Interventi locali per un fabbricato esistente in muratura ad uso residenziale: inserimento tiranti metallici e telaio in c.a.
Gli interventi locali finalizzati al recupero di un edificio residenziale in muratura sono cortesemente illustrati dall’ing. Niccolò Setti per S.T.A. DATA.
Il progetto degli interventi è stato studiato con l’ausilio del software di calcolo strutturale 3Muri Project specializzato nella valutazione della vulnerabilità degli edifici in muratura portante.
L’ing. Niccolò Setti lavora nel Comune di Rolo, in provincia di Reggio Emilia, e si occupa di progettazione e consolidamento di edifici civili e industriali in muratura e calcestruzzo armato oltre al coordinamento della sicurezza nei cantieri edili.
1. Indagini conoscitive della costruzione e inquadramento dell’intervento
Il fabbricato esistente in muratura portante è isolato ed è sito nel Comune di Rolo in provincia di Reggio Emilia. Il Comune di Rolo è uno dei comuni colpiti dagli eventi sismici avvenuti in Emilia Romagna nel maggio del 2012 nella zona di Mirandola Finale Emilia.
L’edificio è stato realizzato in varie epoche. La prima porzione edificata, indicata con il retino tratteggiato in grigio, costituisce il corpo originario con le murature portanti in mattoni forati e presenta solai in laterocemento e una copertura in travi in c.a. di tipo Varese con tavelloni in laterizio.
Successivamente, è stato realizzato un nuovo corpo (in rosso in planimetria), in adiacenza al corpo originario, con pianta rettangolare a sviluppo planimetrico lungo l’asse X e con destinazione d’uso di autorimessa.
Infine, nel 2008 è stato realizzato un ampliamento (in verde in planimetria) della pianta del solaio di copertura dell’edificio rosso per creare degli ambienti nuovi sopra l’autorimessa.
Nella seguente immagine sono rappresentate le planimetrie dei 3 livelli dell’edificio: piano terra, piano primo e copertura. L’ampliamento si è, quindi, sviluppato in pianta lungo l’asse Y al primo livello e in elevazione fino alla copertura. Lo sviluppo planimetrico di questo nuovo corpo è ortogonale al corpo originario (in rosso). La sopraelevazione ha riguardato, quindi, solo il corpo a pianta rettangolare (in verde) sopra l’autorimessa.
Tale strategia di ampliamento della planimetria al piano primo e di sopraelevazione fino alla copertura ha permesso di aumentare gli spazi a servizio dell’unità residenziale. L’oggetto di studio riguarda il comportamento dell’intero fabbricato.
Le murature dell’autorimessa sono in mattoni semipieni e malta cementizia. Le pareti del nuovo corpo, su di essa, sono realizzate in muratura di Poroton. I solai di piano e la copertura a falde sono realizzati in laterocemento.
Come possiamo vedere dalle seguenti foto, il fabbricato presenta una forma irregolare in pianta e in elevazione. Inoltre, è evidente che, dal punto di vista architettonico, il corpo in adiacenza è stato realizzato con una tecnica costruttiva relativa ad un’epoca successiva rispetto a quella del corpo originario.
La forma complessiva dell’edificio intero e l’assenza di un giunto sismico tra le parti dei corpi in adiacenza ha permesso l’instaurarsi del fenomeno di martellamento. Un adeguato giunto sismico posto tra il corpo realizzato in ampliamento e il corpo originario avrebbe evitato tale fenomeno e la generazione delle lesioni da sisma, che si evidenziano nella seguente immagine.
Questa lesione verticale si è sviluppata dal livello della copertura fino al primo impalcato, proprio per l’assenza totale di collegamenti adeguati o di elementi di ritegno tra il corpo originario e il corpo realizzato successivamente.
L’attenzione del progettista, quindi, si è concentrata principalmente sull’obiettivo di annullare queste criticità e di cercare altre possibili vulnerabilità presenti su questo corpo realizzato in epoca successiva.
2. Modellazione numerica e studio delle vulnerabilità con 3Muri Project
Inizialmente, il progettista ha raccolto e catalogato tutte le caratteristiche principali dei materiali costituenti i corpi dell’edificio.
A seguito delle indagini geologiche si è evidenziata la presenza di un fattore di amplificazione pari a 1,7 per il sito in cui sorge la costruzione. Tale valore è stato confermato anche dalle carte di microzonazione sismica dell’Emilia Romagna. Ricavato il quadro dei parametri sismici di Rolo, tutti i dati citati sono stati inseriti all’interno della modellazione svolta con il software 3Muri Project al fine di poter valutare l’incremento dei carichi agenti sulla struttura e la vulnerabilità dell’edificio.
Si riassumono le criticità del fabbricato nella seguente immagine:
Il modello realizzato con 3Muri presenta tutte le irregolarità citate in pianta ed in altezza.
Al piano terra, il corpo in adiacenza presenta irregolarità in pianta perché la zona in ampliamento è realizzata con un porticato di pilastri isolati. L’ultimo livello, della nuova costruzione, presenta una copertura con trave di colmo ortogonale all’edificio originario.
I fenomeni di martellamento sono diffusi e in corrispondenza delle zone di contatto tra i due corpi, ossia tra le murature del fabbricato realizzato in ampliamento e quelle del fabbricato originario.
Il martellamento è generato sia dall’assenza di un giunto sismico, capace di attutire le pressioni di questi elementi spingenti, sia dall’assenza di scatolarità. L’edificio non presenta scatolarità perché sono assenti elementi che conferiscono il comportamento scatolare al fabbricato.
Le criticità evidenziate, l’assenza di scatolarità e la presenza di una copertura in laterocemento spingente sulle pareti espongono l’edificio anche alla possibilità di generare il meccanismo di ribaltamento fuori piano.
3. Analisi dei meccanismi locali con 3Muri Project
Il progettista ha usato il modulo verifica dei meccanismi locali presente in 3Muri per effettuare tali analisi. Il primo step è stato quello di analizzare i meccanismi di ribaltamento delle pareti fuori piano, come si osserva nella seguente immagine:
È possibile osservare i possibili fenomeni di sviluppo di meccanismi di corpo rigido. Il coefficiente di sicurezza, dato dal rapporto 𝑃𝐺𝐴𝐶 ⁄ 𝑃𝐺𝐴𝐷 tra la capacità e la domanda negli stati limite di salvaguardia della vita, risulta molto basso.
Il progettista ha studiato in due step il meccanismo di ribaltamento della facciata nord ottenendo dei coefficienti di sicurezza pressoché intorno a 0,26 e 0,30. Lo studio ha proseguito con l’analisi dei meccanismi di ribaltamento delle due pareti poste ad Est e Ovest della costruzione.
Anche in questi casi i valori del coefficiente di sicurezza sono molto bassi ed entrambi pari circa a 0,40. Tale valore è dovuto principalmente proprio alla presenza della copertura spingente su tali porzioni di muratura.
4. Progetto degli interventi
Per ovviare a questa vulnerabilità riscontrata, il progettista ha deciso di inserire in corrispondenza dell’ultimo impalcato, ovvero nel livello del sottotetto, un intervento locale realizzato con una serie di tiranti metallici con le relative contropiastre, come si mostra nella seguente immagine:
Con il software “Collegamento Catena”, implementato all’interno di 3Muri, il progettista ha svolto le verifiche dei tiranti progettando il diametro migliore e il tiro corretto per ognuno di essi. Tale intervento è stato poi è inserito all’interno della modellazione in 3Muri.
Come si osserva a destra dell’immagine precedente, il software ha mostrato graficamente proprio il posizionamento dei tiranti con le piastre di ancoraggio e ha visualizzatole la tabella con le relative proprietà geometriche e meccaniche.
Questo intervento locale si è reso necessario anche perché si integra meglio con la scelta di eseguire successivamente anche l’intervento di isolamento termico a cappotto esterno su tutta la struttura, come indicato dal progettista architettonico.
Prima di creare il guscio isolante sulla struttura si è deciso, quindi, di inserire questa serie di interventi locali per evitare, in fase successiva, di eseguire interventi sul cappotto esterno già installato.
Scelto il tiro delle catene, la misura delle relative contropiastre e la tipologia di acciaio, il progettista ha eseguito la verifica allo stato di ultimo SLV sul modello di 3Muri con tali catene inserite nel progetto.
Successivamente, tramite il modulo “Meccanismi Locali”, presente in 3Muri, ha eseguito le verifiche di tali meccanismi e ha ottenuto i coefficienti di sicurezza tutti superiori all’unità, come si può osservare nelle seguenti immagini.
La tabella dei risultati mostra tutti i coefficienti di sicurezza superiori all’unità per i meccanismi locali delle pareti Nord-Sud
La tabella dei risultati mostra tutti i coefficienti di sicurezza superiori all’unità per i meccanismi locali delle pareti Est-Ovest
In base ai risultati ottenuti dalle verifiche, il progettista ha ritenuto, quindi, che l’intervento locale, di inserimento delle catene, abbia sortito i risultati desiderati.
Il progettista ha, inoltre, deciso di aggiungere un secondo intervento strutturale realizzato con l’inserimento un telaio in c.a. Tale intervento è finalizzato alla creazione di un comportamento scatolare tra le parti del corpo in adiacenza e per creare un giunto sismico che contrasti la generazione del fenomeno di martellamento.
5. Dimensionamento degli elementi del telaio in c.a. con il software AxisVM
A seguito della modellazione e della verifica eseguita all’interno di 3Muri, si è importato il modello completo con tutti gli interventi all’interno di AxisVM.
Il progettista ha sfruttato l’interoperabilità tra i due software e ha importato in AxisVM il modello strutturale in muratura portante con telaio in c.a. con il fine di effettuare il dimensionamento guidato degli elementi in cemento armato. Infatti, tramite l’importazione da 3Muri, il modello presenta tutte le sollecitazioni derivate dai carichi agenti sull’intera struttura.
Il telaio in cemento armato è monodirezionale ed è inserito parallelamente all’edificio originario proprio per conferire il comportamento scatolare ricercato e per realizzare, soprattutto, un giunto sismico di separazione. Tale giunto sismico divide strutturalmente i due corpi e, quindi, crea due unità strutturali separate.
Nella figura a destra il progettista visualizza solo il telaio in c.a. attraverso la modalità filtro di AxisVM. Si evidenziano, in questo modo, solo gli elementi in calcestruzzo armato e si valutano le deformate modali del telaio incastrato alla base.
AxisVM prosegue ricavando le sollecitazioni agenti sugli elementi strutturali di travi e pilastri e si conclude con la progettazione di tali elementi fino alla fondazione.
Il progettista mostra le sollecitazioni del telaio in c.a. dovute ai carichi derivanti dall’intero modello. Si evidenziano, con diversi retini, le geometrie degli elementi strutturali analizzati.
A seguito della determinazione delle sollecitazioni agenti sugli elementi strutturali in cemento armato, si sono studiate le geometrie di progetto e si è provveduto alla corretta definizione delle armature.
Le travi di piano presentano un’armatura pari a 3 + 3 Φ14 inferiori e superiori e una staffatura di diametro Φ10 con passo 5 cm per i primi 30 cm mentre Φ10 con passo 10 cm in campata. L’infittimento delle staffe è realizzato solo in corrispondenza delle zone critiche. Le travi della copertura sono state armate anch’esse con 3 + 3 Φ14 con un infittimento ulteriore di 3 Φ16 inferiori e 3 Φ14 superiori per poter verificare il giunto di collegamento tra la porzione di trave esistente della copertura e quelle nuove realizzate nell’intervento.
I pilastri perimetrali sono stati dimensionati con geometria quadrata di lato 30 cm e sono armati con 8 Φ16. Il pilastro centrale ha pianta rettangolare, con dimensioni 45 cm X 30 cm, ed è armato con 10 Φ22.
Tale pilastro ha un incremento dell’infittimento del passo delle staffe in corrispondenza dei nodi e delle zone critiche, come si può notare nell’immagine della distinta delle armature per i pilastri P3 -P4 – P5. Dopo aver dimensionato gli elementi in elevazione, si sono calcolate le sollecitazioni agenti sulla fondazione in c.a.
Nella seguente immagine si riportano, in ordine da sinistra a destra, i diagrammi delle sollecitazioni di momento flettente Mx, del taglio Vy, momento My e momento Mz.
Tali diagrammi derivano dalle combinazioni dei carichi agenti sul telaio. Nella tabella si elencano tutti i valori delle grandezze necessarie per la verifica a taglio della trave di fondazione agli appoggi: 𝑉𝑅𝑑 > 𝑉𝐸𝑑.
La disuguaglianza risulta verificata con un preciso quantitativo di armatura.
La trave di fondazione è stata dimensionata con sezione rettangolare, di dimensioni 100 cm X 30 cm. Come si osserva nella Sezione X-X, la trave è eccentrica rispetto alle strutture in elevazione ed è posta ad una distanza pari al valore del giunto sismico. La nuova fondazione ha questa posizione eccentrica rispetto al pilastro per mantenere una certa distanza tra le murature dei corpi, originario e nuovo, e tra la fondazione esistente e la nuova.
L’armatura longitudinale è costituita da 5 + 5 Φ20 inferiori e superiori. La staffatura ha 4 bracci e un passo di 10 cm per i primi 30 cm dagli appoggi e un passo di 20 cm in campata.
È stata verificata a momento positivo e negativo nel rispetto dei quantitativi minimi di armatura per le staffe e per le armature longitudinali, in accordo con quanto indicato e richiesto dai capitoli
4.1.6.1.1 e 7.4.6.2.1 della normativa tecnica delle costruzioni.
6. Progetto del giunto sismico
Si è analizzato e studiato il progetto del giunto sismico finalizzato a evitare i fenomeni di martellamento dei due corpi.
Il giunto sismico è stato calcolato attraverso un’analisi dinamica lineare eseguita sull’intera struttura e, quindi, anche sul telaio in calcestruzzo armato. Si è calcolato il valore dello spostamento massimo per l’edificio 1, che è l’edificio completo degli interventi oggetto di studio, e l’edificio 2, che l’edificio originario non calcolato.
Per gli edifici 1 e 2 , lo spostamento massimo è stato ricavato in corrispondenza del punto sommitale di possibile contatto tra i due corpi, in accordo con quanto indicato al paragrafo 7.2.1 della normativa tecnica delle costruzioni.
Ottenuti i valori degli spostamenti, per l’edificio modellato e calcolato e per l’edificio non calcolato, si è provveduto alla determinazione delle dimensioni del giunto sismico di progetto, al fine di determinare la distanza da mantenere tra i due corpi strutturali.
Il progettista mostra la tabella dei risultati degli spostamenti ottenuti per ogni nodo del telaio.
Nella tabella riassuntiva si mostra che, per un fattore di comportamento scelto pari ad 1.5, si sono sommati i valori degli spostamenti richiesti per l’edificio esistente calcolato e per l’edificio esistente non calcolato.
Per l’edificio esistente calcolato, lo spostamento risulta essere pari a 9,9 cm mentre per l’edificio non calcolato, in corrispondenza del punto sommitale di possibile contatto tra i due corpi per un’altezza dell’edificio di 7.50 m, si è ottenuto uno spostamento pari a 1,50 cm circa.
Si è dimensionato il valore del giunto sismico, previsto in progetto, pari a 12,5 cm.
Tale valore è superiore al valore di 11,44 cm ottenuto sommando gli spostamenti ottenuti per l’edificio calcolato e modellato con gli spostamenti dell’edificio non modellato.
7. Aspetti normativi e fiscali del progetto di intervento con il SUPRSISMABONUS 110%
Infine, il progettista spiega che per tali interventi locali ha potuto utilizzare anche il SUPERSISMABONUS 110% L. 77/2020 compilando, come indicato, l’Allegato B.
8. Conclusioni
Questa serie di interventi progettati sono di tipo locale poiché sono effettuati su porzioni limitate della struttura e hanno l’obiettivo di eliminare le possibili vulnerabilità evidenziate in 3Muri Project, come lo sviluppo dei meccanismi di ribaltamento delle pareti.
L’intervento di installazione di catene metalliche, progettato con il modulo “Collegamento Catena” è finalizzato alla creazione di una serie di meccanismi di tipo duttile.
L’intervento di inserimento nella muratura di un telaio in calcestruzzo armato, progettato con l’ausilio di AxisVM, è finalizzato sia all’inserimento di un giunto sismico sia al rafforzamento di quelle possibili porzioni di muratura che presentano delle vulnerabilità.
Per la realizzazione del giunto sismico è stata fondamentale l’analisi dinamica lineare e il dimensionamento curato della fondazione alla base del telaio in calcestruzzo armato.
Infine, grazie all’ausilio di 3Muri Project è stato possibile verificare il miglioramento della vulnerabilità sismica ottenuto con tali interventi strutturali e dimostrare di aver conferito alla struttura il comportamento scatolare cercato.
S.T.A. DATA ringrazia per la cortese attenzione e ricorda che per qualsiasi tipo di richiesta sui software usati è sempre disponibile la consulenza al numero verde 800 236 245.
