Analisi strutturale di edifici in muratura

Dalla fase conoscitiva alla modellazione agli elementi finiti

 

Propedeutici all’analisi strutturale di un edificio esistente e al progetto di intervento sono:
_la conoscenza del manufatto;
_la modellazione numerica del sistema resistente. 

CONOSCENZA DELL'EDIFICIO

La fase delle indagini diagnostico-conoscitive assume un ruolo indispensabile per la definizione delle successive operazioni di modellazione, analisi e progettazione degli interventi.
Pertanto, risulta molto importante i risultati forniti dalle diverse tecniche di indagine. (figura 1)
I diversi metodi di prova consentono di conoscere con un grado di attendibilità sufficientemente elevato le caratteristiche meccaniche dei materiali in situ fornendo i parametri indispensabili per la formulazione di un modello di funzionamento della struttura nel suo insieme.
Lo studio degli interventi da implementare sugli edifici esistenti è una operazione molto delicata, sia per la natura particolare del problema stesso, sia per le incertezze che accompagnano la conoscenza dei materiali e l’attendibilità dei risultati delle indagini e dei procedimenti di calcolo.
È necessario quindi che i dati raccolti con le indagini siano, per qualità e quantità, pienamente rappresentativi delle caratteristiche dell’opera. 

 

MODELLAZIONE NUMERICA

Analogamente delicata è la procedura di modellazione e analisi delle strutture. In base ai dati raccolti con le indagini (caratteristiche geometriche, dei materiali e dei dettagli costruttivi) ci si pone l’obbiettivo di simulare in modo quanto più realistico possibile il comportamento strutturale sia nei confronti dei carichi verticali sia nei confronti delle azioni orizzontali da sisma.
Diverse sono le procedure di modellazione ormai disponibili in letteratura. Sicuramente quelle piu utilizzate, sia per l’analisi dei meccanismi locali di collasso sia per quelli globali, si basano su modelli semplificati del tipo a macroelementi i quali riducendo il numero dei gradi di libertà del problema semplificano sia il processo di input sia quello di output con relativa interpretazione dei risultati. Appartengono a questa categoria, ad esempio, quei metodi che si basano sulla schematizzazione della parete muraria come un telaio equivalente i cui ritti e i traversi sono costituiti rispettivamente dai pannelli di maschio e dalle fasce di piano. Gli elementi di maschio e gli elementi di fascia vengono modellati come elementi trave dotati di rigidezza assiale, flessionale e tagliante. I nodi di intersezione tra i maschi e le fasce vengono considerati infinitamente rigidi e resistenti. La crisi di una parete muraria per effetto delle azioni orizzontali avviene in genere per rottura dei pannelli di maschio resi più vulnerabili dal progressivo indebolimento delle fasce. (figura 2)

Si possono anche utilizzare metodi agli elementi finiti più sofisticati che richiedono l’utilizzo di strategie di macro-modellazione e micro-modellazione. Nell’ambito della macro-modellazione la parete in muratura viene generalmente schematizzata attraverso elementi finiti (bidimensionali o tridimensionali) che descrivono il comportamento meccanico della muratura come un materiale continuo omogeneo ed isotropo.   (figura 3a-c)
Le procedure di micro-modellazione di dettaglio, invece, si basano sulla modellazione dei singoli componenti che compongono la fabbrica muraria; in particolare vengono modellati sia i mattoni sia la malta con elementi continui. Il comportamento d’insieme viene poi regolato da specifici elementi a comportamento non lineare che descrivono le proprietà meccaniche dell’interfaccia malta-mattone.   (figure 4a-c)

 

COMPLESSO DELLO SPIRITO SANTO AVERSA (CE) – ITALY

La campagna di indagine e l’analisi del comportamento strutturale sono state eseguite nell’ambito del progetto di adeguamento funzionale di un ex convento da destinare a residenza universitaria.

Analisi storico-critica
Il complesso dello Spirito Santo è ubicato nel cuore della città normanna di Aversa nell’ampliamento del XII sec. tra il primo e il secondo anello radiale, in prossimità della Cattedrale e del complesso vescovile, sede delle Clarisse di S. Francesco stabilitesi ad Aversa per la prima volta nel 1562.
Dopo l’unità d’Italia (1868) il complesso conventuale viene soppresso e destinato a Ginnasio. Dopo la seconda guerra mondiale alcuni locali furono riparati rimaneggiando le coperture, riprendendo le murature e sostituendo infissi e pavimenti.
Delocalizzate le scuole, il complesso privo di manutenzione per mancanza d’uso è stato ceduto dal Comune all’ADISU che lo ha destinato a residenza universitaria.
L’edificio è sottoposto a vincolo ai sensi del Codice dei Beni Culturali.

Rilevo geometrico-strutturale
Si è proceduto al rilievo plano-altimetrico dell’edificio, con la successiva restituzione grafica di piante, sezioni e particolari costruttivi. (figure 5-8)

Indagini diagnostico-conoscitive
La campagna di indagine è consistita nell’esecuzione di prove mirate all’identificazione della tipologia costruttiva e alla caratterizzazione meccanica dei materiali, nonché dei dettagli costruttivi di murature, volte, fondazioni e solai.
Tutte queste informazioni sono state fondamentali per la definizione del modello numerico di calcolo. (figure 9-16)

Prova di compressione diagonale in sito - Metodologia di Prova
La prova di compressione diagonale ha il fine di determinare la resistenza e la rigidezza a taglio dei pannelli in muratura. La prova è codificata dalla norma ASTM E 519- 81 ed è generalmente realizzata su pannelli quadrati di dimensioni 120 x 120 cm. Nella versione in situ il pannello viene isolato dalla parete circostante mediante quattro tagli realizzati con filo diamantato o sega circolare. La prova in sito si differenzia da quella di laboratorio per la parte inferiore di pannello che resta ammorsata alla muratura della parete; analisi teoriche e numeriche hanno tuttavia indicato che tale ammorsatura, almeno in fase elastica, ha influenza trascurabile sui risultati.
L’attrezzatura di prova consiste in una serie di elementi metallici disposti ai due spigoli di una delle diagonali del pannello. In uno dei due spigoli è posizionato un martinetto idraulico che agisce tra due elementi metallici di cui, quello interno è appoggiato allo spigolo del pannello e quello esterno collegato tramite barre in acciaio all’elemento metallico disposto sullo spigolo opposto al primo. Si realizza quindi un sistema chiuso in cui il martinetto sollecita il pannello lungo una diagonale. Il pannello è strumentato con 4 trasduttori di spostamento disposti lungo le diagonali sui due lati, al fine di misurare le deformazioni sotto carico.

> Identificazione delle caratteristiche meccaniche della muratura

Caratteristiche meccaniche della muratura

Parametri

Valore

fm

36,3 daN/cm2

to

0,63 daN/cm2

E

10.500 daN/cm2

G

3.600 daN/cm2

W

16 KN/m3

 

> Analisi dei carichi (figura 17)

> Modellazione numerica
La modellazione agli elementi finiti finalizzata all’analisi del comportamento strutturale l’edificio è avvenuta nel rispetto della Direttiva 2011, la quale prevede, ai fini della valutazione della sicurezza, tre diversi livelli di crescente completezza.
Nel caso specifico la complessità dell’impianto strutturale ha richiesto l’utilizzo di tutti e tre i livelli di verifica.
In particolare sono state eseguite le seguenti procedure di verifiche:

Verifica globale semplificata – LV1; 
Verifica dei meccanismi di collasso locali – LV2; 
Verifica globale accurata – LV3.

_Livello LV1
L’analisi globale semplificata è stata eseguita per lo stato di fatto mediante il metodo semplificato “VM – Valutazione della vulnerabilità di edifici in muratura”. La resistenza globale dell’edificio è stata valutata per ogni piano come sommatoria delle resistenze a taglio delle singole pareti murarie.

_Livello LV2
Le analisi dei meccanismi locali di collasso sono state eseguite ai sensi del punto C8A.4 della Circolare NTC. Da una attenta analisi della geometria dell’edificio, è stato possibile individuare macroelementi suscettibili di instabilità ed ipotizzare i relativi meccanismi locali. In particolare sono stati individuati ed analizzati i seguenti meccanismi di collasso: ribaltamento semplice di parete monolitica; ribaltamento composto di cuneo diagonale; rottura per flessione verticale, ecc. (figura 18a,b)

_Livello LV3
Le analisi numeriche globali e le relative verifiche sono state condotte su un modello a telaio equivalente utilizzando il metodo dell’analisi statica non lineare – pushover secondo il procedimento riportato dalle NTC 2008 e relativa Circolare 617/2009. Particolare attenzione è stata posta al fatto che l’edificio si trovasse in aggregato edilizio. Sono state analizzate e portate in conto tutte le interferenze con le costruzioni attigue. (figure 19-20)

La valutazione della sicurezza è stata condotta nel rispetto del Cap. 8 delle “NTC”, per lo “Stato Limite Ultimo - SLU”, con riferimento allo “Stato Limite di Salvaguardia della Vita – SLV”, e per lo “Stato Limite di Esercizio - SLE” con riferimento sia allo “Stato Limite di Danno – SLD” sia allo “Stato Limite di Operatività – SLO”.

[di Pasquale Crisci, Gennaro Di Lauro, Gianfranco Laezza]