INTERVENTI LOCALI SU EDIFICI ESISTENTI: LE CERCHIATURE

³Nel precedente articolo abbiamo dato la definizione di intervento locale ed abbiamo descritto le caratteristiche e gli obiettivi di questo tipo di intervento.

In questo articolo ci concentreremo su un particolare tipo di intervento locale: l’apertura di un vano in una parete.

Inquadramento normativo

La circolare 7/2019 stabilisce che l’apertura di un vano in una parete accompagnata da opportuni rinforzi si può considerare un intervento locale a condizione che “si dimostri che l’insieme degli interventi non modifichi significativamente rigidezza, resistenza nei confronti delle azioni orizzontali e capacità di deformazione della struttura”.

Come progettare una cerchiatura

L’intervento di apertura di vani in una parete in muratura, o di modifica dei vani esistenti, prevede la valutazione della variazione di rigidezza e di resistenza tra ante operam e post operam. Se necessario, si dovranno prevedere interventi di rinforzo per ripristinare la rigidezza e/o la resistenza perdute con l’intervento. Il classico intervento di rinforzo è l’inserimento di un telaio metallico o in cemento armato all’interno dei vani.

Uno dei limiti del D.M.2018 e della circolare, come anche dei loro predecessori, è che prescrivono che rigidezza e resistenza non cambino in modo significativo a seguito dell’intervento, senza però definire quando una variazione sia significativa.

Un utile riferimento per colmare questa lacuna può essere il documento “Orientamenti interpretativi in merito a interventi locali o di riparazione in edifici esistenti” emesso dalla Regione Toscana nel 2012 che riguardo gli interventi sulle murature in elevazione riporta:

In accordo con il parere del comitato tecnico-scientifico della Regione Toscana si può assumere che la variazione di rigidezza non è significativa se la rigidezza cala o aumenta meno del 15%.

Il calcolo della variazione di rigidezza e le verifiche sul telaio di rinforzo

La valutazione della variazione di rigidezza non è particolarmente complessa. Per calcolare la rigidezza ante operam e quella post operam si applicano le classiche formule di scienza delle costruzioni:

Se la variazione di rigidezza non è significativa l’intervento si può eseguire anche senza prevedere la cerchiatura. Ma attenzione alla variazione di resistenza: il D.M.2018 dice che l’intervento locale non deve comportare una riduzione dei livelli di sicurezza preesistenti. Questo significa che, se una riduzione non significativa di rigidezza può essere accettabile, una riduzione di resistenza non lo è mai. Tuttavia anche nel caso di variazione di resistenza potrebbe non essere necessario inserire una cerchiatura nel vano, ci sono altri modi di risolvere il problema. Per esempio, una soluzione potrebbe essere l’intonaco armato, anche se è certamente un intervento più costoso del telaio metallico.

Invece quando la variazione di rigidezza è significativa deve per forza essere previsto un intervento di rinforzo per ripristinare la situazione ante operam.

Quando si prevede di inserire un telaio metallico o in c.a. all’interno dei vani la rigidezza del telaio viene calcolata con il classico nEJ/H³ dove n può essere 3 o 12 a seconda del vincolo alla base del telaio che viene scelto. E bisogna moltiplicare la rigidezza per due, in quanto ci sono due montanti. Nel post operam la rigidezza dei due montanti del telaio, o dei telai nel caso di più aperture, viene sommata a quella dei maschi murari residui. In accordo con il documento della regione Toscana, la rigidezza dei maschi murari residui sommata a quella dei montanti dei telai non deve variare di più del 15% rispetto alla rigidezza ante operam.

Una volta dimensionato opportunamente il telaio per ripristinare la perdita di rigidezza e di resistenza si può procedere con le verifiche di resistenza dello stesso con i metodi descritti al capitolo 4 del D.M.2018.

Aspetti critici delle verifiche della variazione di rigidezza

Né il D.M. né la circolare forniscono particolari dettagli sul calcolo della rigidezza, lasciando al progettista l’onere di alcune scelte progettuali che hanno molta influenza sul risultato finale.

Un problema con cui ci si deve confrontare molto di frequente è la valutazione dell’altezza dei maschi murari. Consideriamo per esempio la situazione nell’immagine seguente:

All’ante operam non ci sono aperture quindi nemmeno fasce di piano. In questo caso, senza dubbio, l’altezza del maschio murario coincide con l’altezza di interpiano. Nel post operam viene creata una porta perciò ci sarà una fascia di piano. Considerando la presenza della fascia di piano, l’altezza del maschio murario dovrebbe essere pari all’altezza dell’apertura adiacente. Ma questo vorrebbe dire considerare un’altezza diversa dei maschi murari rispetto all’ante operam. Il problema è che potrebbe risultare che inserendo l’apertura si ha un aumento di rigidezza della parete.

Bisogna anche tenere presente che non è detto che basti la presenza della fascia di piano per considerare l’altezza del maschio murario pari a quella delle aperture adiacenti. Pensiamo per esempio al caso della finestra: la muratura sotto l’apertura potrebbe non avere funzione portante ed in questo caso l’altezza del maschio murario non sarebbe coincidente con l’altezza della finestra ma andrebbe dalla base della parete fino all’estremo superiore dell’apertura, in pratica come se ci fosse una porta.

Poiché la normativa non si esprime, sono tutte valutazioni di competenza del progettista.

Aspetti critici del progetto e delle verifiche del telaio di rinforzo

Anche per le verifiche del telaio di rinforzo la norma non scende nei dettagli, di conseguenza anche in questo caso è il progettista che deve valutare come è più opportuno procedere per il caso che sta studiando.

In questo caso la domanda a cui rispondere è: quali sollecitazioni è necessario considerare per eseguire la progettazione del telaio?

Se si considerasse l’apertura di un solo vano nella parete si potrebbe pensare di progettare il telaio perché abbia una resistenza oppure una rigidezza pari a quella della muratura che viene rimossa. Ed il calcolo per determinare il profilo da utilizzare o la sezione dei montanti in c.a. sarebbe piuttosto semplice.

Purtroppo però questa via non è percorribile nel caso i vani da aprire o modificare siano più di uno. Infatti si calcola una variazione globale di resistenza o di rigidezza tra ante operam e post operam. In altre parole, date le due o più aperture, possiamo sapere che sulla parete oggetto di studio c’è stata una certa variazione di rigidezza o resistenza. Ma non è così immediato ripartire questa variazione di rigidezza globale della parete tra i due o più telai necessari per il ripristino della situazione ante operam.

Anche qui la normativa non è d’aiuto, è il progettista che deve decidere come determinare le sollecitazioni di progetto del telaio.

E bisogna anche fare attenzione a non sovradimensionare il telaio. Non si può avere un telaio troppo rigido altrimenti la rigidezza e la resistenza della parete aumenta troppo. Un telaio rigido va in crisi per spostamenti molto inferiori a quelli della muratura. L’ideale sarebbe avere un telaio che abbia una deformabilità confrontabile con quella della muratura. Può essere utile accettare una riduzione di rigidezza rispetto allo stato di fatto, purché si resti all’interno del 15% proposto dalla regione Toscana.

PRO_CAD progetto cerchiature

PRO_SAP dispone di un modulo che automatizza le verifiche degli interventi di apertura o di modifica dei vani in una parete esistente in muratura: il modulo PRO_CAD progetto cerchiature. Inoltre il modulo esegue le verifiche automatiche dei telai di rinforzo, sia in acciaio che in cemento armato.

Il funzionamento del modulo è molto intuitivo. La maggior parte della finestra principale del programma è occupata dalla finestra grafica. Nella parte destra ci sono i comandi per la definizione della geometra della parete e delle aperture, sia ante operam che post operam, e delle caratteristiche dei materiali.

L’archivio dei materiali

Il programma ha in memoria la tabella C8.5.I della circolare 7/2019, così l’utente deve semplicemente richiamare il materiale di cui è composta la parete su cui si deve intervenire, non è richiesto l’inserimento manuale di dati riguardanti le caratteristiche meccaniche della muratura. È anche possibile applicare automaticamente al materiale i coefficienti correttivi della tabella C8.5.II della circolare. Dal momento che le tipologie di muratura previste dalla tabella C8.5.I sono piuttosto limitate il programma consente anche la definizione di un materiale da utente, funzionalità utile anche nel caso in cui siano state eseguite le prove in sito e si abbiano a disposizione informazioni più precise di quelle fornite dalla circolare.

I criteri di progetto

L’apertura di un vano in una parete esistente è un intervento apparentemente semplice. Tuttavia ci sono alcuni aspetti da valutare con particolare attenzione, come detto nei precedenti paragrafi relativi alle criticità.

Dal momento che la norma non obbliga ad utilizzare un certo metodo di verifica, e nemmeno dà suggerimenti, molte scelte spettano al progettista.

Per questo motivo il modulo PRO_CAD progetto cerchiature mette a disposizione un buon numero di criteri di progetto in modo che l’utente possa trovare la soluzione più adatta al caso che sta studiando.

La prima scelta da fare riguarda il calcolo dell’altezza dei maschi murari. Sono possibili tre opzioni diverse:

• Fasce non rigide: maschi murari con altezza pari all’altezza di interpiano
• Fasce rigide: maschi murari con altezza pari all’altezza delle aperture adiacenti
• Fasce semirigide: il metodo proposto da Dolce, con il quale si costruisce anche il telaio equivalente per le analisi di pushover.

Come già detto in precedenza, nel caso di parete senza aperture allo stato di fatto, considerando le fasce rigide c’è il rischio di ottenere un aumento di rigidezza in seguito alla creazione delle aperture. Per questo motivo il programma consente al progettista di considerare la stessa altezza dei maschi murari sia allo stato di fatto che allo stato di progetto.

Una seconda scelta da fare riguarda lo schema statico dei maschi murari. Il programma consente di indicare se è presente un cordolo o meno in modo da considerare l’opportuno moltiplicatore di EJ/H³. Analogamente è possibile personalizzare anche lo schema statico del telaio di rinforzo considerando una cerniera od un incastro alla base. Questa scelta va fatta in funzione del materiale, della presenza di un elemento sotto l’apertura e, per l’acciaio, del tipo di piastra di base che verrà realizzata.

Nei criteri di progetto è possibile personalizzare anche il metodo per il calcolo dello spostamento ultimo. Sono disponibili due diversi metodi previsti in letteratura:

• Coefficiente di duttilità: lo spostamento ultimo si ottiene moltiplicando lo spostamento elastico per un coefficiente µ detto coefficiente o fattore di duttilità. Il valore di questo parametro varia tra 1.5 e 2.0 in funzione del tipo di muratura ed è stato determinato sperimentalmente da Turnsek e Cacovic nel 1977. Il programma assume automaticamente il valore opportuno in funzione del tipo di materiale selezionato dall’utente.
• Derivante dalle NTC. Lo spostamento ultimo per rottura a pressoflessione è assunto dal §7.8.2.2.1 del D.M.2018, mentre quello a taglio dal §7.8.2.2.2.

Il programma consente comunque di indicare un valore da utente.

Le ultime scelte da fare nei criteri di progetto sono quelle relative al progetto del telaio.

Come detto in precedenza, anche per le verifiche del telaio la norma e la circolare non danno particolari prescrizioni o suggerimenti quindi è il progettista che deve valutare come è più opportuno procedere.

PRO_CAD progetto cerchiature non progetta il telaio perché abbia la rigidezza o la resistenza della muratura che viene rimossa. Come detto in precedenza è un metodo che funziona solamente se si considera una sola apertura, non ha validità generale. Per questo motivo sono stati pensate due diverse strategie per determinare le sollecitazioni agenti sul telaio:

• Forza in sommità al telaio. Il telaio è verificato per resistere alle sollecitazioni dovute ad una forza applicata in sommità pari al momento ultimo dell’elemento verticale diviso la sua altezza. Nel caso di colonna in acciaio il momento ultimo si calcola con le formule del capitolo 4 del D.M.2018, Mu = Wpl*fyk/gammaM0 per profili in classe 1 o 2 o Wel*fyk/gammaM0 per profili in classe 3. Allo scopo di non sovradimensionare il telaio non si considera mai una forza maggiore del taglio ultimo dei maschi murari.
• Spostamento in sommità. Il telaio è verificato per resistere alle sollecitazioni che si ottengono applicando in sommità lo spostamento elastico. Tuttavia non si considera uno spostamento maggiore dello spostamento ultimo della muratura. Considerare uno spostamento maggiore dello spostamento ultimo della muratura vorrebbe dire sovradimensionare il telaio.

Con entrambi i metodi si considerano applicati sull’architrave i carichi permanenti e variabili dati dalla muratura e dai solai sopra la parete oggetto dell’intervento.

Le verifiche

Tutte le verifiche sono automatizzate. Il programma valuta prima la variazione di rigidezza. Se questa è compresa nel limite del più o meno 15% rispetto allo stato di fatto PRO_CAD calcolo cerchiature procede anche con le verifiche del telaio di rinforzo. Infatti non avrebbe senso verificare il telaio se la variazione di rigidezza fosse eccessiva.

Nelle verifiche vengono automaticamente trascurati gli elementi che non hanno i requisiti richiesti dal D.M. 2018 per poter essere considerati elementi portanti. Per questo motivo è molto importante fare attenzione a dove si posiziona l’apertura ed alle dimensioni che avrà: è necessario che al post operam ci sia comunque un numero sufficiente di elementi in muratura portanti. Se la maggior parte della muratura viene sostituita da un telaio metallico o in c.a. non si tratta di intervento locale.

Una volta eseguite le verifiche si apre automaticamente la finestra con la relazione di calcolo che riporta riferimenti normativi, metodo di calcolo e risultati delle verifiche:

È possibile salvare la relazione in formato .rtf per poterla rielaborare o stampare.

⚠️ La nuova versione di PRO_CAD calcolo cerchiature ha una importante novità.

Nel caso sia stato utilizzato un telaio metallico, all’interno della finestra della relazione di calcolo, è possibile utilizzare il comando “esportare nodi acciaio” per generare e verificare in automatico i nodi del telaio con il modulo PRO_CAD nodi acciaio.

Riassumendo:

⇒ L’apertura di vani in pareti in muratura esistenti:

• Può essere considerata intervento locale se la rigidezza non cambia in modo significativo
• La circolare non esplicita quando la variazione di rigidezza diventa significativa, ma si può fare riferimento al parere della Regione Toscana

⇒ È un intervento solo in apparenza semplice, in realtà bisogna fare attenzione:

• Nella scelta del metodo per il calcolo dell’altezza dei maschi murari
• Nella scelta delle sollecitazioni di progetto degli elementi metallici

⇒ PRO_CAD disegno cerchiature:

• Ha un interfaccia semplice ed intuitiva
• Ha in memoria i materiali previsti dalla circolare 7/2019
• Ha un ampio archivio di criteri di progetto per consentire all’utente la massima libertà nel progetto dell’intervento
• Esegue automaticamente le verifiche dell’intervento e degli elementi di rinforzo
• Scrive automaticamente la relazione di calcolo
• Genera automaticamente i disegni esecutivi dell’intervento
• Esporta i dati per le verifiche dei collegamenti degli elementi metallici con PRO_CAD nodi acciaio

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Ing. Alberto Marin (marin@2si.it)