Superbonus 110% e rinforzo strutturale con materiali innovativi FRCM Kerakoll: l’analisi di un caso studio

Analizziamo una nuova tipologia di rinforzo strutturale per edifici in muratura esistenti, basata sull’impiego di materiali innovativi di tipo FRCM - Fibre/Fabric Reinforced Cementitious Matrix/Mortar - costituiti dall’accoppiamento di matrici minerali con tessuti in fibre ad altissima resistenza.  

In questo articolo vogliamo illustrare, dopo l’analisi delle tipologie dei materiali, le modalità con cui è possibile usufruire delle agevolazioni fiscali Sismabonus, maggiorate al 110% ai sensi del Decreto Rilancio (DL 19 maggio 2020, n. 34, in attesa di legge di conversione). In particolare, dopo una introduzione tecnico/teorica, viene affrontato un caso studio applicativo relativo al rinforzo di un edificio in muratura, con il calcolo della classe di rischio sismico e le conseguenti analisi sui risultati raggiunti.

Materiali innovativi FRCM: caratteristiche meccaniche, le resistenze, legami costitutivi, prove di qualificazione ed accettazione

Si ricorda, brevemente, che l’impiego dei materiali FRCM è stato recentemente introdotto dal recente documento tecnico redatto dal Consiglio Nazionale delle Ricerche CNR DT 215/2018 (30 giugno 2020) intitolato “Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l’utilizzo di Compositi Fibrorinforzati a Matrice Inorganica”. Ulteriori indicazioni sull’utilizzo dei rinforzi fibrosi a matrice cementizia sono pervenute da due linee guida, pubblicate dal Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici (CSLP):

• “Linea Guida per la identificazione, la qualificazione ed il controllo di accettazione di compositi fibrorinforzati a matrice inorganica (FRCM) da utilizzarsi per il consolidamento strutturale di costruzioni esistenti” (versione di Dicembre 2018);
• “Linea Guida per la progettazione, l’esecuzione e la manutenzione di interventi di consolidamento strutturale mediante l’utilizzo di sistemi di rinforzo FRCM” (versione di Ottobre 2019).

L’applicazione dei rinforzi FRCM su pannelli murari esistenti consente di incrementare notevolmente la resistenza del pannello, sia per azioni nel piano (es. taglio e momento) che fuori piano. L’efficacia dell’intervento, come si vedrà con un esempio, è comprovata dal soddisfacimento delle verifiche di sicurezza dei pannelli murari nella situazione post-intervento, rispetto a quella ante-intervento. L’utilizzo di questa tipologia di interventi è particolarmente indicato per l’adeguamento, il miglioramento o per interventi locali, anche su strutture danneggiate da eventi sismici o da recuperare.

I nuovi materiali FRCM sono indicati anche per ridurre la vulnerabilità sismica degli edifici esistenti grazie, ad esempio, alla riduzione della Classe di Rischio Sismico (CRS) definita dal Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti al DM 28/02/2017 e successive modifiche ed integrazioni, recante “Linee Guida per la Classificazione del Rischio Sismico delle Costruzioni”. 

Come sono costituiti gli FRCM

I rinforzi FRCM (Fibre/Fabric Reinforced Cementitious Matrix/Mortar) sono materiali di tipo “composito”, formati dall’accoppiamento di due tipologie di materiali:

• fibre, in forma di tessuti, ad altissima resistenza a trazione e basso peso specifico, tipicamente in acciaio ad alta resistenza, basalto, vetro, aramide, carbonio, o PBO (poliparafenilenbenzobisoxazolo);
• matrice costituita da malte cementizie o a base di calce, oppure conglomerati cementizi.

Esempi di fibre utilizzate per la composizione di FRCM

Gli spessori del rinforzo sono, generalmente, compresi tra 5 e 15 mm nel caso sia presente un singolo strato di rete, e raggiungono i 30 mm nel caso di più strati.

L’FRCM utilizzato negli interventi su edifici esistenti deve rispettare i requisiti sui materiali strutturali previsti al § 11 del D.M. 2018 (Norme Tecniche per le Costruzioni), ed in particolare essere identificato e qualificato secondo uno dei casi previsti al § 11.1. In particolare, dovranno essere utilizzati materiali per i quali sia accertata la presenza di una “Dichiarazione di Prestazione” e della “Marcatura CE” (ottenuta dal produttore sulla base di una norma europea armonizzata, ovvero di una “Valutazione Tecnica Europea”, cd. ETA), oppure di un “Certificato di Valutazione Tecnica” rilasciato dal Presidente del Consiglio dei Lavori Pubblici.

Le caratteristiche meccaniche degli FRCM

Le caratteristiche meccaniche del rinforzo FRCM devono essere indagate tenendo conto non soltanto delle proprietà dello stesso (costituito dalla matrice minerale e dalle fibre ad alta resistenza), ma anche considerando lo specifico supporto dove è applicato. Le linee guida CNR DT 215/2018 (cfr. § 2.23), infatti, impongono di considerare anche possibili modalità di collasso lato supporto (es. distacco con rottura coesiva), oltre alle classiche modalità di rottura proprie dei compositi fibrorinforzati (es. distacco per delaminazione di malta o fibre, oppure la rottura a trazione delle fibre).

Le prove sperimentali di trazione sul solo materiale FRCM (quindi senza considerare il supporto) mostrano un comportamento sostanzialmente trilineare del legame costitutivo, caratterizzato da un primo tratto sostanzialmente elastico lineare e non fessurato; un secondo tratto leggermente incrudente corrispondente ad una fase intermedia tra stato fessurato e non fessurato (simile ad uno snervamento); ed un terzo ramo incrudente nello stato di completa fessurazione.

Tipico andamento del legame costitutivo a trazione del solo rinforzo FRCM

Al suddetto legame, la CNR DT 215/2018 affianca quello ottenuto mediante prova di trazione su un provino FRCM applicato su un materiale di supporto (ad esempio muratura in laterizio, calcestruzzo, tufo, etc.). La curva che si ottiene, in questo caso, è inizialmente lineare, e successivamente degradante fino alla rottura. Ai fini del calcolo e delle verifiche strutturali, è conveniente limitarsi a considerare il contributo della parte sostanzialmente elastica del rinforzo FRCM. All’uopo le normative si riferiscono alla cosiddetta “tensione limite convenzionale”, σ_lim,conv, cui corrisponde, per il tramite del modulo di elasticità del solo rinforzo, Ef, una deformazione limite convenzionale:

Generalmente la suddetta tensione limite convenzionale, ottenuta dalle prove di trazione di FRCM applicati su supporti di diversa natura, è inferiore o al più uguale alla tensione di rottura del solo rinforzo FRCM. Viene assunto che la σ_lim,conv sia quella tensione corrispondente alla forza di picco raggiunta in una prova di distacco dell’FRCM dal supporto diviso l’area, A_f, del rinforzo (si veda la seguente figura).

Tipico legame costitutivo dell’FRCM utilizzato nei calcoli

Qualora il rinforzo sia garantito contro un eventuale distacco di estremità (ad esempio con dispositivi di ancoraggio meccanici o attraverso l’estensione del rinforzo fino ad una distanza significativa dalla sezione maggiormente sollecitata) e se la σ_lim,conv non ricade nel primo tratto non fessurato del legame del solo rinforzo FRCM (ovvero se la crisi avviene con apertura di fessure), è possibile aumentare forfettariamente la tensione limite convenzionale e la rispettiva deformazione con un coefficiente di amplificazione α = 1,5 per tenere conto del contributo della fessurazione: 

Ai fini delle verifiche strutturali, inoltre, occorrerà ridurre i valori caratteristici mediante l’uso di un “fattore di conversione ambientale”, η, funzione delle condizioni di esposizione, nonché con l’uso di fattori parziali di sicurezza, γ_m, funzione dello stato limite considerato. In definitiva, i valori di progetto sono ottenuti dalla seguente relazione:

essendo X_k i valori caratteristici della generica proprietà considerata.

La seguente tabella riporta i valori dei fattori di conversione ambientale e dei fattori parziali di sicurezza riportati nelle normative vigenti.

Tabella: valori dei fattori parziali di sicurezza (a sinistra) e dei fattori di conversione ambientale (a destra), per rinforzi FRCM

Nella seguente tabella si riportano alcuni valori delle caratteristiche meccaniche di rinforzi FRCM prodotti da Kerakoll Spa (strutturale.kerakoll.com), per applicazione su supporti in laterizio o tufo, e confezionati con matrice minerale a base di calce idraulica naturale tipo “GeoCalce F”. Si noti che, per tutti i rinforzi indicati, sono previste delle lunghezze minime di ancoraggio e di sovrapposizione pari a 300 mm. Il numero massimo di strati applicabili, inoltre, è pari a 3 (su ciascuna faccia del pannello murario). 

Tabella: Proprietà meccaniche di alcuni FRCM prodotti da Kerakoll S.p.A.

All'interno dell'articolo integrale, la trattazione di un CASO APPLICATIVO dei rinforzi antisismici con FRCM per un edificio esistente in muratura realizzato nel 1969

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