Comportamento di murature storiche rinforzate con sistema FRCM sottoposte a test di compressione diagonale

Gli eventi sismici mettono puntualmente in evidenza l’insufficiente sicurezza del costruito storico in muratura di pietrame, dovuto sia al loro intrinseco comportamento meccanico quasi-fragile che all’inadeguatezza dei sistemi di rinforzo adottati in passato. Ad oggi, il sistema di rinforzo FRCM è una delle tecniche maggiormente utilizzate nel campo del consolidamento di strutture murarie danneggiate.

Nel presente lavoro sono illustrati i risultati di prove di compressione diagonale cicliche, eseguite in situ su pannelli di muratura di pietrame di un edificio storico dell’Aquila, per la caratterizzazione di un sistema di rinforzo FRCM. Tale sistema è costituito da tessuti in fibra di vetro immersi in una malta di calce idraulica naturale e da connettori sia in fibra di carbonio, posizionati in corrispondenza nei quattro spigoli dei pannelli murari, che metallici, rivestiti da un tessuto in fibra di carbonio e posizionati nel centro dei pannelli.

I risultati ottenuti hanno messo in evidenza la propensione delle murature storiche di pietrame a modificare il loro comportamento meccanico durante la storia di carico applicata, in funzione del loro stato deformativo. Tali risultati sono in linea con la natura quasi-fragile dei materiali eterogenei, soggetti al fenomeno di fratturazione per via della loro natura disgregativa. L’elaborazione dei dati sperimentali dimostra come l’applicazione del sistema FRCM determini un comportamento meccanico compatibile con quello delle murature di pietrame, incrementandone le caratteristiche meccaniche senza snaturarne il comportamento originario, dimostrandosi, quindi, un sistema affidabile per la conservazione del patrimonio edilizio storico.

I vantaggi del sistema di rinforzo FRCM

L’intrinseca fragilità ed estrema vulnerabilità del costruito storico si è resa particolarmente evidente anche in occasione dei più recenti eventi sismici italiani (Abruzzo 2009, Emilia 2012, Amatrice 2016). Infatti, le murature storiche, soprattutto quelle realizzate con unità di pietrame, sono caratterizzate da modalità di rottura fragili dovute principalmente ai giunti di malta che costituiscono la zona debole del sistema resistente (Vasconcelos e Lourenço 2009). Tali modalità di rottura contrastano con i criteri di duttilità e dissipazione dell’energia che, oggi, costituiscono i principi di sicurezza nel progetto delle strutture e nella salvaguardia della vita degli occupanti nei confronti di azioni eccezionali.

Per tale motivo è necessario investigare dettagliatamente forme di rinforzo che consentano di ottenere incrementi in termini di resistenza e duttilità, rispettando i principi di compatibilità, traspirabilità e reversibilità (Ottoni e Coisson 2015). In passato, le forme di rinforzo praticate nelle murature (consolidamento attraverso iniezioni di resine, l’esecuzione di perforazioni armate e l’applicazione di intonaci strutturali realizzati in calcestruzzo armato) rappresentavano soluzioni non in linea con tali principi.

Ad oggi, il sistema di rinforzo FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix) è una delle tecniche maggiormente utilizzate nel campo del consolidamento e della riabilitazione di strutture murarie danneggiate (Nanni et al 2013, Turk 2013). Questo perché, in confronto con le tecniche tradizionali utilizzate in passato, rappresenta una soluzione efficace sia in termini di bassa invasività che di facilità di applicazione. Nei sistemi FRCM vengono preferite malte a base di calce naturale (NHL, Natural Hydraulic Lime) in quanto ritenute soluzioni più compatibili con la natura delle strutture murarie storiche. Tali malte sono utilizzate per evitare problemi di compatibilità, traspirabilità e reversibilità degli interventi che si riscontrerebbero nell’utilizzo di matrici organiche di natura polimerica (Gregori et al. 2017).

In questo studio, i risultati di una campagna di prove effettuate su pannelli murari rinforzati con sistema FRCM, vengono presentati per investigare la propensione delle murature storiche di pietrame a modificare le loro proprietà meccaniche in funzione del loro stato di danneggiamento, in linea con la previsione del comportamento quasi-fragile dei materiali eterogenei soggetti al fenomeno di fratturazione dovuta alla loro natura disgregativa.

Programma sperimentale

I test di caratterizzazione sperimentale del rinforzo FRCM hanno previsto l’esecuzione di 4 prove cicliche monotone quasi statiche, condotte fino al raggiungimento della condizione di rottura dei pannelli murari. I test sono stati eseguiti nella configurazione di compressione diagonale descritta in (ASTM E 519 2007). In particolare, 2 test sono stati realizzati su murature rinforzate con sistema FRCM e 2 su murature non rinforzate. Tali test sono stati eseguiti, in situ, su pannelli provenienti dalla sede comunale “Palazzo “Margherita” dell’Aquila (Figura 1).

IMMAGINE 1: Vista dell’ingresso principale di Palazzo Margherita, sito nel centro storico di L’Aquila.

Tale struttura è rappresentativa degli edifici storici in muratura di pietrame irregolare (Figura 2) presenti nel territorio aquilano, fortemente danneggiati nel sisma del 2009 (Carocci e Lagomarsino 2009).

In accordo alla (ASTM E 519 2007), le dimensioni dei pannelli testati sono state scelte pari al valore di circa 1.2m sia in altezza che in larghezza. Lo spessore delle murature analizzate è variato nel range 0.5÷0.75m.

Prima della realizzazione delle prove, è stato necessario isolare i pannelli da alcune pareti murarie dell’edificio. Tale operazione è stata realizzata con l’esecuzione di quattro tagli realizzati con sega circolare o filo diamantato (Figura 3). La sequenza di tale operazione ha previsto prima l’esecuzione del taglio orizzontale superiore, quindi dei due tagli verticali ed infine del taglio orizzontale inferiore (che interessa solo una parte della larghezza del pannello).

Dopo tale procedura, si è proceduto al montaggio dell’apparato di prova posizionando gli elementi di carpenteria metallica (denominati “cuffie”) in corrispondenza di due spigoli opposti del pannello (Figura 3 e 4). Al fine di non generare concentrazioni localizzate del carico, è stato interposto uno strato di malta tenera a presa rapida, di circa 1cm di spessore, nell’interfaccia cuffia-muratura.

È stato, quindi, posizionato il sistema di carico, mediante l’inserimento di due martinetti idraulici e una cella di carico, e il sistema di misura, mediante l’applicazione di quattro trasduttori (2 per ciascun lato del pannello).

IMMAGINE 2: Allestimento di una delle 4 prove di compressione diagonale eseguita su un pannello di prova ricavato da una muratura esistente.

In particolare, la storia di carico è stata applicata con un incremento di P costante di circa 20 ± 5 kN per ogni ciclo. Inoltre, è stato necessario effettuare un ciclo di carico preliminare, producendo una spinta di circa 5 kN in modo da verificare il corretto posizionamento della carpenteria metallica, il funzionamento dell’apparato di prova e del sistema di acquisizione.

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