Materiali compositi a matrice inorganica nel miglioramento sismico del costruito storico: il tema dell'aderenza

21/06/2018 4554

Questo contributo affronta il tema dell’aderenza dei sistemi di rinforzo in materiale composito costituiti da matrici inorganiche e fibre di acciaio (SRG). Si riporta l’esperienza delle prove di shear test condotte su un sistema SRG, effettuate a conclusione dell’intervento di miglioramento sismico del Municipio del comune di Casciana Terme Lari. Dopo una prima parte in cui si descrivono le differenze e particolarità dei rinforzi a matrice inorganica, si esaminano i risultati delle prove di aderenza, confrontandoli con i valori teorici dei tradizionali FRP. In particolare viene mostrato come il limite della tensione di aderenza del sistema di rinforzo analizzato sia stato raggiunto non per la crisi della matrice inorganica, ma per le limitate capacita di resistenza alle azioni tangenziali della muratura storica.


Differenze e particolarità dei rinforzi a matrice inorganica (FRM)

Quando si eseguono interventi di consolidamento in strutture d’interesse storico, artistico e monumentale, l’aspetto dell’invasività e dell’integrità architettonica, intese come modifica permanente degli elementi e conservazione della qualità materica, tipologica ed estetica, è sicuramente di fondamentale importanza.

La scelta delle tecniche d’intervento dovranno pertanto preferire quelle meno invasive e maggiormente compatibili con i criteri della conservazione

A partire dagli anni Ottanta, la tecnica di rinforzo strutturale mediante FRP si è diffusa, con sempre maggior rilevanza, anche agli edifici storici e di pregio. Le caratteristiche principali che ne hanno decretato il successo sono riconducibili sia all’alto grado di conservazione dell’integrità architettonica, sia all’elevata efficacia meccanica del rinforzo.

I suoi ridotti spessori infatti ne permettono la mimesi in notevoli campi applicativi, mentre l’elevata resistenza e bassa inerzia permettono di ottenere elementi strutturali maggiormente resistenti che nel contempo non stravolgono la preesistente risposta strutturale d’insieme.

Tuttavia, alla luce di quasi mezzo secolo d’interventi, si sono evidenziate alcune problematiche legate alla compatibilità delle resine epossidiche con alcune tipologie di supporto. Nello specifico si rileva una diversa traspirabilità tra le zone placcate e non, che può essere causa di gravi problemi di conservazione, specie in presenza di supporti affrescati, come spesso capita nel caso di rinforzi estradossali di volte. Inoltre la parte superficiale della muratura resta comunque impregnata dalla resina che pertanto rende difficoltoso, se non impossibile una completa reversibilità dell’intervento.

Negli ultimi anni si è cercato di individuare una soluzione alle problematiche evidenziate, introducendo nuove tecniche e materiali. Tra quest’ultimi si possono sicuramente annoverare i materiali compositi a matrice inorganica FRM (fiber reinforced mortar) che si distinguono dai loro progenitori FRP, per la diversa natura della matrice che li costituisce e che presenta un’ottima compatibilità chimico-fisica con i supporti di muratura storica.

Di contro le matrici inorganiche presentano delle caratteristiche meccaniche decisamente inferiori a quelle delle resine epossidiche, soprattutto in termini di resistenza a taglio e di aderenza al supporto. E poiché l’efficacia del sistema è determinata dalla capacità di trasferimento degli sforzi dai supporti alle fibre di rinforzo, è evidente quanto tale aspetto risulti di fondamentale importanza.

Tuttavia per supporti murari di caratteristiche meccaniche non eccellenti, come solitamente quelle di valore storico e monumentale, ciò che determina l’efficienza del rinforzo è più che altro il supporto stesso.

Le analisi sulle modalità di collasso di rinforzi in FRP applicati in murature storiche, evidenziano infatti che il limite superiore alla efficacia del rinforzo è determinato dalla limitata capacità di trasferire gli sforzi per azioni tangenziali al composito. Il collasso del rinforzo avviene nella quasi totalità dei casi nella muratura storica in corrispondenza della superficie di demarcazione della porzione di muratura interessata dal benefico contributo del primer epossidico.

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Schematizzazione della modalità di collasso di un rinforzo FRP applicato ad un supporto murario di modeste proprietà meccaniche

Per questo motivo, le eccellenti proprietà meccaniche delle resine epossidiche risultano inevitabilmente inespresse e pertanto l’attenzione e la ricerca condotta negli ultimi anni è indirizzata alla ricerca di nuove matrici che, anche se meno performanti, offrano una migliore compatibilità con il costruito storico.

La minore propensione delle malte alla “bagnabilità” dei tessuti delle tradizionali fibre, ha reso necessario un impegnativo percorso di studio e sperimentazione.

Ad oggi diversi produttori hanno investito in questo nuovo sistema di rinforzo in materiali compositi, tuttavia per quanto sul mercato siano presenti diversi prodotti, non vi è un chiaro ed esplicito riferimento normativo che ne regolamenti l’utilizzo, pertanto, anche in accordo con le NTC 2008, è necessario riferirsi alla letteratura tecnica disponibile e alle sperimentazioni condotte finora per supportare le teorie progettuali alla base degli interventi di rinforzo in FRM.

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Essendo d’altronde la varietà dei sistemi estremamente diffusa, per natura di fibre e di matrici, in una fase in cui non vi è ancora uno studio di sintesi che possa ricomprendere almeno “famiglie” tipologiche di sistemi SRG, il dettaglio dei meccanismi chimico-fisici che determinano l’adesione tra fibra e matrice è delegato al Produttore del sistema di rinforzo, il quale deve testarne, mediante una campagna di indagini significativamente estesa, il comportamento. Solo a seguito della fase di test del sistema di rinforzo, sia dal punto di vista della sua performance meccanica, sia della sua durabilità può certificarne le proprietà.

La causa principale di cedimento strutturale negli SRG (come d’altronde anche negli FRP), è la mancanza di adesione tra fibre, matrice e supporto. Risulta pertanto di fondamentale importanza per lo sviluppo e la diffusione di tale tecnologia, divulgare e ampliare quanto più possibile le esperienze di quanto già realizzato, consapevoli che i risultati ottenuti con un particolare sistema non sono in generale estendibili a tutti gli altri. 

Consolidamento e miglioramento sismico dell’edificio municipale di Lari

Consolidamento e miglioramento sismico dell’edificio municipale di LariPer questo motivo si vuole condividere l’esperienza maturata in occasione dei lavori di consolidamento e miglioramento sismico dell’edificio municipale di Lari mediante l’applicazione di nastri in materiale composito del tipo SRG. L’aspetto maggiormente caratterizzante il comportamento dei rinforzi in materiale composito in genere e quelli a matrice inorganica in particolare è sicuramente l’aderenza degli stessi al supporto che si intende consolidare, la trattazione seguente riguarderà pertanto tale fenomeno.

Ricordando che differenti condizioni al contorno e differenti sistemi di rinforzo potrebbero determinare risultati sensibilmente difformi, si riportano di seguito le principali caratteristiche tecniche che caratterizzano l’esperienza effettuata.

La componente fibrosa (GeoSteel G600), utilizzata per la realizzazione del composito è un tessuto unidirezionale formato da micro-trefoli di acciaio ad altissima resistenza galvanizzati, fissati su una rete di supporto in fibra di vetro. Il comportamento meccanico dei trefoli costituenti il tessuto, prodotti da Hardwire™, è stato testato dal Laboratorio di Sperimentazione e Ricerca su Materiali e Strutture del Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi Roma Tre. I risultati hanno evidenziato un comportamento assimilabile a quello di una fibra tradizionale, presentando un legame costitutivo sostanzialmente elastico fino a rottura. Ai fini delle valutazioni teoriche i parametri che individuano compiutamente il legame costitutivor isultano: modulo di elasticità normale del nastro Ef,k > 190 GPa, deformazione a rottura del nastro εf,k > 1.5%.

La matrice inorganica con cui è stato realizzato il composito, è la malta a base di pura calce idraulica naturale NHL GeoCalce F Antisismico, il comportamento meccanico del composito fibra e matrice, è stato testato dal Laboratorio di Sperimentazione e Ricerca su Materiali e Strutture del Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi Roma Tre. Di seguito si riportano le principali grandezze meccaniche che ne descrivono il comportamento.  

Caratteristiche meccaniche della malta utilizzata (GeoCalce F Antisismico)

Il supporto murario su cui vengono applicati i rinforzi SRG è una muratura di mattoni pieni in laterizio, la resistenza meccanica a compressione del mattone fbm = 17.5 MPa viene stimata sulla base delle indicazioni dei valori di resistenza a compressione da “Manuale dell’Architetto” (Donghi 1905).

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L’Università degli Studi Roma Tre, per conto del produttore del sistema di rinforzo GeoSteel G600, ha condotto numerose prove di aderenza su supporti in laterizio storico, gli ottimi risultati ottenuti e la buona rispondenza alle formulazioni teoriche per il calcolo della tensione di distacco per FRP, hanno determinato l’utilizzo di tali teorie anche per la determinazione della tensione di distacco relativa al  particolare sistema di rinforzo in esame.

La tensione di progetto dei nastri in composito è stata pertanto determinata secondo le CNR DT 200 R1/2013, allo scopo è stato realizzato un applicativo web per il calcolo automatico secondo diversi supporti e materiali di rinforzo.

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A conclusione dei lavori, in occasione della campagna di indagini volte al controllo dell’efficacia delle applicazioni eseguite, si sono effettuate nove prove di strappo a taglio su tre zone diverse dell’immobile (ST1, ST2, ST3), per valutare l’entità della tensione di distacco effettiva e conseguentemente paragonarla con la tensione teorica di calcolo.

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Maggiori info sul sito di kerakoll

 


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