Caso studio di rinforzo strutturale di edificio in muratura

Un rinforzo strutturale eseguito su una villa del 1200 in muratura mista con l’obiettivo di ottenere un elevato miglioramento sismico valutabile come decremento della Classe di Rischio Sismico (D.M. 28.02.2017 n. 58).

La tecnica di rinforzo prevede l’utilizzo di sistemi FRP con nastri in fibra di carbonio applicati alle murature perimetrali esterne e sistemi FRCM applicati alle pareti interne. 

La soluzione proposta permette il miglioramento sismico sia nei confronti dei fenomeni di rottura locali sia nel comportamento complessivo di tutta la struttura. Viene prestata particolare attenzione al calcolo dimensionale dei rinforzi ed al contributo combinato delle due tecniche evidenziando le peculiarità dell’una e dell’altra. 

Il sistema FRP viene impiegato per evitare fenomeni di ribaltamento e per l’incremento delle resistenze a presso-flessione e taglio dei paramenti murari, mentre il sistema FRCM viene impiegato per il miglioramento diffuso delle proprietà meccaniche della muratura. Particolare attenzione viene posta nella valutazione dei valori resistenti di progetto correlati al fenomeno della delaminazione adottando speciali accorgimenti tecnici nella realizzazione dei collegamenti con connettori in fibra aramidica o in CFRP.

La metodologia di intervento permette un passaggio di Classe di Rischio Sismico di almeno 3 livelli, come deducibile dal calcolo del valore PAM (D.M. 28.02.2017 n. 58).

Il presente articolo espone un caso studio consistente in una importante ristrutturazione effettuata su un edificio in muratura situato sulle colline fiorentine.

La progettazione degli interventi di ristrutturazione ha preso in considerazione anche la vulnerabilità sismica dell’edificio e ha avuto come obiettivo l’incremento della resistenza sismica.

Nella trattazione che segue si pone particolare attenzione al rinforzo realizzato con materiali compositi e di come questi siano stati utilizzati affiancandoli a tecniche di rinforzo tradizionali.

IMMAGINE 1: Prospetto frontale dell'edificio

Analisi storica e indagini diagnostiche con caratterizzazione dei materiali

L’edificio nel corso della sua esistenza ha subito svariati interventi di ristrutturazione che hanno comportato lo spostamento delle aperture interne, la modifica dei vani scale e la modifica delle strutture portanti dei solai.

Preliminarmente alla fase progettuale è stata effettuata una estesa ed esaustiva indagine sulle strutture portanti. Sono stati completamente rimossi tutti i rivestimenti e gli intonaci sia sulle pareti che sulle strutture orizzontali. Sono state effettuate indagini endoscopiche per valutare le tipologie e gli spessori delle pareti portanti e prove con martinetti piatti per la caratterizzazione delle murature.

Le murature portanti hanno evidenziato una scarsa qualità e i parametri medi sono risultati pari a:

• E = 174800 t/m²;
• G = 50000 t/m²;
• f_bk   = 1000 t/m²;
• f_k = 199 t/m²;
• f_vk0 = 1,87 t/m²;
• γ = 2 t/m³.

L’insieme delle indagini suddette ha permesso di raggiungere un livello di conoscenza LC3.

Tipologia di intervento

La soluzione progettuale di partenza prevedeva la sostituzione dei solai esistenti con nuove strutture in legno e acciaio; la sostituzione completa della struttura di copertura; l’inserimento di alcuni telai metallici in corrispondenza delle nuove aperture e interventi di tipo cuci e scuci dove le murature risultavano incoerenti e danneggiate. Tutti questi interventi, pur migliorando il comportamento globale dell’edificio non fornivano un significativo miglioramento della capacità resistente ultima dello stesso.

È stato quindi necessario intervenire anche sulle pareti portanti realizzando la riconnessione delle intersezioni tra i muri di spina con l’inserimento di barre di acciaio, l’incremento di resistenza della pareti portanti esterne mediante applicazione di un sistema di rinforzo FRP e l’incremento di resistenza delle pareti portanti interne dell’edificio mediante applicazione di un sistema di rinforzo FRCM. Le fibre utilizzate per nastri, reti e connettori sono fibre di carbonio.

L’utilizzo dei materiali compositi con matrice organica (FRP) è diffuso soprattutto nel rinforzo di strutture esistenti in c.a. (Giacomin 2014), ma non mancano casi in cui siano stati impiegati anche su strutture in muratura. Questi materiali sono stati ampliamente utilizzati anche nella ricostruzione post-sisma di L’Aquila (Giacomin 2015).

Accanto ai sistemi FRP, nell’ultimo decennio, si sono diffusi sempre più anche i sistemi di rinforzo con matrice inorganica (FRCM); particolarmente adatti all’impiego per il rinforzo di murature. Il comportamento di questi materiali è, a oggi, ben noto (Bournas et al. 2016), ed è stato ben caratterizzato mediante sperimentazione anche per quanto concerne il fenomeno della delamizione (D’Antino et al. 2015). Pur trattandosi di una metodologia di consolidamento volta principalmente al rinforzo delle murature, non mancano peraltro esempi di applicazioni e sperimentazioni per il rinforzo del c.a., anche precompresso (Pellegrino e D’Antino 2013).

Sistema FRP in carbonio

Su tutte le pareti portanti del perimetro esterno dell’edificio è stato utilizzato un sistema di rinforzo costituito da fasce orizzontali in carbonio alla quota dei solai e della copertura per la realizzazione di cordoli perimetrali (Figura 1). La configurazione in pianta dell’edificio ha permesso di ottenere una cerchiatura completa.

Una ulteriore fascia perimetrale è stata posta alla base della fascia di piano del piano terra, in modo da realizzare una trave di muratura armata e al tempo stesso fornire un confinamento orizzontale alle pareti in modo da contrastare eventuali fenomeni di instabilità o ribaltamento verso l’esterno (Figura 2).

Per tutta l’altezza delle pareti sono state realizzate fasce verticali con il duplice scopo di rinforzare la pareti sia nei confronti dei fenomeni di pressoflessione fuori del piano che dei fenomeni di pressoflessione nel piano (Figura 3).

Le murature sono state anche rinforzate a taglio utilizzando croci di Sant’Andrea realizzate sempre con fasce in CFRP (Figura 4 e Figura 7).

Tutti i nastri sono stati disposti sia sul lato esterno che sul lato interno dell’edificio e sono stati realizzati collegamenti passanti con connettori in nastri e barre in fibra di carbonio in tutti i punti di intersezione dei nastri.

Ortogonalmente alla facciata dell’edificio sono state realizzate anche due catene in nastri CFRP e connettori in barre di carbonio.

IMMAGINE 2: Prospetto frontale con aggiunta di fasce CFRP alla quota della fascia di piano terra.

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Articolo tratto dagli atti del XVIII Convegno ANIDIS - Ascoli Piceno 2019