Ricerche sperimentali sulla resistenza e deformabilità, per
sollecitazioni nel piano, di pareti di muratura ordinaria
(An experimental research on the re sist ance anã deforrr,ability of ceramics bricks masonry
walls)
A. Bernardini, C .Moden a, U.Vescovi
lstituto di Costruzioni , Ponti e Strade , Università di padova , Ital i a
Sommario - 11 programma di prove sperimenta l i ê indirizzato alIa determinazione di ãati concernent i la r esistenza e defor mabi li tà di murature non armate ,
sollec itate ne l proprio piano , eon particola r e riguardo a :
a) con fron to fr a pannel l i confezionati con blocchi di l ate rizio normale o al veo lato,
b) influenza
dell'anisotropia e della disomogeneità sulla resistenza per sta-
ti biassiali di sO llecitaz ione;
c) confronto fra tipi diversi di prove pe r la determinazione della re siste nza
alIe azioni orizzontali .
Abstr a et - The e xperimental program wa~dressed to determine t he influence of
some impo rtant parameters o n the resistance and deformability of pl ain masonry
walls, subjected to forces ac ting in :he middle plane.
The following aspects have been inves~igated :
a) the camparison between~alls assembled using normal ar lightwe ight ceramic
units,
b) t he influ e nce o f anisot ropic or not-homogeneous maso nry c hara cterist i cs ;
c) the comparison between different test methods to determi ne the resistance
to horizontal forces .
1•
INTRODUZIONE
Pressa la Facoltà di rngegn eria dell ' Università d i Padova, ê in corso de
alcuni an ni una rieerc a basata su un este so programma di indagini sperimentali , sul comportamento di strutture a pareti portanti di muratura sottoposte
a r ilevanti az ioni orizzontal i di origin e s ismi ca.
TaIe r i cerca si ê sviluppata , fino ad o gg i , preval entemente nel campo
del la muratura ordina r ia .
rI particolare i nteresse per' questo s i stema costrutti vo ê appar so ampia mente g iustificato daI suo diffu so impie go, in Itali a , a nc he neIl e costruzi oni in zone soggette ad elevato rischio sismico , e dalla difficoltà di esegu ire correttamente cont r olli sul loro livello di sicure zza in mancanza di ade guate conoscenze
spe rime ~tali.
11 primo obiettivo delle indagini svo lte, ê stato infatti la determina zione dei valori cara tterist iei deI la r esistenza e d e lla de formabili tà d i pa~
nelli murari, ai qual i far r iferimento neIl e ver ifiche di s icurezza degli interven ti di riparazione e rinforzo degli edifici di muratura lesionati
te rremoti.
da
Note vole importanza si attr ibuisce , inoltre, al I a possibi lità di eseguire , sulla base dei dati raccol ti, analisi dinamiche di edi fici a muratura p0Etante, aI fine di atte nere indicazioni a ttendibi l i circa l'entità delle azioni or izzontali prevedibili in rela zione ad eventi sismici di data intensità.
1056
Infine, si ritiene che la conoscenza delle caratteristiche meccaniche di ba
se della mt rntura ordinaria costituisca un supporto indispensabile per lo studi o
della muratura armata.
La ricerca in questo campo sarA sv iluppata a padova nell'ambito di un programma coordinato dall'ANDIL, finalizzato alIa introduzione in Italia di sistemi costruttivi a muratura armata nelle zone di media e alta intesità sismica, in
particolare con riferimento ai sistemi ad armatura "diffusa " con I' impiego di
blocchi con foratura verticale, di bassa resistenza meccanica ed elevata resi stenza termica.
2.
OBIETTIVI DELLA RICERCA
Le prove sono state condotte su quattro gruppi di provini, alIo scopo
d'in~
dagare, rispettivamente, sui seguenti problemi:
1- confronto fra le caratteristiche meccaniche di resistenza e deformabilità deI
materiale base e di panne~li sollecitati nel proprio piano, composti coo
chi f orati -di laterizio normale ed allegerito /1/, /21;
blo~
2- confronto fra tre diversi metodi di prova a r ottura per taglio di pannelli,
composti ancora con i due tipi di materiale indicati, in relazione alIa dete~
minazione dei valor i di resistenza, deformabilità e stabilità a cicli ripetuti di carico /2/, /3/ ;
3- effetti dell{anisotropia e della disomogenità sulla resistenza per
stati di
tensione biassiale /4/;
4- influenza dell'apparecchiatura ad una o due teste sul l e caRatteristiche di
resistenza e deformabilità /5/.
3.
PRINCIPAL! CARATTERISTICHE DEI MATERIALI IMPIEGATI
Sono stati impiegati blocchi forati di laterizio normale, nel formato doppio UNI, e blocchi forati di laterizio alveolato (alleggeri~o in pasta) aventi
le seg uenti caratteristiche:
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1 - Caratteristiche dei blocchi impiegati
Ai primi tr,e gruppi di provini appartenevano pannelli di muratura ad una
testa (complessivamente 44 confezionati con blocchi doppio UNI e 44 con blocchi alleggeriti), dei quali sono riportate in Fig . la) e lb) le caratteristi-
1057
che geometriche. AIcuni provini deI terzo gruppo sono stati sagomati opportunamente per consentire l'appIicazione di carichi concentrati inclinati rispetto ai
Ietti di malta.
I provini deI quarto gruppo (24 complessivamente), le cui ear~tteristiehe
geometriche sono riportate in Fig . 1el e ldl , erano eonfezionati con bIocchi do~
pio UNI.
4.
DESCRIZIONE DELLE PROVE ESEGUITE SUl PANNELLI
Sono state eseguite prove a rottura, eon riIevazione delle deformazioni , se
condo le seguenti modalità /1/, /2/, /4/ , /5/.
A- Compressione uriiforme (UC Test) :
I provini SORO stati sottoposti prevalentemente a eariehi nella direzione deI
la toratura; due provini appartenent i aI terzo gruppo sono stati portati a
rottura per earieo nella direzione ortogonale.
B- Compressione concentra ta:
sono stati appIicati cicli di c a rico concentrato di eompressione secondo la
direzione di una diagonale (B Test) e secondo direzioni inclinate di 45°,
60°, 90° rispetto alIa giacitura dei letti di malta .
C- Spinta orizzontale:
C - sono stati applicati cicli di carico unidirezionale secondo le modalità
1
illustrate in Fig. 2al (S Test) , o bidirezionale secondo lemodalità illustrate in Fig. 2bl (IS Test) , e variabile lentamente, a carieo verticale pressoche eostantei
c - sono stati applicati cieli di carico orizzontale , a earico verticale
2
pressoche costante, ottenuti mediante l'imposizione di cicli sinusuidali, di ampiezza crescente, di deformazione imposta eon frequenza pross!
ma a quelle predominanti nelle azioni sismiehe (1 HZ) ; di queste prove,
eseguite presso il laboratorio ZRMK di Lubiana, risultano particolarme~
te interessanti, oltre alIa possibilità di scegliere la frequenza dei
cicli e di imporre la deformazione, la costanza deI carieo vertic ae e
la simmetria delle condizioni di vinco lo delle facce caricate (O est),
Fig. 2c).
5.
PRINCIPALI RISULTATI OELLE PROVE ESEGUITE
La sperimentazione, svolta su un numero suffieiente di provini per conse_
tire alcune significative elaborazioni statistiche,· ha fornito utili indicazio
ni sul comportamento dei pannelli murari confezionati con mat~riali ehe trova~
no grande diffuzione in Italia.
Nelle Figg. 3a), b), c), dl, el, f) sono riportati diagrammi tipici carico-spostamento fino a rottura per ogni tipo di prova eseguita .
Alcune utili osservazioni sugli effetti dell'anisotropia, delle fessurazioni e degli scorrimenti sono state ottenute confrontando il comportamento
reale, definito anche attraverso misure locali di deformazione , eon queIlo di
modelli elastiei lineari /1/ , /2/ .
5.1 Prove a spinta
La rieerea ha evidenziato la possibilità di ricorrere a prove relativamen'te sempliei, del tipo descritto ai punti B e C1 deI §4 , per determinare i parametri di resistenza e deformabilità per sollecitazioni taglianti nel piano del-
1058
le pareti murari e , come si puõ dedu r r e da ll'analisi dei ri s ultati delle prove
esequite ("8 Tes t", "5 Te s t", "o Tes t " ).
As surnendo i n f atti c ome parametro c aratteristico della resistenza la ten s i~
ne principale di trazione C-n aI centro deI pannello /6/, supposto di materiaIe
e l as tico, isotropo ed omogeneo, in condizioni di appoggio unilateral i sulle fa~
ce s uperiore ed inferiore /3/, si puo o sse rvare (Tab . 2) che la dispersione dei
valori corri spondenti , per ciascun tipo di materiale, alIe tre prove, risulta
de ll'ordine della variabilità statistica (~10%) dei risultati rilevati per ciascuna prova.
I risultati mostrano inoltre una sos tanziale coincidenza deIIe curve inviIuppo (H- S) di cicli unidirezionali Ienti (5 Test) e deIle curve dei massimi
va l o ri di H associati ai Iivelli prefiss ati di spostamento 6 , nei cicli bidi rezionali con frequenza pari ad 1 Hz (D Te st), e 5 ripetizioni per ogni livello
di spostamento imposto.
Sono risultati inoltre confrontabili, dell'ordine deI 10\, per Iivelli di
spinta fino a ~ ~ / 3 della massima, i valori deI coefficiente di damping viscoso
equivalente (assunto come parametro earatteristieo della capacità di assorbime~
to di energia durante eicli ripetut~ di earico! vaIutati nel O Test e IS Test.
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Tab, 2 - Riassunto dei valori di resistenza al taglio ,
5 .2 Prove a eompress ione
I risultati de lle prove a c ompre ss ione uniforme i n direzi one paraI leIa e
ortogonale ai fori (Fig . 4 } , e delle prOve a compress ione eonc entrata, hanno
1059
consentito di individuare l'effetto dell'anisotropia, col1egata alIa presenza dei
giunti di malta e alIa foratura dei bIocchi in percentuale elevata, sulla resister.
za per stati di tensione biassiale.
Le prove hanno dimostrato come taIe e ffetto non sia riducibtle alIa sola va~
riazione delle caratteristiche geometriche ma dipenda anche dalle diverse modali=
tà deI meccanismo di deformazione e di rottura, che, nel caso di compressione no~
maIe ai fori, comporta distacchi fragili deIle cartelle esterne ( Fig. 5)1
Nella Fig. 6 sono riportati i valor! deI la massima tensione principale di tr!
zione, rilevati nelle prove di compressione concentrata, aI variare dell'inclina =
zione ex dei letti di malta rispetto alIa direzione dello sforzo applicato.
Come si puo osservare, tale parametro cresce sensibilmente con ~, come 9il
rilevato da altri autor i su muratura piena /7/ o con fori iniettati /8/, /9/.
In Fig. 7 sono indicate le modalità per la rappresentazione semplificata
di
un possibile campo di resistenza, utilizzando i risvitati sperimentali relativi a
4 prove: 2 a compressione uniforme (ad es. parallela e normale ai fori) e 2 a com=
pressione concentrata (ad es. a 90 D e 45° rispetto ai letti di malta).
Si sono usate le seguenti ipotesi semplificative: a) variazione lineare con
~ della .tensione principale di compressione e delle rette poste a limitazione deI
campo per stati biassiali con tensioni principali di segno opposto; bl resistenze
per stati biassiali con tensioni principal i dello stesso segno pari a quelle negli
stati monoassiali corrispondenti.
La rappresentazione, data la. sua semplicità, potrebbe essere utiliz zata come
criterio di sicurezza per le murature, basato sulla limitazione della tensione pri~
cipale di trazione tenendo conto dell'anositropia deI materiale.
11 cri teri o puõ, ad esempio, essere applicato alIo stato di tensione aI ce.ntro
di un pannello (ove si innesca la rottura per taglio) nelle condizioni di carico e
di vincolo previste dalle prove descritte ai punti C e C deI § 4, aI fine di va=
1
2
lutarne la resistenza come indicato nel § 5.1.
Nella Fig. 8 vengono riportati i risultati dell'applicazione dei tre seguenti
criteri di sicurezza /4/:
I) Iimitazione delle massime tensioni principa~i di compressione e di trazione de~
dotte rispettivamente dalla prova di compressione uniforme e di compressione
concentrata a 45 D ;
11 ) limitazione, indipendente dall'inclinazione dei:g~unti, di una combinazione
lineare delle ·stesse;
111) limitazione, con coefficienti dipendenti linearmente dalla inclinazione dei
giunti, uti lizzando i risultati di 4 pJ:;ove secondo il criterio sopra esposto.
Le teorie I e 11 non consentono una descrizione accurata delle condiziani di
rottura in stato biassiale, per tutto il campo dei rapporti fra le tensioni prin=
cipali, per muratura fort emen te anisotropa, in particolare per que lIa realizzata
con blocchi ad alta percentuale di foratura non iniettati.
Ciõ ê soprattutto evidente nel caso di tensioni principal i dello stesso se=
gno ma puõ essere rilevante anche per la valutazione della resistenza taglio
nel caso di forte carico verticale.
Come sembra i ndicare anc.h e la Tab . 2, la riduzione, aI crescere deI carico
verticale, dell'angolo fra la tensione principale di compressione a rottura
e
la direzione di foratura, comporta un certo aumento della resistenza.
La teoria 111 permette inoltre di meglio simulare, con procedure di calco=
lo ad elementi finiti noo lineari, le leggi costitutive della muratura.
1060
•
5 .3
Influenza dell'apparecchiatura ad una o due teste
TI confronto fra pannelli ad una e due teste ha messo in rilievo una dim i nuz ione di resistenza e rigidezza di questi ultimi in tutte le prove eseguite.
Cio appare, ad esempio, nella Tab. 3 ave sono riportati i valori medi del ~
la resi,stenza a compressione uniforme, della massima tensione principale di tra=
zione calco lata aI centro deI pannello per le prove di compressione concentrata
con carico paraI leIo ai feri o diagonale e per le prove a spinta .
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3 - Confronto fra i valori medi della resistenza
per i due tipi di apparecchiatura.
Tale fatto noo trova generalmente riscontro nelle normative nazionali
o
int ernazionali ( elB) salvo poche eccezioni /10/ e indica la ne ces sità di un aE
pro fo~dimento dell'influenza, sul meccanismo di rottura, del numero e della di=
spos izione dei giunti e delle dimensioni dei blocchi relativame nte alIe dimen =
sioni dei muri.
5 .4
Parametri di deformabilità
Per quanto riguarda la deformabilità, i dati sperimentali indicano una fa =
se iniziale sostanzialmente elastica, seguita da una fase caratterizzata da cr~
sce nti scorrimenti e distacchi dei giunti di malta e fe ssurazioni dei blocchi,
par ticolarmente significativa nel caso di presen.za di ' tensioni tan'g enziali age!2.
ti sul piano dei giunti di m~lta.
La prima fase . puo essere schematizzata con il comportamento di un pannello
linearmente elastico, isotropo ed omogeneo, assumendo opportuni valori delle co:
stanti elastiche.
Tali valor i risultano peral~ro diversi per stati di tensi o ne diversi.
In
part icolare, ad esempio, il modulo tangenziale G per stati di tensione compor =
tanti rilevanti tensioni tangenziali sul piano dei giunti di malta, risulta net =
tamente inferiore a quello deducibile teoricamente attraverso la misura di (E, a) )
ne lle prove di compressione uniforme in direzione parallela ai fori /3/ .
6.
CONCLUSIONI
La conoscenza sempre piu ampia di dati affidabili sulla resistenza e defo r =
mab ilità delle diverse tipologie di muratura, consente la messa a punto di metodi di controllo della sicurezza, basati sull'analisi strutturale, anche degli e =
di fici a pare ti portanti in muratura.
Tale fatto e particolarmente importante in Italia, dove manca ancora una
normativa tecnica ufficiale per le costruzioni in nuratura, sia nelle zone si =
smi che che in quelle non sismi~he.
1061
Dalla ricerca sopra esposta sono emerse indicazioni circa la opportunità di
ulteriori approfondimenti relativi all'influenza, sulla resistenza e deformabil~
tà delle dimensioni dei blocchi, nonchê : dell'apparecchiatura.
La ri cerca ha inoltre evidenziato alcuni aspetti sulla collaborazione
fr a.
i mater.iali di base, sui meccanismi di deformazione e rottura, che consentono di
orientare le future ricerche sulla muratura arma ta verso soluzioni che portino
ad un reale miglioramento delle prestazioni . aumentando la resistenza e soprat
tutto riducendo i pericoli di rottura fragile.
Tale tecnologia, già largamente impiegata in molti paesi soprattutto per m~
rature di blocchi di calcestruzzo iniettati o anche di laterizio di alta e media
resistenza, sembra la soluzione piü adeguata per i moderni edifici in muratura,
soprattutto nelle zone ad alto rischio sismico.
Un ri levante e rapido sviluppo in Italia di tale tecnologia sembra perõ pos =
sibile solo con l'utilizzazione di blocchi di laterizio ad alta percentuale
di
foratura (e quindi elevata coibenza termica) e resistenza relativamente.bassa,a!
tualmente predotti in Ita!ia ed impiegat i nella ricerca esposta.
BIBLIOGRAFIA ·
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1062
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Fig. 7 - Costruz i one di un campo
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Fig. 8 - Confronti fra tre diversi r
criteri di resistenza.
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