Verifica di tiranti e catene

L’inserimento di un tirante è tra le tecniche di antiribaltamento più diffuse nel tempo, ma quali sono i criteri di verifica dei tiranti? Rivediamo insieme capacità e meccanismi di rottura per questo sistema di rinforzo e analizziamo i 5 criteri da seguire.

Ristrutturare con gli interventi locali: gli strumenti di calcolo

Continua il nostro percorso nella analisi dei interventi locali per le ristrutturazioni più frequenti. Dopo avere esaminato come si progetta una cerchiatura affrontiamo ora come si fa il dimensionamento e la verifica dei tiranti.

I tiranti vengono utilizzati per ripristinare la stabilità o la messa in sicurezza di una parete in muratura. Ricordiamo che con TRAVILOG è possibile modella e verificare in maniera puntuale qualunque tipologia di tiranti.

Dopo avere modellato con il software la parete con materiale e geometrie, si definiscono il tipo di tirante e il sistema di chiusura. Per il capochiave è possibile scegliere una piastra circolare, rettangolare o il sistema a paletto.
Le verifiche vengono eseguite distinguendo le capacità della muratura e del tirante:

• Tirante: si valuta la resistenza a trazione del tirante in acciaio.
• Muratura: si considera la resistenza a taglio della parete secondo tre distinti meccanismi di rottura
• Capochiave: in questo caso si confronta la tensione che si sviluppa nel sistema di chiusura con la tensione di calcolo a snervamento dell’acciaio.

Verifica di tiranti: quando si applica

Anzitutto siamo a valle di un’analisi che ha decretato l’incapacità di una parete in muratura di resistere alle azioni fuori piano.

Che cosa significa? Su un edificio esistente in muratura si effettua un’analisi globale o un’analisi dei meccanismi locali di collasso. A valle di questa analisi si rileva tuttavia l’incapacità per una parete in muratura di resistere alle azioni fuori piano. I meccanismi di rottura tipici per queste incapacità sono i ribaltamenti fuori piano o anche le flessioni verticali causate da un’inconsistente capacità di collegamento dei solai o dalla presenza di azioni spingenti.

Una delle soluzioni più adottate per contrastare questi meccanismi di rottura è, quindi, quella di inserire in corrispondenza di almeno due punti della parete oggetto di intervento un sistema di tenuta alle azioni fuori piano. Sono le cosiddette catene o tiranti.

Questi sistemi sono solitamente pensati per offrire una resistenza a trazione. Prevedono pertanto la presenza di un contrasto a mezzo di un puntone che può essere individuato da un muro di spina o da un solaio.

Le verifiche di un tirante e le NTC

È dunque sufficiente verificare il tirante per la sola azione di trazione?

Come ogni intervento strutturale è bene ricordare che vanno considerati tutti gli elementi che definiscono il sistema resistente.

Riprendiamo allora quanto espresso dalle NTC del 2018:

Riparazioni o interventi locali
• impedire meccanismi di collasso locale

NTC 2018 cap 8.4.1

e dalla Circolare applicativa n. 7 del 2019:

• Il ripristino o rinforzo dei collegamenti esistenti tra i singoli componenti o tra parti di essi o la realizzazione di nuovi collegamenti (ad esempio tra pareti murarie, tra pareti e travi o solai, anche attraverso l’introduzione di catene/tiranti, chiodature tra elementi lignei di una copertura o di un solaio, tra componenti prefabbricati) ricadono in questa categoria.

Circolare esplicativa 7/2019

Questo sistema di rinforzo è quindi ascrivibile tra gli interventi locali, da questo primo assunto derivano le conseguenti scelte circa le pratiche sismiche da istruire nei distinti ambiti locali.

Dato che citiamo le prescrizioni normative ricordiamo allora che nella verifica di un tirante è necessario considerare tutte le parti del sistema di rinforzo.

Tipicamente si tratta di un sistema in carpenteria metallica composto dalla catena, ovvero una barra circolare o rettangolare, e da un sistema di ritegno chiamato capochiave che può essere irrigidito con sistemi di nervatura.

Gli elementi da verificare sono quindi:

• tirante – resistenza a trazione
• capochiave – resistenza a taglio e flessione
• muratura – resistenza a taglio

Vediamo ora le singole verifiche nel dettaglio.

I 5 criteri di verifica dei tiranti

Vediamo ora in sintesi passo passo quali soni i cinque indispensabili criteri da seguire per una verifica puntuale dei tiranti.

1 – Meccanismo di instabilità

Il primo criterio di verifica riguarda il dimensionamento del tirante in funzione della trazione necessaria a mettere in sicurezza il meccanismo di instabilità:

T_Rt = A_t f_yd

con:
A_t – area della sezione del tirante
f_yd – resistenza a trazione di calcolo del tirante

2 – Cuneo di frattura con linee di frattura a 45°

Un secondo criterio di verifica riguarda la muratura. Più nello specifico, si tratta del dimensionamento del sistema capochiave/tirante valutando la resistenza massima offerta dalla muratura secondo un modello di rottura per distacco di un cuneo con linee di frattura inclinate a 45º:

T_Rv1 = A_v f_vd = A_v (f_vk0 + n σ₀ ) / (FC γ_M )

con:
A_v – area della superficie di muratura interessata dal distacco
f_vd – resistenza a taglio di calcolo
f_vk0 – resistenza a taglio in assenza di tensioni normali
n – coefficiente di interazione dei carichi verticali
σ₀ – tensione normale media dovuta ai carichi verticali
FC – fattore di confidenza
γ_M – coefficiente parziale di sicurezza della muratura

3 – Cuneo di frattura con linee di frattura orizzontali

Il precedente criterio di verifica dei tiranti va tuttavia analizzato considerando anche un diverso cuneo di frattura. Si verifica infatti la resistenza massima offerta dalla muratura secondo un modello di rottura con linee di frattura mediane rispetto alle linee di frattura del modello con linee di frattura inclinate a 45º:

T_Rv2 = A_v f_vd = A_v (f_vk0 + n σ₀ ) / (FC γ_M )

Qui i simboli in formula hanno il significato espresso prima.

4 – Verifica di tiranti: il criterio di schiacciamento

Analizziamo ora il criterio successivo, lo schiacciamento. Per soddisfare questa verifica il sistema capochiave/tirante viene confrontato con la resistenza massima offerta dalla muratura all’azione di pressione della piastra del capochiave. Nel caso di chiusura del tirante con un sistema a paletto, invece, tale verifica non viene considerata:

T_Rs = f_hd A_s = A_s f_hm / (FC γ_M )

con:
As – area della superficie di muratura interessata dallo schiacciamento
f_hd – resistenza a compressione orizzontale di calcolo
FC – fattore di confidenza
γ_M – coefficiente parziale di sicurezza della muratura

5 – Sistema di chiusura capochiave tirante

Veniamo infine all’ultimo criterio di verifica. Si tratta della resistenza del sistema di chiusura capochiave/tirante. In pratica si valuta la capacità della piastra combinando le azioni di flessione e taglio che si sviluppano per l’azione di trazione del tirante.

Le due sollecitazioni vengono combinate. Si determina quindi la tensione che sviluppa in campo elastico nella sezione centrale della piastra, sezione che considera gli irrigiditori se presenti e che corrisponde al punto di innesto del tirante:

M_circ = T D / 3π per capochiave circolare

M_rett = T min(h_p; b_p) √2 / 12 per capochiave rettangolare

V = T / 2

σ = M y / I_x

τ = V S / I_x b

con:
M_circ – momento sollecitante nella piastra circolare
M_rett – momento sollecitante nella piastra rettangolare
h_p – altezza della piastra rettangolare
b_p – base della piastra rettangolare
V – taglio sollecitante la piastra
T – trazione trasmessa dal tirante
σ – sforzo di compressione che si sviluppa nella piastra
τ – tensione tangenziale che si sviluppa nella piastra