Comportamento delle tamponature esterne di edifici in C.A. nei confronti dell azione sismica

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1 Comportamento delle tamponature esterne di edifici in C.A. nei confronti dell azione sismica È corretto non progettare i sistemi anti-espulsione? Christian Pierini, Ingegnere libero professionista 1. PREMESSA Un aspetto spesso trascurato nella progettazione di edifici in c.a. è quello relativo agli elementi cosiddetti non strutturali, ovvero elementi senza una funzione strutturale principale, ma in grado comunque di provocare danni a cose e a persone durante l azione sismica, se trascurati nella progettazione. Un tipico esempio di elementi non strutturali sono le tamponature esterne degli edifici in c.a., le quali presentano spesso masse e rigidezze tali da modificare significativamente il comportamento e la risposta della struttura durante l azione sismica. Tali elementi, se non progettati correttamente, possono portare a collassi fragili e prematuri, con la possibile espulsione fuori dal piano degli stessi. Figura 1 Esempio di espulsione delle tamponature esterne in un edificio in c.a. Ottobre

2 Le Norme Tecniche per le Costruzioni (D.M. 14 gennaio 2008) forniscono gli strumenti per una corretta progettazione di questi elementi ma, come spesso accade, il carattere prestazionale delle norme viene scalzato da dettami di carattere prescrittivo, talvolta inseriti trascurando aspetti progettuali importanti. Le NTC infatti, al par affermano che, per gli elementi costruttivi senza funzione strutturale debbono essere adottati magisteri atti ad evitare collassi fragili e prematuri e la possibile espulsione sotto l azione della Fa (v ) corrispondente allo SLV. Quindi, correttamente, impongono al progettista una verifica della sicurezza di tali elementi nei confronti dell azione sismica, da eseguirsi mediante opportune analisi che, seppur semplificate, forniscono dei coefficienti di sicurezza per le singole condizioni di progetto. E fino a qui, nulla da eccepire, se non fosse per l introduzione della Circolare esplicativa n.617 del 02/02/2009 la quale aggiunge, al par. C che la prestazione consistente nell evitare collassi fragili e prematuri e la possibile espulsione sotto l azione della Fa delle tamponature si può ritenere conseguita con l inserimento di leggere reti da intonaco sui due lati della muratura, collegate tra loro ed alle strutture circostanti a distanza non superiore a 500 mm sia in direzione orizzontale sia in direzione verticale, ovvero con l inserimento di elementi di armatura orizzontale nei letti di malta, a distanza non superiore a 500 mm. Già da una prima lettura si percepisce quanto vaghe siano tali prescrizioni: cosa significa leggera rete da intonaco? si intende una rete metallica o plastica? E cosa si intende per armatura orizzontale? se inserisco dei tondini Φ6 tradizionali nei corsi di malta ogni 50 cm è sempre corretto? sia che mi trovi a piano terra o all ultimo piano? Ovviamente no e dovrebbe essere compito del progettista verificare tale aspetto. Le NTC ritengono tuttavia soddisfatta questa prestazione se si rispetta una prescrizione senza alcuna cognizione di causa, contravvenendo alla filosofia che sta alla base di tutti gli approcci progettuali più avanzati nei confronti delle azioni sismiche. A dimostrazione di quanto affermato, nel seguito saranno riportati alcuni esempi di progettazione dei cosiddetti presidi anti-espulsione delle tamponature, partendo dal calcolo dell azione orizzontale di progetto, per poi proseguire nelle verifiche di sicurezza, ponendo a confronto alcune delle tecniche di intervento possibili. 2. VERIFICA DI ESPULSIONE DEI PANNELLI DI TAMPONATURA Secondo il delle NTC, con l esclusione dei soli tamponamenti interni di spessore non superiore a 100 mm, gli elementi costruttivi senza funzione strutturale, il cui danneggiamento può provocare danni a persone, devono essere verificati, insieme alle loro connessioni alla struttura, per l azione sismica corrispondente a ciascuno degli stati limite considerati. Gli effetti dell azione sismica sugli elementi costruttivi senza funzione strutturale possono essere determinati applicando a tali elementi una forza orizzontale Fa definita come segue: SaWa Fa q a Ottobre

3 dove: Fa Wa Sa qa è la forza sismica orizzontale agente al centro di massa dell elemento non strutturale nella direzione più sfavorevole; è il peso dell elemento; è l accelerazione massima, adimensionalizzata rispetto a quella di gravità, che l elemento strutturale subisce durante il sisma e corrisponde allo stato limite in esame ( 3.2.1); è il fattore di struttura dell elemento; In mancanza di analisi più accurate, Sa può essere calcolato nel seguente modo: S a 3 (1 Z / H) S 0,5 2 1 (1 Ta / T1 ) dove: α S Ta T1 Z H è il rapporto tra l accelerazione massima del terreno ag su sottosuolo di tipo A da considerare nello stato limite in esame ( 3.2.1) e l accelerazione di gravità g; è il coefficiente che tiene conto della categoria di sotto suolo e delle condizioni topografiche ( ); è il periodo fondamentale dell elemento non strutturale; è il periodo fondamentale della costruzione nella direzione considerata; è la quota del baricentro del pannello rispetto al piano delle fondazioni; è l altezza dell edificio rispetto al piano delle fondazioni. Infine, in assenza di specifiche determinazioni, per qa si possono assumere i valori riportati in Tab. 7.2.I: Per quel che concerne il rapporto tra il periodo fondamentale dell elemento non strutturale e il periodo fondamentale della costruzione, è ragionevole supporre che questo tenda a zero, essendo la tamponatura all interno del telaio in c.a. di per se molto più rigida rispetto alla costruzione stessa. Ottobre

4 A dimostrazione di ciò, proviamo a calcolare il modo di vibrare di una tamponatura all interno di una specchiatura di telaio, ipotizzando un certo grado di vincolo alla base ed in sommità della stessa tale da poter considerare la tamponatura come una piastra appoggiata alle estremità. Il periodo di vibrazione dell elemento non strutturale (Ta) può essere calcolato con la seguente formulazione: T a 2h k 2 2 Ls E I g dove: k h L s γ E I g è il numero che indica il modo di vibrazione considerato (1,2,3 ); è l altezza del pannello di tamponatura; è la base del pannello di tamponatura; è lo spessore del pannello di tamponatura; è il peso per unità di volume del pannello di tamponatura; è il modulo elastico del pannello di tamponatura; è il momento di inerzia del pannello di tamponatura per la sezione considerata; è l accelerazione di gravità. Quindi, per un tamponamento tipo in laterizio di spessore pari a 30cm, di altezza pari a 2,7m, larghezza pari a 4,0m, considerando ovviamente il primo modo di vibrare otterremo: Ta 2 22,7 40, ,026 sec , ,81 Supponendo di avere un fabbricato caratterizzato da un periodo fondamentale di tipo flessionale nella direzione considerata pari a 0,5 sec, il rapporto tra il periodo fondamentale dell elemento non strutturale e il periodo fondamentale della costruzione risulta pari a 0,05, ovvero tende a zero. Calcolata la forza orizzontale Fa, possiamo procedere alla verifica di sicurezza, considerando il cinematismo di flessione verticale del pannello con formazione di cerniere agli appoggi e in mezzeria, per il quale risulta un momento ribaltante massimo, valutato nella sezione di mezzeria pari a: dove: h s M Ed Fa Wa 8 4 Fa Wa è la forza sismica orizzontale agente al centro di massa della tamponatura; è il peso della tamponatura. Ottobre

5 Il momento stabilizzante, con riferimento sempre alla sezione di mezzeria, è invece pari a: M Rd W a Wa s 2 40,85 f d L La verifica per lo SLV risulterà soddisfatta se MRd MEd. Per costruzioni di classe d uso III e IV, tale verifica dovrà essere condotta anche per lo SLD. Nel caso in cui risulti MRd < MEd, occorrerà progettare dei presidi atti a scongiurare una possibile espulsione delle tamponature. 3. PROGETTAZIONE DEI SISTEMI ANTI-ESPULSIONE DELLE TAMPONATURE Si procede con un esempio di progettazione di sistemi anti-espulsione delle tamponature, con riferimento alla struttura in c.a. mostrata nelle seguenti figure: Figura 2 Modello FEM della struttura in c.a. Ottobre

6 Figura 3 Telaio esterno tipo. La struttura è classificabile come struttura a telaio in c.a., caratterizzata da sette impalcati fuori terra e da un piano interrato, il cui telaio tipo esterno presenta specchiature di dimensione massime pari a circa L=6,0m x H=3,0m. Il periodo fondamentale nella direzione considerata, ovvero ortogonalmente al piano delle tamponature, risulta pari a 0,81sec. La tamponatura scelta è una classica tamponatura in blocchi forati avente le seguenti caratteristiche: - Spessore: s = 30cm - Peso specifico: γ = 700 kg/m 3 - Percentuale di foratura: 45% < ϕ 55% - Resistenza caratteristica a compressione: fk = 3,5 Mpa - Modulo elastico longitudinale: E = 3500 MPa Ottobre

7 Si riportano nel seguito le verifiche della tamponatura tipo per ogni piano dell edificio, eseguite mediante l ausilio di un foglio di calcolo, con le assunzioni del par.2, considerando l edificio in ex zona sismica 2 (ag/g=0,185), con categoria di sottosuolo C: Piano n Z [m] H [m] h [m] L [m] s [m] Fa [N] MEd [Nm] MRd [Nm] MRd/MEd 1 4,50 24,00 3,00 6,00 0, ,63 N 5351, ,99 1,06 2 7,50 24,00 3,00 6,00 0, ,00 N 5714, ,99 0, ,50 24,00 3,00 6,00 0, ,36 N 6077, ,99 0, ,50 24,00 3,00 6,00 0, ,73 N 6440, ,99 0, ,50 24,00 3,00 6,00 0, ,09 N 6804, ,99 0, ,50 24,00 3,00 6,00 0, ,46 N 7167, ,99 0, ,50 24,00 3,00 6,00 0, ,82 N 7530, ,99 0,75 Tabella 1 Quadro riassuntivo delle verifiche. Come si osserva dalla Tabella 1, le verifiche sono soddisfatte solo al piano primo del fabbricato, mentre ai restanti piani occorre prevedere, in accordo con il par. C , l inserimento di leggere reti da intonaco sui due lati della muratura, collegate tra loro ed alle strutture circostanti a distanza non superiore a 500 mm sia in direzione orizzontale sia in direzione verticale, ovvero l inserimento di elementi di armatura orizzontale nei letti di malta, a distanza non superiore a 500 mm. A questo punto, la domanda che ogni professionista dovrebbe porsi è: prevedere quanto affermato dalle NTC è sufficiente ad evitare collassi fragili e prematuri e la possibile espulsione sotto l azione della Fa delle tamponature? Prendiamo ad esempio la prescrizione di inserire elementi di armatura orizzontale nei letti di malta a distanza non superiore a 500 mm. Ipotizziamo di inserire delle armature nervate nella misura di 2Φ6 ogni 500 mm, come spesso accade nella pratica costruttiva tradizionale, e di collegare tali armature alle strutture circostanti, ovvero ai pilastri. Una prima problematica che salta all occhio è la corrosione di tali armature. Se prendiamo come riferimento il par delle NTC relativo alle murature armate, al comma 4 si legge: Le barre di armatura possono essere costituite da acciaio al carbonio, acciaio inossidabile o acciaio con rivestimento speciale (omissis). In ogni caso dovrà essere garantita un adeguata protezione dell armatura nei confronti della corrosione. Questo aspetto è molto importante in quanto è molto difficile garantire un adeguato ricoprimento per barre di armatura di diametro 6mm annegate in un letto di malta, usualmente di spessore pari a circa 10mm. Tornando invece alle verifiche di sicurezza, proviamo a calcolare la resistenza della tamponatura armata con barre orizzontali, considerando la massima forza orizzontale Fa Ottobre

8 applicata al centro del pannello dell ultimo piano, il quale risulterà efficacemente collegato ai pilastri. Il momento sollecitante risulterà pari a: M Ed Fa L 12,52kN 6, 00m 18, knm Il momento resistente può essere calcolato con riferimento al par delle NTC per quel che riguarda la pressoflessione fuori dal piano delle murature armate. Si riporta nel seguito il diagramma di interazione N-M: Il momento resistente calcolato risulta pari a: Figura 4 Dominio di interazione N-M. M Rd 13,82 knm Per cui MRd < MEd e la verifica non risulta soddisfatta. Ai fini del soddisfacimento della verifica, in questo caso, occorrerebbe raffittire il passo delle armature nei corsi di malta, non risultando quindi sufficiente la prescrizione della normativa di cui al par. C Ottobre

9 Una valida alternativa ai metodi tradizionali di intervento, ovvero all inserimento di barre singole nei letti di malta, è quella di inserire dei tralicci in acciaio tipo Murfor di Bekaert. Figura 5 Traliccio in acciaio tipo Murfor. Figura 6 Traliccio in acciaio tipo Murfor collegato alla struttura in c.a. Ottobre

10 Con tale sistema, innanzitutto viene eliminato il problema della corrosione in quanto i tralicci sono protetti, a seconda dell aggressività dell ambiente in cui vengono posti, o mediante semplice zincatura oppure mediante rivestimenti con resine epossidiche o addirittura realizzati in acciaio inossidabile per gli ambienti più aggressivi. Anche la posa in opera risulta facilitata e, vista la conformazione a traliccio, è più difficile incorrere in errori di esecuzione, come ad esempio porre le singole barre in modo non corretto ed omogeneo nella sezione, diminuendo così l efficacia del presidio. Inoltre il comportamento meccanico risulta migliore, sia per ciò che concerne le connessioni alle strutture, realizzate con appositi elementi studiati al fine di integrarsi efficacemente al traliccio, sia per quel che riguarda la resistenza meccanica, utilizzando un acciaio avente tensione caratteristica allo snervamento pari a 580 N/mm 2. In tal modo si riescono ad utilizzare diametri più contenuti (il traliccio presenta diametro 5mm) a parità di prestazioni, favorendo ulteriormente la facilità di posa. Per ciò che concerne le verifiche di sicurezza, volendo porre a confronto il sistema tradizionale con il sistema a traliccio, si riporta nel seguito il diagramma di interazione N-M anche per quest ultimo: Il momento resistente calcolato risulta pari a: Figura 7 Dominio di interazione N-M. M Rd 16,19 knm Per cui, anche per il traliccio tipo Murfor, nel caso di tamponatura all ultimo piano di fabbricato di sette livelli, il passo di 500mm risulta insufficiente ai fini delle verifiche di sicurezza. Si osserva comunque un incremento di resistenza pari a circa il 17% nonostante l utilizzo di barre con diametri inferiori. Ottobre

11 4. CONCLUSIONI Le tamponature, spesso trascurate nella progettazione strutturale, rivestono altresì un importanza fondamentale per quel che riguarda la salvaguardia della vita, in quanto durante l azione sismica sono spesso tali elementi a provocare i maggiori danni a cose e a persone. La normativa tecnica nazionale, seppur fornisca tutti gli strumenti per una corretta progettazione, permette comunque al professionista di trascurare il dimensionamento di adeguati presidi, reputando soddisfatte le condizioni di sicurezza mediante generiche prescrizioni di carattere costruttivo. È invece di grande importanza per il progettista approfondire le analisi e valutare le soluzioni tecniche più adeguate caso per caso, anche alla luce dei prodotti presenti sul mercato. 5. RINGRAZIAMENTI L autore ringrazia la ditta Leon Bekaert s.p.a., nella persona di Pier Paolo Fumagalli, per aver fornito la documentazione per il presente articolo. Contatti con l autore: Dott. Ing. Christian Pierini: Ottobre

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