Meccanismi di collasso per effetto di solai di copertura spingenti V. Bacco

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1 Meccanismi di collasso per effetto di solai di copertura spingenti V. Bacco L evento sismico che ha colpito la città de L Aquila ha messo in evidenza le debolezze dei diversi sistemi costruttivi, soprattutto in riferimento ai loro difetti congeniti o alle eventuali carenze progettuali. Per i due sistemi costruttivi di più largo impiego (cemento armato e muratura portante), pur con i dovuti distinguo, anche in questa occasione si è potuto constatare che i difetti, quando presenti, sono sempre dello stesso tipo e si possono riassumere come segue: 1) mancanza di controllo della qualità dei materiali e della loro posa in opera, che automaticamente si traduce in una diminuzione di resistenza. Per il calcestruzzo è determinante il dosaggio, la compattazione, il rapporto acqua/ cemento e il copriferro. Per la muratura è importante l impiego di elementi regolari (mattoni e blocchi), di adeguata resistenza, e la corretta loro legatura nella posa in opera (fig. 1); Fig. 1 - Murature a sacco in pietrame informe o ciottoli con scarsa qualità e forte disomogeneità della tessitura muraria. 2) assenza di efficaci ancoraggi e collegamenti (come, ad esempio, il non corretto ancoraggio delle murature di tamponamento all interno del telaio in cemento armato, carenti connessioni di vario genere tra i pannelli murari, fig. 2); 3) inadeguatezza nella verifica dei dettagli (numero sufficiente e distanza delle staffe nei pilastri, posa in opera dei blocchi correttamente legati e connessioni di vario genere nelle murature, fig. 3); Fig. 2 - Problemi d angolo: a) assenza dell ancoraggio dei tamponamenti alla struttura in cemento armato; b) esempi di rinforzo delle connessioni negli angoli delle murature e in corrispondenza degli innesti. La Gazzetta dei Solai Mensile di informazione tecnica sui Solai in Laterizio 1

2 Fig. 3 - Errori progettuali e costruttivi: a) l insufficienza delle staffe nel nodo è causa della instabilità delle armature verticali. Inoltre, la qualità del calcestruzzo (se non si presta la dovuta attenzione) può risultare più scadente alla testa del pilastro in quanto, a seguito del getto, l acqua in eccesso tende a depositarsi superiormente; b) l assenza di collegamenti trasversali diatoni - rende possibile lo scorrimento relativo dei due paramenti (a sinistra), mentre la loro presenza (a destra) rende monolitica la muratura. 4) errato dimensionamento delle singole membrature (forma e dimensioni), della loro organizzazione strutturale (equilibrio delle rigidezze, schemi statici di riferimento, ecc.) e dei relativi loro collegamenti che determina pericolose concentrazioni su alcuni elementi di elevate azioni sia verticali che orizzontali. 2 Meccanismi di collasso per effetto di solai di copertura spingenti Ancor più determinante si è dimostrata, più volte, l inidoneità dei rapporti tra le strutture portanti verticali e gli orizzontamenti (strutture di solaio intermedio), incluse le strutture di copertura (solai piani o a falda inclinata). Per un edificio che deve resistere alle azioni sismiche, tali strutture assumono un ruolo essenziale in quanto, oltre alla naturale funzione di sopportare i carichi verticali, devono anche assicurare quella di ripartire le azioni orizzontali, derivanti dal sisma, tra i vari elementi verticali. Nello svolgere questo ultimo compito, quindi, le strutture orizzontali devono essere efficacemente ancorate alle strutture verticali che le sorreggono, essere in grado di distribuire le azioni in maniera uniforme tra queste ultime (assicurando idonea rigidezza nel piano) e non creare condizioni perché esse stesse amplifichino le forze inducendo spinte non contrastate. Solai e coperture a tetto devono, cioè, essere non spingenti. Fig. 4 - Strutture spingenti: a) azione spingente degli archi e delle volte; b) travi principali di un solaio in legno non adeguatamente collegate tra loro e alla muratura sottostante; c) azione spingente della componente orizzontale del peso complessivo di un tetto a doppia falda.

3 Sono definiti, in particolare, spingenti tutti quegli elementi costruttivi che, anche solo sottoposti ai carichi verticali (peso proprio e carichi variabili d esercizio e non), tendono a produrre azioni orizzontali sulle strutture portanti verticali (pilastri o pareti murarie) a cui sono direttamente collegati. Sono spingenti gli archi e le volte che, per loro stessa natura, esercitano azioni sia in verticale che in orizzontale (fig. 4.a). Sono anche spingenti i solai piani, a seguito di loro deformazioni (in piano e fuori piano) e, in particolare, quando non esistono adeguati collegamenti di ripartizione con le murature sottostanti (fig. 4.b): questi, se sollecitati da azioni orizzontali, possono creare pericolose azioni di martellamento. Spingenti possono essere, soprattutto, i tetti che, essendo inclinati, generano, naturalmente, una componente orizzontale del proprio peso che viene amplificata dal sisma (fig. 4.c). Le conseguenze più rilevanti sono rappresentate dalla deformazione della struttura muraria, con eventuale disgregazione, ribaltamento o spanciamento della stessa, fino alla sua espulsione (fig. 5). 3 Fig. 5 - Esempio di espulsione della muratura a seguito di spinte. I vecchi solai piani in legno sono caratterizzati, generalmente, da un unica orditura principale secondo una direzione, e, molto spesso, non presentano collegamenti di alcun tipo al livello dell appoggio. Inoltre, sono considerati poco rigidi nel proprio piano. Più precisamente, si possono distinguere due tipi di orditura: 1) solaio in legno con orditura semplice - le travi sono disposte parallelamente a una direzione muraria e coprono interamente la luce (fig. 6). La deformazione delle travi per flessione (a seguito dei carichi) e le azioni dovute al sisma provocano un azione orizzontale di spinta e/o martellamento sui muri normali alla loro direzione; azione che, a sua volta, può essere concentrata o distribuita a seconda che le testate siano o meno collegate tra loro e vi sia una interposizione di un dispositivo di distribuzione; Fig. 6 - Solaio in legno con orditura semplice: a) la semplice orditura può provocare, a seguito di azioni orizzontali, diversi tipi di dissesto a seconda della efficacia dei collegamenti delle travi ai muri e del grado di ammorsatura di questi; b) dissesto per mancanza di collegamenti: il muro tende al ribaltamento dopo essersi staccato dai muri ad esso trasversali; c) in presenza di collegamenti efficaci, si possono avere deformazioni di tipo flessionale.

4 Fig. 7 - Solaio con trave maestra e travature ordinarie continue: la trave principale, sia nello schema a) che nello schema b), provoca una azione di martellamento concentrato in un punto che corrisponde spesso alla mezzeria della lunghezza del muro. 4 Meccanismi di collasso per effetto di solai di copertura spingenti 2) solaio con trave maestra e travature ordinarie continue - una trave portante principale interrompe la luce. L orditura secondaria crea uno schema statico di una trave continua a due campate normalmente di interasse uguale. Una possibile variazione consiste nell interrompere l orditura secondaria sulla trave (fig. 7). L azione orizzontale spingente, indotta da questo schema, è di tipo concentrato. I meccanismi fuori piano indotti dal martellamento di tali solai sono riassunti nello schema di figura 8. Fig. 8 - Casistica dei meccanismi di collasso delle murature a seguito della spinta del solaio in legno. Le tipologie di rottura sono derivanti dalle caratteristiche delle murature, dai loro collegamenti, dalla presenza di aperture o riduzione della sezione resistente. Una soluzione molto semplice a questi problemi è il cordolo; cioè quell elemento strutturale che, oltre a creare collegamento tra gli elementi di orditura del solaio ed il muro, esplica anche, in zona sismica, un altra funzione altrettanto indispensabile: rendere possibile una corretta distribuzione delle forze orizzontali e verticali al fine di mantenere unita la massa muraria soggetta alle vibrazioni. Nel caso di solaio piano in laterocemento, quasi tutti i problemi prima descritti sono evitati, grazie alla: presenza della soletta armata che, insieme alle resistenze a compressione dei blocchi nelle due direzioni, rende possibile l assorbimento degli sforzi nel piano, esercitando una conseguente azione di incatenamento (fig. 9); rigidezza nel proprio piano che consente una coerente ripartizione delle azioni orizzontali sui vari elementi resistenti verticali;

5 sicura possibilità di presenza del cordolo sulla muratura portante (figg. 10 a, b) o delle travi di bordo che inquadrano efficacemente il sistema, rendendo possibile il collegamento con i pilastri e scaricando su di essi le componenti orizzontali delle azioni. Fig. 9 La resistenza nel piano del solaio, nelle due direzioni, è assicurata dalla presenza della soletta armata e dalla resistenza a compressione dell insieme travetti/blocchi nelle due direzioni. 5 Fig. 10 Il cordolo sulla muratura portante, a); schema di armatura del cordolo, b). Per le coperture a tetto, soprattutto quelle in legno, solitamente poco rigide, possono produrre azioni spingenti sui muri. Per questi tipi di copertura si possono distinguere due modalità di orditura: tetto a falda unica e tetto a doppia falda. Il tetto a falda unica, a sua volta, può avere l orditura con travi di falda orizzontali oppure inclinate. Il primo tipo (fig. 11.a) viene considerato non spingente perché tutto il peso delle travature di orditura principale viene scaricato direttamente sulle murature inclinate di testata o sulle due travi estreme. Queste ultime, però, scaricano, di solito, sugli angoli la componente orizzontale del peso. Fig Tetto a falda unica: a) orditura di travi di falda orizzontale; b) orditura di travi di falda inclinate.

6 Nel tetto a falda unica con orditura di travi di falda inclinate (fig. 11.b), viene esercitata una azione spingente localizzata in ciascun punto di appoggio lungo la muratura. I più frequenti meccanismi di rottura indotti da queste tipologie di copertura (fig.12) rendono molto evidente, ancora una volta, la necessità di un elemento rigido di collegamento delle testate delle travi che distribuisca le azioni sulla muratura e sia opportunamente dimensionato per tali spinte: in definitiva un cordolo. Fig Meccanismi di collasso fuori piano favoriti da coperture spingenti: martellamento delle travi di falda; martellamento delle travi d angolo. 6 Meccanismi di collasso per effetto di solai di copertura spingenti In entrambi i casi, la presenza di un solaio piano, opportunamente ordito, costituisce, senza dubbio, un ulteriore efficace incatenamento per l assorbimento delle azioni orizzontali. Il tetto a doppia falda è abitualmente costituito da un sistema di muri che reggono le travature in modo da consentire la formazione di piani inclinati. Le capriate sono chiamate ad operare in sostituzione degli appoggi del colmo, puntiformi o continui, quando questi costituiscono ingombri strutturali di impedimento alla fruizione degli spazi (fig. 13). Esse realizzano strutture non spingenti in quanto dotate di un elemento orizzontale, la catena, che assorbe le azioni indotte dalle due falde che lavorano come puntoni (fig. 14). Meglio ancora, come già detto, se questa catena è costituita da un solaio. Unici elementi spingenti restano i puntoni d angolo, quando non incatenati. Certamente, anche in questo caso, è molto importante la presenza di un elemento di collegamento, tra i punti di appoggio delle capriate sui muri, che agisca anche da ripartitore delle azioni delle capriate stesse. Fig Strutture a doppia falda tradizionali con appoggi di falda continui, (muri). Lo schema a sinistra rappresenta una struttura spingente solo per il muro di facciata corta. Lo schema di destra presenta il rischio negli angoli dove possono insorgere azioni di spinta con componenti orizzontali.

7 Fig Orditura di una capriata: la trave di collegamento orizzontale ha funzione di catena ed annulla le azioni orizzontali dei puntoni. Nel caso dei tetti a falda costruiti con struttura in laterocemento, la tecnica costruttiva permette di realizzare tutti i collegamenti rigidi possibili tra le varie parti strutturali, ivi compreso quello con la eventuale muratura portante sottostante in modo da evitare ogni forma di spinta e di distribuire correttamente i carichi sulle strutture verticali (fig. 15). Grande attenzione, comunque, deve essere posta nella realizzazione del cordolo in corrispondenza dell appoggio del solaio sul muro. Il problema non è di particolare impegno quando si costruisce un nuovo edificio in cemento armato, ma è sicuramente delicato nelle ristrutturazioni o negli adeguamenti di vecchi edifici, in presenza di solai preesistenti in travi di ferro o di legno. 7 Fig. 15 Organizzazione strutturale di un tetto a falde in cui il sistema solaio in laterocemento costituisce una efficace catena in grado di contrastare le azioni spingenti.

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