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Travi NPS® e progettazione strutturale sismoresistente per la riqualificazione del Mercato Coperto di Novara

Marzo 22, 2016 - 18:45 da Alessandro Pieretto e Giulia Daniele
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Riapre il Mercato Coperto di Novara dopo la riqualificazione e messa in sicurezza grazie al sistema NPS®. Un’opera sismoresistente con 110 archi a vista ed elevata qualità estetica. Nell'articolo i dettagli della progettazione sismica dell'opera.


“Non un semplice mercato coperto, ma un luogo d’incontro, di aggregazione: il mercato deve rinnovarsi preparandosi a diventare anche luogo per la pausa del mezzogiorno, ampliando l’area del centro storico come luogo di incontro”. E’ così che l’amministrazione comunale vede il futuro della struttura di viale Dante, inaugurata, dopo la conclusione dei lavori di ristrutturazione, lo scorso 2 luglio.
 
Il punto di partenza era ben diverso: un edificio di 5000 m2 progettato nel 1983 che comprendeva un interrato adibito a magazzino ed il piano terra alto 10 metri con copertura ad archi in legno. Subì un incendio nel 1994 e l’anno seguente fu ristrutturato impiegando per la copertura arconi in cemento armato a traliccio. Per il massimo risparmio di ferro, la forma degli archi è a catenaria rovescia (curva simile alla parabola di 2° grado) e i nodi sono irrigiditi da getti di calcestruzzo.
 
Le prove eseguite nel 1995 evidenziano due gravi problematiche.
  1. L’inadeguatezza delle strutture di copertura a supportare i sovraccarichi accidentali previsti, specialmente durante i periodi di massimo sovraccarico di neve e vento.
  2. La delaminazione e/o l’espulsione del calcestruzzo provocate dall’ossidazione del ferro d’armatura e quindi dal suo aumento di volume. 
A queste si aggiunge la necessità di rendere sismoresistente la strutturaNel 2013 inizia il progetto per la riqualificazione e messa in sicurezza del Mercato.
 
Focus sull’adeguamento sismico
L’analisi cruciale per procedere con l’adeguamento sismico dell’edificio ha riguardato la modalità di trasferimento delle azioni sismiche dalla struttura pre-esistente alla nuova. In particolare, considerando che:
  • la connessione è deformabile fuori piano, ma rigida assialmente.
  • i controventi devono essere calibrati per rigidezza e resistenza così da rendere compatibili gli spostamenti delle due strutture separate.
  • gli attacchi dei controventi agli arconi sono studiati per non creare un punto rigido di scarico, ma per distribuire le azioni su tutto l’arco.
Tenuto conto di questi vincoli, per ripristinare la capacità portante della copertura si affiancano a tutoraggio di ciascuno degli archi esistenti in c.a. e in laterizio 2 archi NPS® in acciaio. In totale 110 arcate, alte 10 metri e larghe 13,5 metri. Vengono poi montati dei controventi a croce. Alla resistenza al sisma si aggiunge quella al fuoco R90, ottenuta con vernice intumescente bianca.
 
Figura 1 – Travi ad arco NPS® per la copertura dello storico Mercato Coperto di Novara
 
Le centine in laterizio sono agganciate ai nuovi arcarecci di copertura in legno posti esternamente alla copertura esistente in modo che il nuovo carico della lamiera di impermeabilizzazione e le spinte di vento e neve si trasferiscano direttamente sugli archi metallici.
 
I nuovi archi metallici sono in grado di sostenere anche le azioni sismiche trasmesse ad essi attraverso i nodi di connessione fra nuovi archi e nuovi arcarecci che bloccano i preesistenti arcarecci cementizi.
E’ stata inserita una controventatura di falda che connettendo fra loro una fila di coppie di archi metallici per ciascuna canna è in grado di sostenere le azioni nella direzione longitudinale della canna stessa. Attualmente, infatti, le azioni di vento o sisma longitudinale impegnerebbero gli archi nel loro piano debole e questi potrebbero sostenere le azioni esterne solo grazie al comportamento membranale della copertura in laterizio. Tale comportamento risulta però sicuramente di natura fragile e si è quindi ritenuto necessario introdurre i suddetti elementi di controvento al fine di assicurare a pieno il rispetto delle nuove normative da parte delle strutture ristrutturate.
 
Figura 2 – Controventi a supporto degli archi per sostenere le azioni longitudinali
 
Parametri di Input sismico
Lo spettro di risposta viene definito secondo i seguenti parametri, dettati dalla normativa vigente.
 
Coordinate del sito 45,4415° N / 8,6179° E
Classe d’uso della struttura: III
Vita nominale: VN = 50 anni
Coefficiente d’uso: CU = 1,50
Periodo di riferimento per la costruzione: VR = VN x CU = 75 anni
Categoria di sottosuolo: C
Categoria topografica: T1
 
I valori dei parametri dello spettro per gli stati limite per l’analisi sismica sono i seguenti:
 
Stato Limite TR ag [g] F0 T*C [sec]
SLD 75 0,021 2,554 0,180
SLV 712 0,041 2,647 0,293
 
Nel progetto è stato utilizzato coefficiente di struttura pari a 1 per entrambe le direzioni X e Y.
 
Figura 3 – Spettri di risposta (componenti orizz. e vert.) per lo stato limite SLV
 
Connessione tra solaio esistente e nuovo arco NPS® 
Si trattava di capire come gestire il sistema di connessione tra solaio esistente e arco NPS®. Inizialmente si era pensato di saldare la struttura in opera. In questo caso però si sarebbe ottenuta una connessione rigida. Invece doveva essere deformabile date le diverse rigidezze dell’arco con struttura particolarmente flessibile e quella esterna rigida. Non si potevano creare punti critici di scompenso e al contempo andava garantita la trasmissione dei carichi verticali. 
Lo staff tecnico di Tecnostrutture ha studiato e predisposto una soluzione speciale, apposita per questo progetto. Si tratta di una connessione bullonata con le caratteristiche di una biella. “La conferma che avrebbe funzionato l’hanno fornita i risultati di un modello da noi sviluppato proprio per verificare le deformazioni e gli sforzi sui singoli elementi.” Afferma il progettista Tecnostrutture, l’ingegner Alessandro Pieretto. “In particolare, l’efficacia di tale sistema è espresso soprattutto nella zona dove sono presenti i sistemi di controvento a croce.”
 
La modellazione
L’ analisi è stata condotta principalmente mediante il programma di calcolo SAP2000 della CSI di Berkeley (California) in vari modelli redatti dallo Studio BMS e condivisi poi con Tecnostrutture e con i tecnici del Comune di Novara.
La struttura è stata schematizzata ed analizzata mediante un modello ad elementi finiti di tipo “frames”, tenendo in conto le reali caratteristiche geometriche e rigidezze di tutti gli elementi strutturali. Per simulare la rigidezza del piano di calpestio ed applicare al modello i relativi carichi di superficie, si sono utilizzati elementi tipo “Shell”.
Nei seguenti paragrafi si riportano sinteticamente le descrizioni dei modelli di calcolo adottati per la determinazione delle sollecitazioni nei principali elementi strutturali, differenti a seconda del tipo di analisi e di verifica selezionata.
 
1. Modello complessivo
Il modello complessivo dell’edificio si riferisce al blocco composto da cinque canne di lunghezza diversa. La modellazione ha simulato tutti gli elementi dell’edificio, come segue:
  • le fondazioni a piano interrato sono state simulate con vincoli di incastro puntuale, posti alla base delle colonne;
  • le colonne in c.a. sono state simulate con aste a sezione prismatica, secondo le sagome rilevate nell’edificio ed attribuendo a tali elementi le  caratteristiche inerziali di un calcestruzzo C15/20;
  • le pareti in c.a. di perimetro, quando presenti, sono state simulate con elementi shell, in grado di riportare il proprio peso e le azioni agenti su di esse, dovute alle spinte delle terre e al carico di impalcato, direttamente sulle fondazioni;
  • gli archi in calcestruzzo di interrato sono stati simulati con aste a sezione e linea d’asse variabile;
  • gli elementi di impalcato sono stati rappresentati da elementi shell, non in grado di simularne lo stato tensionale interno che viene d’altra parte surrogato dalle nuove carpenterie metalliche, ma solo di trasferire i carichi alle strutture verticali e realizzare l’effetto diaframma degli impalcati;
  • gli archi in c.a. e laterizio delle volte sono stati rappresentati con la loro geometria rilevata, ma modulo elastico ridotto, in modo da assicurarsi che l’intero carico di copertura agisca sui soli archi metallici, per tener conto della fragilità e non integrità delle strutture originarie;
  • gli archi metallici sono stati simulati mediante tralicci 3D in elementi di acciaio, con sezione e grado di vincolo quale quelli delle strutture da porre in opera, anche per permettere al software un’accurata verifica dei singoli elementi.

 

Figura 4 – Modello complessivo – Modello 3D in linee d’asse con evidenziazione delle strutture metalliche
 
2. Modello di una singola canna
Avendo verificato il comportamento complessivo dell’edificio, si è potuto verificare che la sua parte fuori terra, molto leggera in confronto a quella posta sotto il piano di calpestio, da forma alla quasi totalità dei primi modi di vibrare a causa della sua deformabilità.
Si e quindi effettuata un’analisi su di un modello parziale composto da una sola canna e limitatamente alle strutture poste al di sopra del piano di impalcato, prendendo in tal modo atto che questo rappresenta un corpo quasi rigido che si muove in solido con il terreno e rappresenta, di fatto, un vincolo a terra per le strutture ad arco della copertura.
Questo modello parziale è stato usato per la verifica degli elementi metallici in condizioni sismiche e, in particolare, di quelli di controvento.
 
3. Modello di arco trasversale
In analogia con quanto fatto per gli elementi di controvento, il modello parziale vincolato alla base degli archi è stato utilizzato anche per la verifica degli elementi metallici degli archi stessi, avendo verificato che il suo regime statico non viene sostanzialmente modificato dall’essere vincolato a terra, invece che alla sottostruttura in c.a.
 
4. Modello dei basamenti di raccordo alla fondazione
Gli ingegneri di Tecnostrutture hanno realizzato un modello fem tridimensionale dei basamenti, per verificarne i punti critici una volta sottoposti alle sollecitazioni riscontrate nei modelli generali, dove questi elementi erano stati considerati rigidi. Il modello è stato condotto con il Software Midas Gen.
 
Figura 5 - Modello FEM tridimensionale dei basamenti di raccordo alla fondazione
 
5. Modellazione di dettaglio delle giunzioni
La disposizione delle giunzioni al soffitto lungo le arcate semplici e di controvento, è stata studiata per irrigidire la struttura, senza creare punti fragili nella stessa. Ciò è stato possibile posizionando le connessioni più deboli in prossimità degli attacchi dei controventi distribuendo così le forze di taglio provenienti dai cavi tesi, su tutto l’arco connesso al soffitto e alla base. 
Figura 6 - Distribuzione delle connessioni lungo l'arco di controvento
 
Le giunzioni tra arco e soffitto rinforzato, sono state studiate accuratamente in modo da poter variare le rigidezze, implementando i vincoli di incastro, di cerniera o di rilascio parziale attraverso un’analisi delle rigidezze delle stesse piastre di connessione. Un paio di esempi nelle prossime figure.
 
 
Figura 7 – a) Attacco “tipo 2” della trave al soffitto; b) Attacco “tipo 3” della trave al soffitto
 
Programma di cantiere
Definito il progetto ingegneristico, i lavori si sono svolti come da programma. Si è iniziato con il rinforzo dell’interrato, predisponendo delle mensole a spinta a sorreggere le travi in carpenteria metallica così da generare una spinta attiva di rinforzo verso il solaio del piano campagna. 
 
Figura 8 – Vista del piano interrato con mensole a spinta a sorreggere le travi in carpenteria metallica
 
Questo ha permesso il transito dei macchinari al piano campagna e quindi il montaggio delle piastre sulle volte che servono a collegare le travi ad arco. Si sono poi montate le piastre sugli arconi, bullonate le bielle e fissati i controventi.
 
Sismoresistenza ed estetica
La riqualificazione 2015 regala al Mercato Coperto una maggiore valenza estetica grazie a lunghi, sottili e leggeri archi di color bianco che si fondono cromaticamente al resto della copertura. “Innovazione significa per Tecnostrutture abbinare nuova tecnologia alla qualità estetica, alla bellezza.” Dichiara Franco Daniele, presidente dell’azienda. Le strutture reticolari NPS® sono studiate per essere leggere e sismoresistenti, riducendo al minimo l’impiego di materiale. Questo richiede estrema precisione delle strutture che in questo progetto, ad esempio, prevedevano una tolleranza massima di 0,5 cm.
 
Figura 9 – Mercato di Novara dopo la riapertura con le travi NPS® a vista.
 
 
Progetto opere architettoniche: Arch. Stefano Grioni
Direzione Lavori architettonici: Arch. Cristiano Ravizzotti
Progettisti delle strutture: Ing. Alberto Tricarico (2007) - Ing. Aldo Bottini (2015)
Direzione Lavori strutturali: ing. Giampaolo Armentano
Progetto delle strutture NPS®:  Ing. Alessandro Pieretto Ph.D.– Tecnostrutture S.r.l.
Direzione del montaggio NPS®  Geom. Alessandro Baldo - Tecnostrutture S.r.l.
Collaudo: Ing. Giuseppe Nucara
Esecuzione Lavori:  Notarimpresa e Palaser S.r.l.
Committente: Comune di Novara
Data di inizio lavori di recupero:  Maggio  2014
Data di fine lavori di recupero:  Dicembre 2015
 
 


 

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