Strutture in muratura soggette ad azioni sismiche Comportamento degli edifici

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1 Corso di Riabilitazione Strutturale POTENZA, a.a Strutture in muratura soggette ad azioni sismiche Comportamento degli edifici Dott. Marco VONA DiSGG, Università di Basilicata

2 CONTENUTI DELLA LEZIONE 1. Il comportamento degli edifici 2. Caratteristiche meccaniche di malta e inerti Caratteristiche di resistenza delle murature 3. La trattazione degli edifici esistenti in muratura

3 Le nuove normative tecniche Le principali innovazioni delle NTC2008: la trattazione degli edifici in muratura in forma omogenea, (rispetto alle altre tipologie strutturali) per ciò che concerne l azione sismica, la definizione degli stati limite e la definizione della duttilità l introduzione di specifiche e verifiche aggiornate, derivate dagli Eurocodici (EC6, EC8) il superamento di metodi di calcolo tradizionali (v. POR), caratterizzati da forti limitazioni (ad es. la violazione dell equilibrio alla rotazione) relativamente alla muratura armata, la chiara introduzione del principio della gerarchia delle resistenze

4 Caratteristiche degli edifici La resistenza delle pareti a forze agenti nel loro piano è molto maggiore rispetto alla resistenza alle forze ad essi ortogonali Lo studio degli edifici in muratura è generalmente fatto con riferimento alla cella muraria elementare

5 Caratteristiche degli edifici IL COMPORTAMENTO SCATOLARE L edificio in muratura deve essere concepito e realizzato come un assemblaggio tridimensionale di muri e solai, garantendo il funzionamento SCATOLARE e conferendo quindi l opportuna stabilità e robustezza all insieme Un edificio in muratura è quindi una struttura complessa in cui tutti gli elementi cooperano nel resistere ai carichi applicati

6 Caratteristiche degli edifici IL COMPORTAMENTO SCATOLARE Data la complessità del comportamento reale delle strutture in muratura, il progetto e l analisi strutturale spesso si eseguono introducendo notevoli semplificazioni Un criterio frequentemente seguito è quello di considerare l edificio come una serie di elementi indipendenti opportunamente assemblati: muri con funzione portante e/o di controventamento solai per ripartire le azioni tra i muri

7 Condizioni: Solaio rigido Pareti scollegate dal solaio e scollegate tra loro Solaio collegato ai due pannelli ai quali appoggia Situazioni sfavorevoli 1) Solaio collegato ai pannelli ortogonali al sisma; le forze sismiche del solaio vengono scaricate sulla sommità dei due pannelli ortogonali all azione sismica, le forze sismiche dei pannelli paralleli al sisma vengono scaricate direttamente a terra

8 Condizioni: Solaio rigido Situazioni sfavorevoli Pareti scollegate dal solaio e scollegate tra loro Solaio collegato ai due pannelli ai quali appoggia 2) Solaio collegato ai pannelli paralleli al sisma; le forze sismiche del solaio vengono scaricate sulla sommità dei due pannelli paralleli all azione sismica, le forze sismiche dei pannelli ortogonali al sisma vengono scaricate direttamente a terra

9 Condizioni: Solaio deformabile Pareti collegate al solaio e collegate tra loro Solaio collegato solo a due o a tutti e quattro i pannelli Situazioni intermedie 3) I pannelli in direzione ortogonale al sisma sono soggetti alle forze del solaio, applicate in sommità, e alle forze sismiche proprie, distribuite uniformemente. I pannelli in direzione ortogonale scaricano in parte tali forze ai pannelli paralleli alla direzione del sisma

10 Condizioni: Solaio rigido Pareti collegate al solaio ma scollegate tra loro Solaio collegato a tutti e quattro i pannelli Situazioni intermedie 4) Le forze del solaio si scaricano, per effetto della rigidezza largamente prevalente, sui pannelli paralleli all azione sismica. Le forze dei pannelli ortogonali, con un funzionamento a trave appoggiata o con vincolo di semi-incastro alle estremità, vengono per metà scaricate sul solaio che a sua volta le riporta sui pannelli paralleli all azione sismica

11 Condizioni: Comportamento scatolare ideale Solaio rigido Pareti collegate al solaio e scollegate tra loro 5) Situazione analoga alla precedente per ciò che riguarda il trasferimento delle forze del solaio ai pannelli paralleli all azione sismica. I pannelli ortogonali trasmettono le loro forze, oltre che al solaio, anche ai pannelli paralleli al sisma, mediante un modo di funzionamento a piastra appoggiata o semi-incastrata su tutti e quattro i lati, con ulteriore significativa riduzione delle sollecitazioni di flessione

12 Funzionamento di una parete muraria in un edificio Azione esterna Peso muratura Muratura compressa Catena La parete resiste all azione sismica sviluppando un sistema di isostatiche di compressione che congiungono i punti di applicazione delle forze sismiche orizzontali con i vincoli a terra Al sistema di isostatiche viene fatto corrispondere un sistema resistente di puntoni obliqui in muratura

13 Funzionamento di una parete muraria in un edificio Azione sismica

14 Funzionamento di una parete muraria in un edificio L equilibrio delle componenti verticali delle forze dei puntoni è in generale assicurato dal peso proprio della parte di edificio sovrastante e dalla muratura compressa sottostante L equilibrio delle componenti orizzontali dell azione sismica è invece assicurato dalla reazione del terreno e dalla reazione di appositi tiranti (catene, cordoli) disposti ai piani In assenza di questi ultimi, le spinte orizzontali producono spesso il distacco di parti dell edificio di forma triangolare o trapezoidale nella zona superiore Catene e cordoli sono dunque deputati al riassorbimento delle spinte a vuoto e alla loro ridistribuzione tra i puntoni disposti lungo il cammino delle isostatiche di compressione che giungono a terra

15 Funzionamento di una parete muraria in un edificio Prove su pareti in scala

16 Funzionamento di una parete muraria in un edificio Scarsa duttilità e rapido degrado di resistenza

17 Funzionamento di una parete muraria in un edificio Quadro di danneggiamento finale

18 Comportamento degli edifici I muri portanti fungono da controvento in direzione parallela all azione sismica, in modo tanto più efficace quanto più sono lunghi in pianta La stabilità alle azioni orizzontali richiede muri disposti secondo due direzioni ortogonali La capacità dei muri di resistere alle azioni orizzontali è favorevolmente influenzata dalla presenza di forze verticali stabilizzanti (in particolare per i muri non armati) È quindi possibile introdurre una semplificazione a schema cellulare, in cui tutti i muri strutturali hanno funzione portante e di controventamento

19 Comportamento degli edifici Requisito fondamentale è quindi che i muri portanti, i muri di controventamento e i solai siano efficacemente collegati tra loro. Tale collegamento può essere realizzato mediante cordoli continui in cemento armato lungo tutti i muri, all altezza dei solai di piano e di copertura, oppure mediante catene

20 Comportamento degli edifici FUNZIONI DEI CORDOLI Svolgono una funzione di vincolo alle pareti sollecitate ortogonalmente al proprio piano, ostacolandone il meccanismo di ribaltamento

21 Comportamento degli edifici FUNZIONE DEI CORDOLI Inoltre, un cordolo continuo in c.a. consente di collegare longitudinalmente muri di controvento complanari, consentendo la ridistribuzione delle azioni orizzontali fra di essi e conferendo maggiore iperstaticità e stabilità al sistema resistente Parte di queste funzioni erano e sono tuttora svolte negli edifici storici dalle catene con capochiave, parallele ed adiacenti ai muri perimetrali Le catene tuttavia sono collegate alle pareti solamente in alcuni punti e non sono dotate di rigidezza flessionale

22 Comportamento degli edifici FUNZIONE DELLE CATENE Tirantature per Tirantature per impedire il ribaltamento ed attivare la resistenza nel piano delle pareti

23 Comportamento degli edifici FUNZIONE DELLE CATENE Con catene Senza catene

24 Comportamento degli edifici FUNZIONE DELLE CATENE

25 Comportamento degli edifici FUNZIONE DELLE CATENE

26 Comportamento degli edifici Accorgimenti da seguire per garantire robustezza e stabilità I muri paralleli della scatola muraria devono essere collegati fra loro ai livelli dei solai da incatenamenti metallici ad essi ortogonali, efficacemente ancorati ai cordoli La funzione degli incatenamenti ortogonali all orditura dei solai unidirezionali è principalmente quella di costituire un ulteriore vincolo all inflessione fuori dal piano dei muri quando questi non siano già caricati e quindi vincolati da un solaio di adeguata rigidezza

27 Comportamento degli edifici Accorgimenti da seguire per garantire robustezza e stabilità I muri ortogonali fra loro devono essere efficacemente ammorsati tra loro lungo le intersezioni verticali, mediante una opportuna disposizione degli elementi Il buon ammorsamento tra i Il buon ammorsamento tra i muri tra l altro tende a realizzare una maggiore ridistribuzione dei carichi verticali fra i muri fra loro ortogonali anche nel caso di solai ad orditura prevalente in una direzione

28 Organizzazione strutturale I pannelli murari sono considerati resistenti anche alle azioni orizzontali quando hanno una lunghezza non inferiore a 0,3 volte l altezza di interpiano L Ai fini di un adeguato comportamento statico e dinamico dell edificio, tutti le pareti devono assolvere, per quanto possibile, sia la funzione portante sia la funzione di controventamento H

29 Le Malte Per garantire la durabilità è necessario che i componenti la miscela non contengano sostanze organiche o grassi o terrose o argillose Le calci aeree e le pozzolane devono possedere le caratteristiche tecniche ed i requisiti previsti dalle vigenti norme Le prestazioni meccaniche di una malta sono definite mediante la sua resistenza media a compressione f m La categoria di una malta è definita da una sigla costituita dalla lettera M seguita da un numero che indica la resistenza f m espressa in N/mm 2 secondo la Tabella III Per l impiego in muratura portante non è malte con resistenza f m < 2,5 N/mm 2 ammesso l impiego di

30 Le Malte Le classi di malte a composizione prescritta sono definite in rapporto alla composizione in volume

31 Gli elementi resistenti in muratura Gli ELEMENTI RESISTENTI ARTIFICIALI possono essere dotati di fori in direzione normale al piano di posa (foratura verticale) oppure in direzione parallela (foratura orizzontale) Gli elementi possono essere rettificati sulla superficie di posa Gli elementi sono classificati in base alla percentuale di foratura ϕ ed all area media della sezione normale di ogni singolo foro f. I fori sono di regola distribuiti pressoché uniformemente sulla faccia dell elemento La percentuale di foratura è espressa dalla relazione ϕ = 100 F/A dove F è l area complessiva dei fori passanti e profondi non passanti A è l area lorda della faccia dell elemento di muratura delimitata dal suo perimetro

32 Gli elementi resistenti in muratura Nel caso dei blocchi in laterizio estrusi la percentuale di foratura ϕ coincide con la percentuale in volume dei vuoti come definita dalla norma UNI EN 772-9:2001 (NTC 2008, Tabella 4.5.I.a)

33 Gli elementi resistenti in muratura Mattone Pieno: percentuale di foratura non superiore al 15% Mattone semipieno: percentuale foratura maggiore del 15% e non superiore al 45% Blocco semipieno: percentuale foratura maggiore del 15% e non superiore al 45% Blocco forato: percentuale foratura superiore al 45% e inferiore al 55%

34 Gli elementi resistenti in muratura Elementi in calcestruzzo di area lorda superiore a 580 cm 2 È ammesso un foro per l eventuale alloggiamento di armature, la cui area non superi 70 cm 2 Elementi in calcestruzzo di area lorda superiore a 580 cm 2 È ammesso un foro per l eventuale alloggiamento di armature, la cui area non superi 70 cm 2 Elementi in calcestruzzo di area lorda superiore a 700 cm 2 Il limite delle dimensioni dei fori è elevato a 0.1 A Elementi in calcestruzzo di area lorda superiore a 900 cm 2 Il limite delle dimensioni dei fori è elevato a 0.15 A. Non sono soggetti a tali limitazioni i fori che verranno interamente riempiti di calcestruzzo

35 Gli elementi resistenti in muratura Classificazione elementi in calcestruzzo (NTC 2008, Tabella 4.5.I.b)

36 Gli elementi resistenti in muratura ELEMENTI NATURALI Gli elementi naturali sono ricavati da materiale lapideo non friabile o sfaldabile e resistente al gelo Essi non devono contenere in misura sensibile sostanze solubili, o residui organici e devono essere integri, senza zone alterate o rimovibili Gli elementi devono possedere i requisiti di resistenza meccanica ed adesività alle malte

37 Gli elementi resistenti in muratura NTC 2008, Le murature, costituite dall assemblaggio organizzato ed efficace di elementi e malta, possono essere a singolo paramento, se la parete è senza cavità o giunti verticali continui nel suo piano, o a paramento doppio. In questo ultimo caso, se non è possibile considerare un comportamento monolitico si farà riferimento a normative di riconosciuta validità od a specifiche approvazioni del Servizio Tecnico Centrale su parere del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici

38 Le caratteristiche di resistenza delle murature Le proprietà fondamentali in base alle quali si classifica una muratura sono la resistenza caratteristica a compressione f k resistenza caratteristica a taglio in assenza di azione assiale f vk0 modulo di elasticità normale secante E modulo di elasticità tangenziale secante G La resistenze caratteristiche f k e f vk0 sono determinate sperimentalmente su campioni di muro o, con alcune limitazioni, in funzione delle proprietà dei componenti In ogni caso, quando è richiesto un valore di f k maggiore o uguale a 8 MPa si deve controllare il valore di f k, mediante prove sperimentali come indicato nel (NTC 2008, 4.5.3)

39 Requisiti geometrici delle murature Lo spessore dei muri portanti non può essere inferiore ai seguenti valori: muratura in elementi resistenti artificiali pieni 150 mm muratura in elementi resistenti artificiali semipieni 200 mm muratura in elementi resistenti artificiali forati 240 mm muratura di pietra squadrata 240 mm muratura di pietra listata 400 mm muratura di pietra non squadrata 500 mm I fenomeni del secondo ordine possono essere controllati mediante la snellezza convenzionale della parete, definita dal rapporto: λ = h 0 / t dove h 0 è la lunghezza libera di inflessione della parete valutata in base alle condizioni di vincolo e t è lo spessore della parete

40 Criteri di progetto e requisiti geometrici Criteri di progetto e requisiti geometrici: 1. piante compatte e simmetriche rispetto ai due assi ortogonali 2. orizzontamenti e coperture non spingenti 3. solai ben collegati ai muri e in grado di garantire un adeguato funzionamento a diaframma 4. distanza massima tra due solai successivi non superiore a 5 m

41 Le caratteristiche di resistenza delle murature NTC 2008, Le costruzioni in muratura devono essere realizzate nel rispetto di quanto contenuto nelle presenti Norme Tecniche ai 4.5 e In particolare. per ciò che concerne le caratteristiche fisiche, meccaniche e geometriche degli elementi resistenti naturali ed artificiali.. Il presente paragrafo divide le strutture di muratura in due tipi fondamentali: muratura ordinaria e muratura armata.. Ai fini delle verifiche di sicurezza, è in ogni caso obbligatorio l utilizzo del metodo semiprobabilistico agli stati limite, salvo quanto previsto al 2.7 e al Il coefficiente parziale di sicurezza da utilizzare per il progetto sismico di strutture in muratura è pari a 2.

42 La trattazione degli edifici esistenti in muratura MECCANISMI LOCALI

43 La trattazione degli edifici esistenti in muratura MECCANISMI LOCALI

44 La trattazione degli edifici esistenti in muratura MECCANISMI GLOBALI

45 La trattazione degli edifici esistenti in muratura MECCANISMI LOCALI Si può far ricorso ai metodi dell analisi limite dell equilibrio delle strutture murarie, tenendo conto, anche se in forma approssimata, della resistenza a compressione, della tessitura muraria, della qualità della connessione tra le pareti murarie, della presenza di catene e tiranti ANALISI SISMICA GLOBALE Deve considerare, per quanto possibile, il sistema strutturale reale della costruzione, con particolare attenzione alla rigidezza e resistenza dei solai, e all efficacia dei collegamenti degli elementi strutturali. Nel caso di muratura irregolare, la resistenza a taglio di calcolo per azioni nel piano di un pannello in muratura potrà essere calcolata facendo ricorso a formulazioni alternative rispetto a quelle adottate per opere nuove, purché di comprovata validità

46 La trattazione degli edifici esistenti in muratura AGGREGATI In presenza di edifici in aggregato, contigui, a contatto od interconnessi con edifici adiacenti, i metodi di verifica di uso generale per gli edifici di nuova costruzione possono non essere adeguati Nell analisi di un edificio facente parte di un aggregato edilizio occorre tenere conto delle possibili interazioni derivanti dalla contiguità strutturale con gli edifici adiacenti A tal fine dovrà essere individuata l UNITÀ STRUTTURALE (US) oggetto di studio, evidenziando le azioni che su di essa possono derivare dalle unità strutturali contigue

47 Unità strutturale In generale è compito del progettista il riconoscimento della singola UNITÀ STRUTTURALE Deve avere continuità da cielo a terra per quanto riguarda il flusso dei carichi verticali e, di norma, sarà delimitata o da spazi aperti, o da giunti strutturali, o da edifici contigui strutturalmente ma, almeno tipologicamente, diversi Oltre a quanto normalmente previsto per gli edifici non disposti in aggregato, dovranno essere valutati ulteriori effetti: spinte non contrastate causate da orizzontamenti sfalsati di quota sulle pareti in comune con le US adiacenti meccanismi locali derivanti da prospetti non allineati US adiacenti di differente altezza

48 Unità strutturale L'analisi globale di una singola unità strutturale è soltanto convenzionale La verifica di una US dotata di solai sufficientemente rigidi può essere svolta, anche per edifici con più di due piani, mediante l'analisi statica non lineare, analizzando e verificando separatamente ciascun interpiano dell'edificio, e trascurando la variazione della forza assiale nei maschi murari dovuta all'effetto dell'azione sismica Con l'esclusione di unità strutturali d'angolo o di testata, così come di parti di edificio non vincolate o non aderenti su alcun lato ad altre unità strutturali, l'analisi potrà anche essere svolta trascurando gli effetti torsionali, nell ipotesi che i solai possano unicamente traslare nella direzione considerata dell'azione sismica

49 Unità strutturale Nel caso invece di US d angolo o di testata è comunque ammesso il ricorso ad analisi semplificate, purché si tenga conto di possibili effetti torsionali e dell azione aggiuntiva trasferita dalle US adiacenti applicando opportuni coefficienti maggiorativi delle azioni orizzontali Qualora i solai dell'edificio siano flessibili si potrà procedere all'analisi delle singole pareti o dei sistemi di pareti complanari, ciascuna parete essendo soggetta ai carichi verticali di competenza ed alle corrispondenti azioni del sisma nella direzione parallela alla parete Le US sono unità omogenee, in genere distinguibili dagli edifici adiacenti per tipologia costruttiva, differenza di altezza, età di costruzione, sfalsamento dei piani, etc

50 Definizione di aggregato e posizione edificio AGGREGATO STRUTTURALE ISOLATO AGGREGATO STRUTTURALE EDIFICIO D'ESTREMITÀ 7 - EDIFICIO INTERNO 6 - EDIFICIO D'ANGOLO 1

51 Definizione di aggregato e posizione edificio

54 Definizione di aggregato e posizione edificio Differenti fasi costruttiva, altezze, età di costruzione, sfalsamento dei piani

55 Individuazione macroelementi e possibili cinematismi Le differenti fasi costruttiva consentono di individuare gli edifici e di definire di conseguenza possibili cinematismi