Effetti della componente verticale del terremoto nelle murature: meccanismi di III modo?

Le registrazioni accelerometriche effettuate nelle zone epicentrali in occasione del terremoto del Centro Italia (2016-17) mostrano componenti verticali di intensità elevata. Durante le operazioni di rilievo del danno post-sisma nelle zone epicentrali sono state osservate tipologie di danneggiamento diverse da quelle codificate in letteratura, con una modalità di collasso di macro elementi ascrivibile alla componente verticale del sisma.

Nel lavoro vengono presentati alcuni di questi edifici caratterizzati dalla presenza di lesioni orizzontali, dal dislocamento dei livelli più alti, da lesioni verticali nei sottofinestra. I maschi murari si presentano integri senza le tipiche lesioni di taglio o pressoflessione ed i livelli più bassi sono esenti da danneggiamenti. Il quadro fessurativo ed i meccanismi di collasso associati non rientrano tra i classici meccanismi di I modo (fuori piano) e di II modo (nel piano) dei pannelli murari. Si ipotizza quindi la definizione di meccanismi di III modo caratterizzati dalla perdita di collegamento verticale di interi corpi strutturali.

L’attivazione di questo tipo di meccanismi sembrerebbe escludere la formazione dei classici meccanismi di collasso su cui si basano le verifiche di capacità sismica delle strutture in muratura riportate nelle norme. 

Azione sismica: cosa prevedono le NTC 2018

Attualmente la norma tecnica Italiana (NTC 2018), nel caso di analisi lineari, considera le componenti dell’azione sismica indipendenti tra loro e la componente verticale è da prendere in considerazione solo in alcuni casi specifici. Inoltre l’intensità della componente verticale è valutata come una frazione di quelle orizzontali. Infatti nel caso di edifici ordinari e senza particolari situazioni geometriche, la progettazione in condizioni sismiche delle strutture, avviene considerando esclusivamente la componente orizzontali del moto sismico.

Le strutture di tipo ordinario, escludendo fenomeni di amplificazione locale, risultano più deboli ai carichi inerziali orizzontali e quindi più vulnerabili a queste componenti del moto sismico. Tuttavia molte esperienze (Broderick et al., 1994;   Goltz, 1994; Elnashai et al., 1995; Youssef et al., 1995; Watanabe et al, 1998; Naeim et al., 2000; FEMA 355, 2000), hanno mostrato l'importanza delle componente verticale del sisma nella modalità di danneggiamento di alcune tipologie strutturali verticale del sisma sono stati registrati nelle zone epicentrali (zona di raggio 5 Km) dove le accelerazioni verticali hanno raggiunto, in alcuni casi, valori molto superiori alla gravità (Collier e Elnashai, 2001 ; Bouchon , 2000 ).

Nelle zone distanti dall’epicentro gli effetti della componente verticale si attenuano rispetto a quelli della componente orizzontale e pertanto influiscono in modo minore nella risposta sismica della strutture (Grimaz e Malisan, 2014). La presenza di una componente verticale rilevante può indurre cambiamenti significativi nel comportamento dinamico delle strutture (soprattutto se agisce in combinazione con la componente orizzontale).

La componente verticale concentra la sua energia in una banda ad alta frequenza (Collier e Elnashai, 2001; Elnashai e Papazoglou, 1997) (comunemente superiore a 5 Hz), che generalmente coincide con il periodo del primo modo verticale di risposta delle strutture (sia per le strutture in cemento armato che in muratura) ciò implica una amplificazione significativa della risposta in direzione verticale e di conseguenza un eventuale mutamento del tipo di danno atteso. L’azione della componente verticale del sisma, con verso opposto alla gravità, genera una riduzione dei carichi assiali statici e quindi in generale comporta una riduzione della capacità resistente a taglio e a flessione degli elementi strutturali.

Anche la capacità di deformazione in campo plastico subisce una forte riduzione (Di Sarno et al.2012). Negli elementi di muratura la diminuzione dei carichi assiali comporta anche una riduzione della capacità resistente a taglio/scorrimento e flessione e questo può condurre a particolari modalità di collasso. Il sisma verticale può anche produrre un incremento della forza assiale sulle strutture verticali e per questo motivo sono previsti effetti particolari (Papazoglou e Elnashai, 1996; Di Sarno et al.,2012) soprattutto sugli elementi che hanno un carico statico iniziale maggiore.

È noto che i picchi di maggiore intensità della componente verticale si verificano in generale per frequenze diverse da quelle delle componenti orizzontali (Collier and Elnashai, 2001; Shreshta, 2009), pertanto l’effetto di amplificazione del danno si verifica solo quando la componente verticale agisce simultaneamente con la componete orizzontale del sisma.

Tuttavia per comprendere meglio gli effetti del sisma verticale sulla risposta degli edifici è necessario osservare le modalità di danneggiamento rilevate negli edifici posti nelle vicinanze dell’epicentro di un evento sismico. Nel presente lavoro vengono illustrate ed analizzate le modalità di danneggiamento di alcuni edifici ubicati nella frazione di San Pellegrino di Norcia zona epicentrale del terremoto del Centro Italia del 2016.

Analisi del danneggiamento post-sisma centro Italia del 30 ottobre 2016

L’analisi del danneggiamento è un elemento fondamentale per comprendere gli effetti del sisma sugli edifici. La comunità scientifica e professionale è abituata ad analizzare le tipologie di danno secondo procedure e metodologie ormai consolidate e riconosciute dalle normative tecniche. Spesso però l’applicazione di procedure consolidate non consente un analisi realistica di fenomeni che hanno prodotto effetti “non comuni”.

L’evento sismico del Centro Italia del 30 Ottobre 2016 ha evidenziato in alcuni fabbricati in muratura ordinaria, anche di recente costruzione, un meccanismo di danneggiamento non ricompreso tra quelli sino ad oggi codificati. Gli autori hanno condotto un’accurata valutazione di questo tipo di danno, su alcuni edifici situati nella frazione di San Pellegrino limitrofa al centro di Norcia. Alcuni esempi sono mostrati nelle figure sottostanti.

È evidente che sugli edifici illustrati nelle Figura 1,Figura 2Figura 3, non è possibile individuare i classici meccanismi di I Modo, fuori dal piano e di II Modo, nel piano dei pannelli murari (NTC, 2018). Gli autori ritengono che la singolarità del quadro fessurativo sia riconducibile ad azioni sismiche verticali, ben superiori ai valori di norma, che hanno prodotto un decremento dei carichi assiali statici dei piani superiori, tali da produrre una riduzione repentina della resistenza allo scorrimento della muratura in corrispondenza del solaio di interpiano favorendo quindi l’attivazione di un’meccanismo di slittamento orizzontale sottoposto all’azione delle accelerazioni orizzontali.

Le lesioni verticali in corrispondenza dei sottofinestra, sono verosimilmente causate da variazioni dinamiche dei carichi assiali, di diversa entità, tra i maschi e gli adiacenti elementi di sottofinestra. Ponendo attenzione ai quadri fessurativi, oltre a poter verificare che non si riscontrano apprezzabili lesioni riconducibili ai meccanismi “classici” sopra citati, è anche evidente che ai piani inferiori il quadro di danneggiamento è quasi inesistente.

Questa situazione è in contrasto con le classiche modalità di danneggiamento attese per le strutture in muratura e sottoposte ad azioni sismiche, le quali prevedono stati di sollecitazione e quindi di danno più gravosi ai piani inferiori. Ѐ evidente che, nel caso specifico, gli effetti dell’ amplificazione locale dell’azione sismica verticale abbiano influito sulla risposta sismica globale della struttura. Lo studio di tali effetti non può però essere ricondotto ad una perdita di resistenza diffusa della muratura valutata attraverso le relazioni di verifica a taglio e a pressoflessione fornite dalle norme.

La perdita della capacità sismica globale dell’edificio per effetto dell’attivazione del meccanismo rilevato, (Figura 1,Figura 2, Figura 3) non può essere riprodotta con i classici modelli numerici agli elementi finiti anche se dotati di legami costitutivi del materiale che tengano conto della riduzione della resistenza a taglio della muratura per effetto delle decompressione generata dal sisma verticale. Infatti operando, per esempio, una analisi dinamica non lineare su un modello numerico sottoposto ad azioni cicliche alternate e simultanee della componente verticale e orizzontale, si può valutare che l’alternanza repentina del verso di applicazione del sisma verticale produrrebbe una oscillazione della resistenza a taglio intorno al valore ottenuto per carichi verticali statici.

Da questo risulta che i cicli forza-spostamento, rappresentati della capacità sismica della struttura, subiscono variazioni marginali rispetto a quelli elaborati con la sola componente orizzontale del sisma (Lagomarsino, 2019). L’approccio più corretto sembra essere quello dell’analisi cinematica con valutazione della progressiva perdita di vincolo in corrispondenza della soluzione di continuità tra maschi murari (di muratura ordinaria) ed il sottostante cordolo di piano. Dove lo slittamento globale del corpo rigido analizzato deve essere inteso come sommatoria degli istantanei slittamenti che si verificano sotto specifiche condizioni e combinazioni delle componenti del sisma.

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Articolo tratto dagli atti del XVIII Convegno ANIDIS - Ascoli Piceno 2019