Vulnerabilità sismica e strategie di miglioramento di edificio in muratura vincolato: caso studio con MasterSap 4U

L'articolo analizza il processo completo di valutazione della vulnerabilità sismica e di progettazione degli interventi di miglioramento per un edificio in muratura sottoposto a vincolo storico-artistico situato a Cortina d'Ampezzo (BL), a 1.224 m s.l.m. Il manufatto, risalente agli anni Trenta del Novecento, è caratterizzato da struttura portante mista — muratura in pietra a spacco e mattoni pieni — e da orizzontamenti lignei in assenza di cordoli di piano.
Il percorso metodologico, condotto in conformità alle NTC 2018 e relativa Circolare esplicativa del 2019, si articola in cinque fasi principali: conoscenza storica e geometrica dell'opera, caratterizzazione meccanica dei materiali, modellazione numerica agli elementi finiti, analisi sismica globale, progettazione degli interventi e verifica del raggiungimento dell'obiettivo di miglioramento.
Il risultato centrale è l'incremento dell'indice di sicurezza sismica ζE da 0,469 a 0,717, con un delta di +0,248, superiore alla soglia minima di 0,1 imposta dalla norma per gli interventi di miglioramento su edifici di Classe II.
La modellazione è stata interamente eseguita con MasterSap 4U, utilizzando elementi finiti di tipo shell per la descrizione del comportamento membranale e flessionale delle pareti in muratura.

Il quadro normativo di riferimento per gli edifici esistenti in muratura

Gli edifici in muratura costituiscono la parte preponderante del patrimonio costruito italiano, con particolare concentrazione nelle aree storiche dei centri urbani e delle zone di montagna. La loro valutazione strutturale pone sfide specifiche rispetto alle nuove costruzioni: l'eterogeneità dei materiali, la stratificazione degli interventi nel tempo, l'assenza di disegni esecutivi originali e, nel caso di edifici vincolati, i severi limiti alle modifiche architettoniche e strutturali.

Le NTC 2018, al Capitolo 8, disciplinano le costruzioni esistenti imponendo un approccio conoscitivo graduale e documentato, che si traduce nella definizione del Livello di Conoscenza (LC) e del corrispondente Fattore di Confidenza (FC). Il quadro normativo distingue tre livelli crescenti — LC1, LC2, LC3 — in funzione della profondità delle indagini condotte e dell'estensione delle prove in situ.

Il Livello di Conoscenza e il Fattore di Confidenza

La norma riconosce che la conoscenza di un edificio esistente è per sua natura incompleta rispetto a quella di un progetto nuovo, e introduce il FC come strumento per abbattere i parametri di resistenza dei materiali in funzione del grado di incertezza residua. I tre livelli si differenziano per la qualità e la quantità delle indagini sui dettagli costruttivi e sulle proprietà meccaniche dei materiali come riassunto nella seguente tabella.

La norma (§8.4) distingue tre tipologie di intervento su costruzioni esistenti: adeguamento sismico (portare la struttura al livello di sicurezza di una nuova costruzione, ζE ≥ 1), miglioramento sismico (incremento della sicurezza senza raggiungere l'adeguamento: per Classe d’uso II, aumento di ζE di almeno 0,1) e riparazione o intervento locale.

Per gli edifici vincolati, l'adeguamento sismico può risultare incompatibile con i vincoli di tutela; il miglioramento rappresenta quindi spesso l'unico obiettivo perseguibile nella pratica professionale.

Il caso studio: un magazzino storico vincolato a Cortina d'Ampezzo

Inquadramento storico e geometrico

L'edificio oggetto di studio si colloca a Cortina d'Ampezzo (BL) a un'altitudine di 1.224 m s.l.m.

L'analisi della documentazione storica disponibile ne colloca la costruzione tra il terzo e il quarto decennio del Novecento, con destinazione d'uso originaria di magazzino logistico, presumibilmente legata alle esigenze belliche della Seconda Guerra Mondiale. L'edificio è oggi sottoposto a vincolo storico-artistico ed è inserito in un'area di riqualificazione urbana che prevede la realizzazione di parcheggi interrati al di sotto degli edifici esistenti.

La volumetria si articola in due corpi distinti e connessi:

• Blocco D1 (ala settentrionale): sviluppato su un solo livello fuori terra, originariamente adibito ad autorimessa; pianta rettangolare di notevoli dimensioni con setti interni in mattoni pieni; copertura lignea a doppia falda con manto in lamiera aggraffata; altezza di colmo +8,70 m;
• Blocco D2 (ala meridionale): sviluppato su tre livelli fuori terra; ampi spazi liberi al piano terra con piani superiori a impronta omogenea; copertura lignea a doppia falda; altezza di colmo +15,55 m. I solai del Blocco D2 sono principalmente di due tipologie: solaio ligneo (trave 17x25, tavolato, controsoffitto) e solaio in laterocemento (travetti 12x24, pignatta, cappa cls 5 cm).

L'assenza di cordoli di piano e le aperture disposte in modo non strutturalmente regolare sono tra i fattori principali di vulnerabilità.

La campagna di indagini e il Livello di conoscenza raggiunto

In accordo con i requisiti del §8.5.2 NTC 2018, lo studio ha condotto un piano di indagini articolato con particolare attenzione alla natura vincolata dell'edificio, che ha imposto la preferenza per tecniche non invasive o semi-invasive. La campagna ha compreso le seguenti prove:

• Endoscopie (sonde da 25 mm): ispezione delle cavità murarie, qualità della tessitura, presenza di vuoti, ammorsamento tra pareti ortogonali;
• Saggi a vista: scarificazione dell'intonaco su porzioni di muro e solaio per rilevare la stratigrafia muraria e lo stato dei collegamenti;
• Sondaggi esplorativi in fondazione: verifica della stratigrafia e dello stato dei materiali in fondazione;
• Indagini sui solai: esame diretto della stratigrafia degli orizzontamenti e dei dettagli costruttivi;
• Prove chimiche e petrografiche sulle malte: resistenza meccanica a compressione (fm < 2 MPa), rapporto legante/inerte, microstruttura. Risultato: malta classificata come scadente sotto ogni profilo;
• Prove con martinetto piatto doppio (posizione D-M1-3): determinazione del modulo elastico, coefficiente di Poisson, resistenza a compressione in situ (fm = 3,90 N/mm²).

Il livello di conoscenza raggiunto è LC2 (indagini estese + prove estese), con Fattore di Confidenza FC = 1,20. Le tipologie murarie identificate sono (Figura 4):

• muratura in pietre a spacco di buona tessitura (blocco D2, pareti perimetrali);
• muratura in mattoni pieni e malta di calce (setti interni blocco D1).

Caratterizzazione meccanica dei materiali

A partire dalle tipologie murarie identificate, con riferimento alla Tabella C8.5.I della Circolare 2019 e al livello di conoscenza raggiunto (LC2), i parametri meccanici di progetto sono stati ricavati come valori medi degli intervalli normativi, ridotti per il Fattore di Confidenza 1,2.

Nella tabella di seguito sono riportati i valori di resistenza adottati ante intervento (stato di fatto).

Definizione delle azioni e modellazione numerica con MasterSap 4U

Le azioni sulla struttura

L'analisi dei carichi ha compreso:

• azioni permanenti strutturali (G1) e non strutturali (G2);
• azioni variabili:

1. categoria A - uso residenziale;
2. categoria H - coperture accessibili solo per manutenzione;
3. azione del vento;
4. azione della neve;

• azione sismica.

Data la localizzazione alpina a quota superiore a 1.000 m s.l.m., il carico neve è risultato particolarmente significativo.
Il carico neve è stato calcolato secondo §3.4 NTC 2018: qsk = 5,32 kN/m² (zona I-Alpina, quota 1.224 m s.l.m.). Con coefficienti di forma μ1 e μ2 in funzione dell'inclinazione delle falde (α = 30°) e della geometria delle coperture adiacenti di diversa altezza, il carico di progetto massimo sulla copertura di Blocco D1 ha raggiunto qs2 = 9,96 kN/m², distribuito linearmente per una lunghezza ls = 7,83 m.

L'azione sismica è stata definita secondo il paragrafo 3.2 delle NTC 2018, costruendo gli spettri di risposta di progetto per gli stati limite SLV (TR = 475 anni) e SLD (TR = 50 anni).

La PGA di domanda allo SLV è pari a PGA = 0,0801·g·S = 1,179

Il fattore di struttura adottato è q = 2,25.

La modellazione FEM

Il comportamento strutturale dell'edificio è stato riprodotto mediante un modello agli elementi finiti sviluppato in MasterSap 4U. La scelta degli elementi shell — elementi bidimensionali quadrangolari a 4 nodi con 6 gradi di libertà per nodo — consente di descrivere simultaneamente il comportamento membranale nel piano (stati piani di tensione, fondamentale per descrivere taglio e, a seguito dell’integrazione, flessione nel piano dei maschi murari) e il comportamento flessionale fuori piano.

Le pareti portanti sono state modellate come elementi shell con spessore, materiale e geometria definiti per ciascun tratto murario sulla base del rilievo. I solai di piano e di copertura non sono stati modellati, fatte salve le travi di colmo: i carichi corrispondenti sono stati applicati direttamente come carichi lineari sui muri di appoggio e sulle travi di colmo. Fa eccezione la trave di colmo della copertura di Blocco D2, le cui reazioni vincolari (calcolate analiticamente tramite MasterSap 4U per la capriata in posizione D-S3-3) sono state trasformate in carichi distribuiti sulle murature di appoggio.

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