Procedura semplificata per la valutazione della vulnerabilità sismica di un aggregato in muratura

La memoria ha il compito di indagare la vulnerabilità sismica degli aggregati in muratura appartenenti al comune di Bacoli in provincia di Napoli attraverso una procedura di analisi combinata teorico-numerica applicata ad un caso di studio. Le analisi numeriche, di tipo pushover, eseguite sull’aggregato esaminato sono state utilizzate per tracciare le curve di capacità delle unità di testa, d’angolo e di quelle intermedie tenendo conto sia dei carichi derivanti dalle unità adiacenti che il contributo di resistenza e rigidezza fornito all’unità strutturale considerata dalle presenza delle pareti delle strutture vicine.

E’ stato inoltre intrapreso uno studio teorico per valutare i periodi di vibrazione delle unità strutturali in aggregato attraverso il confronto con i valori ottenuti per le singole unità considerate come costruzioni isolate. In conclusione, i risultati numerici ottenuti sono stati confrontati con quelli derivanti da una procedura di analisi speditiva con lo scopo di trovare un rapporto tra periodi di vibrazione e indici di vulnerabilità.


Indagine sismica su un aggregato in muratura nel centro storico di un comune napoletano

Il costruito dei centri storici della nostra penisola è sempre stato non solo una risposta nel corso del tempo al fabbisogno abitativo, ma anche la testimonianza di secoli di civiltà e cultura e può essere considerato una risorsa turistica ed economica insostituibile.

Gli edifici in muratura rappresentano gran parte del patrimonio edilizio italiano e sono stati spesso progettati per sopportare solo le azioni dei carichi verticali, senza alcun rispetto dei criteri di progettazione antisismica. Inoltre, considerando le incertezze sulla loro possibile data di edificazione e sulle caratteristiche meccaniche dei materiali costituenti, l’analisi del comportamento sismico di tali costruzioni viene solitamente effettuata sulla base di dati e criteri poco chiari.

In tale contesto, emblematico è il caso degli aggregati edilizi, che rappresentano i simboli distintivi dei centri storici italiani [1] edificati in epoche diverse secondo differenti principi progettuali.

L'attuale normativa antisismica italiana non prevede un metodo di calcolo ben codificato per prevederne il comportamento in campo non lineare. Di contro, considerando che nel corso degli ultimi terremoti si sono verificati crolli e ingenti danni ai complessi edilizi in aggregato [2, 3], i ricercatori scientifici nel campo dell'Ingegneria Strutturale e Sismica devono prestare particolare attenzione a questa tematica di grande attualità.

Per tale motivo, in questo lavoro è stata messa a punto una semplice metodologia per prevedere la risposta sismica degli aggregati in muratura.

Siccome gli edifici, originariamente eretti come costruzioni isolate, si sono evoluti nel corso degli anni come agglomerati edilizi complessi, spesso senza alcun rispetto delle norme tecniche ed urbanistiche, il metodo di calcolo implementato è stato sviluppato in primo luogo estrapolando le singole unità strutturali (US) costitutive e, successivamente, considerando le interazioni tra esse.

La tecnica di analisi messa a punto viene in questa sede illustrata con riferimento ad un aggregato edilizio preso come caso di studio all'interno del centro storico di Bacoli in provincia di Napoli. Dopo aver desunto, tramite la scheda di rilievo CARTIS [4], le informazioni necessarie per la conoscenza geometrico-meccanica dell’aggregato di interesse, sono state effettuate analisi sismiche di tipo speditivo e numerico.

Il primo approccio deriva dalla procedura proposta nel 1984 da Benedetti e Petrini [5], che è stata recentemente estesa per considerare specificatamente le interazioni tra le unità strutturali degli aggregati storici [6, 7, 8]. La seconda procedura ha previsto invece l'applicazione del programma di calcolo 3Muri [9], utilizzato per eseguire analisi statiche non lineari. Con quest'ultimo approccio di analisi, modellando l'intero aggregato, è stato possibile valutare l'indice di vulnerabilità sismica, nonché il periodo di vibrazione, delle singole unità strutturali integrate nel complesso edilizio ai fini della verifica sismica.

 

La scheda CARTIS applicata ad un comparto di Bacoli

Il centro storico di Bacoli, situato in provincia di Napoli, si è notevolmente ampliato a partire dal dopoguerra, raggiungendo la sua massima espansione soprattutto negli anni '80. Esso è costituito principalmente da edifici in muratura: i più antichi sono inseriti in complessi edilizi aggregati staticamente e sismicamente dipendenti gli uni dagli altri, mentre quelli più recenti sono configurati come strutture isolate.

La scheda CARTIS, elaborata dal Centro di ricerca PLINIVS nell’ambito del progetto di ricerca DPC-ReLUIS [4], è impiegata per la caratterizzazione tipologico - strutturale degli edifici ordinari ed è finalizzata alla rilevazione delle tipologie edilizie prevalenti nell'ambito di aree comunali o sub - comunali, detti comparti, edificate in uno stesso orizzonte temporale.

La compilazione della scheda deve seguire un percorso preciso di acquisizione delle informazioni, che  vengono ottenute sulla base di interviste a uno o più tecnici locali aventi un'esauriente conoscenza del territorio in esame.

La scheda risulta suddivisa nelle seguenti quattro sezioni:

  • Sezione 0: individuazione del comune con focus sul settore di studio;
  • Sezione 1: individuazione di ciascuna delle principali tecnologie e tipologie strutturali rilevate all'interno del comune; 
  • Sezione 2: individuazione delle caratteristiche generali delle categorie di edifici identificate;
  • Sezione 3: caratterizzazione degli elementi strutturali.

Nel presente lavoro è stato indagato il comparto illustrato in Figura 1a. In tale settore di studio il 60% delle strutture in muratura sono distribuite secondo una configurazione isolata, mentre il restante 40% è raggruppato in aggregati strutturali, dove le costruzioni interagiscono tra loro sotto azioni sismiche.

I parametri caratterizzanti le costruzioni ubicate nel comparto esaminato sono: piani totali (inclusi i seminterrati) pari a quattro, altezza media di piano compresa tra 3,50 m e 6,00 m, altezza media del piano terra compresa tra 3,50 m e 5,00 m. La superficie media in pianta degli edifici è pari a 170 mq e il periodo di costruzione degli edifici è anteriore al 1860. Per quanto riguarda la muratura, la tipologia più comunemente riscontrata è costituita da pietre squadrate regolari con uno spessore medio di 80 cm. Le pareti in muratura presentano idonei collegamenti trasversali (diatoni), mentre sono assenti contrafforti e catene o tiranti. I solai sono rigidi o semirigidi: i primi, in percentuale maggiore, sono solai latero-cementizi con travetti prefabbricati o gettati in opera, mentre i secondi si configurano come solai misti acciaio-laterizi.

Le strutture in cemento armato del comparto hanno una tipologia costruttiva con telai disposti in una sola direzione con pareti di tamponamento e senza giunti sismici.

Le coperture sono generalmente piane in cemento armato, sotto forma di terrazze praticabili, o a volte in muratura. La percentuale di aperture sulla superficie delle facciate è compresa tra il 20% e il 29%. Tale percentuale si abbassa fino al 10% al piano terra. Il 70% degli edifici risulta essere regolare sia in pianta che in elevazione. La tipologia predominante delle scale è quella con travi a ginocchio e gradini a sbalzo. Le fondazioni, di tipo superficiale, sono plinti isolati con o senza travi di collegamento. 

 

Indagine sismica su un aggregato in muratura nel centro storico di un comune napoletano

Figura 1 – Il comparto oggetto di interesse (a) e l’aggregato edilizio investigato (b).

       

Il caso studio

L'aggregato edilizio individuato come caso studio (Fig. 1b), situato nel comparto del centro storico di Bacoli analizzato nel precedente paragrafo, è composto da sei US (Fig. 2) che danno luogo ad una configurazione sostanzialmente “in linea”.

 

Suddivisione dell’aggregato edilizio di interesse in unità strutturali

Figura 2 – Suddivisione dell’aggregato edilizio di interesse in unità strutturali (b).

 

Il modello a macroelementi dell'aggregato edilizio è stato sviluppato mediante il software 3Muri, come illustrato nella Figura 3a.

  • L'edificio n. 1 (Fig. 3b) ha forma rettangolare e si sviluppa su tre piani fuori terra con muratura di blocchi di tufo ben organizzati. La struttura, che appare come la più imponente dell'aggregato, si presenta in ottime condizioni, essendo stata sottoposta in passato ad interventi di ristrutturazioni e consolidamento. I solai sono realizzati con struttura latero-cementizia, mentre il tetto piano non risulta praticabile.

  • L'edificio n. 2 (Fig. 3c) ha una forma poligonale con un numero consistente di aperture prospicienti la strada. La struttura è costituita da muratura di tufo in buone condizioni di conservazione. I solai e la copertura sono analoghi a quelli dell'edificio n. 1.
  • L'edificio n. 3 (Fig. 3d) ha forma rettangolare ed occupa una posizione sostanzialmente baricentrica nell'aggregato. La struttura, realizzata con pietre in muratura di tufo in buono stato manutentivo, presenta una scala aperta centrale.

  • L'edificio n. 4 (Fig. 3e) ha forma poligonale e rappresenta l'unità strutturale dell'aggregato con la pianta più articolata. La facciata opposta a quella prospiciente la strada mostra una serie di rientranze. La tipologia di muratura è analoga a quella costituente le precedenti strutture verticali portanti.

  • L'edificio n. 5 (Fig. 3f) ha una forma planimetrica con asse di sviluppo longitudinale inclinato rispetto alla configurazione in linea dell'aggregato. Ha forma regolare con struttura verticale realizzata con pietre di tufo in buono stato di conservazione.

  • L'edificio n. 6 (Fig. 3g) è la più piccola unità strutturale che occupa una posizione d'angolo nell'aggregato. Tale unità è diversa dalle altre, in quanto si sviluppa su soli due livelli fuori terra, ed è costituita da una struttura in muratura in ottime condizioni manutentive.

 

Modello 3Muri dell'aggregato edilizio e identificazione delle sei unità strutturali

Figura 3 – Modello 3Muri dell'aggregato edilizio (a) e identificazione delle sei unità strutturali (da b a g).

 

L’analisi speditiva

La procedura speditiva di valutazione della vulnerabilità sismica degli aggregati edilizi in muratura si basa sulla scheda sviluppata da Benedetti e Petrini nel 1984.

La procedura consiste nell'attribuire un punteggio fra quelli rappresentativi di quattro classi dii vulnerabilità (A - B - C – D, con vulnerabilità crescente da A verso D) a dieci parametri indicativi delle caratteristiche geometriche e meccaniche degli edifici investigati. Ad ogni parametro viene assegnato un peso w, la cui entità è funzione della maggiore o minore influenza che lo stesso parametro ha sulla vulnerabilità complessiva della struttura.

Inoltre, al fine di considerare le interazioni sismiche tra le costruzioni in aggregato durante il terremoto, alla scheda originale sono stati aggiunti ulteriori cinque parametri. Tali parametri tengono conto delle interazioni in pianta ed in elevazione tra le unità adiacenti, della presenza e del numero di solai sfalsati tra le costruzioni, che danno luogo ad effetti di martellamento durante il sisma, dell'eterogeneità tipologica e/o strutturale tra gli edifici aggregati e, infine, della differenza tra le percentuali di aperture tra le facciate degli edifici contigui.

La scheda estesa di Benedetti e Petrini con l’inserimento dei suddetti parametri che considerano l’appartenenza dell’US all’aggregato edilizio  è visibile in Tabella 1. L'applicazione di questa nuova scheda di vulnerabilità concepita per gli aggregati storici è mostrata in [10, 11, 12].

Pertanto, per ciascuna US, l'indice di vulnerabilità IV è calcolato come somma dei punteggi relativa alla classe individuata per ciascun parametro moltiplicati per i rispettivi pesi. Gli indici di vulnerabilità ottenuti per tutte le US vengono normalizzati in una scala che va da 0 a 1, dando origine ai valori Iv,norm (vedi Tabella 2).

 

Tabella 1 – Scheda di vulnerabilità sismica per unità strutturali di aggregati edilizi dei centri storici.

Scheda di vulnerabilità sismica per unità strutturali di aggregati edilizi dei centri storici

Tabella 2 – Indici di vulnerabilità normalizzati delle unità strutturali dell’aggregato di studio.

Indici di vulnerabilità normalizzati delle unità strutturali dell’aggregato di studio

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