La diagnostica delle strutture in muratura nella Circolare 7/2019: come impostare un efficace piano di indagine

Alcune considerazioni sull’impostazione di un efficace e coerente piano di indagine 

Un tema molto rilevante e significativo a livello sociale è in tempi recenti quello collegato alla gestione del patrimonio costruito e della sua sicurezza strutturale, non solo in condizioni operative ordinarie, ma anche in occasione di eventi di natura ambientale. Tale domanda è ancora più sentita in quelle numerose aree del nostro paese, laddove alta è la concentrazione di costruzioni in muratura. Come è facile intuire, si tratta di uno dei materiali da costruzione assai diffusi nel passato, anche remoto, sul quale l’attenzione della comunità tecnico-scientifica è stata sempre alta, in particolare nei casi in cui trattasi di tutela e conservazione di edifici appartenenti a complessi architettonici o centri storici di rilevanza storica e culturale. 

Tuttavia, è opportuno osservare che, al di là delle costruzioni tutelate, il patrimonio edilizio, stando ai dati ISTAT relativi agli edifici con destinazione residenziale è composto per circa il sessanta per cento (57,2%) da costruzioni in muratura e da prestazioni strutturali spesso non pienamente compatibili con la pericolosità sismica delle aree in cui essi sono collocati (Cattari et al, 2015). 

L'importanza della conoscenza delle strutture per procedere a idonei interventi di prevenzione e protezione sismica

È cresciuto, quindi, il bisogno di delineare efficaci e affidabili procedure capaci di condurre ad una conoscenza degli organismi strutturali tale da garantire un’adeguata analisi del loro comportamento per l’attuazione di efficaci misure di prevenzione e protezione sismica. La comunità tecnica e scientifica italiana ha supportato il forte impegno degli organi ministeriali di settore nella revisione e nell’analisi critica delle numerose esperienze condotte negli ultimi anni nell’ambito dei programmi nazionali di analisi della vulnerabilità sismica degli edifici e delle infrastrutture critiche, compresi i beni storici e architettonici. 

Tali sforzi sono confluiti nella recente revisione delle norme tecniche per le costruzioni (NTC2018) corredate dalla Circolare esplicativa -2019. La definizione di analisi numeriche che siano quanto più vicine al reale comportamento strutturale, rappresenta un compito complesso per il progettista, a causa delle numerose incertezze riguardanti le proprietà meccaniche dei materiali, gli schemi strutturali unici, i dettagli costruttivi (Formisano et al, 2015). Data la molteplicità delle problematiche da trattare nello studio degli edifici esistenti in muratura, ai fini di una corretta modellazione strutturale (scala spaziale, schema strutturale e tipo di analisi) appare chiaro come non sia possibile definire una linea comune, in tal senso, obiettivo primario della norma è quello di dare all’operatore gli strumenti necessari ai fini di una corretta analisi del sistema strutturale e del suo stato di sollecitazione. 

Focalizzando l’attenzione nel contesto della valutazione della sicurezza sismica degli edifici esistenti, uno dei temi più importanti, alla luce delle integrazioni fornite all’interno delle revisioni del nuovo testo normativo, riguarda il capitolo 8 relativo agli Edifici esistenti che, sulla base del contenuto delle precedenti norme tecniche (D.M. 16/01/1996 Cap.9, D.M. 14/09/2005 Cap.9, D.M. 14/01/2008 Cap.8 ), introduce agli operatori del settore alcune importanti indicazioni in merito al processo di valutazione della vulnerabilità e nella classificazione degli interventi, inglobando concetti che prima erano espressi nelle Appendici della Circolare Ministeriale n° 607/2009.

La predisposizione di una campagna di indagini: alcune considerazioni di partenza

La predisposizione di una campagna di indagini si inserisce nel processo di conoscenza della consistenza strutturale dell’edificio come utile strumento di verifica delle ipotesi interpretative svolte durante l’analisi storico-archivistica e di rilievo.

Nelle costruzioni esistenti in muratura, siano esse di carattere storico o di uso tradizionale, la risposta strutturale risulta essere fortemente condizionata dall’evoluzione che la fabbrica stessa ha subito nel corso degli anni (perdita di efficienza delle caratteristiche meccaniche dei materiali, danno e degrado cumulato, dissesti strutturali).
Per tale motivo l’obiettivo di una campagna di indagini, spesso inserita in un contesto valutativo prevalentemente quantitativo delle proprietà meccaniche della fabbrica, viene marcatamente riconsiderato in un percorso più ampio di acquisizione della conoscenza, mediante un lavoro di comparazione ed integrazione dei risultati ottenuti dai diversi filoni di indagine (analisi storica, rilievo geometrico costruttivo). Questo concetto viene chiaramente espresso nel paragrafo C8.5, dove si sottolinea come:

le fasi della conoscenza e dell’analisi non sono sequenziali, ma strettamente connesse. Il piano di indagine, ad esempio, può essere efficacemente indirizzato, in relazione sia alla tipologia delle prove, sia alla loro localizzazione, da un’analisi basata su dati preliminari relativi alle caratteristiche geometriche, costruttive e dei materiali.” 

Pertanto la campagna di indagini diagnostiche deve essere intesa come strumento complementare di questi ultimi, ed essere sviluppata sulla base dei risultati conseguiti nella fase del processo di conoscenza già svolta, in fasi di successivo approfondimento in cui l’estensione della campagna di prove è proporzionale alla sostenibilità della tipologia di prova proposta.

Nel seguito, vengono proposte alcune riflessioni sul tema, muovendo dall’esperienza degli autori nel settore. L’attenzione è in particolare rivolta al tema dello sviluppo del processo di conoscenza integrato con le procedure di valutazione della sicurezza e delle prestazioni sismiche. Allo scopo di rendere più facilmente fruibile e più chiaro il contributo, si proporrà il riferimento a un caso esemplare di indagine diagnostica impostato in maniera coerente con le indicazioni contenute nella Circolare Esplicativa delle NTC2018.

Come impostare un percorso di indagine sostenibile ed efficace

Scopo della fase conoscitiva, secondo le linee definite all’interno della Circolare Esplicativa delle NTC2018, è raggiungere un’adeguata comprensione della fabbrica analizzata, presupposto fondamentale per sviluppare una valutazione delle vulnerabilità presenti nei confronti dei meccanismi di collasso locali e globali. Nell’approccio proposto, la conoscenza viene quantificata secondo modelli interpretativi che arrivano a determinare il livello raggiunto, definito come Livello di Conoscenza (LC), e secondo il fattore di confidenza (FC), si va a premiare la modellazione che può far conto su una padronanza più accurata della struttura. 

In tal senso importante novità introdotta nella nuova Circolare esplicativa 2019 al paragrafo C8.5.4, precisa, nel caso in cui si determini un livello di conoscenza LC3, la possibilità di aggiornamento dei valori di resistenza e dei moduli elastici riportati in Tabella C8.5.I, sulla base dei risultati delle misure eseguite in sito.

La Circolare 2019 riporta quanto segue:
Considerato il generico parametro X, una stima dei parametri μ’ e σ’ della distribuzione a-priori può essere dedotta dai valori minimo e massimo in tabella, con le formule seguenti: 

μ' =  1/2 (xmin+Xmax)  (C8.5.4.1)

ϑ' =  1/2 (xmin-Xmax)          (C8.5.4.2)

Eseguito un numero n di prove dirette, l’aggiornamento del valore medio può essere effettuato come segue:

μ''= (n+kμ')/(n+k)           (C8.5.4.3)

dove X è la media delle n prove dirette e k è un coefficiente che tiene conto del rapporto tra la dispersione (varianza) della stima effettuata attraverso le prove (combinazione tra incertezza della misurazione sperimentale e dispersione dei parametri meccanici nell’ambito dell’edificio che si sta analizzando) e la varianza σ’2 della distribuzione a-priori.

Nel determinare la stima aggiornata del valore medio del parametro meccanico, il coefficiente k rappresenta il peso relativo della distribuzione a-priori (associata ai parametri della tabella C.8.5.I) rispetto alle prove sperimentali.”

È evidente, nell’equazione C8.5.4.3 come, al crescere del numero di prove, il peso attribuito alla misura sperimentale cresce, dato che anche in presenza di un’elevata dispersione del parametro nell’edificio la stima del suo valore medio risulta più attendibile. Per la determinazione del coefficiente k la Circolare, sottolinea come l’incertezza legata al metodo di misura sperimentale non si riduce aumentando il numero di prove. 

In quest’ottica, nell’affrontare le questioni inerenti alle strategie di messa a punto dei piani di indagini e le tipologie di prove da effettuare, l’operatore è quindi chiamato ad un’operazione di sintesi, necessarie ai fini di una adeguata conoscenza qualitativa dell’apparato strutturale, ad un giudizio quantitativo delle proprietà meccaniche dei materiali. 

L’unicità del costruito esistente in muratura, insieme alla grande varietà di materiale e tecniche costruttive impiegate, pone la definizione dei parametri meccanici, pur costituendo un valido aiuto nella fase di modellazione e di analisi critica dei valori di riferimento riportati nella tabella C8.5.I delle NTC2018, di relativa importanza rispetto alla conoscenza dei dettagli costruttivi e dello schema di fabbrica del manufatto, oltre che di limitata sostenibilità (pratica, economica e di invasività). Basti considerare come ad esempio, nelle fabbriche architettoniche più articolate, composte da strutture murarie realizzate con diverse tecnologie e tipologie murarie, un’indagine estesa (ai fine di una caratterizzazione delle proprietà meccaniche) richiederebbe l’applicazione sistematica di prove dirette (in situ o in laboratorio) su ogni tipologia individuata. Tuttavia, come avviene più in generale per molte prove distruttive o debolmente distruttive, condotte in situ, l’elaborazione dei risultati può risultare fortemente influenzata dal tipo di muratura, dalla scelta della posizione in cui eseguire la prova, dalla presenza di tessiture murarie caratterizzate da marcate discontinuità, spesso alla base di deformazioni o fessurazioni che durante l’esecuzione della prova possono pregiudicare l’acquisizione dei dati (RILEM MDT. D.5, 2004).

Schema della prova di compressione con martinetto piatto doppio

Figura 1 – Schema della prova di compressione con martinetto piatto doppio 

Per capire meglio tale aspetto possiamo considerare ad esempio l’utilizzo di prove con martinetto piatto doppio (Figura 1), dove si possono presentare difficoltà o impedimenti all’applicazione corretta della prova, a causa per esempio della mancanza di contrasto all’azione dei martinetti, per insufficienza dello stato di sforzo agente nella muratura al di sopra del punto di prova, con l’insorgere di fessure nella muratura al di sopra del punto di applicazione del martinetto (Figura 2). Tale aspetto viene evidenziato anche all’interno della nuova Circolare 2019 nelle indicazioni alla tabella C.8.5.III, dove riporta: “tale prova consente di ottenere una misura del modulo elastico E della muratura, molto più raramente di misurare direttamente la resistenza a compressione.

Prova con martinetto piatto doppio: rottura della muratura ai limiti del taglio

Figura 2- Prova con martinetto piatto doppio: rottura della muratura ai limiti del taglio

In considerazione della sostenibilità tra livello di informazioni desunte ed impatto della prova sulla costruzione, possiamo esaminare vantaggi e criticità della prova in situ di compressione diagonale (Figura 3) per la caratterizzazione della resistenza della muratura (ASTM E 519-02, 2002). Dall’analisi ed interpretazione dei dati presenti in letteratura (Brignola et al 2008), si evince come tale tipologia di prova garantisca, con una buona affidabilità, la possibile determinazione dei parametri di resistenza e deformabilità delle tipologie murarie investigate. Aspetti critici sono legati all’esecuzione della prova in termini di sicurezza della struttura, con la necessita di veri e provi lavori edili di preparazione e ripristino, e dal punto di vista dell’invasività della prova, dovendo considerare la necessita di operare 3 tagli nella muratura per l’isolamento di un pannello quadrato di dimensione 120 x 120 cm e di spessore s mediamente variabile tra 25 e 50 cm. 

 Schema della prova di compressione diagonale

Figura 3 – Schema della prova di compressione diagonale 

In questo quadro cosi delineato, diviene essenziale assumere alcuni criteri guida a priori, dettati dalla specificità dell’oggetto esaminato, non soltanto rispetto ad un edificio di pregio storico-architettonico, ma anche di fronte a strutture ordinarie come quelle presenti all’interno dell’aggregato urbano dei nostri centri storici.

L’approccio metodologico alla definizione del piano di indagine, proposto nelle NTC2018 e nella Circolare esplicativa, assume una prospettiva opposta a quella generalmente adottata nella diagnosi delle strutture, ovvero non si propongono prima le tecniche di indagine più efficaci per ottenere un dato fattore di conoscenza (FC), verificandone solo in un secondo momento la fattibilità rispetto al caso studio specifico. Si richiede invece al tecnico, di operare sulla base di tutti gli elementi già acquisiti, alla sintesi delle caratteristiche degli elementi strutturali presenti, individuando in itinere, e nel rispetto della specificità della fabbrica oggetto di studio, le prove che possono essere utili a perseguire tale percorso. Da qui la scelta, di elaborare una prima fase del piano di indagine, essenzialmente costituita da indagini di tipo non distruttivo (NDT), di rapida esecuzione, ed utilizzate principalmente come strumento di conferma di alcune ipotesi già rilevate grazie all’indagine visiva e a quella archivistica-bibliografica (Figura 4). 

Ricerca documentale: a) cronologica documenti; b) planimetrica catastale; c) computo metrico.

Figura 4 – Ricerca documentale: a) cronologica documenti; b) planimetrica catastale; c) computo metrico.

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