Edifici irregolari in muratura e relative implicazioni nella valutazione della vulnerabilità sismica

L’articolo chiarisce che la regolarità strutturale – simmetria di masse e rigidezze in pianta, forma compatta, diaframmi rigidi e continuità dei sistemi resistenti in altezza – riduce l’eccentricità tra baricentro delle masse e delle rigidezze, limitando gli effetti torsionali sugli impalcati. La non conformità a uno solo dei requisiti NTC2018 comporta irregolarità e penalizzazioni su q (tramite αu/α1 e Kr), con incremento della domanda sismica di progetto.
Negli edifici in muratura sono frequenti irregolarità planimetriche (rientranze/sporgenze) e altimetriche (variazioni di massa/rigidezza, discontinuità), aggravate da diaframmi deformabili e scarse connessioni, che favoriscono bandiera, martellamento e ribaltamenti. La mitigazione richiede strategie mirate (incatenamenti, chiusura quadri fessurativi, irrigidimento solai, connessioni) per contenere gli effetti di irregolarità e migliorare la risposta dinamica, guidando la scelta del modello e del tipo di analisi.

Indice dei contenuti

• Che cos’è la regolarità strutturale e perché conta in sismica
• Requisiti di regolarità in pianta (NTC §7.2.1) e loro effetti torsionali
• Requisiti di regolarità in altezza: masse, rigidezze, continuità dei sistemi resistenti
• Penalizzazioni sul fattore di comportamento q e ricadute sulla domanda sismica
• Irregolarità tipiche negli edifici in muratura: diaframmi deformabili, rientranze, restringimenti
• Meccanismi di danno: bandiera, martellamento, ribaltamenti fuori piano
• Linee di mitigazione: connessioni, incatenamenti, irrigidimento dei solai, interventi locali/globali
• Conclusioni operative per la valutazione della vulnerabilità e la progettazione degli interventi.

Cosa si intende per regolarità

La regolarità strutturale è l’insieme delle caratteristiche richieste per migliorare la risposta dinamica di un edificio in caso di terremoto, tesa «a favorire, anche in campo inelastico, un comportamento della costruzione e delle sue membrature il più possibile uniforme e tale da evitare concentrazioni di sforzi» come indicato dalla Circolare 21 gennaio 2019 n. 7 .

La regolarità sposa il concetto di semplicità e uniformità strutturale. La semplicità richiama la presenza, prima di tutto, di percorsi chiari all’interno della struttura per il trasferimento delle azioni tra i diversi elementi resistenti, mentre l’uniformità richiama la possibilità di avere distribuzioni omogenee dei carichi e delle rigidezze.

Al par. 7.2.1 le NTC2018 richiedono precisi requisiti affinchè una struttura possa classificarsi come regolare, suddividendo il requisito in funzione della planimetria (pianta) e dello sviluppo altimetrico (altezza).

Più precisamente, è possibile definire regolare in pianta una costruzione che soddisfa tutti i seguenti requisiti:

• «a) la distribuzione di masse e rigidezze è approssimativamente simmetrica rispetto a due direzioni ortogonali e la forma in pianta è compatta, ossia il contorno di ogni orizzontamento è convesso; il requisito può ritenersi soddisfatto, anche in presenza di rientranze in pianta, quando esse non influenzano significativamente la rigidezza nel piano dell’orizzontamento e, per ogni rientranza, l’area compresa tra il perimetro dell’orizzontamento e la linea convessa circoscritta all’orizzontamento non supera il 5% dell’area dell’orizzontamento;

• b) il rapporto tra i lati del rettangolo circoscritto alla pianta di ogni orizzontamento è inferiore a 4;

• c) ciascun orizzontamento ha una rigidezza nel proprio piano tanto maggiore della corrispondente rigidezza degli elementi strutturali verticali da potersi assumere che la sua deformazione in pianta influenzi in modo trascurabile la distribuzione delle azioni sismiche tra questi ultimi e ha resistenza sufficiente a garantire l’efficacia di tale distribuzione».

Il requisito richiesto al punto a) è particolarmente importante perché una struttura con distribuzione di masse e rigidezze il più possibile simmetrica permette di ridurre l’eccentricità tra il baricentro delle masse e il baricentro delle rigidezze.

Nel caso di carichi uniformemente distribuiti, il baricentro delle masse coinciderà con quello geometrico, oltre a rappresentare il punto dove è applicata la forza sismica.

Il baricentro delle rigidezze corrisponde invece al punto in cui una forza orizzontale in esso applicata determinerebbe solamente una traslazione dell’impalcato.

La posizione del baricentro delle rigidezze dipende dalle dimensioni e dalla distribuzione degli elementi portanti come le pareti e i vani scala. In tale punto si concentra la risultante delle rigidezze degli elementi verticali resistenti all’azione sismica. Più i due baricentri sono vicini, minore sarà il braccio della coppia torcente che sollecita il diaframma di piano, e pertanto minori saranno gli effetti torsionali che subisce la struttura (fig. 3).

Lo stesso par. 7.2.1 delle NTC2018 definisce regolare in altezza una struttura in cui tutte le seguenti condizioni sono rispettate:

• «d) tutti i sistemi resistenti alle azioni orizzontali si estendono per tutta l’altezza della costruzione o, se sono presenti parti aventi differenti altezze, fino alla sommità della rispettiva parte dell’edificio;

• e) massa e rigidezza rimangono costanti o variano gradualmente, senza bruschi cambiamenti, dalla base alla sommità della costruzione (le variazioni di massa da un orizzontamento all’altro non superano il 25%, la rigidezza non si riduce da un orizzontamento a quello sovrastante più del 30% e non aumenta più del 10%); ai fini della rigidezza si possono considerare regolari in altezza strutture dotate di pareti o nuclei in c.a. o di pareti e nuclei in muratura di sezione costante sull’altezza o di telai controventati in acciaio, ai quali sia affidato almeno il 50% dell’azione sismica alla base;

• f) il rapporto tra la capacità e la domanda allo SLV non è significativamente diverso, in termini di resistenza, per orizzontamenti successivi (tale rapporto, calcolato per un generico orizzontamento, non deve differire più del 30% dall’analogo rapporto calcolato per l’orizzontamento adiacente); può fare eccezione l’ultimo orizzontamento di strutture intelaiate di almeno tre orizzontamenti;

• g) eventuali restringimenti della sezione orizzontale della costruzione avvengano con continuità da un orizzontamento al successivo; oppure avvengano in modo che il rientro di un orizzontamento non superi il 10% della dimensione corrispondente all’orizzontamento immediatamente sottostante, né il 30% della dimensione corrispondente al primo orizzontamento. Fa eccezione l’ultimo orizzontamento di costruzioni di almeno quattro orizzontamenti, per il quale non sono previste limitazioni di restringimento».

La valutazione dei requisiti di regolarità in altezza risulta più complessa rispetto a quella in pianta, sia perché richiama una computazione sulle eventuali variazioni di masse (fig. 5) e rigidezze tra piani successivi, sia perché richiede in particolare al punto f) il calcolo del rapporto tra capacità e domanda risolvibile solo con una modellazione complessiva del fabbricato.

La presenza o meno di questi requisiti avrà un impatto sulla valutazione della sicurezza sismica, determinando la scelta della tipologia di analisi e il valore del fattore di comportamento q.

Strutture irregolari risultano maggiormente penalizzate in fase di verifica per la quantificazione dell’azione sismica agente su di esse. Al contrario strutture dotate di regolarità strutturale permettono verifiche con analisi e modelli più semplici dal contenuto impegno computazionale.

Cosa comporta la irregolarità strutturale per un edificio in muratura

Dal punto di vista numerico, l’assenza di anche uno solo dei requisiti richiesti comporta la non regolarità in pianta e/o in altezza e attiva una progressiva penalizzazione sul valore del fattore di comportamento q, il quale tiene conto della tipologia costruttiva, del grado di iperstaticità e della capacità dissipativa del materiale.

Nello specifico, il limite superiore del fattore di comportamento q_lim = q_{0 ·} K_r, con q₀ = 1,75 α_u/α₁ ad esempio nel caso più frequente di murature ordinarie.

Il rapporto α_u/α₁ è fra il valore dell’azione sismica che porta alla plasticizzazione di un numero di zone dissipative tale da creare un meccanismo e il valore dell’azione sismica cui corrisponde la plasticizzazione a flessione del primo elemento strutturale.

Per le costruzioni regolari in pianta, possono essere adottati i valori di α_u/α₁ indicati dalla stessa norma tecnica: ad esempio per una muratura ordinaria, come detto, tale valore è pari a 1,7 come indicato al par. 7.8.1.3 delle NTC2018.

Per le costruzioni non regolari in pianta, si possono adottare valori di α_u/α₁ pari alla media tra 1,0 e i valori forniti dalla stessa normativa, quindi inferiori ad una struttura regolare.

Riguardo l’irregolarità in altezza, il fattore K_R sarà pari a 1 per strutture regolari, mentre è limitato a 0,8 per quelle irregolari in altezza.

In tal modo il fattore di comportamento q assumerà in generale per strutture irregolari un valore minore e di conseguenza, essendo q al denominatore della formula dello spettro di risposta di progetto, l’azione sismica riceverà una riduzione inferiore rispetto a quanto possibile con una struttura regolare, e quindi graverà sulla struttura con intensità maggiore.

L’ incremento delle forze sismiche sulla struttura è concepito proprio per tenere conto delle maggiori criticità che emergono durante la risposta dinamica di una struttura irregolare.

Chiaramente, contestualizzando il tema all’interno del patrimonio edilizio esistente, caratterizzato da frequenti modifiche costruttive nel corso del tempo per ampliamenti, sopraelevazioni e cambi di destinazione d’uso che hanno variato masse e la rigidezza dei solai, risultano molteplici le probabilità di ricadere nelle irregolarità sopra descritte, sia planimetriche che altimetriche.

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