GLI SRG PER IL MIGLIORAMENTO SISMICO ED IL CONSOLIDAMENTO DEGLI EDIFICI IN MURATURA:

NUOVE SPERIMENTAZIONI E NUOVE APPLICAZIONI

Antonio Borria, Giulio Castoria, Marco Corradia, Andrea Grazinia, Andrea Giannantonib, Emanuela Speranzinia

a Dip. di Ingegneria Civile e Ambientale, Facoltà di Ingegneria, Università di Perugia b Libero professionista

ABSTRACT L’articolo illustra una serie di esperienze condotte recentemente con i compositi SRP/SRG, finalizzate all’impiego di questa nuova tipologia di compositi nel settore del consolidamento e del miglioramento sismico degli edifici esistenti in muratura. Le sperimentazioni eseguite hanno riguardato travi-cordolo in muratura armata, nastrature pretensionate applicate per cerchiature di edifici, rinforzi di archi e volte e per il ripristino della geometri di una volta depressa. Viene infine illustrata una nuova tecnica di rinforzo di murature verticali che utilizza i trefoli degli SRG sia come armature dei giunti di malta che come collegamento tra i diversi elementi murari.

PAROLE CHIAVE: SRG, Materiali compositi, Muratura armata

1. INTRODUZIONE Nello scenario delle applicazioni dei materiali compositi agli edifici esistenti in muratura si è affacciata recentemente una nuova generazione di materiali compositi: gli SRP e gli SRG. La possibilità di impiegare tali materiali, realizzati con fili di acciaio ad alta resistenza intrecciati a formare corde immerse in una resina epossidica o in una matrice cementizia per interventi di consolidamento, muove dall’idea di abbinare ai tradizionali vantaggi propri dei materiali compositi (facilità di applicazione, bassa invasività, ridotti tempi d’intervento, ecc.), le capacità prestazionali di un materiale che, facendo dell’acciaio il proprio elemento di rinforzo, consente la realizzazione di interventi di rinforzo in tutto e per tutto analoghi a quelli realizzati con gli FRP, ma con costi più contenuti, e con la possibilità di incrementare la duttilità dell’elemento rinforzato in misura maggiore a quanto non si ottenga con rinforzi in vetro o carbonio. Da considerare poi il vantaggio, nell’ipotesi di impiego degli SRG (quelli cioè nei quali si usa malta cementizia), di ovviare ai problemi di resistenza al fuoco e di posa in opera che talvolta penalizzano i materiali a matrice polimerica. Molte sono state le prove sperimentali eseguite dagli autori riguardanti l’impiego di questa nuova tipologia di compositi nel consolidamento e miglioramento sismico. Allo stato attuale, tutte hanno confermato l’efficacia di questo tipo di applicazione, come anche la possibilità di un utilizzo combinato di tali materiali con dispositivi di ancoraggio e di pretensionamento derivati dalla comune carpenteria metallica.

Nel presente lavoro vengono riassunte alcune delle esperienze condotte più recentemente e vengono presentate alcune nuove sperimentazioni.

2. CORDOLI DI SOMMITÀ Un cordolo di sommità realizzato in muratura armata con materiali compositi (moderna evoluzione della muratura armata già proposta da Giuffrè e Cangi negli anni ’80) rappresenta una soluzione particolarmente affine con la muratura sottostante e capace di assolvere, con pesi ridotti, alle stesse funzioni dei classici cordoli in calcestruzzo armato, coniugando le eccellenti caratteristiche resistenti in compressione del laterizio con le ottime caratteristiche prestazionali dei compositi. Negli ultimi decenni, con il fine di migliorare il comportamento meccanico di un edificio in muratura soggetto alle azioni sismiche, si è fatto ampiamente ricorso all’utilizzo di cordoli in calcestruzzo armato, con effetti però che sono stati anche molto negativi, come i sismi più recenti hanno dimostrato. In anni recenti è stata condotta dagli autori una ricerca sperimentale che aveva come fine quello di proporre cordoli in muratura armata con i materiali compositi, che, grazie al loro modesto peso e alla elevata resistenza, possono rappresentare una soluzione innovativa per migliorare le proprietà meccaniche delle strutture sommitali di cordolatura. Le sperimentazioni più recenti hanno riguardato alcuni elementi della lunghezza di 4 metri e dimensione in sezione pari a 380x180 mm, realizzati mediante la sovrapposizione di tre strati di mattoni semipieni alternati a tre strati di materiale SRG tipo 3X2 a media densità immerso in due diverse tipologie di matrici cementizia (standard e bicomponente).

Figura 1. Trave in laterizio lamellare, costituita da elementi semipieni, malta cementizia e trefoli UHTSS.

Tre campioni sono stati sottoposti a prova di rottura su quattro punti per carichi applicati nelle due diverse direzioni di rigidezza, mostrando ottime capacità portanti. Si riporta a titolo di esempio il grafico carico abbassamento per uno dei campioni testati (Fig. 2).

Figura 2. Diagramma carico-spostamento per la trave di Fig.1 sottoposta a prova di flessione su quattro punti.

Altri due campioni sono stati sottoposti a prove cicliche tali da mettere in evidenza la capacità dissipativi di questi elementi. Come mostrato nel grafico seguente (Fig. 3), relativo ad una prova di carico ciclica realizzata su uno dei campioni con carico pari al 30% del carico di rottura e cicli di applicazione di 2 minuti, la trave mostra un ciclo di isteresi particolarmente marcato in grado quindi di dissipare energia senza danneggiarsi significativamente.

Figura 3. Grafico carico abbassamento per una trave in muratura ed SRG soggetta a carichi ciclici.

Per quanto riguarda il comportamento sotto carichi di lunga durata è stato realizzato un ulteriore campione, che è stato lasciato sotto un carico costante uniformemente distribuito pari a circa il 20% del carico di rottura e misurandone nel tempo gli abbassamenti in mezzeria. La prova di carico, ancora in corso, ha indicato come l’andamento degli abbassamenti sia del tutto analogo a quello atteso per una analoga trave in calcestruzzo armato.

Abbassamenti prova di lungo termine

-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

00 20 40 60 80 100 120

giorni

abba

ssam

enti

(mm

)

LATLAMCLS

Figura 4. Abbassamenti in mezzeria di una trave in laterizio lamellare lasciata sotto carico.

3. CERCHIATURE PRETENSIONATE

3.1. Introduzione Il meccanismo di collasso che più frequentemente si presenta in edifici in muratura soggetti ad un sisma è quello del ribaltamento di pareti murarie che “si licenziano” rispetto a quelle ortogonali, quando non ben collegate ad esse e non trattenute da altri elementi (catene o travi di solai). L’intervento con una cinturazione è capace di impedire con grande efficacia e semplicità l’innesco del meccanismo, agendo in un duplice modo: da un lato come incatenamento della parete che tende a ribaltare, dall’altro come rinforzo flessionale della parete stessa, che diventa, nella porzione rinforzata, una “trave in muratura armata con FRP/SRG” . La possibilità di una cerchiatura completa (caso di edifici isolati) rappresenta indubbiamente il caso più favorevole; con opportuni ancoraggi e qualche accorgimento l’intervento può essere applicato e mantiene la sua efficacia anche in situazioni più articolate (edifici a schiera, in aggregato, etc). Prima di effettuare una cinturazione su un edificio reale sono state condotte varie sperimentazioni sia per la caratterizzazione dei materiali SRG utilizzati sia per indagare sulla efficacia di un sistema di ancoraggio del nastro e di un sistema di pretensionamento dello stesso, ottenuti con una semplice carpenteria metallica. Per brevità si rinvia a precedenti articoli per una loro descrizione, come anche per interventi di cerchiatura completa di edifici.

3.2. Gli archi del teatro romano di Spoleto Si tratta di una sperimentazione eseguita per la messa in sicurezza di alcuni archi nel Teatro romano di Spoleto (DL Arch. Bruno Gori). La struttura consiste in un porticato realizzato nel XVIII sec. come ampliamento e collegamento di due porticati pre-esistenti, delimitanti il cortile dell’ex-Monastero del Palazzo. Tale porticato risulta costituito da una successione di sette archi in muratura disposti in pianta secondo l’andamento ellittico dei anfiteatri romani. Tale disposizione planimetrica è peraltro motivata dal fatto che gli edifici realizzati nel corso dei secoli in questa zona si sono sviluppati sulle rovine di un preesistente Anfiteatro Romano risalente al II sec. d.C., conservandone globalmente l’andamento planimetrico originario.

Figura 5. Gli archi oggetto dell’intervento di messa in sicurezza.

Gli archi sono a tutto sesto e sono costruiti con mattoni pieni in pietra naturale, aventi le stesse dimensioni dei conci utilizzati per la realizzazione dei piedritti (7x15.5x31 cm), disposti in modo tale che ogni arco abbia spessore 15.5 cm e profondità di 48 cm. Ogni arco, di luce di circa 300 cm, è realizzato con 65 conci, ad eccezione del quarto arco che, presentando una luce maggiore pari a 331 cm, è costituito da 69 elementi. L’intervento di rinforzo e messa in sicurezza è stato eseguito mediante l’applicazione di nastri in SRG che verranno poi riutilizzati completamente nell’intervento definitivo (questa è la particolarità più significativa dell’intervento), quando verrà realizzato un piano al di sopra delle arcate in oggetto. I rinforzi sono stati ancorati ai piedritti con piastre metalliche e tramite l’ausilio di un apposito dispositivo di pretensionamento sono stati posti in leggera trazione, con la finalità qui non tanto di fornire agli archi un adeguato stato di compressione (comunque utile alla stabilità dei manufatti almeno fino a quando non verranno caricati con le murature sovrastanti) bensì così di ottenere un presidio attivo, importante soprattutto per poter contare da subito sul coinvolgimento delle fibre. I nastri utilizzati nell’intervento su un singolo arco sono complessivamente cinque: due di lunghezza 220 cm fissati tra una piastra all’imposta e la piastra del sistema centrale, due di lunghezza 180 cm ancorati tra la seconda piastra di imposta e la piastra intermedia ed un nastro di 115 cm, di collegamento tra la piastra intermedia e quella centrale. Dopo la tesatura è stato ancorato alla piastra e quindi opportunamente tagliato.

Figura 6. Tensionamento dei trefoli UHTSS per la messa in sicurezza degli archi.

Figura 7. Estradosso dell’arco a intervento terminato.

3.3. Le volte di Palazzo Jacobilli in Foligno (citare Ing. Fabrizio Menestò) Palazzo Jacobilli, posto nel centro storico di Foligno, è stato seriamente danneggiato dagli eventi sismici del 1997, con aggravio di una situazione statica che in alcune sue componenti appariva già da tempo precaria, anche a seguito di antichi eventi traumatici. L’analisi del degrado statico ha evidenziato infatti vari tipi di patologie afferenti l’ossatura principale dell’edificio. In questa sede vengono messe in evidenza quelle riguardanti due volte a padiglione per le quali si è deciso di intervenire con materiali compositi in fibra d’acciaio (DL Ing. Fabrizio Menestò). .Le volte in questione sono ubicate in corrispondenza del primo livello dell’edifico, fungendo da copertura rispettivamente per la “Sala del Sacrificio” e per la “Sala della Musica”. Entrambe presentano una geometria a padiglione classica e sono state realizzate con apparecchio di mattoni a coltello. La lettura del quadro fessurativo ha evidenziato una forte asimmetria con concentrazione delle lesioni in corrispondenza della parete di facciata. Le deformazioni di allungamento con apertura di lesioni nelle unghie in corrispondenza della parete di facciata, trovano riscontri anche all’esterno, ove si notano lesioni in corrispondenza del paramento murario. La volta della Sala della Musica presentava inoltre un’ampia e significativa depressione, sempre in prossimità della parete di facciata, attribuibile, probabilmente, ai lavori di ampliamento eseguiti in corrispondenza di tale sezione dell’edificio nel XVIII secolo. In entrambi gli interventi, tramite l’ausilio di un apposito sistema di monitoraggio è stato possibile registrare gli spostamenti in chiave e alle reni manifestati dalla volta a seguito del carico di presollecitazione indotto dalla tesatura del rinforzo. Per la Sala del Sacrificio, dopo aver provveduto alla messa in sicurezza della struttura tramite l’allestimento di un apposito ponteggio, si è proceduto alla rimozione del pavimento e del sottostante rinfianco. L’intervento ha previsto nel caso specifico l’applicazione di due ordini di rinforzo: due trasversali ed uno longitudinale. I rinforzi trasversali sono chiamati a raccogliere la spinta orizzontale gravante sulla parete di facciata, mentre il rinforzo longitudinale viene ad esplicare prevalentemente una funzione di raccordo. Ciascun rinforzo è stato realizzato tramite una coppia di nastri in fibra d’acciaio di larghezza pari a 10 cm. Per entrambi i nastri una delle due estremità è stata vincolata alla piastra d’ancoraggio presente all’imposta, mentre l’altra è stata serrata alle piastre del dispositivo di tiro. Mediante l’ausilio di una chiave dinamometrica ciascun nastro di rinforzo è stato messo in tensione, conferendo un carico di circa 4000 N. La scelta dell’entità del pretensionamento è giustificata dalla volontà di realizzare, come detto, un intervento di presidio attivo, piuttosto che assegnare una precompressione di rilievo alla struttura. Terminata la fase di tiro, il nastro

è stato bloccato mediante una contropiastra metallica analoga alle precedenti. Dopodichè il dispositivo di tiro è stato rimosso. Tramite l’ausilio di flessimetri, durante l’esecuzione dell’intervento sono stati monitorati gli spostamenti subiti da parte della volta.

Figura 8. Sala del sacrificio: intervento ultimato.

Nella Sala della Musica l’intervento di rinforzo ha visto l’applicazione di due ordini di nastratura: quattro rinforzi trasversali ed un rinforzo longitudinale. In questo caso si è cercato, sempre con l’utilizzo dei nastri SRG, di ripristinarne la configurazione geometrica compromessa in corrispondenza di una zona depressa. Sfruttando il fatto che il nastro teso tende a disporsi secondo la corda dell’originario andamento geometrico della volta, il collegamento, realizzato tramite piastrine metalliche fissate all’estradosso della volta tramite perfori, del rinforzo con la compagine muraria in corrispondenza della zona depressa ha permesso di generare le sollecitazioni radiali atte a favorire il recupero della depressione. Infatti, nel momento in cui è stato teso, il rinforzo ha sollevato la depressione ripristinando (parzialmente) la geometria originaria. Anche qui, durante l’esecuzione dell’intervento, tramite l’ausilio di flessimetri sono stati monitorati gli spostamenti subiti dalla volta.

T TF

RINFORZO

COLLEGAMENTI METALLICIVOLTA

F F F F

FFFFFF

a) b) Figura 9. a) principio di funzionamento, b) tensionamento del nastro mediante chiave dinamometrica.

a) b) Figura 10. a) bloccaggio del nastro mediante contropiastre, b) Sala della Musica: intervento ultimato.

Data la modesta entità della pretensione non si è ottenuto un completo ripristino della forma geometrica originaria della volta, ma non era questo l’obiettivo proposto bensì quello di rinforzare la volta in questione, facendo in modo che i nastri applicati sulla zona depressa, che viene così “appesa” ai trefoli, in caso di sisma applichino una azione che tende a ripristinare la forma geometrica corretta e non a far progredire il dissesto.

4. ELEMENTI DIMOSTRATIVI DELLA INNOVAZIONE NEL LATERIZIO ARMATO Per evidenziare le potenzialità che questi nuovi materiali hanno nel settore delle strutture murarie, sono stati ideati e realizzati, in tempi successivi, due elementi in muratura armata, “dimostratori” concreti di questa possibile innovazione. Il primo, presentato al SAIE del 2006, consiste in un arco in muratura che risulta incastrato ad un estremo e libero all’altro (denominato “Arcus interruptus”). Il secondo è una vera e propria “scultura” in laterizio, chiamata “LateroGrifo” edè stato realizzata in occasione della mostra a Roma sulle opere di Eladio Dieste, come omaggio al grande ingegnere uruguaiano ed anche come “suggestione” rivolta verso nuove frontiere per le architetture in laterizio. Costruito in mattoni ed SRG, presenta elementi che sfidano la statica delle murature: archi che si protendono nel vuoto interrompendosi nell’aria senza contrasti o sostegni; muretti che, come ali, si alzano sicuri verso il cielo.

Figura 11. a) “Arcus interruptus” b) Laterogrifo.

5. “RETICOLATUS”: un nuovo sistema di rinforzo delle murature storiche Il sistema “Reticolatus” (ideato e brevettato dalla Unilab srl, spin-off dell’Università di Perugia) può essere utilizzato sia a livello locale, ovvero per singoli pannelli murari di edifici

esistenti (come anche per mura di cinta quali, ad es., le mura urbiche di una città), sia a livello globale, ovvero come sistema di rinforzo di una costruzione in muratura nel suo comportamento di insieme, con particolare, anche se non esclusivo, riferimento al comportamento in presenza di sisma. Mediante questa tecnica è possibile rinforzare elementi murari senza l’impatto e l’invasività di altre metodiche, e risulta perciò particolarmente indicata per le murature di edifici vincolati ai sensi della legge di tutela degli edifici e dei manufatti in genere di interesse storico e architettonico. Il sistema, in sintesi, è costituito da una maglia continua realizzata con trefoli in acciaio UHTSS , perfettamente inserita nei giunti di malta ed inglobata così in modo naturale nella muratura (cioè senza intaccare gli elementi lapidei). Tale tecnica di rinforzo può essere applicata sia a murature regolari (mattoni di laterizio o blocchi lavorati) sia a murature irregolari (elementi lapidei naturali di varia forma e dimensione); è comunque per questo secondo caso, nel quale peraltro si ha, in genere, una maggiore necessità di incrementare le caratteristiche meccaniche della muratura, che la tecnica proposta presenta un maggiore interesse, dato che le possibilità offerte dalle tecniche attuali possono avere scarsa (o dubbia) efficacia (ristilatura non armata o iniezioni in murature poco iniettabili perché compatte) o risultano invasive e inaccettabili dal punto di vista della conservazione (intonaco armato).

Figura 12. Particolare zona d’angolo – risvolto e ancoraggio dei trefoli

I miglioramenti conseguibili non risiedono solo in un miglioramento puntuale delle caratteristiche meccaniche della muratura su cui si interviene. Infatti, lo “scheletro armato” della maglia continua inserita nella muratura oltre a rinforzare il pannello murario, va a collegare tra loro i diversi elementi murari contigui (pannelli ortogonali adiacenti, orizzontamenti, fondazioni, etc) costituendo quindi un vero e proprio sistema completo di rinforzo dell’intera fabbrica muraria. Le dimensioni ridotte degli elementi di rinforzo ed il loro agevole inserimento nei giunti di malta consentono inoltre di realizzare un intervento diffuso che evita nocive e pericolose concentrazioni di sollecitazioni che si hanno, ad esempio, con l’impiego di barre metalliche. Al fine di indagare sulla efficacia della tecnica di rinforzo precedentemente descritta è stata programmata una serie di sperimentazioni, di cui sono state già eseguite le prove con martinetti piatti doppi, che hanno evidenziato un sostanziale incremento della resistenza a compressione ed un ancor più rilevante incremento del modulo elastico. Le prossime sperimentazioni indagheranno sugli incrementi nella resistenza a taglio e a flessione. Sono previste prove di compressione diagonale in sito, su pannelli non rinforzati e rinforzati, ed anche prove di carico di pannelli che verranno prima rinforzati, tagliati e poi

ancoraggio alla base

trefoli

ancoraggio in sommità

trefoli

collegamento tra le pareti (continuità del trefolo)

ancoraggio in sommità

trefoli

ancoraggio alla base

ribaltati, disponendoli orizzontalmente, per portarli quindi a rottura sotto l’applicazione di carichi verticali.

6. STUDI E RICERCHE: Tecnologie innovative per le nuove costruzioni in muratura Non è solo il settore degli edifici esistenti ad essere interessato dalle ricerche basate sulla nuova tecnologia dei compositi: l’abbassamento dei costi e la semplicità di realizzazione rendono competitivo l’impiego dei compositi anche nel settore delle nuove costruzioni. Un esempio concreto è costituito da alcune sperimentazioni avviate ed in corso di realizzazione in collaborazione con ANDIL-Assolaterizi. In Fig. 13 è riportato il cosiddetto “pignattone”, un elemento in laterizio lamellare costituito da una serie di forati assemblati tra loro mediante compositi SRG: malta cementizia e rinforzi di fibre di acciaio UHTSS. La sezione tipo è formata da una pignatta (dimensioni 60x25x8 cm), al cui intradosso vengono disposti gli SRG (malta +rinforzi fibrosi in acciaio ad alta resistenza) che forniscono la necessaria resistenza a trazione, e, sopra alla pignatta, alcuni elementi forati, anche questi rinforzati con SRG all’intradosso. L’assemblaggio dei vari elementi conduce ad un monolite (il pignattone) che ha capacità portante elevata, in grado di sopportare abbondantemente i carichi che in cantiere possono verificarsi nelle fasi di preparazione del solaio. E’ così possibile realizzare un solaio in modo rapido ed in completa sicurezza, semplicemente affiancando i diversi pignattoni portati in cantiere già della luce prevista per il solaio e, dopo aver disposto le tradizionali barre di acciaio dei travetti, gettare il calcestruzzo senza alcun bisogno di puntellature.

Cassaforma per getto del travetto Figura 13. Il “pignattone” realizzato in laterizio lamellare: cassaforma autoportante per solai in latero cemento.

Altre sperimentazioni, anche queste in corso, riguardano elementi (balconi, pannelli verticali, etc) in muratura a faccia vista, realizzati in stabilimento con la tecnica del latero-composito e trasportati in cantiere per il successivo montaggio in opera. Una ulteriore ricerca, ancora nelle fasi iniziali, riguarda la realizzazione di volte in laterizio lamellare prefabbricate. Realizzare volte di forma particolare richiede lo sviluppo di un’opera di centinatura, la cui progettazione e realizzazione può rivelarsi ardua ed onerosa quanto la

realizzazione della volta stessa con lo svantaggio poi di poter essere utilizzata solo per quella forma e dimensione prestabilita (o con poche varianti). Da qui l’idea di realizzare le volte appoggiando su di un opportuno elastomero (inizialmente sostenuto in posizione orizzontale) vincolato ad un telaio metallico dei “trenini” di coppie di mattoni ed SRG. Rilasciando il sostegno del telo in elastomero i trenini, sotto il peso proprio possono disporsi lungo una forma che può essere determinata ed assegnata agendo sulle condizioni di vincolo dell’elastomero e sulla sua tensione. Sono state effettuate delle prime valutazioni numeriche del sistema, che sembra prestarsi bene a tali realizzazioni, anche se sono ancora sotto svolgimento analisi teoriche e tecnologiche per l’effettiva prototipizzazione del sistema.

Figura 14. Analisi teoriche per la prototipizzazione del sistema.

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