Progetto Di Sicurezza Sismica, Sismica 1, Sismica 2

Introduzione

In Italia il patrimonio edilizio è composto per la maggior parte da strutture in cemento armato (C.A.): la scarsa duttilità, ma soprattutto l'età piuttosto avanzata degli edifici (in particolare nel dopoguerra in cui ci si concentrava sulla quantità e non sulla qualità), comporta un rischio non del tutto trascurabile in relazione al sismico; gli edifici vengono definiti storici se di interesse particolare o hanno più di 70 anni di età (pubblici ed ecclesiastici), pertanto soggetti alla tutela della Sovraintendenza dei Beni Architettonici.

Anche per quanto concerne l'esistente in C.A. è possibile applicare uno spettro di risposta ed eventualmente approfondire l'analisi (non lineare) mediante il push over. Inoltre, abbiamo diversi edifici in muratura costruiti senza riferimenti normativi o con norme obsolete (non sismiche); altri edifici, invece, sono concepiti secondo prescrizioni moderne ma senza accorgimenti sismici, in quanto il sito non era ancora riconosciuto sismico (o sismicità minore).

Torre Velasca (MI)

La Torre Velasca è stata realizzata negli anni '50 secondo delle normative del 1939, in cui Milano non risultava sismica e il campo post-elastico veniva riconosciuto ma trascurato. Le sue caratteristiche connotanti riguardavano nello specifico l'altezza in relazione ad una struttura in C.A. (innovativo per l'epoca) e la tecnica costruttiva strutturale dello "tube in tube"; la soluzione portante presentava una serie di puntoni che generavano della compressione nella parte inferiore, rinforzata tramite uno spessore maggiore della soletta in C.A., e trazione superiore, ovviata per mezzo di elementi precompressi. L'analisi modale ha fornito dei valori dei primi due modi pressoché equivalenti, a testimonianza di rigidezze simili nelle due direzioni; inoltre, le forme modali stesse risultano abbastanza lineari (senza salti o incrementi evidenti) in quanto la distribuzione delle rigidezze è stata concepita in maniera ottimale, in modo da limitare l'incidenza costruttiva legata al rigonfiamento della parte superiore della torre stessa. Il risultato finale dell'analisi sismica del fabbricato è sorprendente: questo, infatti, risulta rispondente ai requisiti delle norme attuali.

Legno

Nel nostro paese non si costruiva molto con questo materiale per mancanza di materiale; oggi, con una maggior facilità di trasporto, facciamo riferimento in particolare all'Austria. Attualmente il legno è inteso più come derivato (lamellare) e non massiccio; è un materiale leggero, resistente, rigido, anisotropo ma fragile (assenza di duttilità). È importante sottolineare come una struttura, se non opportunamente progettata, può risultare di materiale duttile ma subire delle rotture fragili: la differenza è rappresentata dai dettagli costruttivi.

Per quanto concerne l'ambito sismico si analizzano le caratteristiche sismiche del legno dai danni subìti in seguito ai fenomeni sismici, quindi in Italia (utilizzato in maniera limitata per solette e coperture), Nord America e Giappone:

• Negli USA il sistema costruttivo più ricorrente comprendono strutture leggere (pannelli su sottostrutture in legno), regolari, con comportamento scatolare (rigido), elevata ridondanza/iperstaticità, danni maggiori per collasso dei piani soffici, dettagli costruttivi mal curati o scarsa connessione con le fondazioni.
• In Giappone, invece, i sistemi costruttivi sono più pesanti, con strutture a telaio, irregolarità e disomogeneità delle rigidezze (spesso si realizzano dei nuclei molto rigidi, utilizzati come spazi sicuri, posizionati in un angolo dell'edificio, comportando effetti torsionali evidenti), giunzioni poco duttili e carichi posizionati per la maggior parte in copertura; il rischio di propagazione d'incendio, dovuto alla vicinanza delle abitazioni in legno, veniva limitato mediante il posizionamento di strati di sabbia in copertura.

Attualmente, stanno invertendo questa tradizione costruttiva decisamente datata, adottando sempre più sistemi leggeri simili a quelli impiegati in Nord America.

Si ricorda che il comportamento scatolare, dato da buoni collegamenti verticali e orizzontali, è particolarmente efficiente, in quanto si limitano le deformazioni fuori piano, redistribuendo gli sforzi agli elementi più rigidi: tale soluzione, pertanto, favorisce un effetto di collaborazione degli elementi, non ci si affida più alle caratteristiche del singolo elemento.

In passato il legno era utilizzato come elemento di rinforzo nelle murature, specie nelle aree del Mediterraneo (Grecia, Portogallo, Turchia): in Calabria, in seguito alle indicazioni e prescrizioni fornite per limitare gli effetti disastrosi del sisma, si utilizzava la muratura barricata, ovvero telaio in legno con tamponamenti in muratura.

La densità del legno è un vantaggio notevole a livello di forze d'inerzia (dipendente dalla massa dell'elemento); come detto in precedenza, però, è un materiale di tipo fragile (deve permanere in campo elastico-lineare), pertanto l'unica modalità con cui poter sviluppare un certo livello di duttilità è quello di curare le connessioni ed i particolari costruttivi (duttilità concentrata grazie a parti metalliche): ripristino di continuità di tipo rigido, resistente ma fragile, quindi non si ha l'incollaggio (a) prevede un modo di dissipare energia (solitamente la rottura avviene nel materiale ligneo); al contrario i chiodi (g) sviluppano una scarsa resistenza ma prevede uno sviluppo di duttilità evidente; la soluzione ottimale, risorse post-elastiche e la resistenza, come ad esempio quindi, deve risultare da un compromesso tra le bulloni (e) e perni (d): in questi casi, infatti, è possibile sviluppare delle cerniere plastiche nel gambo cilindrico dell'elemento garantendo dissipazione di energia (verificare rifollamento del legno); si definisce collegamento dissipativo se perni e bulloni hanno diametro < 12 mm e comunque < 1/10 dello spessore degli elementi da connettere.

Duttilità statica (NTC 08): rapporto tra spostamento ultimo e deformazione al limite elastico, ottenuto tramite delle prove quasi-statiche.

Nodi semi-rigidi (NTC 08): sono delle giunzioni che hanno una rigidezza intermedia tra cerniera e pattino (come una cerniera con molla rotazionale).

Nodi di carpenteria (NTC 08): nelle vecchie costruzioni in legno non utilizzavano delle giunzioni con dispositivi meccanici di connessione, bensì realizzavano delle fresature in cui innestare il secondo elemento ligneo; quindi, l'unione avveniva per sforzi di contatto diretto/attrito e compressione (es. puntone-catena). Negli ultimi anni, dati gli elementi prefabbricati in legno (o comunque presagomati in stabilimento), tali connessioni stanno tornando in uso, eventualmente rinforzati mediante l'utilizzo di fasciature metalliche o interposizione di spinotti interni.

Sia le NTC 08 sia l'EC 8 riportano i criteri con cui analizzare il telaio ligneo dal punto di vista duttile: il fattore di struttura, infatti, è funzione del grado di iperstaticità della struttura (a differenza del CLS, è più facile trovare delle strutture lignee isostatiche – vedi grandi coperture, arco a 3 cerniere). Le indicazioni fornite dalle due fonti normative si equivalgono, differiscono solamente le definizioni di classe dissipativa:

• Alta = H = A = pannelli di parete chiodati con diaframmi incollati o connessi con chiodi/bulloni, strutture reticolari con giunti chiodati, portali iperstatici con giunti bullonati (fattore di struttura che varia da 3 a 5);
• Bassa = M = B = strutture reticolari con giunti bullonati, portali iperstatici con giunti bullonati (fattore di struttura che varia da 2 a 2,5);
• Non dissipativo = L = strutture isostatiche (fattore di struttura pari a 1,5).

Per ogni tipo di connessione è possibile ritrovare alcune regole di dettaglio (principalmente sono imposizioni geometriche) con cui progettare al meglio l'unione. L'efficace connessione dei solai e delle coperture alle relative murature è necessaria per evitare lo sfilamento delle travi (e quindi crollo del solaio stesso), al contempo permette al solaio di distribuire le forze orizzontale agli elementi di sostegno verticali in maniera proporzionale alla relativa rigidezza dell'elemento stesso; si distinguono le connessioni di tipo puntuale (scasso parziale) e le connessioni continue, ovvero lo scasso realizzato nel muro è realizzato in continuo per tutta la lunghezza della parete.

Se necessario, è possibile irrigidire i solai installando all'estradosso un secondo tavolato con orditura ortogonale a quella esistente o con soletta in C.A.: prendendo in considerazione un esempio di intervento di consolidamento, le travi vengono forate per installarvi i connettori (armatura di concatenamento), vengono realizzati degli scassi puntuali nella muratura (si consiglia 1 ogni m) in cui verranno inghisati i collegamenti, si realizza il manto impermeabile per salvaguardare gli elementi lignei dall'umidità, si getta la soletta in CLS. L'alternativa è rappresentata da una controventatura con tiranti metallici.

Nei controventi in legno è possibile avere dei cosiddetti giunti a mezzo legno, ovvero una croce di S. Andrea realizzata con due profili lignei complementari (una di queste accoglie per metà del proprio spessore l’altra).

Per fare un confronto tra le modalità di fissaggio dei giunti di carpenteria (rinforzo e irrigidimento) è possibile mettere in luce alcuni aspetti importanti: nel quarto caso, in cui gli spinotti metallici risultano saldati fra loro, introduco "gratuitamente" un grado di fragilità evitabile (perdita di contatto tra gli elementi); inoltre, se dovesse aprirsi la giunzione questa permarrà in tale configurazione. Non conviene avere giunti particolarmente rigidi, come nel caso di cuffie metalliche (accolgono la trave lignea vincolandone rotazione e spostamenti verticali): un'eccessiva rigidezza, infatti, potrebbe comportare uno stato sollecitazionale all'interfaccia tra i 2 materiali; infine, si ricorda che il legno è un materiale particolarmente deformabile, risente molto delle variazioni di umidità e di temperatura (per questo meglio non vincolare troppo, lasciar relativa libertà di deformazione). Buone le soluzioni mediante spinotti bullonati (se più di uno non lungo lo sviluppo ma in larghezza, soluzione 2).

Muratura

La muratura non può essere definita come un materiale, ma una tecnica costruttiva in grado di combinare due materiali, malta cementizia e solitamente blocchi in laterizio o pietre; a differenza del legno, tale tecnologia risente molto poco della velocità di applicazione dei carichi. Le caratteristiche globali risultano anisotrope (in quanto eterogeneo) ma soprattutto il comportamento evidenziato dalla legge costitutiva è fragile: in generale si può esprimere una buona resistenza a compressione, ma pessima a trazione.

Normalmente la struttura in muratura è soggetta ad una combinazione di sollecitazioni, tra cui compressione, trazione, taglio, flessione ed eventuali instabilità. Il collasso della muratura solitamente avviene per compressione (crisi verticale): nonostante i blocchi di laterizio o le pietre abbiano una resistenza a compressione maggiore della malta, gli stati fessurativi dei campioni evidenziano delle aperture anche in corrispondenza di tali elementi: tale fenomeno è dovuto alla collaborazione tra i due materiali. Il blocco, sollecitato a compressione, tende a spanciare lateralmente generando una deformazione trasversale (quindi sforzo di trazione): uno sforzo triassiale "misto" (compressione + trazione) ha delle ripercussioni decisamente negative sul blocco, comportando un indebolimento (e quindi possibilità di fessurazione verticale); al contrario, per il principio di azione-reazione, la sollecitazione induce una compressione triassiale nella malta, effetto particolarmente favorevole a livello di resistenza a compressione: quindi globalmente la responsabilità del collasso della muratura è proprio del materiale più resistente, ovvero i blocchi di laterizio o pietre.

L’Eurocodice 6 riporta una formulazione empirica secondo cui stimare la resistenza a compressione della muratura (se lo spessore della malta è inferiore a 1,5 cm):

B^0,7 M^0,3 = k ⋅ f ⋅ f con k = parametro che dipende dal tipo di costruzione della muratura (0,4 0,6)f K

Per murature storiche vi sono altre espressioni empiriche dipendenti dalle dimensioni della malta e dei blocchi, dalle relative resistenze e da altri fattori moltiplicativi.

Per quanto concerne le murature a sacco, ovvero quelle realizzate per mezzo di 2 paramenti esterni in muratura ed un riempimento interno di diversa fattura (solitamente materiale di risulta), si ha una configurazione di danno diffe