Fessurazioni in fabbricato con struttura in c.a.: rilievo e monitoraggio delle stesse

A seguito del verificarsi di lesioni evidenti e gravi su elementi non strutturali al piano terra di un edificio in c.a., l’autore è stato incaricato di svolgere controlli e verifiche. Al momento è in corso un monitoraggio delle lesioni strutturali riscontrate mediante misure periodiche eseguite con deformometro millesimale.

Il presente lavoro tratta del monitoraggio di lesioni presenti su elementi strutturali in un edificio residenziale in c.a. di n° 7 piani fuori terra, edificato nel 1958 in provincia di Genova.

Lo scrivente fu interpellato per il verificarsi di importanti lesioni nelle tamponature del piano terra zona cantine, e in sede di sopralluogo e rilievi, riscontra la presenza di lesioni a taglio (45°) su alcuni nodi trave-pilastro.

A seguito di redazione di apposita relazione tecnica preliminare, e visto che alcuni condomini lamentavano fessurazioni all’interno dei loro appartamenti, in sede di assemblea, viene incaricato di eseguire dapprima un rilievo geometrico-strutturale dell’intero edificio (anche con l’ausilio della termografia per l’individuazione di strutture e orditure solai), con mappatura delle lesioni presenti anche in elementi (soprattutto tamponature, tramezze e solai) costituenti i piani soprastanti fino all’ultimo.

Successivamente viene incaricato di eseguire altresì un monitoraggio delle suddette lesioni più significative (a taglio) appunto presenti nei citati nodi trave-pilastro al piano terra zona cantine.

Generalità sull'interpretazione dei quadri fessurativi negli edifici con struttura portante in c.a.

Ogni fessura è la dimostrazione concreta di un problema di un edificio e diviene importante comprendere se è interpretabile come un segnale di pericolo per gli utenti della costruzione oppure se, pur essendo sgradevole da un punto di vista estetico, è gestibile nell'ambito di ordinari interventi di manutenzione della costruzione.

Le fessure che usualmente si manifestano negli edifici possono essere riassunte nelle seguenti classi:

• da esercizio strutturali;
• da crisi strutturali;
• da ritiro o da viscosità dei materiali;
• da dilatazioni non consentite per assenza di giunti;
• da assorbimento differenziato di umidità;
• da cedimenti fondazioni;
• da vibrazioni;
• da terremoto;
• da espansione di parti interne (corrosione di barre, tubi non ben isolati);
• dovute a specifiche del luogo (condizioni climatiche, incendi, ecc...).

Calcestruzzo armato

Nelle strutture in calcestruzzo armato non si considera la resistenza a trazione del calcestruzzo e dove è prevista la presenza di una sollecitazione di trazione vengono inserite delle barre di armatura in acciaio che assorbono gli sforzi interni (cemento armato).

Quadro fessurativo
Per definizione il quadro fessurativo è l’insieme di fessure (o lesioni), visibili ed invisibili in essere su un’opera o un elemento strutturale esistente, derivante da uno stato di dissesto o/e di degrado.

Tutti i dissesti statici, presenti in una struttura edilizia, sono generati da precise cause perturbatrici; le lesioni che appaiono sono gli effetti delle modifiche che si sono instaurate nella costruzione rispetto al momento della sua realizzazione.

Affrontare però il problema dei dissesti negli edifici in calcestruzzo armato (come nel caso in esame) presenta notevoli difficoltà per le motivazioni in appresso sinteticamente espresse.

1) Un edificio in cemento armato è ordinariamente costruito da due parti che hanno risposte completamente diverse alle sollecitazioni:

• a. una parte strutturale in c.a.
• b. una parte di tamponamento e tramezzatura in laterizio e malta.

Difatti la struttura in c.a. è molto elastica, quindi in grado di sviluppare grandi lavori di deformazione prima di lesionarsi.

Le parti di chiusura sono, per contro, elementi molto rigidi e pertanto estremamente suscettibili alla rottura. Ciò vuol dire che molto spesso appaiono lesioni evidenti nei tamponamenti esterni o nelle tramezzature senza che appaiono lesioni nella struttura in c.a.;

2) La struttura in c.a. può considerarsi nella stragrande maggioranza dei casi e a meno delle costruzioni industriali, come un complesso statico con elevato grado di iperstaticità: ciò complica molto lo studio e soprattutto la diagnosi delle lesioni perché tra i vari elementi della struttura si stabiliscono collaborazioni che possono falsare le analisi, fino ad indurre in errore sulla gravità del dissesto, sia sulla localizzazione dello stesso.

In letteratura esistono tuttavia alcune regole fondamentali che è bene tenere sempre in considerazione nell’analisi del quadro fessurativo e delle cause che lo generano:

1. Fino a quando un quadro fessurativo, anche grave, intacca i muri di tamponamento e di tramezzatura, senza intaccare travi, pilastri e solai, la costruzione non corre alcun rischio di collasso in quanto dette lesioni non influiscono sulla sua stabilità;
2. Lesioni orizzontali e verticali nelle murature portate non devono essere messe in connessione con deformazioni pericolose del telaio strutturale, mentre lesioni inclinate a 45° in detti muri, sono sempre da addebitarsi ad anormali deformazioni del telaio strutturale;
3. Nel momento in cui i telai strutturali iniziano a lesionarsi, insorge una situazione di pericolo e di non semplice prevedibilità perché avvengano delle rotture in determinate sezioni assume un gioco fondamentale il comportamento dei vincoli di collegamento.

In definitiva, da queste sintetiche considerazioni, si evince che mentre nella struttura in muratura si stabilisce una chiara e di solito univoca corrispondenza tra cause del dissesto e quadro fessurativo, nelle strutture in c.a. il quadro fessurativo è una conseguenza non solo della causa del dissesto, ma anche delle caratteristiche dei telai e dei vincoli.

Cause generatrici (più diffuse) di lesioni riscontrabili negli edifici secondo quanto riportato in letteratura tecnica

N.B.: Il contenuto del presente paragrafo è stato desunto principalmente dalla consultazione dei seguenti testi:
- “Diagnosi dei dissesti e consolidamento delle costruzioni”, di Leopoldo Barucchello e Giorgio Assenza – Edizioni DEI;
- “Corso di consolidamento degli edifici”, Armando Albi Marini – Università degli Studi di Napoli;
- “Restauro strutturale”, Guido Sarà – Liquori Editore, Napoli 1989.

L’insorgere di condizioni di dissesto in un edificio può essere dovuto sia a sollecitazioni esterne sia interne, che possono agire anche contemporaneamente.

Le sollecitazioni esterne sono generate da cause indipendenti dalla struttura del fabbricato (per esempio eventi sismici, smottamenti, opere di escavazione in prossimità delle strutture fondali, dilavamento meteorico in prossimità sempre delle strutture fondali, ecc…).

Le sollecitazioni interne invece, derivano da un “assestamento” degli elementi strutturali sottoposti al carico della costruzione, alla loro deformabilità o da sovraccarichi non calcolati in sede di progetto. In questo ultimo contesto (sollecitazioni interne) assume importanza la qualità dei materiali costituenti le membrature portanti che dovrà essere di livello confacente ai compiti statici o dinamici assegnati.

La valutazione diretta dell’entità ed “andamento” delle varie lesioni presenti in una struttura (il quadro fessurativo) risulta utile solo per la diagnosi delle cause che le hanno generate.

In base al quadro fessurativo verranno pertanto individuate diverse cause di innesco del danno, che potranno variare da zona a zona; per indagare invece sugli effetti in atto e programmare gli interventi di eliminazione delle cause occorre valutare la dinamica nel tempo del quadro fessurativo ed analizzare gli incrementi ed i decrementi dell’ampiezza delle fessure. (Il cosiddetto monitoraggio dei quadri fessurativi).

Accade spesso infatti, che le lesioni rilevate in una struttura non siano preoccupanti perché dopo essersi prodotte, in conseguenza ad una certa causa, possono ritenersi esaurite e non progrediscono con il trascorrere del tempo. Stabilire se intervenire è indispensabile ed urgente ovvero è superfluo o procrastinabile è compito non sempre facile per un professionista che si limita ad un’osservazione episodica e non sistematica, superficiale e non approfondita. E’ quindi indispensabile esercitare un controllo sistematico e ripetitivo (monitoraggio) su ogni lesione che possa far nascere preoccupazioni derivanti dal suo andamento temporale. Detti controlli si possono esercitare tramite il rilievo fotografico, con l’ausilio di estensimetri (meglio deformometro), di calibri, di spie poste a cavallo delle lesioni, ecc…

Solo dopo lo studio del comportamento del quadro fessurativo nel tempo sarà possibile formulare una proposta progettuale di un corretto intervento di consolidamento. Il consolidamento, pertanto, sarà efficace e realizzato tecnicamente solo se il problema viene affrontato alla radice eliminando o contrastando le cause perturbatrici; qualora si agisca solo sulle lesioni e sulle fratture, saranno sistemati per un po’ di tempo gli effetti ma il “malanno” che li aveva generati rimarrà ancora in piena attività.

A titolo esplicativo, di seguito si riportano alcune delle cause più diffuse di lesioni riscontrabili negli edifici con struttura portante in cemento armato.

Cedimento verticale di un pilastro

Per analizzare il quadro fessurativo di un cedimento fondale, si consideri il caso di una parte poggiante su un terreno interessato da un cedimento.

Dato lo schema, gli elementi a sinistra e a destra sono trattenuti dalla parte di parete poggiante sul suolo stabile, mentre l’elemento centrale è trattenuto dalla parte soprastante di parete che, per effetto arco, conserva la stabilità meccanica. Le lesioni conseguenti (orizzontali nel caso di trazione pura e a 45° nel caso di taglio puro) delineano una “parabola” sul muro.

Analoghi sono i casi di cedimento fondali su edifici in cemento armato che mostrano le tracce delle lesioni a parabola lungo le facciate uscenti dagli spigoli dei vani dove si verificano concentrazioni di sforzi.
La traslazione verticale di un pilastro di una struttura intelaiata in calcestruzzo armato, infatti, produce nella tamponatura perimetrale lesioni dello stesso tipo di quelle che si verificano nelle murature convergenti verso l’elemento verticale che cede. 

Naturalmente il quadro fessurativo ha le stesse caratteristiche per tutti i tamponamenti che convergono verso il pilastro, anche se essi sono in diversi piani verticali. Nelle travi in c.a. si creano lesioni verticali all’intradosso, nelle vicinanze del pilastro che cede, con ampiezze decrescenti con l’altezza ed all’intradosso, in prossimità degli elementi verticali che restano fermi, con larghezza crescente verso l’alto.

Lesioni nelle tamponature: quali le possibili cause?

Le opere in conglomerato cementizio armato presentano, a volte, quadri fessurativi diffusi solo nei paramenti di tamponature, che assumendo aspetti geometrici che possono disorientare l’osservatore non molto attento e spingerlo verso diagnosi non esatte.

Alcune fessurazioni derivano dalla diversa deformabilità dei vari elementi a contatto, per cui la ripetizione di spostamenti relativi, dovuti alle variazioni delle condizioni di carico e/o alle escursioni termiche giornaliere e stagionali, comporta per il fenomeno di fatica, la rottura del materiale di collegamento più fragile, quale tinteggiatura ed intonaco.

Nei tramezzi disposti su elementi a sbalzo molto deformabili, si verificano lesioni inclinate di 45° rispetto alla verticale, ed ubicate in corrispondenza della sezione che, trattenuta dalle strutture in conglomerato, è immobile nel tempo. A volte queste lesioni assumono aspetto verticale sia per la rotazione prodotta dalla variabilità dell’abbassamento dei punti della mensola, nullo sul vincolo e massimo all’estremo libero, sia per il contrasto prodotto dalla presenza di infissi a forma molto rigida o dalle stesse strutture portanti.
La deformabilità notevole dei solai o delle travi, particolarmente quelle a spessore, produce quadri fessurativi che assumono aspetti diversi al variare del rapporto tra la lunghezza e l’altezza.

Quando l’elemento ha una notevole luce, in riferimento all’altezza, il quadro fessurativo è analogo a quello che si riscontra per cedimento della parte centrale del terreno di appoggio di una muratura. (fig. sopra).

Sorgono cioè lesioni con linee fessurative inclinate di 45° rispetto alle verticali ed aventi le normali dirette verso la sezione di mezzeria dell’elemento orizzontale, la quale presenta il massimo spostamento verticale. Le aperture, generalmente hanno forma di “scalini” con pedate ed alzate, pari rispettivamente, alle distanze tra due giunti verticali ed orizzontali. Ciò perché il dissesto tende ad interessare il materiale meno resistente, che in questo caso è il corso di malta. A volte si crea anche il collegamento orizzontale tra le due lesioni inclinate, ed il quadro fessurativo assume il tipico aspetto parabolico.

Questo fenomeno è generalmente prodotto dalla concentrazione di carichi dovuta per esempio alla presenza di tavolati paralleli ai travetti del solaio quando mancano elementi di ripartizione trasversale, quale armatura o travetto rompitratta.

Se il pannello è vincolato a strutture verticali fisse la cui distanza relativa è uguale o inferiore all’altezza del tavolato, lo stesso fenomeno produce quadri fessurativi costituiti da sole aperture orizzontali (vedi fig. 4)

Queste ultime, spesso ubicate solamente in corrispondenza delle sezioni di separazione dei due diversi elementi strutturali, presentano ampiezze variabili con il massimo nella mezzeria della campata ed il minimo nelle sezioni terminali, in corrispondenza delle quali gli spostamenti relativi per l’azione dei vincoli, sono molto piccoli o nulli.

La diversa morfologia del quadro fessurativo è dovuta alla indeformabilità del pannello murario, che viene sostenuto nella sua posizione iniziale dalle azioni che si trasmettono attraverso le sezioni di collegamento alle strutture portanti, ed al contrasto con elementi indeformabili che fanno comportare il tavolato come un corpo rigido.

La deformabilità delle strutture portanti orizzontali produce spesso anche la rottura dei tramezzi per schiacciamento dei materiali (fig. 5); il fenomeno può assumere forme geometriche diverse, in funzione della data di osservazione del quadro fessurativo e dell’ampiezza dello stato tensionale. Lesioni orizzontali con espulsioni locali e multiple, della tinteggiatura e dell’intonaco e della malta tra gli elementi, tipiche dell’inizio del dissesto, ed aperture verticali multiple corrispondenti a sollecitazioni più elevate.

Questo quadro fessurativo è prodotto dalle deformazioni, di tipo lento o viscoso, degli elementi orizzontali in conglomerato cementizio dovuta all’azione continua dei carichi fissi; il fenomeno si verifica però solo quando vengono costruiti prima i tramezzi al di sotto delle strutture portanti e successivamente quelli superiori, o quando i tramezzi sono sigillati prima che si sia sviluppata la maggior parte degli spostamenti verticali dell’elemento orizzontale. In questo caso, per effetto delle deformazioni la struttura portante si appoggia sul tramezzo inferiore, che diventa un appoggio continuo, e il suo modello statico coincide con quello della trave su mezzo elastico, per cui si verifica un trasferimento dei carichi esterni con l’insorgenza di sforzi di compressione nel materiale costituente il tramezzo.

Il fenomeno può assumere, come in genere si verifica, aspetti più ampi ai piani più bassi perché la trasmigrazione dei carichi inizia dai piani più alti, ad aumenta di intensità a mano a mano che si scende ai piani bassi, per il risentimento dei pesi delle opere a quota più alta.

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