Comportamento dei tamponamenti per eccitazione fuori piano

Le costruzioni esistenti in calcestruzzo armato sono normalmente provviste di pareti di tamponamento in corrispondenza dei telai perimetrali. Queste pareti sono in muratura di laterizi semipieni o forati. Durante l’eccitazione sismica si può verificare il collasso fuori piano delle pareti, a causa della loro scarsa resistenza a flessione.

Si presenta nel seguito la procedura di verifica dei tamponamenti eccitati fuori piano sia per pareti non rinforzate che per pareti rinforzate con l’impiego di materiali compositi.

Si mostra anche uno studio numerico che evidenzia le prestazioni di pareti non rinforzate e rinforzate con differenti geometrie e con presenza di forature.

Gli elementi secondari non strutturali: i muri di tamponamento

I vani di un sistema strutturale a telai in cemento armato o acciaio sono frequentemente tamponati con pareti in muratura, costruite tra i pilastri e le travi della struttura principale. Questi muri costituiscono le chiusure perimetrali e alcune tramezzature interne, a seconda delle scelte fatte per caratterizzare l'assetto architettonico dell'edificio in pianta e per soddisfare le funzioni per cui l’edificio è costruito. Le murature di riempimento sono di norma costruite dopo il completamento del sistema strutturale principale.

Per quanto riguarda i carichi gravitazionali, i muri di tamponamento rappresentano tipici elementi secondari non strutturali che aggiungono peso al sistema strutturale di base, ma non contribuiscono alla capacità portante.

Tamponamenti soggetti a forze sismiche modificano la risposta strutturale dell'intero edificio

Nel caso che l’edificio sia soggetto ad azioni orizzontali soprattutto di origine sismica, le pareti di riempimento influenzano in maniera significativa il comportamento della struttura principale.

Infatti, sebbene considerati elementi non strutturali, i muri di riempimento sono spesso rigidamente collegati con i telai in c.a. e ostacolano la deformazione della struttura. In tal caso, le pareti di riempimento in muratura influenzano in maniera significativa la risposta strutturale dell’edificio, come evidenziato in Gattesco 2021. Come risultato della connessione, le forze di interazione si sviluppano nella zona di contatto tra i telai e le pareti di riempimento, influenzando il comportamento degli elementi del telaio tamponato così come l'intera struttura. Devono garantire anche un’adeguata resistenza alle forze agenti fuori piano e trasferirle alla struttura in c.a.

Le verifiche da fare in fase di progettazione

Appare evidente che nella progettazione strutturale di costruzioni realizzate in zona sismica è necessario considerare anche il contributo delle pareti di tamponamento.

Naturalmente, si adotta un approccio diverso per valutare il comportamento sismico di una struttura a telaio in c.a. con muratura di riempimento se si tratta di edifici con la muratura costruita come parte secondaria non strutturale del sistema principale oppure con la muratura costruita come parte resistente del sistema strutturale. 

Nel primo caso il riempimento è separato dalla struttura da particolari dispositivi di dettaglio, in modo da non ostacolare la deformazione della struttura principale durante i terremoti. I tamponamenti non sono sollecitati nel proprio piano, in quanto non interagiscono con i telai, e sono sollecitati solamente fuori dal proprio piano.
E’ necessario verificare che le sollecitazioni fuori piano, dovute a vento o sisma, non causino il ribaltamento della parete o il collasso per flessione. Per questo, bisogna verificare che i dispositivi di vincolo parete-pilastro e parete-trave superiore garantiscano il funzionamento previsto.

Nel secondo caso, invece, nella progettazione degli edifici soggetti ad eccitazione sismica si deve tener conto dell'influenza dei muri di riempimento in termini di modifica della rigidezza e della resistenza dei telai (Gattesco 2021). Per il comportamento fuori-piano, le verifiche di resistenza si eseguono in maniera analoga al caso precedente.

Comportamento sismico fuori piano dei tamponamenti

Per la verifica delle pareti di tamponamento soggette ad eccitazione fuori-piano si può fare ricorso ai metodi che si basano sull’analisi dei meccanismi di corpo rigido, quali l’approccio cinematico lineare e l’approccio cinematico non lineare.

Questi metodi sono sicuramente efficaci e semplici da applicare per pareti di muratura non rinforzata il cui collasso si verifica per formazione di catene cinematiche di corpi rigidi.

Non sono invece applicabili ai casi di murature rinforzate con incollaggio sulle facce di sistemi compositi con fibre di diversi materiali e matrici organiche o inorganiche (FRP, FRCM, CRM), in quanto in questi casi il collasso fuori-piano è associato alla rottura delle fibre nelle sezioni maggiormente sollecitate, senza formazione di cinematismi.

Per uniformare la procedura di verifica, si può quindi adottare un metodo statico equivalente che consiste nella determinazione di una forza equivalente da applicare alla parete e di verificare che la parete sia in grado di sopportare le sollecitazioni che derivano da tale forza.

Il sistema CRM RI-STRUTTURA

Il sistema di rinforzo RI-STRUTTURA si compone di reti, angolari e connettori preformati in GFRP composti da fibra di vetro AR e resine termoindurenti abbinati a malte strutturali inorganiche a base calce o cemento e applicati attraverso la tradizionale tecnica dell’intonaco armato. L’intervento di rinforzo strutturale garantisce un miglioramento strutturale omogeneo e diffuso, con elevate caratteristiche meccaniche e di duttilità e un modesto incremento di rigidezza della struttura. 

Perché e dove utilizzare la tecnica CRM ?

La tecnica CRM – introdotta sul mercato dell’edilizia esistente da FIBRE NET ormai 20 anni fa e assimilabile alla classica tecnica dell’”intonaco armato”. Si tratta di sistemi di rinforzo strutturale ad elevata inerzia chimica, non soggetti a corrosione, e rappresentano la soluzione ideale soprattutto nell’ambito di edilizia storica e tutelata, laddove è frequente il caso di murature a più paramenti o a sacco scarsamente collegate e quindi a forte rischio di disgregazione in caso di eventi sismici.

Negli ultimi 10 anni, la tecnica CRM è stata infatti largamente impiegata per il miglioramento strutturale di vaste aree soggette ad eventi sismici, sia in fase di prevenzione sismica che nelle fasi della ricostruzione.

Con delibera del 16 dicembre 2020 il Servizio Tecnico Centrale del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici, ha riconosciuto la validità del sistema CRM - Composite Reinforced Mortar- RI-STRUTTURA di FIBRE NET per l’impiego come rinforzo strutturale.
Ciò è avvenuto attraverso il recepimento del Benestare Tecnico Sloveno STS 17/0013 emesso dallo ZAG Ljubljana Slovenian National Building and Civil Engineering Institute e la conseguente emissione dell’Attestato di Equivalenza n. 0009946.17-12-2020.

Forza statica equivalente

La valutazione della risposta sismica di pareti eccitate fuori piano è un problema piuttosto complesso, in quanto bisogna tener conto dell’interazione fra il comportamento nel piano dei telai/setti e dei solai e il comportamento fuori-piano delle pareti di tamponamento.

Infatti, le pareti di tamponamento sono eccitate fuori piano dalla propria massa in risposta all’eccitazione del piano sul quale sono impostate. Si può quindi fare riferimento ad uno spettro di risposta del piano sul quale si trova la parete e da quello ricavare l’accelerazione di picco della parete fuori piano in corrispondenza del periodo proprio della parete stessa (normalmente quello corrispondente alla prima forma modale flessionale fuori piano).

Per costruire la forma spettrale di piano del tamponamento, si deve innanzitutto ricavare l’accelerazione massima di piano az,k(z), che, per edifici regolari con solai rigidi nel proprio piano e senza significativi problemi torsionali, può essere calcolata con la seguente formula semplificata (Circolare 21-01-2019):

(1)

Dove Se(Tk ξk) è l’accelerazione spettrale dell’edificio valutata in corrispondenza del proprio periodo fondamentale Tk e dello smorzamento relativo ξk, z è la quota del piano in argomento, H è l’altezza totale dell’edificio ed n è il numero di piani. Nella (1) si è assunto un andamento linearmente crescente delle accelerazioni con la quota ed una distribuzione uniforme delle masse lungo l’altezza.

Lo spettro di piano può essere ricavato con le relazioni:

(2)

dove, SeZ(T,ξ,z) rappresenta lo spettro di risposta di piano in termini di accelerazione per il tamponamento situato alla quota z, ξ è il coefficiente di smorzamento viscoso relativo al tamponamento, T è il periodo generico relativo alla parete, a e b sono coefficienti che definiscono l’intervallo di amplificazione massima dello spettro di piano (possono essere assunti rispettivamente pari a 0.8 e 1.1), e η(ξ) è il fattore di smorzamento che dipende dal coefficiente viscoso secondo la relazione:

(3)

Per i valori dei coefficienti di smorzamento viscoso si può assumere un valore pari al 5%, per l’edificio, e pari al 10-15% per la parete in muratura. Il periodo proprio dell’edificio può essere ricavato con la relazione semplificata riportata nelle NTC 2018:

T_k = C x H^0,75 (4)

con C=0.075, per edifici intelaiati in calcestruzzo armato. Nel diagramma di Figura 1 sono riportati uno spettro di risposta di piano ed uno spettro di risposta di base.

Figura 1. Confronto tra spettro di risposta di piano e spettro di risposta di base.

La domanda sismica sui tamponamenti può quindi essere determinata applicando loro una forza orizzontale Fa definita con la relazione:

F_a = (S_a x W_a) / q_a  (5)

dove S_a è l’accelerazione massima, adimensionalizzata rispetto alla gravità, che la parete di tamponamento subisce durante il sisma, W_a è il peso dell’elemento e q_a è il fattore di struttura della parete, pari a 2 per tamponamenti che sono collegati alla struttura principale ad entrambe le estremità. S_a si assume pari al valore massimo ricavato con la (2) per un valore del primo periodo proprio della parete pari a

  (6)

e diviso per l’accelerazione di gravità. h è l’altezza della parete, I è il momento d’inerzia attorno al piano debole della parete, ρ_lA è la massa per unità di lunghezza della parete, E è il modulo elastico della muratura e κ è un coefficiente funzione del tipo di vincolo (κ=π² per cerniere alle estremità).

In maniera più semplice ma meno rigorosa, è possibile calcolare la forza F_a sostituendo nella (5) l’accelerazione massima ricavata dall’espressione diretta proposta nelle NTC 2018:

(7)

con Sa_g accelerazione di progetto al terreno e g accelerazione di gravità.

...continua.

Per continuare la lettura dell'articolo integrale SCARICA il PDF, stampabile e condivisibile.

L'articolo continua con la trattazione dei seguenti argomenti:

• Resistenza fuori piano di pareti di tamponamento non rinforzate
• Resistenza fuori piano di pareti di tamponamento rinforzate
• Influenza della dimensione e della presenza di aperture

FIBRE NET: gli specialisti del rinforzo strutturale                         

Idee, passione, esperienza e ingegno italiano in continua evoluzione

La storia di FIBRE NET inizia nel 2001 con una visione: sviluppare  un prodotto non presente sul mercato, una rete  in GFRP: RI-STRUTTURA, la risposta evoluta alla classica rete elettrosaldata che, consente di rispettare la compatibilità muraria soprattutto negli edifici storici. Da allora, forte di un’intensa attività di R&S supportata da Università  e istituti di ricerca, l’azienda ha sviluppato diversi sistemi per il rinforzo strutturale in materiale composito fibro rinforzato, certificati e validati.

FIBRE NET si pone come partner specializzato, in grado di affiancare enti, progettisti ed imprese nelle scelte più opportune, efficaci e sostenibili mirate al consolidamento, al miglioramento e adeguamento strutturale, al mantenimento della durabilità del bene.

L’azienda mette a disposizione dei propri partners laboratori, attrezzature e competenza per l’esecuzione di prove, anche on-site, per la diagnosi delle problematiche,  per la caratterizzazione meccanica e chimica di materiali  e cicli di intervento.