La Muratura Armata: Analisi del Sistema Costruttivo e Confronto con la Muratura Ordinaria

Università degli studi di Firenze

Scuola di Ingegneria

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Civile

Indirizzo: Strutture

A.A. 2020-2021

Corso di Analisi e Modellazione delle Strutture in Muratura

La muratura armata: Analisi del sistema costruttivo e confronto con la muratura ordinaria

Docente: Prof. Ing. Luciano Galano

Studente: Gabriele Belli

La muratura armata: analisi del sistema costruttivo e confronto con la muratura ordinaria

Sommario

1. Introduzione ........................................................................................................................................ 3

1.1. Quadro Normativo di Riferimento ........................................................................................... 3

2. Muratura Armata ............................................................................................................................... 4

2.1. Parametri Meccanici della Muratura ....................................................................................... 4

2.2. Parametri Meccanici dell’acciaio .............................................................................................. 6

3. Criteri di Progetto per le Costruzioni in Muratura Armata .......................................................... 7

3.1. Regole di dettaglio per Costruzioni in Muratura Armata ...................................................... 7

3.2. Organizzazione Strutturale per Costruzioni in Muratura Armata ....................................... 9

3.3. Azione sismica di progetto e fattore di comportamento ....................................................... 11

4. Analisi Strutturali per Edifici in Muratura Armata ..................................................................... 13

4.1. Schematizzazione della parete con elementi finiti bidimensionali ....................................... 13

4.2. Schematizzazione a telaio equivalente della parete ............................................................... 14

5. Verifiche di Sicurezza per Edifici in Muratura Armata ............................................................... 15

Principio della progettazione in capacità ............................................................................... 15

Verifiche di resistenza .............................................................................................................. 16

5.2.1. Verifica a pressoflessione nel piano ....................................................................................... 16

5.2.2. Verifica a pressoflessione fuori dal piano .............................................................................. 17

5.2.3. Verifica a taglio ...................................................................................................................... 18

5.2.4. Verifiche allo stato limite di danno (SLD) ............................................................................. 19

5.2.5. Costruzioni semplici in muratura armata ............................................................................... 20

6. Confronto tra parete realizzata in muratura ordinaria e armata ............................................... 22

6.1. Caratteristiche meccaniche dei materiali ............................................................................... 23

6.2. Analisi dei carichi ..................................................................................................................... 23

6.3. Modellazione della struttura su SAP2000 .............................................................................. 25

6.4. Azione Sismica .......................................................................................................................... 25

6.5. Parete in Muratura Ordinaria ................................................................................................ 27

6.6. Parete in muratura armata ..................................................................................................... 31

6.7. Confronto tra muratura ordinaria e muratura armata ........................................................ 35

7. Esempi di utilizzo della muratura armata in ambito edilizio ....................................................... 37

7.1. Miglioramento sismico con l’impiego di muratura armata di un fabbricato sito a San Possidonio (Mo) .................................................................................................................................... 37

7.2. Ristrutturazione di un edificio residenziale a Villaverla (VI) .............................................. 43

7.3. Edificio residenziale in muratura armata di nuova costruzione a Mirandola (MO) ......... 46

8. Conclusioni ........................................................................................................................................ 50

9. Bibliografia ....................................................................................................................................... 51

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La muratura armata: analisi del sistema costruttivo e confronto con la muratura ordinaria

1. Introduzione

Gli edifici con struttura portante in muratura armata, negli ultimi decenni, hanno riscontrato un notevole impiego per quanto riguarda le nuove costruzioni, rappresentando così una valida alternativa a quelle in calcestruzzo armato.

Tra i vantaggi che caratterizzano un’opera in muratura armata merita menzionare la capacità di isolare termicamente gli ambienti interni da quelli esterni, caratteristica da ricondurre alla conformazione degli elementi in laterizio che compongono le pareti, garantendo risparmi considerevoli sui costi di riscaldamento e raffrescamento dovuti all’esercizio degli edifici stessi.

Inoltre, rispetto ad una muratura ordinaria, l’inserimento di barre di armatura in acciaio incrementa notevolmente la resistenza degli elementi strutturali in muratura armata e in particolare conferiscono la capacità di far fronte a tensioni di trazione, la cui presenza risulta spesso inevitabile in caso di azioni orizzontali come quella del terremoto. Quest’ultimo aspetto risulta particolarmente rilevante e rende le costruzioni in muratura armata idonee a contrapporsi all’azione sismica che, secondo la normativa italiana vigente, le NTC2018, deve essere sempre considerata in fase di progettazione su tutto il territorio nazionale.

Tuttavia, la scarsa conoscenza di tale tipologia costruttiva da parte dei progettisti, dovuta al fatto che la muratura armata è tutto sommato una tecnica utilizzata per costruzioni recenti, ne ostacola notevolmente la diffusione.

Obiettivo del presente elaborato è fornire una panoramica generale sul sistema costruttivo della muratura armata, esaminando le prescrizioni della normativa tecnica vigente e mettendo in risalto i vantaggi derivanti dall’inserimento delle barre di armatura, sia in termini di caratteristiche meccaniche del materiale che di verifiche di sicurezza da effettuare sugli elementi resistenti degli edifici.

Dopo un breve excursus iniziale, verrà effettuata una semplice analisi bidimensionale su una parete, ipotizzandone dapprima la realizzazione in muratura ordinaria e poi in muratura armata, al fine di confrontare i diversi risultati ottenuti ed evidenziare i benefici che comporta l’utilizzo della seconda piuttosto che la prima. Infine, si analizzeranno diversi casi studio di edifici esistenti in cui è stato fatto utilizzo della muratura armata, soffermandoci sulle scelte progettuali a livello globale e di dettaglio effettuate dai professionisti e i risultati che sono stati ottenuti in modo tale da poter dare un giudizio generale sulla validità della tecnologia costruttiva.

1.1. Quadro normativo di riferimento

La redazione del presente elaborato è stata eseguita in conformità con la normativa italiana in vigore, ovvero:

• D. M. Infrastrutture Trasporti 17/01/2018 - “Aggiornamento delle Norme tecniche per le Costruzioni” richiamate brevemente nel seguito della relazione NTC2018;
• Circolare 21 gennaio 2019, n. 7 C.S.LL.PP - Istruzioni per l'applicazione dell'«Aggiornamento delle "Norme tecniche per le costruzioni"» di cui al decreto ministeriale 17 gennaio 2018 richiamate brevemente nel seguito della relazione Circolare 2019.

Ogni riferimento normativo che comparirà nel seguito sarà ad esse correlato. In particolare, si farà riferimento al paragrafo 4.5. dedicato alle prescrizioni per la progettazione di costruzioni in muratura, al paragrafo 7.8. dedicato alle indicazioni per la progettazione di costruzioni in muratura nei confronti dell’azione sismica e ai paragrafi 11.3 e 11.10 per quanto riguarda le prescrizioni sui materiali.

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2. Muratura armata

Gli edifici con struttura in muratura armata consistono nell’assemblaggio di blocchi artificiali pieni o semipieni e malta per la realizzazione di pareti murarie al cui interno sono presenti armature metalliche sia orizzontali, normalmente annegate nel letto di malta, che verticali, disposte all’interno di blocchi opportunamente sagomati con fori.

L’inserimento di armature orizzontali e verticali all’interno della muratura ordinaria conferisce agli elementi murari una maggiore resistenza alle azioni laterali, a taglio e a pressoflessione, sia nel piano di sviluppo delle pareti che fuori piano, oltre ad una più elevata capacità deformativa e duttilità del sistema, con evidenti vantaggi dal punto di vista del comportamento sismico, tanto da spingere l’adozione di tale sistema anche in zone ad elevata pericolosità sismica.

Quanto detto è riconosciuto dalle NTC2018 che consentono di utilizzare per questo sistema costruttivo valori del fattore di comportamento q e limiti deformativi superiori rispetto a quelli della muratura ordinaria.

I vantaggi della muratura armata non si esauriscono solamente ad un incremento delle prestazioni sismiche, ma consentono anche una forte limitazione del rischio di fessurazione, tipico delle murature ordinarie, per le quali è solito considerare resistenza a trazione nulla. Questo avviene in quanto la posa in opera delle armature conferisce alla muratura resistenza a trazione sufficiente alla riduzione del fenomeno.

Gli aspetti positivi sopra elencati si ottengono a fronte di una modesta quantità di armatura all’interno della muratura e ad un limitato aumento di costo rispetto alla soluzione non armata.

Per quanto descritto sopra possiamo affermare che la tecnica costruttiva della muratura armata si ottiene dall’unione di muratura e barre di armatura. Per determinare i parametri che descrivono le caratteristiche meccaniche degli elementi in muratura armata è necessario definire i parametri meccanici dei singoli componenti.

2.1. Parametri meccanici della muratura

Per classificare il materiale da utilizzare ai fini del calcolo strutturale, occorre prendere in considerazione quanto riportato nel paragrafo 11.10 delle NTC2018. Di seguito viene riportato quanto ritenuto utile alla redazione del presente elaborato, per ulteriori dettagli si rimanda al paragrafo citato delle Norme Tecniche.

Il parametro fondamentale per caratterizzare una muratura dal punto di vista meccanico è la resistenza caratteristica a compressione . Il valore di viene determinato in funzione della resistenza caratteristica a compressione del singolo blocco , dichiarata direttamente dal produttore, e della resistenza media della malta . Quest’ultimo parametro è individuato dal numero che segue la lettera “M” nella sigla che definisce la categoria di malta. Si riporta di seguito in figura 2.1 la Tab. 11.10.II delle NTC2018 che riporta le classi di malta ammesse dalla normativa per le murature portanti.

Figura 2.1 Tab. 11.10.II NTC2018, classi di malta utilizzabili per le murature portanti.

Data la resistenza caratteristica a compressione del blocco e la classe della malta è possibile ricavare la resistenza caratteristica a compressione della muratura . Per farlo le NTC2018 forniscono al punto 11.10.3.1.2 la Tab. 11.10.VI che viene riportata di seguito in figura 2.2.

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Figura 2.2 Tab. 11.10.VI NTC2018, valori di per le murature al variare di e .

NOTA: la tabella sopra riportata ha validità limitata alle murature aventi giunti orizzontali e verticali riempiti di malta con spessore compreso tra 5 mm e 15 mm. Inoltre, come specificato nelle NTC2018, per valori non contemplati in tabella è ammessa l’interpolazione lineare ma in nessun caso sono ammesse estrapolazioni. La tabella di figura 2.2 è relativa alle murature in elementi artificiali (e.g. laterizi); le NTC2018 riportano una tabella analoga, Tab.11.10.VII, relativa a murature per elementi naturali di pietra squadrata.

Le NTC2018 subordinano ai parametri definiti fino ad adesso i restanti valori caratteristici delle murature utili ai fini dei calcoli strutturali. Per quanto riguarda la resistenza a taglio delle murature, al paragrafo 11.10.3.2.2 viene fornita la Tab. 11.10.VIII utile a determinare la resistenza a taglio in assenza di tensioni normali in funzione del tipo di muratura, di e di . La resistenza caratteristica a taglio è definita in funzione delle tensioni normali dovute ai carichi verticali dalla relazione di paragrafo 11.10.3.3:

= + 0.4 ∙ 0

Dalla resistenza caratteristica a compressione si determinano altresì i moduli di elasticità secanti, utilizzando le relazioni di paragrafo 11.10.3.4:

= 1000 ∙

= 0.4 ∙

Fino ad adesso abbiamo parlato implicitamente di forze di compressione agenti ortogonalmente ai giunti orizzontali (quindi in direzione verticale); appare chiaro che la resistenza caratteristica a compressione dei blocchi in direzione orizzontale risulterà diversa da per cui, essendo il calcolo di tutti i parametri subordinato a tale valore, tali parametri assumeranno valori differenti in base alla direzione di carico considerata. Per quanto riguarda i coefficienti di sicurezza con i quali è possibile passare dalle resistenze caratteristiche a quelle di progetto mediante le relazioni:

= /

= /,

essi sono forniti dalle NTC2018 in Tab. 4.5.II di paragrafo 4.5.6.1. riportata di seguito in figura 2.3.

Figura 2.3 Tab. 4.5.II NTC2018, valori del coefficiente di sicurezza .

Per ulteriori precisazioni sulle possibili scelte del coefficiente si rimanda al citato paragrafo delle Norme Tecniche. Inoltre, come riportato al paragrafo 7.8.1.1, per le verifiche nei confronti del sisma, tali coefficienti possono essere ridotti del 20% fino ad un valore non inferiore a 2.

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2.2. Parametri meccanici dell’acciaio

Per le barre di armatura si impiega la stessa tipologia di acciaio utilizzata nel calcestruzzo armato, ovvero il B450C (paragrafo 11.3.2.1 delle NTC2018). Se ne riportano di seguito le proprietà meccaniche:

Tensione Caratteristica di Snervamento: = 450 /

Tensione Caratteristica di Rottura: = 540 /

Per passare dalle resistenze caratteristiche a quelle di progetto, le NTC2018 indicano al paragrafo 4.1.2.1.1.3 un coefficiente di sicurezza = 1.15.

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3. Criteri di progetto per le costruzioni in muratura armata

La progettazione di un edificio in muratura armata deve rispettare principi simili a quelli degli edifici in muratura ordinaria al fine di poter garantire un buon comportamento scatolare d’insieme fin dalla sua concezione nel progetto architettonico. Per raggiungere tale scopo, le NTC2018 impongono determinate regole di dettaglio e di organizzazione strutturale in modo tale da perseguire il corretto funzionamento complessivo dell’opera, sia nei confronti di azioni statiche che dinamiche.

3.1. Regole di dettaglio per costruzioni in muratura armata

Nel presente paragrafo si riportano le principali regole di dettaglio imposte dalla normativa italiana al fine di conferire ad una struttura in muratura armata di nuova costruzione il corretto funzionamento strutturale. Tali prescrizioni sono riportate ai paragrafi 7.8.6.1, 7.8.6.2 e 4.5.7 delle NTC2018. Quanto riportato nel seguito farà riferimento ai principali provvedimenti da tenere in conto in fase di progettazione e non ha la prerogativa di essere esaustivo nei confronti dei singoli particolari richiesti dalle Norme Tecniche; per ulteriori dettagli si rimanda ai paragrafi sopra riportati delle NTC2018.

Come riportato al paragrafo 7.8.6.1 valido sia per le costruzioni in muratura ordinaria che per quelle in muratura armata, al fine di consentire ai solai e alle coperture la funzione di ripartire le azioni orizzontali, oltre a quelle verticali, sulle pareti strutturali, ad ogni piano dell’edificio il collegamento tra i muri ed i solai o le coperture deve essere sempre realizzato attraverso un cordolo continuo in calcestruzzo armato. Tale cordolo deve rispettare una serie di prescrizioni sulla geometria e sul quantitativo di armatura riportate nello stesso paragrafo delle Norme Tecniche. Inoltre, travi metalliche o prefabbricate costituenti i solai devono essere prolungate nel cordolo per almeno la metà della sua larghezza, e comunque per non meno di 120mm, e adeguatamente ancorate ad esso. Si riporta di seguito in figura 3.1 tutte le prescrizioni imposte dalla normativa per la realizzazione dei cordoli e per i collegamenti tra pareti e solai o coperture.

Figura 3.1 Prescrizioni per il cordolo in calcestruzzo armato. Immagine ripresa dal testo [1] riportato in Bib