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Edifici in muratura: focus sui meccanismi all’origine del danno

Macroelementi e meccanismi di danno negli edifici in muratura. Un focus sugli edifici storici completo di disegni esplicativi

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Al contrario delle costruzioni di oggi (in acciaio o in c.a.), concepite come strutture intelaiate costituite da elementi verticali (pilastri) e orizzontali (travi) perfettamente connessi tra loro, gli edifici storici in muratura mancano di questa continuità strutturale.
Sono in genere il risultato di continue trasformazioni eseguite nel corso del tempo; questo comporta la presenza di soluzioni di continuità negli elementi portanti, dovute al fatto che la nuova muratura, spesso realizzata con materiali e tecniche differenti, non si ammorsa come dovrebbe a quella preesistente.
Negli edifici storici in muratura, questa mancanza di connessioni tra le parti consente il verificarsi di collassi parziali in cui è la parte più debole del manufatto a cedere all’azione sismica, senza coinvolgere le parti limitrofe.

In caso di sisma, infatti, gli edifici storici in muratura non manifestano un chiaro comportamento strutturale globale. Più realistica sembra invece essere un’analisi per macroelementi ossia porzioni di muratura che per forma e dimensioni reagiscono autonomamente al sisma, riconoscibili e catalogabili sulla base delle esperienze del passato. Un’ipotesi imprescindibile che sta alla base della teoria della discretizzazione dell’edificio in macroelementi è quella di poter considerare queste parti di edificio come monolitiche e, quindi, che la muratura che li compone sia di “buona qualità”.

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Risposta della muratura ad azioni orizzontali fuori dal piano: se è di “buona qualità” (a) ci si può aspettare un comportamento monolitico, al contrario, se è di “scarsa qualità” (c) si disgrega caoticamente. In caso di “media qualità” dell’apparecchio murario (b), ci si deve aspettare un comportamento intermedio.

Il concetto di macroelemento è stato introdotto da Doglioni F. et al., 1994, p.71 con riferimento alle chiese: “Per macroelemento si intende una parte costruttivamente riconoscibile e compiuta nel manufatto, che può coincidere – ma non necessariamente coincide – con una parte identificabile anche sotto l’aspetto architettonico e funzionale (es. facciata, abside, cappelle); è di norma estesa almeno ad un’intera parete o ad un orizzontamento, ma solitamente è formata da più pareti ed elementi orizzontali connessi tra loro a costituire una parte costruttivamente unitaria, e in alcuni casi, volumetricamente definita, pur se in genere collegata e non indipendente dal complesso della costruzione.”

La suddivisione in macroelementi è utile alla descrizione e comprensione del fenomeno del danno, ma svolge di per sé una funzione convenzionale. Per questa ragione non deve essere oggetto di una rigida formalizzazione, poiché del tutto interna e strumentale al processo di interpretazione e può variare caso per caso.
La risposta al sisma dell’edificio storico in muratura è pertanto quella offerta dai suoi macroelementi: il loro comportamento durante l’azione sismica definisce i cosiddetti “cinematismi di collasso attivabili” (o meccanismi di danno) dei quali è possibile verificare la sicurezza rispetto all’azione sismica attesa e, quindi, progettare e dimensionare opportuni presidi per scongiurarne l’attivazione.

Il livello di “qualità” dell’opera muraria storica si può valutare sulla rispondenza o meno della cosiddetta “regola dell’arte” (vale a dire l’insieme di regole costruttive pratiche a carattere empirico tramandate nel corso della storia) che governa l’esecuzione dell’opera:
• la presenza di diatoni per un buon ammorsamento dei paramenti. Nel caso di murature a blocchi squadrati a più paramenti sono indispensabili i diatoni (cioè elementi trasversali al piano della parete e passanti totalmente o parzialmente rispetto al suo spessore), al fine di garantire la monoliticità trasversale della parete.

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Influenza dei diatoni nella sezione della parete in presenza di azioni fuori del piano.

Un perfetto comportamento è offerto da quei solidi come l’Opus Quadratum classico, caratterizzato dalla regolare alternanza di filari di diatoni e ortostati.

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Opus Quadratum classico.

I soli elementi longitudinali (ortostati) hanno la prevalente funzione di contrastare l’azione sismica complanare, ma forniscono da soli un pessimo comportamento nei confronti delle sollecitazioni ortogonali. Al contrario, i soli elementi trasversali (diatoni) servono principalmente a contrastare l’azione sismica ortogonale al piano della parete, dando poco contributo per quella complanare.

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Come cambia la linea di fessurazione in funzione della tessitura degli elementi che la compongono: a) parete di soli ortostati; b) parete di soli diatoni; c) parete composta da ortostati e diatoni.

Esperienze sperimentali svolte dimostrano inoltre che non è necessaria la presenza di un numero rilevante di diatoni; essi possono essere pochi purché posti in punti strategici. Di fondamentale importanza risulta perciò la giusta percentuale di elementi trasversali e longitudinali al fine di avere un buon comportamento monolitico dei pannelli murari.

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Centro storico di L’Aquila, Basilica di San Bernardino da Siena. Questo è un esempio di facciata realizzata a perfetta regola d’arte. Su di essa, infatti, il sisma dello scorso 6 aprile 2009 non sembra aver prodotto alcun danno.

Un metodo per valutare l’ingranamento nella sezione muraria (ad esempio la presenza o meno dei diatoni), fra gli elementi costituenti la muratura, è quello della valutazione della Linea di Minimo Tracciato (LMT). Questo valore si ottiene misurando, lungo un metro di altezza della sezione muraria (se osservabile), la lunghezza minore della linea che percorre in verticale la parte centrale della sezione, aderendo al lato interno degli elementi di entrambi i paramenti (Se la sezione muraria non è visibile l’individuazione della presenza o meno dei diatoni va effettuata osservando le due facce speculari di un metro quadro di parete.). Per valutare la qualità di questo parametro della regola dell’arte (presenza di diatoni), la LMT può essere divisa in tre differenti classi: classe 1 (rispettata) se la lunghezza della LMT è maggiore a 155 cm, classe 2 (parzialmente rispettata) se la lunghezza della LMT è compresa tra 125 cm a 155 cm, classe 3 (non rispettata) se la lunghezza della LMT è inferiore a 125 cm.

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Esempio del tracciamento della LMT: c) tipica sezione muraria del territorio di Onna (AQ).

• la presenza di filari orizzontali: il rispetto di questo requisito garantisce un appoggio regolare tra gli elementi e una buona distribuzione dei carichi verticali. Inoltre l’orizzontalità dei corsi favorisce la formazione di cerniere cilindriche orizzontali che permettono il riconoscimento del corpo rigido, costituente il macroelemento o parte di esso.

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Formazione della cerniera cilindrica attorno alla quale ruota la porzione di parete.

• le dimensioni dei blocchi: l’utilizzo di elementi squadrati aventi dimensioni adeguate e ricavate da materiali resistenti è sintomo di buona qualità. La presenza di elementi di grandi dimensioni può far sì che ci siano minori potenziali piani di scorrimento.
Per ciò che riguarda le azioni verticali concentrate, maggiore è la dimensione del blocco (pietra o mattone), maggiore è la diffusione del carico verticale concentrato lungo la parete.

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Diffusione del carico concentrato verticale attraverso gli elementi.

In virtù dello sfalsamento dei giunti ogni blocco di ogni strato poggia su due blocchi dello strato sottostante. Se le dimensioni longitudinali degli elementi sono costanti, il carico concentrato al singolo blocco (1) parzializza la base dei due blocchi (2 e 3) sottostanti e di conseguenza questi due interesseranno i tre blocchi del filare ancora inferiore (La parzializzazione della base degli elementi 2 e 3 è dovuta al fatto che il carico proveniente dall’elemento superiore è eccessivamente eccentrico, non cade cioè all’interno del nocciolo centrale d’inerzia come mostrato in figura 9). In questo modo i mattoni di estremità (4 e 6) del terzo filare saranno appena sottoposti al carico eccentrico proveniente dai due blocchi del filare soprastante. Per questo motivo al quarto filare saranno interessati solo due blocchi (7 e 8) e così via lungo tutta l’altezza del muro. Si osserva quindi che non tutto il muro partecipa all’impegno statico di sopportare i carichi, ma solo la porzione direttamente interessata.

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Graficizzazione della diffusione degli sforzi dovuti ai carichi concentrati verticali sui singoli elementi (si trascura il peso proprio).

Inoltre la dimensione dei blocchi è molto importante nel caso di azioni sismiche nel piano della parete in quanto maggiore è la dimensione dei blocchi, maggiore sarà la porzione di parete che si oppone al meccanismo.

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Influenza della dimensione dei blocchi.

La presenza di pietre di piccole dimensioni è in genere sintomo di una scarsa qualità meccanica delle murature. La presenza di ciottoli o pietre arrotondate determina un’instabilità intrinseca del paramento, che è contrastata solo dalla malta se di buona qualità.

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a) Edificio nei pressi di L’Aquila: esempio di muratura caotica costituita da ciottoli di piccole e medie dimensioni senza ricorsi, grossolanamente lavorata; b) Onna (AQ), esempio del danneggiamento prodotto dal sisma del 6 aprile 2009 in una muratura scadente; c) tipica sezione muraria degli edifici del centro storico di Onna (AQ); d) muratura intrinsecamente spingente nella sezione muraria (fuori dal piano).

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a) Edificio nei pressi di L’Aquila: esempio di muratura caotica costituita da ciottoli di piccole e medie dimensioni senza ricorsi, grossolanamente lavorata; b) Onna (AQ), esempio del danneggiamento prodotto dal sisma del 6 aprile 2009 in una muratura scadente; c) tipica sezione muraria degli edifici del centro storico di Onna (AQ); d) muratura intrinsecamente spingente nella sezione muraria (fuori dal piano).

Nel caso di assenza di pietre squadrate, la presenza di zeppe e scaglie è utile ad aumentare i contatti e limitare grandi quantità di malta in murature irregolari. Inoltre nel caso di murature irregolari la presenza di ricorsi orizzontali (listature), normalmente eseguiti con materiale diverso e di geometria regolare, permette di ricreare una ripartizione più uniforme dei carichi.

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a) Lazise (VR), presenza di ricorsi continui in mattoni pieni, in presenza di pietrame; b) muratura non spingente; i filari distribuiscono il carico evitando che l’interazione tra un elemento e l’altro dia origine a una spinta.

• la presenza di giunti verticali sfalsati: è importante per garantire l’effetto “catena” di una parete a elementi squadrati sotto l’effetto di azioni orizzontali nel piano della parete. Questo requisito conferisce alla parete una debole resistenza a trazione. Inoltre questo requisito influisce notevolmente sulla diffusione dei carichi verticali concentrati nel piano della parete.

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Effetto “catena” in grado di fornire una certa resistenza a trazione.

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Influenza dello sfalsamento dei giunti verticali sulla diffusione dei carichi verticali nel piano della parete.

• la qualità della malta: la malta è predominante quando ha una funzione di coesione e non di allettamento; tuttavia anche una malta scadente aiuta a regolarizzare i contatti e a uniformare e distribuire i carichi. Va però osservato che la presenza di elevate quantità di malta è sempre, o quasi, un fattore negativo.
• le caratteristiche meccaniche dei blocchi: fondamentale per un’adeguata risposta della parete, sia in condizioni statiche sia sotto l’effetto di un sisma.

Le costruzioni storiche in muratura costituiscono, di fatto, un insieme vario e complesso sia per tipologie sia per tecniche costruttive utilizzate nella loro realizzazione. Di conseguenza lo studio del loro comportamento strutturale è condizionato da incertezze concernenti i materiali, dai quali dipendono le loro proprietà meccaniche, e dalle condizioni di vincolo tra gli elementi che compongono il manufatto.
Queste costruzioni, infatti, sono state progettate seguendo un approccio basato sull’intuizione e sull’osservazione, con considerazioni di equilibrio e sperimentando il comportamento delle costruzioni già realizzate. È proprio quest’approccio che nel corso degli anni ha portato a elaborare criteri esecutivi e geometrici classificabili come “regole dell’arte”.

Quando mancano queste caratteristiche nell’apparecchio murario (ad esempio murature in ciottoli e pietre erratiche e irregolari disposte in maniera disordinata con malta di scarse caratteristiche o murature a sacco, con doppia cortina esterna e nucleo interno incoerente) prima ancora di procedere con un’analisi strutturale, si rende necessario intervenire per conferire ai pannelli murari portanti la monoliticità mancante. Se la muratura è caratterizzata da scarse qualità, la fabbrica storica non ha alcuna risorsa e prima che si instauri un cinematismo, collassa per disgregazione delle porzioni di muratura.

Quanto più il fabbricato storico presenta soluzioni costruttive prossime alla “regola dell’arte”, tanto più il suo comportamento può essere interpretato attraverso il concetto di suddivisione in macroelementi.
Questo comportamento per parti è intuitivo e ben riconoscibile in particolare nelle chiese. Queste fabbriche in occasione di un evento sismico mostrano un comportamento in cui i macroelementi che compongono la struttura tendono ad avere una risposta prevalentemente autonoma. Questo aspetto è evidente analizzando i danneggiamenti post-sismici di questa tipologia strutturale.

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L’Aquila, chiesa di Santa Maria del Soccorso, sec. XVI. Ribaltamento del macroelemento facciata.

Tale suddivisione può essere meno immediata per altre tipologie di manufatti storici. Ad ogni modo, anche nell’edilizia storica diffusa con solai di piano in legno (deformabili) e una maglia interna costituita dalle pareti di spina e spesso con le pareti murarie non adeguatamente vincolate tra loro, è possibile leggere comportamenti autonomi delle varie parti, ed è quindi possibile ricorrere a modelli locali.
Inoltre, nel caso dei centri storici, caratterizzati da aggregati edilizi complessi che sono il risultato di fenomeni di accrescimento protrattisi per secoli, intasamenti, superfetazioni, rifusioni, ecc., il concetto di macroelemento può essere utilizzato a livello di ogni singola cella o sue aggregazioni, in relazione alla sua posizione nell’aggregato (cella d’angolo, di testata e interclusa).
Una volta individuate le parti strutturali unitarie, quindi i macroelementi, il loro comportamento al sisma e gli eventuali danni da esso provocati possono essere interpretati da un modello di rappresentazione cinematica denominato “meccanismo di danno”.

I meccanismi possono dividersi in due categorie fondamentali:
• meccanismi fuori dal piano (meccanismi di primo modo), cioè meccanismi che tendono a indurre spostamenti progressivi;
• meccanismi nel piano o a “taglio” (meccanismi di secondo modo): rispetto ai precedenti tendono a indurre spostamenti assoluti minori.
Tali meccanismi sono così definiti (primo e secondo modo) in quanto di norma si verificano in questa sequenza.

È bene sottolineare ancora una volta che per poter riconoscere uno di questi meccanismi in una fabbrica danneggiata dal sisma, la muratura deve avere un comportamento monolitico, vale a dire che deve rispettare le “regole dell’arte”, altrimenti la muratura si disgrega prima di poter creare la netta separazione tra le sue parti (macroelementi) e il movimento reciproco tra di esse.

Se, invece, la struttura non è danneggiata si procede a formulare varie ipotesi di danno al fine di individuare quali possano essere i possibili meccanismi attivabili.

Leggi anche: Come riconoscere le murature dal comportamento non monolitico? Le indagini

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