Calcolo e Progettazione delle Cerchiature per Muri Portanti

La cerchiatura è un intervento che viene eseguito su muro per realizzare una nuova apertura e/o migliorare una esistente. É finalizzata, quindi, a potenziare la resistenza della struttura ed è spesso necessaria in situazioni in cui si desidera apportare modifiche architettoniche o affrontare problemi di stabilità. In questo articolo analizziamo cos’è una cerchiatura di un muro portante, come si realizza, i benefici derivanti e i costi.

La corretta esecuzione di una cerchiatura richiede competenze ingegneristiche e un approccio professionale. Innanzitutto, è fondamentale definire lo schema statico del telaio di cerchiatura e assicurarsi che i dettagli costruttivi delle unioni siano in linea con il calcolo strutturale. Qualsiasi errore in questa fase può mettere a rischio l’intera struttura.

Cos’è una Cerchiatura di Muro Portante

La cerchiatura è un intervento strutturale che coinvolge l’aggiunta di elementi o materiali supplementari a un muro portante al fine di rinforzarlo e migliorarne la sua capacità portante. Questo intervento è particolarmente rilevante quando si desidera creare nuove aperture, come porte o finestre, nella muratura portante, o quando si affrontano problemi di stabilità in edifici esistenti. Il termine cerchiatura deriva dal concetto di creare un anello di rinforzo intorno alla zona forata, consentendo alla struttura di mantenere la sua resistenza e integrità originale.

Come si Realizza una Cerchiatura di Muro Portante

Il processo di realizzazione è fondamentale per garantire che la cerchiatura svolga il suo ruolo di rinforzo strutturale in modo efficace e che la parete portante mantenga la sua stabilità complessiva. Di seguito analizziamo ciascuna fase del processo di realizzazione:

1. Analisi della struttura esistente: Consiste in un’analisi approfondita della parete portante esistente in cui vengono valutate le caratteristiche strutturali della parete, inclusa la sua resistenza, rigidità e configurazione. Questa analisi aiuta a determinare la posizione ottimale per la nuova apertura e a pianificare la cerchiatura in modo da minimizzare l’impatto sulla stabilità generale dell’edificio.
2. Creazione del foro: Deve essere realizzato con attenzione per evitare danni alla struttura circostante. La dimensione e la forma del foro sono determinate in base alle dimensioni del telaio di cerchiatura e alle esigenze strutturali.
3. Realizzazione del telaio di cerchiatura: Il telaio di cerchiatura (solitamente realizzato in cemento armato o acciaio) viene progettato in base alle specifiche esigenze dell’intervento. Questo telaio assume il ruolo di rinforzo strutturale per compensare la perdita di resistenza causata dalla nuova apertura. Il telaio viene posizionato all’interno del foro e collegato saldamente alla parete circostante.
4. Dettagli costruttivi delle unioni: Assicurano che il telaio agisca in modo sinergico con la parete portante e distribuisca uniformemente il carico. È essenziale che le unioni siano robuste e ben progettate per garantire la massima efficacia della cerchiatura. Molto importante è la messa in carico della cerchiatura all’interno della muratura perimetrale, in particolare nei confronti dei carichi verticali. L’operazione di caricamento può avvenire mediante l’utilizzo di martinetti o zeppe inserite fra l’architrave e la muratura per garantire il contrasto. I montanti devono essere collegati alle murature laterali mediante idonee zancature. Le unioni fra montani e traverso superiore (e inferiore se presente) devono assicurare il grado di vincolo ipotizzato nel calcolo.
5. Controllo della stabilità e sicurezza: Dopo aver completato l’installazione del telaio di cerchiatura, vengono effettuate verifiche strutturali e calcoli per garantire che la cerchiatura abbia raggiunto gli obiettivi di resistenza e stabilità. Questo garantisce che la parete portante rinforzata possa sopportare carichi aggiuntivi e sollecitazioni esterne senza compromettere la sicurezza dell’edificio e dei suoi occupanti.
6. Finiture e rivestimenti: A seconda delle esigenze estetiche e funzionali, è possibile applicare finiture e rivestimenti sulla superficie della cerchiatura (applicazione di intonaci, pitture o altri materiali che contribuiscono alla protezione e all’aspetto estetico del telaio di cerchiatura).

Benefici della Cerchiatura di un Muro Portante

I benefici derivanti dalla cerchiatura di un muro portante sono molteplici e si riflettono sia sulla solidità dell’edificio che sulla sicurezza dei suoi occupanti. Prima di tutto, questo processo aumenta notevolmente la capacità portante del muro, consentendo all’edificio di sopportare carichi aggiuntivi o variazioni strutturali. Questo è particolarmente importante nelle ristrutturazioni, in cui si potrebbero apportare modifiche che comportano nuovi carichi sulla struttura originale.

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Gli edifici sottoposti a cerchiatura resistono meglio agli eventi sismici e alle sollecitazioni ambientali, riducendo il rischio di possibili cedimenti strutturali. Inoltre, la cerchiatura offre la possibilità di creare aperture o spazi aggiuntivi all’interno dell’edificio, consentendo un uso più flessibile dello spazio senza comprometterne la stabilità.

Cerchiatura Muro Portante in Pietra e a Vista

La cerchiatura di un muro portante in pietra viene effettuata attraverso delle longarine in acciaio o putrelle. Le longarine in acciaio, conosciute anche come putrelle, sono delle travi metalliche lunghe e snelle, progettate appositamente per resistere a sforzi di flessione e taglio. Per ancorare saldamente le longarine alla muratura, vengono utilizzati degli elementi di fissaggio chiamati spinotti. Gli spinotti sono dispositivi di connessione meccanica che penetrano nel muro portante, assicurando una legatura robusta tra le longarine in acciaio e la struttura in pietra.

La cerchiatura di un muro in pietra non solo contribuisce al rinforzo strutturale, ma potrebbe offrire anche un aspetto estetico naturale; questo è particolarmente rilevante in edifici storici o di pregio architettonico, dove la cerchiatura può essere esposta a vista, diventando un elemento distintivo dell’edificio.

La cerchiatura di un muro portante a vista rappresenta una combinazione tra esigenze strutturali e design architettonico. Questo approccio, sempre più popolare nelle tendenze moderne di progettazione, va oltre il semplice rinforzo strutturale, diventando così un elemento distintivo dell’edificio stesso.

Costi Associati alla Cerchiatura di un Muro Portante

I costi associati alla cerchiatura di un muro portante variano a seconda dei seguenti fattori:

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• dimensione dell’edificio;
• complessità dell’intervento;
• materiali utilizzati;
• condizioni strutturali.

Normativa e Quadro Progettuale

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”.

Le verifiche devono essere condotte secondo tre distinti criteri, individuati nella Circolare 7 del 2019, capitolo C8.4.1 e C8.7.4.1:

1. Ripristino della rigidezza: Secondo le indicazioni previste dalla Circolare 7 del 2019, si richiede che tale rigidezza non venga variata significativamente. A tale scopo può essere utilizzato come riferimento il documento tecnico del CTS Regione Toscana che indica un valore limite del 15% per la variazione della rigidezza e resistenza della parete.
2. Ripristino della resistenza: Alle azioni orizzontali del pannello murario. Per questo motivo la resistenza a taglio della muratura originaria è individuata tra il minimo valore della resistenza a taglio per rottura a pressoflessione o per taglio.
3. Capacità di deformazione: Riguarda le capacità del pannello murario ed il comportamento dello stesso sia in campo elastico che plastico.

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 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.

Aspetti Critici del Calcolo della 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 frequenza è la valutazione dell’altezza dei maschi murari. Poiché la normativa non si esprime, sono tutte valutazioni di competenza del progettista. 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.

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. La domanda a cui rispondere è: quali sollecitazioni è necessario considerare per eseguire la progettazione del telaio? 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.

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Esempio di Apertura di una Finestra e Calcolo

Gli interventi su pannelli murari esistenti possono consistere nell’apertura di una finestra. Consideriamo il pannello murario, situato all’ultimo piano dalla struttura, illustrato nella figura seguente. Nella situazione di fatto il pannello murario ha: lunghezza di 8 m; altezza di 3,5 m; spessore di 60 cm.

È presente un’apertura di dimensioni 120 (base) x 150 (altezza), situata ad 1 m dal bordo della parete. Nello stato di progetto si prevede l’apertura di una nuova finestra di dimensioni 120 (base) x 150 (altezza), posizionata ad una distanza di 1 m dal bordo del pannello, sul lato opposto rispetto all’apertura già esistente.

Le murature sono realizzate con blocchi lapidei squadrati, ed a seguito delle limitate indagini conoscitive e delle prove effettuate, è stato raggiunto un Livello di Conoscenza 1. Si è, quindi, fatto riferimento ai minimi delle resistenze, ed ai valori medi dei moduli elastici indicati in Tab. C8.5.I della Circolare 2019.

Per la creazione della nuova apertura, verrà realizzata una cerchiatura completa in c.a. di classe C25/30, armato con barre in acciaio di classe B450C. Le basi e la piattabanda hanno sezione rettangolare di altezza uguale a 20 cm e base 60 cm, pari a quella del muro. Tali elementi, inoltre, sono armati con 5 Φ 10 longitudinali, e staffe Φ 8 a due bracci con passo 20 cm. I piedritti, invece, hanno sezione rettangolare di altezza uguale a 25 cm e base 60 cm, pari a quella del muro. Tali elementi, inoltre, sono armati con 5 Φ 10 longitudinali, e staffe Φ 8 a due bracci con passo 20 cm.

Nelle due situazioni di fatto e di progetto sono stati considerati gli elementi resistenti maschi e piedritti indicati nella figura seguente.

Le verifiche della resistenza, rigidezza e degli spostamenti ultimi nelle situazioni pre e post-intervento mostrano che l’apertura del nuovo vano può classificarsi come “locale”. Infatti, si è registrata una variazione di rigidezza a seguito dell’intervento contenuta nei limiti (15 %), un incremento della resistenza ultima a taglio della parete ed una non variazione dello spostamento ultimo (calcolato come indicato ai §§ 7.8.2.2.1 e 7.8.2.2.2 delle NTC 2018). Inoltre, risultano soddisfatte le verifiche di sicurezza a pressoflessione e a taglio degli elementi costituenti la cerchiatura.

L’analisi non lineare del pannello murario nello stato di fatto ed in quello di progetto ha consentito di ottenere le curve di capacità illustrate nel seguito. Tali curve sono state ottenute considerando il contributo dei maschi e dei piedritti della cerchiatura.

Strumenti Software per il Calcolo delle Cerchiature

Per progettare in modo rapido e affidabile la cerchiatura e tutte le tipologie di intervento locale, esistono specifici strumenti di calcolo. Un software calcolo cerchiature consente di gestire tutte le fasi di progettazione della cerchiatura ed effettuare il controllo automatico della portata dell’intervento con le verifiche locali richieste dalla normativa.

Il software TRAVILOG dispone di uno specifico strumento di calcolo che in modo guidato progetta e verifica i rinforzi più utilizzati per la ristrutturazione, il ripristino e la messa in sicurezza di edifici esistenti in muratura in condizioni sia statiche sia sismiche. PRO_SAP dispone di un modulo PRO_CAD progetto cerchiature che automatizza le verifiche degli interventi di apertura o di modifica dei vani in una parete esistente in muratura ed esegue le verifiche automatiche dei telai di rinforzo, sia in acciaio che in cemento armato.

Funzionalità dei Software di Calcolo

Il funzionamento di questi moduli è spesso intuitivo, con una finestra grafica che mostra la geometria della parete e delle aperture. I comandi permettono la definizione della geometria della parete e delle aperture, sia ante operam che post operam, e delle caratteristiche dei materiali. I programmi hanno in memoria tabelle normative (es. C8.5.I della circolare 7/2019), permettendo di richiamare i materiali e applicare i coefficienti correttivi. È anche possibile definire materiali personalizzati o basati su indagini in sito.

Criteri di Progetto nei Software

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, i moduli di calcolo mettono a disposizione un buon numero di criteri di progetto. La prima scelta riguarda il calcolo dell’altezza dei maschi murari, con opzioni come fasce non rigide (altezza di interpiano), fasce rigide (altezza delle aperture adiacenti) o fasce semirigide (metodo Dolce). È possibile considerare la stessa altezza dei maschi murari sia allo stato di fatto che allo stato di progetto.

Una seconda scelta riguarda lo schema statico dei maschi murari e del telaio di rinforzo, consentendo di indicare la presenza di un cordolo o personalizzare il vincolo alla base (cerniera o incastro). La scelta del vincolo a cerniera alla base dei montanti deve essere valutata con cautela, in quanto un collegamento offre sempre un certo grado di vincolo. Le ultime scelte da fare nei criteri di progetto sono quelle relative al progetto del telaio, per determinare le sollecitazioni agenti sul telaio.

Per il calcolo dello spostamento ultimo, sono disponibili due diversi metodi previsti in letteratura:

• Coefficiente di duttilità: Si ottiene moltiplicando lo spostamento elastico per un coefficiente µ (1.5-2.0 a seconda del tipo di muratura).
• 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.

Metodi per le Verifiche

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, si procede anche con le verifiche del telaio di rinforzo. Nelle verifiche vengono automaticamente trascurati gli elementi che non hanno i requisiti richiesti dal D.M. 2018 per poter essere considerati elementi portanti. 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.

Un esempio di relazione di calcolo elaborata con il software contiene i dati della geometria e delle caratteristiche meccaniche della muratura pre e post intervento; le verifiche sono corredate da dati numerici e grafici e confrontate con i limiti ammessi per dimostrare l’efficacia e la fattibilità dell’intervento.

La resistenza e il legame forza-spostamento del telaio di cerchiatura sottoposto ad azioni orizzontali va valutata eseguendo un’analisi statica non lineare con ridistribuzione dei momenti che tiene conto della progressiva formazione delle cerniere plastiche all’aumentare dello spostamento laterale del telaio. Per massimizzare la resistenza e duttilità del telaio è consigliabile applicare il principio di gerarchia delle resistenze, progettando i montanti in modo tale che il momento resistente sia maggiore del momento resistente del traverso amplificato per un fattore di sovraresistenza γRd generalmente pari a 1.30.

Modellazione a Telaio Equivalente

L’analisi degli interventi sulle pareti in muratura può svolgersi in modo corretto ed efficace con il metodo del telaio equivalente, senza necessità di ricorrere a metodi FEM non lineari avanzati. Quando si realizza una nuova apertura in una parete in muratura, la cerchiatura non è solo un “rinforzo locale”: cambia la risposta globale della parete, e va letta in termini di curva di capacità. Il confronto corretto è sempre tra Stato Attuale e Stato di Progetto, valutando come variano rigidezza, resistenza e capacità di spostamento. In questo quadro, il metodo a telaio equivalente offre una via di modellazione efficace: maschi murari e telaio contribuiscono “in parallelo”, assemblando i rispettivi diagrammi forza-spostamento.

In campo professionale, si utilizza in generale la modellazione a ‘telaio equivalente’, dove maschi murari e telai agiscono in parallelo. Il comportamento della parete viene esaminato considerando in parallelo i maschi murari delimitati dalle aperture e i telai di cerchiatura. Ognuno di questi elementi strutturali è caratterizzato da un diagramma forza-spostamento; l’assemblaggio dei diagrammi di tutti gli elementi fornisce la curva di capacità della parete. Il taglio agente è la forza orizzontale inerziale di origine sismica complanare alla parete.

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