Rifacimento di coperture di edifici esistenti: cordoli sommitali in pultruso e muratura armata con rete in GFRP

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. 

Nel presente lavoro si illustra la possibile realizzazione di cordoli sommitali costituiti da elementi pultrusi e da muratura armata con reti in GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer). La soluzione proposta può costituire una valida alternativa ai tradizionali cordoli in calcestruzzo armato, in acciaio o in muratura armata tradizionale. 

Le problematiche dell'utilizzo dei cordoli in cemento armato negli interventi di consolidamento sismico

Fino alla fine degli anni ’90 era prassi comune prevedere, nell’ambito di interventi di miglioramento o consolidamento sismico degli edifici esistenti in muratura, la realizzazione di cordoli sommitali in cemento armato. Il diffuso utilizzo di tale elemento strutturale era principalmente legato alla sua facilità di esecuzione.

A seguito del terremoto che nel 1997 interessò l’Umbria e le Marche, l’analisi dei danni riportati dagli edifici che erano stati precedentemente rinforzati con l’introduzione di cordoli in cemento armato, mise in evidenza le problematiche legate all’interazione di questi elementi con la sottostante muratura (Borri e De Maria, 2004). In particolare, si vide che 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 che non è uniformemente distribuita sulla muratura sottostante, ma che interessa solo alcune zone, privando vaste porzioni murarie dell’azione stabilizzante di compressione e lasciandole così libere di ribaltare in presenza di azioni orizzontali. Inoltre, venne evidenziato come le coperture rigide, sotto l’azione dinamica dovuta al sisma, tendano ad oscillare, scaricando in alcuni istanti le pareti murarie che tendono così a ribaltare (Cangi, 2012).

Una recente analisi (Sisti et al, 2018) ha però mostrato che i cordoli in cemento armato, se realizzati congiuntamente ad un efficace rinforzo delle murature verticali, non causano danni, anzi, contribuiscono ad una positiva risposta sismica della costruzione.

La possibilità di realizzare cordoli in cemento armato su edifici esistenti in muratura non deve quindi essere esclusa a priori, ma deve essere valutata con attenzione in funzione delle caratteristiche dell’edificio su cui si interviene.

Un altro aspetto da considerare al momento della scelta della tipologia di cordolo da adottare in un intervento di ristrutturazione è quello relativo alla conservazione. Da questo punto di vista, il cordolo in c.a., strutturalmente efficace e di facile ed economica realizzazione, male si adatta al caso degli edifici storici, trattandosi di una tecnica invasiva e irreversibile, poco o nulla compatibile con le situazioni in cui è necessario mantenere la natura ed i caratteri originari della costruzione.

In questi casi, per coniugare la necessità di ridurre la vulnerabilità degli edifici esistenti con le esigenze della conservazione, occorre individuare tecniche diverse, capaci di tenere in debito conto entrambi gli aspetti.

Una possibile soluzione è stata data con i cordoli in muratura armata (figura 1), che hanno il vantaggio di essere compatibili, per massa e rigidezza, con la muratura esistente; essi però, presentano spesso delle criticità operative che ne limitano l’utilizzo, o quantomeno ne rendono complessa la realizzazione. Una di queste criticità è la posa in opera della gabbia metallica, armatura del cordolo stesso. Per una corretta conservazione nel tempo dell’armatura è necessario che non ci sia calce nella malta utilizzata per la realizzazione del cordolo, ma l’impiego di malte cementizie può essere poco compatibile con le murature storiche. Altro elemento di criticità è la dimensione della gabbia metallica che, dovendo stare all’interno dell’elemento murario, di fatto consente l’impiego di questo tipo di cordolo solo su pareti di spessore pari o superiore a 45 cm.

Figura 1. Cordolo in muratura armata “tradizionale”.

Una soluzione innovativa per il cosolidamento di coperture di edifici in muratura o in pietrame o in laterizio

Una soluzione innovativa, proposta di recente (Borri et al, 2016; Sisti et al, 2016) è quella di realizzare dei cordoli sommitali in muratura armata, costruendo delle travi di muratura in cui delle reti preformate in GFRP vengono inserite come armatura nei giunti orizzontali di malta (figura 2). L’impiego di reti in GFRP consente di utilizzare malte a base di calce senza pregiudicare la durabilità del manufatto. Il sistema permette di ottenere cordoli sommitali, sia in muratura di pietrame, sia in laterizio, con un comportamento meccanico compatibile con quello della muratura su cui si interviene, senza apportare irrigidimenti indesiderati.

Questa tecnica consente anche di mantenere, ove richiesto, l’aspetto faccia vista originario dell’opera. Inoltre, per le murature di pietrame, può essere attuato un intervento attento alla “sostenibilità”, attraverso lo smontaggio controllato della parte sommitale della muratura esistente ed il successivo reimpiego del pietrame recuperato per la ricostruzione del cordolo armato.

Le prestazioni meccaniche di travi-cordolo così realizzate sono state esaminate mediante una campagna sperimentale riportata nelle pubblicazioni prima citate e sintetizzata nel successivo paragrafo.

Nel presente articolo viene presentata un’evoluzione di questi cordoli: per incrementare ulteriormente la loro capacità e, soprattutto, per favorire il collegamento con gli elementi che costituiscono la copertura, viene impiegata una lamina in pultruso, posta alla sommità del cordolo. 

Vengono qui illustrati anche i dettagli costruttivi relativi all’applicazione di tale tecnica, esaminando il caso di un cordolo di gronda. In un prossimo articolo saranno presentate le soluzioni di collegamento previste in altri casi riscontrabili in interventi di ristrutturazione di edifici esistenti, quali: timpani, cordoli centrali e incroci murari. 

Campagna sperimentale realizzata sulle travi-cordolo armate con reti GFRP

I cordoli sommitali, 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. Occorre quindi che la sezione muraria del cordolo possieda capacità di resistere a flessione e taglio sia nel piano verticale che in quello orizzontale. 

Per valutare l’efficacia dei cordoli in muratura armata con reti in GFRP sono state eseguite prove di flessione su 6 travi cordolo di lunghezza 5 m (figure 3a e 3b):

• 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 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 realizzazione dei prototipi ha messo in luce la semplicità operativa e la rapidità di esecuzione dell’intervento, indipendentemente dalla dimensione della maglia della rete di rinforzo e dalla irregolarità dei piani di posa.

Tutte le reti in GFRP impiegate nella sperimentazione sono costituite da fibre di vetro AR (Alcalino Resistente) con contenuto di zirconio pari o superiore al 16% e resina termoindurente di tipo vinilestere epossidico. Ogni singola barra della rete è caratterizzata da una resistenza di 3.5 kN e un modulo elastico di 23 GPa.

Lo schema statico adottato nelle prove di flessione è quello di una trave appoggiata con 4 m di luce libera di inflessione, caricata uniformemente nei due metri centrali (figura 2c). I prototipi sono stati sottoposti a prove di flessione sia nel piano verticale che in quello orizzontale .

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 semipieni, rinforzata con rete GFRP; c) schema di carico adottato nelle prove di flessione.

I risultati ottenuti dalle prove sono dettagliatamente descritti in (Sisti, 2017). 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 calcolati. 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), mentre nel campione L9-G33-V si è verificato un meccanismo di rottura per perdita di aderenza fra rete in GFRP e malta. 

Figura 4. (a) Rottura della trave P6-G33-H; b) carico massimo applicato sulla trave P7-G66-V.

I valori di abbassamento in mezzeria, misurati durante le prove di carico, hanno permesso il calcolo delle rigidezze flessionali di ciascun campione testato. Sono state ottenute rigidezze flessionali, rispettivamente per un’inflessione nel piano verticale e nel piano orizzontale, pari a 2.60E+12 Nmm² e 1.50E+12 Nmm² per i campioni in pietrame (valori medi) e 1.51E+12 N mm2 e 9.85E+11 N mm² per le travi in laterizio.

Le rigidezze calcolate sono nettamente inferiori a quella di una trave “tipo” in cemento armato (calcestruzzo C28/35, sezione 350x350mm, armata con 4 Φ16 agli angoli), pari a 5.26E+12 Nmm². 

Tale risultato avvalora quanto già detto nell’introduzione: la realizzazione di cordoli in muratura armata con reti in GFRP non introduce quelle rilevanti differenze di rigidezza con la muratura sottostante che si hanno invece con i cordoli in cemento armato. 

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

Possibili campi di applicazione della soluzione costruttiva

Attraverso il cordolo sommitale si vuole garantire un comportamento scatolare dell’edificio su cui si interviene e impedire i meccanismi di collasso per ribaltamento delle pareti, quando sottoposte ad azioni fuori dal piano.

Affinché tali funzioni siano espletate, è necessario progettare accuratamente il sistema di collegamento tra la parete e il cordolo, nonché fra il cordolo e la falda di copertura.

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Sismabonus 2017: un approfondimento con riflessioni, contributi grafici ed esempi a cura di Borri, Barluzzi e De Maria

Se tali connessioni sono efficaci, le azioni fuori del piano agenti sulla parete potranno essere equilibrate dai setti di spina, ortogonali alla parete stessa, tramite l’azione di controventamento svolta dalla falda.

In figura 6 viene illustrata la soluzione tecnica che propone la realizzazione di un cordolo sommitale costituito da muratura in laterizio e reti in GFRP sovrapposte in tre diversi strati prevalentemente orizzontali, posti alla base del cordolo, centralmente e alla quota di falda.

In sommità al cordolo si dispone una lamina in pultruso, collegata alla muratura sottostante attraverso dei connettori disposti a quinconce e con andamento inclinato. Le barre filettate dei perfori armati possono essere leggermente pretensionate tramite dado e rosetta sommitali fissati alla lamina stessa. 

Applicazione al caso del cordolo di gronda

Quello illustrato in figura 6 si riferisce al caso di un cordolo di gronda, e qui la lamina in pultruso costituisce anche un ancoraggio per gli zampini.

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 gestione delle attrezzaturre di cantiere e del personale impiegato. Inoltre, la lamina in pultruso permette di eseguire le forature per la disposizione dei perfori armati direttamente in cantiere, semplificando notevolmente la realizzazione della cordolatura. Infine, nei casi in cui si operi in ambienti ad elevata salinità e umidità, la scelta del pultruso ovvia a quei problemi di durabilità che invece interesserebbero un elemento in acciaio. 

Figura 6: Sezione trasversale del cordolo sommitale in pultruso e muratura armata con rete in GFRP.

Questo tipo di intervento è applicabile nei casi in cui sia possibile rimuovere la copertura originaria, presupponendo lo smontaggio e rimontaggio della parte sommitale della muratura per una altezza e uno spessore di 40-50 cm. Peraltro, si deve tenere presente che, negli edifici esistenti, la parte sommitale della muratura è generalmente quella che presenta la maggiore criticità, essendo la più ammalorata e la meno compatta, e per questo necessiterebbe comunque di un intervento di consolidamento.

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 (figura 7).

Nel caso di coperture con tavolato ligneo è sempre complesso assicurare un collegamento efficace tra falda e cordolo. Con questo tipo di intervento, il problema può essere risolto prolungando l’ultimo strato della rete in GFRP del cordolo sommitale, per circa 40 cm al disopra del tavolato, inglobandola in una fascia di soletta di spessore 2.5 cm. Tale soletta è quindi collegata al tavolato tramite nastri in acciaio incrociati, disposti con un interasse di 1.5 m circa (figura 8).

Nel caso di un intervento che preveda il consolidamento delle pareti in muratura mediante intonaci armati con reti in GFRP (figura 9) il cordolo sommitale prima descritto si inserisce perfettamente: l’armatura dell’intonaco applicato sulle superfici murarie viene prolungata fino alla sommità del cordolo ed è ad esso collegata attraverso due angolari preformati sempre realizzati con reti in GFRP.

Figura 7: Sezione A-A del cordolo sommitale in pultruso e muratura armata con rete in GFRP.

Figura 8: Pianta del cordolo sommitale in pultruso e muratura armata con rete in GFRP.

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