Effetti negativi del sisma verticale sul comportamento delle pareti esistenti in muratura

Il sisma verticale può modificare il carico gravitazionale durante l’evento (fasi di “sollevamento” e “abbassamento”), alterando le tensioni normali sulle pareti in muratura e influenzando la capacità di spostamento (δu in relazione a δ0). La pagina introduce una metodologia coerente con NTC 2018 ed Eurocodice e richiama una campagna numerica su pannelli murari. 

Sisma verticale e pareti in muratura esistenti: come la variazione delle tensioni normali riduce duttilità e capacità di spostamento

Alla luce delle evidenze emerse a seguito dei recenti eventi sismici, con configurazioni di danno che hanno confermato le criticità degli edifici in muratura esistenti, è stato proposto da Massimo Mariani (2017) un percorso di indagine che, fra i diversi aspetti, ha individuato negli effetti del sisma verticale un contributo fondamentale alla perdita di duttilità e ai conseguenti dissesti.

Sisma verticale ed edifici esistenti in muratura: un nuovo percorso di indagine

L'obiettivo del presente lavoro è di analizzare gli effetti penalizzanti del sisma verticale seguendo una metodologia applicativa coerente con la Normativa Tecnica sulle Costruzioni 2018 e con l'EuroCodice. 

Si indagherà sulle variazioni che il sisma verticale produce nella risposta sismica degli edifici esistenti in relazione alle diverse tipologie di murature.

La strada intrapresa evita di insistere su percorsi di raffinata elaborazione di calcolo, inoltrandosi nella decodificazione dei fenomeni fisici e focalizzando il rapporto tra evento sismico e risposta della struttura muraria.

Effetti negativi del sisma verticale: modifica della capacità di spostamento

Per conseguire l'obiettivo, si indaga sulle modalità con cui la capacità di spostamento delle pareti dipende dai vari parametri che ne governano il comportamento strutturale: parametri meccanici del materiale, condizioni di vincolo, caratteristiche geometriche, tensioni normali.

Allo scopo, viene fatto riferimento ad una metodologia nota da tempo che propone la definizione dello spostamento ultimo δ_u come multiplo dello spostamento δ₀ corrispondente al raggiungimento del taglio resistente; in tal modo la capacità di spostamento di una parete contiene implicitamente tutte le informazioni sull'assetto statico della parete stessa.

Sisma verticale: sollevamento e abbassamento nel corso dell'evento 

Successivamente, si inserisce nella capacità di spostamento l'informazione della variazione del carico gravitazionale dovuta al sisma verticale, individuando una semplice metodologia che rappresenta le azioni di sollevamento e di abbassamento corrispondenti a diminuzione e ad aumento degli effetti gravitazionali che, susseguendosi durante l'evento sismico, condizionano la risposta della struttura. 

Pannelli in muratura: indagine sugli effetti del sisma verticale

Vengono quindi presentati risultati di una campagna numerica svolta su un'ampia casistica di pannelli murari, generata da variazioni sui parametri di riferimento, considerando gli effetti prodotti da accelerazioni verticali crescenti. 

PROBLEMATICHE SULLE LEGGI COSTITUTIVE DELLE PARETI ESISTENTI IN MURATURA

La premessa di questo percorso è quella di studiare un oggetto 'modellabile', cioè un organismo edilizio 'coerente' che possa presentare modalità di crisi per distacchi di blocchi rigidi (comportamento locale) o per collassi elasto-plastici dovuti al superamento dei limiti di resistenza o di deformazione (comportamento globale).

Le murature poco coerenti, sotto sollecitazioni sismiche, hanno la propensione a disgregarsi e rovinare in crolli caotici che di fatto non sono prevedibili con i modelli locali a blocchi o globali: per queste situazioni occorrono valutazioni sulla qualità muraria che evidenzino le tipologie di intervento necessarie per restituire al materiale la capacità di un comportamento d'insieme senza pericolose disgregazioni.

Si desidera focalizzare l'attenzione su alcuni punti fondamentali relativi al percorso di verifica condotto attraverso le analisi globali.

Si presuppone, quindi, che l'edificio sia capace di una risposta complessiva, che si esplicherà attraverso perdite di rigidezza locali via via più diffuse fino ad una crisi generale (stato limite ultimo), e questo percorso vedrà una prima fase che si può definire 'elastica', governata dalla resistenza, seguita da una fase 'plastica', determinata invece dalle capacità deformative.

È proprio il comportamento 'plastico' quello che caratterizza la metodologia non lineare, messa a punto con lo scopo di interpretare la redistribuzione delle sollecitazioni in seguito a crisi locali evidenziando, contemporaneamente, gli elementi 'deboli' dell'edificio, oggetto di attenzione in sede di intervento.

I miglioramenti sugli algoritmi hanno via via condotto a formulazioni più complesse e alla rimozione di ipotesi limitative. I criteri di verifica della sicurezza un tempo consistevano in un confronto tra forza sismica e forza resistente, ed oggi invece si risolvono in un confronto di capacità di spostamento, che richiede la generazione della curva pushover, l'individuazione su di essa dei punti di capacità per i diversi stati limite, il passaggio dal sistema reale ad un sistema equivalente ad 1 grado di libertà, con elaborazione dell'oscillatore monodimensionale elastoplastico equivalente da cui ricavare attraverso lo spettro di risposta la domanda per ogni stato limite; domanda che, come sopra accennato, verrà confrontata con la capacità, ed il rapporto costituirà la quantificazione della sicurezza.

Le analisi pushover possono attualmente essere condotte sotto varie ipotesi riguardanti: distribuzioni di forze, punti di controllo, adattività delle forme modali e dei periodi in seguito alle fessurazioni, effetti torsionali accidentali, contemporaneità delle direzioni sismiche orizzontali. Ne deriva quindi un percorso molto articolato, capace di inquadrare un risultato numerico rispondente alla schematizzazione che si ritiene più idonea per l'edificio in esame.

Tutta la costruzione teorica si regge, tuttavia, su alcuni punti fondamentali da calibrare molto bene, per evitare la generazione di errori la cui propagazione imprevedibile in campo non lineare potrebbe condizionare pesantemente il risultato, di fatto rendendolo poco affidabile. Le critiche che vengono avanzate nei confronti delle analisi non lineari trovano di fatto fondate ragioni non nella procedura di costruzione della curva di capacità, ma nelle problematiche relative alla valutazione dei parametri in input.

I principali punti che caratterizzano l'analisi pushover sono i seguenti:

1. la legge di comportamento dei componenti strutturali di base: maschi murari, fasce, pilastri, archi, volte, fondazioni, strutture complementari (per coperture, collegamenti, ecc.);
2. la descrizione dell'evento sismico attraverso il tipo di approccio (es.: probabilistico), accelerazioni al suolo e spettrali, periodi di ritorno, azioni sismiche, effetti del comportamento dinamico e ciclico;
3. la schematizzazione matematica dell'organismo murario, condotta attraverso modelli FEM (telaio equivalente, macroelementi, mesh 2D / 3D).

Sul punto 2) attualmente si adotta l'approccio introdotto dai recenti Decreti (reticolo sismico con valori delle accelerazioni legate ai periodi di ritorno; stati limite e probabilità di superamento).

La capacità in termini di PGA al suolo (accelerazione orizzontale) è considerata rappresentativa della sicurezza. Molto poco finora si è detto sul ruolo dell'accelerazione verticale: alla luce delle esperienze, questo aspetto dovrebbe entrare di diritto nei parametri rappresentativi dell'azione sismica da utilizzare nelle elaborazioni.

Per il punto 3) vi sono molte opinioni variamente condivisibili; certo è che a fronte di forti incertezze su parametri fisici e meccanici rappresentativi del comportamento strutturale, può essere fuorviante la scala di precisione ottenibile con metodi molto sofisticati. Se questi ultimi trovano ragione in casi speciali che giustificano lunghi tempi di analisi e complesse elaborazioni, non costituiscono una via praticabile, perlomeno per ora, per l'edilizia diffusa.

È quindi consigliabile insistere su modelli relativamente semplici, e cercare di utilizzarli nel modo più corretto possibile: se questo diventa patrimonio culturale comune dei Progettisti, si compie un importante passo in avanti sulla gestione del patrimonio edilizio.

Questa considerazione rimanda al punto 1): la bontà e l'efficacia del modello matematico della struttura sono direttamente connesse alla corretta rappresentazione del comportamento dei singoli componenti.

In questo lavoro si vuole focalizzare l'attenzione proprio sul punto 1) ed in particolare sugli elementi in generale più importanti ai fini della stabilità: i maschi murari, ossia le pareti verticali in muratura che costituiscono l'ossatura portante dell'edificio.

Faremo riferimento al modello più semplice adottato per la definizione del comportamento strutturale dei maschi murari: la legge elasto-plastica, definita da tre parametri:
1. la rigidezza elastica iniziale K;
2. la resistenza massima (forza ultima) Tu;
3. la capacità di spostamento dopo il raggiungimento della resistenza massima (δ_u-δ₀).

Ci si aspetta che questi tre parametri siano governati dalle grandezze che tutte insieme definiscono l'assetto statico della parete, raggruppabili in quattro categorie:
A. geometria: dimensioni della parete: base l, altezza h, spessore t; snellezza (parametro derivato);
B. vincolamento: condizioni di vincolo alla base e in sommità, in relazione all'organismo murario contiguo (fondazioni, solai, fasce di piano). Il maschio isolato si trova generalmente in condizione intermedia fra i due casi di doppio incastro (con sommità a rotazione impedita) e di mensola;
C. materiale: parametri meccanici: moduli di elasticità; resistenze a taglio e a compressione;
D. carichi: direttamente applicati, e sollecitazioni (assiali, flessionali, taglianti) derivanti dalla collaborazione con gli elementi strutturali contigui

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