I sistemi FRGM e CRGM per il miglioramento delle prestazioni meccaniche ed energetiche di strutture esistenti

In un'ottica di sostenibilità, sempre più si stanno cercando soluzioni in grado di elevare le prestazioni del patrimonio costruito sia da un punto di vista meccanico sia sotto l’aspetto energetico.

Di seguito i primi risultati di nuovi sistemi di rinforzo composti,  tipo FRCM/CRM, ma con malte innovative che applicati a pannelli murari sono capaci di incrementare la resistenza a taglio nel piano, e contestualmente conferire migliori prestazioni di isolamento termico.

Riqualificazione si, ma sostenibile

L’attenzione verso il patrimonio costruito, in termini di sicurezza, conservazione, durabilità, efficienza energetica, è costantemente in crescita, come testimoniato dagli sforzi condotti in tale direzione sia a livello scientifico sia a livello governativo, in ambito nazionale ed internazionale. L’obiettivo condiviso è quello di una riqualificazione sostenibile, mirata ad incrementare la resilienza delle costruzioni in relazione ad eventi estremi e a migliorarne il rendimento energetico.

L’attuale quadro normativo delinea metodologie, prestazioni e tipologie di interventi indirizzati allo scopo; in tale contesto assumono particolare rilievo la riduzione della vulnerabilità sismica e del consumo energetico, per cui in Italia sono stati messi in atto anche strumenti di investimento specifici.

La ricerca riveste, in tale ambito, un ruolo fondamentale; infatti, numerosi sono gli studi focalizzati sulla proposta di approcci innovativi, soluzioni tecniche e tecnologiche avanzate, mirati a definire interventi ottimali per l’adeguamento/miglioramento sismico ed energetico delle costruzioni esistenti.

In quest’ottica è stata avviata di recente, presso l’Università del Salento, un’attività di ricerca, ancora in corso, finalizzata allo studio di materiali e tecniche di intervento in grado di elevare le prestazioni del patrimonio costruito sia da un punto di vista meccanico sia sotto l’aspetto energetico.

In particolare, allo stato attuale sono stati sperimentati sistemi compositi, di tipo FRCM/CRM, che applicati su pannelli murari, contribuiscono ad incrementarne la resistenza a taglio nel piano, e contestualmente conferire migliori prestazioni di isolamento termico. Nel presente lavoro saranno riportati alcuni risultati significativi che evidenziano le potenzialità dei sistemi proposti e l’opportunità di futuri sviluppi.

Il recupero del patrimonio edilizio e il nuovo Superbonus

Il patrimonio edilizio europeo, come noto, evidenzia una crescente esigenza di riqualificazione statica ed energetica, in un contesto globale che pone come obiettivo primario l’evoluzione verso costruzioni sostenibili e resilienti. L’analisi dell’attuale panorama immobiliare dell’UE, rileva che l’80% dello stesso è stato costruito prima degli anni ‘90 e un terzo degli edifici ha più di 50 anni.

Per dette costruzioni il rendimento energetico risulta spesso inadeguato; infatti, gli edifici sono responsabili del 36% delle emissioni di CO₂ nell’UE e del 40% del consumo totale di energia [1]. D’altra parte, anche le prestazioni meccaniche, soprattutto in presenza di azioni sismiche, sono spesso carenti, come evidenziato dai gravi danni registrati anche in seguito ai più recenti terremoti, che hanno comportato non solo perdite economiche significative, ma anche la perdita di vite umane.

La demolizione e la successiva ricostruzione è una opzione estrema, a causa del notevole impatto ambientale, economico e sociale di tale scelta, di fatto impraticabile qualora si tratti di patrimonio culturale. Pertanto, è sempre più pressante la necessità di progettare interventi mirati ad una riqualificazione statica ed energetica.

A livello nazionale, sono state intraprese delle azioni significative in tal senso; infatti, le spese di recupero del patrimonio edilizio sono detraibili quando sostenute per realizzare interventi di adeguamento sismico (il cosiddetto “Sismabonus”), interventi di riqualificazione energetica (“Ecobonus”), oppure entrambi detti interventi (Superbonus 110%), a patto di poter asseverare il raggiungimento di determinati livelli prestazionali definiti dalla norma di riferimento.

In tale contesto, la ricerca scientifica assume un ruolo determinante; in particolare, da diversi anni l’attenzione dei ricercatori si è focalizzata sullo studio di tecniche e tecnologie mirate a sviluppare soluzioni più performanti ed alternative a quelle tradizionali nel campo della riqualificazione statica ed energetica delle costruzioni esistenti. Più recentemente, la nuova sfida della ricerca è rivolta alla individuazione di tecniche in grado di garantire il miglioramento contestuale delle costruzioni sotto l’aspetto statico ed energetico, riducendo o eliminando i rischi che possono conseguire ad una “interferenza prestazionale”. Ad esempio, nel caso di rinforzo strutturale di una parete muraria, la cui efficacia è strettamente correlata ad una adeguata aderenza con il substrato esistente, un eventuale strato isolante dovrà essere applicato esternamente a quello di rinforzo meccanico. Tuttavia, anche in tale configurazione non è esclusa l’insorgenza di potenziali condense interstiziali che dovranno, quindi, essere opportunamente verificate. Appare evidente come il problema dell’efficientamento sismo-energetico sia complesso non solo in relazione alla scelta delle specifiche tecniche di intervento, ma anche in merito allo studio delle loro possibili “interferenze prestazionali”.  

Il presente articolo ha lo scopo di riportare una soluzione tecnica, ancora in fase di studio, inerente la riqualificazione meccanica ed energetica di strutture in muratura o tamponature di edifici in c.a.  trasformate in elementi strutturali, in grado di garantire il rinforzo a taglio nel piano e, allo stesso tempo, il miglioramento delle prestazioni energetiche. A tale scopo sono stati sperimentati nuovi sistemi di rinforzo, di tipo FRCM (Fabric Reinforced Cementitious Matrix) e CRM (Composites Reinforced Mortar), realizzati con malte innovative; i risultati ottenuti ad oggi appaiono promettenti ed evidenziano le potenzialità della soluzione proposta.

I materiali compositi per il rinforzo strutturale di elementi murari

Il ricorso a tecniche tradizionali di rinforzo per le strutture in muratura presenta alcune limitazioni, quali l’incremento della massa, gli ingombri spesso non trascurabili, la scarsa durabilità, ecc.

Ormai da diversi anni si utilizzano, ove possibile, tecniche di consolidamento strutturale basate sull’impiego di materiali compositi FRP - Fiber Reinforced Polymer [2] che garantiscono un’elevata resistenza a trazione con un aggravio in termini di volume e massa assolutamente trascurabili.

Più di recente, soprattutto nel campo delle strutture in muratura, è cresciuto l’interesse verso materiali compositi a matrice inorganica, noti come FRCM (Fabric Reinforced Cementitious Mortar), TRM (Textile Reinforced Mortar) o IMC (Inorganic Matrix Composites), costituiti da reti in fibra ad alte prestazioni (carbonio, vetro, acciaio, PBO, basalto, ecc.) annegate in una malta di calce o di cemento; la progettazione di interventi con sistemi FRCM è trattata in [3].

Inoltre, la tecnica dell’intonaco armato, molto diffusa per le strutture in muratura, viene oggi proposta come sistema CRM (Composite Reinforced Mortar) [4], in cui la tradizionale armatura metallica viene sostituita da griglie e connettori in FRP, al fine di eliminare i problemi di durabilità connessi alla corrosione dell’acciaio

La combinazione di sistemi IMC con interventi di retrofitting energetico

L’uso di sistemi IMC, integrati con interventi di retrofitting energetico è un tema di ricerca molto attuale.

Le soluzioni proposte sono basate sulla combinazione dei sistemi IMC con materiali in grado di garantire l’isolamento termico [5]-[6], oppure sull’utilizzo di malte con elevate proprietà di isolamento termico [7].

Nel primo caso, l’impiego di differenti strati (layers di rinforzo e layers di isolamento) comporta un incremento degli ingombri e, spesso, il problema di superare le criticità legate ai ponti termici e alla condensa interstiziale.

Nel secondo caso risulta difficile contemperare due esigenze contrapposte, ovvero la capacità isolante della malta e le prestazioni meccaniche attese. Di recente, presso l’Università del Salento, in collaborazione con ITC-CNR (Istituto per le Tecnologie della Costruzione del Consiglio Nazionale delle Ricerche), è stata sviluppata una malta [8]-[11], a base di geopolimeri, da utilizzare come matrice di un composito FRCM o in combinazione con un’armatura in FRP.

I sistemi di rinforzo ottenuti, ancora oggetto di ricerca, sono stati denominati FRGM - Fabric Reinforced Geopolymer Mortar – e CRGM- Composite Reinforced GeoPolymer Mortar; nel caso di utilizzo di fibre di acciaio sono stati utilizzati gli acronimi SRG (Steel Reinforced Grout) e SRGG (Steel Reinforced Geopolymeri Grout) ove impiegata una malta tradizionale o innovativa, rispettivamente.

I risultati della ricerca sembrano ad oggi molto promettenti, considerato che i sistemi proposti garantiscono una resistenza meccanica simile a quella degli analoghi sistemi realizzati con malta tradizionale ed un incremento della resistenza termica sino al 50%.

Proprietà dei materiali

La caratteristiche della malta GPM (GeoPolymer Mortar)

La malta sviluppata presso l’Università del Salento, in collaborazione con ITC-CNR (Figura 1a), denominata GPM (GeoPolymer Mortar) è ottenuta dalla combinazione di cenere volante, metacaolino, attivatori alcalini e aggregati leggeri di vetro espanso [8]-[11]. Nella Figura 1b si riporta un’immagine rilevata mediante SEM (Scanning Electron Microscope) dell’aggregato leggero utilizzato, ottenuto da vetro riciclato.  

Figura 1 – a) Malta GPM; b) Struttura dell’aggregato di vetro espanso.

Al fine di confrontarne le prestazioni è stata usata anche una malta di calce disponibile in commercio (NHL - Natural Hydraulic Lime), costituita da un premiscelato secco composto da calce idraulica, sabbia e additivi chimici a cui aggiungere il 17% di acqua in peso. Sono state numerose le indagini sperimentali condotte sui materiali al fine di determinarne le proprietà fisico-meccaniche (e.g. resistenza a compressione, resistenza a flessione, resistenza a trazione, densità a secco, densità in condizioni di saturazione, conducibilità termica, ecc.) [8]-[9]; nella Tabella 1 si riportano i valori medi in termini di densità di massa del materiale secco, misurata a 28 giorni,  e della conducibilità termica.

In particolare, si evidenzia una riduzione di circa il 33% della densità e del 73% della conducibilità termica. Relativamente alle proprietà meccaniche, sono state determinate la resistenza a compressione a 7, 14 e 28 giorni, la resistenza a trazione e il modulo elastico secante a 28 giorni. La resistenza a compressione e a trazione, ottenute a 28 giorni, della malta geopolimerica (10.09 MPa ± 7% e 1.17 MPa ± 10%, rispettivamente) sono comparabili con i corrispondenti valori relativi alla malta NHL (9.13 MPa ± 3% and 1.26 MPa ± 7%, rispettivamente).

Tabella 1 - Densità di massa secca e conducibilità termica di NHL e GPM.

I sistemi compositi IMC

Per i compositi IMC utilizzati sono state determinate le proprietà meccaniche a trazione e i relativi legami costitutivi, sulla base delle indicazioni riportate in [3]. In particolare, è stato testato un composito FRCM realizzato con una rete in fibra di vetro AR, ed un composito SRG; per entrambi i test hanno riguardato sia il materiale ottenuto utilizzando la malta specifica fornita dal fabbricante, sia quello ottenuto con l’impiego della malta geopolimerica proposta.

I compositi FRCM e FRGM hanno evidenziato un legame costitutivo di tipo bilineare, mentre per i sistemi SRG e SRGG il legame costitutivo può essere assimilato ad una trilatera (Figura 2). La resistenza a trazione e la deformazione ultima sono comparabili, confrontando i compositi realizzati con malta innovativa e tradizionale, come riportato in Tabella 2. D’altra parte anche i legami costitutivi sono simili, tenendo conto della dispersione dei risultati sperimentali (si veda ancora Figura 2).

Tabella 2 – Caratterizzazione meccanica a trazione dei vari sistemi ICM.

Figura 2 – Confronto tra i legami costitutivi a trazione dei diversi sistemi ICM.

Comportamento statico e termico di pannelli murari rinforzati con sistemi IMC

I sistemi ottenuti con la malta di nuova formulazione, possono essere utilizzati sia per il rinforzo di elementi verticali sia per il rinforzo di elementi orizzontali, quali le strutture voltate, considerati i vantaggi derivanti dal più basso peso e la ridotta conducibilità termica, nonché la possibilità di garantire proprietà meccaniche comparabili a quelle dei sistemi tradizionali.

Nel presente lavoro si riportano i risultati della ricerca relativamente all’utilizzo dei nuovi sistemi per il rinforzo a taglio di pannelli murari. Come noto, la resistenza a taglio nel piano di un pannello murario consolidato mediante sistemi FRCM/CRM dipende sia dalle proprietà della muratura sia da quelle del sistema di rinforzo, oltre che dall’interazione muratura-malta e malta-tessuto/rete.  L’ampia campagna sperimentale condotta, ha previsto prove meccaniche e termiche su pannelli murari in scala; i pannelli murari sono stati realizzati con laterizi pieni (250 mm x 120 mm x 55 mm) e giunti di malta di calce, di spessore pari a 10 mm. Il layout della campagna sperimentale prevede il test dei seguenti campioni:

• URM, pareti in muratura non rinforzate (Un-Reinforced Mansory);
• NHL, pannelli rinforzati con uno strato di 30 mm di malta di calce tradizionale;
• GPM, pannelli rinforzati con uno strato di 30 mm di malta innovativa;
• FRCM, pannelli rinforzati con rete secca in vetro AR in uno strato di 15 mm di malta di calce;
• FRGM, pannelli rinforzati con rete secca in vetro AR in uno strato di 15 mm di malta innovativa;
• CRM, pannelli rinforzati con rete GFRP in uno strato di 30 mm di malta di calce;
• CRGM, pannelli rinforzati con rete GFRP in uno strato di 30 mm di malta innovativa;
• SRG, pannelli rinforzati con rete in acciaio in uno strato di 3 mm di malta ad alta duttilità;
• SRGG, pannelli rinforzati con rete in acciaio in uno strato di 3 mm di malta innovativa.

In tutti i casi, il rinforzo è stato applicato su entrambi i lati del pannello senza l’uso di connettori trasversali. Le capacità meccaniche sono state valutate mediante prova di compressione diagonale [11]-[12].

Tutti i sistemi di rinforzo testati hanno manifestato un’efficacia considerevole in termini di incremento di resistenza a taglio (Figura 3). Nel caso di pannelli rinforzati con sola malta si è registrato un incremento del 103% (malta tradizionale) e 53% (malta innovativa), rispetto al pannello non rinforzato. L'applicazione del composito di tipo FRCM, come atteso, comporta un ulteriore miglioramento delle capacità resistenti (129 % nel caso di FRCM tradizionale, 72% nel caso di FRGM).

Per i sistemi con rete in FRP, CRM e CRGM, si è ottenuto, rispettivamente, un incremento di resistenza a taglio del 162% e 126%. Infine, per i campioni SRG e SRGG l’incremento è risultato, rispettivamente, pari a 173% e 106%.  

Figura 3 – Resistenza a Taglio

L’utilizzo della malta proposta ha determinato un significativo incremento in termini di duttilità (si veda ad esempio la Figura 4), soprattutto nel caso dei sistemi CRGM e FRGM, ciò è correlato principalmente al miglioramento dell’aderenza sia all’interfaccia malta-substrato sia all’interfaccia malta-rinforzo. 

Figura 4 –Curve tensione (τ) – deformazione (γ) dei pannelli FRCM e FRGM.

Le capacità termiche dei pannelli murari sono state valutate utilizzando la procedura sperimentale riportata in Figura 5. Un lato della parete (lato caldo) è stato continuamente riscaldato da quattro lampade alogene da 250 W per garantire le condizioni di stato stazionario, mentre l’altro lato (lato freddo) è stato lasciato senza carico termico. I campioni sono stati circondati da un anello adiabatico, in modo da rendere il flusso termico omogeneo e monodimensionale. Le temperature superficiale sono state registrate in continuo durante tutta la prova mediante termocoppie. 

Figura 5 - Set-up di prova energetica.

I sistemi testati hanno manifestato tutti un decremento di trasmittanza termica, ma solo i campioni con malta geo-polimerica hanno fornito risultati più significativi. Infatti, per i campioni FRCM e NHL si è osservata una riduzione, rispettivamente, dell'11% e del 25% della trasmittanza termica, mentre per i campioni FRGM e GPM è stata calcolata una trasmittanza termica pari a 1.126 W m-2 K-1 e 1.051 W m-2 K-1 (riduzione rispettivamente del 46% e del 50% rispetto ai pannelli URM). Nella Figura 6 è riportato il valore medio di trasmittanza termica per i pannelli testati.

Figura 6 - Risultati test energetici.

Gli esempi applicativi

Sulla base dell’indagine sperimentale condotta, i cui risultati sono stati sinteticamente presentati nelle precedenti sezioni, è stato effettuato un esempio applicativo mirato a valutare le prestazioni termiche di pareti in muratura appartenenti a costruzioni residenziali, ubicate in diverse regioni d’Italia.

A tale scopo è stata determinata la trasmittanza termica della parete nuda (dato di riferimento per il confronto) e sono state simulate due soluzioni di intervento, finalizzate ad ottenere un miglioramento delle prestazioni termiche delle pareti, ovvero una soluzione inerente l’istallazione del tradizionale cappotto termico, realizzato in lana di vetro, e una basata sull’applicazione dei sistemi di rinforzo proposti, a parità di spessore del pacchetto di chiusura verticale opaca (comprensiva del retrofitting). 

...continua.

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