5 INDAGINI IN OPERA SULLE STRUTTURE
PORTANTI
5.1 La normativa italiana di riferimento
Come già accennato nel Cap. 3.4 , l'O.P.C.M. 3274 del 2003 costituisce un elemento di svolta nella storia della normativa italiana in materia antisismica. Oltre alla classificazione dell'intero territorio italiano come sismico, l'Ordinanza introduce un approccio progettuale di tipo prestazionale, al posto di quello prescrittivo che caratterizzava le normative precedenti. Vengono individuate le prestazioni globali che il fabbricato deve garantire in caso di sisma, in funzione del livello di sicurezza e operatività ad esso richiesto e si individuano i mezzi e le tecniche progettuali necessarie al raggiungimento di tali obiettivi.
Il 16 Gennaio 2008 è stato pubblicato il Decreto Ministeriale recante “Norme tecniche per le costruzioni” (NTC 2008), entrato in vigore il 1 Luglio 2009, con la Circolare Ministeriale 2 Febbraio 2009, n. 617 “Istruzioni per l'applicazione delle “Nuove norme tecniche per le costruzioni” di cui al Decreto Ministeriale 14 Gennaio 2008”. Le NTC 2008 riprendono molti degli elementi innovativi di progettazione antisismica dell' O.P.C.M. 3274/03, primo tra tutti la valutazione della sicurezza estesa a tutte le parti dell'edificio, ovvero alla costruzione nella sua globalità.
Le NTC 2008 contengono un intero capitolo (n. 8) relativo alla valutazione della sicurezza degli edifici esistenti vale a dire tutti quei manufatti “la cui struttura sia
completamente realizzata alla data della redazione della valutazione di sicurezza e/o del progetto di intervento”12.
Data l'elevata complessità del problema e la difficile standardizzazione dei metodi di verifica, il decreto individua alcune regole di carattere generale per un corretto svolgimento delle tre fasi di analisi, progettazione e esecuzione del fabbricato esistente.
Di fondamentale importanza, come evidenziato nella circolare esplicativa delle NTC 2008, è un'accurata analisi dello stato di fatto del fabbricato, finalizzata sia all'individuazione delle tecniche di progettazione e di costruzione impiegate all'epoca di realizzazione del fabbricato, che alla valutazione di successive modifiche, degradi e danneggiamenti che alterano il comportamento rispetto a quello originario. La norma sottolinea l'importanza di indagini conoscitive in situ sulla geometria, sui dettagli costruttivi e sui materiali.
Nel caso specifico delle costruzioni in muratura, per quanto riguarda la geometria, è obbligatorio il rilievo geometrico a tutti i piani degli elementi portanti (incluse nicchie, cavità, ecc), delle volte e dei solai (tipologia e orditura) e delle scale al fine di individuare la tipologia dei vari componenti strutturali e i carichi permanenti gravanti sulle strutture portanti. Nel caso si dimostri necessario (edifici danneggiati) deve essere realizzato anche il rilievo del quadro fessurativo, classificando ciascuna lesione e individuando il tipo di meccanismo associato. I particolari costruttivi di interesse sono quelli già descritti nel Cap. 5 , come il collegamento tra pareti ortogonali, la presenza di cordoli di piano, la tipologia delle fondazioni, ecc.
In funzione della completezza e dall'affidabilità dell'informazione disponibile la norma distingue due livelli di verifiche in situ:
1. limitate: sono basate su rilievi di tipo visivo effettuati rimuovendo l'intonaco dalla muratura e consentendo di esaminarne le caratteristiche sia in superficie che nello spessore murario. I dettagli costruttivi riguardanti il collegamento tra pareti ortogonali e tra murature e solai possono essere valutati anche sulla base di una conoscenza appropriata delle tipologie costruttive di tali elementi.
2. Estese ed esaustive: anch'esse sono basate su rilievi di tipo visivo con saggi nella muratura che consentono di esaminarne le caratteristiche sia in superficie che nello spessore murario. L’esame dell'efficacia del collegamento tra pareti ortogonali e tra murature e solai deve essere esteso in modo sistematico a tutto l'edificio.
materiali murario e eventualmente, le resistente meccaniche sperimentali dei materiali al fine di individuare i valori di resistenza da impiegare in sede di verifica. In questo caso la norma definisce tre livelli di indagini in situ:
1. indagini limitate: sono basate su esami visivi della superficie muraria attraverso la rimozione dell'intonaco, preferibilmente in corrispondenza degli angoli, finalizzate a individuare la tipologia della muratura e a completare le informazioni sulle proprietà dei materiali ottenute dalla letteratura o dalle regole d'arte relative all’epoca della costruzione. La compattezza della malta è valutata in modo approssimato.
2. Indagini estese: sono effettuate in maniera estesa e sistematica, con saggi superficiali ed interni per ogni tipo di muratura presente. La tipologia muraria è individuata attraverso prove con martinetto piatto doppio e sono previste prove per la caratterizzazione della malta o eventualmente di pietre e/o mattoni. Nel caso di corrispondenza tipologica per materiali, pezzatura dei conci e dettagli costruttivi, in sostituzione delle prove sulla costruzione oggetto di studio possono essere utilizzate prove eseguite su altre costruzioni presenti nella stessa zona. 3. Indagini esaustive: in aggiunta ai saggi descritti precedentemente devono essere
realizzate ulteriori prove sperimentali tali da, per numero e tipologia, consentire la valutazione delle caratteristiche meccaniche della muratura. Si possono eseguire ad esempio prove di compressione diagonale su pannelli murari o prove combinate di compressione verticale e taglio. Metodi di prova non distruttivi possono essere impiegati in combinazione (ma non in completa sostituzione) di quelli sopra descritti.
In base al grado di approfondimento delle indagini in situ su geometria e materiali, sono definiti tre livelli di conoscenza del fabbricato, a ciascuno dei quali è associato un fattore di confidenza (FC) che va a diminuire la resistenza di progetto dei materiali da impiegare in sede di verifica; minore è la conoscenza del fabbricato, più cautelativa è la verifica (Tabella 5.1).
Tabella 5.1: schema dei livelli di conoscenza raggiunti per i diversi gradi di verifiche sulla
geometria della costruzione e di indagini sui materiali delle murature.
VERIFICHE INDAGINI
LIVELLI DI CONOSCENZA
LC1 LC2 LC3
GEOMETRIA limitate estese ed esaustive estese ed esaustive
MATERIALI limitate estese esaustive
FC 1,35 1,2 1
In base ai saggi effettuati in situ, descritti di seguito,si è potuto assumere un livello di conoscenza LC2. Non sono state eseguite prove per la caratterizzazione meccanica della muratura, in base alla quali si sarebbe potuto assumere anche un livello di conoscenza LC3, che però sarebbe risultato troppo gravoso in termini di verifica. In base a quanto previsto dunque dalle NTC 2008, il fattore di conoscenza da assumere è pari a 1,2, cioè le resistenze di progetto devono essere abbattute del 20%.
5.2 Rilievo geometrico e individuazione degli elementi di criticità
Come già detto, la valutazione della vulnerabilità sismica di un edificio non può prescindere dall'esecuzione di saggi, indagini e rilievi in opera. Questi infatti, sono necessari per determinare le caratteristiche geometriche e strutturali degli elementi resistenti e della struttura nel suo insieme e metterne in luce le eventuali carenze.
È stato effettuato un rilievo geometrico dell'edificio finalizzato a verificare la correttezza del materiale reperito dall'Ufficio Tecnico del Comune di Villafranca in Lunigiana (piante prospetti e sezioni). L'analisi degli elaborati, dei sopralluoghi e della struttura, evidenzia immediatamente l'irregolarità del fabbricato sia in pianta che in elevazione: la forma a L non garantisce una distribuzione uniforme delle masse e delle rigidezze, aumentando così l'entità degli effetti torcenti.
È stata riscontrata la presenza di un piano seminterrato di dimensioni inferiori rispetto ai livelli sovrastanti, disposto in corrispondenza delle scale, dei bagni e dell'aula 3. Da quanto detto si deduce la presenza di una fondazione su due livelli, con un
dislivello di circa 2,3 m, che causa evidentemente una forte irregolarità in elevazione
5.3 Scelta dei saggi e metodologia di esecuzione
Secondo quanto disposto dalla Regione Toscana, in accordo con il Comune di Villafranca in Lunigiana, sono stati realizzati i seguenti saggi in opera:
A) saggi per verificare l'effettivo grado di ammorsamento tra pareti ortogonali (cantonali);
B) saggi per approfondire le informazioni sulla qualità del sistema resistente;
C) saggi per verificare la presenza di eventuali collegamenti efficaci tra pareti e orizzontamenti (cordoli, catene, ecc.)
D) saggi per verificare la tipologia delle fondazioni e la loro effettiva quota d'imposta.
La scelta degli elementi da sottoporre a indagine si è basata sui seguenti principi: 1. analizzare gli elementi maggiormente significativi dell'edificio, individuando i
materiali che li costituiscono e la loro tipologia costruttiva;
2. scegliere punti in cui sia facile eseguire il saggio e in cui questo minimizzi i danni alle strutture, in considerazione anche del fatto che la scuola risulta ancora utilizzata;
3. limitare quanto più possibile l'intralcio alle attività interne ed esterne all'edificio; dai saggi sono stati esclusi gli ambienti in cui si svolgono le attività amministrative della scuola (presidenza e segreteria). Le indagini sono state preferibilmente eseguite sulle murature che si affacciano sul cortile interno della scuola, in modo da non occupare il suolo pubblico durante l'esecuzione dei saggi. In Figura 5.1 e 5.2 sono riportati in pianta e in prospetto i saggi effettuati.
Figura 5.1: pianta del piano terra con indicazione dei saggi eseguiti e delle relative fotografie
5.3.1 Ammorsamento tra pareti ortogonali (A)
Questo tipo di indagini è volto a determinare l'efficacia dei collegamenti tra pareti ortogonali, essenziale per garantire il comportamento scatolare dell'edificio. Particolare attenzione deve perciò essere rivolta all'analisi dei cantonali e dei martelli murari.
Gli spigoli significativi dell'edificio sono stati messi a nudo tramite la rimozione dell'intonaco sia esternamente che internamente; è infatti necessario verificare che nel
Figura 5.2: pianta del piano primo con indicazione dei saggi effettuati e delle relative fotografie
caso di parete a doppio paramento, gli elementi in pietra o in laterizio siano disposti alternati lungo lo spigolo della parete in modo da interessare tutto lo spessore murario e non solo il paramento esterno. L'area di rimozione dell'intonaco deve essere sufficientemente estesa da mettere a nudo completamente gli elementi costituenti il cantonale o il martello murario, per una lunghezza di prosecuzione di almeno 30 cm in tutte e due le direzioni dell'angolata e per un'altezza di circa 0,8 – 1 m. Nel caso di muratura listata il saggio deve essere esteso per almeno due ricorsi consecutivi.
5.3.2 Qualità del sistema resistente (B)
La qualità del sistema resistente dipende dal tipo di materiale utilizzato, dall'apparecchiatura muraria e dalla presenza di connessioni tra paramenti all'interno dello spessore murario. Anche in questo caso si è proceduto alla rimozione dell'intonaco su entrambe le facce della muratura, secondo le indicazioni descritte al paragrafo precedente. I saggi sono stati eseguiti sia al piano terra, sia al piano primo, escludendo il sottotetto in cui le murature sono a facciavista. Non è stato possibile verificare la presenza di diatoni nello spessore murario, a causa della natura invasiva dell'intervento sull'edificio, attualmente ancora in uso.
5.3.3 Presenza di collegamenti efficaci tra pareti e orizzontamenti (C)
Questo tipo di saggi ha lo scopo di determinare la presenza di collegamenti efficaci tra le strutture verticali e gli orizzontamenti, sia al livello dei solai che della copertura. Nel caso sia presente un cordolo in calcestruzzo, si deve verificare:
1. la presenza o la mancanza di armatura longitudinale e trasversale;
2. l'estensione del cordolo, ovvero se interessa l'intero spessore murario e se si estende per tutto il perimetro del solaio, anche lungo i lati paralleli all'orditura dei travetti.
Per verificare la presenza di un cordolo a livello del primo piano è stato rimosso l'intonaco sulla parete esterna. A livello della copertura, non sono stati necessari saggi esplorativi, essendo il sottotetto ispezionabile e quindi il cordolo visibile.
5.3.4 Tipologia disposizione delle fondazioni (D)
Per individuare la presenza o meno delle fondazioni è stato effettuato uno scavo per una profondità sufficiente a individuare la relativa quota di imposta. Per fondazioni si intende anche il semplice aumento dello spessore murario a livello fondale.
5.4 Le strutture verticali
I saggi in opera di tipo B hanno evidenziato murature portanti interne ed esterne realizzate con elementi sbozzati in pietra calcarea compatta, legati con malta di scarsa qualità. La pezzatura è irregolare e non sempre è garantito lo sfalsamento dei giunti o la orizzontalità dei filari.
Le pareti esterne, di spessore netto 45 cm, sono intonacate da ambo i lati per uno spessore totale di 50 cm. Le pareti dell'ala nord, a differenza delle altre, presentano ricorsi costituiti da due file di mattoni in laterizio pieno 25x12x5 cm a due teste interessanti tutto lo spessore murario. L'interasse tra due ricorsi consecutivi è di circa 110 cm (Figura 5.3).
Le pareti interne sono per lo più realizzate in pietrame. Le pareti divisorie tra aule sono di spessore netto 25 cm intonacate da ambo i lati per uno spessore complessivo di
Figura 5.3: saggio B1 per valutare la qualità della muratura esterna E1; nella foto (a) si vede il
30 cm con ricorsi costituiti da due file di mattoni in laterizio pieno 25x12x5 cm a due teste interessanti tutto lo spessore murario (Figura 5.4).
La parete interna nell'ala Nord I1, sia al piano terra che al piano primo e parte della parete I4 lungo il corridoio è realizzata in laterizi forati tipo “occhialoni” di dimensioni 13x23,5x48 cm con foratura > 70% (Figura 5.5) e con ricorsi orizzontali di conglomerato cementizio di qualità scadente (1,5 cm).; tali pareti sono intonacate da ambo i lati per uno spessore complessivo di 26 cm (Figure 5.6 e 5.7).
Figura 5.4: saggio C4 per valutare la qualità della muratura I10; la rimozione dell'intonaco è stata
effettuata su entrambi i lati e ha evidenziato la presenza di ricorsi in mattoni pieni a due teste interessanti l'intero spessore murario.
Figura 5.5: laterizio forato tipo “occhialoni” di dimensioni 13x23,5x48 cm con foratura > 70%,
L'edificio presenta lungo i corridoi in corrispondenza delle murature portanti dei “costoloni” di dimensioni 0,5x0,25 cm. Questi elementi sono costituiti da elementi in laterizio: la maggior parte in laterizio pieno 25x12x5 cm e quelli in corrispondenza della parete I1, sono composti invece, da laterizi pieni, forati tipo “occhialoni” e da mattoni a tre fori.
Figura 5.6: saggio B2 per verificare la qualità della parete I1 al piano terra. L'intonaco è stato
rimosso da entrambi i lati del paramento (a e b).
Figura 5.7: saggio B5 per verificare la qualità della parete I1 al piano primo. L'intonaco è stato
I cantonali delle pareti dell'ala Sud sono composti da mattoni in laterizio pieni 25x12x5 cm, mentre quelli dell'ala Nord sul lato esterno sono realizzati in grossi blocchi squadrati di pietra (Figure 5.9, 5.10 e 5.11).
Figura 5.8: saggi B3 e B6 per individuare i materiali e la tipologia costruttiva dei costoloni nei
corridoi dell'edificio.
Figura 5.9: saggio A1 per verificare l'efficacia dell'ammorsamento tra le pareti dell'ala Sud S2 e
Figura 5.10: saggio A2 per verificare l'efficacia dell'ammorsamento tra le pareti dell'ala Nord S1 e
E1.
Figura 5.11: saggio A3 per verificare l'efficacia dell'ammorsamento tra la pareti dell'ala nord E1 e
In corrispondenza degli spigoli fra pareti ortogonali, gli elementi in pietra squadrata o in mattoni sono disposti sfalsati creando una buona connessione fra i due maschi murari. Tuttavia, data l'assenza di quanto appena descritto in corrispondenza del paramento interno, il cantonale non può considerarsi efficace.
Figura 5.12: saggi A4 e A5 per verificare l'efficacia dell'ammorsamento tra la pareti E2 e S1
(assenza di cantonali d'angolo sul paramento interno).
Figura 5.13: saggio A6 per verificare l'efficacia dell'ammorsamento tra la pareti S2 e E2 al primo
5.5 I solai
Non è stato possibile eseguire dei saggi sui solai al fine di determinarne la tipologia costruttiva, a causa dell'impiego dei locali a fini scolastici. Nonostante è stata rilevata la presenza di un solaio in laterocemento in corrispondenza del piano di calpestio del sottotetto (Figura 5.14). Il solaio dell'ala Nord è costituito da travetti in cemento armato di dimensioni 12x16 cm posti ad un interasse di 0,74 m e tavelle in laterizio forato 60x25x4 cm; solo sopra il corridoio in corrispondenza della aule 7 e 8 è presente un getto di riempimento (di spessore totale 12 cm). Il solaio dell'ala Sud è realizzato con travetti in calcestruzzo 12x16 cm posti ad interasse 0,57 m e pignatte di dimensioni 45x30x16 cm. In questo caso non è presente alcuna soletta in cemento armato (Figura 5.15).
Figura 5.14: pianta e sezioni del sottotetto con indicazione delle fotografie riportate nelle figure
Lungo tutto il perimetro dell'edificio è presente un cordolo in cemento non armato di dimensioni 50x36 cm, ad eccezione della parete E1. È stata rilevata inoltre, la presenza di una cordolo lungo la parete I4 che si sviluppa per 16,47 m, in corrispondenza della sottostante muratura realizzata in laterizio forato tipo “occhialoni” e non in pietrame come il resto del setto murario (Figura 5.16).
Figura 5.15: solaio ala Sud in travetti di calcestruzzo e pignatte (a); solaio del sottotetto ala Nord
in travetti di calcestruzzo e tavelle senza soletta (b).
Figura 5.16: presenza di cordolo in cemento non armato in corrispondenza della parete sottostante
I4 realizzata in laterizio tipo “occhialoni” (a); cordolo in cemento non armato posto lungo tutto il perimetro dell'edificio, tranne che sulla parete E1 (b).
Per analogia con quanto rilevato nel sottotetto e non potendo eseguire per ragioni di tipo pratico i saggi direttamente sugli orizzontamenti, si è considerato che anche il solaio del primo piano e del piano terra (in corrispondenza dei locali seminterrati) siano realizzati in laterocemento; molto probabilmente si tratta di solai 12+4 cm con un massetto di allettamento di 4 cm. La pavimentazione è realizzata in piastrelle di spessore 2 cm e la faccia inferiore è intonacata con malta di calce per uno spessore totale di 28 cm circa (Figura 5.17).
Per individuare la presenza di un eventuale cordolo, è stato rimosso l'intonaco all'altezza del solaio del primo piano sul prospetto esterno della parete S1 (Figura 5.18). Il cordolo in calcestruzzo non armato risulta alto 15 cm e interessa tutto lo spessore murario.
Figura 5.17: particolare del solaio del primo piano; al di sotto della pavimentazione si trova un
massetto di allettamento in cui passano le tubazioni degli impianti. È evidente il pessimo stato del massetto.
5.6 La copertura
L'ispezione del sottotetto ha messo in luce il cattivo stato di conservazione della copertura. Sono presenti infatti opere provvisorie di puntellamento della falda superiore dell'ala nord e alcuni degli elementi in laterizio del solaio di copertura risultano danneggiati.
Il solaio di copertura è realizzato in laterocemento con travetti di dimensioni 12x16 cm posti ad interasse di 0,57 m e pignatte 45x30x16 cm. Non è presente alcuna soletta in cemento armato e il manto di copertura realizzato in coppi e embrici, poggia direttamente sulle pignatte (Figura 5.19).
Figura 5.18: saggio C1 per l'individuazione di collegamenti efficaci tra le strutture verticali e il
Il tetto è formato da due falde sfalsate. La falda “superiore” è posta ad un'altezza dal piano di campagna pari a circa 11,4 m e presenta una trave di colmo in cemento armato di dimensioni pari a 40x30 cm poggiante su pilastri in laterizio pieno (5x12x25 cm) di dimensioni 40x50 cm nell'ala nord e 40x75 cm nell'ala sud. La falda inferiore è posta ad un'altezza dal piano di campagna pari a circa 10,2 m e presenta una trave di colmo in cemento armato di dimensioni pari a 40x43 cm poggiante su pilastri in laterizio pieno (5x12x25 cm) di dimensioni 50x50 cm nell'ala nord e 50x75 cm nell'ala sud (Figura 5.20). Una trave di compluvio in cemento armato di dimensioni 30x40 cm è posta all'intersezione delle due falde “superiori” delle due ali del fabbricato (Figura 5.21).
I travetti poggiano da una parte sul cordolo e dall'altra sulle relative travi di colmo che corrono longitudinalmente lungo le due ali dell'edificio, in corrispondenza della parete I4 e I8.
Trasversalmente sono presenti dei pilastrini in laterizio il cui sostegno alla falda superiore del tetto non è sempre assicurato (Figura 5.22). Gli elementi nell'ala nord, di
Figura 5.19: solaio di copertura in laterocemento realizzato con travetti e pignatte senza soletta in
cemento armato (a); vista generale del sottotetto in cui sono visibili i pilastri in laterizio e le travi longitudinali su cui appoggiano i travetti (b). Si noti il cattivo stato delle copertura che presenta lacerazioni e necessita di puntellamenti provvisori.
dimensioni 50x38 cm sono realizzati in mattoni pieni, mentre quelli dell'ala sud, di dimensioni 50x75 cm sono in laterizi semipieni 5x12x25 cm a due fori orizzontali.
È stato verificato che tutti i pilastri a sostegno della copertura sono posti in corrispondenza di pareti portanti nel piano primo. Un elemento di forte vulnerabilità del sottotetto è dovuto alla presenza di un pilastro in falso posto in corrispondenza dell'incrocio dei colmi; infatti le travi ordite lungo le due principali direzioni dell'edificio non si intersecano in corrispondenza di un muro portante sottostante (Figura 5.22). Ciò probabilmente è dovuto ai lavori di rifacimento della copertura, che hanno trasformato l'originale tetto a padiglione nella configurazione attuale.
Figura 5.20: pianta e sezioni del sottotetto con indicazioni delle fotografie riportate nel presente
5.7 Le fondazioni
Le fondazioni sono realizzate a sacco con materiali di risulta quali sassi e ciottoli di fiume, anche di grosse dimensioni. I saggi sulle fondazioni sono stati eseguiti in due punti dell'edificio: in corrispondenza del cantonale tra le pareti E2 e S2 (D1) e in corrispondenza del dislivello della quota d'imposta a causa della fine del seminterrato che si estende solo per una parte dell'edificio (D2). I saggi effettuati non possono essere considerati esaustivi, in quanto non è stato possibile individuare con precisione la quota d'imposta delle fondazioni essendo queste formate da pietrame sciolto o debolmente legato con malta che durante lo scavo ha iniziato a emergere. Per evitare danni strutturali e eventuali cedimenti, lo scavo è stato fermato alla profondità di 1 m. In corrispondenza del cantonale (saggio D1) lo spessore del setto murario aumenta di 20 cm dal lato esterno (e probabilmente anche da quello interno).
Figura 5.22: pilastro in falso in corrispondenza dell'incrocio dei colmi del tetto (a); pilastrini in
laterizio a due fori orizzontali a sostegno (non sempre efficace) della falda superiore del tetto.
Figura 5.23: saggi per verificare la tipologia delle fondazioni; saggio D1 al cantonale tra le pareti
