Il ritorno di interesse per la muratura portante è ulteriormente

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1 Normativa Flavio Mosele*, Lorenzo Bari* Strutture miste e fondazioni negli edifici in muratura portante L entrata in vigore del Dm 14/01/2008, «Norme tecniche per le costruzioni» (Ntc 2008), ha portato a rivalutare la struttura in muratura portante (ordinaria o armata) come sistema costruttivo impiegabile per diverse tipologie di edifici di medio-piccola dimensione in alternativa al telaio in calcestruzzo armato Il ritorno di interesse per la muratura portante è ulteriormente alimentato dalla rinnovata e ampliata possibilità di adottare strutture miste, introdotte per la prima volta nel Dm 16/01/1996 (Dm 96). Queste ultime, infatti, permettono di realizzare costruzioni in muratura portante integrata con elementi di diversa tecnologia per sopportare i soli carichi verticali. Dal punto di vista architettonico, questa soluzione fornisce maggiore libertà di composizione, potendosi infatti realizzare porticati o logge esterne e creare ampi spazi interni. Un ulteriore aspetto di interesse per le strutture in muratura portante, che si ricollega in un certo senso all argomento delle strutture miste, è la possibilità di adottare come fondazione della soprastante struttura in muraria il piano cantinato o seminterrato in pareti di c.a., senza che questo rientri nel computo dei piani complessivi in muratura. Il tipico piano interrato in c.a., generalmente dedicato a garage, assume così anche la funzione di fondazione della struttura in muratura fuori terra. Strutture miste e fondazioni si ritengono due argomenti importanti per la realizzazione di costruzioni in muratura portante adeguatamente concepite e, al tempo stesso, architettonicamente svincolate da limitazioni troppo restrittive. Nel seguito si approfondiscono e chiariscono gli argomenti introdotti, in relazione alla normativa vigente, dando risposta anche alle numerose richieste di chiarimenti relative all adozione delle strutture miste e all interpretazione delle regole inerenti le fondazioni di edifici in muratura portante. Le strutture miste con pareti in muratura portante secondo le Ntc 2008 Le strutture miste, che nella pratica sono sempre state realizzate e quindi verificate (nel campo delle costruzioni di medio-piccola dimensione, è raro trovare una struttura per così dire «pura», solo The enforcement of the Dm 14/01/2008, «Technical standards for construction» (Ntc 2008), led to re-evaluate the bearing masonry structure (ordinary or reinforced) as a construction system to be used for different types of buildings of medium- small dimensions as an alternative to the reinforced concrete frame in c.a. o solo in muratura), vengono regolamentate per la prima volta nell ambito delle costruzioni in muratura a livello nazionale nel decreto Dm 96, così come è accaduto per la muratura armata. Il concetto della struttura mista comprende organismi strutturali che presentano elementi verticali in muratura e in altra tecnologia (cemento armato, acciaio, legno, ecc.) disposti altimetricamente in corrispondenza dello stesso piano, oppure su piani successivi (come precisato al C7.8.4 della Circolare 02/02/2009 inerente le istruzioni per l applicazione delle Ntc 2008). È consentito infatti, così come già previsto dal decreto Dm 96, realizzare l ultimo piano di un edificio in muratura portante con una struttura di differente tecnologia, purché siano rispettate alcune specifiche condizioni indicate al delle Ntc Tale soluzione strutturale sembra riferirsi, tuttavia, più alla possibilità di sopraelevazione di un edificio in muratura portante che al progetto di nuova costruzione. La maggioranza delle strutture miste con pareti in muratura portante è rappresentata, infatti, da costruzioni con elementi in altra tecnologia disposti altimetricamente allo stesso piano delle murature. In questi casi, la resistenza all azione sismica viene affidata esclusivamente alla struttura muraria, considerata la sua elevata rigidezza rispetto agli elementi in diversa tecnologia, quali per esempio i pilastri in c.a. La rigidezza delle pareti in muratura in campo lineare è infatti prevalente nell assorbire le azioni sismiche. Le Ntc 2008, al 7.8.4, offrono la possibilità di realizzare strutture miste con pareti in muratura ordinaria o armata, purché la resistenza all azione sismica venga assicurata dagli elementi di identica tecnologia. Dunque è permesso affidare la resistenza alle azioni orizzontali alle sole pareti in muratura, oppure alle sole strutture di altra tecnologia (per esempio pareti in c.a.), rispettando le pertinenti regole di progettazione, a seconda della scelta progettuale. Sulla base dei risultati ottenuti da ricerche condotte presso alcune università italiane, le Ntc 2008 estendono ulteriormente la possibilità di impiego di strutture miste rispetto al Dm 96, riprendendo le indicazioni a suo tempo introdotte nell Opcm 3431 del 03/05/2005. Esse prevedono, infatti, che si 64 cil 149

2 (a) (b) 1. Realizzazione tipo di strutture miste: muratura armata perimetrale e pilastro interno (a); muratura portante perimetrale e pilastro esterno (b). possa anche considerare la collaborazione delle pareti in muratura e dei sistemi di diversa tecnologia nella resistenza alle azioni sismiche, purché essa venga verificata utilizzando i metodi di analisi nonlineare, al fine di valutare adeguatamente i diversi contributi di elementi caratterizzati da rigidezze, resistenze e capacità deformative molto differenziate tra di loro (come richiamato al C7.8.4 della Circolare 02/02/2009 inerente le istruzioni per l applicazione delle Ntc 2008). In questo caso, i collegamenti fra gli elementi di diversa tecnologia devono essere verificati, prestando attenzione anche alla compatibilità delle deformazioni degli elementi strutturali stessi. Il ruolo svolto dagli orizzontamenti ai fini della ripartizione dell azione sismica fra i muri di controventamento, richiesto per le costruzioni in muratura portante, è fondamentale anche nel caso delle strutture miste. Il solaio rigido nel proprio piano riesce a trasferire le azioni orizzontali alle pareti in muratura proporzionalmente alla rigidezza di ciascuna parete: eventuali pilastri, dunque, non parteciperanno all assorbimento dell azione sismica; al contrario, il solaio deformabile non ripartisce le azioni sismiche, che si distribuiscono sugli elementi verticali in base all area di influenza. Nel caso in cui gli orizzontamenti siano realizzati in legno, essi possono considerarsi rigidi a condizione che vengano completati con un massetto in c.a. di 5 cm circa, che svolgerà funzioni anche di isolamento acustico, grazie all aumentata massa del solaio. Le strutture miste con pareti in muratura portante: approfondimento e aspetti particolari Con riferimento all ambito di applicazione pratica, come già accennato la soluzione più diffusa corrisponde a quella di edifici in muratura portante perimetrale (ordinaria o armata) con la presenza di pilastri in c.a. interni e/o esterni [fig. 1]. Tale soluzione garantisce flessibilità distributiva interna e libertà architettonica esterna e, al tempo stesso, permette di realizzare un involucro perimetrale in grado di assorbire le azioni sismiche, termo-igrometricamente omogeneo (privo di ponti termici dovuti ai pilastri), dotato di elevata inerzia termica e capace di assicurare un elevato isolamento acustico. Per edifici di medio-piccole dimensioni, la muratura portante, impiegata come struttura perimetrale integrata a pilastri interni e/o esterni, risulta essere una scelta ideale, anche dal punto di vista economico. Per queste tipologie costruttive, in particolare, la normativa richiede in sostanza di realizzare orizzontamenti rigidi, in modo da non fare gravare le azioni sismiche sui pilastri, i quali, pertanto, 2. Pianta tipo di una costruzione in muratura portante (configurazione A, dimensioni in cm). 3. Piante alternative in struttura mista, ottenute a partire dalla pianta tipo (configurazione A) 65 cil 149

3 per non partecipare alla resistenza all azione sismica, devono avere capacità deformative maggiori rispetto alle pareti in muratura, rendendo non necessaria la verifica della compatibilità delle deformazioni tra muratura e pilastri. I concetti fin qui espressi risultano essere intuitivi e per certi versi banali. Sembra meno banale approfondire, riprendendo e sviluppando argomenti già trattati in «L edificio in muratura» (G. Righetti, L. Bari, 2 a edizione, Edizioni Bin, 1999), la reale «omogeneità» della risposta ai carichi orizzontali di una struttura mista in funzione della quantità relativa di elementi in altra tecnologia rispetto alla muratura, intendendo per «omogeneità» ai carichi orizzontali il fatto che essi vengano assorbiti esclusivamente da una sola tipologia di sistema costruttivo: nel caso allo studio, dalle sole pareti in muratura. Per fornire un riferimento utile, rispetto al quale una struttura mista possa essere considerata «omogenea» piuttosto che «mista» ai carichi orizzontali, si analizzerà nel seguito un esempio pratico, limitandoci alla sola direzione X. La pianta della costruzione riportata in fig. 2, ipotizzando che abbia tre piani fuori terra, solai rigidi e che sia ubicata in zona 3, può essere considerata semplice. Dunque, rispettando le percentuali minime di pareti resistenti indicate in tabella 7.8.III delle Ntc 2008, essa può essere realizzata sia muratura ordinaria che in muratura armata, adeguando lo spessore delle pareti. Sostituendo le pareti X5 e X5A con due pilastri (30x30 cm), si ottiene la configurazione B [fig. 3]. La rigidezza percentuale degli elementi in cemento armato rispetto alla rigidezza totale della struttura è pari a circa lo 0,2%. La struttura, pur essendo mista, rimane «omogenea» ai carichi orizzontali, che vengono interamente assorbiti dalle pareti in muratura. Si osserva che l edificio è ancora semplice dato che i carichi verticali portati dai pilastri equivalgono al 5% dei carichi verticali totali. Ciò significa, infatti, che il requisito di avere almeno il 75% dei carichi verticali portati da pareti resistenti alle azioni orizzontali ( Ntc 2008) è rispettato. Anche in questo caso, l edificio si può realizzare sia in muratura ordinaria che in muratura armata, naturalmente adeguando lo spessore delle pareti. Con la planimetria C [fig. 3], ottenuta eliminando le pareti Y4 e Y4A, l edificio non è più semplice dato che l interasse delle pareti in direzione Y risulta ora essere maggiore dei 7 m o 9 m, rispettivamente per muratura ordinaria e armata. I carichi verticali portati dai pilastri corrispondono al 6% del totale e la rigidezza percentuale degli elementi in c.a. rispetto alla rigidezza totale della struttura, in direzione X, risulta invariata rispetto al caso precedente: dunque, la struttura, mista rimane «omogenea» ai carichi orizzontali. Dato che l edificio non è più semplice, esso va verificato con un analisi estesa. Applicando l analisi lineare, la verifica sismica è assolta se si impiega una muratura armata con normali quantità di armatura, mentre si richiede un analisi nonlineare per verificare la costruzione se realizzata con muratura ordinaria. Sostituendo anche le pareti X6 e X6A, inserendo due pilastri (30x30 cm), si ottiene la configurazione D [fig. 3]. Stavolta i carichi verticali portati dai pilastri corrispondono al 33% del totale e la rigidezza percentuale degli elementi in c.a. rispetto alla rigidezza complessiva della struttura diventa circa lo 0,6%: la struttura mista rimane ancora «omogenea» ai carichi orizzontali. Impiegando un analisi nonlineare, la verifica estesa è positiva se si adottano quantità medie di armatura (muratura armata), mentre la muratura ordinaria non risulta verificata. Sostituendo, infine, le pareti X9 e X9A, prevedendo due pilastri (30x30 cm) e sostituendo i pilastri X6 e X6A con due setti in cemento armato (100x30 cm), si arriva alla configurazione E [fig. 3]. I carichi verticali portati dagli elementi in c.a. diventano, in questo caso, il 40% del totale. La rigidezza percentuale degli elementi in cemento armato, rispetto alla rigidezza totale della struttura, raggiunge il 14,5%: la struttura reagisce ai carichi orizzontali come una struttura «mista». La verifica estesa deve essere eseguita con un analisi nonlineare, in ogni caso, per tenere conto della interazione tra pareti in muratura armata ed elementi in c.a. L esempio sopra illustrato conferma che configurazioni di strutture miste, quali B, C e D, sono effettivamente «miste» per i carichi verticali, mentre si possono ancora considerare «omogenee» rispetto ai carichi orizzontali, che vengono assorbiti quasi esclusivamente dalle pareti in muratura. Solo quando gli elementi in c.a. assumono dimensioni confrontabili con quelle della Esempio di edificio con piano interrato in c.a. avente aperture dei garage e struttura in muratura portante soprastante. Legenda: 1. trave ribassata di elevata rigidezza; 2. setto verticale adeguatamente dimensionato alla trave ribassata 66 cil 149

4 muratura (configurazione E), introducendo dei setti anziché dei pilastri, il comportamento strutturale diventa «misto» anche in relazione ai carichi orizzontali. Si noti infine come l impiego di un analisi statica nonlineare permetta di verificare la struttura che diventa sempre più complessa, anche quando l analisi statica lineare fornisca esito negativo. Le fondazioni negli edifici in muratura portante secondo le Ntc 2008 La fondazione, o struttura di fondazione, è l unità strutturale che funge da collegamento tra la costruzione in elevazione e il suolo. Essa riveste il ruolo di trasferire a terra le azioni agenti s ulla costruzione con assoluta sicurezza, garantendo la stabilità dell opera edificata e la compatibilità con le prestazioni richieste. Le Ntc 2008 richiedono infatti, a livello generale, che venga verificata la resistenza degli elementi strutturali che compongono la fondazione ( ) e di calcolare i valori degli spostamenti e delle distorsioni per accertarne la compatibilità con i requisiti prestazionali della struttura in elevazione ( ). I criteri generali di progettazione per azioni sismiche ( 7.2.1) precisano, inoltre, che il sistema di fondazione deve essere dotato di elevata rigidezza estensionale nel piano orizzontale e di adeguata rigidezza flessionale; gli elementi strutturali delle fondazioni, in particolare, devono essere dimensionati sulla base delle sollecitazioni ad essi trasmesse dalla struttura sovrastante e avere comportamento elastico: per questo, non richiedono l impiego di armature specifiche per ottenere un comportamento duttile ( 7.2.5). Le azioni trasmesse dalla struttura in elevazione alle fondazioni vengono valutate considerando le azioni statiche (verticali) e sismiche: al 7.2.5, le Ntc 2008 indicano che il dimensionamento delle strutture di fondazione e la verifica di sicurezza del complesso fondazione-terreno devono essere eseguiti assumendo come azioni in fondazione le resistenze degli elementi strutturali soprastanti (questa indicazione viene poi ulteriormente chiarita allo stesso punto delle Ntc 2008). L organizzazione strutturale della muratura prevede che la fondazione ( 4.5.4) possa essere costituita da un cordolo in calcestruzzo armato disposto alla base di tutte le murature verticali resistenti. Inoltre, viene data la possibilità di realizzare la prima elevazione con pareti di calcestruzzo armato, previo adeguato centraggio dei carichi trasmessi alle pareti della prima elevazione e alla fondazione; soluzione, questa, che richiama le strutture miste, dato che è possibile realizzare un primo piano in pareti di c.a., a patto di garantire la continuità verticale della trasmissione delle azioni. Nell ambito della progettazione per azioni sismiche, vengono introdotti due concetti fondamentali per le fondazioni delle costruzioni in muratura ( ): le strutture di fondazione devono essere realizzate in cemento armato, secondo quanto indicato al 7.2.5, continue, senza interruzioni in corrispondenza di aperture nelle pareti soprastanti; qualora sia presente un piano cantinato o seminterrato in pareti di cemento armato, esso può essere considerato quale struttura di fondazione dei sovrastanti piani in muratura portante, nel rispetto dei requisiti di continuità delle fondazioni, e non è computato nel numero dei piani complessivi in muratura. mentre il primo concetto è di immediata comprensione, il secondo è più articolato ed evidenzia l obiettivo del normatore di avere un comportamento scatolare rigido del piano in c.a., garantendo alla base di ciascuna parete portante in muratura soprastante, indipendentemente dalle aperture nella stessa, un elemento strutturale che riesca a fornire una rigidezza adeguata lungo tutta la sua estensione. Si segnala, infine, l approccio previsto nel caso di costruzioni semplici ( ) per le quali il dimensionamento delle fondazioni può essere effettuato in modo semplificato tenendo conto delle tensioni normali medie e delle sollecitazioni sismiche globali determinate con l analisi statica lineare. In questo caso, si tratta di verificare a livello globale la struttura, accertando che la tensione media sul piano di fondazione, a cui si deve sovrapporre la distribuzione di tensioni dovute al momento alla base della struttura causato dall azione sismica agente sull edificio, risulti non superiore alla tensione sopportata dal terreno. Tale metodo è applicabile nell ipotesi di monoliticità della sezione di fondazione e richiede una verifica della qualità del risultato finale. 5. Schema della risposta sismica globale del piano interrato in c.a. «di fondazione», nelle due direzioni principali, con riportata la deformata qualitativa dovuta alle azioni orizzontali del solaio ed alle coppie di taglio e momento delle ipotetiche pareti in muratura soprastanti. 67 CIL 149

5 6. Dettaglio dello spostamento in sommità della parete in muratura, dovuto alla deformazione flettente della trave dell apertura dei garage alla base della parete stessa. Le fondazioni negli edifici in muratura portante: approfondimento e aspetti particolari Il posizionamento di una parete portante in muratura su di una trave della struttura in c.a. del piano interrato o seminterrato «di fondazione» è una soluzione, laddove non si possano prevedere alternative, che può essere adottata nel rispetto dei requisiti imposti dalle Ntc 2008 precedentemente descritti. Uno dei casi più ricorrenti sono le aperture per i garage sulle pareti perimetrali [fig. 4] che creano, in sostanza, una struttura in c.a. forata, la quale, nel suo insieme, deve fornire una risposta tale da non compromettere il comportamento scatolare rigido del sistema di fondazione [fig. 5] e garantire deformazioni compatibili con i requisiti prestazionali della struttura in elevazione, come richiesto dalle Ntc 2008 nel A livello locale, perciò, si deve prestare attenzione alle pareti che trasmettono momento flettente alla trave dell apertura dei garage, assicurando che questa abbia una elevata rigidezza (proprietà che favorisce anche una resistenza adeguata dato che le strutture di fondazione devono rimanere in campo elastico) per ridurre le deformazioni che implicano la rotazione della base della parete in muratura soprastante, che si traduce in uno spostamento in sommità della parete stessa, aggiuntivo rispetto a quello previsto in fase di analisi della struttura in elevazione in muratura [fig. 6]. Gli elementi verticali che reggono detta trave devono essere dimensionati conseguentemente per garantire le prestazioni richieste alla trave stessa. Una situazione analoga è rappresentata dal caso di muratura portante soprastante una trave del primo impalcato della struttura di fondazione, come rappresentata dalla coppia taglio/momento evidenziata in fig. 5. Tale soluzione non costituisce un problema a livello globale per la fondazione: il comportamento scatolare della fondazione non è compromesso, in quanto le azioni orizzontali agenti sul primo impalcato della struttura di fondazione vengono ripartite dall impalcato stesso alle pareti perimetrali. A livello locale invece, come nel caso precedente, si deve prestare attenzione agli effetti indotti dal momento flettente sulla trave. Si deve dunque, anche in questo caso, realizzare una trave alta per fornire una rigidezza elevata alla base della muratura soprastante e gli elementi verticali che reggono detta trave devono essere dimensionati conseguentemente. Conclusioni La strutture miste rappresentano un sistema costruttivo adatto alle costruzioni di medio-piccole dimensioni per i vantaggi economici, di flessibilità distributiva interna e di libertà compositiva esterna che ne derivano. Il principio su cui si basa la normativa, che affida le azioni orizzontali agli elementi di identica tecnologia (nel caso specifico, le pareti in muratura), risulta confermato e coerente con la risposta ai carichi orizzontali della struttura mista. Solo quando le dimensioni degli elementi in c.a. diventano confrontabili con quelle delle pareti in muratura, il comportamento strutturale diventa «misto» anche in relazione ai carichi orizzontali e risulta dunque necessario svolgere la verifica con analisi nonlineare (statica o dinamica), come indicato dalle Ntc Il limite che impone di avere almeno il 75% dei carichi verticali portati da pareti resistenti alle azioni orizzontali, introdotto dalle Ntc 2008 per gli edifici semplici, sembra indicare anche un limite entro cui l analisi lineare riesce a soddisfare la verifica sismica, oltre il quale invece la sola via che rimane è l analisi nonlineare, metodo di valutazione, quest ultimo, da adottare obbligatoriamente per tenere conto della collaborazione, nella resistenza al sisma, tra pareti in muratura portante ed elementi di altra tecnologia. Nell ambito della struttura di fondazione, in generale, emergono due aspetti a cui prestare attenzione: il comportamento globale, ossia il comportamento scatolare della fondazione, e il comportamento locale, quindi la deformazione flettente della trave (o più in generale della parete forata) che regge il muro portante. Sia nel caso di parete portante soprastante all apertura dei garage che in quello di parete portante poggiante su una trave del primo impalcato della struttura di fondazione, l adeguato comportamento globale e locale richiesto viene soddisfatto mediante la realizzazione di una trave alta, retta da adeguati elementi verticali, a formare una parete forata sufficientemente rigida. Si precisa che nelle Ntc 2008 non viene operata distinzione tra strutture di fondazione per muratura ordinaria o per muratura armata. Quest ultima tuttavia, sviluppando maggiori resistenze e, in particolare, momenti flettenti maggiori e con maggiore rigidezza, richiede la dovuta attenzione nella realizzazione e dimensionamento degli elementi in c.a. con funzione di fondazione che devono essere rigidi e resistenti, alla luce delle considerazioni precedentemente esposte. *Consorzio Poroton Italia Bibliografia essenziale Nardone F., Verderame G.M., Prota A., Manfredi G., «Analisi comparativa su edifici misti in c.a. muratura», Valutazione e riduzione della vulnerabilità sismica di edifici esistenti in c.a., Roma, maggio 2008 (pubblicazione Reluis). Cattari S., Lagomarsino S., «Formulazione di elementi nonlineari per l analisi degli edifici esistenti a struttura mista muratura-c.a.», XII Convegno Anidis «L Ingegneria sismica in Italia», Pisa, giugno Righetti G., Bari L., «L edificio in muratura», 2 a edizione, Edizioni B.I.N., cil 149