Comportamento scatolare degli edifici in muratura: 16 scenari possibili

L’analisi sismica globale delle costruzioni esistenti in muratura portante richiede che l’edificio sia in grado di esibire un comportamento scatolare affinché i risultati dell’analisi possano essere ritenuti validi. In quest’articolo vedremo cos’è il comportamento scatolare degli edifici in muratura, quali fattori influiscono sulla presenza o meno di tale comportamento e perché è così importante ai fini dell’analisi sismica globale dell’edificio.

Nel corso dell’articolo, grazie al video di un esperimento eseguito sul modello in scala di una semplice costruzione in muratura, potrai vedere in pratica cosa accade sotto l’effetto di un evento sismico in presenza o in assenza del comportamento scatolare dell’edificio. Il video che ti propongo è fortemente chiarificatore, ti suggerisco di non perdertelo.

Comportamento scatolare degli edifici in muratura: i 3 fattori che lo determinano

Il significato di comportamento scatolare di una costruzione in muratura è racchiuso nella sua stessa definizione. Un edificio in muratura esibisce un comportamento scatolare quando il suo comportamento statico nei confronti della azioni orizzontali è simile a quella di una comune scatola di cartone.

Immagina una classica scatola di cartone i cui lati siano ben collegati fra loro con del nastro adesivo in corrispondenza degli spigoli e chiusa con un coperchio nella parte superiore. Tutti i lati della scatola saranno connessi gli uni agli altri, sia le 4 facce laterali che la faccia inferiore e superiore.

Ciascun lato della scatola avrà una certa rigidezza nel proprio piano. Lo stesso deve accadere per gli edifici in muratura per i quali dovrà valere un comportamento scatolare.

La presenza o l’assenza del comportamento scatolare delle costruzioni in muratura in sostanza dipende da tre fattori:

1. la rigidezza dei solai nel proprio piano;
2. il collegamento strutturale fra i solai e le pareti perimetrali;
3. l’ammorsamento fra le pareti.

Ciascun fattore sopra citato può modificare in modo consistente il comportamento sismico, la resistenza e la duttilità di un edificio in muratura. Nel seguito dell’articolo vedremo come ognuno dei fattori sopra citati influenzi la risposta sismica di un edificio esistente in muratura portante. Analizzeremo inoltre le possibili ipotesi che il progettista strutturale può assumere riguardo la rigidezza nel piano dei solai di costruzioni esistenti in muratura e come ognuna di esse influenzerà l’analisi.

1) Rigidezza degli impalcati nel piano: solai rigidi o deformabili

Il primo fattore che influisce sul comportamento scatolare di un edificio in muratura è la rigidezza degli impalcati nel proprio piano. L’analisi sismica globale delle costruzioni esistenti in muratura portante richiede l’assunzione di un’ipotesi sulla rigidezza nel piano dei solai per assicurare la corretta ripartizione delle azioni orizzontali fra le pareti della struttura. I solai delle costruzioni esistenti in muratura portante possono ricadere in uno dei tre casi seguenti:

• solai infinitamente rigidi;
• solai con rigidezza finita;
• solai con rigidezza trascurabile.

Solai modellabili come infinitamente rigidi

Ricadono in questa categoria i solai latero-cementizi con soletta di almeno 4 cm di spessore o solai misti con soletta in calcestruzzo armato ben collegata agli elementi strutturali in legno o acciaio. Se i solai risultano ben collegati alle pareti della struttura è consentita la ripartizione dell’azione sismica fra le pareti in base alla rigidezza, resistenza e posizione in pianta dei setti murari.

Nell’immagine seguente puoi vedere il modello di una piccola costruzione in muratura di un solo piano con solai rigidi ben collegati alle pareti perimetrali e pareti non ammorsate. Nell’immagine si mostra la configurazione deformata del modello sollecitato da una forza orizzontale parallela al lato corto della pianta.

Edificio semplice soggetto ad azione orizzontale: solaio rigido e collegato alle pareti

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Se si esegue un’analisi statica non lineare (analisi pushover), tale ripartizione verrà eseguita automaticamente dal software di calcolo se il solaio è stato definito nel modello come infinitamente rigido.

Solai di rigidezza trascurabile

Possono essere classificati come solai di rigidezza trascurabile i solai in legno con tavolato, privi di soletta in calcestruzzo armato collaborante con le travi principali.

Nel caso di solai di rigidezza trascurabile ciascuna parete potrà essere verificata nei confronti delle azioni sismiche che le competono, calcolate considerando le aree di influenza di ciascuna parete. Le pareti di spina ortogonali alla direzione di orditura del solaio e parallele alla retta di azione dell’azione sismica assorbiranno un’azione orizzontale doppia rispetto alle pareti di estremità.

Nell’immagine seguente puoi vedere lo stesso modello analizzato in precedenza, stavolta però il solaio è modellato come deformabile nel proprio piano, ma resta comunque ben collegato alle pareti perimetrali. Dalla configurazione deformata si nota come le pareti parallele all’azione sismica restano praticamente indeformate, in quanto molto rigide nel proprio piano.

Edificio semplice soggetto ad azione orizzontale: solaio deformabile ben collegato alle pareti

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Solai di rigidezza finita

Il solaio di rigidezza finita è un caso intermedio fra il solaio infinitamente rigido e il solaio di rigidezza trascurabile. Possono rientrare in questa categoria i solai in legno con soletta collaborante in calcestruzzo. In fase di analisi è possibile modellare l’effettiva rigidezza del solaio, definendo le caratteristiche di deformabilità nel piano di ciascun solaio.

2) Collegamento strutturale fra solai e pareti

Il collegamento strutturale fra solai e pareti è un altro fattore chiave per la corretta analisi del comportamento sismico globale di un edificio in muratura (lo vedremo nel video che ti proporrò a breve).

Se il solaio è collegato solo con le due pareti su cui scarica, in presenza dell’azione sismica e in assenza di ammorsamento, il meccanismo di collasso sarà il ribaltamento fuori piano della parete per azione sismica agente in direzione ortogonale alle pareti a cui il solaio è collegato. Questa condizione è stata riprodotta nel modello riportato nell’immagine seguente.

Edificio semplice soggetto ad azione orizzontale: solaio deformabile, collegato solo alle due pareti su cui scarica, assenza di ammorsamento

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Se il solaio è collegato a tutte e quattro le pareti su cui scarica, per qualunque direzione dell’azione sismica, saranno prevalentemente sollecitate le pareti in direzione parallela all’azione sismica.

3) Ammorsamento fra pareti

L’ammorsamento fra pareti in muratura si ottiene tramite la sfalsatura dei giunti di mattoni in corrispondenza degli spigoli per garantire il collegamento strutturale fra due pareti. In assenza di ammorsamento le pareti risulteranno semplicemente accostate e soggette al rischio di ribaltamento fuori piano.

Comportamento scatolare degli edifici in muratura: tutti i possibili scenari

I tre fattori appena visti possono combinarsi fra loro dando vita a ben 16 differenti scenari in cui il comportamento scatolare dell’edificio può essere presente oppure no. Per ciascun fattore citato possono essere prese in considerazione i seguenti stati:

• solai rigidi: SI oppure NO;
• collegamento strutturale fra solai e pareti: A, B, A+B (vedi legenda nell’immagine sotto);
• ammorsamento fra pareti: SI oppure NO

Combinando fra loro tutti gli stati dei fattori citati, si otterranno 16 possibili scenari. Te li elenco tutti nella tabella di seguito.

Fra i 16 scenari elencati ella tabella precedente, soltanto due assicurano il comportamento scatolare di un edificio in muratura. Solo in caso di comportamento scatolare della costruzione è possibile analizzare la risposta sismica globale mediante l’esecuzione dell’analisi statica non lineare. In assenza di comportamento scatolare, tale analisi non potrà essere eseguita ma dovrà essere sostituita da un insieme di analisi dei meccanismi locali.

Comportamento scatolare degli edifici: il video di un esperimento su un modello in scala

Quanto detto finora in merito al comportamento scatolare degli edifici in muratura è mostrato in maniera eccellente in questo breve video che mostra un esperimento eseguito su un modello in scala. Nel corso del video potrai vedere in atto i seguenti scenari:

• Scenario 1, min 0:24: assenza di ammorsamento, solaio non rigido e non collegato alle pareti -> comportamento non scatolare;
• Scenario 9, min 0:43: assenza di ammorsamento, solaio rigido, ma non collegato alle pareti -> comportamento non scatolare;
• Scenario 4, min 1:01: assenza di ammorsamento, solaio non rigido, ma collegato alle pareti -> comportamento non scatolare;
• Scenario 12, min 1:16: assenza di ammorsamento, solaio rigido e collegato alle pareti -> comportamento scatolare.

Clicca su play per guardare il video

Fonte: YouTube

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Assenza di comportamento scatolare: come eseguire la verifica sismica

Per le costruzioni in muratura per le quali non sarà assicurato il comportamento scatolare della costruzione, non potrà essere eseguita una verifica sismica globale, ma tale verifica sarà sostituita da un insieme di verifiche sismiche locali, ripartendo l’azione sismica fra le pareti e verificando le singole pareti nei confronti dei meccanismi locali quali ribaltamento fuori piano, pressoflessione fuori piano (per tale verifica puoi utilizzare l’app Wally), ribaltamento del cantonale etc. Rientrano in questa categoria le grandi chiese o gli edifici molto estesi privi di efficaci collegamenti fra le porzioni che lo compongono.

Conclusioni

Quando ci si appresta ad eseguire l’analisi di vulnerabilità di un edificio esistente in muratura portante nel suo stato di fatto, è necessario prima di tutto verificare l’applicabilità dell’analisi statica non lineare, ossia dell’analisi pushover.

L’analisi fornirà risultati attendibili solo se è assicurato il comportamento scatolare della costruzione. Bisognerà pertanto verificare la presenza di collegamenti efficaci fra solai e pareti, dell’ammorsamento fra pareti e valutare l’effettiva rigidezza nel piano dei solai.

In assenza di questi requisisti non sarà possibile eseguire un’analisi pushover in quanto i risultati sarebbero privi di validità. In tal caso l’analisi di vulnerabilità dello stato di fatto dovrà essere eseguita analizzando i singoli meccanismi locali.

Spero che quest’articolo abbia fatto chiarezza sull’importanza del comportamento scatolare degli edifici in muratura, indispensabile per assicurare la validità dell’analisi sismica globale. Se questo post ti è stato utile puoi suggerirlo ai tuoi colleghi su Linkedin e ai tuoi amici su Facebook cliccando sui tasti di condivisione social in fondo alla pagina.

Al prossimo post.

Marco

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Codice articolo: 235. Pubblicato il 18/10/2021. Repost: 08/02/2024.