Criteri progettuali e tecniche innovative per il miglioramento sismico: cordoli in muratura e volte tabicade

L’articolo (suddiviso in tre parti) ripropone alcune tecniche per il miglioramento sismico di edifici stotici, pensate e sperimentate negli ultimi anni da un gruppo di ricerca dell’Università di Perugia.

Nella prima parte sono state riassunte alcune delle maggiori problematiche sismiche delle costruzioni storiche ed è stata ricordata la tecnica del Reticolatus, ideata da uno Spin Off dell’Università di Perugia.

In questa seconda parte si ripresentano altre due tecniche rivolte al miglioramento sismico di manufatti storici: le travi cordolo in muratura armata e le volte tabicade armate.

Nella terza parte verranno infine richiamate le esperienze relative al rinforzo di travi lignee mediante elementi pultrusi.

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Proposte di metodologie e soluzioni innovative

Le metodologie di intervento basate sull’utilizzo di nuovi materiali e di tecnologie innovative possono contribuire a conciliare tra di loro le richieste di una conservazione consapevole delle aspettative di sicurezza con quelle di un consolidamento rispettoso delle esigenze della conservazione.

Come anticipato, questo articolo (suddiviso in tre parti per una più agevole lettura) ripropone e riassume alcuni dei contributi che sono stati forniti negli ultimi anni dal gruppo di ricerca dell’Università di Perugia, inseriti proprio nel filone di un consolidamento “consapevole” delle esigenze della conservazione.

Nella prima parte (Borri e Sisti 2021) sono state riassunte le ricerche svolte sulla tecnica del “Reticolatus”, che consente di migliorare il comportamento meccanico di murature faccia a vista conservandone l’estetica del paramento esterno e sul rinforzo di pilastri murari faccia a vista mediante rinforzi inseriti nei giunti di malta.

In questa seconda parte vengono ricordate altre due tecniche: quella delle travi cordolo sommitali in muratura di pietrame, indirizzate anche al riuso del materiale esistente e alla conservazione e quella delle volte laterizie in folio rinforzate e trasformate in volte “tabicade” armate.

Il filo comune che lega questi contributi è la ricerca e la sperimentazione di soluzioni che fossero le meno invasive possibile, e quindi proponibili per gli edifici storici, ma, allo stesso tempo, fossero capaci di fornire significativi miglioramenti alla risposta sismica degli elementi strutturali interessati.

 

Travi cordolo in muratura armata 

Negli interventi di recupero di edifici esistenti in muratura, laddove è previsto il rifacimento della copertura, vengono in genere realizzati cordoli sommitali per assicurare un comportamento scatolare dell’edificio ed evitare l’insorgenza di meccanismi di ribaltamento delle pareti fuori piano per effetto dell’azione sismica.

Fino alla fine degli anni ’90, era prassi comune la realizzazione di cordoli sommitali in cemento armato. Le problematiche di interazione fra questa tipologia di cordoli sommitali e la sottostante muratura sono state evidenziate dall’analisi dei danni riportati in seguito al terremoto Umbria-Marche del 1997, dagli edifici precedentemente rinforzati con l’introduzione di cordoli in cemento armato (Borri e De Maria 2004).

In particolare, quando i cordoli sono realizzati su murature di scadente qualità, la differenza di rigidezza fra il cordolo e la muratura su cui poggia determina una trasmissione dei carichi verticali non uniforme, che quindi interessa solo alcune zone della muratura sottostante, privando vaste porzioni murarie dell’azione stabilizzante di compressione e lasciandole così libere di ribaltare in presenza di azioni orizzontali (Cangi 2012).

Affinché la realizzazione di cordoli in cemento armato contribuisca ad una positiva risposta sismica della costruzione, deve essere affiancata ad un efficace rinforzo delle murature verticali, come riscontrato da una recente analisi del danneggiamento riportato dagli edifici del centro storico di Norcia a seguito della sequenza sismica del 2016 (Sisti et al, 2018).

Ad ogni modo, il cordolo in c.a. male si adatta al caso degli edifici storici, trattandosi di una tecnica invasiva e irreversibile, non compatibile con le situazioni nelle quali è necessario mantenere la natura ed i caratteri originari della costruzione.

Una possibile alternativa è rappresentata dalla costruzione di cordoli in muratura armata (Cangi 2012), che sono compatibili per massa e rigidezza con la muratura sottostante, ma presentano alcune problematiche operative che spesso ne limitano l’applicazione, quali la necessità di utilizzare malte cementizie per garantire una corretta conservazione nel tempo dell’armatura o le dimensioni stesse della gabbia metallica, tali da rendere impossibile una realizzazione su spessori murari inferiori ai 45 cm.

Una soluzione innovativa, proposta in (Borri et al. 2016b, Sisti et al. 2016) è quella di realizzare dei cordoli sommitali costruendo delle travi di muratura in cui delle reti preformate in GFRP vengono inserite come armatura nei giunti orizzontali di malta.

La tecnica prevede uno smontaggio controllato della porzione superiore dei muri perimetrali e la sua successiva ricostruzione, alternando strati di muratura e strati di malta, nei quali viene inserita una rete preformata in GFRP capace di conferire la necessaria resistenza a trazione (Figura 1). Il sistema permette di ottenere cordoli, sia in muratura di pietrame, sia in laterizio, aventi un comportamento meccanico compatibile con quello della muratura su cui si interviene, senza apportare irrigidimenti indesiderati.

L’impiego di reti in GFRP consente di utilizzare malte a base di calce senza pregiudicare la durabilità del manufatto; inoltre, ove richiesto, può essere preservato l’aspetto faccia a vista originario dell’opera. Infine, l’intervento presenta caratteristiche di eco sostenibilità perché può essere attuato “riciclando” i materiali esistenti, attraverso lo smontaggio controllato della parte sommitale della muratura esistente ed il successivo reimpiego del pietrame recuperato per la ricostruzione del cordolo armato (Figura 2).

 

Figura 1. Realizzazione di un cordolo in pietrame, armato con rete in GFRP. Le reti in GFRP vengono inglobate nei letti di malta durante la costruzione del cordolo.

Figura 2. Realizzazione di un cordolo in muratura armata su un maschio murario esistente, con ricircolo del materiale originario: a-b) smontaggio della parte sommitale della muratura; c) messa in opera di un primo strato di malta contenente una rete in fibra di vetro; d) strato di muratura; e) nuovo strato di malta con dentro la rete in fibra di vetro. Le fasi d-e si ripetono sino a raggiungere l’altezza richiesta. f) ultimo strato di malta con la rete ed eventuali perfori verticali per collegare il cordolo alla muratura sottostante.

 

Le prestazioni meccaniche di travi cordolo così realizzate sono state esaminate mediante una campagna sperimentale riportata nelle pubblicazioni prima citate e sintetizzata qui si seguito.

Sono state eseguite prove di flessione su 6 travi cordolo di lunghezza 5 m (Figura 3):

• due in muratura di pietrame con sezione trasversale 0.5x0.5 m, costituite da 3 strati di pietre e 4 strati di rinforzo di rete in GFRP con maglia di dimensione 33x33 mm;
• due in muratura di pietrame con sezione trasversale 0.5x0.5 m, costituiti da 3 strati di pietre e 4 strati di rinforzo di rete in GFRP con maglia di dimensione 66x66 mm, mantenendo costante lo stesso rapporto area della sezione/quantitativo di rinforzo adottato nei precedenti due campioni;
• due in muratura di laterizi semipieni con sezione trasversale di 0.4x0.33 m, costituita da 4 strati di mattoni e 5 strati di rinforzo di rete in GFRP con maglia di dimensione 33x33 mm.

La costruzione dei prototipi ha messo in luce la semplicità operativa e la rapidità di realizzazione degli elementi, indipendentemente dalla dimensione della maglia della rete di rinforzo e dalla irregolarità dei piani di posa.

Lo schema statico adottato nelle prove di flessione che sono state condotte è quello di una trave appoggiata di 4 m di luce libera di inflessione, caricata uniformemente nei due metri centrali (Figura 3c). Gli abbassamenti dell’intradosso delle travi sono stati monitorati attraverso trasduttori di spostamento induttivi collegati ad un sistema di acquisizione e posizionati a ¼, ½ e ¾ della luce.

I prototipi sono stati sottoposti a prove di flessione sia nel piano verticale che in quello orizzontale.

I cordoli sommitali, infatti, visti nel piano orizzontale, possono essere schematizzati come delle travi continue con appoggi intermedi in corrispondenza dei muri trasversali. In tale piano, un cordolo sommitale deve resistere alle eventuali azioni sismiche ortogonali alla muratura.

In condizioni statiche, allorché siano presenti aperture di luce rilevante nella muratura sottostante, il cordolo può essere sollecitato flessionalmente anche nel piano verticale, per effetto dei carichi gravitazionali della copertura (eventualmente amplificati dalla componente verticale del sisma). Occorre quindi che la sezione muraria del cordolo possieda capacità di resistere a flessione e taglio sia nel piano verticale che in quello orizzontale (Figura 4).

Figura 3. a) Schematizzazione della sezione traversale di una trave cordolo in muratura di pietrame, rinforzata con rete GFRP; b) schematizzazione della sezione traversale di una trave cordolo in muratura di laterizi, rinforzata con rete GFRP; c) schema di carico adottato nelle prove di flessione.

Figura 4. Le travi cordolo sono state testate con prove di flessione sia nel piano verticale che in quello orizzontale, ricavando sperimentalmente il momento ultimo resistente, così da permettere un confronto con i valori di momento resistente teorico calcolato allo stato limite ultimo.

In Tabella 1 si riportano i momenti massimi nelle sezioni di mezzeria delle travi nelle prove di flessione effettuate. Dalle prove è emersa un’ottima collaborazione fra la rete in GFRP di rinforzo e la muratura, ottenendo elevati valori del carico applicato, senza scorrimenti delle reti nei giunti di malta.

I valori dei momenti sperimentali sono stati confrontati con il momento resistente teorico, calcolato allo stato limite ultimo, Mult_cal, tenendo conto dei quantitativi di rinforzo effettivamente presenti e della loro posizione nella sezione. Per le quattro travi in pietrame (P5, P6, P7 e P8) i momenti sperimentali sono risultati superiori a quelli resistenti teorici attesi. Per le due travi in muratura di mattoni occorre osservare che nel caso del campione L10-G33-H la prova è stata interrotta per la difficoltà di aggiungere ulteriore carico in condizioni di sicurezza (come per due delle travi in pietrame).

I valori di abbassamento in mezzeria hanno permesso di calcolare le rigidezze flessionali di ciascun campione testato (Figura 5). Sono state ottenute rigidezze, rispettivamente per un’inflessione nel piano verticale e nel piano orizzontale, pari a 2.60 E+12 N mm² e 1.50 E+12 N mm² per i campioni in pietrame (valori medi) e 1.51 E+12 N mm² e 9.85 E+11 N mm² per le travi in laterizio. Tali rigidezze risultano nettamente inferiori a quella di una trave “tipo” in cemento armato (calcestruzzo C28/35, sezione 350x350mm, armata con 4 Φ16 agli angoli), pari a 5.26 E+12 N mm².  Questo risultato dimostra che i cordoli in muratura armata con reti in GFRP non introducono quelle rilevanti differenze di rigidezza con la muratura sottostante che si hanno invece con i cordoli in cemento armato.

Tabella 1. Confronto fra i momenti resistenti stimati e quelli ottenuti sperimentalmente.

   

Figura 5. Confronto tra le rigidezze flessionali di cordoli in muratura di pietrame o di laterizio e un cordolo in cemento armato.

Affinché il cordolo svolga efficacemente un’azione di collegamento fra pareti ortogonali e impedisca i meccanismi di collasso per ribaltamento delle pareti, è necessario progettare accuratamente il sistema di collegamento tra la parete e il cordolo, nonché fra il cordolo e la falda di copertura. Quando tali connessioni sono efficaci, le azioni fuori del piano agenti sulla parete possono essere equilibrate dai setti di spina, ortogonali alla parete stessa, tramite l’azione di controventamento svolta dalla falda. 

Una soluzione che può garantire tale efficacia è quella sviluppata in collaborazione con l’ing. Riccardo Vetturini per il progetto dei lavori di consolidamento del Castello di Fossa (AQ), illustrata in Figura 7 e descritta in dettaglio in (Vetturini et al. 2020, Quintaliani et al. 2020): un cordolo sommitale costituito da muratura in laterizio e tre diversi strati di reti in GFRP posti alla base del cordolo, centralmente e alla quota di falda (stato inclinato) è sormontato da una lamina in pultruso, collegata alla muratura sottostante attraverso dei connettori disposti a quinconce e con andamento inclinato.

L’uso del pultruso al posto di un piatto in acciaio presenta vari vantaggi. La maggior leggerezza di tale materiale consente una facile trasportabilità e manovrabilità degli elementi, con una conseguente riduzione dei costi di cantiere. Inoltre, la facilità di lavorazione del pultruso permette di eseguire le forature per la disposizione dei perfori armati direttamente in opera, semplificando notevolmente la realizzazione della cordolatura. Infine, nei casi in cui si operi in ambienti ad elevata salinità e umidità, questo materiale non presenta i problemi di durabilità che invece interesserebbero un elemento in acciaio. 

Nel caso di coperture con tavolato ligneo, il collegamento tra falda e cordolo può essere realizzato prolungando l’ultimo strato della rete in GFRP del cordolo sommitale per circa 40 cm al disopra del tavolato, inglobandolo in una fascia di soletta di spessore 2.5 cm. La soletta è poi collegata al tavolato tramite nastri in acciaio incrociati, disposti con un interasse di 1.5 m circa (figura 8).

Nella costruzione del cordolo si deve avere cura di rendere irregolare il piano di ricostruzione, al fine di ottenere un efficace ingranamento e ammorsatura tra la parte ricostruita e la parete sottostante.

La soluzione tecnica proposta risulta efficace da un punto di vista strettamente meccanico e permette di realizzare un collegamento ottimale del cordolo con la sottostante muratura e con gli elementi di copertura. 

La sua semplicità costruttiva e le sue peculiari caratteristiche consentono il superamento di alcune delle criticità operative associate alle tecniche tradizionali.

 

...CONTINUA.

Fibre Net ringrazia il Prof. Ing. Borri e l'Ing. Romina Sisti per aver condiviso le proprie esperienze tecnico-progettuali rendendo disponibile il seguente articolo.

L'articolo continua con la trattazione della tabicada armata.

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Approfondimento sul sistema CRM RI-STRUTTURA di Fibre Net

Il sistema di rinforzo RI-STRUTTURA si compone di reti, angolari e connettori preformati in GFRP composti da fibra di vetro AR e resine termoindurenti abbinati a malte strutturali inorganiche a base calce o cemento e applicati attraverso la tradizionale tecnica dell’intonaco armato. L’intervento di rinforzo strutturale garantisce un miglioramento strutturale omogeneo e diffuso, con elevate caratteristiche meccaniche e di duttilità e un modesto incremento di rigidezza della struttura. 

Perché e dove utilizzare la tecnica CRM ?

La tecnica CRM – introdotta sul mercato dell’edilizia esistente da FIBRE NET ormai 20 anni fa e assimilabile alla classica tecnica dell’”intonaco armato”. Si tratta di sistemi di rinforzo strutturale ad elevata inerzia chimica, non soggetti a corrosione, e rappresentano la soluzione ideale soprattutto nell’ambito di edilizia storica e tutelata, laddove è frequente il caso di murature a più paramenti o a sacco scarsamente collegate e quindi a forte rischio di disgregazione in caso di eventi sismici. Negli ultimi 10 anni, la tecnica CRM è stata infatti largamente impiegata per il miglioramento strutturale di vaste aree soggette ad eventi sismici, sia in fase di prevenzione sismica che nelle fasi della ricostruzione.

Con delibera del 16 dicembre 2020 il Servizio Tecnico Centrale del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici, ha riconosciuto la validità del sistema CRM - Composite Reinforced Mortar- RI-STRUTTURA di FIBRE NET per l’impiego come rinforzo strutturale.

Ciò è avvenuto attraverso il recepimento del Benestare Tecnico Sloveno STS 17/0013 emesso dallo ZAG Ljubljana Slovenian National Building and Civil Engineering Institute e la conseguente emissione dell’Attestato di Equivalenza n. 0009946.17-12-2020.

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FIBRE NET: gli specialisti del rinforzo strutturale                         

Idee, passione, esperienza e ingegno italiano in continua evoluzione

La storia di FIBRE NET inizia nel 2001 con una visione: sviluppare  un prodotto non presente sul mercato, una rete  in GFRP: RI-STRUTTURA, la risposta evoluta alla classica rete elettrosaldata che, consente di rispettare la compatibilità muraria soprattutto negli edifici storici. Da allora, forte di un’intensa attività di R&S supportata da Università  e istituti di ricerca, l’azienda ha sviluppato diversi sistemi per il rinforzo strutturale in materiale composito fibro rinforzato, certificati e validati.

FIBRE NET si pone come partner specializzato, in grado di affiancare enti, progettisti ed imprese nelle scelte più opportune, efficaci e sostenibili mirate al consolidamento, al miglioramento e adeguamento strutturale, al mantenimento della durabilità del bene.
L’azienda mette a disposizione dei propri partners laboratori, attrezzature e competenza per l’esecuzione di prove, anche on-site, per la diagnosi delle problematiche,  per la caratterizzazione meccanica e chimica di materiali  e cicli di intervento.