Esoscheletri per le costruzioni esistenti in muratura: prestazioni, limiti e scelte

La presente nota fa seguito ad un precedente articolo dal titolo “Prevenzione sismica e rigenerazione architettonica mediante esoscheletri”, pubblicato su INGENIO. Quello trattava gli esoscheletri in generale, questo gli esoscheletri per gli interventi strutturali sull’esistente, con riferimento alle costruzioni in muratura e a come le loro caratteristiche ne condizionano il progetto. Per le definizioni generali e l’inquadramento si rimanda alla nota precedente.

Definizione di esoscheletro per gli interventi sulle murature

La nota precedente si apriva con la definizione di esoscheletro per il nuovo e per il costruito. Questa restringe tale definizione agli esoscheletri utilizzati per gli interventi sulle costruzioni murarie. Prima può essere utile richiamare le prestazioni richieste a una muratura.

Ogni costruzione deve soddisfare gli Stati Limite Ultimi statici, ossia deve garantire un’adeguata portanza. Nelle murature – nuove o esistenti – ciò comporta la determinazione della minima stesa di carico che innesca un modo di crisi – capacità statica – e la verifica che essa sia maggiore del carico di progetto – domanda.

I coefficienti parziali per le azioni sollecitanti (sfavorevoli) sono sono γ_G1 = 1.3, γ_G2 = 1.5, γ_Q = 1.5; per le azioni resistenti (favorevoli), sono γ_G1 = 1.0, γ_G2 = 0.8, γ_Q = 0.0; per i materiali sono, di solito, γ_M = 3.0 e γ_M = 2.0, rispettivamente nelle verifiche statiche e sismiche.

Una nuova costruzione deve soddisfare gli Stati Limite di Esercizio statici, ossia deve garantire una serie di prestazioni connesse alla fruizione e alla durabilità.

Per il costruito, invece, il paragrafo 8.3 delle NTC 2018 riporta: “La valutazione della sicurezza e la progettazione degli interventi sulle costruzioni esistenti potranno essere eseguite con riferimento ai soli SLU”, sottinteso statici e sismici.

Quella deroga, mentre può comportare una freccia dei solai post-operam maggiore di quella prescritta per i solai ex-novo, non comporta mai che un elemento murario disattenda gli SLE. Infatti, tutti gli elementi murari, tacitamente e implicitamente, hanno sempre e comunque un comportamento di esercizio largamente confacente.

Più nello specifico:

• Una struttura muraria lavora con sforzo normale contenuto nel proprio spessore e quindi in regime prevalentemente assiale. Perciò, esibisce deformate modeste e irrilevanti (là dove non lo fossero, significherebbe che la struttura è sull’orlo del collasso).

• Le fessure non mettono a nudo alcun componente metallico interno. Quindi non ci sono materiali suscettibili al degrado che, come tali, devono essere protetti evitandone l’esposizione all’aria.

• Il livello delle tensioni di compressioni in una muratura non incide sulla sua durabilità.

Ogni costruzione deve soddisfare gli SLU sismici (SLV e/o SLC). Nelle nuove costruzioni, a fronte della azione sismica definita al paragrafo 3.2 delle NTC 2018; negli interventi sull’esistente, a fronte della azione sismica definita al paragrafo 8.4, che permette riduzioni, a parte l’adeguamento con ζ_E > 1.

Una nuova costruzione deve soddisfare gli SLE sismici (SLD o SLO). Un intervento sull’esistente, in base al succitato passaggio del paragrafo 8.3, non ha invece tale obbligo (a parte la classe d’uso IV).

La definizione di esoscheletro per gli interventi sul costruito in muratura deve quindi essere ragguagliata agli obiettivi prestazionali sopra richiamati.

L'esoscheletro per gli interventi sul costruito in muratura
Sistema strutturale ex-novo, esterno e collegato alla costruzione in muratura esistente, che ne incrementa la capacità alle azioni orizzontali (sismiche) e la portanza alle azioni verticali (gravitazionali e sismiche), e che può sia incrementarne la rigidezza (classe d’uso IV) sia ridurne la traslazione orizzontale ultima in domanda (SLC).

Potenzialità dell’esoscheletro nel costruito

L'articolo precedente ha illustrato i benefici offerti da un esoscheletro applicato al patrimonio edilizio. Di seguito il riepilogo, articolato in sette categorie. Le prime tre riguardano le prerogative strutturali derivanti dalla definizione sopra riportata, mentre le ultime quattro rappresentano le opportunità architettoniche conseguibili con limitati oneri aggiuntivi.

1. Prestazioni: incremento della portanza statica (SLU statici) e della capacità sismica (SLV e SLC); riduzione della deformabilità (sia per gli SLO ed SLD, sia anche per lo SLC). Impiego di elementi predisposti per dissipare, facilmente sostituibili dopo aver espletato la loro funzione durante un sisma.
   
2. Ingombri: nessuna nuova struttura negli spazi interni, che quindi non vengono modificati o alterati. Non si hanno perciò impatti su fruibilità, funzionalità, vivibilità e accessibilità.
   
3. Esecuzione: nessuna lavorazione all’interno dell’edificio, che resta pienamente fruibile anche durante la messa in opera. L’uso dell’edificio non viene quindi mai interrotto.
   
4. Efficientamento: un nuovo involucro per l’ottimizzazione energetica e il miglioramento di salubrità, climatizzazione e comfort degli ambienti interni.
   
5. Distribuzione: addizioni esterne localizzate in cui possono essere collocati nuovi collegamenti verticali (scale e ascensori) e nuovi servizi (bagni e locali tecnici).
   
6. Espansione: aumento della volumetria con ampliamenti verso l’esterno (esoscheletro tridimensionale), o verso l’alto (sopraelevazioni).
   
7. Riconfigurazione: riqualificazione architettonica dell’edificio: rimodulazione del carattere, della morfologia e della tettonica.

L’esoscheletro può rappresentare la soluzione ottimale anche quando offre solo una parte dei benefici e delle opportunità strutturali sopra richiamati.

Ad esempio, può rimanere una scelta valida anche qualora siano necessarie lavorazioni all’interno dell’edificio: se sono di piccola entità e breve durata, la riduzione dei benefici esecutivi risulta solo marginale.

Analogamente, può mantenere la propria validità anche qualora, oltre all’esoscheletro, debba essere realizzato un endoscheletro ex-novo, che si aggiunge all’endoscheletro costituito dalla struttura esistente. Se l’endoscheletro di nuova realizzazione è composto esclusivamente da elementi orizzontali (di rapida messa in opera), i vantaggi in termini di ingombri non risultano compromessi.

La pratica corrente degli esoscheletri nel costruito

Nel nuovo, l’esoscheletro viene introdotto nell’ambito del progetto architettonico, come illustrato nella nota precedente: permette di dare corpo a una specifica concezione architettonica, e a una idea progettuale complessiva improntata sull’assenza di strutture interne all’edificio.

Negli interventi sul patrimonio edilizio, l’esoscheletro dovrebbe essere introdotto, pure qui e a maggior ragione, nell’ambito del progetto architettonico, specie per le costruzioni in muratura, dove implica il completo cambiamento del carattere dell’edificio. E, ancor più, nell’ambito del progetto generale, comprendente il programma funzionale, fruitivo, energetico ed economico, nonché la pianificazione urbanistica della costruzione, tenendo conto dei benefici e delle opportunità offerti.

Invece negli interventi sul patrimonio edilizio, l’esoscheletro viene generalmente introdotto unicamente perché occorre incrementare la capacità statica o sismica, senza interferire con la fruizione e senza modificare gli spazi interni (le prime tre categorie del paragrafo precedente).

Dei benefici e delle opportunità offerti vengono recepiti soltanto quelli strutturali, mentre solo raramente vengono considerati quelli architettonici (le ultima quattro categorie del precedente paragrafo).

Ciò comporta non solo che le potenzialità degli esoscheletri rimangano inespresse, ma anche che essi risultino architettonicamente avulsi e disgiunti dal contesto preesistente.

Specie nelle costruzioni murarie, l’intervento provoca spesso una cesura tra la nuova addizione e l’edificio originario, che impoverisce la qualità architettonica dell’edificio.

Paragrafo 8.4 delle NTC 2018: miglioramento o adeguamento?

Negli edifici in CA e in acciaio, un intervento mediante esoscheletro non rientra nella categoria “Riparazione o intervento locale” (§ 8.4.1 delle NTC/2018) perché modifica significativamente il comportamento dinamico della costruzione.

Nelle murature, se l’esoscheletro è un telaio, esso non modifica significativamente il comportamento dinamico della costruzione, almeno finché le strutture verticali non hanno raggiunto una condizione prossima alla labilità (le murature sono molto più rigide dei telai).

Tuttavia, difficilmente l’intervento riguarderà “singole parti e/o elementi della struttura”. Farlo rientrare in quella categoria sembra pertanto molto forzato.

Ad ogni modo, chi scrive ha una forte idiosincrasia verso l’approccio giuridico alle normative tecniche e alla loro lettura da legale, in controluce. Lasciando i cavilli normativi ad Altri, si assume che, anche per le murature, un intervento esoscheletrico non possa collocarsi nella categoria “Riparazione o intervento locale”.

Ciò premesso, occorre stabilire se un intervento mediante esoscheletro implichi l’adeguamento (ai sensi del § 8.4.3 delle NTC/2018) oppure sia sufficiente il miglioramento (ai sensi del § 8.4.2).

Può essere utile ricordare che le NTC, col termine “miglioramento” sottintendono la locuzione “adeguamento statico e miglioramento sismico” (oppure “restrizione dell’uso” e miglioramento sismico), e col termine “adeguamento” sottintendono la locuzione “adeguamento statico e sismico”.

Ciò precisato, per rispondere alla domanda è necessario procedere a una analisi esegetica del § 8.4.3 delle NTC 2018, seguita dalla sua interpretazione; un’operazione tutt’altro che appassionante; ma a questo ci hanno ridotto dal maggio 2003. Cui si aggiunge che le interpretazioni sono soggettive e talvolta capziose.

Per gli esoscheletri, il comma cruciale di quel punto normativo è il b, che prescrive l’adeguamento allorquando si esegua un ampliamento connesso alla costruzione esistente, tale da alterarne significativamente la risposta. Occorre allora decifrare i termini “ampliamento” e “risposta”.

Per quel punto normativo, una variazione dell’altezza che non comporti incrementi di superficie abitabile (cordoli sommitali, nuova copertura) non è considerata un ampliamento. Allo stesso modo, una variazione della pianta che non comporti incrementi di superficie abitabile non è da considerarsi un ampliamento, indipendentemente dalle eventuali variazioni di risposta comportate.

Pertanto, un esoscheletro bidimensionale non rientra nel comma b.

Invece, un esoscheletro tridimensionale ci rientra, poiché è un ampliamento; occorre allora valutare se modifica la risposta.

Sennonché il comma b non specifica a quale risposta si riferisca. Tuttavia, i commi c e d vertono esplicitamente sulla risposta statica, cioè ai carichi gravitazionali. Per estensione, anche il comma b non può che riferirsi alla risposta statica. Anche perché, solo un “intervento di riparazione o locale” non modifica il comportamento dinamico, mentre quella modifica è implicita non solo in un intervento di adeguamento ma anche in un intervento di migliora-mento.
Dunque, nemmeno l’esoscheletro tridimensionale rientra nel comma b.

Ciò precisato, un intervento con esoscheletro (bi o tridimensionale) ricade nel miglioramento se: non comporta una sopraelevazione della costruzione (comma a), non implica un aumento dei carichi statici superiore al 10 % (comma c), non modifica il flusso dei canali statici più del 50 % (commi b e d), non modifica la destinazione d’uso a scuola o a edificio strategico (comma e).

Criteri di progettazione degli esoscheletri per il costruito in muratura

La progettazione di un esoscheletro per il costruito comporta una serie di scelte: la conformazione spaziale, il tipo strutturale, i materiali e le strategie per superare alcune criticità congenite. Questo paragrafo accenna a come orientare quelle scelte per le murature.

A tali scelte si dovrebbero aggiungere due opzioni di fondo previste dalla normativa: progettazione dissipativa o non-dissipativa, ed elementi primari o secondari. Per gli esoscheletri, tuttavia, quella non è generalizzabile, questa è una scelta, di fatto, obbligata.

Sulla scelta tra una progettazione per comportamento dissipativo o non-dissipativo, infatti, nulla può essere stabilito a priori: l’opzione migliore dipende dalla situazione contingente, in particolare dall’accoppiamento tra l’esoscheletro e il sistema costruttivo originario.

Con riferimento agli elementi primari o secondari, l’edificio esistente potrebbe essere considerato quale sistema strutturale “secondario” ai sensi del primo comma del § 7.2.3 delle NTC/2018. Fatta quella posizione, il sistema strutturale primario è costituito dal solo esoscheletro.

Sennonché, il succitato punto normativo giustamente prescrive che l’esistente trattato come secondario sostenga i carichi gravitazionali anche quando è soggetto agli spostamenti più sfavorevoli allo SLC. Perciò, il progetto deve comunque occuparsi dell’esistente e, se necessario, deve adotta-re magisteri costruttivi che gli permettano di mantenere la portanza anche nelle configurazioni deformate estreme.

Per inciso, anche se qualcuno – e speriamo non ce ne siano – orientasse le scelte progettuali unicamente a ridurre gli oneri di calcolo, non otterrebbe alcun vantaggio dal trattare l’esistente co-me secondario. Infatti, la normativa esenta dall’effettuare le verifiche di gerarchia delle resistenze e dei particolari costruttivi richieste per il nuovo. La suindicata verifica coincide quindi con la verifica post-operam dell’esistente.

Pertanto, ascrivere l’esistente a struttura secondaria comporta un significativo svantaggio – si tra-scura il suo contributo alla capacità sismica – senza ricevere alcun beneficio – l’iter progettuale rimane il medesimo – e quindi questa opzione non è mai conveniente.

Esiste però un’altra possibilità, che spariglia l’intero scenario. Il secondo comma del succitato § 7.2.3 contempla gli elementi costruttivi non-strutturali. Ebbene, le strutture orizzontali (travi primarie e secondarie) e verticali (pareti e pilastri) esistenti possono essere considerate come elementi costruttivi che, pur avendo rigidezza, resistenza e massa tali da influenzare in maniera significativa la risposta strutturale, non hanno alcun ruolo portante nella condizione post-operam. Dell’esistente, dunque, solo i solai vengono considerati come strutture. Va da sé che questa posizione comporta un intervento di adeguamento (comma d del § 8.4.3) e che l’esoscheletro deve portare, non soltanto l’intera azione sismica, ma anche tutti i carichi gravitazionali.

Tuttavia, il solo esoscheletro è insufficiente, a parte il caso di strutture verticali esistenti collocate esclusivamente lungo il perimetro (nessuna struttura verticale di spina). In genere, è necessario anche un endoscheletro ex-novo, deputato al supporto dei solai.

A meno che la larghezza dell’edificio in pianta non sia notevole, l’endoscheletro può essere costituito esclusivamente da elementi orizzontali collegati all’esoscheletro: perde una prerogativa – evitare lavorazioni dentro l’edificio – ma conserva quella principale – assenza di strutture verticali negli spazi interni. Un endoscheletro costituito da travi può essere incassato nei solai e, qualora emerga, può essere occultato con una controsoffittatura.

Chi scrive ha adottato questa soluzione per un plesso scolastico in CA (Figura 1).

L’endoscheletro, che ribassava di 15 cm, è stato celato con una controsoffittatura, che ha anche fornito la protezione al fuoco. La scelta si è confermata valida anche economicamente. Difatti, il costo per l’adeguamento statico e sismico, più la riqualificazione architettonica (infissi, bagni, coperto), nel 2009, è risultato 378 €/m² per 2332 m², ovvero 109 €/m³ per 8030 m³.

È però anche da dire che, con CSP e CSE attenti più alla forma che alla sostanza, occorre individuare un espediente per evitare la spesa inutile di puntellare le strutture esistenti durante i lavori, come se fossero davvero prive di capacità portante.

Questa soluzione è tuttavia estrema; perciò, nel prosieguo non sarà più considerata. Fermo restando che, là dove si intenda minimizzare le lavorazioni all’interno dell’edificio, può risultare vantaggiosa. Infatti, l’esistente assunto come non-strutturale deve solo garantire la propria stabilità ai sensi del § 7.3.6.2 delle NTC 2018, ma non deve portare alcun carico in condizione deformata.

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Commento della Redazione.
Il contributo di Paolo Foraboschi, ingegnere e Professore di Tecnica delle Costruzioni, si distingue per rigore tecnico e chiarezza applicativa. L’autore integra competenza normativa e sensibilità progettuale, portando esempi e criteri operativi che aiutano a trasformare l’esoscheletro da “espediente strutturale” a strategia integrata di miglioramento sismico e rigenerazione architettonica.