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Risposta sismica delle strutture in muratura confinata

Nel presente articolo viene analizzata la risposta sismica delle strutture in muratura confinata, in modo da evidenziare le elevate capacità di resistenza e dissipazione ottenute dall’effetto del confinamento dei telai in c.a. Un caso studio di una parete 2D multipiano permetterà di valutare tale effetto utilizzando l’approccio a macroelementi 3D presente nel software Fata Next.

Nel presente articolo viene analizzata la risposta sismica delle strutture in muratura confinata. Tale tipologia strutturale, nonostante la trattazione presente nelle norme tecniche delle costruzioni di cui al D.M.14.01.2008 (Verifiche di edifici esistenti) e D.M.17.01.2018 (Verifiche edifici esistenti e progettazione ex-novo) passa inosservata a volte confusa con la muratura armata.

Si tratta di una tipologia che si affermò all’inizi del 1900 con la ricostruzione post-sisma del terremoto di Messina nel 1908, a seguito dell’emanazione il 18/04/1909 del Reggio Decreto n°193 che presentò novità assolute nell’ambito delle norme costruttive nel territorio italiano.

Dopo una trattazione storica dell’utilizzo della muratura confinata, l’entrata nelle nuove norme tecniche anche per la costruzione del nuovo, la risposta sismica e i principali meccanismi di danneggiamento, vengono proposti i modelli di calcolo e metodi di analisi più utilizzati. Un caso di studio su una parete 2D multipiano permetterà di valutare l’effetto del confinamento che caratterizza questo sistema rispetto alla muratura ordinaria e telai tamponati.

 

Cenni storici sulle tipologie in muratura confinata

L’impiego delle costruzioni in muratura confinata proviene da un’evoluzione tecnologico-costruttiva che negli anni ha fornito buone prestazioni nei confronti di eventi sismici di medio ed elevata intensità.

La tipologia è costituita da pannelli di muratura portante che sono incorniciati con dei telai in calcestruzzo armato la cui funzione è quella di migliorare il comportamento sismico della muratura grazie ad un effetto confinamento del telaio.

Edificio in muratura confinata: (a) struttura d’insieme e (b) dettagli costruttivi.
Figura 2.1: Edificio in muratura confinata: (a) struttura d’insieme e (b) dettagli costruttivi. (Fondazione Eucentre – Ing. Paolo. Morandi)

    

L’impiego di tale tecnologia in Italia riguarda la ricostruzione post-sisma del terremoto di Messina (magnitudo M7.2) del 1908 (fig.2.2).

  

Fasi costruttive di edifici in muratura confinata tipici della ricostruzione di Messina e Reggio Calabria dopo il terremoto del 1908.
Figura 2.2: Fasi costruttive di edifici in muratura confinata tipici della ricostruzione di Messina e Reggio Calabria dopo il terremoto del 1908 (Calio et.al).

  

Negli ultimi decenni le costruzioni in muratura confinata sono state adottate in Europa (Slovenia, Serbia), in America Latina (Messico, Cile, Perù, Colombia, Argentina), in Medio Oriente e nei paesi arabi (Iran, Algeria, Marocco) e in Asia (Indonesia, Cina).

È importante notare come le strutture in muratura confinata siano diffuse in aree caratterizzate da una pericolosità sismica estremamente elevata. Gli edifici in muratura confinata ben realizzati sono capaci di contrastare le azioni di terremoti con elevata intensità senza arrivare al collasso ed in alcuni casi con assenza di danni significativi.

Le prestazioni sismiche degli edifici in muratura confinata risalgono al terremoto del Cile 1939 (M7.8), dove nella cittadina di Chillán, il sisma ha raggiunse il IX grado di intensità della scala Mercalli, causando un bilancio di 30.000 vittime, oltre il 50% di tutti gli edifici in muratura confinata ispezionati è sopravvissuto al terremoto senza danni.

Successivamente gli edifici in muratura confinata sono stati interessati da diversi e importanti terremoti, a seguito dei quali sono state osservate delle buone performance al danneggiamento. Da ricordare sono il terremoto di Llolleo del 1985 (M7.8) e, più recentemente, del terremoto di Maule del 2010 (M8.8) in Cile e del terremoto di Pisco in Perù del 2007 (M8.0).

 

Le novità introdotte dalle NTC 2018

In Italia la muratura confinata trova la collocazione normativa a seguito della pubblicazione in Gazzetta Ufficiale del DM.17/01/2018. Tutti i precedenti Decreti, emanati in attuazione della Legge 64 del 1974, non hanno mai riconosciuto questo sistema costruttivo per resistere alle azioni sismiche.

Infatti soltanto attraverso l’applicazione di quanto riportato negli Eurocodici 6 e 8, antecedentemente all’uscita del D.M. 17/01/2018, si potevano progettare edifici in muratura confinata.

I paragrafi 4.5.8, 7.8.4 e 7.8.6.3 delle NTC 2018 trattano questa “nuova” tipologia di edifici in muratura portante caratterizzati da elementi di confinamento realizzati “in calcestruzzo armato o in muratura armata”.

Il par. 7.8.6.3 stabilisce le regole di dettaglio per la definizione dei particolari costruttivi necessari al raggiungimento dell’obiettivo proprio della suddetta tipologia strutturale, nella fattispecie l’incremento delle caratteristiche capacitive dei pannelli murari per il tramite dell’ingranamento con gli elementi perimetrali di bordatura, a loro volta mutuamente collegati.

La Circolare esplicativa n.7 del C.S.LL.PP. del 21/01/2019 chiarisce inoltre, al par. C.8.7.6.3, un aspetto non trascurabile per edifici in muratura, ovvero che “come per le costruzioni in muratura armata è possibile derogare dal requisito di avere agli incroci delle pareti perimetrali zone di parete muraria di lunghezza non inferiore ad un metro su ciascun lato dell’angolo”.

Per quanto sopra riportato, l’utilizzo della muratura confinata in zona sismica rappresenta, tenendo in considerazione anche gli elevati valori sia del fattore di comportamento q che del rapporto di sovraresistenza αu1 ad essi assegnati dalle NTC2018, una “nuova” efficiente tecnica per resistere alle azioni sismiche di progetto e per garantire ridotti livelli di danneggiamento anche per sismi di significativa entità.

   

Tipologia e tecniche costruttive

Per ottenere strutture sicure e convenienti preservando al contempo l’autenticità della costruzione in muratura, nel corso degli anni sono stati sviluppati vari metodi per rinforzare le pareti in muratura.

La muratura confinata (CM) è una di queste tipologie abitative che ha dimostrato di essere sicura ed economica. Inizialmente sviluppata per ricostruire gli edifici danneggiati durante il terremoto di Messina (Italia) del 1908 di magnitudo 7,2, la tecnica CM si è poi diffusa in paesi ad alto rischio sismico come Messico, Colombia, Cile e vari altri paesi.

La muratura confinata è stata utilizzata nell'edilizia residenziale con realizzazione di strutture che vanno da uno a sei piani.

Il sistema CM prevede la realizzazione di pareti in muratura, seguita dal getto in opera di colonne e travi in ca nominalmente armate in corrispondenza perimetro di ciascuna parete e attorno alle aperture. I componenti chiave di un tipico edificio CM sono illustrati nella Figura 4.1.

  

Caratteristiche dell'edificio in muratura confinata.
Figura 4.1. Caratteristiche dell'edificio in muratura confinata. (Bonisha Borah 1, Hemant B. Kaushik 1,* and Vaibhav Singhal 2)

  

I carichi verticali e quelli laterali vengono trasmessi dalle solette dei solai alle pareti.

Nella costruzione CM, la parete in muratura trasmette il carico verticale dei solai alla fondazione e garantisce l’adeguata resistenza alle azioni sismiche. I pilastri e le travi in c.a. della cornice forniscono sostegno alle pareti in muratura, migliorandone la stabilità laterale e impedendo la completa disgregazione nel caso di forti terremoti.

Per migliorare il contatto (aderenza) tra le pareti in muratura e gli elementi di collegamento in c.a., vengono utilizzati bordi dentati, ovvero elementi di muratura sfalsati in corrispondenza delle posizioni dei pilastri.

Negli edifici CM sono previste fasce orizzontali continue per proteggere la parete dalla possibilità di collasso durante un terremoto, queste fasce orizzontali con elementi di confinamento verticale si estendono solo fino all'altezza dell'apertura e fungono da confinamento delle stesse.

La risposta della parete migliora in presenza di cedimenti eccessivi in condizioni di terreno soffice. La Figura 4.2 mostra un semplice confronto tra le tre tipologie di costruzione:

  • Muratura ordinaria (MO);
  • Telai in c.a. con tamponature (TT);
  • Muratura confinata (CM).

al fine di fornire una comprensione di base del loro comportamento sotto carico.

Nella muratura tradizionale, le pareti sono progettate per resistere alle azioni sismiche orizzontali e verticali le quali si danneggiano e/o collassano gerarchicamente con modalità di pressoflessione/rocking e taglio per fessurazione diagonale o scorrimento nel piano.

Le altre due tipologie costruttive, invece, utilizzano anche elementi in calcestruzzo armato diversi da quelli in muratura.

Sebbene i telai in c.a. tamponati e le strutture in muratura confinata possano apparire simili, il loro comportamento meccanico sotto azioni gravitazionali e sismiche differisce in modo significativo.

Negli edifici con telaio in c.a. con muratura di tamponamento, gli elementi in c.a. vengono prima gettati e progettati per resistere a tutti i carichi previsti sulla struttura, successivamente viene realizzato un pannello di tamponamento.

Di solito esiste un piccolo spazio tra l'intradosso della trave e il pannello di muratura dovuto al fatto che il carico di gravità trasferito al pannello di tamponamento è quasi trascurabile. Sotto carico laterale, il telaio in c.a. tenta di deformarsi in modalità flessionale, mentre il tamponamento primario si deforma sotto sollecitazione di taglio, causando la separazione tra gli elementi del telaio e le pareti lungo l'interfaccia.

Nelle strutture in muratura confinata CM, la cornice di calcestruzzo viene gettata in opera dopo la parete in muratura, determinando un'azione composita integrale tra telaio e pannello. La parete in muratura è l'elemento portante principale, lo scopo principale delle cornici in c.a. con piccole dimensioni è quello di migliorare la stabilità laterale della parete in muratura, potenziandone la capacità di deformazione duttile e il grado di connessione con altre pareti e diaframmi di solaio.

La muratura confinata offre vantaggi economici, poiché sfrutta tutta la resistenza della muratura nell'elemento portante principale invece del telaio di confinamento in ca. In sintesi, tale tipologia è un metodo sicuro, conveniente ed efficace per costruire edifici in muratura in grado di resistere all’attività sismica ed è stato utilizzato con successo in vari paesi in tutto il mondo.

   

Confronto tra (a) muratura tradizionale, (b) telaio in c.a. tamponato e (c) parete in cm.
Figura 4.2. Confronto tra (a) muratura tradizionale, (b) telaio in c.a. tamponato e (c) parete in cm. (Bonisha Borah 1, Hemant B. Kaushik 1,* and Vaibhav Singhal 2).

  

Comportamento strutturale e meccanismi di danno

La capacità delle strutture in muratura confinata di resistere alle azioni orizzontali è ottenuta attraverso l'azione combinata delle pareti in muratura e degli elementi di confinamento in ca adiacenti, inclusi pilastri e travi, nonché una combinazione delle fasce murarie e dei solai.

Nel CM, il cedimento dovuto al solo carico verticale non è considerato un problema critico poiché le pareti in muratura sono sempre progettate in modo tale da essere soggette a sollecitazioni di compressione assiale relativamente minori.

Nonostante siano progettate per resistere a carichi verticali, le strutture in muratura possono comunque subire modalità di cedimento critiche se soggette a gravità e carichi sismici laterali, poiché la bassa resistenza a trazione della muratura può diventare un fattore limitante. Come riportato nella letteratura passata, gli edifici CM hanno funzionato in modo eccellente durante i terremoti.

Le osservazioni effettuate durante i terremoti passati hanno rivelato danni agli edifici CM che presentavano alcuni difetti di progettazione e costruzione. Questi difetti includevano:

  • l'uso di materiali di scarsa qualità;
  • colonne di collegamento insufficienti alle intersezioni delle pareti e intorno alle aperture;
  • una mancanza di dettagli nelle colonne di collegamento in c.a.;
  • ancoraggio insufficiente del rinforzo negli elementi di collegamento;
  • collegamenti inadeguati del diaframma e problemi torsionali a causa di irregolarità.

Precedenti rapporti sui danni sismici e studi di ricerca hanno identificato diverse potenziali modalità di fallimento degli edifici in muratura confinata, che includono:

  • il cedimento nel piano;
  • il ribaltamento o il cedimento fuori dal piano;
  • il cedimento del diaframma;
  • il cedimento della connessione e il cedimento non strutturale.

Le pareti di un edificio sono generalmente classificate come pareti nel piano o fuori piano (Figura 5.1), ed è necessario che le stesse abbiano una resistenza sufficiente per resistere ad entrambe le azioni. Gli effetti sismici nel piano risultano critici nelle pareti del piano terra. D’altra parte, gli effetti fuori piano sono prevalenti nei piani superiori.

   

Descrizione del comportamento delle strutture in muratura confinata - (a) direzione nel piano e (b) direzione fuori dal piano.
Figura 5.1. Descrizione del comportamento delle strutture in muratura confinata (a) direzione nel piano e (b) direzione fuori dal piano.(Bonisha Borah 1, Hemant B. Kaushik 1,* and Vaibhav Singhal 2)

  

La modalità di rottura nel piano è particolarmente critica per le pareti in muratura confinata perché si verifica lungo il percorso di trasferimento del carico laterale primario (Figura 5.1a).

Quando sottoposte a carico laterale in direzione fuori piano (come mostrato nella Figura 5.1b), le pareti in muratura subiscono sollecitazioni di flessione e taglio che possono causare fessurazioni a causa della limitata resistenza a trazione della muratura, aumentando il rischio di collasso dovuto al ribaltamento.

Il cedimento fuori piano in una parete può essere verticale o orizzontale a seconda delle distanze relative tra i supporti laterali verticali e orizzontali.
Fattori come la geometria della parete, la flessibilità del diaframma e la connessione con elementi di confinamento adiacenti influenzano la risposta fuori piano.

Nei terremoti, il cedimento fuori dal piano delle pareti murarie (muratura ordinaria - MO) è una delle modalità di cedimento più comunemente osservate.

Inoltre, si è riscontrato che la muratura allentata sotto la trave dei telai in c.a. tamponati (TT) è abbastanza comune, con conseguente collasso fuori piano dei pannelli.

Invece, le pareti in muratura confinata presentano un'integrazione superiore tra le stesse e gli elementi di collegamento in c.a. adiacenti grazie alle loro sequenze costruttive. Il legame efficace tra il telaio confinante e il e la parete in muratura negli edifici CM crea una spinta sulle travi e sulle colonne, formando un meccanismo di arco, migliorandone la resistenza fuori dal piano rispetto alle tipologie in muratura ordinaria e telai tamponati.

Le modalità di collasso della muratura confinata CM possono variare in base a una serie di fattori, inclusi parametri geometrici quali proporzioni e snellezza, nonché il tipo e l'entità del carico, come osservato in diversi studi precedenti (Tabella 5.1). Come mostrato nella tabella 5.1.

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