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Rinforzi di muraturecon laminati di FRP

Maria Rosa Valluzzi, Davide Tinazzi, Claudio Modena

Una ricerca sperimentale realizzata recentemente presso il Dipartimento di Costruzioni e TrasportidellUniversit di Padova ha messo in luce i principali aspetti del comportamento a taglio dipannelli murari in mattoni pieni di laterizio rinforzati con laminati di FRP, considerando diversedisposizioni di applicazione (a griglia e diagonale, su uno o entrambi i lati) e vari materiali fibrosi(carbonio, vetro e polivinilalcool). Le prove sperimentali sono state condotte secondo la proceduradi compressione diagonale su un totale di 33 pannelli di mattoni pieni ad una testa, in condizionirinforzate ed originarie. I risultati hanno permesso di mettere a confronto recenti formulazioniproposte da vari autori per la valutazione della resistenza a taglio della muratura rinforzata

Ric

erca

impiego di FRP (Fiber Reinforced Polymer) viene sem-pre pi considerato per il rinforzo e la riparazione dielementi murari portanti (muri, volte, pilastri) in edi-

fici esistenti. Numerosi casi applicativi sono presenti in lette-ratura, cos come ormai numerosi sono gli studi sperimentalivolti a caratterizzare, dal punto di vista strutturale, le presta-zioni della muratura nelle nuove condizioni di esercizio.Lintervento si basa sullincollaggio di tessuti costituiti da ma-teriali fibrosi ad elevata resistenza meccanica,applicati sul sup-porto murario mediante resine di varia natura.La facilit ese-cutiva della tecnica e lefficacia del tipo di rinforzo nel soppe-rire alla carente resistenza a trazione della muratura consen-tono di realizzare sistemi caratterizzati da limiti di resistenzamolto pi elevati della muratura tradizionale e da un com-portamento a rottura meno fragile. La presenza del rinforzopermette, infatti, di mantenere legati gli elementi resistenti, fi-nanche nella situazione di collasso. In tal senso, la fragilit in-trinseca al materiale di rinforzo, dovuta allelevato moduloelastico, diviene un fattore secondario, compensato da valoridi resistenza a trazione praticamente non raggiungibili in eser-cizio dalla muratura. Dal punto di vista strutturale, la tecnicasi presta quindi molto bene al miglioramento del comporta-mento a flessione o a taglio, anche in ambito sismico.Altri vantaggi tipici dei materiali fibrorinforzati sono le ottimepropriet chimico-fisiche, quali la bassa densit, lelevata resi-stenza alla corrosione, la bassa conduttivit, ecc., peraltro nonsempre comuni alle numerose tipologie riscontrabili sul mer-cato (barre e laminati realizzati con fibre di carbonio, vetro,polivinilalcool, aramide, ecc.).Dal punto di vista del calcolo non esistono delle formulazioniunivoche.A livello internazionale si fa tuttora riferimento ai

modelli teorici adottati per le strutture di cemento armato,ca-librati in base ai risultati di prove sperimentali effettuate sullamuratura. Le ricerche sono tese ad individuare i meccanismidi collasso modificatidalla presenza del rinforzo ed a fornireschemi per la definizione dei relativi contributi resistenti. Nederiva che,nel contesto applicativo,il progetto degli interventi realizzato in assenza di metodi pi o meno rigorosi, non es-sendo ancora disponibile una normativa specifica; ci con-cerne la scelta del tipo di materiali (sistemi fibra-resina), il di-mensionamento del rinforzo in termini di larghezza e spes-sore (numero di strati di fibra eventualmente sovrapposti) e ladistribuzione dello stesso sulla superficie muraria, a secondadelle prestazioni strutturali richieste.

La tecnica dintervento Il sistema proposto consiste nellap-plicazione di strisce di FRP di determinata larghezza me-diante apposite resine (nella fattispecie di tipo epossidico),condiverse finalit (regolarizzazione della superficie del supporto,adesione e protezione del fibrorinforzato). I materiali compo-nenti il rinforzo vengono disposti per strati successivi, previalivellatura e pulitura superficiale della muratura nellarea di ap-plicazione; lefficacia dellintervento , infatti, strettamente le-gata alladesione del sistema muratura-fibra, al fine di consen-tire lattivazione del contributo del rinforzo solidalmente allamuratura. In situ, pertanto spesso necessario rimuovere glistrati ricoprenti non portanti (malte e intonaci) ed eliminarele irregolarit superficiali fino a scarti preferibilmente non su-periori al millimetro.Tali operazioni possono essere effettuatesia con mezzi meccanici (sabbiatura per la pulitura delle su-perfici e utilizzo di flessibile per la livellatura) che manuali (im-piego di spazzole abrasive e di scalfittura, rispettivamente per

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le due operazioni citate). Sulle superfici cos preparate vienedisposto inizialmente uno strato di prodotto impregnante (an-che in pi strati, a seconda della porosit della muratura), ap-plicato mediante pennello o rullo, con lo scopo di favorirelaggrappo degli strati successivi al supporto; ad avvenutaasciugatura del prodotto (che pu richiedere oltre le 12 ore),viene disposto un successivo strato di stucco epossidico,appli-cato a mano mediante frattazzo, che consente di uniformarela superficie di applicazione delle fibre, avendo cura di sten-dere il materiale con sufficiente regolarit e limitatezza dispessore. Su tale superficie, dopo circa 30 minuti dallapplica-zione, possibile procedere alla stesura del primo strato di ade-sivo, sul quale vengono disposte le strisce di fibra.Queste ven-gono fatte aderire alla resina mediante pressione manuale esuccessivo passaggio con rullo dentato,il quale permette di eli-minare le bolle daria eventualmente inglobate tra le fibre e lostrato di resina, impregnando le fibre stesse con ladesivo.Conmodalit analoghe alla stesura della prima mano di adesivo,viene disposto un successivo strato dello stesso al di sopra dellefibre, al fine di permearle completamente di resina. Nel casosi necessiti di ulteriori strati di rinforzo,questi vengono appli-cati in successione al di sopra degli strati precedenti, avendocura di non dislocare le fibre sottostanti e rispettando i tempinecessari a rendere pronta la superficie di adesione. Infine,ovenecessario, il sistema pu essere completato da uno strato pro-tettivo superficiale alle radiazioni ultraviolette (fibre aramidi-che o poliestere).

Programma sperimentale e materiali adottati Il com-portamento a taglio della muratura rinforzata stato indagatomediante prove di compressione diagonale eseguite su 9 pan-nelli originari di riferimento e 24 pannelli rinforzati, aventidimensioni nominali di 51x51x12 cm. La muratura dei pro-vini costituita da mattoni pieni (5,5x25x12 cm) e malta a

base cementizia, disposta in giunti di circa 1 cm di spessore.I parametri indagati nello studio sono: lutilizzo di tre diversi materiali fibrosi: carbonio (CFRP),vetro (GFRP) e polivinilalcool (PVAFRP); lapplicazione del rinforzo su un solo lato o su entrambi ilati; la disposizione dei laminati secondo una griglia ortogonaleo con strisce in diagonale.Le diverse caratteristiche di resistenza e rigidezza delle fibreadottate, riportate nella tabella 1, comportano, per le diversemodalit applicative considerate, un diverso dimensiona-mento del rinforzo, in termini di larghezza e spessore del la-minato.Al fine di ottenere risultati comparabili si imposto il mede-simo incremento di resistenza, pari a circa il 50% rispetto allamuratura originaria, determinato secondo il criterio della li-mitazione delle tensioni principali di trazione (teoria di Fro-cht[1]) sulla sezione omogeneizzata, per tutte le modalit dirinforzo considerate. In particolare, sono stati realizzati 9 pan-nelli con strisce di carbonio, 10 con strisce di vetro e 5 constrisce di PVA.Per una corretta esecuzione della prova di compressione dia-gonale, si proceduto al taglio preventivo dei due spigoli op-posti di ciascun provino in modo da consentire una oppor-tuna distribuzione del carico verticale,applicato mediante unanormale pressa idraulica.Nella effettiva configurazione di prova, la disposizione a gri-glia fornisce laminati posizionati a 45 rispetto al piano di rot-tura (coincidente con la diagonale compressa del pannello),mentre la disposizione in diagonale si identifica con la posi-zione delle fibre ortogonali al piano di rottura, ossia diretta-mente contrastante lapertura del pannello.Le caratteristiche meccaniche della muratura a compressionee le propriet dei sui costituenti di base (malta e mattoni) sonostate indagate mediante prove sperimentali in laboratorio[2],estese anche alla valutazione delle caratteristiche di interfacciaFRP-muratura,sia per carichi paralleli (prove di adesione) cheperpendicolari al rinforzo (prove a strappo o di pull-off).In entrambi i casi si potuto rilevare come il sistema falliscanon per distacco della fibra ma per debolezza locale dei mat-toni (rottura per trazione nella prova di adesione e delamina-zione dello strato superficiale in quella a strappo). I dati mediottenuti sono riportati nella tabella 2.A completamento delle prove di interazione locale sono stateeseguite prove di scorrimento malta-laterizio su elementi a tremattoni e due giunti (triplette) in presenza di diversi livelli dicompressione trasversale (0.05, 0.10, 0.30 e 0.50 MPa), man-tenuta costante durante la prova.Linterpolazione dei dati sperimentali secondo la legge attri-tiva lineare di Mohr-Coulomb (equazione 2) ha permesso diestrapolare i valori della coesione e del coefficiente di attrito,utilizzati nelle elaborazioni dei risultati sulle prove a taglio.

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1. Fasi esecutive della tecnica di rinforzo: applicazione dellimpregnante (a), dellostrato di rasatura (b), disposizione degli strati successivi di fibra di vetro (c) edellultimo strato di adesivo (d).

a) b)

c) d)

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CARBONIO VETRO PVA CARBONIO VETRO

fasce da 2.4 cm fasce da 3 cm fasce da 7,5 cm fasce da 1.7 cm fasce da 2.8 cm1 strato 4 strati 6 strati 2 strati 6 strati

PR 1 Carb 1 F PR 1 Vetro 1F PR 1 PVA 1F PRD 1 Carb 1F PRD 1 Vetro 1FPR 2 Carb 1 F PR 2 Vetro 1F PR 2 PVA 2F PRD 2 Carb 1F PRD 2 Vetro 1F

PR 3 Vetro 1F

CARBONIO VETRO PVA CARBONIO VETRO

fasce da 1.2 cm fasce da 3 cm fasce da 5,5 cm fasce da 1.7 cm fasce da 2.8 cm1 strato 2 strati 4 strati 1 strato 3 strati

PR 1 Carb 2 F PR 1 Vetro 2F PR 1 PVA 2F PRD 1 Carb 2F PRD 1 Vetro 2FPR 2 Carb 2 F PR 2 Vetro 2F PR 2 PVA 2F PRD 2 Carb 2F PRD 2 Vetro 2FPR 3 Carb 2F PR 3 Vetro 2F PR 3 PVA 2F

2. Rinforzo dei pannelli su una faccia (a) e su entrambi i lati (b), secondo la disposizione a griglia e diagonale, con indicazione delle sigle dei campioni realizzati.

densit spessore modulo di elasticit resistenza caratteristica deformazionetipo di laminato (kg/m3) (mm) a trazione (GPa) a trazione (MPa) ultima (%)

Carbonio (C1-30) 1820 0,165 230 3430 1,5

Vetro (EG-30) 2600 0,115 65 1700 2,8

Polivinilalcool (PVA) 1300 0,070 29 1400 6,0

1 Caratteristiche fisiche e meccaniche delle fibre adottate nella ricerca

materiale propriet meccanica valore unit di misura

Mattone resistenza a compressione 8,60 MParesistenza a trazione 0,83 MPa

Malta resistenza a flessione 1,48 MParesistenza a compressione 6,03 MPa

Muratura resistenza a compressione 5,56 MPamodulo elastico a compressione 1400 MPa

coefficiente di Poisson 0,03 -

Aderenza FRP-muratura resistenza per carico parallelo alle fibre 3,00 MParesistenza per carico perpendicolare alle fibre 0,44 MPa

Aderenza malta-mattone resistenza per compressione nulla 0,66 -

coefficiente di attrito 1,36 -

2 Propriet meccaniche dei materiali costituenti la muratura e della loro interazione locale

a)

b)

Risultati delle prove a taglio I provini sono stati sottopostia prove di compressione diagonale per simulare in laboratoriolazione tagliante agente nel piano di setti murari, con rileva-mento delle deformazioni lungo le due diagonali in entrambele facce dei campioni. Landamento medio sforzi-deforma-zioni dei pannelli rinforzati per ciascuna delle due tipologie didisposizione delle fibre (a griglia e diagonale), in confrontocon quello dei muri non rinforzati (PNR), riportato nellefigg.3 e 4 (le curve mostrano le registrazioni fino alla rimo-zione della strumentazione, avvenuta a circa l80% del caricodi rottura).Le resistenze indicate si riferiscono alle tensioni tan-genziali nominali di collasso, ottenute dalla distribuzione delcarico massimo raggiunto sullarea diagonale del pannello.I massimi valori ottenuti dalle prove,insieme allindicazione delmeccanismo che ha causato il collasso, sono riportati sintetica-mente in fig. 5, mentre i rispettivi moduli elastici tangenziali(valore secante calcolato fino al 40% del carico ultimo) sonoindicati in fig. 6. Le medesime grandezze, mediate per tipolo-gia di pannello, sono infine riassunte nella tabella 3.Di seguito descritto il comportamento dei pannelli osservatodurante le prove di carico per le diverse tipologie di pannelli.

Pannelli non rinforzati Come prevedibile dalle caratteristi-che meccaniche della malta e dei mattoni, nonch dai para-metri ricavati dalle prove sulle triplette,la rottura dei nove pro-vini non rinforzati avvenuta in maniera fragile,per fendituranetta (splitting) lungo la diagonale caricata (fig. 8). Il relativovalore medio del carico di rottura, pari a 100,7 kN statousato come dato di riferimento per i casi con rinforzo.

Pannelli rinforzati su una sola faccia Nel caso dei pannellirinforzati su una sola faccia, il meccanismo di rottura ancoraquello di splitting con netta fenditura lungo la diagonale com-pressa. Il carico ultimo risultato, in molti casi, perfino infe-riore al valore di riferimento. Ci avvenuto a causa dellec-cessiva asimmetria nella disposizione del rinforzo, in relazioneal tipo di test adottato. Durante le fasi di carico, infatti, i pan-nelli hanno evidenziato una marcata deformazione flessionalelungo la diagonale non caricata, a ragione della notevole dif-ferenza di rigidezza sulle due facce opposte (le massime diffe-renze nel modulo elastico tra la faccia rinforzata e quella privadi FRP, nel caso di disposizione a griglia di fibre di carbonio,hanno raggiunto valori fino al 57% a favore del lato rinfor-zato).Come conseguenza stata anticipata la formazione dellafessurazione diagonale che ha portato alla fenditura netta dicollasso) (fig. 9).Nella realt costruttiva, ogni setto murario risulta in condi-zioni di vincolo tali da rendere ininfluente il fenomeno dellosvergolamento fuori del piano rispetto alla fessurazione dia-gonale dovuta alla sola azione del taglio. La validit dei risul-tati ottenuti dunque da considerare in termini relativi finoal riscontro ottenuto con test a taglio di diverso tipo (ad esem-

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3. Relazione tensioni-deformazioni tangenziali dei pannelli rinforzati su una oentrambe le facce, con disposizione a reticolo delle strisce.

4. Relazione tensioni-deformazioni tangenziali dei pannelli rinforzati su una oentrambe le facce, con disposizione diagonale delle strisce.

5. Tensioni tangenziali ultime e meccanismi di rottura riscontrati.

6. Modulo tangenziale riferito al 40% del carico ultimo.

pio di compressione costante e taglio crescente).Il confronto tra le prestazioni della configurazione conrinforzo lungo una diagonale del provino e con rinforzo di-sposto a griglia ha confermato la minore efficacia relativa diquestultima.Nel caso di rinforzo a reticolo, infatti, luso di FRP a basedi fibre meno rigide appare pi vantaggioso sia in terminidi rigidezza che di resistenza ultima; ci avviene a causadella maggiore area di muratura coinvolta dal rinforzo di ca-ratteristiche meccaniche inferiori.

Pannelli rinforzati su entrambe le facce Nel caso di pan-nelli rinforzati su entrambi i lati si verificata la rottura perperdita improvvisa della collaborazione tra il rinforzo e lamuratura; in particolare si sono osservati due tipi di feno-meni: la delaminazione (peeling) della parte superficiale delsupporto (fig. 10a) e la rottura della fibra (fig. 10b). Il qua-dro fessurativo di tipo diffuso nel caso di geometria a re-ticolo, e ancora con fenditura principale netta nel caso dirinforzo diagonale. Lincremento della resistenza ultima stato cospicuo in quasi tutti i casi, fatta eccezione per ilrinforzo con CFRP, che risultato eccessivamente penaliz-zato dal fenomeno di delaminazione.

Valutazioni sulla resistenza I risultati sperimentali otte-nuti sono stati elaborati considerando alcuni modelli anali-tici, disponibili in letteratura, per il calcolo della resistenza ataglio (VRd) della muratura rinforzata.Essi si basano sul prin-cipio di sovrapposizione degli effetti, reso efficace dallim-plicita assunzione della ridistribuzione tensionale; sebbenetale ipotesi sia impropriamente introdotta in presenza di ma-teriali elasto-fragili come gli FRP,allo stato attuale non sonodisponibili modelli pi adatti. La resistenza al taglio datadalla somma dei contributi della resistenza della muraturaoriginale e del rinforzo, questultimo opportunamente ri-dotto al fine di considerare linfluenza degli effetti locali adessi legati sul comportamento a rottura della muratura.

VRd = fvk t d + 0.9 frp ftk t (1)

con: fvk = fvk0 + 0 (2)

VRd = (0.9tlfvk0/1.5+1+0/fvk0) +0.4Arftk (3)VRd = fvk t d + 0.9 d frp Efrp r frp,u t (4)

dove r (fattore di efficienza) legato alla deformazione effet-tiva (frp,e) dalla relazione:r frp,u= frp,e= 0.01190.0205(frp Efrp)+0.0104(frp Efrp)2(5)

Le formulazioni (1) e (3) (proposte dallEurocodice 6 [3] e daTomazevic et al. [4], rispettivamente) rifetite a muratura

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tensioni tangenziali variazione modulo elastico variazionetipo di pannello nominali di rottura resistenza di taglio modulo elastico

(MPa) (%) (MPa) (%)

Non rinforzato 1,16 1634

PR CARB 1F 1,05 -9,8 1715 +5,0

PR VETRO 1F 1,11 -4,8 1819 +11,3

PR PVA 1F 1,17 +0,3 1822 +11,5

PRD CARB 1F 1,34 +15,5 1522 -6,9

PRD VETRO 1F 1,29 +11,0 2120 +29,7

PR CARB 2F 1,20 +3,4 1056 -35,4

PR VETRO 2F 1,33 +14,2 3435 +110,2

PR PVA 2F 1,71 +47,3 2658 +62,7

PRD CARB 2F 1,69 +45,3 2048 +25,3

PRD VETRO 2F 2,02 +74,0 1817 +11,2

3 Prestazioni medie per tipologia dipannello con variazionepercentuale sul riferimento (pannello non rinforzato)

10. Rottura di pannelli rinforzati a griglia su entrambe le facce: (a) delaminazione(caso con CFRP) e (b) rottura a trazione delle fibre (caso con PVA).

9. Rottura di un pannello rinforzato diagonalmente su una faccia con CFRP.

7. Prova a compressione diagonale. 8. Rottura di un pannello non rinforzato.

a) b)

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rinforzata con barre di acciaio, mentre la formulazione (4)(diTriantafillou [2]) introdotta specificamente per rinforzoin FRP.La simbologia adottata concerne la resistenza caratteristicadella muratura fvk (fvk0 la resistenza a taglio in condizioni dicompressione nulla, il coefficiente di attrito malta-mattonee 0 la tensione di compressione agente) e le caratteristichegeometrico-meccaniche del pannello (t lo spessore, l la lun-ghezza,d = 0,8 l la lunghezza effettiva) e del rinforzo (frp lapercentuale di rinforzo computata sulla sezione,Ar larea delrinforzo, ftk la resistenza caratteristica e frp,u la deformazioneultima).Si noti che la fvk0 riferita a prove di scorrimento su tripletteper la relazione (1) ed alla prova di compressione diagonale perla (2). Il fattore di efficienza r dipende dal meccanismo di col-lasso modificato dalla presenza del rinforzo, ossia dalla rot-tura per trazione o per distacco del laminato.L espressione di r, data dall equazione (5), stata determinatadallo stesso Triantafillou per membrature in calcestruzzo [5].La fig. 11 mette a confronto i risultati sperimentali su muririnforzati con i valori di resistenza predetti dai modelli adot-tati. Si sono considerati, in particolare, i casi comparabili perdisposizione a griglia e diagonale, in condizioni di rinforzosimmetrico.Si nota come lapplicazione della (4),secondo la (5),sottostimiin modo rilevante la resistenza a taglio, da cui la necessit dicalibrare il fattore r anche per la muratura.Nota la deformazione effettiva dellFRP, misurata dalle provesperimentali, quindi possibile rideterminare i coefficientipolinomiali della (5) per ciascun tipo di composito.Inoltre, possibile osservare come, nonostante il rapporto Esia stato mantenuto costante per le due disposizioni dirinforzo, si siano ottenute variazioni di resistenza sensibili (su-periori al 40%) tra le due configurazioni (diagonale e a gri-glia).Ci conferma linfluenza della disposizione del rinforzosullefficacia dello stesso e pertanto, nel processo di ricalibra-zione del parametro r si deve tenere conto anche di tale para-metro.

Conclusioni La ricerca ha evidenziato che il collasso im-provviso della muratura non rinforzata pu essere efficace-mente corretto con lintroduzione di laminati di FRP, spe-cie se il rinforzo applicato simmetricamente (su entrambii lati) e con strisce di adeguata larghezza.La configurazione con strisce di rinforzo lungo la diagonalenon compressa risulta pi efficace in termini di resistenzaultima rispetto alla distribuzione a reticolo a maglie qua-drate; questultima,per contro,offre una migliore diffusionedelle tensioni, che conduce ad una distribuzione pi omo-genea delle fessure e ad una rottura meno improvvisa.In generale, comunque, le deformazioni aumentano inprossimit della rottura per i casi rinforzati, rendendo il

comportamento complessivo sensibilmente meno fragile.Le rigidezze dei provini sono risultate generalmente decre-scenti allaumentare del modulo elastico dellFRP usato.Tale apparente contraddizione chiaramente legata al cri-terio usato per dimensionare il rinforzo, il quale ha portatoa superfici di ricoprimento maggiori per i materiali con mi-nore modulo elastico. evidente quindi che, in termini sia di resistenza che di ri-gidezza, lestensione di superficie coinvolta direttamente dalmateriale di rinforzo pu costituire un fattore di maggiorerilevanza rispetto a parametri quali la quantit o la rigidezzadel materiale FRP applicato.Il tipo di prova e le dimensioni dei pannelli utilizzati sem-brano costituire un sistema attendibile e di semplice realiz-zazione per i test di elementari configurazioni di rinforzo ataglio di muratura tramite FRP. I parametri coinvolti pos-sono essere agevolmente isolati con una gamma di provinisufficientemente ampia.La presente indagine pu trovare ulteriori sviluppi, inse-rendo nuove casistiche sperimentali nello studio dellin-fluenza della superficie di adesione e di sistemi per impedirela delaminazione del composito.

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11. Confronto tra valori teorici e sperimentali della resistenza a taglio.

Tipo di pannello