Valutazione e consolidamento delle strutture esistenti in muratura: approcci metodologici e tecniche di rinforzo

Strutture esistenti in muratura portante

Le costruzioni in muratura rappresentano una parte significativa del patrimonio edilizio italiano, molte delle quali sono di grande valore storico, architettonico e culturale. Per millenni, l'uomo ha utilizzato la muratura come principale materiale da costruzione, grazie alla sua disponibilità e versatilità; edifici storici, come chiese, palazzi e abitazioni, sono costruiti in muratura e testimoniano l'evoluzione delle tecniche costruttive nel corso dei secoli.

Questo metodo di costruzione è stato predominante fino ai primi decenni del XX secolo, quando le moderne tecnologie e materiali innovativi, come il calcestruzzo armato, hanno iniziato a prevalere.

La resistenza sismica delle strutture in muratura esistenti è un tema complesso che richiede una valutazione accurata delle condizioni strutturali. Uno dei passaggi fondamentali nella valutazione della vulnerabilità sismica consiste nella creazione di un modello strutturale su cui effettuare analisi statiche e dinamiche.

Il tema della modellazione e dell'analisi sismica degli edifici in muratura è una delle sfide più critiche per l'ingegnere civile, in particolare per l'ingegnere strutturista: un modello basato su insufficienti analisi storico-critiche, rilievi e indagini potrebbe non rappresentare adeguatamente la struttura reale e di conseguenza, questo modello potrebbe non riflettere il comportamento dinamico effettivo della struttura o di alcune sue parti.

Per la gestione degli edifici esistenti in muratura, la Suite 4U offre diversi software per soddisfare i diversi livelli di complessità richiesti per lo studio di queste strutture:

• Meccanismi locali permette di valutare l'attivazione di meccanismi locali di collasso sismico
  
• MasterSap 4U consente di analizzare il comportamento globale delle strutture sia sotto azioni sismiche che statiche, utilizzando analisi lineari o pushover
  
• MasterMuri verifica la capacità resistente della muratura, sia a pressoflessione che a taglio, sia nello stato di fatto che dopo l’intervento di rinforzo
  
• Verifiche Rinforzi & Muratura Armata, che può operare sia all'interno di MasterMuri che autonomamente, permette di progettare interventi per rinforzare le pareti murarie con diverse tipologie di rinforzo.

 

Elementi critici per la sicurezza sismica delle murature

Le strutture in muratura esistenti in Italia presentano una varietà di comportamenti sismici, influenzati da diversi fattori come la qualità dei materiali, la tecnica costruttiva e la presenza o meno di elementi di rinforzo. I parametri fondamentali sono quindi:

• qualità della muratura, che è un parametro cruciale nel definire resistenza e rigidezza di ogni singolo elemento portante e il comportamento “monolitico” o meno di quest’ultimo.
  Su questo incide ovviamente anche l’ eterogeneità del materiale, composto da blocchi, naturali o artificiali, sovrapposti con o senza interposizione di malta.
  
• collegamenti tra le murature: è cruciale per garantire che le pareti lavorino insieme come un sistema integrato, distribuendo le forze sismiche in modo uniforme
  
• collegamento tra orizzontamenti e muratura: necessario per distribuire le azioni orizzontali tra le pareti strutturali. Per poter garantire questo, oltre ad essere ben collegati alle pareti, gli orizzontamenti devono essere sufficientemente “rigidi”

Le Norme Tecniche prescrivono due tipologie di verifiche per gli edifici esistenti in muratura: una nei confronti dei meccanismi di collasso locale e l'altra per i meccanismi di collasso globale. Nell’assenza di un comportamento scatolare, la struttura non offre un comportamento unitario ma reagisce al sisma come un insieme di sottosistemi (macroelementi): in questo caso la verifica su un modello globale non riflette accuratamente il suo comportamento sismico reale ma deve essere effettuata attraverso un insieme completo di verifiche locali.

1. Collasso Locale: Questo tipo di collasso coinvolge singoli pannelli murari o porzioni più ampie della costruzione. È spesso favorito dalla mancanza di collegamenti efficaci tra le pareti e gli orizzontamenti, e negli incroci murari. I meccanismi locali possono includere il ribaltamento delle pareti, la fessurazione e la disgregazione della muratura.
2. Collasso Globale: Questo tipo di collasso interessa l'intera costruzione e coinvolge i pannelli murari prevalentemente nel loro piano. La resistenza globale dell'edificio può essere migliorata impedendo i meccanismi di collasso locale attraverso accorgimenti costruttivi come collegamenti e incatenamenti.

 

In questa trattazione, esamineremo le possibilità di intervento disponibili, facendo riferimento alle Norme Tecniche per le Costruzioni D.M. 17.01.2018 (NTC 2018) e alla Circolare n. 7 del 21 gennaio 2019 (Circolare 2019), concentrandoci sugli interventi locali o di riparazione.

  

Approccio Metodologico e Progettuale

Prima di avviare qualsiasi tipo di modellazione o progettazione di interventi, è fondamentale valutare la qualità dei materiali murari esistenti: se il materiale non possiede una capacità adeguata, qualsiasi intervento previsto risulterà inefficace. Sebbene possa sembrare un'ovvietà, spesso questa disamina viene eseguita in modo incompleto, non coprendo l’intera struttura, che negli anni può aver subito anche diverse modifiche. Pertanto, se si rileva una resistenza insufficiente della muratura, il primo passo sarà il ripristino o il miglioramento delle proprietà meccaniche della muratura.

Una volta determinata la qualità muraria, si procede all'analisi dei dettagli costruttivi. Questi dettagli permettono di stabilire se la struttura sviluppa un comportamento globale o se le pareti tendono a comportarsi indipendentemente, generando i cosiddetti "meccanismi locali".

Solo al termine di questo processo sarà possibile definire la metodologia progettuale, il tipo di intervento e il relativo dimensionamento, fissando l'obiettivo finale in termini di sicurezza statica e sismica, considerando anche l’impatto economico dell’intervento.

 

Interventi di Consolidamento (qualità muraria)

Vi sono una vasta serie di sistemi di rinforzo per il consolidamento e l’incremento di capacità dei pannelli murari.

Compositi Fibrorinforzati a Matrice Polimerica (FRP)

Questa tipologia di intervento consiste nell’applicazione di fasce di tessuto fibrorinforzato impregnate con resine di varia natura (FRP Fiber Reinforced Polymers, materiali fibrorinforzati a matrice polimerica).

Questa tipologia di rinforzo può essere progettata all’interno di Verifiche Rinforzi, è l’applicativo della Suite 4U di AMV sviluppato appositamente per il dimensionamento dei rinforzi sia per elementi in muratura che in CA.

 

  

La procedura di inserimento dati per il dimensionamento del rinforzo si suddivide in tre parti, poste in tre schede:

• Elementi, dove si andranno definire la geometria della parete (base, altezza e spessore) e parametri meccanici dei materiali esistenti (peso specifico e caratterizzazioni relative alla definizione della resistenza).
  
• Tessuti, dove verranno esplicitate le scelte operative per il dimensionamento del rinforzo: tipologia del sistema (tessuto FRP), numero di strati e dimensioni delle fasce, distinti per fasce a pressoflessione (verticali) e a taglio (diagonali o orizzontali).
  
• Sollecitazioni di sforzo normale, taglio e momenti flettenti nel piano e fuori piano della parete
  Si sottolinea che il rinforzo della muratura a pressoflessione e taglio prevede di applicare il sistema su entrambe le facce della parete.

Nel caso in cui si stia procedendo con una verifica interattiva, ossia si stia operando all’interno del postprocessore MasterMuri, i dati relativi alle schede elementi e sollecitazioni sono già automaticamente compilati, queste ultime appariranno all’atto della verifica.

 

Cucitura attiva con nastri in acciaio pretesi (CAM)

Questo sistema realizza reticolo tridimesionale, una vera e propria “gabbia” con nastri pretesi in acciaio inossidabile, capace di conferire alla muratura una buona connessione trasversale e un benefico stato di precompressione triassiale che ne migliora il comportamento. I nastri infatti realizzano un sistema continuo di tirantatura che ripercorre la parete sia orizzontalmente che verticalmente, migliorandone così sia il comportamento a taglio che a pressoflessione.

Anche questa tecnologia è stata implementata all’interno di Verifiche rinforzi e come nel caso dei tessuti FRP, la procedura di inserimento dati per il dimensionamento del rinforzo percorre tre blocchi, ossia tre schede:

• Elementi.
  
• CAM®, dove verranno specificate le scelte operative per il dimensionamento del rinforzo, quali lo schema adottato nella disposizione delle forature, il numero dei nastri verticali e orizzontali ed il relativo passo, spessore e larghezza, nonché la resistenza a trazione.
  
• Sollecitazioni.

 

 

Nel caso in cui si operi una verifica interattiva operando all’interno del postprocessore MasterMuri, i dati di Elementi e Sollecitazioni sono già automaticamente compilati e adeguatamente ‘protetti’.

 

Compositi Fibrorinforzati a Matrice Inorganica (FRCM)

Costituiscono un sistema composto da una rete di fibre – come acciaio ad alta resistenza, carbonio, vetro, aramide e basalto – e una matrice inorganica (malta) a base di cemento o calce. Questo sistema produce una "malta rinforzata" che, applicata all'elemento strutturale, ne incrementa la resistenza a trazione, risultando efficace nel colmare le carenze di resistenza sia a taglio-trazione che a pressoflessione. Gli spessori dell'FRCM variano dai 15 ai 30 mm.

Il progettista, per definire i principi e le regole progettuali degli interventi con FRCM, può fare riferimento al CNR-DT 215/2018, un documento tecnico di comprovata validità, nel rispetto delle disposizioni del D.M. 17.01.2018 (Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni) e della Circolare Applicativa n. 7 del 21.01.2019.

Altri interventi di consolidamento che migliorano la resistenza della muratura vengono citati nella stessa circolare NTC2019 al §C8.5.3.1., quali ad esempio:

• Iniezione di miscele leganti
  Questo intervento risulta valido se si ottiene una completa saturazione dei vuoti e una diffusione omogenea della miscela all'interno delle pareti murarie, fermo restando la capacità della miscela di aderire efficacemente ai materiali esistenti. Pertanto, è spesso raccomandato eseguire sa ggi pre e post intervento per valutare i risultati effettivamente raggiunti.

 

• Intonaco armato
  Questo tipo di intervento dipende da vari fattori, come gli spessori della parete muraria e dell'intonaco, e le caratteristiche della malta o del legante utilizzato, oltre alle armature, che possono essere costituite da una tradizionale rete di tondini di acciaio o da più moderne reti di fibre (carbonio, vetro, acciaio).
  L'intervento è applicabile su qualsiasi tipo di muratura, purché questa abbia una qualità adeguata. In caso di muratura scadente, spesso si associa l'intervento a iniezioni di materiale legante per migliorare la struttura.
  È importante sottolineare che l'obiettivo dell'intervento non deve necessariamente essere quello di conferire alle strutture portanti, o solo ad alcune di esse, elevate resistenze e rigidezze. Piuttosto, l'intervento dovrebbe mirare a omogeneizzare l'intero organismo strutturale, rendendolo il più uniforme possibile in termini di resistenza e rigidezza. A tal proposito, le tecnologie moderne disponibili sul mercato tendono a orientarsi verso "bassi spessori" per evitare squilibri di rigidezza nel nuovo sistema strutturale sismo-resistente.

 

 

• Inserimento di diatoni artificiali o tiranti
  Si tratta di un intervento indicato per connettere tra loro paramenti e costituire l’ingranamento tra essi, ove mancante. La tecnica consiste nell’inserire all’interno della parete muraria, ortogonalmente al piano della parete stessa, degli elementi con una significativa rigidezza, ben distribuiti e sufficientemente diffusi.

 

 

La circolare, all’interno dello stesso §C8.5.3.1. precedentemente citato, permette di stimare l’effetto del consolidamento attraverso un parametro che amplifica non solo le caratteristiche di resistenza del pannello a flessione e taglio (f, tau e fv0), ma anche la sua rigidezza (moduli elastici E e G).

Pertanto, nel contesto di una modellazione globale della struttura, interventi che migliorano le caratteristiche di resistenza e rigidezza della parete muraria possono essere considerati agendo direttamente sul materiale di modellazione (moduli elastici migliorati) e nelle tabelle di verifica di MasterMuri, il post-processore della Suite 4U dedicato alla verifica della capacità resistente della muratura. Le tabelle con caratteristiche di resistenza “rinforzate” andranno assegnate agli elementi oggetto dell’intervento.

 

 

I coefficienti di miglioramento vengono proposti in automatico dalla Tabella di MasterMuri per Edificio Esistente. Essi ricalcano fedelmente quanto previsto dalla Circolare NTC 2019 alla Tab. C8.5.II, i cui contenuti si diversificano in funzione della “tipologia muraria” che identifica le resistenze di calcolo (Tab-C8.5.I della stessa circolare).

..Continua la lettura nel PDF.

Nel pdf si continua parlando di:

• Meccanismi locali di corpo rigido