Gli elementi di bordo nei solai lignei rinforzati sismicamente con la tecnica del doppio assito

Nel recupero del costruito storico in muratura si pone spesso il problema di migliorare la risposta sismica dell’edificio, organizzando gli impalcati come diaframmi adeguatamente connessi alle murature per favorire il comportamento scatolare dell’edificio. Nell’ambito dei principi del restauro conservativo, l’obiettivo del lavoro è evidenziare il ruolo della tipologia e della disposizione delle connessioni tra assito e correnti sul comportamento a taglio nel piano di un diaframma realizzato con l’impiego di uno strato di assito diagonale vincolato sul contorno all’assito originale e ai correnti metallici. L’assito superiore diagonale ha un’inclinazione a 45° rispetto all’assito originale, disposto ortogonalmente ai travetti lignei. La prova ciclica sul campione in scala reale ha mostrato un comportamento stabile a taglio del diaframma fino al carico di progetto. Grazie a un diffuso monitoraggio degli spostamenti relativi tra correnti e pannello d’anima, i risultati della prova hanno messo in evidenza un andamento lineare del flusso degli sforzi di taglio lungo i correnti, contrariamente alla pratica progettuale che ipotizza usualmente un flusso uniforme. Il lavoro illustra anche una discussione in merito alla valutazione della rigidezza e della resistenza delle connessioni tra anima in legno del diaframma e correnti perimetrali metallici. Un modello numerico agli elementi finiti, caratterizzato da un comportamento elastico-lineare delle tavole del doppio assito e da un legame non lineare delle molle che simulano le connessioni chiodate tra correnti e diaframma, permette di cogliere con apprezzabile accuratezza la rigidezza secante al carico di progetto, il carico ultimo e l’andamento lineare del flusso degli sforzi di taglio lungo i correnti del campione testato.

La vulnerabilità sismica degli edifici in muratura

L’elevata vulnerabilità sismica degli edifici storici in muratura è principalmente attribuita ai meccanismi locali che riguardano il distacco delle pareti investite dalle azioni sismiche ad esse perpendicolari; nei casi più gravi il distacco è seguito dal ribaltamento di porzioni di muratura oppure dell’intera muratura con conseguenti crolli degli impalcati. Molti dei cinematismi classificati in letteratura sono generati e sono accomunati da questo fenomeno.

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Interventi per impedire i meccanismi di collasso degli edifici in muratura: la creazione di diaframmi di piano

Gli interventi proposti da decenni e previsti anche dalle norme per inibire questi meccanismi sono riconducibili alla formazione di diaframmi di piano in grado di trasformare l’edificio in una struttura scatolare. Se collegato in modo efficace alle pareti perimetrali, il diaframma è in grado di raccogliere le forze inerziali per trasferirle alle pareti resistenti al taglio, garantendo così un comportamento scatolare dell'intero edificio, che inibisce i meccanismi locali (Benedetti et al.1988, Tomaževič 1989, D’Ayala and Speranza 2002, Giuriani e Marini 2008).

Le tecniche tradizionali per la formazione dei diaframmi prevedevano il ricorso alle solette in c.a., come anche raccomandato o imposto dalle normative relativamente recenti. La normativa italiana del 1996 (D.M. 1996) valida fino all’entrata in vigore delle Norme Tecniche delle Costruzioni (D.M. 2008) imponeva la sostituzione dei solai lignei con solette in c.a. Era tollerata una deroga per i soli edifici monumentali di particolare pregio per i quali la conservazione di materia poteva costituire una esigenza della tutela.

I problemi che hanno dato le soletti in calcestruzzo
I recenti terremoti del centro Italia (2016-2017) hanno mostrato la totale inadeguatezza del ricorso alle solette in calcestruzzo che, a causa dell’elevata massa, hanno prodotto sollecitazioni non sopportate dalle murature in pietrame. Una seconda causa dei crolli può essere l’inadeguato collegamento tra solette e murature: quando i solai lignei vengono sostituiti dalle solette in c.a., la scarsa ammorsatura tra soletta e muratura portante è sufficiente per sostenere i carichi gravitazionali, ma del tutto insufficiente per trattenere le murature sollecitate fuori piano dal terremoto.

Il rinforzo dei solai in legno mediante uso di sottofondo strutturale

Per gli edifici storici, e in particolare per quelli tutelati, in alternativa alle solette in c.a., sono state studiate e proposte soluzioni compatibili con le esigenze della conservazione materica basate sul rinforzo dei solai lignei esistenti.
Tra esse molto diffusa è la tecnica del rinforzo che prevede la sostituzione del sottofondo compreso tra assito e pavimento esistente con un sottofondo strutturale, creando delle sezioni composte. Questa tecnica proposta e originata dall’esigenza di adeguamento per i carichi gravitazionali (Piazza e Turrini 1983, Giuriani e Frangipane 1993, Gelfi et al. 2002, Marini et al. 2018), è stata estesa al problema sismico per la formazione dei diaframmi (Giuriani et al. 1998).

Lo strato collaborante consiste nell’applicazione di una lastra in calcestruzzo normale (Ceccotti 2002, Piazza e Turrini 1983, Gelfi et al. 2002,) o ad alta resistenza (Meda and Riva, 2001), in malta idraulica naturale (Marini et al., 2018), o di una lastra in acciaio molto sottile (Gelfi e Giuriani 2000) o di fogli in FRP (Nowak et al. 2013, Li 2014).

Recentemente sono state proposte anche soluzioni a secco che prevedono l’uso di tavole di legno incrociate singole o doppie (Giuriani et al. 2005, Piazza et al. 2008, Piazza e Parisi 2015) o pannelli in CLT (Valluzzi 2007; Riggio 2013; Gubana and Melotto 2018) collegati ai travetti esistenti mediante tasselli o viti in acciaio. Queste tecniche possono essere utilizzate anche per la formazione di diaframmi in legno flessibili. Diversi studi hanno valutato sperimentalmente e numericamente il comportamento a puro taglio nel piano di diaframmi lignei rinforzati con materiali compositi (Corradi, 2006, Valluzzi 2007, Valluzzi 2013, Gattesco and Macorini 2014), con pannelli in CLT (Gubana and Melotto 2018, Branco et al. 2014) oppure con una semplice o doppia orditura di tavole in legno aventi differenti spessori, inclinazione e tipologia delle connessioni tra le tavole adiacenti (Corradi et al., 2006, Valluzzi 2007; Valluzzi 2013, Gattesco e Macorini 2014).

In altri studi sperimentali il diaframma in legno è stato studiato con differenti set up di prova, permettendo sia la deformazione flessionale sia deformazione a taglio del diaframma. In questo caso specifico, diverse sono le configurazioni dei diaframmi indagati: diaframmi con i) un singolo strato di pannelli plywood o assi in legno collegati mediante graffe metalliche (Brignola et al., 2014); ii) un singolo strato di pannelli plywood chiodati (Peralta et al., 2004, Wilson et al. 2014); iii) un secondo strato di tavole in legno collegate all’assito originale mediante chiodatura; iv) piatti diagonali in acciaio o in FRP, rispettivamente chiodati o incollati con resine al solaio esistente; v) reticolari in acciaio collegate all’intradosso del solaio (Peralta et al., 2004). I risultati sperimentali mostrano che le diverse tecniche proposte possono efficacemente migliorare la rigidezza e la resistenza nel piano dei solai lignei. I risultati possono essere considerati come un valido strumento di validazione di modelli analitici e numerici che mettono in luce la capacità dei diaframmi di piano di migliorare la risposta sismica globale degli edifici, sia controllando il distacco e il ribaltamento fuori piano delle pareti murarie, sia dissipando energia nei collegamenti tra gli elementi del diaframma (Gubana and Melotto, 2017; Preti et al. 2017, Magenes et al., 2018).

La tecnica a secco del doppio assito o dei pannelli lignei

Tra tutte le tecniche citate per il rinforzo sismico degli impalcati lignei esistenti, la tecnica a secco del doppio assito o dei pannelli lignei ha trovato un riscontro favorevole nell’ambito del restauro architettonico in quanto meno invasiva, dotata di elevato grado di reversibilità e priva dei rischi di umidità e di percolazione d’acqua. Queste tecniche a secco sono inoltre molto leggere e il comportamento sismico dell’edificio può beneficiare dalla riduzione sensibile delle azioni sismiche rispetto alle soluzioni con l’impiego di sottofondi strutturali in calcestruzzo.

La tecnica del doppio assisto, inoltre, comunemente adottata nel recupero di edifici storici, è preferita nell’ambito del recupero conservativo in quanto utilizza il medesimo materiale delle strutture esistenti.

Inoltre il doppio assito risulta traspirante, mentre i pannelli multistrato fenolico possono creare barriera al vapore e produrre condensa dal vapore acqueo.

La tecnica dei pannelli lignei leggeri è stata studiata e applicata anche per le coperture scatolari antisismiche che forniscono l’unica possibilità di un effettivo miglioramento sismico delle chiese per inibire il distacco e il ribaltamento fuori piano delle pareti (Giuriani e Marini 2008, Preti et al. 2017). Le coperture scatolari hanno registrato una certa diffusione per gli interventi di miglioramento sismico delle chiese danneggiate dal terremoto di Salò (2004) e dell’Emilia (2012).

L'importanza della connessione tra il diaframma e le pareti murarie

L'efficacia degli interventi di miglioramento sismico attraverso la realizzazione di strutture scatolari è governata dalla corretta progettazione della connessione tra il diaframma e le pareti murarie sia per inibire il ribaltamento fuori piano sia per trasferire le azioni sismiche di piano alle pareti sismo-resistenti. A tal fine, nella letteratura si possono trovare specifici studi tecnologici, sperimentali e analitici incentrati sul comportamento locale degli spinotti in acciaio che collegano il diaframma con le pareti in muratura (Giuriani et al. 1993, Felicetti et al. 1997, Marini et al. 2018).

La capacità portante degli spinotti, che possono essere inseriti sia a secco in fori calibrati sia in fori iniettati con resine o malte, dipende dalla qualità dell'acciaio e dalle proprietà meccaniche del materiale a stretto contatto con lo spinotto, che può essere sia malta, pietra o mattone. La tecnica degli spinotti infissi nella muratura, proposta inizialmente per gli edifici monumentali, ha trovato riscontro favorevole in quanto minimamente invasiva e con elevato grado di reversibilità.

Nel caso specifico dei diaframmi e coperture scatolari realizzate col doppio assito incrociato, oltre ai collegamenti tra diaframma e murature risulta di fondamentale importanza anche il collegamento tra tavole di legno e gli elementi di contorno del diaframma (ripartitori e correnti), realizzato usualmente con un profilato metallico (con sezione a L o rettangolare in Figura 1). Tale aspetto risulta poco approfondito in letteratura.

Figura 1. Ancoraggio del diaframma alla muratura (Giuriani, 2012).

Il presente lavoro si propone di mettere a fuoco le problematiche e di fornire indicazioni per una corretta ed esaustiva progettazione degli elementi di contorno, in funzione della distribuzione del flusso di taglio lungo il perimetro del diaframma che dipende dal comportamento locale delle connessioni tra tavole lignee ed elementi metallici.

Problematiche del diaframma realizzato con doppio assito e obiettivi del lavoro

Quando si rinforza un solaio ligneo con la tecnica del doppio assito, generalmente all’assito esistente sopra i travetti viene sovrapposto un secondo assito costituito da tavole nuove, perpendicolari a quelle esistenti oppure inclinate a 45°. La capacità di trasferire le azioni taglianti complanari risulta diversa nel caso di assito perpendicolare o inclinato. Nel primo caso il flusso resistente degli sforzi tangenziali dipende dalla larghezza delle tavole dello strato inferiore e di quello superiore e dal numero di chiodi presenti in ciascun nodo all’intersezione tra le due tavole sovrapposte. Nel caso dell’assito inclinato a 45°, invece, la resistenza al flusso degli sforzi tangenziali dipende dalla sola chiodatura lungo il contorno. In un recente rapporto tecnico Reluis (Giuriani et al., 2017) è stato mostrato con un esempio progettuale che nel primo caso il numero complessivo dei chiodi risulta di un ordine di grandezza superiore rispetto a quello con assito inclinato.

Per queste ragioni nel seguito lo studio viene limitato al caso dell’assito inclinato, per il quale la chiodatura può essere limitata, in via di principio, lungo il contorno. L’elemento di bordo realizzato viene collegato al doppio tavolato mediante chiodatura e alla parete sismo-resistente mediante spinotti e alle pareti perpendicolari alla direzione del sisma mediante ritegni.

Il presente lavoro si propone di esaminare in dettaglio il problema del trasferimento delle azioni di taglio complanari al diaframma tra doppio assito e profilato metallico. In particolare, vengono studiate le sollecitazioni locali nel tratto tra i travetti indotte dal flusso degli sforzi tangenziali paralleli al profilato metallico (e alla parete sismo-resistente). Nella prima parte del lavoro viene esaminato analiticamente il comportamento delle connessioni che trasmettono il flusso di taglio tra elemento metallico di contorno e l’anima del diaframma (doppio assito). Nella seconda parte della memoria vengono illustrati i risultati di una prova sperimentale in scala reale su un diaframma ligneo con assito inclinato. I risultati della prova, che hanno permesso di validare anche un modello numerico, mettono in luce il ruolo delle connessioni perimetrali sulla effettiva distribuzione del flusso di taglio lungo il perimetro del diaframma.

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Articolo tratto dagli Atti del XVIII Convegno ANIDIS