Vulnerabilità sismica e retrofit integrato sismico-energetico di aggregati edilizi in muratura

Lo studio della vulnerabilità sismica di edifici in muratura in configurazione aggregata è una tematica tanto complessa quanto interessante ed attuale nell’ambito dell’Ingegneria Strutturale.

Il presente contributo affronta lo studio della valutazione sismica di un aggregato in muratura, situato in un piccolo comune in provincia di Benevento, attraverso l’esecuzione di analisi statiche non lineari.

Sulla base dei risultati ottenuti dalle analisi eseguite sul complesso edilizio esaminato, viene proposto un progetto di retrofit mediante l’impiego di un sistema integrato sismico – energetico con esoscheletri costituiti da profili estrusi in lega di alluminio e pannelli sandwich isolanti.

I risultati delle analisi nella condizione post-intervento hanno mostrato un incremento delle performance sismiche dell’aggregato edilizio, che consentono di ritenere il sistema proposto una valida soluzione alternativa alle classiche tecniche di consolidamento strutturale per edifici esistenti in muratura.

Gli edifici in muratura in aggregato e le loro peculiarità

Gli edifici in muratura in configurazione aggregata rappresentano un’elevata percentuale del patrimonio edilizio esistente e, in particolar modo, dei centri storici. Il loro tessuto urbano è infatti contraddistinto da una serie di fabbricati contigui, più o meno efficacemente connessi, configurati in maniera tale da costituire delle cortine edilizie.

Tali costruzioni, generalmente risalenti all’epoca medievale, sono il risultato di molteplici operazioni di espansione e sopraelevazione che si sono susseguite nel corso dei secoli senza un preciso progetto, in maniera del tutto disordinata, per fare fronte alle esigente abitative del periodo.

Dal momento che i diversi edifici sono stati realizzati in epoche differenti, essi risultano tipologicamente differenti per materiali impiegati, di tipo diverso in funzione della disponibilità delle materie prime nelle vicinanze dei differenti siti di edificazione, per tecniche di costruzione e per organizzazione plano – altimetrica.

Una delle caratteristiche peculiari degli aggregati edilizi è proprio lo sfalsamento dei livelli degli impalcati fra cellule edilizie contigue che, unitamente a problematiche di scarso o inadeguato ammorsamento tra le cellule stesse, può causare l’innesco di meccanismi locali di collasso, quali, ad esempio, i cinematismi di ribaltamento o di flessione (verticale e/o orizzontale) delle pareti.

Il posizionamento in pianta delle diverse unità strutturali determina, al contrario, complessi edilizi di diversa forma (ad es. in linea o a corte) che, a sua volta, può essere aperta su un fronte o chiusa e, dunque, circondata da edifici su tutti e quattro i lati.

La ricerca sui centri storici e sugli edifici in muratura in aggregato è da sempre un tema di notevole interesse ed attualità alla luce delle gravi conseguenze economici e sociali che si sono manifestate a seguito dei terremoti che nei decenni passati hanno colpito la nostra Penisola (Marche ed Umbria 1997, L’Aquila 2009, Emilia – Romagna 2012, Centro Italia 2016 e Ischia 2017) [1 – 6].

Lo studio deve riguardare sia la valutazione delle condizioni attuali degli edifici che, molto spesso, si trovano in avanzato stato di degrado a causa di una mancata o limitata manutenzione, sia la definizione di interventi di consolidamento necessari al miglioramento del comportamento sismico. Infatti, gran parte degli edifici esistenti, essendo stati progettati tenendo conto dei soli carichi verticali, non risulta in grado di sopportare le azioni sismiche [7, 8].

Ultimo aspetto su cui focalizzare l’attenzione è l’estensione dell’intervento di rinforzo. A tal proposito, è importante sottolineare che, poiché le unità strutturali al loro interno sono suddivise in molteplici unità immobiliari aventi differenti proprietari, non è sempre possibile intervenire su tutti gli edifici ma, talvolta, potrebbe essere necessario dover consolidare solo alcune cellule dell’aggregato.

Da queste premesse scaturisce il presente lavoro, che si fissa come obiettivo quello di indagare sul comportamento sismico di un aggregato edilizio in muratura e di proporre una soluzione integrata per il retrofit sia sismico che energetico di una porzione limitata del complesso edilizio.

L’aggregato in muratura oggetto di studio

L’aggregato edilizio selezionato ai fini dello studio di vulnerabilità è situato nel centro storico di Castelpoto (Figura 1), un piccolo comune in provincia di Benevento.

La città sorge nella valle del fiume Calore, che ha contribuito a rendere i suoli estremamente fertili nel corso del decenni. Il centro di Castelpoto è stato oggetto nei secoli passati di vari episodi sismici, anche abbastanza intensi, che hanno causato lo spopolamento ed il conseguente abbandono di molti edifici che oggi necessitano di importanti interventi di consolidamento per poter essere nuovamente abitati.

L’aggregato è suddiviso in sette unità strutturali (US) (Figura 2a) che danno vita ad una configurazione definibile pressoché “in linea”. Il complesso di edifici è innestato sul fianco di una collina e, per tale motivo, le costruzioni si trovano a quote altimetriche differenti (Figura 2b).

Le sette unità costituenti l’aggregato si distinguono per differenti materiali, strutture verticali e strutture orizzontali. Tutte le unità, ad eccezione della nr. 7 (US7), si articolano in due livelli fuori terra. Esse sono contraddistinte dalle seguenti peculiarità geometriche e strutturali:

• L’unità strutturale nr. 1 (US1) è costituita da murature verticali realizzate con pietra irregolare di spessore compreso tra 50 e 55 cm. Gli orizzontamenti sono realizzati con travi in legno sormontati da un tavolato. La copertura presenta una falda unica.
  
• L’unità strutturale nr. 2 (US2) è caratterizzata da murature verticali realizzate con pietra arenaria di tipo irregolare con spessori di circa 50 cm. I solai intermedi sono del tipo a putrelle e voltine. La copertura ha una configurazione a doppia falda in legno.
  
• L’unità strutturale nr. 3 (US3), con forma planimetrica quadrata, ha strutture verticali in muratura di pietra irregolare con spessori fino a 60 cm e solai intermedi in legno. Anche per tale cellula strutturale la copertura presenta una doppia falda.
  
• L’unità strutturale nr. 4 (US4) presenta murature perimetrali realizzate con pietra irregolare e partizioni interne, realizzate in un periodo successivo, in mattoni pieni. Gli orizzontamenti intermedi sono sia del tipo a putrelle e voltine che in legno.
  
• L’unità strutturale nr. 5 (US5) è costituita da muratura di arenaria con blocchi di forma irregolare. Si rinvengono anche murature di blocchi di arenaria regolare, realizzate negli anni passati dopo gli eventi sismici occorsi. I solai intermedi sono costituiti da profilati in acciaio e voltine in muratura.
  
• L’unità strutturale nr. 6 (US6) risulta composta da muratura irregolare e solai in legno.
  
• L’unità strutturale nr. 7 (US7), che si erge su un solo livello fuori terra, presenta muratura di tipo irregolare in pietra di arenaria. L’edificio non ha orizzontamenti intermedi e la copertura risulta crollata.
  In assenza di prove sui materiali, è stato considerato un livello di conoscenza limitato (LC1), a cui corrisponde un fattore di confidenza pari a 1,35. Pertanto, ai fini dei calcoli, sono stati assunti i valori minimi per le resistenze e quelli medi per i moduli elastici (Tabella 1) [9, 10].

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Analisi sismica meccanica dell’aggregato edilizio

Ai fini dell’analisi del caso studio nel suo stato di fatto, è stato creato un modello a macroelementi dell’aggregato in ambiente 3Muri, software di calcolo prodotto dall’azienda S.T.A.DATA (Figura 2) [11]

Una volta costruito il modello, prodotto a partire dall’importazione di un file dxf, ne è stato studiato il comportamento sismico conducendo delle analisi statiche di tipo non lineare. Esse restituiscono le curve di capacità (taglio alla base – spostamento), tracciate monitorando lo spostamento di un nodo di controllo di sommità della struttura. In accordo alla normativa tecnica italiana, le pushover sono state eseguite considerando una distribuzione proporzionale alle forze statiche (Gruppo 1) e una distribuzione di forze desunta da un andamento uniforme di accelerazioni lungo l’altezza della costruzione (Gruppo 2) [9, 10].

Esaminando i risultati in termini di α_SLV, inteso come rapporto tra l’accelerazione di picco al suolo di capacità e quella di domanda allo Stato Limite di Salvaguardia della Vita (SLV), le analisi mettono in luce il comportamento sismico deficitario dell’intero aggregato edilizio in entrambe le direzioni di analisi (Tabella 2).

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