2 Gli edifici in muratura .

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Gli edifici in muratura.

2.1 Introduzione.

La muratura è il sistema costruttivo, insieme a quello del legno, più diffuso e più antico.

Con il termine “muratura” si individuano tecniche che sono fra loro diverse per tipo, forma dei materiali e sistemi costruttivi.

Storicamente gli elementi murari hanno dato grande prova di sé ed hanno permesso che la maggior parte dei capolavori arrivassero a noi con intatto il loro contenuto di civiltà e storia.

Successivamente, proprio perché la muratura apparve ai più come un sistema costruttivo “semplice”, si è trascurato di studiare ed approfondire il suo contenuto scientifico.

Nel momento in cui siamo, cioè in piena fase di rivalutazione della muratura portante come sistema costruttivo attuale, ci accorgiamo di quanto danno abbiano potuto procurare anni di indifferenza voluta in nome di un progresso che vedeva come protagonisti principali il cemento armato e l’acciaio.

La muratura portante si configura come sistema tecnologico atto a sostenere i carichi ma, indubbiamente essa interviene anche ad assicurare la forma dell’edificio ed inoltre anche il suo risultato estetico.

- la portanza statica, comprendendo sia il sostegno dei carichi verticali che il controventamento;

- la ripartizione degli spazi e cioè la distribuzione planimetrica dell’edificio; - l’aspetto formale estetico al quale va strettamente connessa la funzione di isolamento termico.

La muratura è quindi capace di adempiere a tutte le funzioni del progetto edilizio ed appare come strumento universale della progettazione.

2.2 Le qualità meccaniche della muratura.

I diversi materiali costituenti gli elementi, la loro forma e dimensione, la tecnica costruttiva variabile da zona a zona, la capacità costruttiva di chi opera rendono la muratura un materiale composito, un vero e proprio prodotto artigianale che presenta caratteristiche meccaniche estremamente variabili.

La malta mostra un comportamento elasto-fragile in trazione con resistenza a trazione inferiore rispetto a quella degli elementi; presenta invece un comportamento duttile e fortemente non lineare a compressione e a taglio.

Gli elementi presentano un comportamento elasto-fragile con resistenza a trazione inferiore a quella a compressione con rottura di tipo fragile. Rispetto alla malta, il laterizio presenta tensioni di rottura e modulo elastico maggiori.

Figura 1:Comportamento della malta e del laterizio alla prova monoassiale di compressione.

Le caratteristiche meccaniche della muratura dipendono dai materiali costituenti attraverso resistenza e deformabilità ma sono legate anche al diverso modulo elastico degli elementi e della malta.

Qualitativamente il comportamento di una muratura non si discosta da quello dei suoi componenti, ma in genere le caratteristiche meccaniche della muratura sono diverse da quelle dei costituenti essendo influenzate da molti fattori quali:

- le caratteristiche dei componenti: resistenza e deformazione dei mattoni e della malta;

- le modalità costruttive: geometria dei mattoni spessore dei giunti di malta,capacità di assorbimento d’acqua dei mattoni, capacità di ritenzione idrica della malta, aderenza tra malta e mattoni.

Figura 2: Comportamento meccanico della muratura.

Il comportamento sismico degli edifici in muratura è caratterizzato dalla rottura di tipo fragile con carico di collasso corrispondente a spostamenti limitati: ciò significa che le strutture in muratura sono caratterizzate da limitata duttilità.

In sostanza la muratura, ottenuta come composizione di elementi resistenti e di legante, presenta un comportamento meccanico, dipendente dall’interfaccia tra gli elementi e la malta, con caratteristiche di:

- disomogeneità;

- anisotropia nelle diverse direzioni;

- asimmetria di comportamento in compressione-trazione; - non linearità del legame sforzi-deformazioni.

Contrariamente a quanto ci si potrebbe aspettare, le caratteristiche meccaniche non coincidono con quelle del costituente più debole.

Anzitutto, la diversa deformabilità di malta e laterizio origina la presenza di autotensioni che spesso concorrono a migliorare la resistenza globale.

Inoltre, la presenza di direzioni preferenziali (quella dei corsi di malta o dei fori se i laterizi sono forati) fa sì che la muratura sia un materiale fortemente anisotropo: la resistenza dipende pertanto dalla direzione dei carichi applicati.

Generalmente nella pratica progettuale si schematizza il materiale come un continuo omogeneo equivalente al materiale composito non omogeneo trascurando, a volte, l’anisotropia. In funzione del livello di sollecitazione può essere anche lecito trascurare la non linearità del materiale utilizzando modelli dell’elasticità lineare.

Tra le principali caratteristiche meccaniche della muratura possiamo elencare: - la buona resistenza a compressione;

- la scarsa o comunque trascurabile resistenza a trazione, soprattutto in direzione normale ai giunti orizzontali.

Per un corretto funzionamento del sistema murario è necessario limitare il più possibile le tensioni di trazione. A tal fine, poiché le pareti sono sollecitate a flessione e a taglio, è opportuno che:

- tutti i paramenti murari siano prevalentemente compressi in maniera tale da fornire buona resistenza a flessione e a taglio. Tale condizione si verifica normalmente in presenza di solai orditi in direzioni alternate o con soletta armata nelle due direzioni.

- le sollecitazioni di flessione e taglio siano limitate. E’ il caso di pareti ben vincolate ai solai e ai muri di controvento.

La crisi per compressione della muratura non coincide con la crisi della malta a causa della presenza di uno stato di coazione derivante dal diverso comportamento deformativo della malta e dei mattoni.

Poiché la malta ha un basso modulo elastico, la sua deformazione in direzione perpendicolare ai letti di malta sarà maggiore che non nel laterizio; conseguentemente la malta tende a espandersi anche lateralmente in misura maggiore che non il laterizio.

All’interfaccia, per la congruenza delle deformazioni, nel laterizio nascono tensioni di trazione nelle direzioni trasversali, mentre la malta è soggetta ad uno stato di compressione triassiale (effetto cerchiante).

La presenza di questo stato di tensione nel laterizio spiega come nella muratura soggetta a compressione uniforme la crisi si manifesti con fessure parallele alla direzione di carico, per valori di esso inferiori alla resistenza a compressione monoassiale del singolo mattone: infatti la tensioni principali di trazione risultano di valore maggiore di quelle della prova su singolo mattone.

D’altro canto la rottura avviene per valori superiori ai limiti di resistenza a compressione monoassiale della malta: infatti in questo caso esistono tensioni principali di trazione mentre nella prova sulla muratura le tensioni principali nella malta sono tutte di compressione (effetto cerchiante).

In definitiva la resistenza a compressione della muratura di mattoni è di solito notevolmente inferiore alla resistenza nominale a compressione dei mattoni mentre può essere molto più grande della resistenza cubica della malta.

2.3 Il comportamento delle strutture in muratura sotto

l’azione del sisma.

E’ noto che la risposta sismica di un edificio non dipende esclusivamente dai particolari tecnici del progetto quali lo spessore delle pareti e il ridotto numero dei piani. Essa è funzione anche della distribuzione planimetrica ed altimetrica delle masse e alla geometria delle piante, la cosiddetta forma dell’edificio.

Il criterio di una corretta progettazione sismica deriva dallo studio e dalla conoscenza del evento sismico e del modo con cui esso influisce sull’edificio.

Lo scopo della normativa non è quello di far sì che gli edifici siano in grado di sopportare qualsiasi evento sismico senza subire danno, ma quello ottenere che gli stessi nei confronti dei più violenti terremoti, pur subendo danni, non crollino.

Il sisma, come è noto, dà luogo ad accelerazioni sia orizzontali che verticali; quest’ultime non vengono prese in considerazione in quanto il loro effetto è quello di incrementare i carichi verticali agenti, ai quali l’edificio è già di per sé in grado di resistere con un certo margine di sicurezza.

Si tratta di un evento dinamico in grado di produrre forze di inerzia la cui entità dipende dalle masse in gioco e dalla accelerazione ad esse impresse dipendente oltre che dall’accelerazione del suolo, dal periodo proprio dell’edificio in direzione del sisma e dallo smorzamento che rappresenta la capacità dell’edificio di attenuare l’effetto del sisma.

Per oscillazioni con periodi T fino circa ad 1 sec. l’amplificazione della risposta è molto elevata:ciò significa che l’accelerazione a cui la struttura è soggetta è molto maggiore dell’accelerazione del suolo. Per valori del periodo superiori ad 1 sec. l’amplificazione decresce al crescere di T con conseguenti azioni sismiche decrescenti all’aumentare del periodo di oscillazione.

E’ noto che il periodo T decresce con l’aumentare della rigidezza della struttura: ciò vuol dire che i fabbricati più rigidi oscillano molto più velocemente; è da sottolineare inoltre che il periodo T cresce all’aumentare dell’altezza dell’edificio: i fabbricati molto alti infatti oscillano più lentamente.

Si intuisce quindi che per gli edifici in muratura, essendo molto rigidi e spesso di altezza modesta, l’amplificazione della risposta è grande.

C’è da dire che se l’edificio in muratura funzionasse solo in campo elastico lineare esso sarebbe soggetto a forze sismiche molto elevate: esso presenta invece un comportamento non lineare simile a quello elasto-plastico.

Ciò comporta che sotto l’azione del sisma nascono dei fenomeni di plasticizzazione che si manifestano con la nascita di fessure tali da abbattere la rigidezza e fare in modo che la struttura si sposti verso periodi di oscillazioni più elevati con conseguente diminuzione della amplificazione e forze molto più basse di quelle che si avrebbero se l’edificio avesse un comportamento lineare. Tali fenomeni poi, sono capaci di dissipare una forte quantità di energia e di produrre quindi un notevole smorzamento delle forze sismiche.

Quando si affronta la progettazione di un edificio, l’aspetto fondamentale su cui porre attenzione è senz’altro quello strutturale.

Gli elementi resistenti costituenti la struttura sono i due sistemi di pareti, disposti generalmente nelle due direzioni ortogonali ed i solai, i quali danno luogo ad un comportamento statico di natura scatolare impostato per resistere in qualsiasi direzione purché i vari sistemi di elementi verticali siano tra loro efficacemente collegati.

Al fine di garantire una corretta concezione strutturale è necessario conferire all’edificio appunto, la cosiddetta scatolarità, requisito in grado di fornire al fabbricato un’ottima resistenza d’insieme, comprovata dal buon comportamento che gli edifici in muratura, concepiti a regola d’arte, hanno sempre dimostrato anche in zona sismica.

La capacità di resistere alle azioni orizzontali deve essere affidata ad un sistema di pareti verticali (di taglio) disposte nelle due direzioni della pianta dell’edificio;ciò significa che uno schema efficiente dal punto di vista statico è quello in cui tutti i muri hanno funzione portante e di controventamento.

Per mezzo di efficaci collegamenti tra le pareti e con i solai in maniera da ottenere una partecipazione d’insieme dei vari setti, è possibile limitare i meccanismi di ribaltamento fuori piano.

La muratura, presentando una trascurabile resistenza a trazione, possiede scarsa resistenza alle azioni ortogonali al proprio piano nel caso di parete isolata; il collegamento di quest’ultima alle pareti ortogonali consente di trasferire ad esse le azioni sismiche: è necessario quindi che i muri portanti, i muri di controventamento e i solai siano collegati tra loro in maniera efficace.

Affinché questa collaborazione si possa sviluppare è necessario che le pareti ortogonali siano efficacemente ammorsate tra loro lungo le intersezioni verticali mediante una opportuna disposizione degli elementi. L’ammorsamento garantisce una maggiore ridistribuzione dei carichi verticali tra le pareti disposte nelle due direzioni anche quando i solai sono orditi prevalentemente in una.

La garanzia si una efficace collegamento tra orizzontamento e parete può essere quello della realizzazione di cordoli in cemento armato continui lungo tutti i muri e realizzati in corrispondenza dei solai di piano e di copertura.

La funzione del cordolo è quella di impedire il meccanismo di ribaltamento fuori piano offrendo un vincolo alle pareti sollecitate perpendicolarmente al proprio piano. Esso trasmette poi alle pareti di controvento le azioni che la parete verticale, sollecitata fuori piano, scarica a livello del solaio. Inoltre contribuisce ad aumentare la rigidezza del solaio nel proprio piano.

Negli edifici storici questa funzione era svolta solitamente dalle catene con capochiave disposte nelle vicinanze e parallelamente ai muri perimetrali. Esse tuttavia risultano collegate alle pareti solo in alcuni punti ed inoltre sono dotate soltanto di rigidezza estensionale e non flessionale.

Al fine di garantire la robustezza e la stabilità d’insieme, i muri paralleli della scatola muraria devono essere collegati tra loro da incatenamenti metallici ad essi ortogonali. Essi, disposti ortogonalmente all’orditura del solaio, hanno lo scopo di creare un vincolo all’inflessione fuori piano della parete quando quest’ultima non è vincolata da un solaio di adeguata rigidezza. Inoltre, il buon funzionamento scatolare è garantito dalla presenza di solai infinitamente rigidi nel proprio piano in maniera tale da ripartire correttamente l’azione sismica tra gli elementi

Il meccanismo di ribaltamento della parete è attivato in presenza di azioni sismiche di modesta entità; la rottura nel piano al contrario si manifesta per azioni molto più elevate.

Ciò significa che per un corretto funzionamento d’insieme una volta precluso il meccanismo fuori piano, il problema è trasferito sulla resistenza della singola parete alle azioni nel piano con contributo di natura sia flessionale che tagliante.

In altre parole, garantendo un buon grado di ammorsamento o incatenamento tra le pareti perimetrali, la singola parete, investita dall’azione sismica, nella risposta chiama in collaborazione i muri ad essa ortogonali, trasferendo loro un’azione agente nel piano e attivando quindi il meccanismo resistente nel quale essi esplicano la loro naturale resistenza a taglio.

2.3.1

Comportamento di una cella muraria elementare

nei confronti di azioni orizzontali.

Nell’analisi degli edifici esistenti si possono presentare diverse situazioni che dipendono dal grado di collegamento tra le pareti ortogonali e tra il solaio ed le pareti.

Da quanto detto ne deriva una diversa schematizzazione del pannello murario e di conseguenza anche un maggiore o minore carico applicato.

In particolare, nel caso di pareti ortogonali non collegate fra loro e di solaio appoggiato, la forza sismica che investe le pareti parallele alla stessa, viene portata direttamente alla base del muro. Lo schema statico che ne consegue per la parete investita perpendicolarmente dal sisma è quello di una mensola caricata con un carico uniformemente distribuito su tutta l’altezza: è facile capire che questa parete subisce rapidamente il collasso per flessione o per instabilità; al contrario il pannello murario parallelo alla direzione del sisma è sollecitato, con tensioni modeste, a taglio e flessione nel proprio piano.

Figura 4: Schematizzazione della risposta di un edificio elementare alle azioni orizzontali con pareti ortogonali non collegate e solaio appoggiato.

Nella situazione in cui le pareti ortogonali siano efficacemente collegate, anche in presenza di solaio deformabile, la parete investita dal sisma trasferisce parte dell’azione ai muri ad essa ortogonali. La schematizzazione di piastra vincolata sui tre lati risulta migliore del caso precedente ma ancora con rischio elevato di collasso.

Figura 5: Schematizzazione della risposta di un edificio elementare alle azioni orizzontali con pareti collegate solaio deformabile.

Una situazione migliore è sicuramente quella in cui, anche in presenza di pareti non collegate, siamo di fronte ad un solaio collegato a tutti i pannelli e infinitamente rigido nel proprio piano. In questo caso l’azione sismica viene

trasferita prevalentemente sui muri paralleli con schematizzazione delle pareti ortogonali con vincolo di appoggio superiore e inferiore dato dal solaio, con conseguente diminuzione delle tensioni.

Figura 6: Schematizzazione della risposta di un edificio elementare alle azioni

orizzontali con pareti non collegate e solaio collegato a tutti i pannelli murari.

La situazione più favorevole si ha nel caso di pareti ben collegate tra loro e al solaio: ancora una volta si ha il trasferimento dell’azione sismica alle pareti parallele attraverso il solaio con funzionamento a piastra appoggiata sui quattro lati della parete investita dal sisma. Essa ne risulta sicuramente meno sollecitata a flessione.

Figura 7: Schematizzazione della risposta di un edificio elementare alle azioni orizzontali con pareti ben collegate tra loro e solaio collegato a tutti i pannelli murari.

2.4 Le modalità di collasso di una parete in muratura.

Per le pareti in muratura si possono distinguere tre distinte modalità di collasso ed elencare secondo la gerarchia:

- disgregazione della tessitura muraria;

- meccanismo di collasso della parete al di fuori del piano; - meccanismo di collasso della parete nel piano.

2.4.1 Disgregazione della tessitura muraria.

La disgregazione della tessitura muraria avviene di solito con espulsione del paramento esterno o con lo sganciamento dello stesso il quale porta comunque all’espulsione.

2.4.2 Meccanismo di collasso della parete al di fuori del

piano.

Il collasso della parete fuori piano può comportare la deformazione del complesso strutturale con distacco dei muri di facciata e sfilamento delle travi ad essi ortogonali; si può verificare inoltre la flessione delle pareti di facciata ortogonali alla direzione del sisma e lo scorrimento della cella muraria.

Figura 9:Rottura fuori piano.

Estensione della cella muraria.

Flessione della cella muraria.

Figura 12: Flessione della cella muraria.

Deformazione per scorrimento della cella muraria.

Figura 14:Deformazione della cella muraria per scorrimento.

2.4.3 Meccanismo di collasso della parete nel piano.

Il meccanismo di collasso della parete nel piano comporta una crisi per taglio o ad una crisi per flessione.

Figura 15: Rottura nel piano.

Crisi per taglio.

I meccanismi di “rottura per taglio”solitamente comprendono fenomeni fessurativi di diversa natura.

La rottura per taglio si manifesta con la formazione di fessure inclinate diagonalmente (fig. 17). Esse possono interessare prevalentemente i giunti di

malta con la tipica configurazione “a scaletta”, oppure possono formarsi all’interno del mattoni o blocchi.

Solitamente la comparsa di fessure diagonali visibili avviene per valore del taglio agente prossimo al taglio resistente.

La rottura per taglio con fessurazione diagonale è di tipo fragile; in particolare quando l’azione di taglio è di natura ciclica, la crisi avviene con formazione di due sistemi di fessure diagonali incrociate.

Figura 16: Tipo di rottura per sollecitazioni taglianti.

Figura 17: Meccanismo di crisi per taglio.

Un altro tipo di crisi dovuto alle tensioni tangenziali è lo scorrimento di un setto murario sull’altro lungo superfici di frattura orizzontali solitamente posti nei letti orizzontali.

Crisi per flessione.

La fessurazione di una sezione avviene quando la massima tensione normale di trazione raggiunge la resistenza a trazione dei giunti orizzontali.

La fessurazione per flessione non costituisce uno stato limite ultimo, tuttavia a causa della progressiva parzializzazione, dà origine a non linearità nel comportamento.

Solitamente in un pannello murario la rottura per presso-flessione provoca lo schiacciamento della muratura al lembo compresso delle sezioni estreme. Per bassi valori del carico assiale, l’estensione della zona compressa è modesta tali da portare alla formazione di ampia fessura di natura flessionale: si sviluppa un cinematismo di ribaltamento simile a quello di un blocco rigido.

Figura 18: Meccanismo di crisi per presso-flessione.