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Rinforzo locale in HPFRC di nodi perimetrali non confinati di telai in c.a.: l’esempio di un nodo d'angolo e uno di facciata
10/07/2017
Paolo Riva
Consuelo Beschi
Alberto Meda
Zila Rinaldi

Tecnica per il rinforzo locale per il miglioramento sismico mediante HPFRC.

1. INTRODUZIONE
1.1. La necessità del rinforzo di strutture esistenti in c.a.

Negli ultimi decenni l’interesse per la riparazione e il rinforzo di strutture esistenti in c.a. è progressivamente aumentato, soprattutto per la presenza di numerosi edifici costruiti secondo normative superate, per i quali interventi di rinforzo risultano necessari sia per l'aumento della capacità portante nei confronti di livelli di carico più elevati legati alla modifica nella destinazione d'uso sia per la necessità di adeguamento sismico sia per il ripristino della capacità portante a seguito di incrementi dei sovraccarichi, di degrado strutturale, o di terremoti.
I recenti terremoti (Abruzzo 2009, Emilia Romagna 2012) hanno drammaticamente dimostrato come una vasta parte degli edifici in c.a., progettati per soli carichi gravitazionali o utilizzando dettagli costruttivi inadeguati, non sia stata in grado di sostenere le azioni sismiche, principalmente a causa di carenze strutturali, quali proprietà scadenti dei materiali; assenza di qualsiasi principio di Gerarchia delle Resistenze; scarso confinamento nelle zone di potenziale formazione delle cerniere plastiche (tipicamente assenza di armatura trasversale nei nodi); dettagli inadeguati delle armature, come ancoraggi insufficienti e uso di barre lisce con ancoraggi d’estremità a uncino.

1.2. Il Sisma Bonus
Il 28 Febbraio è stato firmato dal Ministro delle Infrastrutture e dei Trasporti il Decreto Ministeriale, strumento attuativo del Sisma Bonus, con cui sono stabilite le Linee Guida [1] che forniscono gli strumenti operativi per la classificazione del Rischio Sismico delle costruzioni esistenti, definendo otto Classi di Rischio, identificate da un unico parametro che tenga conto sia della sicurezza sia degli aspetti economici.
Rispetto alle ristrutturazioni antisismiche senza variazione di classe (50%), le detrazioni per la prevenzione sismica aumentano sensibilmente qualora si migliori l’edificio di una o due classi di Rischio Sismico. In particolare, sono previste detrazioni del 70% qualora gli interventi antisismici consentano il passaggio ad una classe di rischio sismico inferiore e dell'80% qualora gli interventi antisismici consentano il passaggio a due classi di rischio sismico: tali detrazioni diventano rispettivamente il 75% e l'85% qualora gli interventi antisismici siano relativi a parti comuni di edifici condominiali.
La determinazione della classe di Rischio di un edificio può essere condotta secondo due metodi alternativi, uno convenzionale e l’altro semplificato. Il metodo convenzionale si basa sui tradizionali metodi di analisi previsti dalle attuali Norme Tecniche [2] e richiede la valutazione del comportamento globale della costruzione.
Il metodo semplificato si basa su una classificazione macrosismica dell'edificio ed è, quindi, indicato per una valutazione speditiva della Classe di Rischio. Nel caso di valutazioni finalizzate all’esecuzione di interventi sugli edifici volti alla riduzione del rischio, è consentito l’impiego del metodo semplificato per le sole strutture in muratura; in tal caso è ammesso il passaggio di una sola Classe di Rischio. Il passaggio alla Classe di Rischio immediatamente superiore è effettivo solo quando siano soddisfatte alcune condizioni.
Per gli edifici in calcestruzzo armato è prevista la possibilità di ritenere valido il passaggio alla Classe di Rischio immediatamente superiore, eseguendo solamente interventi locali di rafforzamento soltanto se la struttura è stata originariamente concepita con la presenza di telai in entrambe le direzioni e se saranno eseguiti tutti gli interventi seguenti: confinamento di tutti i nodi perimetrali non confinati dell’edificio; opere volte a scongiurare il ribaltamento delle tamponature, compiute su tutte le tamponature perimetrali presenti sulle facciate; eventuali opere di ripristino delle zone danneggiate e/o degradate.

1.3. Nodi non confinati
1.3.1. Inquadramento normativo

In accordo alla normativa italiana, la verifica di resistenza deve essere eseguita solo per i nodi non interamente confinati come definiti al § 7.4.4.3 delle NTC [2], in base al quale un nodo è interamente confinato quando in ognuna delle quattro facce verticali si innesta una trave. Il confinamento si considera realizzato quando, su ogni faccia del nodo, la sezione della trave copre per almeno i 3/4 la larghezza del pilastro e, su entrambe le coppie di facce opposte del nodo, le sezioni delle travi si ricoprono per almeno i 3/4 dell’altezza. Se è violata una di queste condizioni, il nodo non è interamente confinato e deve esser verificato.

1.3.2. Criticità dei nodi
Gli effetti dei terremoti del passato hanno sempre più confermato che i nodi trave-pilastro rappresentano una regione estremamente critica in strutture a telaio in c.a. soggette a carichi sismici.
Il comportamento dei nodi, infatti, influenza la risposta dell’intero sistema strutturale non solo in termini di resistenza, ma anche in termini di deformabilità. Tra i meccanismi di collasso possibili si annoverano a livello globale l’esistenza di sistemi a travi/forti-pilastri/deboli e a livello locale la formazione di meccanismi di collasso fragili legati a un’inadeguata protezione del pannello nodale con collasso a taglio di tipo fragile; la crisi per perdita di aderenza tra barre d'armatura e calcestruzzo circostante, influenzata dalla tipologia dell'armatura (barre lisce o nervate) e dalla lunghezza di ancoraggio.
Data la grande quantità in Italia di edifici progettati per soli carichi verticali, la valutazione della risposta sismica e lo sviluppo di tecniche di riparazione e rinforzo sono diventati di importanza prioritaria.
L’obiettivo di un intervento di rinforzo su nodi trave-pilastro è, quindi, quello di modificare i possibili meccanismi fragili, legati alla rottura per taglio della regione nodale, in meccanismi di collasso duttili, forzando la formazione di cerniere plastiche alle estremità delle travi.
Tra i nodi, quelli che presentano le maggiori criticità dal punto di vista del comportamento sismico, sono i nodi esterni, in particolare i nodi d'angolo, principalmente a causa della mancanza di confinamento su almeno una o due facce, alla spinta non equilibrata dei tamponamenti e a una maggiore domanda in termini di spostamento legata a effetti torsionali globali. Risulta, quindi, necessario ancor più che per i nodi interni, intervenire con tecniche di rinforzo che consentano di spostare i meccanismi di collasso all'esterno del pannello nodale.

2. Rinforzo con HPFRC
Nell'ambito del rinforzo dei nodi trave-pilastro negli ultimi decenni sono state sviluppate differenti tecniche [3,4]. Oltre all'utilizzo di placcaggi metallici, che consentono una riduzione notevole dei tempi di intervento, ma presentano inconvenienti quali il problema della resistenza al fuoco, della corrosione, della movimentazione e non ultimo dell’impatto estetico, ha conosciuto una grande diffusione l’applicazione di compositi in FRP. Tale tecnica risulta utile per aumentare la duttilità, ma non del tutto idonea quando sia richiesto un significativo incremento della resistenza degli elementi, oltre a presentare problemi nei riguardi della resistenza al fuoco. In aggiunta, questa tecnica è difficilmente applicabile in edifici in c.a. vetusti per problemi di compatibilità tra il materiale di base e il materiale di rinforzo. Infatti, l’utilizzo di fasciature in FRP può presentare il difetto di non garantire una sufficiente aderenza tra il rinforzo e il calcestruzzo esistente, in particolar modo quando il calcestruzzo esistente presenta caratteristiche meccaniche scadenti.
Una soluzione alternativa di recente sviluppo riguarda l’adozione di incamiciature in calcestruzzo fibro-rinforzato ad elevate prestazioni (HPFRC) [5,6]. La tecnica proposta consiste nel getto attorno all’elemento strutturale di una camicia in HPFRC di spessore contenuto entro i 30-50 mm.
Tale tecnica di rinforzo si basa inoltre sull’adozione di un materiale più simile al calcestruzzo di base rispetto a qualsiasi altra soluzione, risolvendo il problema della compatibilità tra materiali diversi.

2.1. Il materiale
Le proprietà di un HPFRC dipendono dalla geometria, dalla percentuale in volume e dalle proprietà meccaniche delle fibre, dall'aderenza tra fibre e matrice e dalle proprietà meccaniche della matrice.
A compressione, le fibre sono in grado di ridurre la fragilità della matrice, ma non ne influenzano sensibilmente il comportamento, come mostrato in Figura 1(a).
Le fibre migliorano soprattutto il comportamento a trazione della matrice contrastando l’apertura progressiva delle fessure e conferendo al composito una resistenza a trazione residua post-fessurazione combinata con un'elevata deformazione ultima.
In fase fessurata, a seconda della loro composizione, gli HPFRC possono mostrare un comportamento a trazione post-picco degradante (softening) o incrudente (hardening). Negli HPFRC più comunemente usati per gli interventi di rinforzo e commercialmente disponibili, il comportamento post-fessurativo è incrudente anche fino a deformazioni del 2‰ e successivamente degradante fino a deformazioni dell'ordine del 4-5%. Inizialmente si ha, quindi, la formazione di una serie di micro-fessure distribuite (fase hardening) che confluiscono in una macro-fessura dopo il raggiungimento del carico di picco (fase softening) Figura 1(b).


Figura 1- (a) Confronto tra curve sforzo-deformazione a compressione tra calcestruzzo fibro-rinforzato e calcestruzzo della matrice per cls ordinario (NSC) e cls ad elevate prestazioni (HSC) [7]; (b) Comportamento a trazione

2.2. Applicabilità tecnologica
Per tutti gli elementi strutturali in c.a., la realizzazione della camicia in HPFRC avviene applicando direttamente il materiale di rinforzo sul calcestruzzo originario e deve essere preceduta da un'adeguata preparazione del supporto degli elementi da rinforzare.
La prima operazione riguarda il trattamento della superficie con l’obiettivo di ottenere un buon grado di rugosità (2-3 mm) allo scopo di incrementare l'aderenza tra i due materiali. Differenti tecniche possono essere utilizzate a questo scopo, tra cui bocciardatura, scalpellatura, scarifica, sabbiatura, a cui deve fare seguito una fase di aspirazione e idropulizia al fine di rimuovere qualsiasi residuo.
Si procede successivamente all’eventuale posa e fissaggio di connettori e/o reti elettrosaldate o in acciaio armonico, qualora previste.
Prima del getto della camicia in HPFRC, è necessario bagnare le superfici degli elementi da rinforzare fino a saturazione del supporto e, nel caso in cui si utilizzino calcestruzzi tixotropici, è opportuno procedere all’applicazione di primer o altri adesivi per incrementare l’aderenza.
Nel caso di rinforzo con HPFRC colabile, si predispongono casseri a perfetta tenuta e si effettua il getto mediante semplice colata. Se il rinforzo è effettuato con HPFRC tixotropico, l’applicazione viene effettuata mediante applicazione a cazzuola senza l’ausilio di casseri.
Nel caso dei nodi trave-pilastro, è opportuno estendere il rinforzo applicato al nodo nodo ai primi 15-20 centimetri del pilastro e delle travi convergenti in esso per garantire un'efficace adesione tra HPFRC e calcestruzzo del substrato. Per evitare fenomeni di prematuro distacco della camicia in HPFRC dal calcestruzzo di base, si suggerisce l’adozione di pioli di connessione tra il vecchio e il nuovo calcestruzzo. L’uso di connettori può essere utile anche per il posizionamento di un’eventuale rete metallica: l’uso di una rete attorno al nodo, che prosegue per poche decine di centimetri all’interno della trave, può consentire inoltre il controllo dell’apertura della fessura all’interfaccia trave-nodo.
Nell'ottica del Sisma Bonus, questo tipo di intervento di rinforzo risulta efficace per il passaggio alla categoria superiore senza comportare interruzioni d'uso dell'edificio potendo essere eseguito esclusivamente dall'esterno.

2.3. Efficacia del rinforzo con incamiciatura in HPFRC
I risultati di prove sperimentali condotte negli ultimi anni hanno mostrato come la tecnica proposta risulti efficace sia per il rinforzo rispetto ai carichi statici, in particolare per l'incremento della capacità flessionale e a taglio di travi in c.a., sia per il rinforzo statico e sismico di pilastri, in particolare nel caso in cui la struttura sia caratterizzata da calcestruzzi di bassa resistenza [9,10].
Recenti ricerche hanno mostrato che tale tecnica è efficace anche per il rinforzo di nodi trave-pilastro di facciata [11,12,13].
In Figura 2(a) si riportano i risultati di una prova ciclica in scala reale su nodo trave-pilastro rinforzato con incamiciatura in HPFRC.
La prova effettuata si inserisce nell’ambito dell’intervento di adeguamento di un edificio di edilizia scolastica per il quale analisi numeriche non lineari sull’edificio hanno evidenziato come la struttura non fosse in grado di sostenere la combinazione sia di carichi statici che di carichi sismici, in accordo con la normativa italiana. Il progetto dell’intervento di adeguamento ha previsto il rinforzo dei pilastri e dei nodi trave-pilastro mediante applicazione di una camicia in HPFRC di 40 mm di spessore e il rinforzo delle travi all’estradosso con strisce in FRP.
Nel caso specifico il rinforzo del pannello nodale è stato effettuato contemporaneamente all'operazione di rinforzo del pilastro, realizzando un'unica incamiciatura, nell'ottica di eliminare un possibile meccanismo di rottura del tipo trave forte/pilastro debole.
Dal grafico forza-spostamento di Figura 2(a) si osserva come il comportamento del nodo si sia mantenuto stabile fino a un drift dell’1%, in corrispondenza del quale è stato osservato nel campione un danneggiamento limitato. Si sottolinea che la forza orizzontale raggiunta per un drift dell’1% è comunque più elevata della forza di progetto allo Stato Limite Ultimo, come è risultato dalle verifiche sull’edificio rinforzato. Il quadro fessurativo al termine della prova non ha evidenziato un danneggiamento evidente sulla superficie del nodo, confermando che con la tecnica dell'incamiciatura in HPFRC è possibile incrementare la resistenza dei nodi trave-pilastro, raggiungendo contemporaneamente un adeguato livello di duttilità.

Figura 2 - (a) Risultati prova ciclica; (b) Quadro fessurativo al termine della prova (drift 4%)

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