Valutazione sperimentale mediante prova su tavola vibrante dell'efficacia di interventi con sistemi FRG su volte in muratura

Prota A.¹, Pellecchia M.², Lignola G.P.¹, Zinno A.², Balsamo A.¹, Iovinella I.¹, Maddaloni G.³

ABSTRACT
Gli ultimi terremoti severi avvenuti in Italia hanno mostrato l’estrema vulnerabilità delle costruzioni storiche. In particolare una delle principali criticità osservate ha riguardato gli archi e le volte. Risulta evidente che una conoscenza approfondita del comportamento dinamico di questi elementi strutturali rappresenta un passo fondamentale per la salvaguardia del patrimonio storico.
Normalmente le volte vengono studiate con metodi semplificati o, in alternativa, con metodi FEM più avanzati. Ad oggi, sperimentazioni sul comportamento dinamico di questi elementi strutturali rappresentano un vuoto nell’ingegneria strutturale che va necessariamente colmato.
Nell’ambito del progetto di ricerca PROVACI, (Tecnologie per la PROtezione e la VAlorizzazione di Complessi di Interesse culturale) rientrante nel Programma Operativo Nazionale per la Ricerca e la Competitività PON-REC 2007-20013 (PON 01_02324), è stata svolta una campagna di prove per approfondire il comportamento dinamico di volte in muratura per effetto di azioni sismiche. Allo scopo è stato appositamente realizzato e, successivamente, testato, presso il dipartimento di strutture per l’ingegneria e l’architettura della facoltà di Napoli Federico II², mediante prove dinamiche su tavola vibrante, un campione di volta in muratura in scala reale.
La presente memoria descrive approfonditamente tutta la campagna di prove svolta, che ha riguardato molteplici test eseguiti sul campione e, successivamente, il rinforzo dello stesso, a valle del quale è stata svolta un’ulteriore campagna di prove. Viene quindi confrontata la risposta strutturale del campione prima e dopo il rinforzo potendone quantificare l’incremento prestazionale raggiunto.

1. Introduzione

Le strutture in muratura rappresentano una grossa parte del patrimonio storico-architettonico-culturale italiano ed estero. I problemi connessi alla protezione e salvaguardia di questi beni, sia di carattere statico che connessi al rischio sismico in cui è coinvolto l’intero territorio italiano, sono accentuati dall’importanza legata alla tutela integrale di tali beni utilizzando tecniche non invasive e compatibili con i materiali preesistenti.
Gli impalcati degli edifici storici in muratura, ed in particolare degli edifici di pregio architettonico, sono realizzati prevalentemente con elementi voltati. Focalizzandosi su questo tipo di strutture, gli ultimi eventi sismici severi occorsi in Italia hanno evidenziato l’estrema inefficacia di interventi estremamente invasivi che ne modificano totalmente la risposta strutturale.
Gli archi e le volete in muratura sono elementi strutturali con origini antiche e vengono studiati da secoli, a partire da studiosi quali Galileo, Huygens, Leibniz, Bernoulli fino a Heyman, Gaudy ed altri, che hanno studiato sia l’aspetto matematico (catenaria), sia il comportamento statico, elaborando metodi grafici, basati sulla cinematica dei corpi rigidi e deformabili. Agli studi teorici si affiancano prove di carattere sperimentale, di tipo statico e dinamico, fondamentali per approfondire il comportamento di questi elementi strutturali e confermare i risultati teorici.
La presente memoria si inserisce in questo contesto, studiando il comportamento dinamico di un campione di volta in muratura di mattoni in scala reale; tale lavoro è stato anche oggetto di una tesi di dottorato [1]. Prove dinamiche su volte in muratura sono state eseguite in pochi casi [2], [3]; pertanto il comportamento dinamico, per effetto di azioni sismiche severe di questi elementi strutturali, presenta, ad oggi, ancora molti interrogativi.
Contestualmente il lavoro ha previsto lo studio, successivo, del campione rinforzato con tecnologia di intonaco armato con sistema FRG (Fiber Reinforced Grout) in fibra di basalto, materiale esente da carbonio e meccanicamente compatibile con il supporto murario e malta a reattività pozzolanica. Negli ultimi anni, l’utilizzo di materiali polimerici (FRP) è stato ampiamente impiegato per il rinforzo di strutture in muratura. Questi materiali presentano caratteristiche meccaniche elevatissime accompagnate da assenza di corrosione elettrochimica e ridotto coefficiente di dilatazione termica. D’altro canto problematiche come la scarsa resistenza alle alte temperature, ridotta permeabilità al vapore, scarsa compatibilità con i supporti murari e reversibilità dell’intervento [4], spesso non rendono possibile l’impiego di questa tecnologia specialmente se in presenza di strutture di pregio storico-artistico-architettonico. L’utilizzo di materiali con matrice inorganica sta acquisendo grande rilievo negli ultimi anni sia per la facilità di posa in opera rispetto ai polimeri organici (pot-life elevati, assenza di sostanze volatili tossiche, ecc.) che per l’elevata compatibilità materica con la muratura. Ad oggi però non esistono codici specifici che regolamentano l’uso di compositi a matrice inorganica, pertanto l’esecuzione di indagini sperimentali mirate alla calibrazione delle proprietà meccaniche di questi materiali risulta necessario per poterli utilizzare nei modelli numerici e per le relative verifiche indispensabili per la progettazione degli interventi di rinforzo strutturale.
Il presente lavoro sperimentale rappresenta il primo passo di una ricerca più ampia riguardante le volte in muratura. Il campione oggetto del presente lavoro è direttamente vincolato alla tavola; pertanto i risultati sono connessi al comportamento dinamico della sola volta, senza che intervengano, ad esempio, la deformabilità dei piedritti ed il loro possibile movimento asincrono. Test futuri coinvolgeranno il comportamento dei maschi murari, la presenza di materiale di riempimento, di irrigidimenti ecc.

2. Descrizione della campagna sperimentale

La campagna di prove su tavola vibrante è stata svolta con lo scopo di studiare il comportamento dinamico di una volta in muratura, per effetto di azioni sismiche severe, con geometria tipica delle volte costituenti gli edifici storici, e dell’incremento prestazionale raggiunto a seguito del rinforzo della stessa mediante intonaco armato sistema FRG (Fiber Reinforced Grout) in fibra di basalto.
Di seguito si descrive il campione, il rinforzo, il set-up di prova e le strumentazioni utilizzate.

2.1 Descrizione del campione
Oggetto della campagna di prove è una volta in laterizio in scala reale, avente geometria e materiali coincidenti con un’altra utilizzata in precedenza per prove statiche [5]. La geometria della volta impiegata è tipica degli edifici storici e presenta un sesto leggermente ribassato. La volta ha una luce netta di 298 cm, freccia di 114 cm e profondità di 220 cm (Figura 1 a – b).

   (a)                                                                                         (b)
Figura 1 – (a) Immagine della volta; (b) vista planimetrica e prospettica quotata (cm).

Il campione non presenta alcun materiale di riempimento all’estradosso ed i piedritti non proseguono oltre le quote di imposta. Lo stesso rappresenta un tipico esempio di volte di copertura esistenti in cui le fasce di piano sono provviste di opportuno vincolo perimetrale continuo (es. cordolo in c.a.) che ne garantisce il comportamento scatolare evitando moti asincroni dei piedritti.
La volta è realizzata con mattoni rossi di San Marco di dimensione 12x5,5x25 cm disposti di coltello e malta a base di calce e pozzolana (Mape-Antique Allettamento – MAPEI S.p.A.). Sono state eseguite prove di caratterizzazione meccanica della malta su 18 provini di dimensione 40x40x160 mm secondo le prescrizioni della UNI EN 1015-1 (2007) [6]; le proprietà meccaniche dei mattoni invece sono state caratterizzate nella [7], secondo la UNI EN 772-1:2011 [8], UNI 8942-3 (1986) [9] e UNI 6556 (1976) [10]. Nella Tabella 1 si riassumono le proprietà meccaniche di malta e mattoni ottenute.

Tabella 1 – Caratterizzazione meccanica dei materiali.

2.2 Descrizione del campione rinforzato
Al termine della prima campagna di prove, il campione è stato rinforzato mediante una rasatura armata realizzata nella parte estradossale. La scelta di operare solo all’estradosso è stata motivata per congruenza ai casi reali, in cui, molto spesso, risulta difficoltoso intervenire anche all’intradosso, a causa, ad esempio, della presenza di affreschi, stucchi o parati. Di seguito si descrivono più nel dettaglio le fasi del rinforzo.
All’intradosso della volta sono state unicamente sigillate le fessure (Figura 2 a) mediante malta a base di calce e pozzolana superfluida (Mape-Antique FC ultrafine - MAPEI S.p.A.) per poter eseguire, successivamente, all’estradosso iniezioni manuali con malta e ripristinare la continuità persa a seguito delle prove.

   (a)                                                                                       (b)
Figura 2 – Sigillatura fessure intradossali (a); Predisposizione di fori estradossali per esecuzione iniezioni.

Le iniezioni sono state eseguite all’estradosso del campione, mediante appositi fori predisposti (Figura 2 b) con trapano a sola rotazione, loro successiva pulizia con aria in leggera pressione (Figura 3 a), bagnatura ed iniezione (Figura 3 b) con malta superfluida compatibile con le superfici murarie (Mape-Antique FC ultrafine - MAPEI S.p.A.).

   (a)                                                                                  (b)
Figura 3 – Soffiatura dei fori (a); Iniezioni estradossali con malta superfluida.

Successivamente è stata posta in opera, fresco su fresco, una rete in fibra di basalto bilanciata da 250 gr•m-2 (Mapegrid B250 - MAPEI S.p.A.) interposta da malta strutturale bicomponente a base di calce e pozzolana (Planitop HDM restauro – MAPEI S.p.A.) cfr. Figura 4 (a-b-c-d) realizzando una rasatura armata di spessore inferiore ad 1cm.

   (a)                                                                                  (b)

   (c)                                                                                  (d)
Figura 4 – Iniezioni con malta (a); posa in opera della rete (b); dettaglio del rinforzo (c); panoramica del campione rinforzato (d).

La rete, di larghezza pari ad 1 ml, è stata posta in opera partendo dalle due estremità e realizzando un terzo strato, con larghezza di 50 cm, in mezzeria sovrapponendo ciascun lato di 25 cm (cfr. Figura 4 b).
In Tabella 2 sono riassunte le caratteristiche meccaniche dei materiali costituenti il rinforzo.

Tabella 2 – Caratteristiche meccaniche del rinforzo in FRG.

NELL'ARTICOLO COMPLETO I RISULTATI DELLA CAMPAGNA DI PROVE SPERIMENTALI SU TAVOLA VIBRANTE SU VOLTE IN MURATURA RINFORZATE MEDIANTE INTONACO ARMATO CON SISTEMA FRG E RETE IN FIBRA DI BASALTO.
 

¹ Dipartimento di Strutture per l’Ingegneria e l’Architettura, Università di Napoli Federico II
Via Claudio, 21 – 80125 Napoli (Na) - www.dist.unina.it
² Stress S.c.a r.l. Sviluppo Tecnologie e Ricerca per l’Edilizia sismicamente Sicura ed ecoSostenibile
Vico II San Nicola alla Dogana, 9 – 80133 Napoli (Na) – www.stress-scarl.it
³ Dipartimento di Ingegneria, Università di Napoli Parthenope
Centro Direzionale, Isola C4, 80143 – 80143 Napoli (Na) - www.uniparthenope.it