Le coperture spingenti

In questo articolo affronteremo le coperture spingenti di cui tanto si sente parlare quando si affronta il tema della vulnerabilità sismica. Questa tipologia di coperture, frequentissima negli edifici esistenti in muratura che caratterizzano il nostro territorio, è causa di molti dissesti locali anche in campo statico e diventa una vulnerabilità importante in caso di terremoto.

Partiamo con ordine, vediamo qual è la definizione di struttura spingente:
"Una struttura si dice spingente se, sottoposta a soli carichi verticali, produce una reazione orizzontale sugli appoggi".

Una copertura spingente tende a "ribaltare" le pareti su cui appoggia, quindi una copertura, se è spingente, lo è tanto più:

• tanto più è deformabile;
• tanto più è pesante

Le tipologie di collegamento svolgono un ruolo fondamentale nel rendere una copertura spingente o meno. Questo problema lo affronteremo in fondo all'articolo quando parleremo delle coperture a falda semplice.
Il problema delle coperture spingenti quindi riguarda prevalentemente le coperture in legno, salvo casi particolari una copertura in cemento armato difficilmente è spingente. Però, i rari casi in cui una copertura pesante è spingente sono i peggiori per le azioni sismiche.
I motivi per cui una copertura spingente ha effetti estremamente negativi sulla risposta dell'edificio alle azioni sismiche sono facilmente intuibili:

• alla azione orizzontale sismica si aggiunge l'azione orizzontale per i carichi verticali;
• la componente verticale sismica incrementa la spinta orizzontale.

Le Norme Tecniche per le Costruzioni al punto 8.7.4 infatti riportano tra gli interventi raccomandati sugli edifici sulle murature quelli volti alla riduzione ed eliminazione delle spinte non contrastate di copertura. 
Vediamo allora di capire quali tipologie di copertura sono spingenti:

Questa tipologia è più o meno spingente in funzione della rigidezza della trave di colmo; travi snelle non consentono di limitare efficacemente l’azione spingente. Tuttavia se al colmo i travetti sono ben collegati tra loro e/o sono ben collegati alla trave rigida di colmo e al cordolo, la copertura può considerarsi non spingente.

Questo schema è solitamente non spingente in quanto il muro sul colmo assicura un appoggio con adeguata rigidezza. Potrebbe essere parzialmente spingente in funzione dei vincoli di appoggio, ma di questo ne parliamo dopo quando affrontiamo il tema delle falde semplici.

Il tetto a padiglione può essere o meno spingente in funzione di quanto detto fino ad ora. Il meccanismo di ribaltamento del cantonale è un cinematismo locale estremamente diffuso che può verificarsi anche in condizioni statiche.

Nelle coperture spingenti è possibile inserire elementi resistenti a trazione capaci di assorbire la spinta quali catene, capriate, cordoli e incatenamenti. In questi capi si ripristina una situazione di sicurezza.

La falda semplice e l'importanza dei vincoli agli appoggi
Mi sono tenuto in fondo uno dei problemi dove esistono più opinioni contrastanti: le coperture a falda semplice. Sono spingenti o no? Ci sono varie opinioni, la risposta più corretta secondo me è dipende. Dipende dai vincoli. Vediamo questo schema, che confronta la copertura ad un auto, che secondo me rende tutto molto chiaro:

Analizziamo i diversi casi:
A) La trave è orizzontale, vincolata con carrelli a reazione verticale, non ci sono componenti orizzontali e quindi è in equilibrio e non è spingente;
B) La trave è inclinata, vincolata con carrelli a reazione inclinata, non ci può essere l’equilibrio in quanto non sono equilibrate le componenti orizzontali delle reazioni vincolari, quindi non è in equilibrio e tende a scivolare verso sinistra;
B1) La trave è inclinata, vincolata con carrelli a reazione inclinata, tuttavia all’appoggio basso la testa della trave può contrastare contro il muro, il contrasto con il muro determina una spinta sub-orizzontale che ripristina l’equilibrio alla traslazione orizzontale, il sistema è spingente ma è in equilibrio;
C) La trave è inclinata, vincolata con carrelli a reazione verticale, non ci sono componenti orizzontali e quindi è in equilibrio e non è spingente;
D) La trave è inclinata, vincolata con carrelli uno a reazione orizzontale ed uno a reazione inclinata, non ci può essere l’equilibrio in quanto non è equilibrata la componente orizzontale della reazione del vincolo di destra, quindi non è in equilibrio e tende a scivolare verso sinistra. L’equilibrio ci sarebbe se la testa sinistra della trave potesse contrastare al muro come nel caso B1 e darebbe spinta orizzontale;
E) La trave è inclinata, vincolata da un lato con carrello a reazione orizzontale dall’altro con cerniera (appoggio più spinotto) in grado di dare reazione in ogni direzione, il sistema è in equilibrio e non è spingente in quanto non nascono forze orizzontali. Nel caso dell’analogia con l’automobile le ruote anteriori sono frenate;
F) La trave è inclinata, vincolata da ambedue i lati con cerniera (appoggio più spinotto) in grado di dare reazione in ogni direzione, il sistema è in equilibrio e non è spingente in quanto non nascono forze orizzontali. Nel caso dell’analogia con l’automobile le ruote sono tutte frenate.

Come consolidare un tetto spingente
Se ci troviamo a dover intervenire su una copertura in legno che ha le travi e i travicelli sani e idonei ma è spingente possiamo intervenire in due modi principali:

• eliminando le spinte;
• assorbendo le spinte inserendo delle catene, incatenamenti o cordoli appositamente dimensionati e calcolati;

Conclusione:
E' mia opinione che, per un edificio esistente in muratura, una copertura leggera, e quindi in legno, sia quasi sempre la soluzione migliore (specie se dobbiamo sostituirne una che già era così). La minor massa (e quindi minor azione sismica) sulla sommità dell'immobile può avere un ruolo fondamentale nella risposta dell'immobile. Ovviamente sono fondamentali la concezione dello schema statico, i particolari costruttivi e, per le coperture esistenti, garantire un buon grado di conservazione. 
Una buona progettazione è fondamentale sia per la sostituzione sia per la riparazione di una copertura in legno, e a volte bastano pochi accorgimenti per fare una grande, grandissima differenza.

A cura di Ing. Braian Ietto
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