Fragilità sismica di edifici scolastici in muratura: applicazione di malte rinforzate con compositi

Inquadramento del problema e obiettivi dello studio

Il patrimonio scolastico italiano rappresenta uno dei settori più critici dal punto di vista del rischio sismico, sia per l’elevato numero di edifici coinvolti sia per il ruolo strategico e sociale che queste strutture rivestono. In Italia si contano circa 50.000 edifici scolastici e circa un quinto di essi è realizzato in muratura portante. La maggioranza di queste costruzioni, pari a circa l’80%, è stata edificata prima del 1976, quindi in assenza di una normativa sismica organica, con criteri progettuali orientati quasi esclusivamente alla resistenza ai carichi gravitazionali.

In un territorio come quello italiano, caratterizzato da una pericolosità sismica diffusa e in molti casi elevata, questa condizione si traduce in un livello di rischio potenzialmente molto alto. Da qui nasce il lavoro di ricerca condotto presso l’Università degli Studi di Trieste da Ingrid Boem e dal professor Gattesco, presentato al XX Congresso ANIDIS, con un duplice obiettivo. Da un lato, tracciare curve di fragilità specifiche per il patrimonio scolastico in muratura, superando approcci generici e poco rappresentativi. Dall’altro, stimare in modo preliminare l’effetto che l’applicazione su larga scala di una tecnica di rinforzo innovativa, il Composite Reinforced Mortar (CRM), potrebbe avere sulla riduzione della vulnerabilità sismica di questo patrimonio.

XX Convegno ANIDIS: focus su sicurezza sismica e vulnerabilità del costruito
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Il database di riferimento e le peculiarità delle scuole in muratura

Per costruire un quadro realistico e statisticamente significativo, lo studio si è basato su un database di 101 edifici scolastici in muratura esistenti, localizzati nella regione Friuli Venezia Giulia. La scelta di questa regione non è casuale: essa presenta diversi livelli di pericolosità sismica e, soprattutto, consente l’accesso a un ampio insieme di dati dettagliati, raccolti attraverso ricerche documentali e sopralluoghi diretti. L’analisi comparativa ha inoltre mostrato come le principali caratteristiche di questi edifici siano rappresentative del patrimonio scolastico in muratura anche a livello nazionale.

Le informazioni considerate fondamentali per l’analisi riguardano la distribuzione in pianta degli elementi resistenti, l’impronta e l’orientamento dei solai, la tipologia e lo spessore delle murature, il numero di piani e le loro altezze. Dal confronto con l’edilizia ordinaria in muratura emergono alcune peculiarità tipiche degli edifici scolastici che costituiscono potenziali fattori di maggiore vulnerabilità sismica. Tra queste si riscontrano luci di solaio più ampie, interpiani più elevati e una marcata variabilità nella distribuzione delle aperture, con la coesistenza di pareti molto finestrate e pareti quasi cieche, spesso tozze e rigide. Questo sbilanciamento si riflette in irregolarità significative di rigidezza e resistenza, con effetti negativi sul comportamento sismico globale.

La procedura semplificata per la definizione delle curve di fragilità

Considerata la numerosità del campione analizzato, non era praticabile un approccio basato su modellazioni di dettaglio e analisi non lineari complete per ciascun edificio. È stata quindi adottata una procedura semplificata, implementata attraverso l’applicativo First Step M Pro, sviluppato all’interno del dipartimento. Il metodo prevede una descrizione essenziale ma strutturalmente significativa dell’edificio, basata sulla collocazione in pianta degli elementi resistenti, ai quali vengono associate tipologie murarie, caratteristiche meccaniche e carichi agenti.

A ciascun elemento resistente viene assegnata una curva di capacità nel piano, modellata con un andamento elastoplastico semplificato. La rigidezza elastica convenzionale tiene conto sia del contributo flessionale sia di quello tagliante, mentre la resistenza è definita considerando i possibili meccanismi di collasso, quali il taglio, la fessurazione diagonale o la pressoflessione. Le capacità di spostamento sono associate al raggiungimento di drift limite, coerenti con le indicazioni normative e di letteratura. Questo approccio è stato applicato sia alle configurazioni non rinforzate sia a quelle rinforzate con CRM, adattando opportunamente rigidezze, resistenze e capacità deformative per includere il contributo dell’intonaco armato e delle reti in materiale composito.

Una volta definite le curve di capacità dei singoli elementi, il metodo consente di ricostruire la risposta globale di ciascun piano e dell’intero edificio, attraverso un processo iterativo che tiene conto dello spostamento del baricentro delle rigidezze al progredire del danneggiamento. In questo modo si ottengono le curve di capacità globali, dalle quali è possibile individuare i piani più vulnerabili e stimare lo spostamento in sommità. La procedura è stata validata mediante confronti con analisi pushover tradizionali su modelli globali, mostrando una buona coerenza dei risultati, seppur con le dovute semplificazioni.

Dalle curve di capacità globali sono stati poi individuati i punti corrispondenti al raggiungimento di diversi livelli di danno, dal lieve al molto pesante. Applicando il Capacity Spectrum Method, basato sul concetto di smorzamento viscoso equivalente, sono state ricavate le accelerazioni resistenti associate a ciascun livello di danno. Raggruppando tali valori per categorie omogenee di edifici, in funzione del numero di piani e dell’epoca di costruzione, è stato possibile determinare valori mediani e dispersioni statistiche e, infine, tracciare le curve di fragilità.

Risultati per gli edifici non rinforzati e lettura delle curve di fragilità

Le curve di fragilità ottenute per gli edifici non rinforzati evidenziano alcuni trend significativi. Gli edifici a un solo piano mostrano, in media, una vulnerabilità relativamente contenuta, con valori mediani di accelerazione associati a livelli di danno severi che possono raggiungere circa 0,45 g. Tuttavia, si osserva una riduzione di tali valori per le costruzioni realizzate tra il secondo dopoguerra e gli anni Settanta, periodo in cui le soluzioni architettoniche diventano più articolate e irregolari, con effetti negativi sul comportamento sismico.

Un aspetto particolarmente rilevante è il brusco incremento della vulnerabilità passando dagli edifici a un piano a quelli a due piani. L’aumento del numero di livelli comporta una riduzione significativa della capacità sismica, mentre ulteriori incrementi del numero di piani sembrano avere un’influenza meno marcata, suggerendo la presenza di meccanismi di collasso governanti già attivati nei fabbricati a due piani.

L’effetto del rinforzo CRM su scala territoriale

L’introduzione delle curve di fragilità relative alle configurazioni rinforzate con CRM mette in evidenza una chiara traslazione verso destra delle curve stesse, indicativa di un aumento della capacità sismica. Il beneficio del rinforzo risulta particolarmente marcato per alcune tipologie di edifici. Nel caso delle scuole a un piano, l’incremento di resistenza risulta talmente elevato da collocare le curve di fragilità al di fuori dell’intervallo di interesse, suggerendo la possibilità di sovraresistenze non sempre necessarie.

Più significativo è il risultato per gli edifici a due e tre piani, per i quali l’applicazione del CRM porta a incrementi mediani della capacità sismica compresi indicativamente tra il 40% e il 100% rispetto alla configurazione originaria. Questi valori confermano, su base statistica e territoriale, quanto già osservato in ambito sperimentale a livello di singoli elementi: il CRM migliora non solo la resistenza, ma anche la capacità di spostamento e la dissipazione di energia, aspetti fondamentali per la risposta sismica delle strutture in muratura.

Limiti dell’approccio e prospettive di sviluppo

Lo studio rappresenta un primo passo verso una valutazione quantitativa e su larga scala della vulnerabilità sismica delle scuole in muratura e dell’efficacia di una tecnologia di rinforzo innovativa. Uno dei principali punti di forza dell’approccio adottato risiede nel considerare esplicitamente la variabilità reale tra edifici, modellati nelle loro configurazioni effettive, anziché fare riferimento a pochi casi tipo o benchmark.

Al tempo stesso, il lavoro presenta alcuni limiti intrinseci. L’analisi è focalizzata sul comportamento globale nel piano e non considera esplicitamente i meccanismi fuori piano, sebbene evidenze sperimentali mostrino come il CRM sia efficace anche nel ridurne la probabilità di collasso. Inoltre, il rinforzo è stato applicato in modo uniforme, senza una progettazione calibrata sulla domanda sismica specifica, aspetto che influisce direttamente sulla forma delle curve di fragilità. Anche le incertezze legate alla domanda sismica sono state trattate in modo semplificato, facendo riferimento agli spettri normativi.

Questi aspetti aprono interessanti prospettive di sviluppo futuro, che includono l’ottimizzazione dell’intervento in funzione dell’impegno dei diversi piani, l’integrazione di modelli di domanda più raffinati e il confronto con altre tecniche di intervento compatibili con la muratura storica. In questo senso, il lavoro presentato costituisce una solida base metodologica per studi futuri orientati alla pianificazione degli interventi di riduzione del rischio sismico nel patrimonio scolastico italiano.

Testo redatto tramite la videoregistrazione della relazione, con l'ausilio dell'IA.