Le strutture di legno esistenti Ideazione progettuale degli interventi di miglioramento sismico Claudio Ferrari, ingegnere libero professionista direttore tecnico A.I.erre engineering S.r.l. in Parma ABSTRACT Questo articolo riprende le analisi condotte in un precedente contributo in cui veniva analizzato il comportamento delle costruzioni di legno in presenza di azioni sismiche e sulla scorta delle evidenze emerse vengono proposti dei criteri d intervento che consentono di perseguire il raggiungimento del miglioramento sismico della costruzione. 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. 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 anche una base per la progettazione nelle nuove costruzioni. ANALISI DEL COMPORTAMENTO PER EFFETTO DELLE AZIONI SISMICHE Se ai soli fini esemplificativi si analizza un edificio (Figura 1) che presenta strutture verticali in muratura, è possibile individuare i principali comportamenti al collasso e le interazioni con la struttura principale della costruzione, distinguendo tra coperture e solai. 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 strutture murarie dove gli elementi sono semplicemente appoggiati; i casi di studio sono illustrati in Figura 2. maggio 2015 1
Figura 1 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. Figura 2 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 3 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 maggio 2015 2
Figura 3 Comportamento a collasso della copertura. Come mostrato nella Figura 4 sono evidenti le correlazioni con i fenomeni osservati durante gli eventi sismici. Figura 4 Comportamento a collasso della copertura: correlazioni sulla base delle osservazioni durante gli eventi sismici maggio 2015 3
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. 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 5. Figura 5 Caratteristiche dei solai 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 6). 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. maggio 2015 4
Figura 6 La funzione dei solai Il comportamento a collasso è descritto nella Figura 7 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 7 Comportamento a collasso dei solai maggio 2015 5
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. INTERVENTI DI MIGLIORAMENTO SISMICO La particolarità del comportamento strutturale del legno risiede nel fatto che in base alla classe di durata del carico e alla classe di servizio i valori resistenti di progetto sono diversi. In presenza di azione sismica (azione istantanea) le caratteristiche di resistenza sono maggiori rispetto a quelle per altri tipi di azione (ad esempio pesi propri, neve). Ne consegue che in ambito sismico le verifiche significative sono quelle sulle connessioni, mentre la dimensione degli elementi strutturali viene ricavata nella fase di progettazione per carichi di gravità. Le connessioni assumono un ruolo determinate in ambito sismico, tant è che la dissipazione avviene nei nodi (che devono essere duttili) e non negli elementi (che sono fragili) e questa è una peculiarità unica del legno rispetto ad altri sistemi strutturali. Analizzati i meccanismi di collasso per le coperture e per i solai è quindi possibile fornire alcune indicazioni per gli interventi che possono essere messi in atto per prevenire e scongiurare i fenomeni illustrati nella Figura 3 e nella Figura 7. Le coperture Negli interventi sulle coperture occorre distinguere tra interventi globali e interventi sui nodi, i primi concorrono ad aumentare la rigidezza della struttura, i secondi ad impedire la fuori uscita dalle sedi di collegamento e di appoggio. Il problema principale è da ricondurre al fatto che il piano di falda è deformabile e per effetto delle azioni sismiche si generano componenti di spostamento relative che provocano la disarticolazione della copertura e le conseguenti spinte a vuoto sulla struttura sottostante con la perdita di appoggio degli elementi per fuori uscita dalla sede e conseguente collasso per implosione. La realizzazione di qualsiasi intervento non può quindi prescindere da un analisi del comportamento del piano di falda che deve essere irrigidito con un intervento che normalmente viene eseguito con la collocazione di un doppio assito ligneo, senza significativi incrementi di massa. L efficacia del doppio assito dipende dalla collocazione dei dispositivi adeguati a garantire che l azione agente sulla copertura venga trasmessa alla struttura sottostante attraverso un meccanismo di comportamento globale, senza la presenza di spinte a vuoto dovute alla disarticolazione della struttura La condizione a cui si perviene è quella in cui il piano di falda dotato di una rigidezza finita (e quindi non infinita) per la deformabilità delle connessioni e questo comporta una trasmissione parziale dell azione sugli elementi strutturali secondari e prncipali (anche se notevolmente inferiore alla situazione con falda deformabile). maggio 2015 6
Affinché l irrigidimento del piano di falda sia efficace, deve essere possibile trasmettere l azione alla struttura perimetrale ed è evidente che i collegamenti dei travetti con gli elementi strutturali sottostanti sono tali da non garantire l adeguata capacità di resistenza; in questi casi si ricorre a nuovi elementi lignei collocati tra i travetti (imbottiture - Figura 8). Figura 8 Esempio di collocazione di imbottiture tra i travetti. Come mostrato in Figura 9, per effetto di un azione orizzontale Fa, agente sul piano di falda, la spinta a vuoto (s) esercitata dagli elementi viene impedita (da intendersi notevolmente mitigata) per la presenza del doppio assito (c) che risulta efficace attraverso il collegamento garantito dalle imbottiture tra i travetti (a); l azione complessivamente si trasferisce ai bordi sui dormienti perimetrali ovvero le imbottiture ai bordi(b). Fa s Figura 9 Interventi globali possibili in base alla tipologia. (a): imbottiture tra i travetti; (b): imbottiture ai bordi; (c): doppio assito. maggio 2015 7
Viene scongiurato il comportamento a quadrilatero articolato piano della copertura, le travi vengono collegate al bordo perimetrale (connessione metallica), le imbottiture garantiscono l efficacia dell irrigidimento del piano di falda. Devono però essere previsti anche i collegamenti di nodo tra gli elementi (Figura 10) per garantire che non avvengano fuori uscite dalle sedi per effetto delle azioni orizzontali. Figura 10 Interventi sui nodi in base alla tipologia, con connettori a gambo cilindrico. (I): collegamenti a taglio; (II): collegamenti puntone catena; (III): collegamenti agli appoggi. Particolare importanza rivestono i collegamenti degli elementi che compongono le capriate (Figura 11) che devono avere la capacità di trasferire azioni di taglio senza consentire che insorgano flessioni parassite per effetto ciclico che provocano la riduzione della capacità resistente. Per questi motivi è quindi necessario mantenere inalterato lo schema statico della capriata consentendo la trasmissione nei nodi di azioni di taglio e sforzo normale, ma non del momento flettente. Particolare attenzione deve essere posta nei rinforzi del nodo puntone catena (nella zona del retro catena tallone ) perché le sollecitazioni di taglio parallele alla fibratura del legno provocano meccanismi di rottura di tipo fragile. I concetti sopra esposi rivestono carattere generale e quindi sono applicabili sia alle capriate esistenti che a quelle di nuova costruzione. maggio 2015 8
Figura 11 Dettaglio degli interventi sui nodi per le capriate. (I): collegamenti a taglio; (II): collegamenti puntone catena; (III): collegamenti agli appoggi. Altro aspetto fondamentale è il collegamento ai bordi perimetrali della struttura (Figura 12), che deve avvenire con connessioni in grado di impedire la fuori uscita dalla sede senza che la connessione sia eccessivamente rigida, per garantire un meccanismo resistente di nodo di tipo duttile (con plasticizzazione del collegamento senza prematura rottura fragile del legno per rifollamento). Figura 12 Collegamenti sul perimetro. (I): collegamenti a taglio; (II): collegamenti puntone catena; (III): collegamenti agli appoggi. maggio 2015 9
In queste situazioni è però necessario valutare lo scorrimento s della connessione affinché risulti compatibile con le deformazioni che può subire la copertura, (Figura 13). Figura 13 Aspetti connessi all effetto di scorrimento s delle connessioni. Solai Nei solai il problema è principalmente riconducibile alla verifica degli ancoraggi legno muratura e alla verifica degli ancoraggi dell irrigidimento del solaio alle pareti. La tecnica di collocare una soletta in calcestruzzo armato collegata agli elementi lignei sottostanti con connessioni a gambo cilindrico viene attualmente impiegata anche nei nuovi edifici, (Figura 14). In questi casi la particolarità è costituita dalla possibilità di realizzare un cordolo perimetrale nella muratura che consente il collegamento della soletta e configura un piano rigido. Figura 14 Soluzioni tipiche negli edifici di nuova costruzione. maggio 2015 10
Anche in questo caso, particolare attenzione va posta ai particolari costruttivi di collegamento perimetrale (Figura 15) al fine di garantire che le ipotesi poste alla base della progettazione siano soddisfatte. Per garantire un trasferimento delle azioni orizzontali in modo uniforme e rendere efficace il funzionamento della soletta, è necessaria la collocazione delle imbottiture tra i travetti, secondo i criteri già analizzati per le coperture. Figura 15 Dettagli in corrispondenza dei bordi. Quanto si deve intervenire sulle strutture esistenti, pur perseguendo lo stesso tipo d ideazione progettuale (Figura 16), le problematiche che si devono affrontare sono connesse all impossibilità di realizzare un cordolo nella sede muraria per il trasferimento delle azioni orizzontali. In questi casi è possibile (se la stratigrafia a pavimento lo consente) collocare un cordo esterno che consenta l ancoraggio delle barre alla muratura e quindi il trasferimento delle azioni orizzontali nel piano della soletta, (Figura 17). L esperienza dei recenti terremoti ha messo in evidenza la scasa capacità di queste connessioni di resistere a sforzi di trazione, con conseguente attivazione dei meccanismi di ribaltamento delle pareti. La collocazione di catene metalliche (Figura 18) consente di scongiurare il meccanismo di ribaltamento delle pareti e conseguentemente conferisce all intervento l efficacia richiesta. Si tenga comunque presente che soluzioni d intervento con soletta estradossale in conglomerato cementizio armato comportano necessariamente un aumento delle masse sull edificio che deve essere valutato preliminarmente per verificare che non si configuri un peggioramento degli effetti sismici sulla costruzione. maggio 2015 11
Figura 16 Soluzioni tipiche negli edifici esistenti con l impiego di solette in c.a. Figura 17 Problematiche connesse al collegamento ai bordi. Figura 18 Soluzioni possibili per il collegamento ai bordi. maggio 2015 12
Un'altra possibilità è costituita dalla collocazione di un doppio assito ligneo (Figura 19) collegato ai travetti con imbottiture. In questi casi non si raggiunge una rigidezza elevata del solaio ma s impedisce esclusivamente la formazione di spinte a vuoto degli elementi sulle strutture verticali e pertanto è necessaria la collocazione di catene metalliche che impediscano i ribaltamenti fuori dal piano delle pareti. Figura 19 Soluzioni tipiche negli edifici esistenti con il rinforzo ligneo dei solai. Il sistema di consolidamento è comunque deformabile per la presenza delle connessioni tra gli elementi lignei (Figura 20) e per il diverso comportamento del legno in relazione all angolo d inclinazione della sollecitazione rispetto alla fibratura. Figura 20 Deformabilità nel piano dei solai. maggio 2015 13
Gli aspetti di collegamento alle strutture verticali rivestono particolare importanza e possono essere garantiti come mostrato in Figura 21 con la necessità di collocare comunque elle catene metalliche, (Figura 22). Figura 21 Modalità di collegamento sul perimetro. Figura 22 Particolare di ancoraggio delle catene alla muratura. CONCLUSIONI Nell ideazione progettuale degli interventi sulle strutture lignee esistenti, deve essere sempre garantito un comportamento globale, concependo la struttura in modo tale che non sia suscettibile a fenomeni di disarticolazione. Le scelte delle tecniche d intervento non possono comunque prescindere da un analisi delle modalità di collegamento alle strutture verticali. Nel contempo devono essere garantite le condizioni di duttilità attraverso una corretta progettazione dei dettagli di nodo, con particolare attenzione alle condizioni di durabilità, prevenendo i fenomeni di degrado con opportune scelte progettuali. maggio 2015 14