Disgregazione muraria e sicurezza sismica: metodi di verifica e strategie di consolidamento | Articoli

Valutare il fenomeno della disgregazione muraria

Le costruzioni storiche italiane rappresentano un patrimonio di valore inestimabile, ma sono spesso esposte a gravi danni e perdite a causa dei terremoti.
Gli eventi sismici che hanno interessato l’Italia Centrale nel 2016 hanno evidenziato quanto sia cruciale, per la risposta strutturale di un edificio, la qualità meccanica delle sue murature.

Questa dipende da specifiche caratteristiche costruttive, come i materiali utilizzati, la tessitura, l’organizzazione della sezione e altri elementi che incidono profondamente sul comportamento strutturale.

È emerso chiaramente che gli edifici hanno reagito in modo diverso proprio in base alla qualità delle murature: nelle aree prossime agli epicentri, molte costruzioni con murature disordinate e irregolari hanno subito crolli totali o parziali per disgregazione.

Al contrario, le strutture realizzate con murature ben progettate e costruite a regola d’arte, oppure adeguatamente consolidate (come nel caso del centro storico di Norcia), hanno mostrato in generale una buona capacità di resistere al sisma.

Nelle immagini di fig. 1 sono ben evidenziati gli effetti disgregativi prodotti dagli eventi sismici: a terra non sono presenti parti strutturali di murature intere, identificabili, ma solo macerie di elementi murari originari: pietre, laterizi e malte polverizzate [1].

I danni rilevati in seguito agli eventi sismici hanno evidenziato quanto sia importante tenere in considerazione il fenomeno della disgregazione muraria, soprattutto nella valutazione della sicurezza e nella progettazione di interventi di consolidamento di edifici in muratura situati in aree ad alto rischio sismico. Questo aspetto è chiaramente evidenziato nei contenuti nella Normativa Tecnica italiana.

Il metodo dell’Indice di Qualità Muraria (IQM) per la valutazione della qualità meccanica delle murature ha tra le varie finalità quella di valutare la maggiore o minore propensione di una muratura al fenomeno della disgregazione. La disgregazione si manifesta in casi di scarsa qualità muraria e sotto l’effetto di un’accelerazione sismica di intensità sufficientemente elevata.

La Verifica di Disgregazione muraria proposta nel presente studio e implementata in un software professionale si basa proprio su questi due aspetti: qualità muraria e intensità dell’accelerazione sismica. Il risultato è un indicatore di rischio sismico ζΕ relativo al fenomeno di disgregazione muraria che condiziona la valutazione di sicurezza sismica di un edificio esistente così come la progettazione degli interventi di consolidamento.

Indicazioni Normative: Gerarchia dei Meccanismi

Il fenomeno della disgregazione muraria è ben evidenziato nei contenuti della Normativa Tecnica italiana.

Le NTC2018, in §C.8.7.1, indicano il percorso progettuale per la valutazione della sicurezza delle costruzioni esistenti di muratura: anzitutto, si verifica la risposta del fabbricato alle azioni non sismiche; quindi, si passa ai meccanismi di dissesto locale per azioni sismiche, dove è opportuno riconoscere e analizzare le criticità locali che possano determinare situazioni di fragilità e rotture rovinose in occasione di scuotimenti. Successivamente, si procede alla verifica della risposta globale dell’edificio nei confronti delle azioni orizzontali sismiche che complessivamente possono agire su di esso, considerando il comportamento delle pareti per azioni nel proprio piano medio.

Sui meccanismi locali, §C8.7.1.2 si esprime indicando che l’identificazione dei meccanismi si ottiene con modellazioni specifiche basate sul comportamento sismico di strutture analoghe.

“Devono essere considerate la qualità della tessitura muraria (anche in termini di ingranamento nello spessore), degli ammorsamenti tra le pareti e delle connessioni tra le pareti e gli orizzontamenti, la presenza di catene o altri elementi atti ad assorbire spinte (speroni e contrafforti) e le interazioni con altri elementi appartenenti alla costruzione o agli edifici adiacenti”.

L’indagine sulle proprietà meccaniche della parete condotta attraverso l’Indice di Qualità Muraria costituisce pertanto un aspetto fondamentale per il rispetto dei contenuti normativi.

Inoltre, nel paragrafo §C8.7.1.2.1, dedicato alle modalità di svolgimento dell’analisi cinematica con cui valutare i meccanismi locali per corpo rigido, si specifica anzitutto che “la rappresentazione della struttura come catena cinematica di corpi rigidi è attendibile solo se la parete non è vulnerabile nei riguardi di fenomeni di disgregazione”.

In base alle considerazioni illustrate, come evidenziato in [4], si può delineare “in modo schematico, ma in linea del tutto generale, una strategia di analisi e progettazione degli interventi per gli edifici esistenti in muratura, che può essere denominata (in analogia con la “gerarchia delle resistenze” propria degli edifici in c.a.) come “gerarchia dei meccanismi” per le costruzioni murarie.

Essa è sintetizzata nella tabella seguente ed è costituita da una serie di controlli (e di azioni conseguenti) ciascuno dei quali corrisponde ad una determinata problematica. I controlli e gli interventi più opportuni da attuare sono gerarchizzati in funzione della loro importanza, così da poter conseguire, alla fine, un adeguato comportamento complessivo della costruzione. 
In altri termini: ogni passo è propedeutico al passo successivo, e realizzare un intervento senza aver prima garantito il soddisfacimento del requisito precedente può vanificare l’effetto dell’intervento stesso.”

ATTENZIONE
I modelli di calcolo devono quindi tenere conto, in particolare per la muratura storica, dei problemi legati alla disgregazione: per le pareti soggette a fenomeni disgregativi non si può identificare un comportamento strutturale competente a macroelementi poiché la struttura tende a decomporsi sotto le azioni cicliche sismiche e le schematizzazioni analitiche fondate su parametri di resistenza e deformabilità perdono significato; per tale motivo il comportamento disgregativo precede, nella gerarchia, gli altri meccanismi resistenti.

Metodo dell’Indice di Qualità Muraria (IQM)

Il metodo dell’Indice di Qualità Muraria (IQM) per la valutazione della qualità meccanica delle Murature, messo a punto da Antonio Borri e Alessandro De Maria [2, 3, 4, 5] è nato nel 2002 presso l’Università di Perugia ed è stato perfezionato nel corso degli anni successivi anche grazie a ricerche condotte in ambito ReLUIS.

Il metodo si basa su un esame visivo dei paramenti e della sezione di un pannello murario, con lo scopo di verificare il grado di rispetto delle regole dell’arte muraria. Sulla base di tali verifiche si perviene ad indici numerici che appaiono ben correlati sia con i parametri meccanici più significativi della muratura in esame, sia con le risposte strutturali attese.

Inoltre, IQM consente una valutazione della maggiore o minore propensione alla disgregazione delle murature soggette alle azioni sismiche, un aspetto determinante nel caso di murature storiche dove si rileva una qualità mediocre con una scarsa consistenza della malta.

In [4], cui si rimanda per ogni approfondimento, si evidenzia come il valore dell’Indice di Qualità Muraria fuori piano (IQM_FP) condensa in sé il rispetto o meno di quelle regole dell’arte rivolte ad ottenere un comportamento di tipo monolitico.

Gli Autori specificano che “per individuare un possibile valore di soglia per IQM_FP che possa indicare una maggiore o minore propensione di una tipologia muraria al fenomeno della disgregazione sono state considerate le tipologie murarie previste dalle norme tecniche italiane, cercando di distinguere le situazioni per le quali sono stati osservati, nei terremoti recenti, frequenti casi di disgregazione muraria, da quelle per le quali sono stati osservati invece cinematismi relativi a meccanismi locali/globali senza disgregazione muraria”.

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Stima delle caratteristiche meccaniche delle murature con il metodo IQM alla luce della Circolare n. 7/2019

Vengono quindi prese in considerazione le varie tipologie murarie considerate nella normativa italiana.

La Tab.C8.5.I delle NTC2018 fornisce i valori dei parametri meccanici “di base”, che corrispondono a condizioni definite dalla norma stessa (tessitura a regola d’arte, paramenti scollegati, malta di calce di modeste caratteristiche, assenza di ricorsi, assenza di interventi di consolidamento) a partire dai quali è possibile tenere conto di situazioni diverse ricorrendo ai coefficienti correttivi definiti da un’ulteriore tabella (Tab. C8.5.II).

Per ciascuna tipologia muraria possono essere applicati dei parametri amplificativi, nei casi seguenti: malta di buone caratteristiche, presenza di ricorsi (o listature), presenza sistematica di elementi di collegamento trasversale tra i paramenti. Inoltre, è possibile tener conto dei casi in cui la malta sia particolarmente scadente (nel seguito definita “di pessima qualità”) e, per le murature in mattoni, di una eventuale ampiezza eccessiva dei giunti di malta.

In [4] gli Autori, tenendo come riferimento le varie tipologie proposte nella normativa italiana, e sulla base delle esperienze condotte nei rilevamenti post sismici dei vari terremoti italiani, hanno proposto di utilizzare, per gli edifici ordinari posti in zone con pericolosità sismica medio-alta, il valore di IQMFP=4 come valore di soglia.

Valori di IQMFP eguali od inferiori a 4 indicano la possibilità di manifestazione di fenomeni disgregativi.

Nella figura seguente (tratta da [4]) sono riportati, per ciascuna tipologia muraria, i valori dell’indice IQM_FP; le tipologie murarie sono distinte in base alla tessitura regolare/irregolare, alla presenza/assenza di ingranamento trasversale e alla presenza/assenza di malta di pessima qualità. In tale figura è evidenziato, con una linea rossa, il valore IQM_FP=4.

Come si può notare, le tipologie murarie di scarsa qualità (murature irregolari prive di connessione o regolari prive di connessione e malta pessima) si trovano quasi tutte sotto a tale linea.

Come espresso dagli Autori, “valori inferiori a 4 derivano da gravi mancanze nel rispetto delle regole dell’arte; per esse appare quindi probabile la perdita di monoliticità per effetto di azioni sismiche. Viceversa, murature, sia irregolari che regolari, ma con connessione trasversale e malta non pessima, hanno quasi sempre valori di IQMFP maggiori di 4.”

Verifica di Disgregazione Muraria

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Come specificato dagli Autori del metodo IQM, la scarsa qualità identificata con IQM fuori piano < 4 è una condizione necessaria per la disgregazione, ma affinché il fenomeno si manifesti occorre un’accelerazione sismica di intensità sufficientemente elevata.

La soglia di accelerazione sismica oltre la quale si può innescare il fenomeno disgregativo è argomento tuttora in corso di studio; è comunque possibile attribuire a tale soglia un valore plausibile che ad esempio può considerarsi non inferiore a 0.200-0.300 g.

Un’altra condizione favorevole per il fenomeno è che la parete sia esterna: il minor vincolamento della parete con le strutture adiacenti, ossia la sua maggiore libertà di movimento, facilita il distacco del materiale. Questa condizione può essere caratterizzata nelle valutazioni analitiche riservando l’esecuzione della verifica di disgregazione alle pareti esterne.

A partire dai valori al suolo indicati da PGA, l’accelerazione subisce un’amplificazione lungo l’elevazione dell’edificio. L’accelerazione sismica che investe un elemento strutturale dipende dalla quota dell’elemento (ad esempio, per una parete in muratura la quota di base della parete, ossia quella del piano a cui è ubicata) e dalle caratteristiche dinamiche dell’edificio. Grazie alla formulazione degli spettri di piano (NTC2018, §C7.2.3) è possibile definire un’accelerazione spettrale alla quota z (a_z) che investe una data parete in base alla sua posizione, alle proprietà dinamiche della struttura e al sito di ubicazione:

a_z (Z) = S_e (T₁,ξ)∙γ₁∙ψ₁ (z)∙√(1+0.0004ξ² )

dove:

• T₁ è il periodo fondamentale di vibrazione della costruzione. T1 può essere stimato attraverso la relazione [C7.3.2]: T₁ = C₁ H^3/4, con C₁=0.050 per costruzioni in muratura e H altezza dell’edificio in metri. In alternativa, può essere determinato con un’analisi modale: in questo caso tra le direzioni X e Y viene scelto il periodo di vibrazione fondamentale che corrisponde alla massima accelerazione spettrale.

• S_e(T₁) è lo spettro di risposta elastico valutato per il periodo T1 e smorzamento viscoso ξ (ad es. 5%);

• γ₁ è il coefficiente di partecipazione modale del modo fondamentale di vibrazione che può essere assunto come γ = 3N/(2N+1) con N numero di piani della costruzione [C7.2.10].

• ∙ψ₁ (z)) è il valore della forma modale fondamentale alla quota z, posto pari a z/H.

L’accelerazione spettrale a_z deve essere comunque non inferiore all’accelerazione al suolo PGA.

La verifica di sicurezza locale per una parete muraria di qualità scadente soggetta a possibile disgregazione terrà conto quindi dell’accelerazione strutturale che investe la parete in base alla sua posizione in elevazione e alle proprietà dinamiche dell’edificio. La posizione in quota è infatti un aspetto rilevante nei confronti della possibile disgregazione: i danni sismici hanno mostrato vari casi, documentati nei riferimenti bibliografici, dove la disgregazione si è manifestata in pareti dei piani più alti, laddove l’accelerazione assume i valori più elevati.

Tutto ciò premesso, la verifica nei confronti della disgregazione può essere condotta con le seguenti modalità.

• Ogni parete viene caratterizzata in base alla propensione alla disgregazione: si utilizza l’Indice di Qualità Muraria fuori piano (IQM_FP) del materiale costitutivo, e se inferiore a 4 la possibile disgregazione è un comportamento da prendere in considerazione nella valutazione della sicurezza.
  Se IQM non viene calcolato, si fa riferimento al grafico in Figura 1, costruito in base alle tabelle C8.5.I e C8.5.II inclusi quindi gli eventuali parametri correttivi della proprietà meccaniche. La tipologia del materiale della parete identifica se la parete può o meno essere soggetta a disgregazione: in tal caso, si indica qualitativamente IQM fuori piano ≤ 4.

• Per ogni parete caratterizzata da IQM_FP ≤ 4, viene valutata l’accelerazione strutturale di progetto alla base della parete stessa, definita attraverso lo spettro di piano che considera i dati sismici del sito di ubicazione, la posizione della parete lungo l’elevazione dell’edificio e le proprietà dinamiche dell’edificio stesso.

• 
  Se l’accelerazione strutturale è maggiore della soglia prefissata in input come valore che può innescare il fenomeno disgregativo, la verifica di disgregazione non è soddisfatta.
  Identificando l’accelerazione di soglia per la disgregazione come ‘capacità’, e l’accelerazione strutturale che investe la parete come ‘domanda’, considerando che entrambe queste accelerazioni sono riconducibili alla PGA al suolo, si può definire un coefficiente di sicurezza dato dal rapporto tra capacità e domanda in termini di PGA: tale coefficiente coincide con l’indicatore di rischio sismico ζ_E, che assume quindi un valore specifico per ogni maschio murario. Il minimo fra tutti identifica la capacità dell’edificio nei confronti della disgregazione: tale meccanismo viene inserito nella gerarchia dei comportamenti strutturali, nell’àmbito della sintesi dei risultati riguardante la verifica di sicurezza dell’edificio.

Implementazione nel software Aedes.PCM

Nei paragrafi seguenti viene descritta l’implementazione del metodo IQM e della verifica di disgregazione muraria nel software di calcolo professionale Aedes.PCM [6].

Le fasi operative illustrate descrivono un percorso di verifica che più in generale può essere implementato in qualsiasi sistema di analisi di vulnerabilità che includa il meccanismo di disgregazione fra i comportamenti da esaminare per la valutazione della sicurezza.

Successivamente viene presentato un caso studio relativo alla valutazione della sicurezza sismica di un edificio esistente, dove il risultato complessivo in termini di indicatore di rischio sismico ζ_E è proprio condizionato dalla verifica di disgregazione muraria.

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L’articolo continua con:

• Implementazione nel software Aedes.PCM
  
• Indici di Qualità Muraria
  
• Verifica di Disgregazione Muraria
  
• Caso Studio
  
• Conclusioni
  
• Bibliografia di Riferimento