Progettazione, accettazione e controllo dei sistemi compositi per il rinforzo strutturale

La sicurezza strutturale nell’edilizia rappresenta un argomento di grande attualità per il quale sempre maggiori risorse vengono impiegate, specialmente nel rinforzo di strutture esistenti. La vulnerabilità sismica degli edifici, in particolare, è un argomento molto discusso, soprattutto negli ultimi decenni, a seguito dei numerosi eventi sismici che hanno colpito un patrimonio edilizio ormai vetusto.

Gran parte delle strutture esistenti sono state realizzate in anni in cui le norme tecniche di costruzione non contemplavano correttamente le sollecitazioni orizzontali legate alle forze inerziali sismiche. Proprio per questo motivo, seppur originariamente progettate e realizzate “a norma”, molte di queste strutture hanno subito notevoli danni durante i successivi eventi sismici. Il tema del rinforzo di strutture esistenti non è tuttavia legato esclusivamente a problemi derivanti ad eventi sismici. Le strutture possono infatti essere soggette a differenti problematiche, come:

• degrado dei materiali che costituiscono la struttura (corrosione delle barre di armatura, calcestruzzo ammalorato, degrado della muratura, ecc.);
• cambio di destinazione d’uso con conseguente modifica dell’assetto strutturale o dei cari- chi agenti;
• semplice incremento dei carichi agenti;
• altri eventi imprevedibili (incendio, dissesti idrogeologici, impatti, ecc.);
• cedimenti del terreno.

In tale contesto, la conduzione di molteplici ricerche scientifiche e lo sviluppo di materiali innovativi hanno notevolmente favorito, specialmente nel corso degli ultimi decenni, lo sviluppo di nuove tecnologie orientate al rinforzo di strutture esistenti. Anche in questo campo MAPEI si contraddistingue da più di vent’anni nello sviluppo di nuove tecniche, vantando una proficua collaborazione fra i laboratori interni di R&S e numerose università italiane e straniere.

Il processo di sviluppo ha seguito soprattutto le evoluzioni normative e tecnologiche legate ai più importanti eventi sismici internazionali, portando allo sviluppo di sistemi di rinforzo specifici per ogni diversa problematica.

Rinforzo di edifici in calcestruzzo armato

A seguito dei numerosi eventi sismici che hanno colpito l’Italia e molti altri Paesi nel mondo negli ultimi decenni, nelle strutture in calcestruzzo armato si è potuto notare il ripetersi di alcuni meccanismi di collasso o danneggiamento “tipici”, il cui innesco può essere limitato o eliminato mediante differenti tecniche di rinforzo.

In funzione del risultato che si vuole ottenere, possono essere progettati differenti interventi di rinforzo:

• A) Incremento di resistenza e/o rigidezza mediante l’inserimento di un telaio ester- no, di sistemi di controvento o di setti in c.a.;
• B) Incremento di resistenza e/o di rigidezza mediante ringrosso di pilastri con c.a. o calastrellatura metallica;
• C) Incremento della capacità deformativa e della duttilità della struttura mediante fasciatura in FRP o incamiciatura con calcestruzzi fibrati ad alta prestazione.

Gli interventi al punto C risultano vantaggiosi perché permettono di migliorare la capacità deformativa globale della struttura intervenendo però localmente, conferen- do ai singoli elementi una maggiore duttilità oppure correggendo la gerarchia delle resistenze, intervento tipico soprattutto nelle strutture progettate per i soli carichi verticali.

I sistemi FRP e HPC di seguito descritti permettono di raggiungere tali obiettivi con notevoli vantaggi rispetto alle tecniche tradizionali in termini di costi e tempi di realizzazione, facilità di messa in opera, riduzione degli spazi interni fruibili, durabilità e soprattutto ridotta influenza sull’incremento delle masse e rigidezze globali origi- narie.

Rinforzo di edifici in muratura e legno

Le strutture in muratura portante ed elementi lignei, caratteristiche del patrimonio edilizio italiano, hanno evidenziato negli anni un’elevata vulnerabilità sismica legata a molteplici fattori. Le tecniche tradizionali di intervento non sempre hanno soddisfat- to le esigenze strutturali e di conservazione architettonica e per questa ragione nel recente passato si sono sviluppate diverse modalità di intervento conformi ai principi di compatibilità con la struttura esistente, quali la reversibilità, la durabilità e il mini- mo impatto sulla configurazione geometrica e dell’esistente. I materiali compositi (in particolare i sistemi FRP e FRCM) hanno dimostrato la loro valenza (e sostenibilità economica) assolvendo la propria funzione di mitigazione del rischio sismico nel rispetto di questi principi guida.

Sistemi FRP – materiali fibrorinforzati a matrice polimerica

I Fiber Reinforced Polymers, comunemente denominati FRP o materiali fibrorinfor- zati a matrice polimerica, costituiscono una vasta gamma di materiali compositi costi- tuiti da una matrice polimerica di natura organica (resina epossidica) con la quale vie- ne impregnato un rinforzo in fibra lunga e continua di elevate proprietà meccaniche.

I materiali compositi FRP sono materiali costituiti da due distinti elementi, fibre e matrice, con due diverse funzioni: le fibre hanno il compito di sopportare le sollecita- zioni, la matrice ha il compito di trasferire le sollecitazioni dall’elemento da rinforzare alle fibre di rinforzo.

Oltre alle consolidate applicazioni nel campo dell’ingegneria aeronautica, navale e meccanica, l’utilizzo degli FRP si è ormai affermato anche in edilizia, in particolare nel campo del rinforzo di strutture esistenti.

Tale diffusione, iniziata alla fine degli anni ‘80, si è sempre più ampliata grazie alla continua sperimentazione scientifica, all’affinamento delle modalità di applicazione con la messa in opera sul campo e allo sviluppo di un comparto normativo sempre più completo. Data la loro diffusione, in realtà gli FRP non dovrebbero più essere definiti una tecnica di rinforzo “innovativa” ma rientrare nel campo dei “comuni” interventi di rinforzo strutturale, soprattutto in ambito di adeguamento sismico. Gli FRP rappresentano un miglioramento rispetto a tecniche esistenti più tradizionali, grazie ai loro molteplici vantaggi, riassumibili nei seguenti punti:

• elevata resistenza chimica e durabilità nel tempo;
• incremento delle resistenze meccaniche degli elementi rinforzati, senza incre- mentare le masse e le rigidezze della struttura. Tale caratteristica rappresenta un vantaggio di fondamentale importanza soprattutto nei rinforzi in campo sismico;
• spessori di applicazione esigui che, a differenza dei tradizionali interventi di rinfor- zo (ringrossi di sezione, travi rompi-tratta, beton plaquè, ecc.) non modificano l’a- spetto estetico della struttura, non portando ad alcuna variazione della geometria originale;
• aumento della duttilità della struttura;
• velocità e semplicità dell’intervento;
• reversibilità dell’intervento.

Gli FRP, ad esempio, possono sostituire il tradizionale intervento di placcaggio con piatti di acciaio di strutture inflesse: la sostituzione di piastre in acciaio (pesanti, sog- gette a rapida corrosione e necessariamente da bullonare alla struttura) con fogli di tessuto FRP rappresenta un avanzamento tecnologico che permette di eliminare il problema della corrosione, semplificare le operazioni di posa, ridurre i tempi di inter- vento e non modificare le dimensioni dell’elemento rinforzato.

Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, i sistemi FRP risultano vantaggiosi anche dal punto di vista economico. Grazie alla loro estrema leggerezza, vengono messi in opera senza l’ausilio di particolari attrezzature e macchinari, da un numero limitato di operatori, in tempi estremamente brevi e spesso senza che risulti neces- sario interrompere l’esercizio della struttura. Di conseguenza, l’applicazione di questi sistemi permette di ridurre i tempi di applicazione e le attrezzature necessarie per l’intervento.

Gli FRP della gamma MAPEI possono essere suddivisi nelle macro-famiglie qui di seguito indicate:

MAPEWRAP SYSTEM, sistema di rinforzo strutturale composto da tessuto in fibra di carbonio, vetro o basalto ad alta resistenza con elevato modulo elastico e resine epossidiche di impregnazione e incollaggio. La possibilità di poter orientare e dosare le fibre di rinforzo nelle effettive direzioni secondo cui agiscono le sollecita- zioni (Fig. 1, Fig. 2), consente la realizzazione di diverse tipologie di tessuti con specifici campi di applicazione, consentendo così realizzazioni inimmaginabili con i mate- riali tradizionali. Nel seguito vengono riassunte le principali tipologie:

In alcuni casi è possibile utilizzare una diversa tipologia di tessuto, realizzata con fibre in acciaio MAPEWRAP S FABRIC in abbinamento a una matrice polimerica.

[...] l'articolo continua con altre macrofamiglie di FRP Mapei e la descrizione di un intervento di antiribaltamento delle tamponature e di antisfondellamento dei solai.

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Il presente articolo fa parte degli ATTI DEL CONGRESSO NAZIONALE 2019 DELL’ASSOCIAZIONE MASTER