Tamponamenti di edifici a telaio in c.a.: qual è il contributo nelle prestazioni sismiche?

Le costruzioni esistenti in calcestruzzo armato per edifici residenziali, scolastici o direzionali sono prevalentemente realizzati con struttura intelaiata. Le pareti di tamponamento sono frequentemente in muratura di laterizi semipieni o forati che normalmente non sono considerati nel calcolo della struttura. In caso di eccitazione sismica, questi edifici hanno una risposta che è sensibilmente influenzata dalla presenza, dalla tipologia e dalla distribuzione dei tamponamenti. Nel seguito si presenta come può essere valutato il contributo dei tamponamenti sulle prestazioni sismiche degli edifici intelaiati in c.a.

 

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I muri di riempimento negli edifici a telaio in c.a.

Frequentemente i vani di un sistema strutturale a telai in cemento armato o acciaio sono riempiti con pareti in muratura, costruite tra i pilastri e le travi della struttura principale. I muri di riempimento costituiscono normalmente le chiusure perimetrali (tamponamenti) e alcune tramezzature interne, a seconda delle scelte fatte per caratterizzare l’assetto architettonico dell’edificio in pianta e per soddisfare le funzioni per cui l’edificio è costruito. Va anche ricordato che normalmente le murature di riempimento vengono costruite dopo il completamento del sistema strutturale principale.

Per quanto riguarda i carichi verticali, i muri di riempimento rappresentano tipici elementi secondari non strutturali che aggiungono peso al sistema strutturale di base, ma non contribuiscono alla capacità portante mentre devono essere in grado di garantire un’adeguata resistenza alle forze agenti fuori piano (vento, spinte orizzontali) e trasferirle alla struttura in c.a.

Diversamente, nel caso in cui l’edificio sia sottoposto a carichi sismici, le pareti di riempimento influenzano in maniera significativa il comportamento della struttura principale. Infatti, sebbene considerati elementi non strutturali, i muri di riempimento sono spesso rigidamente collegati con i telai in c.a. e ostacolano la deformazione della struttura. In tal caso, le pareti di riempimento in muratura rappresentano una parte costitutiva del sistema strutturale. Come risultato della connessione, le forze di interazione si sviluppano nella zona di contatto tra i telai e le pareti di riempimento, influenzando il comportamento degli elementi del telaio tamponato così come l’intera struttura.

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Approcci alla valutazione del comportamento sismico di una struttura a telaio in c.a. con muratura di riempimento

Tenendo presente l’influenza della muratura sul comportamento sismico di edifici a telaio in c.a., è necessario considerare nella progettazione strutturale anche le pareti di tamponamento.

Ci sono due approcci per valutare il comportamento sismico di una struttura a telaio in c.a. con muratura di riempimento:

> la muratura è costruita come parte secondaria non strutturale del sistema principale. In tal caso il riempimento è separato dalla struttura da particolari dettagli, in modo da non ostacolare la deformazione della struttura principale durante i terremoti;

> la muratura è costruita come parte resistente del sistema strutturale. In tal caso, nel progetto si deve tener conto dell’influenza dei muri di riempimento nella progettazione degli edifici quando possono essere soggetti ad eccitazione sismica. Sono necessari opportuni dettagli per garantire un comportamento duttile del riempimento e una buona connessione tra la muratura e il telaio in calcestruzzo. Siccome vengono costruiti solo dopo il completamento della struttura principale in c.a., le pareti di tamponamento in muratura non sono mai progettate per sopportare i carichi verticali.

Nelle strutture a telaio in calcestruzzo armato, spesso si ricorre al riempimento dei telai per migliorare il comportamento sismico, considerato il ruolo importante che svolgono questi riempimenti in muratura. E’ però necessario distribuire in pianta i muri di riempimento in maniera tale da non causare risposte fortemente eccentriche della struttura all’eccitazione sismica (Figura 1).

 

Distribuzione dei tamponamenti non simmetrica in pianta di edifici con struttura a telaio in c.a.

Figura 1. Distribuzione dei tamponamenti non simmetrica in pianta di edifici con struttura a telaio in c.a.

 

Comportamento sismico dei telai tamponati

Viene comunemente assunto, erroneamente, che il tamponamento murario di strutture a telaio in calcestruzzo armato comporta sempre un miglioramento delle prestazioni sismiche dell’edificio. Infatti, ci sono molti esempi di danno in edifici soggetti all’eccitazione sismica attribuibili alla modifica del comportamento strutturale dei telai provocata dalla presenza di tamponamenti. Anche se sono poco resistenti, i riempimenti in muratura possono modificare in maniera significativa la risposta strutturale, attirando forze a parti della struttura che non sono state progettate per sopportarle.

Si consideri, ad esempio, la pianta dell’edificio a telai in calcestruzzo armato simmetrico a più piani di Figura 1a provvisto di tamponamenti in muratura su due lati adiacenti del perimetro e in corrispondenza del vano scala. Se nel progetto si trascura il tamponamento, si può assumere che i cinque telai piani disposti in direzione trasversale, se di uguali dimensioni, sono soggetti a forze sismiche molto simili, per la simmetria della struttura. La presenza del tamponamento comporta l’irrigidimento del telaio interessato e dell’intera struttura con la conseguente riduzione del periodo proprio della struttura stessa. L’edificio è quindi soggetto ad un’azione sismica più elevata e la maggiore rigidezza del telaio tamponato attira verso di sé una maggiore quota di azione sismica rispetto agli altri telai. I telai tamponati in direzione longitudinale, se adeguatamente dimensionati, possono contrastare la torsione dovuta all’eccentricità tra baricentro delle rigidezze e baricentro delle masse. Nel caso dell’edificio di Figura 1c, invece, la torsione dovuta all’eccentricità tra baricentro delle masse e baricentro delle rigidezze comporta una significativa torsione che può causare un sensibile aumento dell’impegno richiesto al telaio più esterno non tamponato, che può superare quello che era stato previsto in sede di progetto (telai non tamponati).

Si può, quindi, affermare che, se i tamponamenti sono aderenti al telaio, non è possibile non tenere conto della distribuzione dei tamponamenti in sede di analisi delle sollecitazioni nei telai. Il contributo dei tamponamenti può assumere un rilievo molto limitato nel caso di strutture in calcestruzzo armato provviste di setti tozzi di controvento in calcestruzzo armato distribuiti in maniera doppiamente simmetrica nell’edificio; in questo caso la rigidezza flessionale e tagliante dei setti è tale che i pannelli di tamponamento non si fessurano prima che i setti si plasticizzino.

Per valutare l’influenza dei telai tamponati nel calcolo delle sollecitazioni sui telai che compongono la struttura è necessario stimare la rigidezza del singolo telaio tamponato. Sarà poi necessario eseguire le verifiche di resistenza del telaio tamponato tenendo conto dell’interazione tra telaio in calcestruzzo armato e riempimento in muratura.

 

Rigidezza dei telai tamponati

Il comportamento di un telaio tamponato sottoposto a sollecitazioni nel piano è influenzato dalle proprietà meccaniche dei materiali (calcestruzzo e muratura), dai livelli di sollecitazione, dal rapporto di forma del vano telaio (altezza/larghezza) e dalla eventuale presenza di aperture nel riempimento. La rigidezza nel piano del telaio tamponato non è uguale alla somma della rigidezza del telaio e del riempimento a causa dell’interazione del tamponamento con il telaio.

Le prove sperimentali hanno evidenziato che il telaio soggetto ad una forza orizzontale tende a staccarsi dal tamponamento in prossimità di due angoli diagonalmente opposti e rimane in contatto in corrispondenza degli altri due angoli, come evidenziato in Figura 2a. Riconoscendo questo comportamento, il contributo di rigidezza del tamponamento può essere rappresentato con un puntone diagonale equivalente (Figura 2b).

 

Puntone diagonale equivalente: a) distacco tra telaio e tamponamento murario, b) schema strutturale per tener conto della rigidezza del pannello murario.

Figura 2. Puntone diagonale equivalente: a) distacco tra telaio e tamponamento murario, b) schema strutturale per tener conto della rigidezza del pannello murario.

 

La larghezza efficace del puntone diagonale che può essere utilizzata per stimare la rigidezza e la resistenza di un telaio tamponato può essere calcolata facendo riferimento agli studi di Stafford Smith (1966) che ha trovato che tale larghezza varia tra 0.15 e 0.25 volte la lunghezza del puntone. 

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