Pareti alte in muratura armata sollecitate fuori piano

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1 Consorzio POROTON Italia Via Gobetti VERONA Tel Fax info@poroton.it News - Ricerca 13 luglio 2010 Pareti alte in muratura armata sollecitate fuori piano Francesca da Porto, Flavio Mosele, Enrico Garbin, Claudio Modena Dipartimento di Costruzioni e Trasporti, Università di Padova Nell'ambito del progetto di ricerca europeo DISWall, l'università di Padova, in collaborazione con il Consorzio POROTON Italia ed una delle aziende ad esso associate, ha studiato due sistemi per muratura armata realizzati con blocchi di laterizio porizzato a fori verticali e con forma ad 'H' e a 'C'. L'obiettivo principale della ricerca consisteva nella verifica sperimentale del comportamento fuori piano di pareti alte realizzate con tali sistemi. Nel presente contributo si illustrano i risultati di prove cicliche fuori piano realizzate su campioni a scala reale delle due tipologie di muratura, di altezza di 6 metri. Introduzione Nella pratica costruttiva si sta diffondendo l'uso di muratura armata anche per la costruzione di edifici monopiano alti, tipicamente a destinazione commerciale o industriale (1). L'uso di pareti portanti in muratura è molto utile perché esse rappresentano una soluzione tecnologica con notevoli vantaggi non solo dal punto di vista strutturale, ma anche del comfort interno (2 e 3). Da questo punto di vista la muratura, confrontata con altri sistemi strutturali quali quelli a telaio, assicura condizioni termo-igrometriche migliori e più controllate, anche senza l'utilizzo di sistemi di isolamento, ed è quindi preferibile in tutti quei casi, come nell'industria alimentare [fig. 1] o in particolari edifici destinati ai servizi ed al commercio [fig. 2], in cui il rispetto di tali condizioni debba essere assicurato. Fig. 1 Caseificio a Ramiseto (RE). Fig. 2 Centro sportivo a Reggio Emilia. Allo stesso tempo, per pareti snelle in muratura armata, quali quelle degli edifici in figura, l'effetto di azioni ortogonali alle pareti stesse dovute, ad esempio, al vento o alle forze d'inerzia legate al sisma, sono significative. In particolar modo, se le coperture non sono rigide, come spesso accade in questi casi, ma sono realizzate con sistemi deformabili [fig. 3], economicamente più convenienti (caso, ad esempio, degli elementi in cemento armato prefabbricato) oppure preferibili da un punto di vista estetico (caso di molte coperture in legno lamellare), l'effetto delle azioni fuori piano è aggravato dal fatto che la struttura nel suo complesso non ha capacità di redistribuire i carichi orizzontali sulle pareti di controvento.

2 Fig. 3 Edifici monopiano con copertura deformabile. Da sinistra a destra: struttura in lamellare; tegoli prefabbricati a 'doppio T'; copertura a shed. Nell'ambito del progetto di ricerca europeo DISWall (4), si è quindi voluto studiare sperimentalmente, per tali strutture monopiano con pareti alte e coperture deformabili, il problema del comportamento sismico delle pareti investite dall'azione sismica in direzione ortogonale al proprio piano. In questo caso specifico, si è ipotizzato che le pareti possano essere schematizzate come mensole incastrate alla base, e caricate in sommità sia dal peso proprio della copertura, sia dai carichi orizzontali generati dalle forze d'inerzia legate alle masse della copertura e della stessa parete. In tali casi un'altezza tipo per gli ambienti e le pareti può essere di 6-8 m. Con lo spessore del blocco a disposizione (380 mm) si è stabilito di realizzare e testare pareti alte 6 m, in modo da operare ai limiti della snellezza massima imposta dalla normativa (6), che è pari a 15 per muratura armata (λ=15,8 nel caso delle pareti testate). Programma sperimentale Per testare delle pareti che simulino la configurazione strutturale descritta, sono stati realizzati due portali a scala reale, ciascuno dei quali costituito da due pareti parallele in muratura armata, alte 6 m e lunghe circa 2 m [fig. 4]. Fig. 4 Progetto e vista generale della struttura di prova realizzata. Il traverso orizzontale è realizzato per mezzo di un cassone pesante in calcestruzzo e acciaio, che simula la struttura di copertura e trasferisce alle pareti un carico gravitazionale ed un carico orizzontale fuori piano applicato al livello del cassone stesso. Per stabilire un'entità delle forze gravitazionali si è supposto di essere in presenza di ambienti con coperture del tipo descritto in fig. 3, e luci di circa m. In caso di uniforme distribuzione, i carichi di copertura sulle pareti perimetrali possono variare in funzione della luce e della tipologia di copertura dai 10 ai 30 kn/m. Per le prove condotte ci si è posti nella fascia più alta del range di valori definito, in modo da enfatizzare gli effetti di instabilità legati al carico verticale a causa delle deformazioni fuori piano delle pareti (effetto P- ). Il cassone realizzato ha quindi una massa di 10 t, pari ad un carico di circa 25 kn per metro lineare di muratura. Le pareti in muratura armata sono realizzate a partire da cordoli armati fissati ad una platea di reazione gettata contro terra. Il cassone di carico, invece, è collegato alle due pareti per mezzo di vincolo a cerniera, in modo da poter trasferire solo gli spostamenti orizzontali ma non consentire la trasmissione dei momenti. Lo schema vincolare delle due pareti risulta essere quindi quello di mensola incastrata alla base. Tra i due portali è presente una struttura di reazione d'acciaio, sulla quale si fissa l'attuatore idraulico orizzontale utilizzato per applicare il carico fuori piano. I due portali sono stati realizzati utilizzando due sistemi per muratura armata descritti nel prossimo paragrafo. La fig. 4 mostra la struttura di prova progettata ed una sua vista d'assieme.

3 Tipologie di murature testate I sistemi di muratura armata studiati utilizzano blocchi di laterizio porizzati semipieni POROTON, con fori verticali e spessore di 380 mm, e adottano un sistema di armatura concentrata. I due sistemi, già descritti in (5), si basano l'uno sull'utilizzo di blocchi ad 'H' [fig. 5a], l'altro sull'alternanza di blocchi a 'C' e ad 'H' [fig. 5b]. Fig. 5 Sistema RM con blocchi ad 'H' (a sinistra) e con blocchi a 'C' (sotto). L'armatura verticale è costituita da barre ad aderenza migliorata poste ad interasse di 780 mm, per il sistema con blocco ad 'H' una barra di diametro φ16 mm [fig. 6a], mentre per il sistema con blocco a 'C' quattro barre di diametro φ12 mm, che realizzano un traliccio tridimensionale senza sovrapposizioni e chiuso da piccole staffe [fig. 6b]. Fig. 6 Sezioni orizzontali dei campioni testati e viste in fase di costruzione: rmh (a sinistra) e rmc (a destra). La percentuale di armatura verticale risultante è pari allo 0,10% nel caso delle pareti con blocco ad 'H', e pari allo 0,18% per le pareti con blocco a 'C'. L'armatura orizzontale è realizzata con 2 barre ad aderenza migliorata di diametro φ6 mm, distribuite a corsi alterni, per una percentuale sulla sezione della parete pari a 0,04%. L'armatura è tutta costituita da acciaio di tipo B450C. La malta è stata sviluppata appositamente per poter essere

4 utilizzata sia nei giunti orizzontali che per il riempimento delle cavità verticali armate. I blocchi per la costruzione, le malte ed i ferri utilizzati sono stati prelevati durante le fasi di costruzione e testati sperimentalmente. Le caratteristiche meccaniche ottenute sono risultate simili a quelle già ottenute sui campioni testati in laboratorio, e descritti in (5). Prove cicliche fuori piano su strutture a scala reale Le prove sono state eseguite applicando, alla sommità dei portali in muratura armata descritti, spostamenti orizzontali ciclici fuori piano, con ampiezza crescente, ad una frequenza costante pari a 0,004 Hz e fino ad uno spostamento in sommità pari a ±250 mm (massima corsa dell'attuatore: 500 mm, fig. 7). Fig. 7 Dettaglio dell'attuatore per l'applicazione dello spostamento orizzontale (a sinistra) e storia di spostamento applicata (a destra). La storia di spostamento è stata determinata valutando lo spostamento allo stato limite di fessurazione e al massimo carico, in presenza di effetti del secondo ordine, per entrambe le tipologie di muratura. La parte finale della prova, per le pareti con blocco a 'C', è stata condotta monotonicamente, sempre in controllo di spostamento, a causa delle limitazioni nella corsa dell'attuatore. Ciascun portale è stato strumentato complessivamente con 64 sensori: 16 potenziometri a filo (corsa di 500 mm), collocati a quattro livelli in altezza delle pareti per rilevare la deformata delle stesse [fig. 4, livelli 2 5]; 4 potenziometri (±100 mm) per controllare la base del campione [fig. 4, livello 1], altri 12 potenziometri (±50 mm e ±25 mm) per verificare l'eventuale rotazione e spostamento dei cordoli di base delle pareti. I rimanenti strumenti consistevano in strain gauges (3 mm e 6 mm), applicati in fase di costruzione dei campioni sulle armature verticali, in modo da monitorarne le deformazioni. Durante l'esecuzione delle prove cicliche fuori piano, così come per le prove ordinarie di flessione descritte in (5), si è osservato il raggiungimento di 3 stati limite principali. L'apertura della prima fessura, all'interfaccia tra i blocchi ed il giunto di malta orizzontale, è avvenuta in corrispondenza di uno spostamento in sommità d cr di circa 10 mm, per un corrispondente valore di carico orizzontale L cr simile per i due campioni [tab. 1]. Tab. 1 Risultati delle prove cicliche fuori piano. Portale L cr (kn) d cr (mm) L max (kn) d Lmax (mm) L dmax (kn) d max (mm) L cr/max (-) L dmax/max (-) d cr/lmax (-) d max/lmax (-) rmh-r 8,00 12,2 12,44 164,8 11,09 197,4 0,64 0,90 0,07 1,20 rmc-r 10,25 12,2 34,41 310,1 29,27 387,6 0,30 0,85 0,04 1,25 Tale processo di fessurazione continua, interessando i primi quattro corsi, sino ad uno spostamento in sommità di circa 40 mm. All'interno di questo intervallo il comportamento del portale rmh ha presentato una prima forte non-linearità, mentre il processo di propagazione delle fessure per il campione rmc è stato abbastanza uniforme, come si può osservare anche dagli inviluppi dei cicli di carico presentati in fig. 8c e dai cicli completi, riportati in fig. 9.

5 Fig. 8 Deformazione a fine prova per il portale rmc (a); deformazione a fine prova per il portale rmh (b); inviluppi dei diagrammi carico-spostamento in sommità per i due portali (c).

6 Fig. 9 Cicli carico-spostamento ai diversi livelli monitorati: rmh (a destra) e rmc (a sinistra). Le fessure quindi iniziano a propagarsi sull'altezza delle pareti, mentre le fessure già presenti incrementano la loro dimensione, e raggiungono il 13esimo corso nel caso del portale realizzato con blocchi ad 'H', e addirittura il 20esimo corso (su trenta) nel caso del portale realizzato con blocchi a 'C'. Il massimo carico orizzontale fuori piano L max è stato raggiunto in corrispondenza di un livello di spostamento d Lmax in cui l'incremento di sollecitazione flettente dovuto all'effetto P- supera l'incremento di momento resistente legato allo spostamento orizzontale. Nel caso del portale rmh, il carico massimo è stato raggiunto quasi in corrispondenza dello snervamento delle armature, per uno spostamento in sommità di 165 mm e senza avere crushing dei blocchi in zona compressa. Lo stato delle armature è stato rilevato grazie alla presenza degli strain gauges disposti sull'altezza delle armature verticali, che hanno consentito di verificare se e di quanto si fosse superata la tensione di snervamento nelle barre, e quindi quale fosse, almeno in prima approssimazione, l'altezza della parete lungo la quale si forma la cerniera plastica. Successivamente, il massimo spostamento raggiunto in sommità dal portale rmh è stato uguale a 198 mm [fig. 8b]. In corrispondenza di tale valore era visibile chiaramente un ingobbamento lungo l'altezza delle pareti e la velocità di degrado della resistenza era divenuta molto alta, preludio di fenomeni di instabilità. Il massimo carico orizzontale fuori piano L max, per il portale rmc, invece, è stato raggiunto in condizioni di applicazione del carico monotoniche, ad un livello di spostamento d Lmax pari a 310 mm, in corrispondenza del manifestarsi, contemporaneo, dello snervamento dell'armatura e dello schiacciamento della porzione di muratura compressa. La successiva fase di prova, sino al raggiungimento del massimo spostamento d max uguale a 388 mm [fig. 8a, fig. 8c], è stata quindi caratterizzata dal raggiungimento della resistenza flessionale della muratura, con incremento della larghezza delle fessure presenti alla base delle pareti e schiacciamento dei blocchi sino al terzo corso di muratura. Un confronto significativo tra le due tipologie di muratura può essere svolto in corrispondenza del carico massimo raggiunto dal portale rmh. Lo spostamento corrispondente a tale carico, infatti, risulta essere 6 volte inferiore nel caso del portale rmc rispetto al portale di riferimento rmh [fig. 8c]. Oltre alla differente rigidezza, si può osservare che in corrispondenza di tale carico il campione rmc è appena entrato nella fase fessurata. La tab. 1 riporta i valori di carico e di spostamento in sommità agli stati limite individuati, più alcuni rapporti tra valori di carico o di spostamenti ai diversi stati limite. La fig. 9 riporta, per i due portali testati, i cicli di carico applicati in sommità e gli spostamenti ai vari livelli monitorati. Infine, la fig. 10 mostra i profili delle deformate delle pareti costituenti i due portali [fig. 10a, fig. 10c] e le deformazioni rilevate sulle armature verticali per mezzo degli strain gauges disposti a diverse altezze sulle pareti [fig. 10b, fig. 10d]. Da tali diagrammi si può desumere la presenza di una zona, alla base del muro, in cui la deformazione delle barre rimane costante. Questo fenomeno può essere legato ad un appiattimento del diagramma dei momenti flettenti, dovuto agli effetti del secondo ordine.

7 Fig. 10 Profili delle deformate, valori medi per le pareti rmh (a) e rmc (c); profili delle deformazioni nelle armature verticali, parete B del portale rmh (b) e parete A dell'rmc (d). Per fasi avanzate della prova, l'entità delle deformazioni rilevate denunciano la formazione di una cerniera plastica, alla base delle pareti, che si estende per un'altezza di 1,2 1,4 m per le pareti rmh, e si limita a circa 1 m per le pareti del portale rmc. Nel caso del campione rmc si osserva inoltre che quando il fenomeno di schiacciamento dei blocchi nei primi corsi è avanzato, e dunque allo spostamento massimo raggiunto, la rotazione flessionale si concentra proprio in corrispondenza dei primi 2 3 corsi alla base delle pareti. Nonostante il rapporto tra spostamento massimo e spostamento al carico massimo sia simile per le due tipologie di muratura testate [tab. 1], la capacità globale di spostamento, che si può apprezzare confrontando le curve carico laterale-

8 spostamento in sommità dei portali [fig. 8c], risulta doppia per il portale rmc rispetto all'rmh. Riferendosi ancora alla tab. 1, il rapporto tra carico in corrispondenza della fessurazione e carico massimo risulta essere quasi del 65% per il portale rmh, indicando che la capacità di questa tipologia di mantenere un comportamento stabile nella fase fessurata in presenza di effetti del secondo ordine è al limite. In sostanza, se le pareti con blocco ad H fossero più alte, l'incremento del momento del secondo ordine sarebbe maggiore rispetto all'incremento di momento resistente già dopo la prima fessurazione. Al contrario, per il portale rmc la fessurazione avviene ad appena 1/3 del massimo carico orizzontale sopportabile, e la successiva fase fessurata risulta molto stabile. Questa tipologia risente quindi molto più tardi dell'effetto instabilizzante legato ai carichi verticali. Conclusioni Nel corso della ricerca sperimentale condotta si è verificato il comportamento per azioni cicliche fuori piano di pareti alte realizzate con due differenti sistemi per muratura armata. I due sistemi si basano sull'utilizzo di blocchi di laterizio con forma a 'C' e ad 'H'. Si è ipotizzato che il comportamento strutturale di edifici monopiano a pareti alte con coperture di tipo deformabile possa essere schematizzato con pareti in condizione di mensola incastrata alla base, e si è applicato un carico verticale uniforme e costante per simulare la presenza dei carichi gravitazionali legati alla copertura, che in caso di azioni fuori piano producono effetti del secondo ordine rilevanti. Sperimentalmente si è osservato che la tipologia di muratura con blocco a 'C' è più rigida, che è in grado di sopportare carichi orizzontali massimi dell'ordine di circa tre volte quelli sostenuti dalla muratura con blocco ad 'H', e che comunque ha una capacità massima di spostamento pari a circa due volte quella della muratura con blocco ad 'H'. In termini assoluti le due pareti del portale rmc, alte 6 m e ciascuna con 5 t di carico verticale, riescono a raggiungere uno spostamento in sommità di oltre 30 cm al carico massimo per arrivare a quasi 40 cm allo stato limite ultimo, mentre le due pareti del portale rmh, a parità di altezza e carico applicato, raggiungono 15 e 20 cm. Il differente comportamento è legato anche al diverso impatto degli effetti del second'ordine, che nel caso dei campioni con blocco ad 'H' è più rilevante, come si può osservare dal fatto che in fase fessurata l'incremento di momento resistente sino al carico massimo è limitato. Nel caso della muratura con blocco a 'C', la maggior quantità d'armatura presente ed il miglior funzionamento del sistema, consentono invece il pieno sfruttamento della capacità portante della muratura ed una minor incidenza degli effetti del secondo ordine. Ringraziamenti La ricerca descritta nel presente articolo è stata svolta nell'ambito del contratto di ricerca Europeo COOP-CT : 'Developing Innovative Systems for Reinforced Masonry Walls - DISWall'. L'azienda coinvolta nella produzione dei blocchi e dei campioni sperimentali, Cis Edil S.r.l., e l'azienda che ha fornito la malta per muratura, Tassullo S.p.A., sono partner del progetto. Si ringraziano gli Ingg. Barbiero e Biliato per il contributo apportato al lavoro nel corso dello svolgimento della tesi di laurea. Bibliografia Bean Popehn, J.R., Schulz, A.E., and Drake, C.R., 2007, Behaviour of slender, post tensioned masonry walls under transverse loading, ASCE Journal of Structural Engineering, Vol. 133, No.11, pp Campioli A., Ferrari S., Lavagna M., 2007, Il comportamento energetico-ambientale di involucri in laterizio, Costruire in Laterizio, n.120, pp Gargari C., 2007, Microclima di... vino, Costruire in Laterizio, n.120, pp DISWall, , COOP-CT "Developing innovative systems for reinforced masonry walls"; coordinatore scientifico: C. Modena, Università di Padova Da Porto F., Mosele F., Modena C., 2008, Caratterizzazione meccanica di muratura armata con blocchi a 'C' e ad 'H'; Murature Oggi n. 101 (4/2008), pp Ministero delle infrastrutture: DM 14/01/2008, Norme Tecniche per le Costruzioni Consorzio POROTON Italia - Tutti i diritti riservati