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Capitolo 1
Introduzione
1.1. Obiettivi
I meccanismi di collasso sviluppati da pareti in muratura durante un evento sismico si possono distinguere in due grandi tipologie [Giuffrè, 1993]: meccanismi di crisi di primo modo, o fuori piano, e di secondo modo, o nel piano. I meccanismi di I modo riguardano quei cinematismi di collasso connessi al comportamento delle pareti murarie fuori dal proprio piano, quindi crisi per flessione e ribaltamento (Fig. 1.1).
(a) (b)
Figura 1.1 Esempi di meccanismo di I modo: ribaltamento della facciata (a) Chiesa di Santa Maria Paganica
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Per meccanismi di II modo si intendono quei cinematismi che si sviluppano nel piano della parete, con tipici danneggiamenti per taglio e flessione (Fig. 1.2).
Figura 1.2 Esempio di meccanismo di II modo: lesioni a X nelle pareti di tamponamento di un edificio
residenziale
Il collasso fuori piano delle pareti perimetrali tende spesso a verificarsi prima di quello nel piano, a causa di molti fattori concomitanti, tra cui i più importanti risultano essere:
natura non monolitica della compagine muraria, debolezza del vincolo offerto dagli impalcati, scarso ammorsamento tra le pareti ortogonali,
configurazione geometrica sfavorevole delle pareti perimetrali.
Gli insufficienti collegamenti tra pareti ortogonali e tra pareti e impalcati impediscono alla struttura di sviluppare una risposta globale generata dalla collaborazione di tutte le pareti. In tal caso, le sollecitazioni indotte durante un terremoto, non saranno ripartite in maniera omogenea su tutte la struttura ma ciascuna parete avrà un comportamento praticamente indipendente a causa della limitata interazione con il resto dell’edificio.
Viceversa, la presenza di un buon ammorsamento tra le pareti, dovuto ad esempio alla presenza di catene metalliche, fa assumere all’edificio un comportamento d’insieme (“effetto scatolare”) che gli consente di ripartire tra le diverse membrature le sollecitazioni dovute al sisma (Fig. 1.3).
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Figura 1.3 Influenza del grado di vincolo tra gli elementi sulla risposta sismica: pareti non vincolate o
ammorsate (a) pareti ammorsate con orizzontamento flessibile (b) e rigido (c)
Negli edifici storici è molto frequente riscontrare l’attivazione di meccanismi di crisi fuori piano a causa della totale assenza di vincoli tra le pareti ortogonali o del forte deterioramento a cui sono andati incontro, nel corso del tempo, gli elementi di ritenuta come ad esempio le catene lignee con capochiave metallico (Fig. 1.4). Tali elementi venivano inserite all’interno delle pareti ortogonali in maniera tale da conferire all’intera fabbrica un effetto cerchiante utile per aumentare la resistenza alle azioni sismiche. L’efficacia di queste catene però è molto difficile da valutare: il legno immerso nella muratura è infatti particolarmente soggetto al deterioramento e gli elevati sforzi che si verificano in corrispondenza delle connessioni superano facilmente la capacità del materiale (Fig. 1.5). Per questi motivi è difficile fare affidamento su questi presidi in occasione di eventi futuri.
Figura 1.4 Travi lignee con capochiave metallico
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Il collasso fuori piano delle pareti perimetrali, pur rappresentando un meccanismo locale e quindi interessando solo alcune porzioni dell'edificio, è particolarmente pericoloso, sia perché molte volte si combina con meccanismi nel piano, innescando un collasso vero e proprio dell’organismo edilizio, sia perchè ha spesso conseguenze significative sull'incolumità delle persone. All'interno dell'edificio infatti si possono verificare crolli degli impalcati per sfilamento (Fig. 1.6a), mentre all'esterno si ha invasione della sede stradale e proiezione di materiale su edifici adiacenti (Fig. 1.6b).
(a) (b)
Figura 1.6 (a) crollo parziale della copertura dovuta allo sfilamento delle travi (b) invasione delle sede
stradale dovuta al parziale crollo della parete di facciata
Lo studio dei meccanismi di collasso fuori dal piano, nonostante la sua notevole importanza, ha avuto fino a poco tempo fa scarsa attenzione e solo a partire dal 2003 sono stati introdotti nella normativa italiana criteri di verifica specifici (Ordinanza OPCM n. 3274 “Primi elementi in materia di criteri generali per la classificazione sismica del
territorio nazionale e di normative tecniche per le costruzioni in zona sismica” del 20
Marzo 2003). Nel 2008, con la pubblicazione delle nuove norme tecniche per le costruzioni, tali criteri di verifica sono stati ripresi e ampliati. In particolare nella Circolare del Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti del 2 Febbraio 2009 n. 617 Istruzioni per
l’applicazione delle “Nuove norme tecniche per le costruzioni” di cui al decreto ministeriale 14 Gennaio 2008 sono descritti due metodi generali di verifica per
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meccanismi di collasso fuori piano: l’analisi cinematica lineare che si basa su un approccio sostanzialmente in termini di forze e l’analisi cinematica non lineare che invece è un approccio in termini di spostamento. Nella maggior parte dei casi, tali metodologie risultano essere molto cautelative. Seguendo l’approccio riportato in normativa si ottiene che l’azione sismica in grado di provocare il collasso è bassissima: il risultato di tali valutazioni appare eccessivamente cautelativo e non è di fatto realistico, in quanto la maggior parte degli edifici esaminati dovrebbero essere già crollati in passato per sollecitazioni sismiche molto inferiori a quelle già sperimentate invece senza danni significativi.
Va però ricordato che è di fondamentale importanza scegliere le ipotesi di modellazione a favore di sicurezza in modo da poter controllare che il grado di sicurezza reale sia superiore a quello calcolato. Negli edifici storici, per lo meno in quelli di interesse storico - artistico, tuttavia è altrettanto importante non adottare metodologie eccessivamente a favore di sicurezza, proprio per poter rispettare il principio di minimo intervento che consente la salvaguardia del bene e delle sue caratteristiche intrinseche.
Per questi motivi si è ritenuto opportuno approfondire l’argomento andando ad analizzare il reale moto oscillatorio di pareti sottoposte ad azioni sismiche partendo dal fondamentale studio di Housner del 1963 [Housner, 1963] e dalle ricerche sperimentali di Doherty [Doherty, 2000 – 2002] e di Sorrentino [Sorrentino, 2000 – 2008].
In base a quanto sopra riportato si è deciso di concentrare l’attenzione, del presente lavoro di Tesi, sulla modellazione del comportamento di pareti sollecitate fuori piano sottoposte a meccanismi di ribaltamento semplice. Si studierà il comportamento fuori piano della parete di facciata delle chiese di San Pietro di Coppito (L’Aquila), di San Giuseppe dei Minimi (L’Aquila) e di Santa Maria degli Angeli (Civita di Bagno) colpite dal sisma del 6 Aprile 2009. Saranno svolte analisi cinematiche lineari e non lineari seguendo l’approccio contenuto nella normativa vigente e si cercherà di descrivere in maniera più accurata e approfondita il reale moto di dondolamento della parete svolgendo un’analisi dinamica con integrazione diretta dell’equazione del moto.
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1.2. Struttura della tesi
Riportiamo di seguito la struttura delle presente Tesi, con l’indicazione dei principali argomenti trattati nei vari capitoli.
Nel capitolo 1 è stata proposta un’introduzione generale sui meccanismi di collasso delle pareti murarie per sollecitazioni nel e fuori piano. Sono state inoltre chiarite le motivazioni che hanno portato a concentrare l’attenzione sulla crisi per ribaltamento di pareti murarie di edifici ecclesiastici.
Nel capitolo 2 viene presentato un inquadramento generale dello stato dell’arte della ricerca in merito alla modellazione dei meccanismi di collasso fuori piano nelle costruzioni in muratura, con particolare riferimento alle analisi in campo dinamico non lineare. Vengono descritti in maniera approfondita i lavori di maggior interesse storico che si sono occupati di dinamica del corpo rigido: il lavoro fondamentale di Housner [Housner, 1963], le analisi di Doherty [Doherty, 2000 – 2002] e le ricerche più recenti del professor Sorrentino [Sorrentino, 2000 – 2008].
Il capitolo 3 riguarda la definizione del meccanismo di collasso preso in considerazione nell’analisi del ribaltamento di pareti con vincoli monolateri. È descritta in maniera dettagliata l’equazione del moto di dondolamento (rocking) e l’algoritmo di integrazione numerica determinato per ottenere la risposta, in termini rotazionali, della parete sottoposta ad azione sismica.
Il capitolo 4 analizza l’evento sismico del 6 Aprile 2009 a partire dalla sismicità dell’area aquilana e riporta i risultati di analisi dinamiche del moto di rocking effettuate su tre chiese sottoposte al sisma.
Il capitolo 5 contiene i risultati delle analisi previste dalla normativa NTC2008 nei confronti dei meccanismi di collasso fuori piano che hanno interessato le facciate delle tre chiese prese in esame.
Nel capitolo 6 vengono riportati in dettaglio i risultati ottenuti dall’analisi del moto di rocking utilizzando accelerogrammi spettro - compatibili.
Il capitolo 7 ha come obiettivo principale quello di confrontare i risultati ottenuti dai tre tipi di analisi: analisi cinematica lineare, analisi cinematica non lineare e analisi del moto di rocking con accelerogrammi spettro - compatibili.
Il capitolo 8 riporta le conclusioni dell’intero lavoro e delinea i punti che necessitano di maggiore approfondimento indicando i possibili sviluppi futuri della ricerca.
