4 LA VULNERABILITÀ SISMICA DEGLI EDIFICI IN
MURATURA
L'osservazione degli effetti causati dai terremoti in Italia, ha evidenziato che più che l'intensità del sisma, è l'elevata vulnerabilità del patrimonio edilizio a determinare le conseguenze più gravi in termini di danni agli edifici e di vite umane.
La valutazione della vulnerabilità sismica di manufatti esistenti non può prescindere dalla conoscenza dello stato di fatto dell'edificio. La natura delle strutture portanti, la qualità dei materiali, la presenza o meno di carenze strutturali sono dati essenziali per le verifiche di sicurezza e l'eventuale progettazione di interventi di adeguamento o miglioramento antisismico dell'edificio.
In quest'ottica si è mossa anche la normativa nazionale aumentando la severità delle verifiche in funzione del livello di conoscenza della costruzione9.
Un buon livello di conoscenza può essere raggiunto solo grazie all'esecuzione di rilievi, saggi e indagini estesi a campione sull'intero edificio, mirati a individuare le caratteristiche strutturali degli elementi e a evidenziare le loro eventuali carenze. La conoscenza dei particolari costruttivi e delle proprietà meccaniche dei materiali è fondamentale per stabilire, al verificarsi del sisma, la distanza tra la risposta reale delle strutture e il corretto comportamento scatolare d'insieme dell'edificio.
Quest'ultimo dipende essenzialmente da:
• l'efficacia dei collegamenti tra pareti verticali e la distanza massima tra pareti di controvento;
• l'efficacia dei collegamenti tra pareti verticali e orizzontamenti; • il comportamento a diaframma dei solai;
• la natura spingente o meno delle coperture;
• il sistema costruttivo delle murature e la resistenza meccanica dei materiali; • la regolarità in pianta e in elevazione dell'edificio;
• la presenza di eventuali interventi “recenti” che modificano la rigidezza delle strutture e soprattutto aumentano i carichi permanenti.
4.1 Il comportamento scatolare
Un buon comportamento della costruzione sotto l'azione sismica è garantito da un funzionamento globale (scatolare); in tal modo infatti, le pareti verticali disposte nelle due direzioni principali della pianta dell'edificio, costituiscono un unico sistema resistente alle azioni orizzontali. Affinché si realizzi un sistema scatolare è necessaria la presenza di efficaci collegamenti sia tra pareti verticali ortogonali, sia tra pareti e orizzontamenti (solai e coperture).
La muratura infatti, possiede una capacità di resistenza a trazione praticamente nulla e ciò comporta nel caso di pareti isolate, una scarsa resistenza alle azioni perpendicolari al proprio piano. È necessario quindi, che tali forze durante il sisma vengano opportunamente trasferite alle pareti ortogonali attraverso collegamenti efficaci. In tal modo su ciascuna parete agiscono azioni nel proprio piano, realizzando un meccanismo resistente in cui ciascun elemento esplica la sua naturale resistenza a taglio, evitando il ribaltamento fuori dal piano (Figura 4.1). Tale meccanismo viene attivato per modesti valori dell'azione sismica; al contrario la rottura per taglio nel piano
Figura 4.1 : meccanismo di ribaltamento fuori dal piano in assenza di collegamenti tra pareti
ortogonali (a); trasferimento delle azioni orizzontali fuori dal piano ai muri di controvento in presenza di collegamenti tra pareti ortogonali (b).
è causata per forze nettamente maggiori.
Ovviamente ciò non può prescindere dalla qualità dei materiali che costituiscono la muratura, realizzata a regola d'arte, in modo da evitare fenomeni di disgregazione.
4.1.1 Collegamenti tra strutture verticali
Il collegamento tra le strutture verticali si realizza tramite la presenza di ammorsamenti tra pareti ortogonali, o grazie all'inserimento di catene metalliche.
Nel primo caso i cantonali dell'edificio devono essere realizzati con elementi artificiali in laterizio o in pietra squadrata disposti in senso alternato, lungo tutto lo sviluppo verticale della parete e tali da interessare l'intero spessore murario (e non solo il paramento esterno, come spesso accade) (Figura 4.2).
Un buon collegamento tra le strutture verticali può essere realizzato anche con la presenza di catene metalliche poste a tutti i piani alla quota dei solai, in corrispondenza dei giunti tra setti murari ortogonali. Affinché siano efficaci, le catene devono essere tese, opportunamente dimensionate e disposte a coppia parallelamente alle murature in entrambe le direzioni principali. Nel caso di giunto a T le catene devono essere poste su entrambi i paramenti murari (Figura 4.3).
Le catene inoltre, devono essere corredate di capochiave (a piastra o a paletto), adeguatamente dimensionati e orientati in modo tale da coinvolgere sia il solaio che la
Figura 4.2: sono indicati alcuni esempi significativi di assenza di cantonale (a), di cantonale
parete verticale come elementi di contrasto (Figura 4.3). In ogni caso devono essere evitati fenomeni di inflessioni del setto murario.
In molte costruzioni esistenti non è garantito un adeguato ammorsamento tra murature ortogonali, in quanto in passato si costruiva in funzione delle sole azioni statiche per le quali, al contrario di quelle dinamiche, non è necessario garantire un comportamento globale della struttura.
Meccanismi di ribaltamento fuori dal piano possono verificarsi anche in presenza di pareti di controvento poste a una distanza eccessiva tra loro (Figura 4.4). Ovviamente il vincolo tra muri ortogonali deve essere efficace e ciò dipende dal grado di ammorsamento tra le pareti e dalla presenza o meno di aperture in prossimità dello spigolo. Questi due fattori infatti, determinano l'angolo di distacco del cuneo diagonale nel meccanismo di ribaltamento. È necessario quindi che le aperture presenti nel muro di controvento distino almeno 1 m dallo spigolo affinché il vincolo possa essere considerato efficace.
Figura 4.3: esempi di corrette disposizioni delle catene metalliche: (a) giunto a L con catene in
entrambe le direzioni; (b) giunto a T con catene su entrambi i paramenti; (c) capochiave a paletto orientato in modo da utilizzare sia il solaio che la parete ortogonale come elementi di contrasto.
4.1.2 Collegamenti tra strutture verticali e orizzontamenti
Anche il buon collegamento tra pareti e orizzontamenti è necessario al fine di trasferire le azioni orizzontali di piano dai solai ai setti murari realizzando un comportamento scatolare della struttura. Ciò può essere realizzato tramite elementi continui di collegamento sviluppati lungo tutto il perimetro del solaio quali cordoli, profilati d'acciaio, reti risvoltate sulle pareti verticali e opportunamente ammorsate, ecc.
Per quanto riguarda i cordoli, è necessario che questi siano adeguatamente armati sia longitudinalmente che trasversalmente e che siano ammorsati alla muratura; inoltre, devono interessare l'intero spessore murario. Nel caso infatti in cui essi siano realizzati in breccia (Figura 4.5), come spesso accade nel caso di rifacimento dei solai, si ha un duplice effetto negativo: il solaio (spesso molto più pesante dell'originale) scarica solo sul paramento interno che possiede una sezione resistente minore rispetto a quella dell'intero setto; allo stesso tempo sul solo paramento esterno gravano tutti i carichi verticali provenienti dai piani sovrastanti, che possono creare problemi di instabilità per carico di punta. Inoltre, al momento del sisma, il cordolo armato può realizzare un effetto di martellamento sul foglio esterno della parete, portando all'espulsione della muratura (Figura 4.5).
Figura 4.4: meccanismo di ribaltamento della pareti in funzione della distanza massima (L) tra i
Nel caso di assenza di cordoli, i travetti del solaio (in acciaio o in legno) se non ben ancorati alla muratura, durante il sisma possono provocare fenomeni di martellamento sulle pareti e essere soggetti a sfilamento soprattutto ai piani superiori in cui l'attrito con la muratura dovuto ai carichi verticali sovrastanti, risulta ovviamente minore.
4.1.3 Comportamento a diaframma dei solai
Un altro requisito importante al fine di garantire un comportamento scatolare all'edificio è la rigidezza dei solai nel proprio piano: in tal modo questi garantiscono un'adeguata ripartizione delle azioni sismiche sulle strutture verticali. Affinché ciò si verifichi, è opportuna la presenza di una soletta in calcestruzzo armato, di travetti orditi nei due sensi resistenti sia a trazione che a compressione, oppure di un sistema controventato nel caso di elementi resistenti alla sola trazione.
Nel caso di interventi su edifici esistenti in muratura, l'esigenza di fornire un'adeguata rigidezza agli orizzontamenti (che può essere raggiunta con la sostituzione completa dei solai esistenti o nell'inserimento di cordoli, ecc) deve essere adeguatamente bilanciata con la necessità di non causare un eccessivo sovraccarico sulle murature dimensionate per carichi inferiori.
Figura 4.5: cordolo in cemento armato realizzato in breccia: (a) flusso dei carichi provenienti dai
piani superiori sul paramento esterno; (b) martellamento del solaio rigido sulla parete con espulsione della muratura; (c) instabilità per carico di punta del foglio esterno non interrotto da orizzontamenti.
4.1.4 Le coperture
Come i solai, anche le coperture devono essere efficacemente collegate alle pareti perimetrali attraverso un cordolo in cemento armato, in grado di trasferire le azioni orizzontali del sisma alle strutture verticali portanti; tale vincolo costituisce una sorta di “cerchiaggio” in testa dell'intera struttura che favorisce un comportamento globale dell'edificio.
Deve essere valutata anche la natura spingente della copertura: la presenza di spinte orizzontali supplementari sulle murature perimetrali dovute al sisma, può favorire il collasso per ribaltamento dei setti murari. Nelle coperture a padiglione la presenza dei puntoni può creare crolli localizzati della muratura nelle zone d'angolo (Figura 4.6).
Coperture ad una sola falda risultano poco spingenti; nel caso di tetto a due falde invece, per limitare l'azione spingente della copertura, è necessaria la presenza di tramezzi intermedi, oppure di travi di colmo di opportuna altezza; le spinte della copertura possono essere annullate grazie all'inserimento di tiranti metallici (catene) opportunamente disposti oppure di capriate. Ovviamente, minore è l'inclinazione della falda, minore è la spinta esercitata sulle murature (Figura 4.7).
Figura 4.6: esempio delle spinte esercitate durante il sisma dai puntoni di un tetto a padiglione con
Oltre alla rigidezza, un altro aspetto fondamentale degli orizzontamenti è costituito dalla loro massa. Un eccessivo carico dovuto alla copertura incide negativamente sulla vulnerabilità dell'edificio, in quanto determina la nascita di elevate forze d'inerzia in sommità che possono superare la resistenza ultima delle murature.
4.2 La qualità delle murature
La qualità del sistema resistente è un requisito essenziale nella valutazione della vulnerabilità. Ad essa concorrono sia la qualità dei materiali componenti (malta e blocchi), sia la qualità del tessuto murario intesa come disposizione e dimensione degli elementi costituenti la parete (blocchi artificiali, mattoni o pietre).
Una muratura di buona qualità deve essere realizzata da blocchi disposti ordinatamente, su filari quanto più possibili orizzontali, con giunti verticali sfalsati, di
pezzatura regolare, secondo uno schema di reticolo a maglie regolari. In tal modo viene garantito un buon ingranamento degli inerti (Figura 4.8).
Nel caso di pareti costituite da due paramenti è necessaria la presenza di elementi trasversali di collegamento chiamati diatoni che attraversando tutto lo spessore della parete, costituiscono il collegamento tra i due fogli della muratura. La presenza dei diatoni fornisce alla parete la monoliticità trasversale; durante il sisma è impedito lo scorrimento relativo tra i due paramenti e il meccanismo di ribaltamento coinvolge tutto il setto nella rotazione intorno alla base, realizzando così un comportamento globale (Figura 4.9).
Figura 4.9: esempi di comportamento al sisma di due murature: (a) in assenza di diatoni i due
paramenti scorrono l'uno sull'altro; (b) la presenza di collegamenti trasversali conferisce monoliticità alla parete.
Figura 4.8: esempi di murature: (a) pezzatura irregolare di scarsa qualità; (b) muratura in blocchi
squadrati con giunti sfalsati e presenza di diatoni; (c) muratura con ricorsi in laterizio che attraversano tutto lo spessore murario.
Non sempre un paramento esterno ben organizzato è sinonimo di buona qualità della muratura; molto spesso infatti, nel caso di murature a sacco, malgrado la presenza di un “buon” paramento esterno, quello interno è realizzato con sassi di risulta mal disposti e mancano i diatoni di collegamento tra i due fogli. È perciò sempre opportuno procedere a saggi esplorativi lungo tutto lo spessore delle murature per verificarne l'effettiva qualità.
La presenza di listature, come ricorsi in mattoni pieni o fascioni in calcestruzzo, comporta una ridistribuzione favorevole delle tensioni di contatto fra gli elementi resistenti, andando a migliorare complessivamente la qualità della muratura. Perché tali elementi siano efficaci, le listature devono interessare l'intero spessore murario e la malta deve essere ben conservata; in caso contrario possono invece eventualmente costituire elemento di vulnerabilità, diminuendo l'omogeneità della tessitura muraria (Figura 4.8).
Dalle caratteristiche della malta dipende il grado di monoliticità della parete. Una malta dalle elevate caratteristiche meccaniche può, anche in presenza di inerti piccoli e mal disposti, conferire sufficiente resistenza alla parete; al contrario una malta cementizia di ottima qualità può non essere sufficiente nel caso di blocchi in laterizio eccessivamente forati. Le murature in pietra arrotondata di fiume presentano un'elevata fragilità a causa della superficie estremamente levigata che impedisce un buon livello di aderenza con il legante (malta).
Anche in questo caso è necessario procedere all'esecuzione di accurati saggi per individuare la resistenza tangenziale caratteristica del pannello murario e lo stato di conservazione della malta influenzato dagli agenti atmosferici, dalla composizione chimico – fisica iniziale e da eventuali successivi interventi di ristilatura dei giunti
4.3 Regolarità in pianta e in altezza
La risposta di un edificio all'azione sismica è migliore (in termini di risposta globale) nel caso di regolarità planimetrica e in elevazione in termini di massa e rigidezza.
Per quanto riguarda la configurazione planimetrica, la forma ideale è il quadrato, che risulta simmetrico nelle due direzioni principali. Infatti in questo caso il centro di massa10 e il centro di rigidezza11 della struttura coincidono, annullando le rotazioni
relative di piano. Se il momento torcente è nullo ciascun piano è soggetto alla sola traslazione e nell'ipotesi di solai rigidi nel piano, tutti i punti subiscono un uguale spostamento.
La presenza di piante rettangolari molto allungate, o di forme irregolari (a L, a T, ecc) aumenta la vulnerabilità dell'edificio, inducendo la formazione di momenti torcenti supplementari. Altri elementi di irregolarità sono l'eccentricità degli elementi resistenti che aumentano l'entità dei momenti torcenti e la differenza di area resistente nelle due direzioni principali.
La regolarità in elevazione degli edifici dipende essenzialmente dalla presenza di piani deboli, dall'improvvisa variazione della massa rispetto ai piani adiacenti, dalla presenza di rientranze o sporgenze della struttura o dall'irregolarità del terreno. Estremamente dannosa risulta la presenza di pilastri o muri portanti in falso e di piani sfalsati che durante il sisma provocano il martellamento del solaio sulle strutture verticali.
Per gli edifici in muratura la disposizione delle aperture influenza significativamente la regolarità in elevazione. Una loro errata disposizione infatti, può provocare pericolosi flussi di tensioni prodotte dai carichi e rendere i setti troppo snelli. Negli edifici costruiti nel passato è facile trovare la presenza di porticati, loggiati e altane che diminuendo la rigidezza del setto, rendono il piano in cui si trovano più debole rispetto agli altri. Anche la presenza di torrette che si elevano rispetto al resto della costruzione costituisce un elemento di vulnerabilità.
La regolarità in altezza non dipende solo dalla geometria, ma anche dai materiali. Questa può essere compromessa ad esempio da sopraelevazioni con materiale diverso, magari più pesante rispetto a quello originale.
