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Capitolo 1
Le costruzioni in
muratura
1.1 Introduzione.
Fin da quando fecero la loro comparsa, con l’avvento delle grandi civiltà, le costruzioni in muratura hanno progressivamente sostituito le precedenti tipologie costruttive, le quali erano caratterizzate da tecniche edilizie molto rudimentali come legname, paglia, pelli di animali. Ci si rese presto conto del fatto che, disponendo per sovrapposizione ed incastro, elementi di pietra di diverse forme e dimensioni, si riuscivano ad ottenere sistemi resistenti molto efficaci. Nascevano in questo modo le prime murature portanti, le quali, oltre ad essere maggiormente resistenti, e quindi in grado di sopportare carichi sempre maggiori, fornivano anche un miglior grado di protezione ed isolamento nei confronti dei diversi agenti atmosferici. In più, questo nuovo tipo di realizzazione presentava una
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caratteristica essenziale rispetto alle tipologie precedenti; la sua durata nel tempo era nettamente superiore.
Le prime tipologie di strutture murarie si fanno risalire addirittura all’età preistorica, con ritrovamenti di quelle che sono definite strutture megalitiche, cioè strutture ottenute per accostamento a secco di pietre di grandi dimensioni, e riempiendo gli spazi più piccoli con elementi di dimensioni minori.
Con il passare del tempo la tecnologia muraria ha avuto un notevole progresso, sia in termini di materiali utilizzati, sia per quanto riguarda le tecniche costruttive. In merito ai materiali infatti, c’è stato un progressivo passaggio dall’uso di pietre con forme irregolari e varie dimensioni, le quali portavano alla realizzazione di una muratura molto disomogenea, all’utilizzazione di blocchi di pietra squadrata, i quali consentivano l’esecuzione di muri più regolari, con un migliore sfruttamento del materiale impiegato. La necessità di costruire anche in luoghi lontani da cave di pietra ha stimolato già in epoche remote la realizzazione di costruzioni in muratura composte da elementi artificiali. Questi erano costituiti da impasti di argilla, alla quale venivano aggiunti altri elementi, come ad esempio la paglia, al fine di ottenere un prodotto più compatto e resistente, dato che tali elementi non erano cotti, ma soltanto lasciati essiccare al sole. Solo successivamente fu visto che cuocendo questi mattoni, essi acquisivano caratteristiche nettamente superiori rispetto ai mattoni non cotti, soprattutto in termini di resistenza e durabilità nel tempo. Tali elementi infatti erano immuni dallo sfaldamento una volta venuti a contatto con l’acqua.
Anche le tecniche costruttive, si sono evolute nel corso dei secoli e, di pari passo con lo sviluppo dei materiali, hanno consentito la realizzazione di strutture molto più efficienti e funzionali. Se infatti inizialmente il tipico muro era realizzato dalla semplice sovrapposizione di pietre molto disomogenee sia in forma, tipologia e dimensione, posizionate esclusivamente a secco, si è mano a mano passati alla costruzione di paramenti murari impiegando pietre sempre più regolari nella forma e nelle dimensioni, e introducendo un elemento essenziale, fino ad allora totalmente ignorato nelle opere murarie; la malta. La malta ha portato una notevole rivoluzione nell’ambito delle costruzioni in muratura, in quanto queste risultavano essere ancora più stabili ed il livello di coibentazione e protezione dagli agenti esterni risultava notevolmente aumentato.
Oggi le costruzioni in muratura, risalenti a differenti periodi storici, dalle costruzioni romane, medievali, alle strutture rinascimentali ed ottocentesche, fino alle più recenti che dai primi del novecento giungono fino ai giorni nostri, rappresentano una parte fetta cospicua del patrimonio edilizio del nostro Paese. Se da un lato questa grande varietà costituisce un patrimonio storico di assoluta grandezza e importanza architettonico – artistica, ogni volta che si presenta il caso di dover intervenire sulle medesime, il tecnico si trova di fronte a problemi di
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entità non trascurabile, data la presenza di differenti gradi di difficoltà e incertezza, caratteristici di queste tipologie strutturali. Queste incertezze sono spesso legate all’identificazione della particolare tipologia di muratura e alla caratterizzazione meccanica dei materiali che la compongono.
Oggi, l’interesse per la conservazione di queste costruzioni e per la loro protezione nei confronti dell’azione sismica sta crescendo d’importanza. Pertanto, si intuisce come sia importante disporre di metodi e strumenti teorici che permettano di eseguire efficacemente l’analisi strutturale delle costruzioni in muratura.
Con l’entrata in vigore del D.M. 14-01-2008, Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni, dove l’intero territorio italiano è stato classificato interamente sismico, con zone identificate dalla 1 alla 4 al diminuire del livello di intensità sismica, il progettista è obbligato a procedere con la valutazione della sicurezza della costruzione, ogni qual volta si debba intervenire su di essa. Caratteristica principale delle strutture in muratura è che esse presentano un comportamento sostanzialmente diverso, a seconda della tipologia di azione nei confronti della quale sono chiamate a reagire. Se infatti possiamo sicuramente affermare che esse hanno un’ottima capacità resistente nei confronti dei carichi verticali, diverso è il discorso in presenza di azioni orizzontali come, ad esempio, le azioni di origine sismica. A differenza delle costruzioni più moderne in cemento armato ed in acciaio, le quali includono all’interno della struttura portante parti appositamente studiate per l’assorbimento di spinte orizzontali, come ad esempio le pareti di taglio per le prime e i controventi reticolari per le seconde, le strutture in muratura non hanno parti appositamente pensate per incassare azioni di tale tipo, le quali devono essere sopportate dagli stessi elementi strutturali che risultano portanti anche per i carichi verticali. Se questa differenziazione, per certi aspetti, può essere vista come una lacuna degli edifici in muratura, in realtà consente di riunire in un unico elemento resistente le caratteristiche necessarie per contrapporsi a tutti i tipi di sollecitazione impressa, sia di tipo gravitazionale, sia di origine sismica. Di fatto la parete di una costruzione in muratura costituisce un elemento capace di riunire in se una moltitudine di esigenze strutturali. Esso soddisfa contemporaneamente diverse e importanti richieste che un elemento di questo tipo deve sempre garantire. Infatti può allo stesso tempo funzionare come parte strutturalmente resistente dell’edificio, sia nei confronti dei carichi verticali che delle azioni orizzontali, ed in più svolgere sia la funzione di separazione dei diversi ambienti interni dell’edificio, che funzionare come elemento coibentante nei confronti degli agenti atmosferici esterni. Negli edifici intelaiati al contrario, dove la struttura resistente è demandata allo scheletro in acciaio o c.a., occorre inserire parti apposite, come le pareti di tamponamento esterne ed i tramezzi per la divisione interna degli ambienti, i quali costituiscono soltanto un peso aggiuntivo
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per l’edificio, con conseguente incremento delle masse sismiche e nessun apporto di resistenza.
Queste caratteristiche sopra elencate hanno determinato una riqualificazione ed un riscoperto interesse nei confronti delle costruzioni in muratura, soprattutto in relazione alla realizzazione di edifici civili con un numero limitato di piani, interesse che per tutto lo scorso secolo è stato rivolto con attenzione quasi maniacale alle strutture in acciaio e in c.a., soprattutto a causa del progresso in ambito teorico della Scienza delle Costruzioni e particolarmente della parte relativa alla teoria tecnica della trave, che hanno portato alla ideazione di modelli matematici ottimizzati appositamente per la valutazione dello stato di sollecitazione e deformazione di strutture a telaio.
Se risulta comunque vero che, al momento attuale, non sia possibile non ricorrere a strutture di maggiore rigidezza e resistenza, quando trattiamo di edifici civili di notevole importanza, per edifici con un numero limitato di piani la muratura può comunque competere con gli altri moderni materiali da costruzione, sia a livello strutturale che economico. Essa permette, infatti, la realizzazione della costruzione in tempi limitati e consente l’impiego di manodopera non particolarmente specializzata.
L’analisi strutturale di un edificio in muratura presenta però aspetti peculiari, ancora non del tutto sistemati in via definitiva, che ne complicano la modellazione. A questo riguardo, basti pensare a come il comportamento meccanico dell’edificio sia fortemente influenzato dalle interazioni fra i solai e le pareti verticali, dall’effettivo grado di ammorsamento fra le murature, ecc.
Da quanto appena detto, si capisce come l’analisi strutturale di edifici in muratura sia un’operazione molto complessa, difficile da eseguire specialmente se s’intende spingere l’analisi in dettaglio. A queste difficoltà si aggiunge poi l’ulteriore complicazione rappresentata dalle incertezze quasi mai trascurabili che affliggono i dati iniziali su cui si basa l’analisi.
Per tali ragioni, la modellazione delle strutture in muratura ha spesso privilegiato la strada della semplificazione, come testimoniano i metodi di analisi maggiormente diffusi in letteratura. Se ad esempio possiamo fare affidamento sul comportamento scatolare dell’edificio, è ragionevole immaginare di poter analizzare il suo comportamento scomponendolo nelle varie pareti di cui è composto e analizzandone separatamente una alla volta: così facendo, l’analisi strutturale risulta certamente semplificata.
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Fig 1.1 Scomposizione di un edificio nelle sue pareti principali
Seguendo questo procedimento, possiamo studiare il comportamento della singola parete di muratura, notando che il suo comportamento può senz’altro collocarsi tra due situazioni limite: la prima è quella dove le fasce di piano, cioè le zone di parete sono comprese tra due file di aperture corrispondenti a livelli diversi, siano infinitamente resistenti a flessione; in tale caso la parete si deformerà come un telaio ideale tipo shear-type. Al contrario, se le fasce di piano avranno una rigidezza flessionale trascurabile rispetto ai maschi murari, la deformata dell’edificio seguirà uno schema a mensola (fig. 1.2).
Fig. 1.2 Deformata ideale di una parete in muratura con fasce di piano infinitamente rigide (in alto) e fasce di piano con rigidezza flessionale trascurabile (in basso).
Nella realtà, il comportamento della parete sarà situato in una situazione intermedia tra le due limite descritte in precedenza, e soltanto in casi particolari potremmo riscontrare un comportamento che si avvicina ad una delle due situazioni estreme. Soltanto in questi casi sarà lecito inserire nuove ipotesi di semplificazione.
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Indipendentemente da quanto finora detto, i metodi di analisi di strutture murarie presenti in letteratura, prevedono la suddivisione della parete in elementi di forma rettangolare, chiamati pannelli. Infatti, analizzando i quadri fessurativi di molti edifici in muratura colpiti da terremoti di entità diversa, è possibile notare come i danni maggiori si concentrino soprattutto in particolari zone della parete: i
maschi murari e le fasce di piano. I primi si identificano nelle zone di parete
comprese tra aperture successive e facenti parte dello stesso orizzontamento, mentre le seconde, le fasce, sono quei pannelli delimitati superiormente e inferiormente dalle aperture (fig. 1.3).
Fig. 1.3 Identificazione, all’interno di una parete in muratura, degli elementi maschio, fascia e nodo.
1.2 Costruzioni esistenti in muratura.
Il rinnovato interesse nei confronti degli edifici in muratura, e delle costruzioni esistenti in particolare, ha stimolato un rinnovato impegno anche per quanto concerne lo studio della loro risposta strutturale. A questo riguardo, uno dei temi che occupa certamente una posizione di primo piano è quello del comportamento degli edifici in muratura soggetti ad azioni di origine sismica.
Tali azioni, applicate al livello della fondazione dell’edificio, inducono un’accelerazione del terreno alla base dell’edificio, provocando la nascita di forze d’inerzia, orizzontali e verticali, che impegnano i diversi setti murari. Il comportamento dell’edificio sarà diverso a seconda delle caratteristiche costruttive che esso presenta. Passando in rassegna gli edifici che hanno manifestato un miglior comportamento nei confronti delle azioni sismiche, si possono individuare quelle caratteristiche che rappresentano altrettanti vantaggi per l’edificio, quali ad esempio: la presenza di orizzontamenti rigidi nel proprio piano, un buon grado di ammorsamento fra le diverse pareti e fra queste e i solai, ecc. Queste caratteristiche inducono l’azione sismica a ripartirsi tra tutti i setti murari, garantendo quello che viene definito comportamento scatolare dell’edificio.
Le caratteristiche sopra elencate, riscontrabili usualmente in edifici di recente costruzione, non sono sempre possedute dagli edifici storici, caratterizzati spesso da solai che non possono essere considerati rigidi nel proprio piano, perché mancanti ad esempio di una soletta in c.a., oppure data la totale assenza di cordoli
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di piano, necessari per garantire un corretto ammorsamento tra pareti e solai ed allo stesso tempo impedire il ribaltamento fuori piano delle pareti. In questi casi, per garantire dei livelli di sicurezza maggiori, specialmente contro il pericolo di ribaltamento della parete fuori dal piano, è consigliata l’introduzione di catene in acciaio.
1.3 Costruzioni storiche in muratura.
Il problema del restauro, conservazione e valutazione della vulnerabilità delle costruzioni esistenti, in particolare quelle aventi una certa importanza dal punto di vista storico-architettonico, è tema di notevole discussione soprattutto in Italia, la cui bellezza riconosciuta a livello mondiale, è nota per le sue opere sparse sull’intero territorio, a dimostrazione del genio creativo che non si è verificato in nessuna altra parte del pianeta.
L’imponente quantità di opere risalenti a varie epoche storiche deve stimolare l’interesse, soprattutto delle amministrazioni locali, ad intervenire su di esse in modo da poterne preservare le caratteristiche nel tempo e, conseguentemente, la propria unicità. Infatti, oltre al semplice degrado, dovuto al trascorrere del tempo, e nei confronti del quale ciascuna costruzione dovrebbe essere periodicamente sottoposta ad opere di manutenzione sia ordinaria che straordinaria, ciò che determina l’aspetto di maggior rilievo nella conservazione di edifici di carattere storico e culturale è la loro protezione nei confronti del terremoto.
Essendo il territorio italiano classificato dall’attuale normativa in vigore come completamente sismico, si capisce come l’aspetto della valutazione della vulnerabilità sismica e della relativa sicurezza del patrimonio edilizio esistente sia un tema di grande interesse e discussione soprattutto tra l’opinione pubblica, anche in conseguenza degli ultimi importanti eventi distruttivi di origine tellurica, che oltre a provocare ingenti danni alle costruzioni presenti, hanno anche provocato la morte di centinaia di persone1.
Quando utilizziamo il termine “costruzioni storiche in muratura”, ci riferiamo ad una vasta quantità di opere che comprendono semplici edifici per civile abitazione, opere di difesa come le cinte murarie a protezione di antichi borghi e città, ponti, ecc.
In questo lavoro di tesi ci riferiremo con tale termine esclusivamente agli edifici storici, essendo questa la tipologia di costruzione che è stata studiata in dettaglio nei capitoli successivi.
Le strutture storiche in muratura presentano caratteristiche costruttive molto diverse e disomogenee le une dalle altre. Ciascuna epoca storica può, in maniera più o meno esatta, essere definita da particolari tecniche costruttive e materiali utilizzati. A differenza delle strutture di recente costruzione, gli edifici storici presentano caratteristiche di progetto e realizzazione che spesso non tengono conto della possibilità che l’edificio sia investito da azioni orizzontali di una
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qualche rilevanza. Nel passato, infatti, l’attenzione era concentrata principalmente sugli effetti prodotti dai carichi verticali, mentre spesso l’eventualità di far fronte alle azioni orizzontali dovute a un terremoto non era considerata adeguatamente. Soltanto in epoche più recenti, specialmente in quelle zone dove gli eventi sismici sono più frequenti, si è iniziato a prendere provvedimenti volti a mitigare la vulnerabilità degli edifici. Gli accorgimenti che hanno visto un più ampio campo d’applicazione sono elencati sinteticamente di seguito.
I paramenti dei vari setti murari non sono più lasciati scollegati, ma sono interconnessi tramite l’impiego di elementi di collegamento chiamati
diatoni. In questo modo le pareti murarie si comportano come un unico
blocco resistente.
Le connessioni tra muri ortogonali ebbero un miglioramento nei confronti del grado di ammorsamento degli elementi che si attestavano gli uni negli altri. Questo particolare costruttivo, se ben realizzato, fornisce un vincolo molto forte nei confronti del ribaltamento laterale della parete.
Tutti i setti murari resistenti erano collegati alle loro estremità tramite cordoli in cemento armato, oppure da catene metalliche. Questi elementi fornivano un ulteriore vincolo alle pareti garantendo resistenza e stabilità soprattutto per azioni fuori piano.
I solai, che costituiscono un elemento fondamentale per la ripartizione orizzontale delle azioni tra le varie murature portanti, dovevano costituire dei diaframmi rigidi nel proprio piano. Questo è stato possibile solo dopo l’introduzione dei solai in latero cemento, a differenza di quanto era ottenuto con solai in legno oppure in acciaio e laterizio (i solai a voltine), tipologie queste non in grado di esplicare una adeguata rigidezza necessaria a ridistribuire le azioni tra gli elementi murari resistenti. Si capisce da tutto ciò, come lo studio e la valutazione della sicurezza di edifici storici in muratura sia in realtà una sfida molto impegnativa per il progettista.
