Rinforzo sismico delle murature: un intervento poco invasivo basato su intonaci fibrorinforzati

Un materiale innovativo per il rinforzo degli edifici esistenti: descrizione della tecnica e applicazione a casi reali

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Il rinforzo sismico di edifici esistenti in muratura è un tema di estrema attualità, dati l’elevato utilizzo di questo materiale da costruzione e i numerosi eventi sismici che hanno colpito il nostro Paese negli ultimi decenni. Il presente lavoro di ricerca si focalizza sullo studio di un’innovativa tecnica di rinforzo che prevede l’applicazione di un intonaco fibrorinforzato sulla sola superficie esterna della struttura. Nel seguito verranno forniti i principali dettagli del sistema di rinforzo e verrà presentato un approccio pratico per l’applicazione a casi reali.

Descrizione della tecnica di rinforzo

Il sistema di rinforzo studiato prevede l’applicazione di un sottile (20-50 mm) strato di intonaco fibrorinforzato, applicato sulla sola superficie esterna della struttura. Il materiale di rinforzo si ottiene aggiungendo il 24% (in peso) di acqua ad una malta commerciale a base di cemento e 60 kg/m3 (0.76% in volume) di fibre d’acciaio uncinate, aventi una resistenza a trazione minima di 2800 MPa e un rapporto d’aspetto non inferiore a 80. L’applicazione dall’esterno rende la tecnica poco invasiva, consentendo alle persone di continuare a vivere all’interno della propria abitazione durante le operazioni di rinforzo. Inoltre, l’assenza di reti metalliche consente di ridurre i tempi di applicazione e di contenere gli spessori del rinforzo al normale spessore di un intonaco.

Fasi di applicazione 

La tecnica di rinforzo prevede una serie di cinque semplici fasi di applicazione, descritte nel seguito.

  1. Bagnatura delle superfici murarie e applicazione di un primo strato (spessore 5 mm circa) di intonaco privo di fibre, atto a garantire un maggiore aggrappaggio del rinforzo alla muratura.
  2. Applicazione di un primo strato di intonaco con fibre d’acciaio fino al raggiungimento di uno spessore pari a circa la metà dello spessore totale di progetto.
  3. Posizionamento di connettori metallici (4 connettori/m2) necessari per prevenire l’instabilità del sottile strato di intonaco e il distacco dello stesso dal paramento murario. Tali connettori sono costituiti da una piastrina d’acciaio (50×50×1.8 mm3) fissata alla muratura mediante un semplice tassello in nylon con vite in acciaio avente diametro 6 mm (φ6), nel caso di muratura forata, o tramite una vite in acciaio autofilettante (φ6) nel caso di muratura piena. Al termine dei lavori la piastrina risulterà annegata nello strato di rinforzo e quindi non visibile dall’esterno.
  4. Inserimento di alcuni rinforzi locali in fondazione e in corrispondenza degli spigoli delle aperture. Il contributo resistente offerto dal rinforzo può essere massimizzato inserendo una serie di barre (φ8) per calcestruzzo (B450C) aventi la funzione di ancorare l’intonaco fibrorinforzato alla fondazione. Questa operazione consente di ritardare o impedire l’attivazione del meccanismo di rocking, permettendo di sfruttare efficacemente l’elevata resistenza a trazione dello strato di rinforzo. Tali barre di ancoraggio in fondazione vanno annegate nello strato di rinforzo e ancorate in fondazione, inserendole in fori precedentemente effettuati e poi riempiti con resina epossidica. Un ulteriore dettaglio volto a prevenire o ritardare la formazione di fessure localizzate, prevede il posizionamento di barre(φ8) inclinate a 45° in corrispondenza degli spigoli delle aperture.
  5. Applicazione di successivi strati di intonaco con fibre fino al raggiungimento dello spessore totale richiesto e bagnatura della superficie intonacata per alcuni giorni, per ridurre al minimo la fessurazione da ritiro.

 

Principali dettagli del sistema di rinforzo

Figura 1 - Principali dettagli del sistema di rinforzo: barre di ancoraggio in fondazione (a); connettori metallici (b); barre inclinate agli spigoli delle aperture (c).

Quando ricorrere a questa tipologia di rinforzo

La tecnica di rinforzo presentata è stata pensata per edifici in muratura portante con uno o due piani fuori terra e la possibilità di applicare il rinforzo su tutti i lati perimetrali. Analisi più specifiche potrebbero essere condotte per valutare l’efficacia del rinforzo sismico anche nel caso di edifici con più piani fuori terra.

Efficacia della tecnica: il test su un edificio in scala reale

Numerosi test su pareti in scala reale, sia in muratura piena [1] che forata [2], sono stati condotti negli anni presso l’Università degli Studi di Brescia, provando l’efficacia della tecnica di rinforzo proposta sia nel caso di pareti nuove che pre-danneggiate. Alla luce di questi risultati, un edificio in muratura forata di due piani fuori terra, con impalcati e copertura in legno, è stato realizzato e testato presso il Laboratorio Pietro Pisa con l’obiettivo di valutare l’efficacia del rinforzo sismico offerto dall’applicazione di 30 mm di intonaco fibrorinforzato sulla sola superficie esterna della struttura[3,4].

Sono stati utilizzati mattoni con fori verticali e un’elevata percentuale di foratura (circa il 60%) per rappresentare una muratura tipica utilizzata per gli edifici costruiti negli anni ’60 e ’70 del secolo scorso. Inoltre, sono stati realizzati due diaframmi di piano in corrispondenza dei due impalcati per assicurare un comportamento scatolare della struttura mediante impalcati rigidi e ben collegati alle murature portanti. Questo ha consentito di inibire eventuali meccanismi di ribaltamento fuori piano e quindi di concentrare l’attenzione sulla risposta sismica nel piano degli elementi strutturali. Lo studio sperimentale si è svolto in due fasi principali: il pre-danneggiamento dell’edificio non rinforzato e la prova sull’edificio pre-danneggiato e rinforzato dall’esterno. Il confronto tra le due curve di capacità (taglio alla base V – spostamento al secondo impalcato δ) mostra un chiaro miglioramento sia in termini di resistenza che di capacità di spostamento laterale: la resistenza dell’edificio è circa tre volte maggioregrazie all’applicazione dell’intonaco fibrorinforzato e lo spostamento laterale è cresciuto da 3 mm a più di 20 mm. Inoltre, la rigidezza iniziale è più che raddoppiata.

Edificio in muratura realizzato e testato presso l’Università degli Studi di Brescia

 

Figura 2 - Edificio in muratura realizzato e testato presso l’Università degli Studi di Brescia (a). Curve di capacità sperimentali: il confronto pre- e post-intervento (b).

L’intonaco fibrorinforzato, inoltre, garantendo una ridistribuzione degli sforzi, ha portato ad una multifessurazione dei maschi murari del piano terra e non più ad una localizzazione delle fessure, come osservato al termine della prova sull’edificio non rinforzato. Questo comportamento, unito all’incremento di rigidezza iniziale, porta ad un miglior controllo della fessurazione e quindi ad una maggiore durabilità della struttura. Infine, l’applicabilità del rinforzo sulla sola superficie esterna è stata dimostrata dall’assenza di distacchi tra muratura e strato di rinforzo.

 

Quadro fessurativo rilevato al piano terra della facciata Est al termine della prova sull’edificio non rinforzato (a) e rinforzato con 30 mm di intonaco (b).

Figura 3 - Quadro fessurativo rilevato al piano terra della facciata Est al termine della prova sull’edificio non rinforzato (a) e rinforzato con 30 mm di intonaco (b).

Verso l'applicazione a casi reali

Progettazione del rinforzo: proposta di un modello analitico 

Un passo fondamentale verso l’applicazione della tecnica di rinforzo proposta a casi reali è rappresentato dalla formulazione di linee guida per la progettazione. Uno degli obiettivi ultimi della presente ricerca è stato quindi quello di sviluppare una prima proposta di modello per la verifica nel piano di pannelli in muratura rinforzati con intonaci fibrorinforzati. L’approccio analitico proposto è stato calibrato attraverso uno studio parametrico basato su simulazioni numeriche ed è stato confrontato con i risultati sperimentali a disposizione. Ulteriori verifiche saranno necessarie per validare il modello sulla base del confronto con nuovi risultati sperimentali.

Il modello proposto si basa sul principio di sovrapposizione degli effetti: la resistenza a taglio totale (VR) di pannelli murari rinforzati può essere calcolata come la somma dei contributi a taglio forniti rispettivamente dalla muratura (VR,m) e dall’intonaco fibrorinforzato (VR,r):

VR=V(R,m)+V(R,r)      (1)

La resistenza a taglio della muratura può essere valutata in accordo a quanto previsto per edifici esistenti in muratura dalla Circolare Applicativa delle Norme Tecniche per le Costruzioni 2018[5] (NTC 2018[6]). La resistenza a taglio dello strato di rinforzo, invece, può essere calcolata attraverso un semplice modello tirante-puntone sviluppato nella presente ricerca. Il modello presuppone di concentrare gli sforzi in un puntone e in un tirante ideali, disposti lungo la diagonale del pannello e aventi spessore pari allo spessore dell’intonaco (tr), una larghezza costante detta br e lo stesso angolo di inclinazione (θ) rispetto all’orizzontale. L’angolo θ dipende dal rapporto d’aspetto (l/h), definito come il rapporto tra la lunghezza del pannello (l) e la sua altezza(h):

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La resistenza a taglio dello strato di rinforzo (VR,r) è quindi data dal minore tra il contributo resistente offerto dal puntone compresso (VR,r) e dal tirante (VR,r-T):

VR,r  = min (VR,r ; VR,r-T)      (3)

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dove:

  • αC=0.4 è un fattore di efficienza che considera la fessurazione trasversale del puntone compresso, lo spessore ridotto dello strato di rinforzo e l’incertezza della suddivisione del taglio laterale tra tirante e puntone;
  • fc è la resistenza a compressione cilindrica dell’intonaco fibrorinforzato;
  • fFt-0.25 è la resistenza residua a trazione dell’intonaco fibrorinforzato corrispondente ad un’apertura di fessura di 0.25 mm (rappresentativa delle fessure osservate sulla superficie dell’intonaco durante la prova sperimentale sull’edificio rinforzato).

Dallo studio parametrico è emerso che la larghezza (br) del tirante-puntone ideale dipende solamente dal rapporto d’aspetto (l/h) e dalla lunghezza della diagonale del pannello (d), in accordo alla seguente relazione:

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Per concludere, la resistenza a trazione fFt-0.25 può essere ricavata dal legame a trazione monoassiale del materiale, ottenibile applicando il modello lineare definito dal Model Code 2010 [7] per i calcestruzzi fibrorinforzati.

L'articolo continua conla descrizione della pplicazione a un caso studio.

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