Interventi di miglioramento sismico sulla muratura

Interventi antisismici e meccanismi di collasso

Gli interventi antisismici più comuni sono l'inserimento di catene metalliche a livello degli orizzontamenti, o di fasce in poliestere o fasce in FRP, le quali possono costituire delle vere e proprie cerchiature attorno all'intero perimetro dell'edificio.

La risposta di un edificio in muratura nei confronti dell'azione sismica può dare avvio a specifici meccanismi di danno. Questi riguardano solitamente la perdita di connessione tra i vari elementi (murature e orizzontamenti) ed il conseguente ribaltamento fuori piano di uno di essi.

Ogni meccanismo è ben riconoscibile alla sua attivazione e può essere evitato tramite l'intervento preventivo con sistemi antisismici specifici.

La vulnerabilità sismica degli edifici in muratura

La vulnerabilità sismica di edifici in muratura dipende dalla muratura portante, tecnica pensata per sorreggere ingenti carichi verticali, ma non orizzontali come, appunto, i terremoti, e da un cattivo ammorsamento, ossia un collegamento tra le pareti, il pavimento e il soffitto.

L'Italia è un paese fortemente sismico e i centri delle principali città italiane sono costituiti per lo più da edilizia palaziale in muratura portante, ossia blocchi in pietra alternati a strati di malta legante.

Vulnerabilità sismica degli edifici in muratura - Getty Images

Le sollecitazioni sismiche su strutture in muratura mettono in atto meccanismi di danno ben riconoscibili e dunque prevedibili, ai quali si può far fronte con gli interventi di miglioramento sismico.

Esistono dei segnali premonitori dell'attivazione di questi meccanismi, per questo motivo bisogna intervenire preventivamente o successivamente al danno per ripristinare il comportamento corretto dell'insieme dell'edificio.

La muratura portante nel patrimonio costruttivo italiano

La muratura portante era una tecnica molto diffusa prima dell'avvento del cemento armato, infatti veniva utilizzata la pietra, poiché molto diffusa sul territorio italiano, e prevedeva una buona resistenza alle sollecitazioni di carico verticale, ma con scarsi risultati quando sollecitata da carichi orizzontali, previste durante un evento sismico.

È importante garantire la sicurezza di questi edifici, tutt'oggi utilizzati per svariate funzioni, intervenendo su di essi senza alterarne il comportamento statico.

Intervenire sul patrimonio edilizio esistente è una procedura complessa: si deve tener conto del rispetto dei principi della conservazione di un edificio, ovvero della storia che esso rappresenta e delle sue caratteristiche architettoniche, che lo rendono un organismo complesso e unico nel suo genere.

Comportamento scatolare della muratura

Una costruzione in muratura risponde bene alle sollecitazioni sismiche se si comporta come un blocco unico, in cui le pareti e gli orizzontamenti (solai) lavorano insieme a costituire quello che è definito un comportamento scatolare.

La resistenza a carichi verticali di un edificio dipende per lo più dalle caratteristiche dei materiali e dalla loro capacità portante (ovvero il carico che possono sopportare senza rompersi). Per quanto riguarda i carichi orizzontali come il sisma, ciò che oppone resistenza è il comportamento d'insieme dell'edificio.

Rinforzo solaio con connettori a taglio - foto di Arch. Alessandro Ruopolo

Per far sì che questo avvenga risulta fondamentale la connessione tra i vari elementi strutturali, ovvero l'ammorsamento delle pietre tra due pareti perpendicolari (a costituire il cosiddetto cantonale) ed il collegamento degli elementi verticali con i solai di piano.


Comportamento scatolare della muratura - disegno di Nicoletta TIberi

Quando qualcuna di queste connessioni viene meno, si va tipicamente incontro a uno dei meccanismi di collasso tipici in caso di evento sismico.

Meccanismi di collasso degli edifici

I meccanismi di collasso avvengono generalmente fuori piano, cioè sono causati da una spinta in direzione ortogonale all'elemento strutturale danneggiato, e si distinguono in ribaltamento fuori piano di pareti, flessione orizzontale di pareti, flessione verticale di pareti.

Ribaltamento fuori piano di pareti

La parete ruota attorno ad un asse comportandosi in modo monolitico.
Il ribaltamento può essere totale o parziale e dipende dal grado di ammorsamento delle murature. Il distacco si presenta con delle lesioni all'incrocio tra le pareti.
Ribaltamento fuori piano di parete - disegno di Nicoletta Tiberi

Le cause del dissesto sono l'assenza di comportamento scatolare per scarsa connessione tra elementi strutturali; le spinte orizzontali non contrastate, esempio archi, volte. Anche la presenza di aperture vicine alle estremità condiziona l'instaurarsi di questo meccanismo.

Flessione orizzontale di pareti

Una flessione orizzontale delle pareti si presenta con rigonfiamenti e lesioni verticali e oblique sulla porzione di facciata che tende a flettere esternamente.

Flessione orizzontale di pareti - disegno di Nicoletta Tiberi

Le cause del dissesto sono un buon collegamento delle pareti perpendicolari ma con l'assenza di vincolo in sommità (esempio solaio di copertura non ben collegato alle pareti).

Flessione verticale di pareti

Una flessione verticale delle pareti prevede una flessione di due porzioni di parete che flettono verso l'esterno a seguito dalla formazione di una cerniera cilindrica orizzontale, la quale divide la parete in due parti che ruotano attorno a questo asse.

Flessione verticale di pareti - disegno di Nicoletta Tiberi

Le cause del dissesto sono la carenza di ammorsamento delle pareti e gli orizzontamenti intermedi non ben collegati; anche la snellezza delle pareti e la presenza di elementi spingenti contribuiscono all'attivazione del meccanismo.

Miglioramento sismico per rotazioni fuori piano

Per i meccanismi di danno, come il ribaltamento fuori piano e le flessioni orizzontali e verticali delle pareti, esistono delle tipologie di interventi di miglioramento sismico applicabili:

• Costruzione di un elemento di sperone antistante la parete in ribaltamento;
  
  
• incatenamento o cerchiatura della parete (tramite tiranti metallici, fasce in poliestere o fasce in FRP);
  
  
• Contrasto della parete ribaltante tramite puntellamento con la parete di un edificio adiacente.

Nel primo caso, si tratta di un contrafforte costituito da elementi lignei o metallici, ancorato alla base e di inclinazione opportuna. Questa tipologia d'intervento è sicuramente impattante dal punto di vista spaziale, in quanto va ad occupare tutto lo spazio antistante l'edificio, oltre ad essere oneroso dal punto di vista economico e poco reversibile.

Tipologie di intervento - disegni di Nicoletta Tiberi

Nel secondo caso abbiamo l'applicazione di tiranti metallici o fasce in poliestere o in FRP, con i quali si va a circondare l'intero perimetro dell'edificio (a livello degli orizzontamenti) per tenere insieme i vari elementi strutturali ripristinandone il comportamento scatolare. È l'intervento più reversibile e meno impattante dal punto di vista economico e spaziale.

Nel terzo caso vengono utilizzati elementi di contrasto al ribaltamento, facenti perno su un edificio adiacente. Questo intervento non è sempre realizzabile perché bisogna considerare la capacità dell'edificio adiacente di resistere a ulteriori spinte derivanti dalla facciata ribaltante.

Scorrimento di un piano orizzontale

Lo scorrimento di un piano orizzontale è un altro meccanismo di danno legato alla flessione verticale, per intenderci, uno dei solai d'interpiano si muove orizzontalmente causando l'imbozzamento e successiva rottura della muratura.

Scorrimento di un piano orizzontale - disegni di Nicoletta Tiberi

Le cause del dissesto sono la mancata connessione tra elementi orizzontali e verticali.

Interventi di miglioramento per scorrimento di piano

Per il danno sulla parete si può agire con una cerchiatura della stessa.
Per evitare che il solaio si muova, discostandosi dalla sua posizione di equilibrio, bisogna ripristinare la connessione tra questo e le pareti verticali.

Capochiave di una catena metallica - getty images

Un metodo efficace per farlo è tramite incatenamenti metallici.
Le catene metalliche sono costituite da barre tonde o da piatti (tiranti) e dai relativi sistemi di ancoraggio alle testate delle pareti murarie (capochiavi).

Le catene metalliche - disegni di Nicoletta Tiberi

Si tratta di un intervento che permette la solidarietà tra orizzontamenti e pareti, ripristinando il comportamento scatolare dell'edificio.

Cedimento in fondazione

Il terreno su cui poggia il piano fondale cede causando un distacco alla base delle pareti.

Cedimento in fondazione - disegno di Nicoletta Tiberi

Le cause del dissesto sono l'eccessivo carico che le murature scaricano in fondazione a seguito di una sollecitazione sismica.

Interventi di miglioramento possibili in questo caso riguardano azioni sugli elementi di fondazione, prevedendo una distribuzione più uniforme delle forze sul terreno.

Meccanismi di danno locali dei terremoti

I danni localizzati da eventi sismici riguardano singole porzioni dell'edificio (portanti o portate) che mettono a rischio soltanto quella porzione di struttura e non l'intero sistema, come le lesione a taglio, sfondamento e ribaltamento del timpano e ribaltamento del cantonale.

Alcuni di questi meccanismi avvengono nel piano della parete, cioè sono causati da una sollecitazione parallela alla superficie della stessa (vedi per esempio le lesioni a taglio).

Vediamone di seguito i principali, per quanto riguarda gli edifici in muratura portante.

Lesioni a taglio

Nel piano della parete si creano delle lesioni che possono essere verticali, oblique, o tipicamente a X nelle fasce murarie basse tra un'apertura e l'altra. Le lesioni a taglio sono tipiche negli elementi tozzi, si presentano infatti nelle fasce di piano, dove si hanno maschi murari di altezza ridotta.

Lesioni a taglio - disegno di Nicoletta Tiberi

Le cause del dissesto sono la presenza di aperture o il meccanismo di martellamento tra edifici contigui di altezza differente.

Sfondamento o ribaltamento del timpano

Distacco di porzioni di muratura cuneiformi in sommità oppure rotazione fuori piano a seguito di creazione di cerniera a livello del colmo.

Sfondamento e ribaltamento del timpano - disegni di Nicoletta Tiberi

Le cause del dissesto sono la sollecitazione di martellamento da parte della trave di colmo del tetto. Nel caso del ribaltamento, tipico degli edifici di culto, esso si presenta quando in sommità la facciata si sviluppa in altezza oltre il limite superiore delle murature. La zona sommitale, non presentando più il ritegno delle pareti retrostanti, va in rotazione se sollecitata da spinte orizzontali.

Ribaltamento del cantonale

Il ribaltamento del cantonale prevede una rotazione rigida di un cuneo che si distacca dalle pareti, attorno a una cerniera che si colloca alla base dello stesso.

Ribaltamento del cantonale - disegno di Nicoletta Tiberi

Le cause del dissesto sono l'assenza di collegamento della testa della parete alle murature ortogonali, la presenza di coperture spingenti e la scadente qualità dei materiali.

Interventi di miglioramento possibili per entrambi i meccanismi di danno visti sopra sono rappresentati dalla connessione della zona sommitale alle pareti laterali mediante cerchiature e/o collegamenti con elementi metallici o lignei.

Interventi di miglioramento per lesioni

Nei casi di lesionamento più gravi, quando gli elementi non siano più in grado di resistere nemmeno a carichi verticali, si deve provvedere allo scarico delle murature dai carichi, puntellando gli orizzontamenti, per poi andare a creare delle cerchiature nel piano o, nei casi più gravi, delle vere e proprie incamiciature.

Quando le lesioni sono invece di entità ridotta, e non mettono a rischio la stabilità dell'edificio, si possono prevedere interventi meno invasivi come la tecnica di scuci e cuci, utilizzata per la risarcitura delle lesioni allo scopo di ripristinare la continuità strutturale delle murature danneggiate.

Intervento di scuci e cuci - disegno di Nicoletta Tiberi

Essa consiste nell'andare a rimuovere tutti gli elementi di muratura danneggiati o disconnessi attorno alla lesione, dal basso verso l'alto su tutta l'estensione della lesione, ed andarli poi a sostituire con nuovi elementi (esempio il mattone) per ricostituire la continuità della muratura.

Si tenga presente che questo tipo di intervento, sebbene meno invasivo e localizzato, risulta del tutto inefficace se prima non si procede all'eliminazione delle cause che hanno provocato la frattura, andando a comprendere quale meccanismo di dissesto è stato attivato e agendo sul rinforzo della struttura nel suo insieme, affinché risponda in maniera più efficace alle sollecitazioni.

Quando le lesioni sono più profonde, o addirittura passanti attraverso l'intero spessore della parete, può essere utile inserire delle barre di acciaio a cavallo delle discontinuità; questo intervento può essere molto utile anche per ripristinare la continuità dei nodi murari (esempio negli elementi angolari).

Come progettare un intervento di miglioramento sismico

La progettazione di un qualsiasi intervento su un edificio esistente non può prescindere dalla conoscenza approfondita dello stesso, infatti è importante tener presente che prima di progettare l'intervento vero e proprio c'è tutta la fase di osservazione del manufatto in questione, comprendente l'equilibrio statico delle strutture portanti e i possibili modi che hanno di incorrere in un meccanismo di danno o collasso.

Preparazione per lavori di miglioramento sismico - foto di Arch. Alessandro Ruopolo

È solo attraverso il riconoscimento dei meccanismi di collasso che si può arrivare alla definizione della strategia d'intervento più idonea, che non vada a modificare il comportamento strutturale d'insieme dell'edificio.

Caratteristiche da annotare in fase di conoscenza di un edificio sono:

• eventuali carenze costruttive che possono determinare cause di dissesto;
• trasformazioni o interventi posti in essere più recentemente;
• riconoscimento della tipologia muraria, della sua tessitura e dell'ammorsamento tra pareti ortogonali;
• la tipologia di orizzontamenti (se si tratta di solai rigidi o deformabili) e la loro connessione con le murature perimetrali;
• analisi dei meccanismi di danno in funzione delle sollecitazioni.