Tecniche di consolidamento a basso impatto per il mantenimento del “faccia a vista” di murature storiche

Come rendere sicure le costruzioni in muratura di pietra faccia a vista senza snaturarne il carattere storico e come valutare l’efficacia delle tecniche attualmente disponibili?

Sono queste alcune delle questioni più dibattute nella ricostruzione dopo gli eventi sismici del 2016, a cui la comunità scientifica è chiamata a dare un contributo.

Con questo obiettivo, in questo articolo, vengono illustrati i risultati di prove su tavola vibrante di una parete in muratura rinforzata con il Sistema Reticola Plus di Fibre Net costituita da trefoli in acciaio inossidabile incorporati nei giunti di malta del lato faccia a vista e muniti di connettori trasversali all’intonaco armato CRM termoisolante applicato sul paramento interno.

Le simulazioni sismiche sono state eseguite su pareti in pietrame a più paramenti in scala reale, costruite con le pietre recuperate dalle macerie di una frazione severamente colpita dal terremoto del Centro Italia e sottoposte alle registrazioni sismiche di Norcia, Castel Sant’Angelo sul Nera e Amatrice, con intensità via via crescente, fino al collasso.

Allo scopo di verificare l’efficacia del sistema di rinforzo, le prove sono state ripetute su due prototipi, il primo non rinforzato e il secondo consolidato con il sistema Reticola Plus.

La soluzione di rinforzo si è dimostrata efficace nel mitigare la vulnerabilità sismica delle costruzioni storiche, attraverso il contenimento del danneggiamento della parete, il vincolo alla separazione dei paramenti e la significativa riduzione dei fenomeni di disgregazione della muratura.

La grande vulnerabilità dei centri storici con edifici in muratura di pietrame

In molti paesi, e in particolare sul territorio nazionale, una parte significativa dei centri storici è costruita da edifici in muratura di pietrame. In presenza di azione sismica, l’irregolarità della tessitura della muratura, la scarsa qualità della malta di allettamento nonché il debole collegamento tra pareti tra loro ortogonali e tra pareti e strutture di orizzontamento (solai, coperture, ecc.) possono essere causa di crolli rovinosi per separazione e disgregazione dei paramenti, soprattutto per sollecitazioni fuori dal piano [10; 02].

Questa vulnerabilità rappresenta ancora una sfida importante sia per la comunità scientifica che per quella ingegneristica. Da un lato, la complessa risposta dinamica di tali tipologie di muratura rende più complessa la valutazione della capacità sismica [04], soprattutto con approcci tipici della meccanica dei corpi rigidi [10].

D'altra parte, sono necessarie tecnologie di consolidamento efficaci per proteggere le vite umane e salvaguardare il patrimonio costruito, assicurando la conservazione del suo valore architettonico. Gli interventi comprendenti l’inserimento di travi metalliche e di cordoli sommitali in muratura armata, ampiamente impiegati dopo i terremoti recenti, potrebbero non essere sufficienti, da soli, a prevenire la disgregazione della muratura e la separazione dei paramenti, quindi sono necessari anche sistemi di rinforzo diffusi sull’intera superficie delle pareti murarie [06; 07].

Inoltre, è necessario sviluppare di soluzioni innovative di consolidamento che:

1. garantiscano la compatibilità con i materiali originali;
2. preservino la faccia-vista delle facciate;
3. mantengano la funzionalità e l’utilizzo da parte degli occupanti il fabbricato anche durante gli interventi di consolidamento;
4. salvaguardino eventuali affreschi o decorazioni presenti su lato della parete;
5. combinino miglioramento sismico ed energetico.

Innovativa tecnologia per il rinforzo sismico di pareti in muratura di pietrame facciavista

In questa sperimentazione è stata testata tecnologia per il rinforzo sismico di pareti in muratura di pietrame facciavista [01], che prevede l'utilizzo nei giunti di malta, opportunamente scarificati sul lato in cui si mantiene il paramento faccia a vista, di armature in trefoli di acciaio inossidabile che vengono collegati ad un intonaco armato termoisolante (CRM) applicato sul lato interno, tramite barre di acciaio inossidabile.

Tale tecnica è concepita per contrastare la separazione dei paramenti e fornire un effetto di ritegno, distribuito, per prevenire la disgregazione della muratura [03]. Allo stesso tempo l’intervento è celato all’interno dei giunti di malta e quindi viene preservato l’aspetto architettonico della muratura faccia a vista.

I progetti di ricerca SISMI e SICURA

La ricerca è stata svolta nell'ambito di due progetti di ricerca, denominati SISMI (Tecnologie per il miglioramento della sicurezza e la ricostruzione dei centri storici in aree a rischio sismico) e SICURA (Tecnologie sostenibili per la protezione sismica del patrimonio culturale), finanziati da parte della Regione Lazio, a sostegno della ricerca scientifica e tecnologica per lo sviluppo di tecnologie di protezione sismica a seguito degli eventi del 2016-2017.

Al fine di riprodurre i materiali e la tessitura muraria rilevata nei paesi del Centro Italia colpiti dal terremoto, i blocchi di pietra sono stati recuperati dalle macerie di un borgo gravemente danneggiato dal sisma. Il mix design della malta di allettamento è stato formulato sulla base di campioni di malta prelevati in zona. Il setup di prova è stato concepito per riprodurre le condizioni tipiche delle murature sollecitate a flessione verticale fuori dal piano. Tre registrazioni naturali della sequenza sismica 2016-2017 sono state applicate nelle due componenti orizzontale e verticale.

I prototipi in muratura e il programma sperimentale

La costruzione dei prototipi è stata eseguite da maestranze specializzate istruite per riprodurre le pratiche costruttive (dimensione e forma delle pietre, apparecchiature muraria) tipiche della zona. La fedele rappresentazione delle tipologie murarie rilevate sul campo è stata considerata essenziale per replicarne le modalità di danneggiamento, e quindi valutare l'efficacia delle tecnologie di rinforzo. Un campione (denominato UR) è stato testato non rinforzato, mentre l’altro (denominato CR) è stato rinforzato accoppiando i Sistemi Reticola e CRM - Composite Reinforced Mortar – (vedi la campagna sperimentale di prove su muratura in tufo su tavola vibrante) di Fibre Net SpA. (Sistema Reticola Plus).

Figura 1 - Fasi realizzative e dettagli costruttivi dei campioni in muratura: creazione del primo corso di pietrame (a), tessitura della parte iniziale del campione (b), connettori di sommità (c), cordolo di sommità armato con rete in GFRP (d), fasi di intonacatura del paramento interno (e), intonaco di rettifica del cordolo sommitale(f)

I prototipi sottoposti a prove su tavola vibrante (Figura 1) avevano spessore 500 mm, larghezza di 1630 mm e altezza 3730 mm, con un rapporto altezza / spessore di circa 7,5, comune nella zona. Al fine di replicare le caratteristiche architettoniche dei borghi storici, il lato esterno dei muri è stato realizzato in muratura facciavista, mentre il lato interno è stato intonacato. Gli elementi lapidei sono stati raccolti principalmente dalle macerie di Collespada, frazione del comune di Accumoli. La malta di allettamento riprodotta dalla composizione rilevata mediante calcimetria di 20 campioni raccolti nell'area.

I campioni comprendevano due paramenti esterni e un nucleo centrale con elementi più piccoli e alcuni vuoti, in assenza di diatoni (Figura 1 a, b). Sulla sommità della parete è stata realizzato un cordolo in muratura armata, con le stesse pietre del muro disposte secondo una tessitura più regolare e una malta premiscelata NHL a media resistenza. Uno strato di rete in GFRP con passo di maglia pari a 66 mm × 66 mm è stato inserito in ognuno dei tre giunti di letto.

Il cordolo, di altezza complessiva pari a 260 mm, è stato collegato alla muratura sottostante da tre barre filettate in acciaio zincato, inserite per circa 365 mm nel muro sottostante mediante malta cementizia ad alta colabilità e antiritiro (Figure 1 c, d). Sul lato interno la trave di coronamento è stata completamente intonacata (Figura 1e), mentre su quella esterna è stata stesa una sottile fascia di intonaco per garantire il contatto con il vincolo superiore (Figura 1f).

Approfondimento sul sistema RETICOLA di Fibre Net

RETICOLA è il sistema di rinforzo strutturale per il consolidamento delle murature da mantenere faccia a vista, secondo la tecnica Reticolatus™, provvisto di marcatura CE e consiste nella realizzazione della ristilatura armata dei giunti, con trefoli in acciaio inox. Il collegamento dei trefoli alla muratura viene realizzato mediante connettori trasversali in acciaio inox di diametro e numero previsti dal progetto, disposti secondo uno schema a quinconce regolari. I trefoli metallici vengono debitamente pretensionati. La ristilatura finale di malta, che ricopre completamente sia i trefoli che i connettori, permette di conservare la finitura faccia a vista della muratura. Il sistema consente di migliorare le resistenze al taglio e alla flessione della muratura, mantenendo l’aspetto estetico originario, particolarmente importante in caso di edifici storici o vincolati.

Ambito di intervento

• Consolidamento di strutture degradate
• Miglioramento sismico
• Presidio antiribaltamento

Caratteristiche

• Incremento resistenza a compressione
• Incremento resistenza a taglio
• Incremento di resistenza a flessione nel piano
• Incremento di resistenza a flessione ortogonale al piano
• Collegamento trasversale di paramenti murari scarsamente ammorsati
• Rinforzo diffuso e omogeneo
• Elevata resistenza alla corrosione e compatibilità con malte a base di calce
• Reversibilità e bassa invasività
• Adatto per interventi su beni storici e vincolati

RETICOLA PLUS

Il sistema RETICOLA PLUS è un ulteriore evoluzione del sistema RETICOLA e prevede la realizzazione di una ristilatura armata dei giunti sulla parete da lasciare a vista e l’applicazione di un intonaco armato con reti preformate in GFRP sulla parete opposta da intonacare. Il rinforzo tridimensionale creato consente di migliorare le resistenze al taglio, alla flessione e alla compressione della muratura, mantenendone l’aspetto estetico.

La simulazione su tavola vibrante

Il setup sperimentale è stato progettato in modo tale che le forze inerziali attivate dal moto della tavola provocassero una flessione verticale, secondo una metodologia già sperimentata in precedenza [05].

A tale scopo, due telai in acciaio controventati sono stati posizionati sulla tavola vibrante ai lati del muro (Figura 2) a sostegno di travi di ritegno disposte sui lati anteriore e posteriore dlla parete all'altezza del cordolo sommitale, muniti di rulli in gomma vulcanizzata a basso attrito a contrasto con il cordolo di sommità. Tale vincolo superiore ha lasciato liberi gli spostamenti verticali e le rotazioni ma non lo spostamento fuori dal piano, per impedire il ribaltamento semplice della parete. Per simulare il carico sommitale, sono state posizionate sulla sommità del muro e collegate con barre filettate quindici piastre di acciaio (per un peso totale di 15 kN) (Figure 1c, 2). 

Gli input sismici

Poiché l'intero programma sperimentale è stato ispirato dai danni causati al patrimonio costruito durante i terremoti del Centro Italia 2016-2017, sono state selezionate le registrazioni della Rete Accelerometrica Nazionale di tre stazioni in tre diversi eventi della sequenza sismica: Norcia, NRC (24 agosto 2016), Castelsantangelo sul Nera, CNE (26 ottobre 2016) e Amatrice, AMT (30 ottobre 2016).

Sono state, quindi, applicate sia la componente verticale (V) che quella orizzontale (est-ovest) (H) applicata nella direzione fuori dal piano della parete. L'applicazione della componente verticale ha permesso di includere nella sperimentazione gli effetti dinamici che generalmente vengono trascurati in sede di verifica sismica [08; 09].

Figura 2 - Setup sperimentale di prova 

Il prototipo consolidato con il Sistema Reticola Plus

La tecnica di rinforzo denominata Reticola Plus [01;03] consiste nell’inserimento nei giunti di malta della muratura da rinforzare, precedentemente scarniti per una profondità di circa 6 cm, di una maglia continua realizzata con trefoli in acciaio inossidabile con disposizione sub-verticale e sub-orizzontale, le cui intersezioni sono fissate al paramento murario mediante barre trasversali passanti, anch’esse in acciaio inossidabile.

Nell’estremità sagomata ad anello del connettore vengono inseriti i trefoli metallici, così che, serrando il dado posto sull’estremità opposta del connettore, è possibile applicare un leggero pre-tensionamento dei trefoli in acciaio inox, rendendoli, di fatto, meccanicamente attivi (Figura 3).

Figura 3 - Sistema Reticola Plus

Figura 4 - Posizionamento dei componenti del Sistema Reticola Plus sul campione di prova

Sul paramento da mantenere “faccia a vista” i trefoli metallici sono stati disposti a formare maglie approssimativamente quadrate le cui dimensioni, nel caso specifico della campagna sperimentale, sono comprese fra i 400 e i 500 mm, e dipendono grossomodo dalla pezzatura e dalla tessitura degli elementi lapidei che costituiscono la muratura: nel campione di prova, considerata anche la volontà di realizzare un paramento murario “disordinato”, la disposizione ha necessariamente subito sensibili variazioni nella disposizione, soprattutto nei fili sub-verticali. Sull’altra faccia del campione (quella considerata interna al fabbricato) è stato applicato un intonaco armato con rete in GFRP (Sistema CRM)

Le due facce rinforzate sono state fra loro collegate attraverso connettori trasversali in acciaio inossidabile in ragione di circa 5 al m² e disposti secondo uno schema a quinconce seguendo i nodi della maglia di trefoli in acciaio inox (Figura 4).

... continua.

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All'interno i risultati delle prove su tavola vibrante