I dissesti generati dal sisma sulle strutture portanti in c.a. e sui tamponamenti

In questo articolo*, vengono presentati e discussi i principali dissesti generati dal sisma sulle strutture in c.a.. In particolare vengono analizzate le modalità di dissesto dei diversi elementi strutturali (fondazioni e strutture in elevazione) e degli elementi accessori (quali i tamponamenti dei fabbricati) evidenziandone per ognuno non solo la manifestazione macroscopica (necessaria per una corretta individuazione del dissesto durante la fase di sopralluogo), ma anche la possibile carenza che lo ha determinato.
 


*Tratto dal Capitolo 6 del libro di Luigi Coppola e Alessandra Buoso, edito da ULRICO HOEPLI, dal titolo “IL RESTAURO DELL’ARCHITETTURA MODERNA IN CEMENTO ARMATO - Alterazione e dissesto delle strutture in c.a. - Diagnostica – Interventi di manutenzione e adeguamento antisismico - Materiali, tecniche e cantieristica”. La numerazione delle figure è stata mantenuta la stessa del libro.


 

L'importanza della comprensione dei fenomeni di dissesto delle strutture in c.a.

Le opere in calcestruzzo armato possono essere interessate non solo dalle forme di alterazione e di degrado) di tipo fisico-chimico causato da agenti aggressivi esterni (anidride carbonica, cloruri, solfati, etc.) o determinate da errori commessi durante l'esecuzione dell'opera (macchie, bolle superficiali, perdite di boiacca, etc.), ma anche da fenomeni di dissesto strutturale – generati dall'azione dei carichi verticali e da quelli orizzontali (di natura sismica) o dalle coazioni promosse dal ritiro idraulico impedito – che si manifestano generalmente in forma di quadri fessurativi, di deformazioni più o meno pronunciate degli elementi costruttivi sia strutturali che non portanti, di schiacciamento del calcestruzzo e di svergolamento delle barre di armatura e, nei casi più gravi, di crollo sia delle strutture portanti che di quelle accessorie.

La comprensione delle cause e dell'evoluzione di questi fenomeni rappresenta un compito difficile, spesso controverso e arduo, che richiede una notevole sensibilità e una profonda esperienza, ma che si rende necessaria per una corretta definizione di un intervento di ripristino. Intervento che, oltre ad eliminare le patologie riscontrate, deve porsi come obiettivo anche quello di sanare le carenze insite negli elementi strutturali e accessori al fine di migliorarne sia la risposta locale che complessiva nei confronti delle azioni statiche e dinamiche agenti.

Sebbene le forme di dissesto strutturale possano essere molteplici e, per certi versi, "infinite", le situazioni che possono determinare la comparsa di dissesti di tipo strutturale possono essere ascritte a (Fig. 6.1):

  • cedimenti di fondazione
  • carenze statiche e/o costruttive nei confronti delle sollecitazioni flettenti, taglianti e di compressione assiale (vedi anche i solai)
  • scadente risposta all'azione sismica e conseguenti danneggiamenti sia alle strutture portanti che agli elementi secondari (ad esempio, tamponamenti e tramezzi).

Inoltre, le fessurazioni negli elementi in c.a. possono essere ricondotte alle coazioni che insorgono per effetto del ritiro idraulico della matrice cementizia impedito dalla presenza dei vincoli interni ed esterni all'elemento strutturale interessato dalla contrazione di volume. 

 

Le principali cause di dissesto strutturale e gli elementi portanti e accessori coinvolti.

 Fig. 6.1 – Le principali cause di dissesto strutturale e gli elementi portanti e accessori coinvolti. 

 

Danneggiamenti delle strutture portanti e degli elementi secondari causati dall'azione sismica 

I dissesti provocati dal terremoto sulle strutture in calcestruzzo armato presentano per localizzazione, per estensione, andamento e ampiezza dei quadri fessurativi, per modalità di collasso del calcestruzzo e delle armature, oltre che dei tamponamenti, caratteristiche e specificità che sono proprie dell'azione sismica e che, pertanto, in nessun caso possono essere confuse con altre cause. Pertanto, nell'esaminare una infrastruttura o un fabbricato interessato da un evento sismico è interessante individuare non tanto la causa scatenante (in quanto ben nota: l'evento tellurico) quanto la carenza della struttura in termini di risposta al cimento dinamico prodotto dal terremoto.

Questo obiettivo risulta di fondamentale importanza per poter definire correttamente gli interventi di adeguamento sismico da attuare finalizzati proprio all'eliminazione delle carenze insite nella iniziale progettazione e realizzazione della struttura. A questo proposito nei paragrafi che seguono vengono analizzate le modalità di dissesto dei diversi elementi strutturali (fondazioni e strutture in elevazione) e degli elementi accessori (quali i tamponamenti dei fabbricati) evidenziandone per ognuno non solo la manifestazione macroscopica (necessaria per una corretta individuazione del dissesto durante la fase di sopralluogo), ma anche la possibile carenza che lo ha determinato.
 

I dissesti delle fondazioni

Nel caso dei dissesti di fondazione prodotti dal terremoto, la tipologia dei danni non si differenzia sostanzialmente da quelli generati dai normali cedimenti del terreno in assenza di un evento sismico.

È da segnalare, inoltre, come in presenza di travi/cordolo di collegamento di bassa rigidezza, per effetto di cedimenti differenziali vengono a manifestarsi fessurazioni in corrispondenza delle travi fuori terra, che interessano anche i tamponamenti i quali evidenziano lesioni perpendicolari alla diagonale sottoposta al maggior allungamento (Fig. 6.29). La presenza di queste soluzioni di continuità nelle travi e negli elementi di partizione verticale impone che si proceda ad ispezionare anche le strutture di fondazione che – con buona probabilità – presenteranno lesioni similari.
Dissesti in fondazioni con travi di collegamento di bassa inerzia in zona sismica.

Fig. 6.29 Dissesti in fondazioni con travi di collegamento di bassa inerzia in zona sismica. 

I dissesti dei tamponamenti 

Il danneggiamento dei tamponamenti è dovuto all'effetto delle deformazioni impresse dalla risposta sismica della struttura. Il meccanismo di rottura prevalente nei tamponamenti è quello caratterizzato da lesioni ad andamento sub-orizzontale inclinate a 45° e molto spesso incrociate a croce di S. Andrea (Fig. 6.30).

 

Rottura dei tamponamenti a croce di S. Andrea

Fig. 6.30 Rottura dei tamponamenti a croce di S. Andrea


Questo tipo di rottura avviene per il superamento della resistenza a trazione della malta nella zona centrale del muro e le lesioni si localizzano generalmente nei giunti di malta. Il danneggiamento interessa maggiormente le tamponature al piano terra, sia perché in questa zona si ha la massima sollecitazione, sia perché al piano terra c'è un numero minore di tamponamenti per la presenza di garage, negozi, ecc. Sebbene il meccanismo di rottura prevalente dei tamponamenti sia quello caratterizzato da lesioni incrociate, il dissesto di questi elementi di partizione verticale può avvenire per:

  • scorrimento orizzontale dei giunti di malta per effetto delle tensioni tangenziali agenti nella zona centrale del pannello;

  • schiacciamento locale degli spigoli causato dal cosiddetto modello del "puntone equivalente" basato sulla formazione di bielle accoppiate (secondo le due diagonali) che sono alternativamente efficaci in funzione della direzione dell’azione sismica, essendo attive solo quelle compresse. Il puntone compresso può assumere un'inclinazione diversa ed esercitare una pressione sulle travi o sui pilastri. Una conseguenza del comportamento a puntone equivalente è rappresentata dal collasso del pilastro per taglio (Fig. 6.31-6.32).

 

Rottura per schiacciamento del tamponamento e comparsa di fessura diagonale nel nodo a causa della spinta del puntone equivalente

Fig. 6.31 Rottura per schiacciamento del tamponamento e comparsa di fessura diagonale nel nodo a causa della spinta del puntone equivalente

 

Collasso per taglio del pilastro a destra nella foto per effetto delle forze concentrate esercitate dal tamponamento

Fig. 6.32 Collasso per taglio del pilastro a destra nella foto per effetto delle forze concentrate esercitate dal tamponamento


Un altro tipo di danneggiamento che può interessare i tamponamenti nel caso in cui essi non siano sufficientemente ammorsati all'ossatura in c.a. è il ribaltamento fuori piano. Ricorrente anche il ribaltamento al di fuori del piano della cortina esterna delle murature a cassetta (Fig. 6.33).

 

Ribaltamento fuori piano della cortina esterna del tamponamento verticale

Fig. 6.33 Ribaltamento fuori piano della cortina esterna del tamponamento verticale


A causa del peso e della posizione (sull'esterno del fabbricato), i tamponamenti ribaltati possono costituire un pericolo non secondario per l'incolumità delle persone, anche nel caso in cui la struttura portante non subisca danni significativi.
 

I dissesti del telaio in c.a. 

I danni prodotti dalle azioni dinamiche sulle strutture portanti di elevazione assumono caratteri che per tipologia e localizzazione sono diversi da qualsiasi altra causa (di origine statica). In sostanza, i dissesti da sisma sono, banalmente, di facile individuazione e identificabilità.

Non altrettanto semplice, invece, risulta comprendere le motivazioni della scadente risposta della struttura al cedimento dinamico. Individuare le cause responsabili dei dissesti subiti e/o le carenze "antisismiche" di una struttura (ancora non interessata dal terremoto, ma ubicata in zona classificata a rischio sismico) rappresenta l'operazione più difficile per il progettista dell'intervento di adeguamento e/o consolidamento.

Alla comprensione dei fenomeni di dissesto e all'individuazione delle carenze in termini di risposta sismica, pertanto, è dedicato questo paragrafo, il quale vuole fornire soltanto un modesto contributo a dipanare una tematica complessa e che presenta non poche insidie, rimandando, quindi, per un approfondimento del problema ai numerosi testi disponibili su questo argomento.

Nei telai mono-campata, se le armature e le rigidezze nei pilastri e nella trave fossero le stesse, la comparsa di lesioni alla base del pilastro dovrebbe essere accompagnata da lesioni sulla testa del pilastro e nelle sezioni di incastro della trave.

Nelle travi, tuttavia, le lesioni si manifestano all'incastro soltanto nelle zone intradossali che sono provviste soltanto di un'armatura di ancoraggio ("reggi staffe") e raramente all'estradosso per la presenza di una maggior quantità di ferri disposti per assorbire la caratteristica flessionale (Fig. 6.34).

 

Fessurazione di una trave all'intradosso ove minore è la percentuale di armatura con formazione di una cerniera

Fig.6.34 Fessurazione di una trave all'intradosso ove minore è la percentuale di armatura con formazione di una cerniera


Per quanto riguarda i pilastri, invece, tenendo conto che alla base è sempre presente un fascio di ferri proveniente dalle fondazioni (armatura di ripresa) che si sovrappone ai ferri verticali (Fig. 6.35), le lesioni tendono a formarsi prevalentemente sulla testa dell'elemento in calcestruzzo armato. 

Sovrapposizione dei ferri alla base del pilastro

Fig. 6.35 Sovrapposizione dei ferri alla base del pilastro


Nei telai a più campate si registrano generalmente lesioni solo sui pilastri, mentre le travi si presentano sostanzialmente integre. Questo dipende dal fatto che il momento flettente sarà uguale sui pilastri e sulle travi solo per le campate di estremità; nelle campate intermedie, invece, il momento sui pilastri si ripartisce sulle due travi che concorrono al nodo. Pertanto, il momento flettente agente sul pilastro è maggiore di quello agente sui correnti. Conseguentemente, la fessurazione del pilastro risulta evento più probabile rispetto a quella attesa per i correnti.

Per quanto riguarda i pilastri di un edificio multipiano, è importante osservare che la massima caratteristica flettente si ha sui pilastri del piano terra. Questa situazione si verifica indipendentemente dal contributo della rigidezza delle travi. Analizzando, infatti, le due situazioni limite in cui è possibile schematizzare un edificio multipiano, quella (Fig. 6.36) che presenta travi con piccola inerzia (schema a pendolo) e quella con travi infinitamente rigide (Fig. 6.37), si deduce che il momento massimo sollecitante si realizza in entrambi i casi alla base dei pilastri del piano terra. Pertanto, nelle situazioni reali di telai multipiano che presentano travi con una rigidezza intermedia tra quella nulla (schematizzazione a pendolo) e quella infinita, il momento flettente massimo interesserà comunque la base del pilastro al piano terra.
 

Rappresentazione della deformata di un telaio a travi con poca inerzia e infinitamente rigide Fig. 6.36 (sx) – Rappresentazione della deformata di un telaio a travi con poca inerzia.

Fig. 6.37 (dx) – Rappresentazione della deformata di un telaio con travi infinitamente rigide
 

Questo significa che durante il sopralluogo di un fabbricato interessato da una scossa sismica, occorre iniziare l'indagine proprio dai pilastri del piano terra ove ci si attende di trovare i maggiori danneggiamenti. Inoltre, analizzando la distribuzione in pianta dei pilastri, quelli disposti lungo il perimetro dell'edificio sono più sollecitati a causa degli effetti torsionali indotti dall'eccentricità tra il centro di massa e il centro di rigidezza dell'edificio.

Per questo motivo i danni più significativi si verificano negli elementi strutturali più lontani dal centro delle rigidezze, con conseguente formazione di fessure e deformazioni permanenti con schiacciamento del calcestruzzo (Fig. 6.38-6.40).
 

 i danni più significativi si verificano negli elementi strutturali più lontani dal centro delle rigidezze

Fig.6.38 (sx) – Irregolarità strutturali ed effetti torsionali

Fig. 6.39 (dx) – Particolare della Fig. 6.38

 

Effetti torsionali – dissesto del nodo trave-pilastro d'angolo a causa dell'azione concomitante della rotazione subita dall'edificio durante il sisma e del puntone equivalente del muro di partizione verticale

Fig. 6.40 Effetti torsionali – dissesto del nodo trave-pilastro d'angolo a causa dell'azione concomitante della rotazione subita dall'edificio durante il sisma e del puntone equivalente del muro di partizione verticale


Nel caso in cui gli edifici non presentino una distribuzione lungo l'altezza di massa e rigidezza costante, si può avere la formazione del cosiddetto piano deformabile (soft floor), che determina la nascita di cerniere plastiche in testa e al piede del pilastro, con la conseguente traslazione orizzontale del piano. 

Questo fenomeno si verifica solitamente nei pilastri del piano terra, soprattutto per quegli edifici che presentano un porticato (piano pilotis) e laddove, quindi, non vi è alcun contributo alla risposta sismica dei tamponamenti in laterizio. La formazione del soft floor, tuttavia, interessa anche i normali fabbricati in quanto al piano terra, minore è il numero delle pannellature a causa della presenza di porte d’ingresso, avvolgibili (garages), vetrine, ecc..

In queste situazioni, la risposta sismica dell'edificio è demandata esclusivamente ai pilastri del piano terra che si trovano ad essere "sormontati" dal blocco rigido costituito dai piani superiori che presentano tamponamenti sostanzialmente integri (Fig. 6.41). 

 

Meccanismo di piano debole con formazione di cerniere plastiche al piano terra.

Fig. 6.41 (sx) – Piano debole per mancanza o carenza di tamponamenti al piano terra

Fig. 6.42 (dx) – Meccanismo di piano debole con formazione di cerniere plastiche al piano terra.
 

Se i pilastri non sono stati correttamente dimensionati e realizzati si instaura un cinematismo a causa della formazione di cerniere plastiche in testa e alla base del pilastro (Fig. 6.42) che può portare al collasso dell'edificio . In alcuni casi, il piano debole può manifestarsi anche ai piani intermedi, per drastiche diminuzioni della rigidezza e/o della massa.
 

...CONTINUA

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Tratto dal libro di Luigi Coppola e Alessandra Buoso, edito da ULRICO HOEPLI, dal titolo “IL RESTAURO DELL’ARCHITETTURA MODERNA IN CEMENTO ARMATO - Alterazione e dissesto delle strutture in c.a. - Diagnostica – Interventi di manutenzione e adeguamento antisismico - Materiali, tecniche e cantieristica”.

Si ringrazia HOEPLI per la gentile concessione.

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