Comportamento degli edifici in muratura nella sequenza sismica del 2012 in Emilia

Behaviour of masonry buildings in the seismic sequence of 2012 in Emilia

Stefano Bracchi¹, Francesca da Porto², Alessandro Galasco³, Francesco Graziotti¹, Domenico Liberatore⁴, Laura Liberatore⁴, Guido Magenes^3,5, Martina Mandirola¹, Carlo Filippo Manzini⁵, Renato Masiani⁴, Paolo Morandi³, Michele Palmieri¹, Andrea Penna^3,5, Annalisa Rosti¹, Maria Rota⁵, Luigi Sorrentino⁴, Marco Tondelli⁵

¹ROSE Programme, UME School, IUSS, Pavia
²Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale, Università degli Studi di Padova
³Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura, Università degli Studi di Pavia
⁴Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica, Sapienza Università di Roma
⁵Centro Europeo di Formazione e Ricerca in Ingegneria Sismica (Eucentre), Pavia

Sommario
La sequenza sismica iniziata il 20 maggio 2012 in Emilia Romagna ha colpito una regione nella quale le strutture in muratura portante rappresentano un’ampia parte del costruito esistente e la costruzione di nuovi edifici in muratura è pratica comune. Questo articolo ha l’obiettivo di presentare una panoramica sul comportamento sismico delle configurazioni architettoniche più comuni, tipiche dell’edilizia residenziale (urbana e rurale) e dei settori agricolo e terziario. La maggior parte degli edifici esistenti in muratura è costruita in mattoni di laterizio. Il comportamento sismico di tali edifici è particolarmente interessante, dal momento che gli eventi sismici principali del passato in Italia hanno colpito aree caratterizzate da edifici in muratura di pietra. Con l’eccezione di alcuni esempi che hanno messo in evidenza carenze strutturali, sistematiche o specifiche, responsabili della vulnerabilità di alcuni edifici, in generale la risposta sismica di queste strutture a scosse ripetute, caratterizzate da PGA dell’ordine di 0.25-0.30 g, è stata piuttosto buona, nonostante la maggior parte di essi sia stata concepita per sopportare i soli carichi verticali. Infatti, la progettazione sismica delle costruzioni è diventata obbligatoria nella zona solo dal 2003. Edifici di limitata altezza in muratura portante moderna, costruiti dopo tale data e progettati quindi secondo criteri antisismici e con adeguati dettagli costruttivi, in molti casi non hanno praticamente riportato danni strutturali. Gli esempi presentati in questo lavoro permettono un confronto tra le prestazioni offerte dagli edifici in muratura moderna, progettati secondo criteri sismici, e quelli più vecchi.

Abstract
The seismic sequence begun in May 2012 affected a region in which masonry buildings constitute a large percentage of the existing building stock and the construction of new masonry buildings is still common practice. The aim of this paper is to describe the seismic response of the most common structural configurations in the area for urban and rural buildings, both for residential, office and agricultural use. Most existing masonry buildings in the area are realised with clay bricks. The seismic behaviour of this type of buildings is particularly interesting as past seismic events in Italy have mainly affected areas in which stone masonry was predominant. With few exceptions of structural deficiencies which were responsible for the increased vulnerability of some buildings, in general the seismic response of these structures to repeated shaking with a PGA of the order of 0.25-0.30 g was quite satisfactory, despite most of them were only designed for vertical loads. Indeed, seismic design rules became mandatory for this region only after 2003. Buildings of limited height, realised with load-bearing modern masonry, which were built after this year following seismic criteria and with adequate construction details in many cases did not present significant structural damage. The examples presented in this paper show that new masonry buildings, designed according to seismic criteria, generally performed much better than older structures.

1. Introduzione
La sequenza sismica iniziata il 20 maggio 2012 nell’Italia settentrionale ha interessato principalmente la parte nord-orientale della regione Emilia colpendo, in particolare, parte delle provincie di Modena, Ferrara e Bologna (in Emilia Romagna), la porzione meridionale della provincia di Mantova (in Lombardia) e alcuni comuni in provincia di Rovigo (in Veneto). La magnitudo dei due eventi principali del 20 e 29 maggio è stata rispettivamente di Mw 6.0 e Mw 5.8.
I terremoti hanno causato un totale di 27 vittime, sia dirette che indirette, ma solo 3 di queste dovute a danni strutturali in edifici residenziali (una durante un sopralluogo ad un edificio danneggiato). Le altre sono state per lo più causate da collassi di edifici industriali prefabbricati. Alcune persone sono decedute a causa di infarti o altre patologie, due persone a causa di danni non strutturali (collasso di un comignolo a Concordia sulla Secchia e caduta di calcinacci nel comune di Cento) e il parroco di Rovereto sulla Secchia ha perso la vita nel collasso della chiesa mentre tentava di salvare un’immagine sacra.
Il territorio colpito risulta piuttosto omogeneo in termini di geografia, sviluppo socio-economico e costruito. La maggior parte dei comuni colpiti si trova sulla pianura padana, subito a sud del Po. Le attività economiche, in generale più sviluppate nelle province di Modena e Mantova, sono legate principalmente ad agricoltura, allevamento, industria tessile e metalmeccanica e turismo, ma includono anche settori di eccellenza nell’industria alimentare e alcuni settori specifici come quello biomedicale a Mirandola. Condizioni confrontabili di accesso alle materie prime e una storia simile hanno contribuito a rendere piuttosto omogenee le caratteristiche del costruito nei diversi comuni. Gli eventi non hanno colpito nessuna grande città, ma diversi comuni di dimensioni medie, tra cui un certo numero di città medio-piccole con una popolazione indicativa di 10000-35000 abitanti. Nonostante l’area di Ferrara fosse stata colpita nel 1570 da un terremoto di magnitudo Mw 5.4 (Guidoboni et al., 2007), che fu anche alla base di alcuni studi pioneristici nel campo della sismologia (ad es. Breventano, 1576) e di una fra le prime proposte di casa resistente al terremoto (Guidoboni, 1987), la conoscenza delle sorgenti sismiche dei fronti sepolti più estremi dell’Appennino settentrionale è tuttora limitata e solo recentemente alcuni lavori (ad es. Toscani et al., 2009) hanno contribuito ad approfondirne il potenziale sismogenetico. Questo giustifica solo in parte il fatto che i comuni colpiti dagli eventi del 2012 siano stati inclusi nella classificazione sismica nazionale solo molto recentemente (OPCM 3274, 2003). Pertanto fino a tempi recenti, le strutture erano costruite senza nessun concetto di progettazione per azioni sismiche e, per gli edifici esistenti, non erano richieste verifiche sismiche.
Come riportato nella Tabella 1 per gli insediamenti per i quali sono stati valutati i dati di intensità macrosismica (Arcoraci et al., 2012), la grande maggioranza degli edifici residenziali è costituita da edifici in muratura, principalmente con un numero limitato di piani (ISTAT, 2001). Da un certo punto di vista, questa può essere considerata una circostanza fortunata, che ha probabilmente controbilanciato l’assenza di un livello di protezione sismica introdotto di proposito. Infatti, anche se concepiti per resistere ai soli carichi verticali, gli edifici in muratura spesso possiedono una riserva aggiuntiva intrinseca di resistenza alle azioni orizzontali (Di Pasquale, 2003), se sono presenti muri diretti secondo almeno due direzioni ortogonali. Questo può non accadere nel caso di altre tipologie strutturali (ad es. strutture intelaiate in c.a. o strutture prefabbricate), qualora “ottimizzate” per una singola condizione di carico (carichi verticali). Ciò è ancora più vero nel caso di muratura in laterizio, in cui in genere è garantito un certo livello di connessione tra muri ortogonali, a contrasto dei meccanismi di collasso fuori piano di intere facciate. L’ampia disponibilità di argilla nella pianura padana ha reso l’uso di muratura in mattoni con malta di calce molto comune da molti secoli, come testimoniato dalla presenza nei siti archeologici di antiche fornaci romane. Per contro, gli edifici in muratura di pietra sono piuttosto rari in questa zona, considerata la litologia della pianura padana (Ortolani, 1953).
Gli eventi sismici più significativi avvenuti in Italia nell’ultimo secolo hanno colpito aree il cui costruito è costituito principalmente da edifici in muratura di pietra. È il caso per esempio dei terremoti avvenuti nelle regioni montane degli Appennini (ad es. i terremoti di Avezzano 1915 Mw 7.0, Mugello 1919 Mw 6.3, Irpinia 1930 Mw 6.6 e 1980 Mw 6.9, Umbria-Marche 1997 Mw 6.0 e L’Aquila 2009 Mw 6.3), sulle Alpi (terremoto del Friuli 1976 Mw 6.4), in Sicilia (terremoto del Belice 1968 Mw 6.3) e sulla costa dello stretto di Messina (terremoto di Messina e della Calabria meridionale 1908, Mw 7.2). Anche per questo motivo, l’analisi del comportamento sismico degli edifici in muratura in mattoni è particolarmente interessante, dal momento che l’osservazione dei danni indotti dal terremoto fornisce in questo caso informazioni preziose e uniche.
Come evidente dai dati riportati in Tabella 1 e in Arcoraci et al. (2012), un altro aspetto interessante del danno causato dalla sequenza sismica del 2012 consiste nel fatto che alcune località sono state colpite principalmente da uno solo dei due eventi principali della sequenza (ovvero l’evento di Mw 6.0 del 20 maggio e quello di Mw 5.8 del 29 maggio), mentre altre, tra cui i centri maggiormente colpiti di Mirandola, Cavezzo, Concordia, Novi e San Felice, hanno subito un accumulo del danno a causa delle scosse ripetute.
Grazie alla collaborazione della sezione Geotecnica Sismica di Eucentre (Bozzoni e Lai, 2012), è stato possibile stimare i valori di accelerazione di picco orizzontale risentiti ai diversi siti. Queste stime risultano senz’altro più affidabili per quanto riguarda l’evento del 29 maggio, a causa della presenza in questo caso di diverse stazioni temporanee aggiuntive che hanno registrato lo scuotimento del terreno. La mappa di scuotimento ottenuta con un’interpolazione di tipo spline dei valori di accelerazione orizzontale di picco registrati è riportata in Figura 1. A causa della scarsità di registrazioni, i dati riportati in Tabella 1 per l’evento del 20 maggio sono stati invece valutati sulla base di leggi di attenuazione del moto sismico (Bozzoni et al., 2012).

Tabella 1 - Intensità macrosismica osservata (da Arcoraci et al., 2012), PGA stimata (Bozzoni e Lai, 2012), percentuali di edifici residenziali in muratura e di edifici costruiti prima del 1945 (ISTAT, 2001) per alcuni dei comuni più colpiti dalla sequenza sismica in Emilia (i valori in grassetto indicano valori di PGA registrati)

Il presente lavoro ha l’obiettivo di presentare una panoramica sul comportamento dell’edilizia “ordinaria” in muratura, cioè quella storica, o semplicemente vecchia, o più recente, costituita da case o palazzi, ampiamente diffusa sia in ambito urbano che rurale, escludendo le tipologie specialistiche quali le chiese, le torri, le fortificazioni.

Figura 1 - Mappa dei valori di accelerazione (in alto) e di velocità (in basso) di picco orizzontale stimati per l’evento del 29 maggio 2012, interpolando i valori registrati – le stazioni sono identificate da triangoli grigi (Bozzoni e Lai, 2012).

L’architettura rurale rappresenta, in questo territorio ad antica e profonda vocazione agricola, una parte fondamentale del paesaggio. I numerosissimi edifici rurali costituiscono infatti, insieme alla vegetazione, gli unici elementi emergenti sull’orizzonte della pianura padana e, seppure quasi mai rilevanti se considerati singolarmente, contribuiscono a definire il carattere della campagna emiliana. Gli edifici presenti hanno, in genere, origine residenziale o di stalla-fienile. Nell’area colpita dalla sequenza sismica si osservano alcune lievi differenze nelle peculiarità dell’edilizia rurale. Nel bolognese la casa è separata dalla stalla-fienile sin dal XVIII secolo (Ortolani, 1953). La residenza ha impianto rettangolare, con tetto a capanna; la stalla-fienile ha dimensioni più grandi della casa. Nel modenese l’abitazione è in genere a tre piani, anche se si imposta su una superficie più contenuta (Figura 2). Nel ferrarese la fattoria è detta boarìa, poiché il mezzadro era responsabile anche per il bestiame, prevalentemente bovini (Castellano, 1986).
Ciò comporta stalle ancora più ampie; molto frequenti sono i portici (Figura 3 e Figura 4). L’abitazione ha due piani fuori terra per un’altezza complessiva di circa 6 m. Il materiale da costruzione per la muratura è anche in questo caso il mattone; tuttavia gli alti costi del combustibile rendevano i laterizi cotti piuttosto onerosi, tanto che i mattoni crudi erano alquanto diffusi, per lo meno a quote superiori a quella della piena attesa per i corsi d’acqua della zona. Nondimeno lo straripamento del Reno nel 1886 provocò numerosi crolli in edifici con mattoni crudi (Ortolani, 1953). I laterizi cotti divennero via via prevalenti con il miglioramento della rete stradale nei secoli XIX e XX. Per le travi principali si impiega la quercia, mentre le travi secondarie sono di pioppo. La stalla-fienile presenta una struttura a più luci e più campate. Il fieno è conservato al piano soprastante le stalle. Un portico, o porticaglia, è presente su uno o più lati ed è sorretto da pilastri a sezione quadrata 60×60 cm2. Questi pilastri sono presenti anche internamente per sostenere il tetto (Figura 3b). Quest’ultimo poggia su capriate o su falsi puntoni, entrambi privi di un’efficace connessione alle murature. In qualche caso è stata osservata la presenza di tiranti metallici a diverse quote (Figura 2b). Una costruzione tipica dell’area è la cosiddetta casella o barchessa, originariamente impiegata per conservare paglia o canapa (Figura 5). L’edificio è sostanzialmente una copertura allungata con più luci ma una sola campata, coperta da capriate semplici. Il retro, così come a volte i due lati corti, è chiuso da una tamponatura a una testa o, in alcuni casi, in foglio.
La costruzione di edifici nuovi con struttura portante in muratura fino a due-tre piani è tuttora piuttosto comune in Italia e, nelle aree colpite dagli eventi sismici del maggio 2012, è ancora più frequente che in altre zone. Questo può essere in parte dovuto alla presenza nella regione di diversi produttori di moderni blocchi da muratura.

Figura 2 - Edificio rurale di abitazione a San Prospero.

Figura 3 - Stalla-fienile a Montalbano presso Medolla, Strada Provinciale 5.

Figura 4 - Stalla-fienile in via Alberghini a Buonacompra, comune di Cento.

Figura 5 - Casella vicino a Finale Emilia, in via per Modena, vicino a via Colombarina (sopralluogo del 21 maggio 2012).

Articolo pubblicato su Progettazione Sismica n. 3-2012, IussPress, Pavia