Corso di
Riabilitazione Strutturale
POTENZA, a.a. 2011 – 2012
Strutture in muratura soggette
ad azioni sismiche
Comportamento degli edifici
Dott. Marco VONA
DiSGG, Università di Basilicata
[email protected]
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
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
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
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
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
Situazioni sfavorevoli
Condizioni:
• Solaio rigido
• Pareti scollegate dal
solaio e scollegate tra loro
• Solaio collegato ai due
pannelli ai quali
appoggia
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
Situazioni sfavorevoli
Condizioni:
• Solaio rigido
• 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
Situazioni intermedie
Condizioni:
• Solaio deformabile
• Pareti collegate al solaio
e collegate tra loro
• Solaio collegato solo a
due o a tutti e quattro i
pannelli
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
Situazioni intermedie
Condizioni:
• Solaio rigido
• Pareti collegate al solaio ma
scollegate tra loro
• Solaio collegato a tutti e
quattro i pannelli
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
Comportamento scatolare ideale
Condizioni:
• 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
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
Funzionamento di una parete muraria in un edificio
Azione sismica
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
Funzionamento di una parete muraria in un edificio
Prove su pareti in scala
Funzionamento di una parete muraria in un edificio
Scarsa duttilità e rapido degrado di resistenza
Funzionamento di una parete muraria in un edificio
Quadro di danneggiamento finale
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
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
Comportamento degli edifici
FUNZIONI DEI CORDOLI
Svolgono una funzione di vincolo alle pareti sollecitate
ortogonalmente al proprio piano, ostacolandone il meccanismo di
ribaltamento
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
Comportamento degli edifici
FUNZIONE DELLE CATENE
Tirantature per
impedire il
ribaltamento ed
attivare la
resistenza nel
piano delle
pareti
Comportamento degli edifici
FUNZIONE DELLE CATENE
Con catene
Senza catene
Comportamento degli edifici
FUNZIONE DELLE CATENE
Comportamento degli edifici
FUNZIONE DELLE CATENE
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
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
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
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
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 fm
La categoria di una malta è definita da una sigla costituita dalla
lettera M seguita da un numero che indica la resistenza fm
espressa in N/mm2 secondo la Tabella 11.10.III
Per l’impiego in muratura portante non è ammesso l’impiego di
malte con resistenza fm < 2,5 N/mm2
Le Malte
Le classi di malte a composizione prescritta sono definite in
rapporto alla composizione in volume
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
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)
Gli elementi resistenti in muratura
Mattone Pieno: percentuale di foratura
non superiore al 15%
Blocco semipieno: percentuale foratura
maggiore del 15% e non superiore al 45%
Mattone semipieno: percentuale foratura
maggiore del 15% e non superiore al 45%
Blocco forato: percentuale foratura
superiore al 45% e inferiore al 55%
Gli elementi resistenti in muratura
Elementi in calcestruzzo di area lorda superiore a 580 cm2
È ammesso un foro per l’eventuale alloggiamento di armature, la
cui area non superi 70 cm2
Elementi in calcestruzzo di area lorda superiore a 580 cm2
È ammesso un foro per l’eventuale alloggiamento di armature, la
cui area non superi 70 cm2
Elementi in calcestruzzo di area lorda superiore a 700 cm2
Il limite delle dimensioni dei fori è elevato a 0.1 A
Elementi in calcestruzzo di area lorda superiore a 900 cm2
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
Gli elementi resistenti in muratura
Classificazione elementi in calcestruzzo
(NTC 2008, Tabella 4.5.I.b)
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
Gli elementi resistenti in muratura
NTC 2008, § 4.5.2.3.
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
Le caratteristiche di resistenza delle murature
Le proprietà fondamentali in base alle quali si classifica una
muratura sono la
−resistenza caratteristica a compressione fk
−resistenza caratteristica a taglio in assenza di azione assiale fvk0
−modulo di elasticità normale secante E
−modulo di elasticità tangenziale secante G
La resistenze caratteristiche
fk e fvk0
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 fk maggiore o
uguale a 8 MPa si deve controllare il valore di fk , mediante prove
sperimentali come indicato nel § 11.10 (NTC 2008, §4.5.3)
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 = h0 / t
dove h0 è la lunghezza libera di inflessione della parete valutata
in base alle condizioni di vincolo e t è lo spessore della parete
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
Le caratteristiche di resistenza delle murature
NTC 2008, § 7.8.1.1
Le costruzioni in muratura devono essere realizzate nel rispetto di
quanto contenuto nelle presenti Norme Tecniche ai §§ 4.5 e 11.10.
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 § 7.8.1.9. Il coefficiente parziale di
sicurezza da utilizzare per il progetto sismico di strutture in
muratura è pari a 2.
La trattazione degli edifici esistenti in muratura
MECCANISMI LOCALI
La trattazione degli edifici esistenti in muratura
MECCANISMI LOCALI
La trattazione degli edifici esistenti in muratura
MECCANISMI GLOBALI
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
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
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
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
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
Definizione di aggregato e posizione edificio
AGGREGATO STRUTTURALE 10
1 -ISOLATO
1
AGGREGATO STRUTTURALE 15
1 - EDIFICIO D'ESTREMITÀ
7 - EDIFICIO INTERNO
6 - EDIFICIO D'ANGOLO
Definizione di aggregato e posizione edificio
Definizione di aggregato e posizione edificio
Definizione di aggregato e posizione edificio
Definizione di aggregato e posizione edificio
Differenti fasi costruttiva, altezze, età di costruzione, sfalsamento
dei piani
Individuazione macroelementi e possibili cinematismi
Le
differenti
fasi
costruttiva consentono di
individuare gli edifici e di
definire di conseguenza
possibili cinematismi