Telai di cerchiatura e interventi locali: variazioni di resistenza e di capacità di spostamento

I progetti strutturali che prevedono la trasformazione di pareti in muratura, con nuove aperture o modifica di quelle esistenti, frequentemente con realizzazione di telai di cerchiatura, possono essere inquadrati nell'ambito degli interventi locali purché sia soddisfatta una serie di requisiti, fra cui le limitazioni sulle variazioni di rigidezza, resistenza e capacità di spostamento. Qualora infatti tali variazioni comportino significative modifiche sul comportamento strutturale globale dell'organismo edilizio, diviene indispensabile la valutazione di sicurezza dell'edificio nella sua globalità.

I limiti sulle variazioni di rigidezza, resistenza e capacità di spostamento che permettono di considerare come 'locali' gli interventi sulle pareti murarie non sono definiti dalla Normativa Tecnica nazionale; alcune indicazioni specifiche sono disponibili in documenti emanati a livello regionale. Gli orientamenti della Regione Toscana pubblicati nel 2010 quantificano in +/-15% il limite sulla variazione di rigidezza che identifica come 'locale' l'intervento su di una parete muraria. Non risultano invece attualmente disponibili indicazioni specifiche sui limiti di variazione di resistenza e capacità di deformazione.

L'indagine proposta nel presente documento mira a quantificare il limite per la variazione di resistenza, attraverso studi sul comportamento non lineare, dove restano incluse anche considerazioni relative alla capacità di spostamento. Diviene in tal modo possibile calibrare l'intervento al fine di garantire che nella struttura nel suo insieme non si producano riduzioni dei livelli di sicurezza preesistenti né modifiche significative di rigidezza, resistenza e capacità di deformazione.

Interventi locali sulle pareti in muratura: diagramma di flusso

Gli interventi locali sulle pareti in muratura con realizzazione di telai di cerchiatura sono stati considerati in modo esplicito dalla Normativa tecnica per le costruzioni in zona sismica fin dal D.M. 16.1.1996; l'Ordinanza 3274 del 2003 con successive modifiche e integrazioni ha ripreso l'argomento introducendo il riferimento alla necessità di telai con adeguate rigidezza e resistenza.

Una trattazione più organica di queste tipologie di intervento è stata introdotta dal D.M. 14.1.2008 con relativa Circolare 617 del 2.2.2009, e successivamente perfezionata dal D.M. 14.1.2018 con corrispondente Circolare 7 del 21.1.2019 (in Appendice A si riassumono i principali contenuti normativi).

Secondo il DM 2008, per un intervento di apertura sulla parete muraria, si deve dimostrare che la rigidezza dell’elemento variato non cambia significativamente e che la resistenza e la capacità di deformazione, anche in campo plastico, non peggiorino ai fini del comportamento rispetto alle azioni orizzontali. 

Il DM 2018 mantiene sostanzialmente l'impostazione del Decreto precedente, ma richiede la dimostrazione che l’insieme degli interventi non modifichi significativamente rigidezza, resistenza nei confronti delle azioni orizzontali e capacità di deformazione della struttura.

Il DM 2018 estende il concetto di 'non peggioramento' a quello di 'modifiche non significative' e in §8.4 richiede che gli interventi locali non riducano le condizioni di sicurezza preesistenti (il DM 2008 richiedeva il miglioramento delle condizioni di sicurezza preesistenti).

Fig. 1. Diagramma di flusso dell'analisi di un intervento locale con modello semplificato 2D

Focalizzando quindi l'attenzione sugli effetti globali di un intervento locale, sarà possibile calibrare la progettazione locale dell'intervento in modo che non vi siano modifiche significative sul comportamento globale, o più precisamente: che le condizioni di sicurezza globali non si riducano per effetto dell'intervento.

Identificando la sicurezza dell'edificio col rapporto fra capacità e domanda, occorrerà quindi comparare le variazioni di rigidezza, resistenza e capacità di spostamento, rilevate localmente, con i corrispondenti effetti sulla struttura globale, definendo in tal modo un criterio di valutazione quantitativo dei limiti di variazione dei parametri meccanici tali da garantire che la progettazione locale sia corretta.

In fig. 1 è riportato il diagramma di flusso dell'analisi di un intervento locale con progettazione semplificata in ambiente 2D. I limiti su rigidezza, resistenza e spostamento costituiscono dati in input, con i quali devono essere confrontati i risultati dell'analisi: lo scopo della presente Ricerca è definire questi dati.

Intervento con cerchiatura: limite sulla variazione di rigidezza

L'intervento locale su di una parete in muratura determina variazioni sui parametri meccanici che ne caratterizzano il comportamento strutturale: rigidezza, resistenza e capacità di deformazione [1].

Si consideri anzitutto la rigidezza. Fin da quando gli interventi locali sono stati sottoposti a valutazione di sicurezza, il confronto della rigidezza fra stato di fatto e stato di progetto ha guidato il dimensionamento progettuale. 

Per garantire ad apertura effettuata il ripristino della funzionalità strutturale della parete muraria rispetto alla configurazione precedente, è possibile perseguire l'equivalenza meccanica fra telaio inserito e muratura rimossa attraverso il confronto sulla rigidezza alla traslazione orizzontale. Tuttavia, il confronto fra rigidezza del telaio di cerchiatura e pannello murario rimosso costituisce un reale indice di sicurezza solo se è garantita una perfetta connessione tra muratura e telaio. 

A causa dell'incertezza sulla perfetta connessione telaio/muratura, dovuta all'eterogeneità dei materiali e alla complessa quantificazione delle capacità degli ancoraggi, il confronto di rigidezza fra Stato Attuale e Stato di Progetto viene esteso all'intera parete oggetto di intervento, dove maschi murari e telaio di cerchiatura vengono considerati collaboranti in parallelo. 

Per 'parete' si intende il solido murario bidimensionale delimitato: 

• nel proprio piano:  dalle pareti murarie ad esso ortogonali,
• superiormente ed inferiormente: dagli orizzontamenti dell'edificio.

Nel 2010 la Normativa tecnica della Regione Toscana ha introdotto una quantificazione della variazione di rigidezza, assunta in seguito come riferimento anche da altre Regioni.

Si è evidenziato che ai fini del dimensionamento degli elementi e della parete nel suo stato di progetto, la rigidezza dell'elemento variato (parete) non deve cambiare significativamente rispetto allo stato preesistente (± 15%).

Fig. 2. Esempio di verifica di rigidezza soddisfatta 

Il limite ±15% sulla variazione di rigidezza corrisponde quindi ad una valutazione locale di sicurezza volta ad assicurare una modifica non sostanziale della struttura nel suo insieme.

Questo controllo viene eseguito sul modello locale, cioè un modello 2D coincidente con la parete oggetto di intervento posta al proprio interpiano, sottoposta ai carichi trasmessi dai solai su di essa impostati e dai piani sovrastanti. Assunta tale limitazione, dal punto di vista della verifica di rigidezza non è in generale necessaria la valutazione del comportamento strutturale globale in un modello 3D. 

Sulle variazioni di resistenza e di capacità di deformazione, gli Orientamenti della Regione Toscana, datati 2010, si conformano al DM 2008 e indicano il requisito del 'non peggioramento'. 

Secondo le prescrizioni del DM 2018, per la progettazione locale si evidenzia la necessità di quantificare la modifica 'non significativa' su resistenza e capacità di deformazione, fino ad ora non esplicitata da documenti normativi, tale da garantire che le condizioni di sicurezza globali non si riducano.

A tal fine, diviene indispensabile studiare il comportamento della parete oggetto di intervento (modello 2D di interpiano) in relazione all'organismo murario nel suo insieme (modello 3D del piano completo) per comprendere quali siano i limiti accettabili per le variazioni dei parametri meccanici nel modello locale 2D ⁽¹⁾.

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⁽¹⁾ Si rende opportuna un'osservazione sul metodo di analisi del comportamento sismico delle strutture in muratura. Fare riferimento a 'rigidezza, resistenza e capacità di deformazione anche in campo plastico' significa considerare il modello non lineare, tipico dell'analisi pushover. Peraltro, la progettazione delle pareti murarie oggetto di intervento con modelli 2D si svolge normalmente costruendo le due curve di capacità allo Stato Attuale e allo Stato di Progetto e confrontandole fra loro per valutare le modifiche di progetto. Fra i diversi tipi di analisi delle strutture in muratura è in alternativa prevista l'analisi lineare dinamica modale (§C8.7.1.3.1): "(...) La verifica della risposta globale di costruzioni esistenti in muratura allo stato limite ultimo può essere eseguita con i metodi dell’analisi lineare o non lineare (...)".

In analisi lineare dinamica modale la resistenza di una singola parete non incide sulle sollecitazioni sismiche che investono le altre pareti: pertanto, dal punto di vista della variazione di resistenza l'intervento locale risulta ininfluente sulla risposta globale, ed è sufficiente assicurare che la resistenza localmente non peggiori. 

Facendo invece riferimento ad un'analisi non lineare, più appropriata per le costruzioni in muratura, la verifica globale dipende dalle capacità in termini di resistenza e di spostamento delle singole pareti in modo correlato: sul risultato finale infatti influisce la sequenza delle crisi progressive; la capacità della struttura viene relazionata alla domanda attraverso una bilineare, ricavata dalla curva pushover, la cui costruzione chiama in causa capacità in termini di resistenza e di spostamento. Poiché tuttavia l'intervento locale consiste nella valutazione della sicurezza sulla sola parete interessata, affinché ciò sia appropriato, evitando l'analisi pushover globale dell'organismo murario, è necessario definire i limiti entro cui le variazioni della resistenza e della capacità di spostamento, valutate sulla singola parete, non influiscono in modo sostanziale sul resto della struttura ossia non ne riducano le condizioni di sicurezza.

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Effetti globali di un intervento locale

In un organismo murario tridimensionale (rappresentato da un modello 3D), un aspetto fondamentale riguarda il comportamento degli orizzontamenti in relazione alla ripartizione delle azioni sismiche fra le pareti. Seguendo le indicazioni normative (DM 2018, §7.2.6) un solaio può essere considerato rigido se realizzato in calcestruzzo armato oppure in laterocemento con soletta in c.a. di almeno 40 mm. di spessore, o in struttura mista con soletta in c.a. di almeno 50 mm. di spessore collegata agli elementi strutturali in acciaio o in legno da connettori in acciaio opportunamente dimensionati.

Per gli edifici esistenti (§C8.7.1): "(...) Nel caso di solai infinitamente rigidi e ben collegati alle pareti d'ambito è consentita la ripartizione delle azioni orizzontali in base alla capacità di resistenza, alla rigidezza e alla posizione in pianta delle varie pareti. 

Nel caso di solai di rigidezza trascurabile ciascuna parete può essere verificata per le azioni che le competono direttamente per aree di influenza dei solai a essa vincolati, tenendo conto, sempre per area di influenza, di quelle ad essa trasmesse dalle pareti investite ortogonalmente al proprio piano.

Nella situazione intermedia tra questi due casi limite, ovvero in presenza di solai con rigidezza finita, la risposta può essere ottenuta inserendo nel modello della costruzione le caratteristiche meccaniche di ciascun solaio orizzontale, ove ragionevolmente identificabili (...). In via approssimata e in alternativa alla modellazione esplicita dei diaframmi, sulla base di opportune considerazioni è possibile riferirsi ai casi limite di analisi con solai infinitamente rigidi e analisi per singole pareti. (...)"

Fig. 3. Effetto globale di un intervento locale

Nel caso di solai deformabili, quindi, il modello locale 2D della parete oggetto d'intervento appare esaustivo: data la scarsa collaborazione con le altre pareti, le variazioni su rigidezza, resistenza e capacità di deformazione potranno essere considerate non influenti sul comportamento d'insieme della struttura ⁽²⁾. Eseguito quindi il controllo sulla variazione di rigidezza contenuta entro il 15%, considerato in ogni caso a vantaggio di sicurezza, ed accertato il 'non peggioramento' locale della parete per resistenza e capacità di deformazione, il progetto dell'intervento locale può considerarsi completato.

Nel caso di solai rigidi (schematizzati come infinitamente o parzialmente rigidi), lo studio del modello 3D è imprescindibile per definire i limiti di variazione di resistenza e capacità deformativa che identificano come 'locale' l'intervento della parete, convalidando in tal modo l'analisi col modello 2D. 

Lo studio, di tipo parametrico, viene condotto ipotizzando per la parete diverse posizioni in pianta: la rigidità del solaio determina infatti interazioni di tipo torsionale che incidono sul sovraccarico sismico di alcune pareti rispetto ad altre, in relazione alla posizione geometrica reciproca. L'idea di base consiste nell'ipotizzare che il miglioramento corrispondente ad una posizione 'baricentrica' della parete possa vanificarsi quando una parete con le medesime caratteristiche meccaniche viene a trovarsi in una posizione 'eccentrica'.

...CONTINUA. 

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⁽²⁾ E' opportuno osservare che negli edifici reali, anche in presenza di solai deformabili, si generano interazioni fra le pareti a causa degli ammorsamenti verticali fra le stesse: se la 'scatola' muraria è ben connessa, al di là della rigidezza del solaio, le pareti sono tra loro collaboranti. In via approssimativa, e visto che comunque il risultato del progetto di confronto fra Stato Attuale e Stato di Progetto si esplica in un giudizio 'relativo' di miglioramento e non 'assoluto' di capacità, in assenza di solai rigidi viene in generale per semplicità seguita la via del solo modello 2D.