Come si comportano le strutture in muratura sotto l’azione del sisma: i vari meccanismi di collasso

Il comportamento delle strutture in muratura sotto l’azione del sisma. I meccanismi di collasso: un aspetto non sempre adeguatamente valutato 

L’utilizzo del software nella verifica degli edifici in muratura 

Con la “rivoluzione” conseguente all’entrata in vigore delle NTC2008 sempre più spesso ho dovuto confrontarmi con colleghi che magnificavano gli aspetti positivi dei software da loro utilizzati per la verifica degli edifici esistenti in muratura. 
Il “partito” che all’epoca andava per la maggiore era quello dei “pigristi”.
Per loro, la valutazione positiva dell’applicativo era direttamente proporzionale al minor numero possibile di dati da inserire unitamente ad un volume quanto più decorosamente contenuto dei risultati.  Il software per eccellenza, che provocava meschini attacchi d’invidia in chi non lo possedeva, era quello che sfornava direttamente l’unico parametro che, a loro parere, si riteneva necessario conoscere per valutare la sicurezza della costruzione: il famigerato rapporto tra Domanda e Capacità (C/D) GLOBALE del manufatto.

Seppure dopo una travagliata gravidanza, mi sembra che, anche con le NTC2018, la situazione non sia molto cambiata e che i “pigristi” continuino a mietere consensi. 

Un collega con il quale, per motivi professionali, sono rimasto a contatto per molti anni mi spiegava che la verifica di un fabbricato esistente in muratura doveva articolarsi secondo il processo iterativo di seguito sintetizzato:

1. l’acquisizione della geometria dell’edificio importando direttamente il rilievo dal file dwg (quale rilievo: architettonico? strutturale? materico? del degrado? impiantistico?...),
2. la definizione dei parametri sismici del sito e la classe d’uso del manufatto,
3. la spinta verso il basso del tasto “enter” del pc,
4. l’analisi (acritica) dell’ultima pagina dell’output di calcolo nell’affannosa ricerca del valore di C/D,  
5. la progettazione di qualcosa in grado di far risultare quel C/D maggiore di 1 nella denegata ipotesi di verifica globale dell’edificio non soddisfatta al primo tentativo.

Premesso che non sono un reazionario né un nostalgico dei tempi del regolo, mi sono sempre limitato a far presente a questi colleghi come si poteva pensare di svolgere l’analisi globale di un ipotetico (ma sarebbe meglio dire usuale) edificio esistente in muratura, magari di datazione non recente, caratterizzato dall’avere le pareti non efficacemente collegate tra loro, non efficacemente collegate ai solai e con orizzontamenti più o meno deformabili. 

A questo punto i colleghi mi guardavano come si guarda un matto e, proprio come si fa davanti ad un matto, non lo si contraddice mai apertamente. Alcuni si smarrivano in fantasiose congetture altri, forse più accorti, affermavano, con sicurezza stoica, che questi aspetti venivano automaticamente presi in conto dal programma di calcolo.
Nella sostanza i “pigristi” ritenevano di essere in possesso di uno strumento di calcolo, così avanzato, capace di cogliere in maniera quasi autonoma il reale comportamento del fabbricato sotto sisma e, di conseguenza, attestare la sicurezza strutturale dello stesso. 

Visto che la situazione fin qui descritta continua ripetersi con sconcertante frequenza e visto che anche l’infante aggiornamento delle NTC, con il suo capitolo 8, sembra andare verso una “morbida” riduzione del rischio (che è cosa ben diversa dalla sicurezza strutturale che il professionista deve, comunque, attestare), ho ritenuto utile riassumere, pur senza alcuna (mal sopita) velleità di far condividere il mio pensiero, i principali concetti, basilari e ben noti, che dovrebbero guidare il tecnico nel complesso (e rischioso) percorso per verificare la sicurezza di un edificio esistente in muratura in presenza dell’azione sismica.

Analisi della sicurezza di un edificio in muratura: partiamo dal materiale

Fino all’inizio del secolo scorso la muratura e il legno, distintamente o congiuntamente, sono stati i materiali principali del costruire e non stupisce, pertanto, che moltissimi edifici esistenti, in Italia e nel resto del mondo, siano in muratura. Secondo i dati ISTAT, aggiornati al 2001, più del 60% degli edifici a uso abitativo hanno struttura portante in muratura e una cospicua parte di questi sono spesso connotati da valori storico-architettonici.
La ritrosia dei “pigristi” ad affrontare con una diversa sensibilità la muratura è anche dovuta al fatto che con il sopravvento di moderne tecnologie costruttive con l’uso di materiali “innovativi”, la muratura è stata relegata in posizione subalterna, destinandola alla soluzione di problemi di modesta entità ed importanza.
Inoltre, la muratura, almeno nel recente passato, non è stata oggetto di corsi di insegnamento specifici e da parte delle maestranze si è persa quella capacità costruttiva indispensabile per trattare adeguatamente materiali che difficilmente possono essere incasellati nell’ambito di tecniche realizzative standardizzate.

Eppure, gli edifici in muratura hanno spesso dimostrato una notevole resistenza al sisma almeno in tutti quei casi in cui la capacità della struttura è risultata favorevolmente condizionata dall’instaurarsi del cosiddetto comportamento scatolare.
È noto, infatti, che le pareti in muratura offrono una resistenza alle forze orizzontali agenti nel loro piano medio decisamente superiore a quella offerta per i carichi ortogonali tanto che questa componente può essere trascurata. 

La grande resistenza che una parete offre nel proprio piano è indice della potenzialità che essa ha come elemento strutturale portante e di controventamento in questa direzione. La rottura si manifesta prevalentemente per taglio diagonale o flessione negli spigoli. Fuori dal piano, invece, la muratura, oltre a non possedere una capacità resistente apprezzabile, manifesta meccanismi di collasso governati prevalentemente dal ribaltamento, dalla flessione o dall’instabilità.

La ragione di questo comportamento è ben nota: la resistenza a trazione molto bassa della muratura (circa 1/30 di quella a compressione) evidenzia il suo comportamento intrinsecamente non lineare in quanto all'inversione delle forze sollecitanti corrisponde un comportamento completamente diverso della struttura. 

Va da sé che per garantire un funzionamento strutturale ottimale dell’edificio in muratura occorre limitare il più possibile le tensioni di trazione. Pertanto, è necessario che tutte le pareti siano in buona misura compresse (all’aumentare della compressione aumenta la resistenza a flessione e taglio) e che le sollecitazioni di flessione e taglio siano il più possibile limitate.

La diretta conseguenza del combinato disposto di queste banali, osservazioni è che le pareti dovrebbero avere dimensioni (in lunghezza e altezza) limitate e dovrebbero essere ben vincolate agli elementi trasversali ovvero ai solai e ai muri di controvento. Solo in questo modo le azioni che agiscono ortogonalmente al piano della parete inducono sollecitazioni taglianti e flettenti di valore limitato. Di contro, i muri di controvento risultano così maggiormente sollecitati, ma in questi le forze taglianti e flettenti agiscono nel piano di maggior rigidezza e resistenza.

In definitiva, nell’assorbimento delle azioni orizzontali, la collaborazione fra gli elementi della scatola muraria, è essenziale affinché le azioni flettenti rimangano a livelli ridotti rispetto allo sforzo normale di compressione, e, quindi, sopportabili dalla muratura. Questa collaborazione dipende dal grado di connessione fra gli elementi e, dunque, dalla qualità dei collegamenti che deve essere considerata sotto due aspetti: quello “intrinseco”, collegato alle modalità costruttive del paramento, e quello “esterno”, dipendente dal grado di ammorsamento tra pareti ortogonali. 

Il primo aspetto è correlato alla qualità e integrità della tessitura muraria; infatti, murature costituite da materiale incoerente possono raggiungere il collasso prima che si manifesti qualsiasi meccanismo in grado di offrire una resistenza apprezzabile.

Questa prospettiva dovrebbe essere la principale che lo strutturista, accingendosi alla verifica di un edificio esistente, dovrebbe prendere in considerazione e ciò ben prima di spingersi verso approcci di calcolo, locali o globali, che, proprio per la mancanza della monoliticità delle pareti, non potranno mai rappresentare il reale comportamento del manufatto. La conferma la troviamo, spesso, nei cumuli di macerie incoerenti, testimonianza di un evento sismico, che non sono la conseguenza queste due modalità di danno. Troviamo invece pareti completamente sbriciolate, nelle quali né i meccanismi di collasso globali né quelli locali arrivano a svilupparsi per mancanza dei requisiti minimi: la parete, cioè, non si comporta come tale bensì come un insieme incoerente di mattoni e/o pietre.

I motivi di questo comportamento disgregativo sono molteplici:

• la scarsa qualità dei materiali (fatiscenza dei mattoni, presenza di lacune, vetustà dei materiali, muratura in ciottoli, ecc.);
• la scarsa qualità della malta (malta scadente o troppo magra). Le malte caratterizzate da scarsa quantità di legante, talvolta addirittura composte di terra cruda, sono diffuse soprattutto nelle costruzioni più povere, ma non si può escludere la loro presenza anche in costruzioni più pregiate, nascoste all’interno di paramenti esterni più curati. Queste malte svolgono sostanzialmente solo un ruolo di ripartizione dei carichi verticali, contribuendo in maniera molto limitata alla connessione tra i blocchi specie in presenza di sollecitazioni cicliche o vibrazionali. Una muratura disgregata nella quale i mattoni o le pietre non conservano traccia di malta attaccata alle proprie superfici è senz’altro un segnale di scarsa qualità della malta;
• la scarsa qualità della tessitura muraria e l’assenza di diatoni. Le murature a sacco sono senz’altro tra le più critiche, anche per la spinta che il riempimento stesso può generare sui paramenti esterni nel caso sia poco coerente. Molto diffuse sono anche murature in pietrame realizzate con due paramenti sostanzialmente accostati, con scarsa presenza di diatoni per il collegamento trasversale e con solai spesso appoggiati solo sul paramento interno. 

Inoltre, le murature in ciottoli rotondeggianti o in pietra non squadrata difficilmente riescono a garantire un efficace livello di connessione; in queste murature, molto spesso, i vari elementi sono sovrapposti in maniera poco ordinata, dove l’elemento “malta” non veniva posto in opera con la funzione di “legante” ma piuttosto per permettere il collocamento reciproco dei vari elementi, creando locali piani “regolari” di sovrapposizione delle varie pezzature non squadrate. Una muratura siffatta trasmette i carichi verticali attraverso il contatto, spesso puntiforme, tra sasso e sasso creando pertanto picchi di tensione che rendono precaria la funzione stessa di maschio murario nell’accezione corrente del termine.

Non sempre la situazione migliora passando ai mattoni; si deve, infatti, considerare che anche le murature a più teste in molti casi sono state realizzate come più murature a una testa, tra loro sostanzialmente scollegate, e negli esempi reali ciò ha determinato crolli inattesi. Ad esempio, è facile dimostrare come la mancanza di collegamento fra i due paramenti costituenti una parete porta ad un dimezzamento della capacità di resistere a carichi fuori dal piano.

Con queste premesse è evidente che la fase zero di un qualsiasi intervento di recupero di un edificio esistente dovrà essere quella del consolidamento “intrinseco” dell’apparecchiatura muraria che, si badi bene, non deve essere orientato verso l’esasperata ricerca di conferire alle strutture elevate resistenze e rigidissime connessioni bensì verso la riomogeneizzazione o meglio “riaggregazione” della muratura portandola ad un grado di resistenza quanto più uniforme possibile, anche se non elevatissimo, permettendo così di poter verificare la capacità portante sotto i nuovi carichi di esercizio con la garanzia di sezioni omogenee e ben aggregate.

Prima a mettersi a far di conto, il progettista diligente deve, pertanto, ritenere soddisfatto il prerequisito della sufficiente qualità muraria; egli deve garantire, mediante l’utilizzo di tecniche appropriate, che la muratura, intesa come insieme di elementi (malta + mattoni) sia in grado di sviluppare quel comportamento monolitico sulla base del quale ci si potrà appropinquare alla successiva analisi dei possibili meccanismi di collasso con la consapevolezza che questi potranno realmente attivarsi prima dello “sbriciolamento” della muratura a causa della sua fatiscenza.

I meccanismi di collasso degli edifici in muratura

Dall’osservazione del danno che una struttura soggetta a sisma può subire è possibile evidenziare, con gli strumenti della meccanica e della scienza delle costruzioni, come, a differenti caratteristiche tipologico – costruttive corrispondano diversità di comportamento della struttura sollecitata dal terremoto.

I danni tipici del costruito in muratura possono essere distinti secondo due fondamentali modalità di collasso, detti meccanismi di primo e secondo modo (Giuffrè,1993). 

Per meccanismi di primo modo si intendono quei cinematismi connessi al comportamento delle pareti in muratura fuori dal proprio piano, quindi con comportamento flessionale e ribaltamento. I meccanismi di II modo riguardano invece la risposta della parete nel proprio piano, con tipici danneggiamenti per taglio e flessione. 

I meccanismi di primo modo

I meccanismi di primo modo corrispondono a cinematismi fuori piano di singole pareti o di porzioni di struttura. Si tratta di fenomeni di ribaltamento (rocking) e flessione che portano a collasso la struttura per perdita di equilibrio: questi cinematismi possono presentarsi in costruzioni in cui l’assenza o scarsa efficacia di collegamento tra pareti e orizzontamenti e tra pareti stesse negli incroci murari non garantisce l’instaurarsi di un comportamento d’insieme della struttura: ciascuna parete tende a comportarsi in modo indipendente attivando meccanismi fuori piano.

È evidente che in tali casi, la verifica globale su un modello tridimensionale della struttura (pushover o altro) non ha alcuna rispondenza rispetto al suo effettivo comportamento sismico se, prima, non vengono adottati i necessari presidi per scongiurare l’instaurarsi di questi meccanismi.

Meccanismi di ribaltamento semplice di parete 

Il ribaltamento semplice di parerti esterne degli edifici dovute all’azione del sisma rappresenta una situazione di danno tra le più frequenti e pericolose. Questa situazione si verifica generalmente per la carenza di connessione tra la parete investita dal sisma e quelle ortogonali; in presenza di cordoli, tiranti, ecc., difficilmente questo tipo di meccanismo si manifesta, in quanto tali elementi ne ostacolano l’attivazione. 

I principali sintomi che manifestano l’avvenuta attivazione del meccanismo sono la presenza di lesioni verticali in corrispondenza delle intersezioni murarie (angolate e martelli murari), la presenza di fuori piombo della parete ribaltante e lo sfilamento delle travi degli orizzontamenti. Il ribaltamento semplice si può sviluppare in varie maniere, seguendo geometrie diverse, dettate anche dalla disposizione delle porte e delle finestre. Può interessare uno solo o più piani dell’edificio, in funzione dell’effettiva modalità di connessione tra i solai e le murature ai vari livelli della struttura.

Meccanismi di flessione verticale 

Una situazione piuttosto comune negli edifici in muratura è rappresentata da una tesa muraria vincolata agli estremi e libera nella zona centrale. È questo il caso, ad esempio, di un edificio con un cordolo in sommità e i solai intermedi privi di qualsiasi connessione; una situazione di questo tipo si presenta anche quando si considera la porzione di parete compresa tra due solai ben collegati a essa. Sostanzialmente, la flessione verticale si verifica quando la parete è ben ammorsata agli estremi, poco ammorsata ai lati e libera nella parte centrale.

Questo meccanismo è anche causato dalla snellezza eccessiva delle pareti, dalla presenza di murature a sacco o paramenti mal collegati, dalla presenza di spinte orizzontali localizzate (archi, volte) o da orizzontamenti intermedi mal collegati. La flessione verticale si manifesta con la formazione di una cerniera cilindrica orizzontale che divide la parete in due blocchi ed è descritta dalla rotazione reciproca degli stessi attorno a tale asse per azioni fuori dal piano. 

I principali sintomi che manifestano l’avvenuta attivazione del meccanismo sono la presenza di spanciamenti e fuori piombo della parete, lesioni orizzontali e verticali lo sfilamento delle travi degli orizzontamenti intermedi.

Meccanismi di flessione orizzontale 

Il meccanismo di flessione orizzontale si manifesta sulle pareti ed interessa la zona alta della parete; si verifica quando la parete è libera o mal collegata in sommità e ben ammorsata alle pareti laterali. Il cinematismo è innescato da una spinta orizzontale ortogonale alla parete risultante dalla spinta del tetto o di un solaio. La flessione orizzontale si manifesta con l’espulsione di materiale dalla zona sommitale della parete e col distacco di corpi cuneiformi accompagnato dalla formazione di cerniere cilindriche oblique e verticali per azioni fuori dal piano. Per comprendere l’attivazione del meccanismo si immagini la formazione di un arco ideale resistente orizzontale a tre cerniere nello spessore della parete, una in mezzeria e le altre due in prossimità delle pareti laterali. L’arco ideale orizzontale resiste alla forza orizzontale fino a quando la muratura cede per schiacciamento. Si ha una rotazione fuori dal piano della parete con la formazione di fessure paraboliche.

Questo meccanismo è spesso causato anche dalla presenza di coperture spingenti, dalla presenza di aperture ricavate nello spessore murario (nicchie, canne fumarie, ecc.), dalla presenza di murature a sacco o paramenti mal collegati.

I principali sintomi che manifestano l’avvenuta attivazione del meccanismo sono la presenza di evidenti lesioni verticali ed oblique sulla faccia esterna ed interna della parete, la presenza di rigonfiamenti, lo sfilamento delle travi del tetto.

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 Si ringrazia la FOIV (FEDERAZIONE DEGLI ORDINI DEGLI INGEGNERI DEL VENETO)  per la gentile collaborazione