Le strutture di legno esistenti

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1 Le strutture di legno esistenti Il comportamento in presenza di azioni sismiche Claudio Ferrari, ingegnere libero professionista direttore tecnico A.I.erre engineering S.r.l. in Parma ABSTRACT Nell ambito delle problematiche connesse alla vulnerabilità sismica delle costruzioni viene analizzato il comportamento delle strutture di legno esistente, con particolare riferimento alle tipologie costruttive ricorrenti sul territorio italiano. Sulla base delle esperienze dei recenti terremoti sono individuati i principali meccanismi di collasso e forniti alcuni schemi interpretativi per le coperture ed i solai, considerando le interazioni con la struttura principale della costruzione. Questi schemi oltre a descrivere il comportamento in presenza di azioni sismiche, possono costituire un utile riferimento nell ideazione progettuale degli interventi sulle nuove costruzioni e su quelle esistenti. LE TIPOLOGIE COSTRUTTIVE RICORRENTI SUL TERRITORIO Il legno inteso come materiale strutturale, solo recentemente nel nostro paese ha trovato una vera dignità scientifica al pari di altri materiali e un adeguata collocazione nell ambito normativo tecnico; questa è stata una lacuna che storicamente non ha favorito la realizzazione di strutture in legno nel nostro territorio e ne ha comportato l impiego all interno di altri sistemi costruttivi (prevalentemente in muratura) per la realizzazioni di solai e coperture. Si pensi anche al fatto che storicamente l impiego del legno era diversificato in relazione al pregio della costruzione, in termini di qualità del materiale, di qualità degli elementi strutturali che venivano utilizzati e parimenti anche in termini di professionalità delle maestranze. La qualità strutturale è quindi fortemente diversificata in relazione alla tipologia edilizia e all interno di questa anche in relazione all uso previsto per la costruzione. Senza perdere in generalità è possibile individuare i sistemi costruttivi in legno per solai e coperture: - per le costruzioni rurali destinate a servizio dell attività agricola aziendale e agli edifici di residenza; - per edifici di particolare pregio e per gli edifici della prima periferia cittadina, normalmente connotati da una qualità edilizia inferiore; - per gli edifici di culto (prevalentemente in copertura). La distinzione determina una diversa qualità del costruito e quindi una diversa vulnerabilità per effetto delle azioni antropiche e sismiche, connessa anche allo stato di conservazione derivate dagli effetti dell azione del degrado. Si possono pertanto riscontrare situazioni in cui sono presenti elementi che non hanno una adeguata funzione strutturale, situazioni in cui lo stesso sistema strutturale non è stato correttamente progettato e situazioni (le più frequenti) in cui si verificano entrambe le condizioni. gennaio

2 Da ultimo si ricorda inoltre la presenza delle componenti strutturali lignee negli interventi di ristrutturazione del patrimonio edilizio esistente, in periodi antecedenti all ultima classificazione sismica del territorio italiano del L ESPERIENZA DEI RECENTI TERREMOTI Le esperienze derivanti dai terremoti recenti (tra i quali: Abruzzo 2009, pianura padano emiliana 2012) hanno evidenziato le criticità delle strutture di legno in relazione agli aspetti d interazione con le strutture principali delle costruzioni, mettendo in evidenza comportamenti noti in termini di modalità di collasso. Gli effetti osservati mostrano rarissimi casi (quasi assenti) di rottura degli elementi lignei, mentre la tipologia di collasso è sostanzialmente riconducibile alla disarticolazione nel piano della copertura o del solaio e conseguente implosione (Figura 1, Figura 2), con spinta a vuoto sulle strutture verticali (Figura 3) e attivazione dei cinematismi di ribaltamento (Figura 1, Figura 3); le cause sono principalmente connesse alla fuoruscita dalla sede di nodo degli elementi, (Figura 4, Figura 5, Figura 6). Figura 1 Abruzzo 2009: effetto d implosione della copertura Figura 2 Pianura padano emiliana 2012: effetto d implosione della copertura e spinta a vuoto sul timpano di facciata Figura 3 Pianura padano emiliana 2012: spinta a vuoto del puntone diagonale gennaio

3 Figura 4 Pianura padano emiliana 2012: fuoruscita dalla sede dei travetti di solaio Figura 5 Pianura padano emiliana 2012: fuoruscita dalla sede di nodo del puntone della capriata Figura 6 Pianura padano emiliana 2012: fuoruscita dalla sede delle travi di solaio e spinta a vuoto sulla facciata La vulnerabilità è quindi riconducibile al comportamento del sistema strutturale che presenta, nel caso delle coperture, caratteristiche spingenti e alla tipologia dei nodi di collegamento tra gli elementi, che sono realizzati con le tecniche della carpenteria di tipo tradizionale, ovvero attraverso il contatto delle superfici opportunamente sagomate che consentono la trasmissione degli sforzi per semplice compressione. Il fenomeno è favorito dal comportamento fragile del legno che non è in grado di dissipare le azioni cicliche di natura sismica. Quest ultimo aspetto ha una notevole importanza se si gennaio

4 considera che per effetto di azioni istantanee (come quelle di natura sismica) il legno è in grado di fornire valori di resistenza più elevati rispetto a quelli che possono essere garantiti per carichi che agiscono sulla struttura per una certa durata. Le connessioni assumono quindi un ruolo determinate in ambito sismico, tant è che per le nuove costruzioni viene imposto di garantire che la dissipazione avvenga nelle connessioni di collegamento dei nodi (che devono essere duttili) e non negli elementi lignei (che sono fragili) e questa è una particolarità unica del legno rispetto ad altri sistemi strutturali. Appare quindi evidente che nelle strutture lignee esistenti, in cui non sono presenti sistemi di collegamento di tipo moderno, cioè con l impiego di elementi metallici che siano in grado di garantire la trasmissione degli sforzi in modo ciclico, si configuri scarsa capacità sismo resistente del sistema strutturale nel suo complesso. ANALISI DEL COMPORTAMENTO PER EFFETTO DELLE AZIONI SISMICHE Sulla base delle evidenze riscontrabili dalle tipologie di collasso analizzate è possibile fornire dei criteri di comportamento analizzando distintamente le coperture e i solai. Se ai soli fini esemplificativi si analizza un edificio (Figura 7) che presenta strutture verticali in muratura, è possibile individuare i principali comportamenti al collasso e le interazioni con la struttura principale della costruzione. Figura 7 Edificio oggetto di studio; i casi A, B e C si differenziano per la diversa conformazione della copertura, mentre per i solai la tipologia è la stessa. Le coperture Le analisi del comportamento sono condotte nell ipotesi di elementi lignei che non abbiano carenze in termini di resistenza dovute alla presenza di degrado e conseguente indebolimento delle sezioni. La tipologia è quella tradizionale, con travi, capriate e travetti a sostegno del manto di copertura con piano di falda deformabile. Si considera che i nodi siano realizzati con le tecniche della carpenteria di tipo tradizionale e che siano assenti collegamenti sulle gennaio

5 strutture murarie dove gli elementi sono semplicemente appoggiati; i casi di studio sono illustrati in Figura 8. Figura 8 La copertura di tipo A ha le travi di colmo appoggiate sui timpani in muratura e su capriate interne; le variazioni possibili possono essere ricondotte alla copertura di tipo B ad una falda realizzata con puntoni diagonali, oppure alla copertura di tipo C con quattro falde. Il comportamento a collasso è descritto nella Figura 9 ed è riconducibile ai seguenti effetti: 1. Spinta della trave di colmo sul timpano di facciata 2. Fuoriuscita delle travi dalla sede 3. Rotazione della capriata ortogonale al proprio piano 4. Spinta a vuoto delle capriate 5. Fuoriuscita delle capriate dalla sede 6. Spinta a vuoto delle travi di displuvio 7. Disarticolazione dei nodi 8. Rottura dei nodi (puntone catena della capriata) 9. Cinematismi di ribaltamento per rottura delle pareti L origine del collasso è dovuta alla disarticolazione della struttura che non presentando collegamenti efficaci nei nodi trasmette puntualmente delle azioni orizzontali dovute all eccitazione prodotta dal sisma; le azioni orizzontali conseguenti che agiscono in direzione ortogonale al piano della muratura attivano i cinematismi di collasso con conseguente aumento degli spostamenti e fuori uscita dalla sede degli elementi lignei. La sequenza è ciclica e provoca l implosione della copertura. Gli effetti sono diversificati in base alla presenza dei puntoni che localmente provocano spinte a vuoto sulla struttura sottostante con i medesimi effetti di fuoriuscita dalla sede. gennaio

6 Figura 9 Comportamento a collasso della copertura. Come mostrato nella Figura 10 sono evidenti le correlazioni con i fenomeni osservati durante l evento sismico. Figura 10 Comportamento a collasso della copertura: correlazioni sulla base delle osservazioni durante gli eventi sismici gennaio

7 Solai Viene analizzata una tipologia di solaio frequente, ovvero quella costituita da travi principali e travetti con interposti elementi di laterizio a sostegno della pavimentazione. Anche in questo caso le analisi del comportamento sono condotte nell ipotesi di elementi lignei che non presentino carenze in termini di resistenza dovute alla presenza di degrado e conseguente indebolimento delle sezioni. La caratteristica dei solai è quella di essere deformabili nel proprio piano, si considerano nodi realizzati con le tecniche della carpenteria di tipo tradizionale e assenza di collegamenti sulle strutture murarie con elementi semplicemente appoggiati in sede; il caso di studio è illustrato in Figura 11. Come noto, la funzione dei solai è quella di garantire dei vincoli orizzontali alla struttura principale per impedire cinematismi di ribaltamento delle facciate su cui agiscono azioni ortogonali al piano, (Figura 12). Nel sistema analizzato questa caratteristica non è garantita per la deformabilità del solaio e l assenza di collegamenti orizzontali alle strutture verticali, conseguentemente non risultano impediti i meccanismi di collasso per ribaltamento. Figura 11 Caratteristiche dei solai Figura 12 La funzione dei solai gennaio

8 Il comportamento a collasso è descritto nella Figura 13 ed è riconducibile ai seguenti effetti: a. Spinta a vuoto dei travetti sulla facciata b. Fuoriuscita dei travetti dalla sede c. Spinta a vuoto delle travi sulla facciata (effetto sulla parete o sulla fascia di piano) d. Fuoriuscita delle travi dalla sede e. Perdita di appoggio (rottura degli architravi) Figura 13 Comportamento a collasso dei solai Anche in questo caso, analogamente alle coperture, l origine del collasso è dovuta alla disarticolazione della struttura che non presentando collegamenti efficaci nei nodi trasmette puntualmente delle azioni orizzontali dovute all eccitazione prodotta dal sisma; le azioni orizzontali conseguenti che agiscono in direzione ortogonale al piano della muratura attivano i cinematismi di collasso con conseguente aumento degli spostamenti e fuori uscita dalla sede degli elementi lignei; la sequenza è ciclica e provoca l implosione del solaio. CONCLUSIONI Nell ambito della vulnerabilità sismica delle strutture di legno esistente, con particolare riferimento ai sistemi di copertura e ai solai, le principali problematiche sono connesse alle modalità di realizzazione della tipologia costruttiva. In assenza di difetti negli elementi lignei, connessi al degrado con conseguente indebolimento sezionale, la presenza di collegamenti realizzati con le tecniche della carpenteria di tipo tradizionale costituisce una fonte primaria delle carenze riscontrate. Appare quindi evidente che nelle strutture lignee esistenti, in cui non sono presenti sistemi di collegamento di tipo moderno, si configuri scarsa capacità sismo resistente del sistema strutturale nel suo complesso. gennaio

9 Sulla base di queste considerazioni è quindi possibile definire un percorso di ideazione progettuale che, partendo dagli schemi interpretativi di collasso, consenta la definizione di interventi adeguati sulle costruzioni esistenti e costituisca la base per la progettazione nelle nuove costruzioni. gennaio