La risposta sismica delle tamponature in laterizio negli edifici esistenti in calcestruzzo armato

Negli edifici con struttura portante in calcestruzzo armato le tamponature hanno la funzione di separare le varie unità abitative tra di loro e l’interno dall’ambiente esterno. Precedentemente all’entrata in vigore dell’OPCM n. 3431 del 03/05/2005, nella progettazione strutturale non venivano concepite come elementi che possono contribuire alla risposta sismica della struttura. Gli ultimi terremoti hanno evidenziato il contrario e proprio per tale motivo sia le Norme Tecniche per le Costruzioni D.M. del 17 gennaio 2018, sia l’allegato A del D.M. n. 58 del 28 febbraio 2017 ne hanno sottolineato l’importanza.

Il presente articolo vuole offrire uno spunto di riflessione agli addetti del settore riguardo la valutazione delle corrette tecniche di rinforzo da applicare sulle tamponature degli edifici esistenti.

L’interazione delle tamponature con la struttura portante

La modalità costruttiva adottata per la realizzazione delle tamponature influenza la risposta ai carichi verticali e orizzontali della struttura principale di un fabbricato. Nella progettazione strutturale di un edificio con struttura portante a telaio, le tamponature sono schematizzate come carichi linearmente distribuiti applicati alle travi dei telai della struttura. È chiaro che per garantire che la struttura principale, soggetta a soli carichi verticali, si comporti come da progetto in fase costruttiva, le tamponature andrebbero realizzate partendo dall’ultimo piano del fabbricato. Ciò consente alle travi di deformarsi correttamente e di non caricare le tamponature poste ai piani inferiori. In caso contrario parte del carico verticale confluirebbe nelle tamponature.

Per conoscere poi la risposta di una struttura a telaio alle azioni orizzontali, va posta particolare attenzione all’interazione tra la struttura sismoresistente e le tamponature verificando che:

• gli spostamenti d’interpiano rispettino le limitazioni imposte dalle normative vigenti (paragrafo 7.3.6.1 Elementi strutturali del D.M. del 17 gennaio 2018);
• non si sviluppino fenomeni di espulsione delle tamponature (paragrafo 7.2.3 Criteri di progettazione di elementi strutturali secondari ed elementi costruttivi non strutturali del D.M. del 17 gennaio 2018.

Questi due aspetti, che per praticità di calcolo vengono analizzati separatamente, possono interagire tra di loro durante un evento sismico; il danneggiamento nel piano influenza la risposta fuori piano delle tamponature. E’ stato evidenziato da diverse ricerche e dallo studio dei danni subiti dagli edifici nei recenti terremoti che hanno colpito l’Aquila e l’Emilia, come l’espulsione delle tamponature dei piani bassi degli edifici sia influenzata dal loro danneggiamento nel piano; questo ha come conseguenza la riduzione della resistenza fuori-piano. Le tamponature poste al piano terra di un edificio devono sopportare degli spostamenti più elevati di quelle poste all’ultimo piano e quindi anche se le prime risultano essere meno sollecitate da carichi espulsivi possono collassare prima di quelle poste ai piani più alti.

Per garantire un corretto comportamento delle tamponature negli edifici di nuova costruzione risulta sufficiente rispettare le verifiche di deformazione nel piano e le verifiche di stabilità indicate al paragrafo 7.3.6.2 del D.M. del 17 gennaio 2018, ricordando che la Circolare Esplicativa del C.S.LL.PP. n.7 del 21 gennaio 2018 indica che la stabilità degli elementi non strutturali può essere considerata soddisfatta qualora si adottino delle reti leggere sui due lati del tamponamento collegate tra loro e alle strutture circostanti, disponendo di un numero di connettori pari a 4 al mq oppure inserendo delle armature orizzontali nei letti di malta ad un distanza non superiore a 50 cm.

Ben diversa è la questione quando si tratta di edifici esistenti, dove le tamponature, nella gran parte dei casi, sono composte da pareti a doppio paramento realizzate dall’abbinamento di blocchi in laterizio forati all’interno e semipieni all’esterno. In quest’ultimo caso, prima ancora di trattare quale possa essere il possibile meccanismo che mette in crisi l’elemento, l’attenzione del tecnico deve riguardare l’accoppiamento delle due pareti.

Risolta questa problematica, allora si può passare allo studio dei meccanismi di danno di seguito riassunti.

Meccanismi di danno nel piano

I meccanismi di danno che interessano la tamponatura nel piano sono:

Meccanismi di danno fuori dal piano

La tipologia di danno che può innescarsi nella tamponatura è influenzata dalla modalità costruttiva adottata. Nel caso di tamponature inserite all’interno di una maglia strutturale ad essa aderenti, il meccanismo di rottura che può attivarsi è quello di flessione verticale, mentre nel caso di tamponature non aderenti al telaio (trascurando l’ipotesi di aderenza con gli elementi verticali della struttura) è quello di ribaltamento semplice.

Aspetti normativi e l’importanza della verifica delle tamponature

In Italia il primo testo normativo che ha trattato la problematica delle tamponature è stato il D.M- del 2 luglio 1981 emesso dopo il terremoto che ha colpito l’Irpinia e che forniva delle indicazioni per il rinforzo degli edifici colpiti dal sisma. Al suo interno descriveva l’interazione tra la struttura e le tamponature mediante un modello a puntone equivalente. Il testo normativo richiedeva la verifica delle tamponature per i meccanismi di scorrimento, fessurazione diagonale e schiacciamento locale degli spigoli.

Successivamente, con l’entrata in vigore del D.M. del 16 gennaio 1996 e della Circolare Esplicativa del 10 aprile 1997, le verifiche sopra elencate sono state estese anche agli edifici di nuova costruzione. In entrambi i testi normativi viene trattato il comportamento nel piano delle tamponature.

Con l’uscita dell’OPCM n. 3431 del 03/05/2005 a seguito del recepimento dell’Eurocodice 8, si è iniziata a trattare la problematica del ribaltamento fuori piano, ma solo con l’entrata in vigore del D.M del 14 gennaio 2008 (NTC 2008) e in seguito del D.M. del 17 gennaio del 2018 (NTC 2018), la verifica delle tamponature ha iniziato a tenere conto sia della limitazione degli spostamenti d’interpiano della struttura sia la loro verifica di espulsione.

Con il D.M. n. 58 del 28 febbraio 2017 viene introdotta una metodologia per la classificazione sismica degli edifici, e in particolare nell’Allegato A, si precisa che per tutte le strutture in calcestruzzo armato concepite con telai in entrambe le direzioni principali del fabbricato (quindi strutture che già in origine sono state concepite per sopportare delle azioni orizzontali) è possibile il passaggio ad una classe di rischio superiore, se vengono eseguiti almeno i seguenti interventi:

- Confinamento di tutti i nodi perimetrali non confinati;

- Rinforzo di tutte le tamponature perimetrali presenti in facciata dell’edificio;

- Ripristino delle zone degradate o danneggiate.

Data la continua evoluzione della normativa e considerata la possibilità di eseguire degli interventi di rinforzo sulle strutture esistenti che consentano l’ottenimento di un benefico fiscale (Sismabonus, Ecobonus, ecc…) i professionisti, le aziende del settore e le imprese si trovano a dover individuare delle strategie di intervento che siano efficaci e che arrechino il minor disturbo possibile alle persone che occupano tali edifici.

La definizione della domanda sismica sugli elementi non strutturali

Le attuali Norme Tecniche per le costruzioni indicano che la domanda sismica che compete agli elementi non strutturali debba essere determinata applicando la seguente espressione:

F_a = (S_a * W_a)/q_a

dove:

• F_a:è la forza sismica orizzontale distribuita o agente nel centro di massa dell’elemento non strutturale
• S_a:è l’accelerazione massima adimensionalizzata rispetto a quella di gravità;
• W_a: p il peso dell’elemento;
• q_a: è il fattore di comportamento che per le tamponature può essere assunto pari a 2,0.

La valutazione dell’accelerazione massima adimesionalizzata S_a può essere determinata applicando il modello analitico degli spetti di piano ampliamente descritto al paragrafo C.7.2.3 della Circolare Esplicativa n.7 e di seguito riassunto.

Spettro di piano di una parete di tamponatura

Il tecnico sulle base delle sue valutazioni e di tutte le condizioni al contorno, può procedere all’applicazione di tale modello secondo una delle seguenti tre metodologie:

• Metodo rigoroso valido per ogni tipologia di struttura e per ogni tipologia di elemento non strutturale;
• Formulazione semplificata valida per ogni tipologia di costruzione, per elementi non strutturali impianti ed eventuali meccanismi locali;
• Formulazione semplificata per costruzioni con struttura a telaio e nell’ipotesi di andamento delle accelerazioni strutturali linearmente crescente con l’altezza della costruzione.

In questo un ultimo modello l’accelerazione massima a cui può essere soggetto l’elemento non strutturale S_a(Ta) può essere valutata applicando le seguenti espressioni:

Dove:

a è il rapporto tra l’accelerazione massima del terreno ag su sottosuolo tipo A da considerare nello stato limite in esame e l’accelerazione di gravità;

S coefficiente che tiene conto della categoria di sottosuolo e delle condizioni topografiche;

T₁ è il periodo fondamentale di vibrazione della costruzione nella direzione considerata;

z è la quota del baricentro dell’elemento non strutturale misurata a partire dal piano di fondazione; H è l’altezza della costruzione misurata a partire dal piano di fondazione;

a,b,a_p sono paramenti definiti nella tabella di seguito riportate e che dipendono dal periodo di vibrazione fondamentale della struttura. 

T_a è il periodo fondamentale di vibrazione dell’elemento non strutturale che per una tamponatura può essere così valutato

h: rappresenta l’altezza dell’elemento non strutturale; α: coefficiente funzione del tipo di vincolo;

µ: peso dell’elemento non strutturale;

A: area della tamponatura (lunghezza per spessore)

J: momento d’inerzia della tamponatura;

E: modulo di elasticità della muratura.

Valutazioni più accurate relative alle caratteristiche dinamiche della tamponatura si possono ottenere trattando l’elemento come piastra vincolato alla maglia strutturale.

Individuato il valore dell’accelerazione dell’elemento non strutturale S_a(T_a) è possibile in base allo schema statico che si pensa di utilizzare valutare le sollecitazioni di momento e taglio agenti e procedere quindi con le verifiche.

Va evidenziato che in quelle situazioni in cui il tamponamento è costituito da un doppio paramento la verifica deve interessare prima il sistema di connessione da adottare e poi la verifica delle pareti.

La definizione della capacità sismica sugli elementi non strutturali

Definita la richiesta sismica del pannello di tamponamento la capacità della tamponatura può essere determinata o calcolando la resistenza a pressoflessione (paragrafo 7.8.2.2.3 del D.M. del 17 gennaio 2018) oppure applicando l’espressione fornita al paragrafo 6.3.2. dell’Eurocodice 6 in cui nell’ipotesi di tamponatura aderente al telaio, è possibile che si sviluppi l’effetto arco nello spessore della parete (è sottointeso che perché si sviluppi tale meccanismo la tamponatura deve avere uno spessore adeguato).

Ulteriori verifiche a taglio per scorrimento devono essere condotte nella sezione tra la tamponatura e le travi in calcestruzzo per garantire che l’ipotesi di parete aderente al telaio in calcestruzzo sia soddisfatta; in caso negativo dovranno essere previsti dei sistemi di connessione adeguatamente dimensionati (utilizzo di barre elicoidali, barre in composito, ecc…).

Nella determinazione del momento resistente della sezione di muratura il carico agente nella sezione di verifica dipende dalla tipologia di schema statico adottato. Nel caso di tamponature con comportamento a mensola nella sezione di verifica va assunto uno sforzo assiale pari al carico del pannello murario, mentre nel caso di elemento aderente al telaio è possibile considerare uno sforzo assiale pari a metà del peso della tamponatura più eventualmente una fraziona del peso derivante dal solaio che su essa confluisce. Quest’ultimo incremento di carico è da utilizzarsi solo qualora le tamponature siano in aderenza alla struttura portante.

In tutte quelle situazioni dove le tamponature sono aderenti, il meccanismo ad arco coglie in modo più raffinato il meccanismo resistente che si innesca nella parete in muratura. Tale meccanismo consiste nella formazione di tre cerniere non allineate e si basa sul fatto che l’elemento non strutturale sia in grado di sopportare l’azione esterna finché lo schema statico non diventa labile (cerniere allineate) o viene superata la resistenza a compressione della muratura in corrispondenza degli appoggi. 

Nel caso in cui le verifiche di resistenza non risultano soddisfatte è necessario procedere al rinforzo della tamponatura. Una delle soluzioni possibili è applicare sue entrambi sul pannello in muratura delle reti di armatura in materiale composito, in questo caso il calcolo della sezione resistente può essere condotto applicando la teoria delle sezioni in muratura armata.

La proposta di FIBRE NET

Nella valutazione del problema dell’espulsione delle tamponature in seguito al verificarsi di un evento sismico è necessario soffermarsi in maniera sequenziale su alcuni aspetti che determinano una corretta o meno trattazione del problema.

In particolare è necessario porre attenzione a:

• Valutazione dello stato di fatto, ponendo attenzione nel caso di murature a doppio strato, alla connessione trasversale dei singoli paramenti;

• Valutazione e verifica delle connessioni perimetrali;

• Analisi del comportamento fuori piano dell’elemento non strutturale.

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