Simulazione a macro-elementi discreti di edifici murari rinforzati con cerchiature in acciaio delle aperture

Le cerchiature metalliche sono spesso adottate per la realizzazione di nuove aperture in edifici esistenti in muratura. Tuttavia, se poste al perimetro di vani porta e finestra possono essere una valida strategia di rinforzo a basso impatto. Per dimostrare l’efficacia di tale strategia di rinforzo, viene adottato un approccio di modellazione agevole a Macro-Elementi Discreti (DMEM), capace di cogliere l’effetto confinante delle cerchiature sui maschi murari adiacenti e sulle fasce di piano determinando un incremento di resistenza e di capacità di spostamento.


Come migliorare sismicamente strutture in muratura: problematiche e possibili soluzioni

L’intervento di miglioramento sismico delle strutture in muratura esistenti è spesso limitato dall’invasività delle tecniche applicabili. Alcune tecniche di intervento tradizionali vengono spesso destinate ad interventi locali, trascurandone l’influenza sul comportamento globale della struttura.

Interventi efficienti dal punto di vista economico e nella limitazione dei disservizi rientrano tra le tecniche a basso impatto e, ove possibile, sono da preferire anche in ottica di ottimizzazione degli investimenti. Queste strategie garantiscono infatti una contenuta interferenza con le attività cui la struttura è destinata poiché riducono le temporanee inattività dell’edificio durante le fasi di lavoro.

Le tecniche a basso impatto sono generalmente caratterizzate da bassa invasività, rapidità nella messa in opera e costi contenuti. Questi vantaggi sono accompagnati anche da una significativa riduzione della vulnerabilità sismica grazie ad una progettazione mirata che tende a evitare l’insorgere di specifici meccanismi di danneggiamento, intervenendo sulla possibilità di limitarne l'attivazione o aumentandone la resistenza e la duttilità.

Di recente, molti gruppi di ricerca sono stati coinvolti nella definizione di nuove strategie a basso impatto per il rinforzo sismico di edifici esistenti in particolare si segnala la linea WP5 del progetto ReLUIS 2019-2021, in cui si inquadra questa ricerca, finanziato dalla protezione civile e coordinato dai proff Andrea Prota e Francesca da Porto dal titolo ‘Interventi di rapida esecuzione a basso impatto ed integrati’. Nell’ambito della linea WP5 la ricerca è stata condotta dal gruppo di lavoro dell’unità dell’Università di Catania coordinato dal prof Ivo Caliò.

Un ampio spettro di strategie di rinforzo è stato proposto negli ultimi decenni con riferimento agli edifici esistenti in muratura. Una di queste, che però ha ricevuto una limitata attenzione, si basa sull’applicazione di telai in acciaio lungo il perimetro delle aperture. Tradizionalmente questa tecnica è stata impiegata per ripristinare la rigidezza e la resistenza nel piano di pareti murarie nelle quali si dovevano praticare nuove aperture o per sostituire intere pareti in muratura ripristinandone rigidezza e resistenza orizzontale. In entrambe queste situazioni si tende a classificare l’intervento come ‘locale’.

Le indicazioni normative hanno in passato omesso di indicare dei criteri di progettazione adeguati e comprovati (NTC 2008) per gli interventi locali, e solo con l’introduzione delle nuove Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC 2018) sono fornite indicazioni generali per la classificazione degli interventi come locale esplicitando gli scopi che tale intervento deve avere:

  • Ripristino delle caratteristiche iniziali di elementi o parti di elementi danneggiate;
  • Il miglioramento della resistenza e/o della duttilità di parti della struttura;
  • Impedimento della formazione di meccanismi locali;
  • Modifica di un elemento o di una parte limitata di struttura.

Tali indicazioni risultano tuttavia non consentono di individuare criteri di progettazione oggettivi; a questo proposito, il Coordinamento Regionale Prevenzione Sismica della Regione Toscana nel 2009 ha emanato il documento “Orientamenti interpretativi in merito a interventi locali o di riparazione di edifici esistenti”, che indica dei criteri chiari per la verifica di cerchiature metalliche in strutture murarie in cui viene aperto un vano. In particolare, oltre ad essere date indicazioni sulla porzione di struttura da modellare (va modellata per intero la parete nella quale l’apertura viene creata, da cielo a terra), vengono individuati dei criteri per considerare l’intervento efficace:

  • La parete non deve variare la propria rigidezza in eccesso o in difetto di più del 15% rispetto alla condizione ante intervento;
  • La resistenza non deve essere inferiore a quella relativa alla condizione ante intervento;
  • La capacità di spostamento non deve essere inferiore a quella relativa alla condizione ante intervento.

Appare pertanto chiaro come l’obiettivo in tutti questi casi non sia quello di ridurre la vulnerabilità sismica dell’edificio, bensì quello di non alterare il comportamento globale dell’organismo strutturale. Recenti studi mostrano invece come l’uso di questo intervento su aperture già esistenti, generalmente poste nelle porzioni perimetrali di un edificio per limitarne l’invasività, sia in grado di mitigarne la vulnerabilità con un basso impatto economico e cantieristico.

La strategia di rinforzo è stata recentemente impiegata per la riqualificazione strutturale di un edificio scolastico in muratura secondo un progetto strutturale basato su una combinazione sinergica data dall’applicazione sulle pareti di FRCM a base di fibra di vetro e telai dissipativi in acciaio sul perimetro delle aperture dei prospetti (Progetto DPC-ReLUIS 2019-2021WP5: Interventi di rapida esecuzione a basso impatto ed integrati Caso Studio: SCUOLA IPSIA Vittoria (RG)).

In ambito accademico, alcuni ricercatori hanno proposto metodi di progettazione ed eseguito simulazioni non lineari per l’inserimento di telai in acciaio in corrispondenza di aperture presenti nelle pareti portanti in muratura, anche valutando l’influenza delle caratteristiche della sezione adottata, della posizione dell’apertura all’interno della parete e della qualità delle connessioni del telaio con la muratura esistente. Tuttavia, molti di questi studi sono basati su approcci a telaio equivalente, senza modellare la complessa interazione tra la muratura e il telaio che può influenzare il meccanismo di collasso del sistema combinato e conferire un’azione di confinamento aggiuntiva a maschi murari e fasce di piano.

L’applicabilità di telai in acciaio lungo il perimetro di aperture esistenti risulta particolarmente vantaggiosa se inquadrata come intervento rapido ed efficace che può essere effettuato anche in concomitanza con la sostituzione, allo scopo di efficientamento energetico, degli infissi. La progettazione esecutiva deve garantire una buona aderenza lungo il contatto tra telaio in acciaio e muratura esistente, che può essere affidata a connettori opportunamente dimensionati e malte di ripristino.

La modellazione numerica di questa strategia di rinforzo deve essere capace di cogliere l’accoppiamento nonlineare tra telaio e muratura, aspetto tutt’altro che semplice da simulare. Modelli rigorosi agli elementi finiti nonlineari basati sulla spazialità degli elementi, nonostante siano affidabili e capaci di cogliere come la presenza di un telaio in acciaio lungo il perimetro di un’apertura orienti il meccanismo di collasso e comporti variazioni significative della capacità di spostamento della struttura, consentono di gestire l’analisi numerica di prototipi a scala ridotta, o comunque non possono essere facilmente applicati alla scala dell’edificio a causa del costo computazionale che richiedono.

Altre tecniche di modellazione, quali quelle a Macro-Elementi Discreti (DMEM), sono un ottimo compromesso tra la necessaria affidabilità delle analisi numeriche e la possibilità di adottare un modello di calcolo utilizzabile nella pratica professionale per la valutazione dell’efficacia di strategie di rinforzo su edifici esistenti in muratura.

Tale modello di calcolo è stato proposto e sviluppato presso l’Università di Catania, e successivamente implementato nel software di calcolo 3DMacro. L’elemento di base è uno schema meccanico bi-dimensionale che ha provato di essere efficace anche per la simulazione del comportamento nonlineare di strutture miste muratura-calcestruzzo armato. Il DMEM consente infatti di cogliere l’interazione continua tra elementi murari e travi e pilastri, e quindi può essere applicato ad edifici in muratura semplice rinforzati con telai in acciaio lungo il perimetro delle aperture. 

Nei successivi paragrafi la strategia di rinforzo proposta viene presentata in diverse applicazioni alla scala dell’edificio sia con riferimento ad una parete, oggetto di studio nella ricerca sugli edifici in muratura, che ad un edificio tridimensionale rappresentativo di una reale applicazione. In particolare, viene studiata la parete di via Martoglio, benchmark su cui sono stati svolti numerosi studi, per il quale viene valutato il comportamento a seguito della cerchiatura delle aperture come possibile strategia di rinforzo a basso impatto. La stessa strategia viene valutata come applicazione diffusa su un edificio scolastico (Ipsia di Vittoria (RG)) anch’esso individuato come caso di studio nell’ambito della linea di ricerca WP5 Reluis precedentemente citata. 

Entrambi i casi mostrano come l’uso di profili metallici, anche di dimensioni ridotte, nel confinamento di vani esistenti possa essere una strategia di miglioramento sismico, integrabile con altri sistemi di rinforzo e agevolmente modellabile con approcci di tipo DMEM.

 

Il Modello a Macro-Elementi Discreti (DMEM)

Il DMEM è una strategia di modellazione basata su un semplice schema meccanico, originariamente proposto per la simulazione del comportamento nonlineare nel piano di pareti murarie. Il modello rientra nella categoria dei cosiddetti approcci semplificati poiché basato su un elemento discreto utilizzabile alla macro-scala e caratterizzato da un costo computazionale molto contenuto.

Diversamente dai modelli a telaio equivalente, il DMEM è basato su uno schema bi-dimensionale che consente di implementare modelli coerenti con la geometria reale della struttura, e di simulare i principali meccanismi di collasso nel piano di un pannello murario soggetto a un carico verticale e ad azioni orizzontali (presso-flessione, taglio per fessurazione diagonale e taglio per scorrimento), Figura 1. Un vantaggio legato alla bidimensionalità dell’elemento consiste nella possibilità di riprodurre con accuratezza la geometria della struttura reale, anche in presenza di una distribuzione irregolare delle aperture, senza ricorrere a semplificazioni.

 

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 IMMAGINE 1: Principali meccanismi di collasso nel piano di pannelli murari (in alto) e la loro simulazione con macro-elementi (in basso): (a,d) presso-flessione, (b,e) taglio per fessurazione diagonale e (c,f) taglio per scorrimento.

 


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