiutato a comprendere le modifiche vissute dalla struttura dalla sua costruzione fino ad oggi.

1.1 Analisi storico-critica (punto 8.5.1 delle NTC)

Come è possibile osservare, sono state studiate le tre planimetrie architettoniche di tutti i piani, sulle quali è definito l’impianto architettonico dell’edificio.

1.2 Sopralluoghi, rilievi e documentazione fotografica della stato di fatto (punto 8.5.2 delle NTC)

Successivamente, dopo l’analisi storico-critica, sono stati effettuati dei sopralluoghi, dei rilievi materici ed è stata realizzata una documentazione fotografica dello stato di fatto dell’edificio.

L’intervento interessa l’area del sottotetto al di sopra dell’ultimo piano e l’immagine precedente mostra le seguenti viste:

• la vista della facciata esterna dell’edificio,
• una vista, presa dal cortile interno, sul lato del sito oggetto di intervento,
• una vista interna del sottotetto dello stato di fatto,
• un particolare esterno della zona oggetto di intervento.

Sono stati eseguiti dei sondaggi, come si mostra nella seguente immagine, con prove distruttive e non distruttive per caratterizzare l’impianto strutturale dell’edificio e per verificare la tipologia di materiali.

Le indagini condotte sono state limitate e circoscritte principalmente alle zone di interesse dell’intervento dato che l’edificio condominiale è molto esteso.

Sono stati fatti dei sondaggi nelle travi degli intradossi e nei solai per verificare la tipologia di solai realizzati. Come si può vedere, nell’immagine precedente a destra, è emerso che i solai sono privi di intonaco.

Studiando globalmente l’edificio, si è appurato che esso, strutturalmente, è stato tutto costruito nel stesso periodo e, quindi, tutti i solai, tutte le travi e le armature sono stati realizzati con le medesime caratteristiche meccaniche. Inoltre, nel piano interrato è presente un piano in cemento armato con dei muri e delle colonne.

2. Descrizione dell’impianto strutturale esistente

La tipologia strutturale, emersa dalle indagini eseguite, è così descritta nella relazione tecnica. L’unità strutturale esistente può essere descritta come un edificio a due ali con un angolo di circa 50° e con un cortile interno. Si sviluppa su 6 piani fuori terra (terreno, primo, secondo, terzo, quarto, quinto, il sesto in parte con destinazione sottotetto ed, infine, un ulteriore piano sottotetto al di sopra del piano sesto). E’ inoltre presente un piano seminterrato su tutta l’estensione dell’edificio.

L’unità strutturale, su cui sarà realizzata l’opera, presenta, nella parte centrale, un sistema costruttivo di pilastri e di travi in c.a. gettati in opera, solai in laterocemento, muratura portante perimetrale in mattoni pieni e una copertura in legno.

L’ultimo piano, invece, è stato realizzato con dei mattoni forati più leggeri perché era a sbalzo rispetto alla struttura dei piani inferiori.

3. Descrizione dei materiali strutturali esistenti (§8.5.3 NTC 2018)

Si descrive, ora, la tipologia dei materiali che costituiscono la struttura. Sono state condotte indagini invasive e non invasive per comprendere le loro caratteristiche meccaniche attuali.

In particolare, i valori di progetto delle resistenze meccaniche dei materiali sono stati volutati, sulla base delle indagini effettuate sulla struttura, tenendo motivatamente conto dell’entità delle dispersioni.

Si sono effettuale prove sclerometriche nei calcestruzzi, verifiche sulle armature dei pilastri e delle travi nelle porzioni al di sotto della zona di intervento.

Le prove non invasive con sonar sono state condotte per individuare la posizione delle armature presenti.

Le compagne sclerometriche, sulla tipologia di calcestruzzo, hanno restituito le seguenti resistenze caratteristiche in situ:

1. resistenza caratteristica pilastri in c.a.: C25/30
2. resistenza caratteristica travi in c.a.: C20/25
3. resistenza caratteristica solai: C 16/20.

Le caratteristiche meccaniche delle armature esistenti sono stato dedotte dalla letteratura dell’epoca di realizzazione (inizio anni 1930), e sono state identificate come barre di armatura liscia in acciaio dolce (con un valore di fyk = 2300 𝑑𝑎𝑁 / cm² ed un carico di rottura compreso tra 4200 e 5000 𝑑𝑎𝑁 / cm²).

Per caratterizzare le proprietà meccaniche della muratura si è utilizzata la tabella C.8.5.I., della Circolare 17 febbraio 2019 n. 7 della NTC2018, e tali valori sono stati inseriti nella modellazione dell’edificio con i software di calcolo strutturale.

La muratura è in mattoni pieni con malta di calce. I valori dei moduli della muratura della tabella C.8.5.I. sono evidenziati di seguito.

4. Analisi e livello di confidenza della struttura

La NTC 2018 specifica, al punto §8.5.4, che è necessario associare alle analisi strutturali un fattore di confidenza FC che indichi il livello di conoscenza ottenuto sui materiali costituenti la struttura. Nella relazione tecnica, dell’analisi strutturale dell’edificio, si è specificato che il fattore di confidenza FC considerato è pari a 1,35.

4.1 Livelli di conoscenza e fattori di confidenza (punto 8.5.4 NTC)

Sulla base dell’analisi storico critica, della geometria della struttura dedotta dal rilievo dei danni architettonici e dal rilievo generale della struttura, ricavando i dettagli costruttivi delle strutture su cui non è stato possibile effettuare i sondaggi mediante le tecniche costruttive dell’epoca (progetto simulato) e con indagini limitate in situ sulle armature, sui collegamenti presenti e sulle murature, si è optato per il livello di conoscenza più basso, LC1, a cui corrisponde, utilizzando la tabella C8.5.IV sotto riportata, il fattore di confidenza FC=1,35.

Non potendo eseguire ulteriori prove in ogni appartamento, per la presenza di diverse proprietà private, ed eseguendo un sopralluogo mirato su molti appartamenti, il progettista ha verificato che la loro tipologia strutturale è tutta similare a quella della zona in cui sono stati eseguiti i sondaggi e ha confermato la scelta del fattore FC per un livello di conoscenza LC1, indicato nella tabella C.8.5.IV della Circolare NTC18.

5. Inquadramento dell’intervento

È necessario inquadrare, l’intervento da eseguire, all’interno delle categorie indicate nella normativa. Il progettista ha evidenziato che il suo intervento non ricade nella categoria di adeguamento e specifica, inoltre, che l’intervento strutturale è studiato nel rispetto delle Linee Guida FAQ dell’Ordine degli ingegneri di Milano. Questi interventi strutturali sono molto diffusi a Milano e le linee guida FAQ definiscono, in modo più specifico, in quale tipologia di intervento ricadono.

5.1 Inquadramento dell’intervento secondo le NTC 2018 e FAQ

Le NTC 2018 catalogano gli interventi sulle costruzioni esistenti in 3 categorie:

1. Riparazione o intervento locale (8.4.1);
2. Intervento di miglioramento (8.4.2);
3. Intervento di adeguamento (8.4.3).

Per verificare la tipologia di intervento, in cui le opere in progetto vanno a ricadere, si riporta un estratto della norma per la quale è obbligatorio definire l’intervento come adeguamento:

1. “sopraelevare la costruzione”;
2. “ampliare la costruzione mediante opere ad essa strutturalmente connesse e tali da alterarne significativamente lo risposta”;
3. “apportare variazione di destinazione d’uso che comportino incrementi dei carichi globali verticali in fondazione superiori al 10% volutoti secondo la combinazione caratteristica di cui alla equazione 2.5.2 del §2.5.3, includendo i soli corichi gravitazionali”;
4. “effettuare interventi strutturai volti o trasformare la costruzione mediante un insieme sistematico di opere…”;
5. “apportare modifiche di classe d’uso che conducano a costruzioni di classe III ad uso scolastico o di classe IV”;

Oltre alla normativa nazionale sono state utilizzate le linee guida FAQ dell’Ordine degli ingegneri della Provincia di Milano, che affermano quanto segue:

Indipendentemente dal tipo di intervento che si andrà ad effettuare, la modellazione iniziale risulta essere la medesima (modello sismico globale nella situazione esistente, modello sismico globale dell’unità strutturale nella situazione in progetto, verifica delle strutture esistenti nella porzione interessata dall’intervento e verifiche delle nuove strutture).

Indipendentemente dalla categoria di intervento da eseguire, secondo le FAQ, le verifiche, che devono essere effettuate, sono le medesime.

Si mostrano, per un confronto, i disegni architettonici presentati per descrivere la situazione esistente e quella di progetto con i classici retini gialli e rossi. La zona di intervento è quella indicata in pianta con rettangolino rosso e, come si può verificare, non si è progettato di sopraelevare la costruzione. I criteri delle FAQ, infatti, definiscono che, in questo caso, non è sopraelevazione perché, come si può vedere nella figura a lato della pianta, l’unità strutturale esistente ha già un’altezza di colmo maggiore rispetto a quella ottenuta con il recupero del sottotetto.

La situazione esistente da demolire è indicata con il giallo e la situazione post-intervento è indicata in rosso:

6. Modellazione dell’edificio

Successivamente, si sono realizzati sia un modello globale coerente con la situazione esistente sia un modello globale coerente con la situazione in progetto, utilizzando il software 3Muri Project di S.T.A. DATA.

Ovviamente, si è proceduto alla realizzazione di un progetto simulato per le proporzioni di unità strutturale in cui non si avevano delle caratteristiche definite con i sondaggi effettuati in situ.

Per tale verifica è stata utilizzata un’analisi statica non lineare, dato che la struttura esistente è prevalentemente in muratura.

La copertura della struttura esistente è stata modellata solamente nella porzione di fabbricato in cui si eseguono le opere di intervento, mentre per le restanti porzioni della struttura, la copertura, è stata inserita come carico agente.

Si può vedere, nell’immagine seguente la vista 3D del modello globale pre-intervento e, nell’immagine a destra, la pianta esistente del solaio del sesto orizzontamento su cui si è eseguito l’intervento.

Si mostra ora, la situazione in progetto nel modello globale 3D post-intervento e la nuova pianta:

Come si può vedere, verrà realizzata una struttura a telaio di tipo leggero in acciaio, principalmente, per due motivi: il primo motivo è quello di ottenere una nuova struttura con un minor carico sulla struttura esistente, il secondo motivo è quello di avere facilità di posa.

Si è, poi, scelta questa soluzione per aggirare la problematica di approvvigionamento del materiale edile a quelle altezze e, soprattutto, in quella zona del centro di Milano.

7. Analisi statica non lineare dell’edificio

Si sono effettuate, quindi, l’analisi statica non lineare sia nella situazione pre-intervento, cioè esistente, sia per quella di progetto. Si è quantificata, nelle due situazioni, la risposta sismica globale e qui si mostrano, tali risultati, espressi in scala cromatica.

Si può vedere che, strutturalmente, l’edifico, già nella situazione esistente, non aveva delle problematiche, anche se le travi in c.a. risultavano molto esili. Sulle murature, solamente nelle parti superiori, si sono evidenziate alcune problematiche dovute a questi muri realizzati con dei mattoni forati.

8. Confronto della risposta sismica dell’edificio pre e post intervento

Successivamente, confrontando i due modelli, si è verificato il cambiamento della risposta sismica globale dell’edificio. Sono stati ricavati i grafici che confrontano le verifiche della situazione esistente e in progetto in tutti gli stati limite: SL della vita, SL di danno, SL di collasso e SL operativo.

Come si può vedere, queste nuove opere in progetto, non vanno a peggiorare la risposta sismica dell’edificio e, in alcuni casi, possono anche migliorarla perché, ovviamente, la copertura esistente risulta molto spingente e, invece, la copertura ristrutturata, come da progetto, fornisce una rigidità maggiore in quella porzione di edificio.

Nello step successivo, si è valutata la variazione del carico trasmesso in fondazione nell’unità strutturale nella situazione esistente ed in progetto, sempre con l’ausilio del software 3Muri.

In 3Muri si sono effettuate le seguenti due verifiche delle fondazioni:

1. al di sotto delle murature, quindi, nelle fondazioni continue;
2. al di sotto dei pilastri, quindi, nei plinti.

Ovviamente, al di sotto della muratura la variazione di carico è praticamente nulla, mentre nei plinti, e soprattutto in quelli interessati dalle nuove opere, vi è una variazione di carico ma, tale variazione, come è possibile vedere nella tabella al fondo dell’immagine precedente, è inferiore al 10% del carico statico presente prima della realizzazione delle nuove opere.

9. Analisi del telaio in acciaio

Successivamente, dopo aver fatto delle verifiche globali della struttura mista, con 3Muri, sono state eseguite le verificate delle sezioni in acciaio delle strutture del telaio, ossia le sezioni IPE di travi e pilastri e le sezioni degli elementi in acciaio di rinforzo degli elementi in c.a. esistenti.

Per le verifiche di questi elementi in acciaio, si è utilizzato il software AxisVM.

Le due immagini tridimensionali, nella figura seguente, mostrano la vista 3D del telaio in acciaio scelto e il modello 3D della tipologia di collegamenti tra le aste in acciaio.

Tale modello è stato verificato con un’analisi dinamica lineare con le sollecitazioni agenti sulla porzione in c.a. precedentemente analizzata in 3Muri Project.

Nella seguente immagine, si mostrano le sollecitazioni che agiscono sulla struttura in acciaio secondo la combinazione allo SLU.

Tale struttura in acciaio è stata vincolata senza incastro alla base per non far sparire degli sforzi di momento sulla muratura esistente e sugli orizzontamenti esistenti.

L’altra peculiarità, che si può osservare, è che la parte anteriore inclinata è stata vincolata con un semplice appoggio ed è realizzata architettonicamente a sbalzo. In quella posizione planimetrica, prima dell’intervento, vi era una muratura che scaricava il carico su una trave in cemento armato e non direttamente in fondazione. Nel progetto di intervento si è scelto di inserire, in tale posizione, dei pilastri in acciaio al di sopra della trave esistente in c.a. e si è studiato opportunamente il rinforzo di tale trave.

Infine, la chiusura perimetrale del sottotetto è stata realizzata posizionando in modo inclinato, in semplice appoggio, le travi IPE a sbalzo sui pilastri in acciaio.

Si mostrano i risultati ottenuti, in scala cromatica, delle verifiche di efficienza delle sezioni in acciaio del telaio.

Si è verificata l’efficienza dei profilati sia allo stato limite ultimo sia allo stato limite di esercizio comparando una caratteristica meccanica dei profilati con quella ricavata ponendo uno degli spostamenti verticali pari a 1 / 250 L e uno degli spostamenti orizzontali pari a 1 / 250 H, dove L è la luce della trave e H è l’altezza d’interpiano. Infine, si è ricavata l’efficienza globale della struttura in acciaio in progetto nella situazione definitiva dei profilati.

10. Analisi dei nodi in acciaio

I nodi in acciaio sono stati verificati con il post processore di AxisVM e poi confrontati con i fogli di calcolo SAITU preparati da S.T.A. DATA.

11. Analisi statica delle strutture esistenti in c.a.

Successivamente, sono state eseguite, in AxisVM, le verifiche delle armature delle strutture in cemento armato esistenti.

I solai esistenti, nelle porzioni interessate, non avevano le caratteristiche idonee di portata per un solaio residenziale di 200 kg / m² e, quindi, sono stati sottoposti ad intervento e alle verifiche strutturali delle armature progettate per tale rinforzo.

I solai sono stati rinforzati mediante l’inserimento dei connettori e con un getto integrativo di calcestruzzo alleggerito. Le loro verifiche strutturali sono state eseguite con degli algoritmi su fogli Excel.

La trave principale T601, che si può vedere nella precedente immagine, è stata anch’essa verificata inserendo le caratteristiche di materiali prima descritte. La verifica a momento non risultava soddisfatta e, quindi, si è deciso di aggiungere un’armatura superiore con dei tondini di diametro φ16 mm. La verifica è stata superata utilizzando la stessa resistenza meccanica dell’acciaio esistente e, dunque, ampiamente verificata sapendo che le nuove armature hanno delle caratteristiche meccaniche decisamente migliori rispetto a quelle esistenti.

12. Fasi di esecuzione dell’intervento

Si mostra una documentazione fotografica delle fasi di esecuzione.

Come si può vedere, per la prima fase, è stato effettuato un rinforzo dei solai e delle travi, un nuovo raccordo in calcestruzzo al di sopra della soletta stessa ed è stato realizzato un piccolo balcone a sbalzo sempre in calcestruzzo alleggerito.

Per l’esecuzione del rinforzo dei solai è stato permesso, dal proprietario dell’appartamento al di sotto dello stesso, il puntellamento del solaio dalle fasi di getto fino al completo indurimento.

Nell’ultima foto a destra, della precedente immagine, si mostra come è stato realizzato il rinforzo della trave principale T601, dove poi sono stati appoggiate le strutture del telaio in acciaio progettate per il recupero del sottotetto.

Nella immagine seguente, possiamo vedere una documentazione fotografica del telaio in acciaio.

Esse sono abbastanza semplici perché si sviluppano planimetricamente su un unico piano e, soprattutto, perché sono state scelte per essere le più leggere possibili, per evitare di aumentare molto i carichi agenti sulle strutture sottostanti.

Si mostra, nella foto a destra, che la parte inclinata non è appoggiata direttamente sul solaio di calpestio ma è appoggiata su una colonna che è appoggiata su una trave principale in acciaio. Le travi portanti in acciaio sono state appoggiate sui pilastri in c.a. esistenti che corrono fino in fondazione.

Per un fattore di sicurezza, la nuova struttura è stata appoggiata su una struttura portante esistente che arriva diretta fino in fondazione.

Come si può vedere, questo è il risultato finale del recupero di questo sottotetto.

Nell’immagine a destra, si vede che l’intervento ha ripreso l’aspetto architettonico dell’andamento della struttura inferiore e, per questo, sono state inserite delle finestrature con le dimensioni simili a quelle esistenti.

Nella foto centrale si mostra che l’andamento della nuova copertura ricalca quello della copertura dell’edificio adiacente.

13. Verifica statica del ponteggio

In un cantiere ci sono anche le peculiarità legate al ponteggio e nella seguente immagine si mostra la soluzione studiata per il ponteggio usato e il suo modello virtuale creato in AxisVM.

In questo cantiere vi era la problematica legata all’impossibilità di installare nel cortile interno un ponteggio con annesso montacarichi per portare tutto il materiale nella zona di lavoro. Il cortile interno è privato e non è stato concesso il permesso per realizzare il ponteggio all’interno di esso. Per ovviare a tali problematiche, è stato realizzato il ponteggio in strada ad uso castello di salita fino al cantiere del sottotetto e, su di esso, è stato fissato un montacarichi di servizio. Si è realizzata una passerella a sbalzo verso Ia struttura oggetto di intervento.

Per le verifiche statiche, della struttura del ponteggio fuori standard con sbalzo frontale, si è creato un modello virtuale con aste in acciaio in AxisVM.

Sono state effettuate tutte le analisi allo stato limite ultimo e di esercizio e il software ha redatto la relazione tecnica del ponteggio per tutte le verifiche eseguite.

Nell’immagine successiva si mostrano le foto di questo ponteggio realizzato in strada con il montacarichi di servizio.

Si precisa che, nelle immagini il ponteggio non era ancora finito ma in corso di realizzazione. Tale struttura ha permesso alla ditta esecutrice di poter lavorare sicuramente in modo più agevole e senza creare troppo disturbo ai condomini che vivevano al di sotto della struttura oggetto del cantiere.

14. Conclusioni

L’intervento, oggetto di studio, ricade all’interno delle FAQ del Comune di Milano e della norma nazionale avendo tutti i presupposti indicati in tale documento.

Tali opere sono state realizzate come intervento locale anche se potevano essere impostate come intervento di miglioramento. Il confronto con i tecnici del Comune di Milano è stato utile e chiarificatore perché essi hanno confermato che rientrava nei requisiti di intervento locale.

Si sottolinea che tutte le verifiche eseguite sono indipendenti, come già detto precedentemente, dalla tipologia di intervento da realizzare, ossia se l’intervento è di tipo locale, di miglioramento o di adeguamento.

Ringraziandovi per l’attenzione si ricorda che per qualsiasi tipo di richiesta di chiarimento e di osservazione l’ingegnere Matteo Stanzani è disponibile a rispondere presso il suo Studio d’Ingegneria Stanzani a Valdilana (BI).