Muratura armata, applicazione in zone ad alto rischio sismico

La tipologia costruttiva in laterizio è stata da sempre utilizzata con successo nel nostro paese, grazie sia a una copiosa offerta di materiali (laterizi e malte) sia alla semplicità di esecuzione dello schema strutturale resistente. Quanto asserito lo dimostra la ricerca ESECMaSE, “Enhanced Safety and Efficient Construction of Masonry Structures in Europe” progetto co-finanziato dalla Comunità Europea con l’obbiettivo di approfondire i criteri di progettazione e di comportamento degli edifici in muratura. A tal proposito, la ricerca ha evidenziato come in ambito europeo, le realizzazioni di edifici in muratura siano ancora una tecnica costruttiva importante. Addirittura, in alcuni paesi del nord Europa, la tipologia in laterizio è ancora il sistema costruttivo predominante.

Attualmente, nel nostro paese, oltre all’utilizzo della muratura portante classica UMB (Unreinforced Masonry Building) si sta affermando in modo graduale l’utilizzo di un particolare sistema costruttivo denominato “muratura armata”, tecnica antica e ben consolidata nella realtà internazionale.

L’impiego della muratura armata RMB (Reinforced Masonry Building), come tecnica costruttiva antisismica, risale al 1800 (The Brick Industry, 1996), epoca in cui è stata impiegata per la prima volta con il fine di rinforzare una ciminiera negli Stati Uniti. L’assestamento della struttura al tempo provocò delle deformazioni importanti nel suo complesso, senza però produrre, con stupore dei tecnici di allora, alcun danno strutturale. A seguito di tale comportamento, furono condotte svariate prove di laboratorio, che dimostrarono come il comportamento della muratura armata fosse influenzato dal materiale di interazione tra mattone e rinforzo.

Lo sviluppo successivo del cemento Portland accompagnato da una nuova estesa campagna di esperimenti dimostrarono come la risposta strutturale della muratura armata fosse comparabile con gli altri moderni sistemi costruttivi in auge.

Di particolare interesse fu l’impiego di tale tecnica per la costruzione di un hotel a San Francisco composto da ben sette piani; la realizzazione, in seguito, è passata alla storia dopo aver sopportato il terremoto avvenuto nel 1906. A seguito della potenzialità del sistema e dopo vari utilizzi non controllati, il Dipartimento dei lavori pubblici del Governo Indiano pubblicò nel 1923 un manuale tecnico sull’utilizzo della muratura armata supportato da estese prove in laboratorio con il fine di capire in modo chiaro il comportamento strutturale.

A livello italiano, invece, la muratura armata apparve già nell’art.7 del Regio Decreto 18 aprile 1909 n.193 emanato a seguito del terremoto di Messina: “Gli edifici debbono essere costruiti con sistemi tali da comprendere un’ossatura di membrature di legno, di ferro, di cemento armato, o di muratura armata, capaci di resistere contemporaneamente a sollecitazioni di compressione, trazione e taglio.” In tale stralcio normativo, è possibile evincere come già agli inizi del ‘900 la muratura armata fosse già ben conosciuta e distinta come tecnica costruttiva, al pari del calcestruzzo armato.

Muratura armata: il concetto di sistema costruttivo

Il lungo utilizzo della muratura ordinaria e armata è stato tale da permettere l’inserimento, nelle più recenti normative sismiche, di un capitolo dedicato proprio al progetto degli edifici così detti semplici, ovvero strutture in cui il rispetto di particolari accorgimenti geometrici permette di avere una più che sufficiente conoscenza del comportamento strutturale sismico di questa tecnica realizzativa, tale da non essere sottoposta a progettazioni complicate e astruse come per altri sistemi in voga.

Già la modalità prescrittiva sugli edifici semplici potrebbe (e dovrebbe) essere considerata come fonte di ispirazione per le nuove realizzazioni tralasciando, una volta per tutte, le congiunture sui sistemi più o meno performanti in ambito sismico. Già perché in un paese in cui il rischio sismico è pressoché elevato, in cui il terreno che ci supporta è in continuo movimento, ci si lascia andare a sfilze di aggressioni verbali su quali metodi siano o non siano antisismici.

Innanzitutto è bene sottolineare come quando si parla di strutture antisismiche si deve parlare in modo tecnico e soprattutto con cognizione di causa: per un edificio antisismico non si deve contemplare prettamente il materiale in sé ma la tecnica costruttiva globale che realizza l’involucro edilizio. Infatti, discutere di laterizio, mattone o blocco, in gergo tecnico, è privo di fondamento, in quanto, stiamo parlando di un semplice materiale.

Nell’ingegneria moderna, invece, ci si deve basare sulle tecniche costruttive antisismiche e non prettamente sul materiale. Il discorso, come si può pensare, è ben diverso in quanto il sistema riprende i cardini chiave della progettazione antisismica, ovvero rigidezza, resistenza e duttilità. Quest’ultima caratteristica, ad esempio, meglio identificata come capacità di duttilità, rappresenta lo spostamento che si ammette possa essere subito da una data struttura per un dato livello di evento sismico.

Se parliamo di strutture a pannelli, quindi, affermare che l’edificio è in mattoni o l’edificio è in legno non vuol dire assolutamente nulla dal punto di vista sismico. Quanto ribadito risulta più chiaro attraverso un esempio pratico. Se prediamo in considerazione una semplice e classica modesta costruzione di dimensioni contenute (m² 3×2), sappiamo che essa può essere realizzata in muratura, in legno oppure in calcestruzzo. La domanda è quindi la seguente: questa costruzione può essere definita antisismica? La risposta, peraltro logica, dovrebbe essere in funzione delle modalità costruttive del sistema prescelto. Ecco che parlare di casa in laterizio o casa in legno o in calcestruzzo, a livello sismico, vuol dire poco o niente, in quanto, la performance in condizioni dinamiche viene sviluppata dal sistema nella sua globalità e non dal singolo materiale.

Per un edificio in muratura armata sappiamo che esso si compone di un sistema composto dal laterizio che possiede ottime caratteristiche di resistenza a compressione, dalle barre in acciaio che garantiscono un’ottima resistenza a trazione e dalla malta che possiede a sua volta ottime caratteristiche di deformazioni. I due materiali principali blocchi e legante, uniti da barre di rinforzo orizzontali e verticali garantiscono un comportamento duttile, in cui la dissipazione di energia avviene per fessurazione del pannello.

Il comportamento dissipativo dei sistemi strutturali in muratura è stato confermato dalla valutazione del costruito dopo il sisma dell’Emilia Romagna, in cui gli edifici moderni, costruiti dopo la riclassificazione sismica del territorio, in molti casi non hanno riportato alcun danno strutturale (S. Bracchi et Al., 2012).

Allo stesso modo, per un edificio con sistema strutturale in legno, sappiamo che il materiale in sé è un materiale sostanzialmente di tipo fragile e che la duttilità strutturale de “l’edificio in legno” viene conferita dai sistemi di connessione e dai collegamenti tra le membrature. Infatti il comportamento in condizioni sismiche risulta influenzato sia dalle sollecitazioni assiali (M. T. Shedid et Al., 2008) ma soprattutto dal sistema di ancoraggio prescelto tra pannello e fondazione (B. Dujic et Al., 2006) che in certi casi e per certi tipi di collegamenti possono limitare la capacità dissipativa del sistema (M. Latour et Al., 2012).

>>> Miglioramento sismico del patrimonio edilizio esistente, le tecniche di intervento

Muratura armata: la normativa

Per trovare riferimento della muratura armata nei tempi moderni, ci si deve riferirsi al D.M. 16 gennaio 1996 e precisamente al paragrafo C.1, in cui si stabilisce che gli edifici possono essere costruiti in muratura armata o addirittura attraverso una struttura a pannelli portanti anche “prefabbricati in muratura armata”. A riconferma delle prove e dei test menzionati in precedenza, la norma evidenzia come l’altezza massima degli edifici (Figura 1) per una struttura in muratura armata sia superata solamente dalle strutture intelaiate e da strutture a pannello.

Figura 1 – Tabella 2 del D.M. 16 gennaio 2016 riportante le altezze massime della costruzione in funzione della tecnologia costruttiva.

Interessante notare come il paragrafo C.5.3.2 sottolinea che una parete in muratura armata “costituisce nel suo complesso una struttura forata in corrispondenza delle aperture, particolarmente resistente ad azioni ad essa complanari.”

Agli addetti ai lavori dovrebbe essere di particolare interesse il paragrafo C.5.3.5, il quale, indica al progettista che qualora l’altezza dell’edificio in muratura armata sia inferiore all’altezza massima corrispondente alla muratura ordinaria, le verifiche in condizioni sismiche possono essere considerate positive se sono garantiti i requisiti dell’edificio semplice riportato nel paragrafo C.5.2. La norma quindi afferma che se sono rispettate determinate prescrizioni geometriche e meccaniche, la struttura in questione risulta ampiamente verificata: se si pensa bene questo è il classico esempio di un edificio a due piani di una villetta o di un piccolo condominio! Ancora una volta, quindi, la norma ribadisce indirettamente le eccezionali prestazioni della muratura armata.

L’emanazione del D.M. 14 gennaio 2008 e l’introduzione del criterio semiprobabilistico agli stati limite nonché con una differente valutazione dell’azione sismica, ribadisce quanto riportato nelle precedenti norme. In una norma sommariamente complicata, il paragrafo 7.8.1.9 sottolinea ancora nuovamente che “Per le costruzioni semplici ricadenti in zona 2, 3 e 4 non è obbligatorio effettuare alcuna analisi e verifica di sicurezza.” Sembrerà strano, ma nell’epoca di analisi non lineari, modelli complessi e verifiche articolate, la norma ribadisce come un edificio semplice possa essere calcolato con modalità agevoli.

Di uguale pensiero sembra esserlo la bozza di revisione delle nuove Norme Tecniche per le Costruzioni (14/11/2014) in cui al paragrafo 7.8.1.9 si sottolinea che “Per le costruzioni semplici aventi, allo SLV, agS<0,35g non è obbligatorio eseguire alcuna analisi e verifica di sicurezza, ma è richiesto il soddisfacimento delle seguenti condizioni integrative”.

Si evidenzia che il criterio di edificio semplice, vale esclusivamente per le strutture in murature e non per gli altri sistemi costruttivi, ad indicare, quindi la certezza del comportamento strutturale. Vediamo il perché di tale scelta attraverso l’analisi evolutiva delle prescrizioni.

Figura 2 – Fattori di struttura prescritti per le NTC 2008 e per la bozza delle revisioni delle NTC

In Figura 2 si riportano i fattori di struttura stabiliti per la muratura armata secondo le attuali norma (NTC 2008) e secondo le revisioni della stessa. I fattori di struttura sostanzialmente rimangono invariati, confermando quindi quanto già di conoscenza. Inoltre nella bozza di revisione è stato previsto un ulteriore fattore di struttura (q₀=3,0a_u/a₁) qualora il progetto preveda un tipo di approccio più evoluto, ovvero, tenendo conto della gerarchia delle resistenze.

Il valore del fattore di struttura riportato risulta comparabile con le altre tipologie costruttive così dette a pannelli:

Figura 3 – Valori del fattore di struttura per la tipologia costruttiva a “pannelli”.

Dalla rapida consultazione della Figura 3, è possibile notare come un sistema in muratura armata sia perfettamente comparabile con gli altri sistemi costruttivi a pannelli. Risulta interessante osservare come, se consideriamo i sistemi costruttivi a bassa dissipazione (Capacity Design “B”), la tipologia costruttiva in muratura armata risulti godere del più alto fattore di struttura. Infatti, nella maggior parte dei casi, la progettazione avviene ipotizzando una contenuta dissipazione, sia per motivi di sicurezza, legate alle lavorazioni di dettaglio, sia per l’obbligo di valutazione approfondita della scelta del fattore di struttura (Bozza revisione NTC paragrafo 7.7.3).

L’ottenimento di un grado di dissipazione alto, per quanto riguarda la muratura armata, risulta molto più agevole rispetto ad altri sistemi costruttivi. Questo perché viene prescritta una verifica a taglio amplificata con le sollecitazioni derivanti dalla resistenza a flessione nel piano del pannello. Per altri sistemi, invece, la futura norma sottolinea l’obbligo del progettista, ad una giustificazione del fattore di struttura assunto nonché i criteri di dimensionamento dei collegamenti, i quali, devono garantire una adeguata capacità in accordo, pertanto, con le ricerche scientifiche riportate nel precedente paragrafo.

Conclusioni

Dalla dissertazione riportata in precedenza si evidenzia come le molteplici affermazioni mediatiche sulle “case antisismiche” siano prive di una base tecnico-scientifica. A rigor di logica, seconda la normativa attuale e la revisione della stessa (già approvata a livello di conferenza stato-regioni), per un grado di dissipazione generalmente basso i sistemi costruttivi sono equiparabili, con addirittura una preferenza “numerica” per la muratura armata.

La muratura armata, intesa come evoluzione della muratura ordinaria, permette non solo una progettazione antisismica ma la sua conoscenza è tale da permettere una progettazione “semplificata” in cui il rispetto di determinati condizioni geometriche permette di ridurre notevolmente le verifiche in fase di calcolo.

Non solo, se l’accelerazione attesa allo Stato Limite di Salvagurdia della vita (SLV) è inferiore ai 0,35g (pertanto alta sismicità), “non è obbligatorio eseguire alcuna analisi e verifica di sicurezza” purché si rispettino determinate condizioni di geometria relativa ai setti murari.

La muratura armata, quindi, essendo un sistema testato, di semplice esecuzione e così evoluto da permettere in certe condizioni una progettazione semplificata, dovrebbe essere diffusa anche ai non addetti ai lavori annoverandola come tipologia costruttiva antisismica a basso costo, utilizzandola, inoltre per la ricostruzione post-sismica.

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Bibliografia

The Brick Industry, Technical Notes 17 – Reinforced Brick Masonry – Introduction Reissued Oct. 1996;

Bruno Dujic, Simon Aicher, Roko Zarnic – Racking behaviour of light prefabricated cross- laminated massive timber wall diaphragms subjected to horizontal actions, Otto-Graf-Journal Vol. 17, 2006.

Dujic, S. Klobcar, R. Zarnic, Shear Capacity of Cross-Laminated Wooden Walls.

Latour, G. Rizzano & G. Torello, Seismic Performance of Cross-Laminated Timber Panel Buildings with Dissipative Connections, 15 WCEE Lisboa 2012

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T. Shedid, R. G. Drysdale, and W. W. El-Dakhakhni – Ductility of reinforced concrete masonry shear walls under seismic loading, The 14 World Conference on Earthquake Engineering October 12-17, 2008, Beijing, China

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Bracchi S., F. Da Porto, A. Galasco, F. Graziotti, D. Liberatore, L. Liberatore, G. Magenes, M. Mandirola, C.F. Manzini, R. Masiani, P. Morandi, M. Palmieri, A. Penna, A. Rosti, M. Rota, L. Sorrentino, M. Tondelli, Comportamento degli edifici in muratura nella sequenza sismica del 2012 in Emilia, Progettazione Sismica n.3-2012, IUSSPress, Pavia.

Cuoghi, Recupero strutturale del patrimonio esistente, Maggioli S.p.A., 2008