Terremoto in Abruzzo: il meccanismo di piano soffice nel crollo degli edifici


reluis-piano-soffice-2

Nell’articolo precedente abbiamo parlato di alcune delle cause che hanno portato al crollo di svariati edifici a seguito del terremoto in Abruzzo. Sempre in attesa delle necessarie perizie, abbiamo individuato problemi come:

  1. scarso impiego delle staffe nei pilastri e nei nodi, se non totale assenza in alcuni casi;
  2. meccanismi di piano debole;
  3. ribaltamenti fuori piano delle murature;
  4. qualità non idonea dei materiali impiegati;
  5. formazione di pilastri tozzi per erronea disposizione degli elementi secondari.

Della prima causa già abbiamo discusso in “Terremoto in Abruzzo: le staffe, queste sconosciute…“. Adesso, sempre cercando di essere chiari e sintetici, passiamo al cosiddetto meccanismo di piano debole (o piano soffice).

Un aspetto importante delle costruzioni è la regolarità. Essa può essere di 2 tipi:

  1. regolarità in pianta;
  2. regolarità in elevazione.

Vediamo il primo aspetto: un edificio irregolare in pianta avrà modi torsionali particolarmente rilevanti, producendo così pericolose torsioni di piano; in parole povere: l’impalcato ruota nel suo piano producendo un aggravio di sforzi nelle membrature perimetrali. A produrre queste azioni torcenti è l’eccentricità tra baricentro delle masse e centro delle rigidezze (in futuro ne parleremo in maniera più ampia con una piccola critica ai criteri dettati dalla normativa per valutare tale regolarità).

L’irregolarità in elevazione, causata da concentrazioni di rigidezze in determinati punti o piani, comporta il dover valutare deformate modali diverse dalla prima con la conseguente impossibilità di riferirsi all’analisi statica lineare (che andrebbe in realtà chiamata “analisi modale semplificata“).

Ma bisogna fare attenzione, perché queste variazioni di rigidezza lungo l’elevazione possono portare a problemi seri e pericolosissimi per l’incolumità di chi risiede nell’edificio.

Cosa succede se un edificio è particolarmente debole in uno specifico piano? Succede che in campo anelastico si avrà una concentrazione della richiesta di spostamento proprio negli elementi di maggiore debolezza, ovvero i pilastri di tale piano, che quindi giungono rapidamente al collasso.

Cosa succede quando i pilastri di uno stesso piano giungono al collasso? Entriamo proprio nel caso di meccanismo di piano soffice.

Un classico esempio di questo tipo è il cosiddetto “piano pilotis“, tipico di edifici con forti tamponature e tramezzature ad ogni piano tranne che ad uno; una situazione non molto infrequente se pensiamo agli alberghi o strutture simili con soli pilastri al piano terra.

Vediamo degli schemi per chiarire quanto detto; prendiamo un telaio e carichiamolo con azioni sismiche (statiche equivalenti):

ofs-schema-piano-soffice-1

La risposta di un edificio ben progettato è la seguente:

ofs-schema-piano-soffice-2

I tondini pieni rappresentano le cerniere plastiche.

La risposta di un edificio progettato male è la seguente:

ofs-schema-piano-soffice-3

Quali sono le differenze tra la figura (b) e la (c)? Se ne potrebbe parlare per ore, ma semplificando brutalmente possiamo dire che in (b) per arrivare al crollo devono verificarsi cerniere alle estremità delle travi per ogni piano, quindi 2 x 5 = 10 cerniere plastiche. In (c) si ha un piano debole con rottura dei pilastri. Al collasso si arriva dopo la formazione di sole 4 cerniere. Questo significa che l’edificio dissipa meno energia.

Come si comporta la normativa nei confronti di questo aspetto? Andando a definire il cosiddetto criterio di “gerarchia delle resistenze“. Il progettista deve tendere alla più ottimale situazione ultima andando ad incrementare la resistenza degli elementi che non devono plasticizzarsi (pilastri), a discapito di quelli in cui la plasticizzazione è voluta (travi).

Passiamo dagli schemi alla realtà guardando qualche foto di crolli realmente avvenuti:

ofs-piano-soffice-3

L’immagine di sopra raffigura il perfetto esempio di meccanismo di piano soffice. La struttura ai piani superiori si è mantenuta in buono stato, se escludiamo la lesione orizzontale sulla destra e la tamponatura che stava venendo espulsa vicino alla porta sulla sinistra. Il piano terra, invece, non esiste più, si è praticamente sgretolato.

Se il crollo è avvenuto quasi verticale (e sembra essere questo il caso) è possibile che i pilastri siano esplosi per carico di punta, con svergolamento delle armature longitudinali (probabilmente perché mancava l’effetto cerchiante delle staffe), altrimenti è avvenuta proprio la rotazione plastica rappresentata nello schema (c).

Nel primo caso, ovvero spanciamento delle colonne e crollo verticale, ai pilastri è successo qualcosa del genere:

ofs-pilastro-cattivo2

Nel caso di rotazione plastica, con cerniere ai piedi ed in sommità, è successo qualcosa del genere:

ofs-piano-soffice-2

Vediamo altre immagini raffiguranti piani deboli:

ofs-piano-soffice-4

In questo caso, a parte qualche lesione diagonale alle estremità, la struttura è quasi integra. Il piano terra non c’è più.

E ancora:

ofs-piano-soffice-11

Veniamo alla domanda che ormai sarà sicuramente sorta in tutti i lettori: a seguito del terremoto in Abruzzo si sono avuti meccanismi di piano soffice?

La risposta arriva dal solito archivio fotografico realizzato dal ReLUIS (Rete dei Laboratori Universitari di Ingegneria Sismica) e pubblicato nel “RAPPORTO DEI DANNI SUBITI DAGLI EDIFICI A SEGUITO DELL’EVENTO SISMICO DEL 6 APRILE 2009 ORE 1.32 (UTC) – AQUILANO“.

Ecco gli scatti realizzati da Gerardo Mario Verderame, Iunio Iervolino e Paolo Ricci:

reluis-piano-soffice-1

I lettori più attenti avranno riconosciuto questo edificio (si veda “Terremoto in Abruzzo: le staffe, queste sconosciute…“), in particolare il pilastro d’estremità più vicino al punto di presa della foto, caratterizzato da mancanza di staffe nel nodo.

Vediamo un ingrandimento:

reluis-piano-soffice-2

Altre immagini:

reluis-piano-soffice-3

L’immagine di sopra presenta le stesse caratteristiche di quelle viste in precedenza, ovvero c’è una notevole differenza tra i danni subiti da un piano rispetto alla restante parte della struttura. Nel caso specifico, il piano terra è scomparso, e la parte in elevazione si è praticamente poggiata sul suolo. Da notare anche il distacco della tamponatura dalla struttura portante.

Dalle foto riportate si intuisce anche la gravità di tale meccanismo di collasso: l’edificio dissipa poco (si pensi alle poche cerniere plastiche che innescano il meccanismo), quindi si ha crollo con minore energia e quindi tale crollo avviene prima. E in caso di terremoto il tempo è fondamentale per la salvaguardia delle vite.

La conclusione che ne traiamo è la stessa dell’articolo precedente: non possiamo – né vogliamo – puntare il dito contro nessuno, almeno fino a quando non ci saranno esiti certi dalle perizie, ma qualcosina, però, poteva essere fatta meglio. Non stiamo parlando di complesse analisi dinamiche con non linearità geometriche e meccaniche, ma bensì di concezione della struttura (trave debole in pilastro forte) e rispetto di regole elementari (come la presenza di staffe con passo adeguato). E pare che anche la qualità dei materiali impiegati fosse scadente. Ma siamo sicuri che la colpa sia del progettista? Se il progettista era un ingegnere qualificato allora crediamo di no. Piuttosto, viene da chiedersi se in cantiere tutto sia stato eseguito come previsto dall’ingegnere. Ma, ripetiamo, non possiamo e non vogliamo attribuire colpe.

C’è anche da dire, che bisogna verificare l’anno in cui sono stati costruiti questi edifici, per valutare se erano già vigenti alcuni criteri antisismici o meno. Certo, un pilastro senza staffe rimane sempre un pilastro senza staffe e più che le norme basterebbe conoscere un po’ di Tecnica delle Costruzioni…

E con questo chiudiamo, nella speranza che l’articolo sia stato chiaro anche per i non addetti. Nel prossimo articolo esamineremo altri errori messi in evidenza dal sisma.

Francesco Salvatore Onorio

ofs@hotmail.it

P.S. vogliamo ringraziare nuovamente il ReLUIS per l’interessantissimo lavoro svolto in questi giorni ed invitiamo a visitarne il sito.

21 Responses to Terremoto in Abruzzo: il meccanismo di piano soffice nel crollo degli edifici

  1. gilean scrive:

    bellissimo articolo, molto professionale e che spiega molti meccanismi della tecnica delle costruzioni anche ai profani, complimenti ottimo blog😉

  2. Francesco scrive:

    Scusi l’ignoranza (non sono uno strutturista): per eliminare il problema del piano soffice può essere sufficiente predisporre pareti di taglio e vani scale adeguatamente dimensionati per portare alle fondazioni il carico sismico (che così causa sui pilastri, meno rigidi, sollecitazioni quasi trascurabili)? Va comunque fatta un’analisi del comportamento plastico?
    Mi associo ai complimenti: spiegazioni veramente chiare.
    Cordiali saluti

  3. maurizio scrive:

    A me sembra che il crollo è avvenuto nel piano terra a causa dell’assenza delle tamponature che comunque offrono una certa resistenza al taglio di piano.

  4. @GILEAN
    Ti ringrazio, l’obbiettivo era proprio di rendere l’argomento chiaro a tutti.
    Ricambio i complimenti per il tuo forum:
    http://ingegneria.bebnet.org/

    @MAURIZIO
    Questo edificio non sembra avere il problema del “piano pilotis“, ovvero tamponature a tutti i piani con soli pilastri al piano terra, perché se guardi le immagini noti come in realtà le tamponature ci fossero, ma sono praticamente esplose a causa del notevole spostamento che veniva loro richiesto.

    Già dall’immagine di apertura dell’articolo si nota come stiano praticamente tutto intorno all’edificio, ma distrutte.

    Il problema in questo caso credo sia più dovuto alla quasi totale assenza di staffe nei nodi di collegamento pilastri-travi.
    Guarda qui:

    https://strutturisti.files.wordpress.com/2009/04/nodo-trave-pilastro.jpg?w=478&h=637

    Di quel nodo ne abbiamo già parlato nell’articolo precedente (è lo stesso edificio) e purtroppo il collegamento è realizzato malissimo. Il pilastro era ben collegato in fondazione, quindi al piede, mentre in sommità lui andava da una parte e la struttura in elevazione soprastante da un’altra parte.

    @FRANCESCO
    Le pareti a taglio avrebbero assorbito loro un’aliquota consistente dell’azione sismica, scaricando le sollecitazioni dai pilastri. Quanto più è rigido l’elemento, tanto più assorbe azione sismica.

    Tieni presente, però, che le pareti a taglio, le cosiddette “shear walls“, non sono una soluzione ottimale, perché:

    poco compatibili con l’architettonico;
    godono di minore duttilità (requisito fondamentale per l’edificio sismico);
    richiedono fondazioni sovradimensionate per far fronte all’elevato momento ribaltante.

    A proposito della duttilità, sull’Ordinanza 3274 le strutture a parete, così come quelle miste telaio-pareti, vengono penalizzate.

    Il q0 per queste strutture vale:
    4.0 αu/α1

    a fronte di:
    4.5 αu/α1
    per quelle a telaio.

    Mentre il rapporto tra i moltiplicatori vale αu/α1 vale:

    1.3 per telai
    1.1/1.2 pareti e miste.

    Questa minore duttilità si paga in una minore decurtazione delle azioni sismiche e, quindi, un sovradimensionamento degli elementi strutturali.

    In soldoni, per rispondere alla tua domanda, io non avrei considerato il loro inserimento come una soluzione valida, ma avrei cercato di far rispettare in cantiere quanto previsto in fase progettuale.
    E’ molto difficile, infatti, che quel nodo sia stato progettato veramente così, ovvero praticamente senza staffe.
    Così progettato è un forte punto debole della struttura e, come abbiamo visto, questi punti deboli danno luogo al meccanismo di piano soffice.

  5. Gilean scrive:

    Il problema di una sufficiente staffatura nei pilastri e’ molto importante. Basti pensare che per l’ingegnere il nodo trave-pilastro è una incognita. Infatti la Teoria di Saint Venant cade in difetto proprio in presenza di carichi concentrati ed agli appoggi. Tali aspetti si manifestano in maniera duplice nel nodo (proprio in prossimita’ del vincolo, ed in presenza del massimo taglio), per cui una doverosa cura nei particolari costruttivi puo’ garantire la sopravvivenza di un edificio. Ad ogni modo ritengo che il futuro siano le tecnologie di isolamento sismico.

  6. Sono assolutamente d’accordo Gilean: il futuro delle costruzioni sono gli isolatori. All’estero già se ne fa ampio uso, mentre in Italia le applicazioni sono ancora scarse.

  7. gilean scrive:

    [OT] – Fra ho gia’ il tuo contatto msn? se possibile mi piacerebbe parlarti di un paio di cose in chat, ciao.

  8. Si che ce l’hai, abbiamo anche chiacchierato di programmazione.
    Ma non entro spesso su MSN.

  9. umberto scrive:

    molto interessante

    complimenti

  10. Pingback: Effetti delle tamponature negli edifici in cemento armato (meccanismo di puntone compresso) con riferimento al terremoto in Abruzzo « L’angolo dell’ingegnere strutturista

  11. Pingback: Isolamento sismico: le tappe storiche dal 1266 ad oggi « L’angolo dell’ingegnere strutturista

  12. pan scrive:

    “Ma siamo sicuri che la colpa sia del progettista? Se il progettista era un ingegnere qualificato allora crediamo di no. Piuttosto, viene da chiedersi se in cantiere tutto sia stato eseguito come previsto dall’ingegnere. Ma, ripetiamo, non possiamo e non vogliamo attribuire colpe.”

    Esistono anche ingegneri non qualificati?
    Lasciamo stare

    Gli ingegneri dovrebbero farla la direzione dei lavori. E prima del getto la carenza di staffe era ben visibile.

  13. Il problema è che anche quando la fanno talvolta si piegano al volere di altri, con minori conoscenze. Operai, mastri di cantieri e geometri talvolta riescono ad imporsi sull’ingegnere, spesso giovane, e fare di testa propria.

    Ecco alcuni commenti registrati su IngForum e riportati in un articolo a parte (staffe Thorax):

    mi è capitato in un cantiere di cui ero progettista di pretendere dal carpentiere proprietario dell’impresa le staffe chiuse a 135° per i pilastri come da normativa e da mio progetto, questi si è andato a lamentare dal committente pretendendo soldi in più per quella lavorazione che a sua detta era più onerosa.
    Risultato : il committente non na ha voluto sapere si pagare di più (preferendo magari comprarsi con quei soldi il rubinetto firmato da Chanel..) e le staffe sono state fatte con le piegature a 90° tutte belle allineate su uno spigolo e a passo costante per reggere i ferri, tutto con la complicità del direttore de lavori – geometra – che mi ha pure irriso insieme agli operai perchè secondo loro non ne vedevano la differenza. Io il mio l’ho fatto.

    Il costruttore affermava che non le aveva mai viste e che addirittura non si potevano fare….
    A volte, non sempre, ti scontri con personaggi con cui non c’è dialogo e poi se non sei direttore dei lavori e al committente importa solo di risparmiare allora non hai nessuna autorità per importi…

    Mentre un atteggiamento giusto è il seguente:

    Io di solito prevedo la chiusura delle staffe a 135° anche in fondazione anche se non servirebbe, così quando vado a controllare e le trovo chiuse a 90° rompo le palle a manetta all’impresario minacciandolo che se ripete l’errore anche nel seguito non gli faccio gettare il cls e chiudere le staffe a mano…di solito funziona. Solo una volta un impresario ha perseverato e s’è meritato la punizione con il sottoscritto che è stato a controllare finchè tutto era a posto!

  14. martina scrive:

    Sono una studentessa di Architettura e mi interessa porvi una domanda.
    A quali normative si faceva riferimento durante la progettazione strutturale negli anni precedenti alla normativa antisismica?
    In queste normative c’erano chiare istruzioni riguardo le armature a taglio, la sistemazione delle stesse nei nodi, gli ancoraggi ecc..?

  15. Cinzia D'Arcangelo scrive:

    Ho letto questo articolo con interesse professionale visto il mio lavoro di progettista e direttore dei lavori, naturalmente ho riconosciuto gli errori ivi elencati e di cui sono responsabili tutti gli addetti ai lavori in un cantiere: dal progettista al collaudatore comprendendo tutte le figure intermedie.
    Nessuno è realmente consapevole della responsabilità che ha rispetto alla sicurezza di cui usufruirà di un immobile, nemmeno lo stesso committente.
    Anch’io mi sono trovata di fronte alle proteste per un pilastro ben dimensionato o per un richiamo ad un calcestruzzo troppo molle: prima cercavo nella diplomazia la risoluzione a situazioni imbarazzanti ove venivo tacciata di pignoleria.
    Oggi, dopo aver visto dal vero le immagini riportate sul servizio e dopo aver pianto la morte di conoscenti ed il rischio corso da cari amici che oggi vivono in affitto a 100 Km. dalla loro abitazione dichiarata inagibile, oggi rispondo con rabbia a chi critica la mia pignoleria e nego la mia firma su un lavoro mal fatto.
    Se tutti i professionisti hanno la forza di comportarsi come è doveroso, domano non dovremo piangere i nostri figli morti per il crollo di una scuola.
    Buon lavoro a tutti
    Cinzia

  16. Chapeau Cinzia. Il tuo contributo è apprezzatissimo.

  17. giovanni battisi scrive:

    Tutto bene, bene il richiamo di silvia, bisogna però ricordare che quanto progettato deve rispondere a norme e a sua volta è norma; la conformità certificata finale non ne prescinde ed un direttore dei lavori deve sapere cosa stà certificando. E’ vero che alcune volte le spese possono condizionare la buona e perfetta esecuzione, ma è anche vero che le imprese devono rispettare a prescindere, sia le normative che quanto previsto nel progetto ed i preventivi di solito, o i contratti meglio, ai progetti fanno riferimento poichè sono questi ultimil’oggetto del contratto stesso e non il modo di operare di questo o quell’impresario o carpentiere. Ora, il direttore dei lavori non ha che da impugnare “l’oggetto del contratto” e nessuna impresa o proprietario potrà disdire, altrimenti meglio ricevere la revoca d’incario (ricordarsi San Giuliano di Puglia). Le staffe chiuse a 135° vanno bene, e se quello è il progetto, quello deve essere fatto. ciao

  18. Lorenza scrive:

    Mi trovo d’accordo con Pan: i direttori dei lavori non sanno neanche cosa è un cantiere e non giustificherei le loro mancanze dicendo che spesso sono giovani ed inesperti, perchè se così fosse dovrebbero rifiutare umilmente lavori per i quali non sono ancora pronti…e come giustifichiamo invece professionisti con anni di esperienza alle spalle che comunque non si fanno mai vedere sul cantiere?

  19. Giuseppe Schiazza scrive:

    Il fatto che non ci siano le staffe nei pilastri è grave, così come è grave che nei nodi (intersezione travi-pilastri) dei telai gli elementi secondari dell’armatura siano assenti (staffatura infittita sia nelle travi, sia nei pilastri).

    Gli edifici resistevano bene ai soli carichi verticali.

    I miei dubbi però concernono la conoscenza degli eventi sismici (che generano carichi orizzontali in corrispondenza di carichi verticali, come i solai ad esempio).

    Credo che qualsiasi tecnico conosca bene l’azione svolta dalle staffe nei pilastri (azione cerchiante e mantenimento in posizione dei ferri longitudinali, senza dimenticare l’aiuto fornito al nucleo resistente del pilastro.

    Quindi ho il dubbio che i tecnici coinvolti nella costruzione, omettendo l’uso delle staffe, abbiano voluto favorire il crollo degli edifici in caso di scosse sismiche.

    Il che mi fa pensare che più d’uno sapesse che i terremoti possono essere ben realizzati dall’uomo (ovviamente trivellando il terreno roccioso e riempiedo il foro di esplosivo, tappato in superficie e quindi il tutto fatto esplodere).

    Sicché c’era la volontà di farli crollare quei telai in calcestruzzo mal realizzati?

    Temo proprio che la volontà distruttiva e quindi omicida fosse ben diffusa tra quei “costruttori”.

    Massoni, ovviamente.

    Chi altri può altrimenti architettare un simile disastro?

  20. Lucio Principe scrive:

    Sono andato a ‘rispolverare’ questo vostro articolo, vecchio ma purtroppo sempre di attualità.
    La interpello per avere un suo parere in merito ad una situazione che il condominio nel quale abito sta vivendo in questi giorni.
    Premesso che sono emerse gravi carenze strutturali sugli edifici costruiti nel 1989 da una nota impresa romana e acquistati nel settembre 2002 per effetto della cartolarizzazione degli edifici di Enti pubblici dai veccchi inquilini; e in particolare si sono appurate carenza di ferro nel cemeto armato e poco cemento nella malta, nonche staffe in numero non adeguato in alcuni pilastri.
    Sono in corso d’opera lavori di consolidamento statico. Le palazzine in questione hanno anche un piano “pilotis” sopra il garage (interrato); mi chiedo – alla luce della lettura del vostro articolo – se una tamponatura del piano pilotis possa – a suo giudizio – migliorare la tenuta statica dell’immobile in caso di sisma.
    Mi rendo conto che è difficile dare giudizi senza visionare lo stabile, ma siamo 124 famiglie che viviamo dal 2002 un contenzioso con l’INPDAP e grazie all’intervento della Protezione Civile e al Comune di Roma abbiamo avviato finalemente i lavori di consolidamento, e vorremmo che questi fossero fatti nel miglior modo possibile per garantirne la sicurezza.
    Grazie per la considerazione che vorrà dare alla mia richiesta
    Un cordiale saluto e complimenti per la chiarezza dei vostri articoli comprensibili anche da un medico.

  21. @LUCIO

    La sua domanda parte da una considerazione brutalmente semplice quanto efficace: il piano pilotis comporta problemi a causa della mancanza di tamponature, quindi inserisco le tamponature o magari proprio delle shear walls.

    L’operazione da fare è la seguente: una verifica sismica. Quindi, riesaminare tutto l’edificio mediante un calcolo strutturale confrontando la situazione attuale a piani pilotis con due diverse soluzioni:

    1. inserimento di semplici tamponature;
    2. inserimento di pareti di taglio opportunamente progettate (traduzione delle shear walls citate in precedenza).

    L’influenza delle tamponature, a molti tecnici sconosciuta, la può leggere qui:

    https://strutturisti.wordpress.com/2009/04/26/effetti-delle-tamponature-negli-edifici-in-cemento-armato-meccanismo-di-puntone-compresso-con-riferimento-al-terremoto-in-abruzzo/

    A questo punto deve essere svolta un’analisi costi-benefici, confrontando le varie soluzioni anche dal punto di vista economico, oltre che di efficienza strutturale.
    Ovviamente, l’analisi da svolgere è una push-over, per valutare le capacità ultime dell’edificio (lo preciso perché anche in questo caso sono molti i tecnici che effettuano verifiche sismiche senza fare ricorso alla push-over ma bensì rimanendo in campo elastico: detto in soldoni, è inutile).

    La ringrazio per i complimenti. Lo scopo è proprio di rendere chiari a tutti gli argomenti affrontati.

    Cordiali saluti.
    Francesco

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