Verifica secondo norma degli elementi strutturali per limitare il danno alle tamponature non strutturali

Nonstructural damage to the masonry infills of framed buildings under relatively weak earthquakes is quite usual. In this regard, the codes for building design prescribe to limit the inter-story drift ratios. However, the drift demand may be estimated by analysis of bare frames. The correlation between drift ratios of bare and infilled frames is studied herein by multivariate statistical methods, that of canonical correlation in particular. Nonlinear time-history analyses are carried out to compare statistics of the drift demands to frames with and without infills. Frames differing in number of stories, stiffness of infills, ductility class, and ground type are considered. The correlation appears to be significant with variation in seismic intensity. However, the intensity being fixed at the level proper to code’s verification, the correlation is quite weak. So much so that the null hypothesis of statistical independence of the drifts of the bare and infilled frames cannot be rejected at usual significance levels. The drift demand to an infilled frame cannot be predicted from that to the bare counterpart, and this result contradicts the code assumption for the damage verification. Modelling the structural members and masonry infills as well should be mandatory to compute the drift demand.

Artciolo tratto dagli Atti del XVI Convegno ANIDIS - setttembre 2015

1 INTRODUZIONE
Il danno dei componenti non strutturali degli edifici è spesso uno degli effetti più importanti dei terremoti relativamente leggeri e frequenti. Soprattutto, sono vulnerabili le tamponature ed i tramezzi delle strutture intelaiate che, costruiti con muratura di mattoni e malta, risultano essere molto rigidi ed altrettanto fragili per l’assenza d’armatura (Braga et al. 2011).
Il problema non dovrebbe riguardare gli edifici di nuova costruzione, perché prevenire il danno eccessivo degli elementi non strutturali, oltre che di quelli strutturali, è un principio di base della progettazione prestazionale moderna. L’agibilità dovrebbe essere garantita verificando uno stato limite di esercizio indotto da un sisma appunto lieve e frequente. Per esempio, l’Eurocodice 8 dichiara il “requisito della limitazione del danno” (CEN 2004, par. 2.1) e suggerisce limiti per la deformazione come criterio di conformità (CEN 2004, par. 2.2.3). Tali limiti sono espressi come valori di soglia dello spostamento relativo tra due piani adiacenti, e differenziati a seconda che gli elementi non strutturali siano fragili ed aderenti alla struttura oppure duttili oppure sconnessi dalla struttura (CEN 2004, par. 4.4.3). E’ notevole che, nel calcolo degli spostamenti da verificare, gli elementi di muratura non strutturale debbano essere modellati solo quando l’intelaiatura ha duttilità alta ed i muri suddetti sono disposti con irregolarità grave (CEN 2004, par. 4.3.6.1–3). Altrimenti, è lecito effettuare la verifica con gli spostamenti del telaio nudo. Nonostante la grande rigidezza della muratura non strutturale, se ne trascura l’effetto sulla domanda sismica; in maniera fittizia, si riduce piuttosto la capacità espressa dai valori di soglia dello spostamento. Le norme italiane hanno il medesimo approccio, tanto da chiamare esplicitamente “verifiche degli elementi strutturali in termini di contenimento del danno agli elementi non strutturali” (DM 2008, par. 7.3.7.2). A confermare che i limiti posti agli spostamenti del telaio nudo sono artificiosi, nella parte sugli edifici esistenti di calcestruzzo armato (CA) le istruzioni indicano che, allorquando “la presenza della tamponatura sia considerata nel modello”, i limiti devono essere opportunamente ridotti e sono validi quelli assegnati agli edifici di muratura (CM 2009, tabella C8.3).
In precedenza, la fondatezza di tale approccio è stata esaminata in termini di fragilità sismica (Colangelo 2013). Diverse curve di fragilità delle tamponature secondo l’analisi del telaio nudo e con il valore di soglia prescritto dalle norme per lo spostamento, sono state paragonate a curve secondo l’analisi del telaio tamponato e con la capacità di spostamento aleatoria ed affetta da imprecisione cognitiva. Sono emerse differenze non trascurabili tra le curve compatibili con le norme e quelle ritenute più realistiche. Il risultato spinge ad affrontare il problema alla radice, ossia analizzando se esiste una correlazione statistica significativa tra gli spostamenti relativi dei piani di un telaio nudo e gli spostamenti del medesimo telaio tamponato. In caso negativo, gli sforzi per prevedere gli spostamenti del telaio tamponato sulla base dell’analisi del telaio nudo sarebbero poco razionali. Al fine di cogliere ogni eventuale correlazione, s’impiegano i metodi della statistica per più variabili, in un’analisi globale di tutti i piani dei telai nudo e tamponato. In particolare, si applica il metodo della correlazione canonica. I campioni statistici sono i picchi degli spostamenti relativi dei piani calcolati con numerose analisi sismiche time-history di telai progettati secondo gli Eurocodici.

2 STRUTTURE ANALIZZATE
Si considerano edifici residenziali ordinari e regolari, con intelaiatura di CA. Le tamponature sono di muratura non strutturale e non armata, di mattoni forati e malta. Tra i limiti dello studio, non si considerano le aperture delle tamponature, né l’azione sismica perpendicolare né la torsione accidentale della costruzione. Pertanto, si analizza un singolo telaio piano. Lo schema è illustrato in Fig. 1. Si tratta dei medesimi telai con 4 e 8 piani di cui si sono costruite le curve di fragilità nello studio precedente (Colangelo 2013). Si rimanda al lavoro citato per le informazioni dettagliate sulle caratteristiche dei telai e sul loro progetto.

Figura 1. Schemi dei telai analizzati.

I telai analizzati differiscono per tre parametri:
1. il numero dei piani, 4 e 8 (Fig. 1);
2. la classe di duttilità, media (CD “M”) ed alta (CD “H”);
3. il suolo di fondazione, roccioso (suolo A) e coesivo (suolo D).

Riguardo al suolo roccioso, l’accelerazione di picco del suolo (PGA) vale 0.25 g per il progetto in condizioni ultime. La PGA per la verifica del danno in esercizio si ottiene applicando il fattore di riduzione 0.5 (CEN 2004). Quindi, la PGA per la verifica del danno è 0.125 g per il suolo A, da moltiplicare per 1.35 nel caso del suolo D.
I telai sono progettati come nudi, in quanto le tamponature non compromettono la regolarità e sono omesse, come consentono le norme. Invece, per correlare gli spostamenti si analizzano i telai anche tamponati, ed in due configurazioni. Nella prima sono presenti tramezzi interni spessi 8 cm; nella seconda sono presenti tamponature esterne costituite da due pannelli assimilabili ai tramezzi, separati da coibente. Quindi, rispetto alla prima configurazione la rigidezza e la resistenza sono doppie, mentre la capacità di spostamento rimane invariata. Riguardo alle proprietà della muratura, i moduli di taglio e normale sono rispettivamente 1.1 e 2.0 GPa; le resistenze al taglio ed alla compressione sono nell’ordine 1.0 e 5.0 MPa. Si tratta di valori coerenti con misure sperimentali su tamponature italiane usuali (Colangelo 2005). Nel complesso, considerando le configurazioni si analizzano 24 telai.

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