Catene negli edifici in muratura: come consolidare le pareti per ribaltamento fuori piano

La messa in opera di catene metalliche negli edifici in muratura è un intervento di miglioramento sismico molto frequente. Le catene metalliche hanno lo scopo di evitare il ribaltamento fuori piano delle pareti perimetrali ed assicurare il comportamento scatolare dell’edificio in muratura in presenza dell’azione sismica.

In quest’articolo vedremo come si realizzano le catene metalliche, come migliorano la risposta sismica dell’edificio in muratura e come dimensionarle e verificarle utilizzando l’analisi cinematica lineare (vedremo cos’è nel corso dell’articolo).

Alla fine del post potrai scaricare gratuitamente il Focus Normativo PDF contenente tutte le prescrizioni della Normativa Tecnica per l’esecuzione dell’analisi cinematica lineare necessaria per il dimensionamento, calcolo e verifica delle catene metalliche. Buona lettura!

Catene negli edifici in muratura: come si realizzano

Le catene per edifici in muratura sono realizzate mediante tiranti metallici che collegano fra loro le pareti perimetrali di un edificio in corrispondenza dei muri di spina. Vengono definite catene in quanto reagiscono solo nei confronti della trazione, mentre hanno resistenza praticamente nulla nei confronti della compressione.

Si tratta pertanto di elementi metallici monodimensionali a sezione rettangolare o circolare. Vengono dimensionati per resistere a soli sforzi di trazione e messe in opera con uno stato di tensione di trazione iniziale detto tiro.

Le catene si ancorano alle pareti perimetrali mediante la messa in opera di capochiave, detti anche bolzoni, che possono essere del tipo a paletto o a piastra.

I capochiave a paletto vanno disposti con un’inclinazione pari a 30° o 60° rispetto all’orizzontale in modo tale da intercettare sia il muro di spina che il solaio, contenendo in tal modo l’effetto di punzonamento del solaio sulla muratura in presenza di sisma e caricando il muro di spina. Le posizioni del paletto da evitare sono quelle verticali o orizzontali. Quest’ultima in particolare potrebbe portare il paletto a incanalarsi nel giunto di malta senza ricevere l’opportuna azione di contrasto.

I capochiave a piastra sono in grado di distribuire in modo più omogeneo l’azione di compressione trasmessa dal tirante nell’area di impronta della piastra. Sono da utilizzare nel caso di murature caotiche. La piastra può essere di forma quadrata o circolare e va dimensionata a flessione. In caso di necessità, può essere nervata per garantire un’adeguata rigidezza e resistenza.

Catene negli edifici in muratura: come vanno posizionate

Un adeguato dimensionamento della sezione delle catene non è sufficiente a garantire il corretto funzionamento statico. La catene devono essere collocate in punti idonei dell’edificio per assicurarne il corretto comportamento ed evitare dissesti statici causati dal tiro.

Le catene, in pianta, vanno collocate sempre in adiacenza ad un muro di spina, ovvero un muro ortogonale alla parete perimetrale a cui la catena è ancorata. Il muro di spina funge da elemento di contrasto nei confronti dell’azione di compressione esercitata dal tiro della catena. Riguardo la quota di messa in opera la catena va collocata solitamente al livello degli orizzontamenti, immediatamente sotto l’intradosso del solaio. Questo perché anche il solaio, nel caso sia dotato di una soletta rigida, sarà in grado di esplicare un’azione di contrasto nei confronti del tiro della catena.

Catene negli edifici in muratura: qual è la loro funzione e quando sono necessarie

Le catene vanno messe in opera nei seguenti casi:

• pareti perimetrali prive di ammorsatura con le pareti ortogonali di spina e pertanto soggette al rischio di ribaltamento fuori piano;
• presenza di una copertura a tetto spingente oppure di orizzontamenti a volte con spinte non contrastate;
• solai non ben-collegati alle pareti perimetrali o semplicemente poggiati su di esse e pertanto non in grado di offrire un vincolo alle pareti nei confronti del ribaltamento fuori piano.

Lo scopo principale delle catene è quello di evitare il ribaltamento fuori piano delle pareti, ma non solo. La presenza delle catene è in grado di migliorare il comportamento globale della parete di spina in presenza di azioni orizzontali garantendo una migliore collaborazione fra le fasce di piano e i maschi murari.

Catene negli edifici in muratura: come dimensionarle con l’analisi cinematica lineare

Le catene metalliche vanno messe in opera applicando un tiro iniziale, ovvero una pretensione tale da poter esplicare un’azione di compressione iniziale alle pareti perimetrali a cui la catena è ancorata. Per determinare il tiro della catena si può utilizzare l’analisi cinematica lineare. Nel seguito dell’articolo vedremo cos’è l’analisi cinematica lineare e come applicarla per dimensionare le catene metalliche.

Analisi cinematica lineare: le ipotesi alla base del calcolo

Il meccanismo locale di ribaltamento di una parete muraria fuori piano viene analizzato come un meccanismo di corpo rigido, considerato indeformabile e collegato al resto della struttura mediante una cerniera interna alla base della parete.

Il meccanismo di ribaltamento fuori piano di una parete muraria rappresenta una catena cinematica ad un solo grado di libertà il cui atto di moto sarà rappresentato da un angolo di rotazione infinitesimo in corrispondenza del vincolo a cerniera.

Le ipotesi adottate per modellare il meccanismo di ribaltamento fuori piano di una parete muraria sono;

• resistenza trazione della muratura nulla;
• scorrimento tra i blocchi assente;
• resistenza a compressione della muratura infinita.

Per una simulazione più realistica del comportamento è possibile considerare le cerniere leggermente arretrate rispetto allo spigolo della sezione per modellare la limitata resistenza a compressione della muratura.

Analisi cinematica lineare: calcolo del moltiplicatore di attivazione del meccanismo di ribaltamento

Nell’analisi cinematica lineare bisogna calcolare il moltiplicatore α delle forze di massa che determina l’attivazione del meccanismo di ribaltamento. L’intensità delle forze orizzontali associate alle forze verticali di massa viene ottenuto moltiplicando le forze di massa per il moltiplicatore α.

Bisogna pertanto individuare l’entità e il punto di applicazione dei pesi propri e di quelli portati da ciascun blocco della catena cinematica considerata. L’azione sismica sarà rappresentata da un sistema di forze orizzontali proporzionali ai pesi attraverso il coefficiente α.

Il moltiplicatore α₀ che determina l’attivazione del meccanismo di ribaltamento si ottiene applicando il principio dei lavori virtuali che, nel caso di ribaltamento fuori piano, equivale ad imporre l’uguaglianza fra i momenti ribaltanti e i momenti stabilizzanti.

Il moltiplicatore α₀ ottenuto rappresenterà l’accelerazione orizzontale che determina l’attivazione del meccanismo. Tale accelerazione andrà confrontata con la massima accelerazione al suolo attesa, corrispondente allo Stato Limite considerato, secondo quanto prescritto dalla Normativa Tecnica.

Analisi cinematica lineare: calcolo del tiro necessario, del numero di catene e dimensionamento del capochiave

Nel caso in cui l’accelerazione sismica che determina l’attivazione del meccanismo di ribaltamento sia inferiore all’accelerazione sismica attesa al suolo per lo Stato Limite considerato, sarà necessario dimensionare la catena per evitare il ribaltamento della parete fuori piano.

Pertanto nell’equazione che uguaglia il momento ribaltante al momento stabilizzante va considerato anche il momento stabilizzante dovuto al tiro T_c della catena metallica, considerando la sua azione nel punto di applicazione della catena. Il tiro rappresenterà l’incognita del problema e il suo valore si otterrà imponendo l’uguaglianza fra il momento stabilizzante e ribaltante, assegnando al moltiplicatore α il valore dell’accelerazione sismica attesa al suolo.

Una volto noto il tiro T_c, fissata la sezione della catena, si determinerà il numero di catene necessario per ciascuna parete, dividendo il tiro per la resistenza a trazione della catena.

Il capochiave andrà dimensionato considerando uno schema statico di trave a mensola nel caso di paletto. La distribuzione della pressione sul capochiave potrà essere assunta con andamento triangolare o uniforme a seconda della rigidezza del paletto rispetto alla muratura: triangolare per paletto deformabile o uniforme per paletto infinitamente rigido.

Bisognerà poi assicurarsi che la pressione di contatto agente sulla muratura sia inferiore alla resistenza a compressione, per evitare che si abbia una rottura localizzata del capochiave, prima dello snervamento a trazione della catena metallica.

Nel caso di capochiave a piastra, bisognerà considerare la pressione di contatto agente sulla piastra equilibrata dal tiro Tc.

Scarica il Focus Normativo PDF sull’analisi cinematica lineare per il dimensionamento delle catene

Tutte le prescrizioni della Normativa Tecnica NTC2018 e della Circolare 2019 riguardanti l’analisi cinematica lineare per la verifica di sicurezza dei meccanismi locali di ribaltamento fuori piano raccolte in un unico documento PDF scaricabile gratuitamente. Compila i campi qui sotto, riceverai all’istante un’email contenente il link per eseguire il download.

Conclusioni

La messa in opera di catene metalliche negli edifici esistenti in muratura è uno degli interventi di miglioramento sismico più frequenti, insieme con la realizzazione di cordoli sommitali e di interpiano. Il funzionamento di una catena metallica è molto semplice, ma il dimensionamento della sezione e il calcolo del tiro va valutato con cura, per evitare dissesti nell’edificio esistente.

Allo stesso modo è molto importante posizionare le catene nei punti giusti del fabbricato per assicurarne il corretto funzionamento. Spero che quest’articolo abbia contribuito a fare chiarezza su questo tema.

Se ti è piaciuto puoi suggerirlo ad un tuo collega su Linkedin o ad un tuo amico su Facebook cliccando sui tasti di condivisione social in fondo alla pagina.

Al prossimo post.

Marco

---