In quest’articolo vedremo perché il ripristino di rigidezza di una parete in muratura mediante telaio di cerchiatura, in seguito alla realizzazione dell’intervento di apertura vano, non ha sempre un effetto benefico sul comportamento globale della costruzione in presenza di sisma.
L’intervento di apertura vano in una muratura portante è spesso accompagnato dalla messa in opera di un telaio di cerchiatura realizzato in acciaio, in calcestruzzo armato o in struttura mista acciaio-calcestruzzo.
Lo scopo del telaio di cerchiatura è ridurre entro limiti percentuali ammissibili la variazione della rigidezza traslante, della resistenza e della capacità di deformazione della parete oggetto di intervento a seguito della realizzazione della nuova apertura. Riducendo la variazione dei parametri di rigidezza, resistenza e deformabilità della parete, l’intervento di apertura vano rientrerà nella categoria degli interventi locali, evitando in tal modo di dover eseguire l’analisi globale dell’intero edificio.
Ma è sempre corretto ripristinare la rigidezza traslante della parete nello stato di progetto? Approfondiremo quest’aspetto nel seguito dell’articolo grazie ai risultati dell’esempio numerico di un caso studio eseguito su un edificio semplice in muratura portante. Nel corso dell’articolo potrai scaricare gratuitamente Wally, l’app per il calcolo dell’intervento di apertua vano in una parete portante in muratura. Buona lettura!
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Intervento di apertura vano: un breve riepilogo delle prescrizioni normative
La Circolare 2019 fa rientrare l’intervento di apertura di un vano in una parete in muratura nella categoria degli interventi locali, così come specificato nell’estratto che ti riporto di seguito:
RIPARAZIONE O INTERVENTO LOCALE
Ricadono in questa categoria gli interventi che non alterano significativamente il comportamento globale della costruzione;
[…] la modifica di una parte limitata della struttura (ad es. l’apertura di un vano in una parete, accompagnata da opportuni rinforzi) può rientrare in questa categoria, a condizione che si dimostri che l’insieme degli interventi non modifichi significativamente rigidezza, resistenza nei confronti delle azioni orizzontali e capacità di deformazione della struttura.
Per questa categoria di intervento non è richiesta la valutazione della sicurezza globale dell’opera ma, nel caso di rafforzamento locale finalizzato al miglioramento del funzionamento di elementi strutturali o alla limitazione di meccanismi di collasso, è richiesta la valutazione della variazione del livello locale di sicurezza.
Par. C8.4.1 – Circolare 21 gennaio 2019, n.7
Per approfondire tutte le prescrizioni normative sull’intervento di apertura vano puoi consultare quest’articolo del blog.
Fabbricati in muratura: l’assenza di una progettazione per azioni sismiche
La Circolare 2019, prescrivendo che l’apertura di un vano non debba modificare significativamente la rigidezza traslante della parete oggetto di intervento, sembrerebbe dare per scontato che la distribuzione delle rigidezze fra i maschi murari che compongono la pianta dell’edificio sia stata studiata in fase di progetto per poter resistere alle azioni sismiche. Tenendo conto della prassi progettuale degli edifici esistenti in muratura quest’ipotesi sembra essere alquanto improbabile.
L’epoca di realizzazione dei fabbricati in muratura portante, in cui spesso bisogna intervenire realizzando una nuova apertura, può essere molto remota, in alcuni casi risalente anche a diversi secoli fa.
Gran parte del patrimonio edilizio costituito da fabbricati in muratura è stato realizzato quando non erano in vigore normative antisismiche e la prassi progettuale prevedeva il dimensionamento delle pareti per resistere ai soli carichi gravitazionali, senza tener conto in alcun modo del comportamento dinamico dell’edificio sotto sisma. Spesso si realizzava il fabbricato partendo da un progetto di massima, apportando modifiche direttamente in cantiere man mano che la realizzazione dell’opera procedeva.
Telaio di cerchiatura: perché il ripristino di rigidezza non è sempre un risultato positivo
Nel seguito dell’articolo vedremo perché il ripristino di rigidezza mediante la messa in opera di un telaio di cerchiatura non ha sempre un effetto benefico sul comportamento dinamico dell’edificio. Parleremo del baricentro delle masse e delle rigidezze e vedremo il caso studio di un fabbricato semplice in muratura in cui vengono realizzate due nuove aperture in una parete.
Baricentro delle masse e baricentro delle rigidezze
Sul comportamento di una costruzione in presenza dell’azione sismica influiscono due caratteristiche fondamentali:
- il baricentro delle masse;
- il baricentro delle rigidezze.
Solitamente il baricentro delle masse coincide con il baricentro geometrico dell’impalcato. Il baricentro delle rigidezze dipende invece dalla posizione in pianta degli elementi strutturali primari che, nel caso delle costruzioni in muratura, sono rappresentati dai maschi murari.
Applicando delle forze concentrate orizzontali in corrispondenza del baricentro delle rigidezze si avrà una traslazione pura dell’impalcato nella direzione di applicazione delle forze, senza alcuna componente rotazionale. Se le forze orizzontali sono applicate in punti diversi dal baricentro delle rigidezze, alla traslazione si accompagnerà la rotazione dell’impalcato.
L’azione sismica orizzontale che agisce a livello di impalcato è applicata al baricentro delle masse. Il baricentro delle masse e il baricentro delle rigidezze possono presentare un’eccentricità più o meno accentuata. Ne consegue che maggiore sarà l’eccentricità fra baricentro delle masse e baricentro delle rigidezze, maggiori saranno gli effetti torsionali prodotti dall’azione sismica.
Caso studio: apertura di due vani su una parete cieca
In questo caso studio si analizza il modello semplice di una struttura scatolare in muratura portante ad un solo livello, con impalcato ipotizzato infinitamente rigido nel piano e ben collegato ai maschi murari.
Il modello dell’esempio presenta una parete con due vani porta e un vano finestra, mentre le restanti pareti non presentano alcuna apertura. Si immagina di dover realizzare due nuove aperture nella parete cieca contrapposta alla parete con le aperture. Nelle immagini seguenti ti mostro il modello analizzato e i risultati ottenuti.
Nell’immagine qui sotto puoi vedere il modello tridimensionale dell’edificio semplice e il modello FEM utilizzato per l’analisi.
Come puoi vedere nell’immagine seguente, la presenza di aperture su un solo lato dell’edificio determina una marcata eccentricità fra il baricentro delle masse e il baricentro delle rigidezze.
Lo stato di progetto del caso studio prevede la realizzazione di due nuove aperture sulla parete cieca contrapposta alla parete con le aperture.
La realizzazione delle nuove aperture comporta una riduzione dell’eccentricità fra baricentro delle masse e delle rigidezze, passando dallo stato di fatto allo stato di progetto.
L’ultimo step del caso studio prevede l’analisi dell’edificio semplice nello stato di progetto in presenza dei telai di cerchiatura dimensionati in modo da ridurre al minimo la variazione di rigidezza per rientrare nella categoria degli interventi locali.
In presenza dei telai di cerchiatura, la posizione del baricentro delle rigidezze si allontanerà di nuovo dal baricentro delle masse, creando uno scenario peggiore rispetto all’assenza di cerchiatura dal punto di vista del comportamento dinamico della struttura.
Nell’immagine seguente puoi vedere un confronto delle posizioni del baricentro delle masse e delle rigidezze negli scenari dello stato di fatto, dello stato di progetto senza telai di cerchiatura e dello stato di progetto con telai di cerchiatura.
Caso studio: le deformate modali del modello analizzato
Puoi osservare nelle immagini seguenti le deformate modali dei primi 3 modi di vibrare della struttura nello stato di progetto senza telaio di cerchiatura. Come puoi notare, in assenza di telaio di cerchiatura i modi di vibrare della struttura risultano essere disaccoppiati, in quanto i primi due saranno di traslazione pura e il terzo di rotazione pura.
Nello stato di progetto con telai di cerchiatura invece i modi di vibrare risulteranno accoppiati. Il primo modo avrà infatti una componente traslazionale e rotazionale. Questo effetto è generato dalla marcata eccentricità fra baricentro delle masse e baricentro delle rigidezze e solitamente è da evitare se si vuole ottimizzare la risposta di una costruzione ad un evento sismico.
Scarica l’app Wally (xls di Microsoft Excel) per il calcolo dell’intervento di apertura vano
Wally è l’app per il calcolo dell’intervento di apertura vano in una parete in muratura, implementata in Microsoft Excel. Puoi scaricare la versione gratuita dell’app compilando i campi qui sotto. Riceverai all’istante una mail contenente il link per eseguire il download.
Conclusioni: tre consigli utili per la pratica professionale
In quest’articolo ho voluto mettere in luce un aspetto spesso trascurato quando si analizza l’intervento di apertura vano in una muratura portante: l’eventuale miglioramento del comportamento dinamico globale che la realizzazione di una nuova apertura in una parete può comportare per la struttura oggetto di intervento.
Nell’intento di far rientrare l’intervento di apertura vano nella categoria degli interventi locali, la prassi è quella di progettare il telaio di cerchiatura per ridurre al minimo la variazione di rigidezza della parete.
In alcuni casi l’intervento di apertura vano senza telaio di cerchiatura, ma con la sola messa in opera di un architrave, potrebbe avere un effetto migliorativo sul comportamento dinamico dell’intera struttura, a patto ovviamente che la verifica di resistenza dei maschi murari risulti comunque verificata nei confronti del nuovo stato tensionale generato dalla creazione delle nuove aperture.
Ovviamente, per accertare l’effetto benefico dell’intervento di apertura senza telaio di cerchiatura bisognerà eseguire l’analisi globale dell’intera struttura e di conseguenza affrontare un maggiore onere computazionale rispetto alla classica analisi ante-operam e post-operam della singola parete. Pertanto, saranno maggiori anche i costi per le competenze tecniche del professionista.
A chiusura di quest’articolo riporto di seguito alcuni consigli su quando convenga, a mio parere, eseguire un’analisi globale e quando invece un’analisi locale della singola parete per valutare la fattibilità dell’intervento di apertura vano in una parete portante:
- se l’apertura vano è da realizzare in un fabbricato in cui, oltre alla realizzazione di nuove aperture, bisogna eseguire anche un intervento di miglioramento o adeguamento sismico, allora non ci sono dubbi, in tal caso conviene utilizzare l’analisi globale per valutare l’effetto di nuove aperture in una parete in muratura;
- se l’intervento prevede solo l’apertura vano in una parete portante, allora è senz’altro più conveniente eseguire l’analisi della singola parete e predisporre un telaio di cerchiatura in caso di variazione significativa di rigidezza;
- se l’intervento prevede solo l’apertura vano in una parete portante in un fabbricato che presenta un’evidente eccentricità fra baricentro di massa e rigidezza e tale eccentricità si può evincere, in prima battura, senza eseguire calcoli, ma da valutazioni qualitative sulla distribuzione dei maschi murari in pianta (come il caso dell’esempio mostrato in precedenza: una parete priva di aperture contrapposta ad una parete con due aperture) potrebbe essere opportuno proporre al committente un’analisi globale del fabbricato. I maggiori oneri per le competenze professionali potrebbero essere ammortizzati da un minor costo dell’intervento, nel caso in cui non risulti necessario inserire il telaio di cerchiatura, con un conseguente maggior beneficio per il comportamento dinamico dell’intera struttura.
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Al prossimo post.
Marco
Codice articolo: 239