Interventi di miglioramento sismico di edifici in muratura

Ultimo aggiornamento: 11/10/2019 - Ing. Graziella Campagna, Servizio di Assistenza Tecnica Logical Soft - Riproduzione riservata

Come incrementare la sicurezza degli edifici con interventi economicamente sostenibili

Il patrimonio edilizio italiano è costituito in gran parte da edifici in muratura particolarmente vetusti. Alla luce delle Nuove Norme Tecniche e grazie agli incentivi fiscali (Sismabonus) intervenire su di essi per ripristinarne le piene funzionalità è più che un'occasione. È un'opportunità che può essere colta studiando tecniche di miglioramento della prestazione poco invasive e più efficaci a fronte di un investimento economico contenuto e quindi sostenibile.

Come studiare dunque il comportamento di un edificio in muratura? Quali meccanismi indagare e quali soluzioni di intervento proporre per mantenere in funzione l'edificio?

Immagine 1 - Edificio esistente in muratura ubicato a Perugia
Immagine 1 - Edificio esistente in muratura ubicato a Perugia

In questo focus approfondiamo quali procedure è possibile mettere in atto per interpretare il comportamento di un edificio in muratura e scegliere l'intervento più adatto per incrementarne la sicurezza sismica.

Tutte le fasi del flusso di lavoro sono accompagnate dall'analisi condotta su un edificio esistente in muratura utilizzando gli strumenti offerti da TRAVILOG.

  • Perchè intervenire su un edificio esistente?
  • Cosa implica la scelta di un intervento?
  • Dallo studio dell'edificio alla scelta dell'intervento di miglioramento sismico
  • Meccanismi locali di collasso di pareti in muratura
  • Interventi di contrasto ai meccanismi locali di collasso
  • Come quantificare il miglioramento sismico

Perchè intervenire su un edificio esistente in muratura?

Le richieste di intervento da parte dei nostri committenti sono sempre molto varie, ma generalmente si rende necessario realizzare opere che hanno i seguenti scopi:

  • ripristino delle piena funzionalità della costruzione: si tratta di opere su singoli elementi, come travi di solaio o pilastri, o interventi estesi ad intere porzioni di costruzione, come ad esempio rinforzi su pareti in muratura;
  • modifiche alla struttura portante quali ampliamenti, sopraelevazioni, accrescimenti volumetrici.

Per queste opere si punta a garantire un adeguato livello di sicurezza sismica del costruito a fronte di un impegno economico sostenibile e ci si confronta con le indicazioni normative proposte nel capitolo 8 delle Norme tecniche per le Costruzioni.

Analizziamo il caso di ristrutturazione di una costruzione in muratura ubicata a Perugia con l'obiettivo di ripristinare il suo completo funzionamento. L'edificio  è costituito da muratura in pietra sbozzata con buona tessitura muraria; le pareti sono scarsamente ammorsate tra loro ed i solai lignei sono caratterizzati da scarsa resistenza e rigidezza.

Immagine 2 - Edificio esistente in muratura ubicato a Perugia
Immagine 2 - Edificio esistente in muratura ubicato a Perugia

Ai fini della sicurezza sismica, le Norme Tecniche per le Costruzioni vincolano i professionisti a far ricadere il progetto in una delle seguenti 3 categorie (§ 8.4 delle NTC 2018):

  • interventi di riparazione o locali;
  • interventi di miglioramento;
  • interventi di adeguamento.

Non sempre le richieste della committenza permettono di identificare facilmente in quale di queste  tipologia di intervento si ricade. Per il caso in studio per esempio in base alle caratteristiche della costruzione ed al sua grado di conservazione si adotta la soluzione progettuale più opportuna. Solo a valle dell'analisi si può dedurre se si tratta di un intervento locale, miglioramento o adeguamento sismico.

Cosa implica la scelta di un intervento?

Per ciascun tipo di intervento previsto dal § 8.4 delle NTC 2018 e richiamato sopra varia sia la modalità di analisi da condurre che la prestazione sismica che deve essere garantita.

Gli interventi locali  interessano singole parti e/o elementi della struttura. Essi non devono cambiare significativamente il comportamento globale della costruzione e sono volti a conseguire una o più delle seguenti finalità:
– ripristinare, rispetto alla configurazione precedente al danno, le caratteristiche iniziali di elementi o parti danneggiate;
– migliorare le caratteristiche di resistenza e/o di duttilità di elementi o parti, anche non danneggiati;
– impedire meccanismi di collasso locale;
– modificare un elemento o una porzione limitata della costruzione.
Per questi interventi il progetto e la valutazione della sicurezza potranno essere riferiti alle sole parti e/o elementi interessati e si dovrà documentare che non siano prodotte sostanziali modifiche al comportamento delle altre parti e dell'edificio nel suo insieme e che gli interventi comportino un miglioramento delle condizioni di sicurezza pre-esistenti.
Per gli interventi di miglioramento sismico si richiede di incrementare il livello di sicurezza dell’intera costruzione seppur non si sia in grado di raggiungere quello previsto per le nuove costruzioni.
È necessario eseguire un’analisi globale della struttura prima e dopo l’intervento e valutare come varia il rapporto tra l'azione sismica massima sopportabile dalla costruzione e l’azione sismica massima che si utilizzerebbe nel progetto di un nuovo edificio (ζ E).
A meno di specifiche situazioni relative ai beni culturali, per le costruzioni di classe III ad uso scolastico e di classe IV, il valore di ζE deve essere comunque non minore di 0,6, mentre per le rimanenti costruzioni di classe III e per quelle di classe II il valore di ζE, deve essere incrementato di un valore comunque non minore di 0,1.

Infine per gli interventi di adeguamento sismico si richiede di ripristinare la sicurezza sismica in modo tale da garantire la stessa prestazione attesa per edifici nuovi.
Si tratta di interventi quali sopraelevazioni, ampliamenti, variazioni di destinazione d'uso o interventi volti a trasformare completamente il complesso strutturale.

In questi casi, il progetto dovrà essere riferito all’intera costruzione e dovrà riportare le verifiche pre e post intervento in cui si dimostra che ζE >=1,0.
Si accetta che ζE >= 0,80 solo in caso di variazioni di destinazione d'uso  e in caso di modifiche nella classe d’uso che conducano a edifici di classe III ad uso scolastico o di classe IV.
È evidente che passando da intervento locale ad intervento di adeguamento l'onere economico e di progettazione diventa sempre più impegnativo, fino a richiedere sistemi di consolidamento invasivi e costosi. Dove possibile il legislatore promuove politiche volte al miglioramento delle prestazioni sismiche, rinunciando ad ottenere il massimo livello di sicurezza pur di intervenire sul maggior numero di fabbricati possibile. Il progettista ha l'onere di trovare le soluzioni tecniche che permettano di garantire questo risultato a fronte di interventi mirati e quindi più efficaci.
Nel paragrafo che segue mostriamo come lo studio delle caratteristiche principali dell'edificio possa essere sufficiente per identificare i meccanismi di danno più probabili e quindi gli interventi di ripristino più adeguati.

Dallo studio dell'edificio alla scelta dell'intervento di miglioramento sismico

Valutare l’influenza di un qualsiasi intervento, locale o globale, su un edificio esistente, vuol dire in prima analisi prevedere come l’edificio modificherà la sua risposta alle sollecitazioni statiche e sismiche.
D’altra parte la risposta del sistema è connessa alle caratteristiche meccaniche della muratura e alle geometrie dell'edifico. È tuttavia evidente che costruire un modello numerico che rappresenti efficacemente la reale costituzione dell’edificio non può prescindere da approssimazioni e semplificazioni: il progettista ha quindi l’onere di studiare la struttura portante nel modo più approfondito possibile con lo scopo principale di stabilire i possibili meccanismi di danno e di collasso che potrebbero svilupparsi nel tempo per degrado o a causa di eventi sismici.
Gli elementi fondamentali su cui si deve concentrare lo studio della costruzione sono:

  • i materiali e le relative proprietà meccaniche;
  • la geometria e i dettagli costruttivi;
  • il quadro fessurativo e deformativo della costruzione.

È a partire dalla conoscenza di questi elementi di base che dovrebbero essere chiariti i principali meccanismi di collasso da cui dedurre quale intervento attuare.

Studio dei materiali che costituiscono la muratura portante

Prima di procedere nella progettazione di un qualsiasi intervento è necessario valutare la qualità muraria dei materiali. La capacità delle murature di resistere alle azioni statiche e dinamiche prevedibili è infatti strettamente legata alle caratteristiche dei materiali che la costituiscono e al loro grado di conservazione. Se la muratura non è in grado di sviluppare una sufficiente capacità, qualsiasi valutazione analitica degli interventi risulterà inefficace; l'intervento più ragionevole da porre in atto è dunque quello di ripristino delle proprietà meccaniche della muratura stessa mediante ad esempio iniezioni di miscele di malte a base di calcio. L'edificio in studio  on richiede interventi di questo genere: è caratterizzato da muratura di buona qualità costituita da pietra sbozzata.

Immagine 3 - Materiale delle pareti murarie: muratura in pietra sbozzata
Immagine 3 - Materiale delle pareti murarie: muratura in pietra sbozzata

Analisi dei dettagli costruttivi

L'analisi dei dettagli costruttivi si concentra sulla valutazione dei seguenti elementi:

  • tipologia ed efficacia del collegamento tra pareti verticali (ammorsamenti e tipologia di cantonali);
  • deformabilità ed orditura degli orizzontamenti;
  • qualità del collegamento tra solai e murature portanti;
  • tipologia ed efficacia delle architravi al di sopra delle aperture;
  • eventuale presenza di coperture spingenti

Questi fattori permettono di determinare se l'edificio è in grado di sviluppare un meccanismo d'insieme. Se infatti le pareti non sono tra loro ammorsate è probabile che ciascuna tenderà a comportarsi indipendentemente dalle altre; viceversa un buon ammorsamento assegna alla struttura un comportamento scatolare.
Questo comportamento è ancor più marcato in presenza di orizzontamenti rigidi in grado di ridistribuire le sollecitazioni orizzontali ai setti verticali proporzionalmente alla loro resistenza.

Studio del quadro fessurativo

Durante il sopralluogo è sicuramente utile tracciare una rappresentazione grafica delle deformazioni e delle fessurazioni che emergono dall'analisi dei paramenti murari e dei dettagli costruttivi.
Il quadro fessurativo consente di avere una visione di insieme dello stato generale di conservazione dell'edificio e permette di individuare i diversi meccanismi di danno e le cause che li hanno generati.
Generalmente si rilevano due categorie di meccanismi di danno: meccanismi di primo modo e meccanismi di secondo modo (Giuffrè 1993).

I meccanismi di primo modo corrispondono ai cinematismi fuori piano delle pareti: ribaltamento e flessione. Il collasso avviene per perdita di equilibrio delle strutture.
Questi cinematismi possono presentarsi in costruzioni in cui l’assenza o scarsa efficacia di collegamento tra pareti ed orizzontamenti e tra pareti negli incroci murari non garantisce l’instaurarsi di un comportamento d’insieme della costruzione: ciascuna parete tende a comportarsi in modo indipendente attivando meccanismi fuori piano.
In tali casi la verifica globale su un modello tridimensionale non ha rispondenza rispetto al suo effettivo comportamento sismico e, secondo quanto precisato nel capitolo C8.7.1.1 della Circolare n.167/2009, può essere effettuata attraverso un insieme esaustivo di verifiche locali.

I meccanismi di secondo modo interessano la risposta delle pareti nel proprio piano e generano danneggiamenti per flessione e taglio; la rottura avviene quindi per superamento della resistenza ultima del materiale.
Tali cinematismi si attivano in edifici in grado di sviluppare una risposta globale alla sollecitazione sismica: il buon ammorsamento delle pareti e l’efficace vincolo tra pareti ed orizzontamenti scongiurano i meccanismi di primo modo; le pareti, collaborando tra loro, riescono ad attivare una risposta nel loro piano che meglio sfrutta le capacità di rigidezza e resistenza della muratura e garantiscono maggiore sicurezza.
La rigidezza degli orizzontamenti in tale contesto accentua il comportamento scatolare della struttura: i solai rigidi infatti consentono la ripartizione della sollecitazione sismica tra le pareti in base alla rigidezza nel piano; ciascuna parete sarà pertanto chiamata a rispondere in modo proporzionale alla capacità intrinseca di resistere.
La verifica di sicurezza dell’edificio richiede un’analisi globale della struttura con particolare attenzione alla rappresentazione dell’efficacia dei collegamenti e della rigidezza e resistenza dei solai.
Adottando interventi che hanno lo scopo di impedire il verificarsi di meccanismi fuori piano delle pareti, si può migliorare il comportamento complessivo della struttura con misure poco invasive ed economicamete sostenibili ma che hanno il privilegio di incrementare significativamente la capacità gobale di risposta a sollecitazioni sismiche.

Immagine 4 - Edificio esistente in muratura - Meccanismi di primo e secondo modo
Immagine 4 - Edificio esistente in muratura - Meccanismi di primo e secondo modo

Meccanismi locali di collasso di pareti in muratura

L’analisi sismica delle costruzioni esistenti deve essere condotta con metodi che tengano in considerazione del comportamento della struttura soggetta a sollecitazioni dinamiche.
Se la struttura non presenta sufficienti gradi di vincolo tra i muri, e gli orizzontamenti non sono in grado di ridistribuire le sollecitazioni dalle pareti ortogonali al sisma a quelle disposte parallelamente, l’analisi può essere svolta mediante una serie di analisi dei meccanismi locali.
In tal caso è possibile far riferimento ai metodi dell’analisi limite dell’equilibrio per cui si arriva a collasso per perdita di equilibrio.  Scelto un possibile cinematismo ed applicando il principio dei lavori virtuali si valuta l’azione orizzontale in grado di attivare il meccanismo di collasso.
Dal confronto tra quest'ultima e l'accelerazione relativa al sito di costruzione, si determina se la verifica è soddisfatta.

I meccanismi più comuni sono:
• meccanismo di ribaltamento semplice di parete monolitica;
• meccanismo di flessione orizzontale di parete confinata;
• meccanismo di flessione orizzontale di parete non confinata;
• sfondamento della parete del timpano;
• meccanismo di flessione verticale;
• meccanismo di ribaltamento composto di cuneo diagonale;
• ribaltamento del cantonale.

Soltanto dopo aver garantito l’equilibrio della struttura per meccanismi fuori piano, la sicurezza della costruzione può essere valutata nei confronti di meccanismi d’insieme ovvero mediante analisi globali.

Il Modulo MURATURE di TRAVILOG consente di valutare i meccanismi locali di collasso degli edifici esistente.

Immagine 5 - Meccanismi locali di collasso disponibili con il Modulo MURATURE di TRAVILOG
Immagine 5 - Meccanismi locali di collasso disponibili con il Modulo MURATURE di TRAVILOG

L'edificio in studio non presenta un sufficiente grado di ammorsamento delle pareti ed i solai in legno non offrono una rigidezza sufficiente a garantire un comportamento scatolare della costruzione.
L'analisi dello stato di fatto può essere condotto valutando tutti i possibili meccanismi di collasso nell'ottica di definire l'azione da assegnare ai tiranti per contrastare il meccanismo di ribaltamento fuori piano.

Immagine 6 - Meccanismi locali di collasso per l'edificio a Perugia
Immagine 6 - Meccanismi locali di collasso per l'edificio a Perugia

Interventi di contrasto ai meccanismi locali di collasso

Tutti gli interventi volti a scongiurare meccanismi di primo modo permettono di migliorare sismicamente la struttura e spesso sono localizzati in alcune porzioni specifiche dell'edificio.
Si pensi ad esempio alla posa in opera di tiranti o catene: l'efficacia dell'opera risiede nella sua capacità di collegare tra loro paramenti murari ortogonali garantendo  l'effetto scatolare della costruzione.

Allo stesso modo opera  il rinforzo di solai lignei mediante getto di calcestruzzo armato con rete elettrosaldata: oltre all'effetto scatolare si garantisce la distribuzione delle sollecitazioni sismiche proporzionalmente alla rigidezza delle singole pareti.

In riferimento al § 8.4 delle NTC 2018, il primo intervento può essere considerato come un intervento locale. Sempre utilizzando la procedura di calcolo dei meccanismi locali di collasso, è possibile stimare il tiro necessario a contrastare il meccanismo di ribaltamento fuori piano della facciata e dimensionare il tirante stesso.

Immagine 7 - Dimensionamento dei tiranti per il contrasto del meccaniso di ribaltamento fuori piano della parete
Immagine 7 - Dimensionamento dei tiranti per il contrasto del meccaniso di ribaltamento fuori piano della parete

Come quantificare il miglioramento sismico dell'edificio

Quali strumento abbiamo per valutare il miglioramento sismico dell'edificio in muratura? Come dimostrare al committente che l'intervento progettato aumenta il valore del suo immobile?
Può essere utile assegnare una classe di rischio sismico prima e dopo l'intervento. Le Linee guida per la classificazione del rischio sismico delle costruzioni (DM 65 del 07/03/2017) hanno definito le modalità operative per attribuire agli edifici una classe di rischio e per gli edifici in muratura propongono un metodo speditivo, semplificato.

Sulla base della zona sismica, della tipologia strutturale che meglio descrive la costruzione e degli eventuali fattori che determinano un peggioramento della vulnerabilità dell'edificio si assegna una certa classe.
Se l'intervento in progetto è volto a impedire meccanismi di instabilità fuori piano o a garantire un comportamento scatolare complessivo dell'edificio, la classe migliora senza fare ulteriori valutazioni numeriche.

Nella seguente immagine proponiamo la classe di rischio primo e dopo l'intervento di ristrutturazione per l'edificio a Perugia. Grazie al miglioramento di una classe di rischio il proprietario può far conto su un incentivo fiscale che alleggerisce la spesa totale della ristrutturazione, come previsto dal Sismabonus.

Per approfondire i vantaggi degli incentivi fiscali per interventi di miglioramento sismico degli edifici, si consiglia di consultare il focus Guida ai bonus fiscali per gli interventi strutturali >

Immagine 8 - Immagine 8 - Classe di rischio prima e dopo l'intervento di consolidamento
Immagine 8 - Classe di rischio prima e dopo l'intervento di consolidamento
Graziella Campagna - Ingegnere per l’Ambiente e il Territorio - Ing. Geotecnico

Graziella Campagna

Ingegnere per l’Ambiente e il Territorio - Ing. Geotecnico

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Ingegnere per l’Ambiente ed il Territorio, con specializzazione in Geotecnica e Difesa del Territorio.
Svolgo attività professionale presso la software house Logical Soft collaborando nello sviluppo di programmi dedicati al mondo dell’edilizia.
In particolare mi occupo di analisi per lo sviluppo del software TRAVILOG, nello specifico per la parte dedicata al calcolo strutturale di edifici in muratura e alla verifica geotecnica delle fondazioni. Seguo l’attività di produzione e le fasi di test, controllo e validazione dei moduli di TRAVILOG e la redazione del supporto per facilitare l'utilizzo del software.
Gestisco e curo lo sviluppo del software SCHEDULOG per la gestione della sicurezza nei cantieri edili e la redazione di POS, PSC, DUVRI e PiMUS ai sensi del Testo Unico per la Sicurezza (D.Lgs. 81/08). Coordino le attività di produzione, ottimizzazione e controllo delle procedure e dell’interfaccia del software.
Sono responsabile del servizio di assistenza tecnica ai professionisti e coordino le attività di formazione sui temi dell'analisi strutturale, energetica ed acustica degli edifici.
Curo la stesura di manuali e videotutorial e svolgo attività di docenza nei corsi di aggiornamento del settore sia in aula che on line. Mi occupo inoltre di redazione di articoli tecnici in particolare su temi relativi al progetto strutturale e alla sicurezza nei luoghi di lavoro.

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