Rinforzo di volte non portanti in muratura mediante sistemi CRM e FRCM

Nel presente articolo sono riassunti i risultati di uno studio sperimentale mirato a valutare l’efficacia di due sistemi di rinforzo di volte in muratura: CRM (Composite Reinforced Mortar) e FRCM (Fiber Reinfroced Cementitious Matrix).
Il primo sistema consiste nell’applicazione, sulla superficie di estradosso o di intradosso, di un intonaco armato con reti in materiale composito a base di fibre di vetro; il secondo sistema prevede invece l’applicazione di un tessuto secco in carbonio mediante una matrice inorganica.

Lo studio riguarda prove sperimentali cicliche quasi-statiche eseguite su volte non portanti a botte in mattoni pieni e malta di calce, a scala reale (raggio 2060 mm, larghezza 770 mm). Il setup di prova è stato progettato in modo da riprodurre gli effetti di un carico orizzontale ciclico proporzionale alla massa della volta.

In particolare, sono stati realizzati otto campioni: due volte ad una testa (spessore 120 mm) con rapporto freccia raggio f/r = 0.75 e sei volte in folio (spessore 55 mm) con f/r = 0.50.

La campagna sperimentale si costituisce quale prosecuzione di un precedente studio sul comportamento di volte in muratura rinforzate mediante il sistema CRM, riassunto in Gattesco e Boem, 2017 e trattato nel dettaglio in Gattesco et al., 2018 “Rinforzo di volte in muratura mediante intonaco armato e rete in GFRP”.

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Valutazione delle prestazioni di volte non portanti in muratura rinforzate mediante sistemi CRM e FRCM: lo studio sperimentale

Le caratteristiche dei campioni

Sono stati realizzati otto campioni in scala reale di volte a botte in muratura con mattoni pieni e malta di calce, aventi larghezza 770 mm. I mattoni sono stati disposti secondo una tessitura a file parallele alla generatrice dell’arco, sfalsando i giunti di metà della larghezza del mattone. Le prove hanno riguardato due diverse tipologie di volta:

volte a una testa, con disposizione dei mattoni “di coltello” rispetto all’arco della volta (spessore t = 120 mm) e aventi raggio r = 2060 mm, luce s = 3830 mm, rapporto freccia/raggio f/r = 0.75;

volte in folio, con disposizione dei mattoni “di taglio” rispetto all’arco della volta (spessore t = 55 mm) e aventi raggio r = 2275 mm, luce s = 3900 mm, rapporto freccia/raggio f/r = 0.5.

Per riprodurre realisticamente la presenza delle pareti su cui si imposta la volta, i campioni sono stati costruiti su dei muretti in muratura di mattoni di altezza 460 mm e larghezza 770 mm, con i mattoni disposti in sette file: cinque file inferiori, di spessore di 380 mm, e due file superiori di spessore di 250 mm (volte a una testa) o 315 mm (volte in folio).

Le principali caratteristiche dei campioni sono riassunte in Tabella 1: si osserva che, sia per la tipologia a una testa che per quella in folio, sono state realizzate una volta rinforzata all’estradosso e una all’intradosso mediante la tecnica CRM.

La tecnica CRM - Composite Reinforced Mortar

Quando si parla di CRM si intende la tecnica Composite Reinforced Mortar (Malta Rinforzata con materiale Composito), tecnica riconducibile a quella del tradizionale intonaco armato su murature esistenti, che prevede l’utilizzo di un’armatura di rinforzo costituita da reti ed angolari preformati in fibre di vetro (GFRP) o carbonio (CFRP) annegati in una malta strutturale a base di calce o cementizia. Leggi l'approfondimento...

Per la tipologia in folio, inoltre, sono state realizzate anche una volta non rinforzata e una coppia di volte rinforzate mediante la tecnica FRCM, applicata all’intradosso o all’estradosso. È stato anche testato un campione di volta in cui il rinforzo intradossale, di tipo CRM, è stato applicato sopra un pre-esistente strato di intonaco, di spessore 15 mm (campione V06-55-RI+). Con questa configurazione si è voluto rappresentare quei casi in cui l’intonaco esistente, caratterizzato da buone prestazioni meccaniche e di aderenza al supporto murario, è difficile da rimuovere senza danneggiare la volta.

principali caratteristiche dei campioni del test

 

Per collegare il rinforzo delle volte alle murature d’imposta sono state introdotte, in ciascuna estremità, 3 barre in acciaio inox AISI 316 (interasse 257 mm) annegate nello strato di intonaco di rinforzo e iniettate mediante resina vinilestere bi-componente in fori f10 inclinati realizzati nei muretti in muratura (Figura 1, 2). Le barre sono state realizzate con una barra M6, iniettata per 385 mm nella muratura d’imposta e annegata nell’intonaco per 330 mm. All’estremità terminale della barra è stato applicato un dado.

 

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Nei campioni con rinforzo di tipo CRM le barre di collegamento sono state collocate al di sotto della rete in GFRP. Diversamente, nei campioni con rinforzo di tipo FCRM, sono state posizionate al di sopra della rete in CFRP; in questo caso, per consentire un adeguato ricoprimento della barra, è stato necessario aumentare lo spessore dell’intonaco alle estremità fino a 30 mm (Figura 2).

Nelle configurazioni con rinforzo CRM o FRCM applicato all’intradosso, sono state introdotte, in corrispondenza di ciascuna estremità, anche delle chiavi di taglio realizzate mediante l’applicazione di una coppia di connettori in composito solidarizzati ai muretti in muratura mediante resina vinilestere bi-componente in fori orientati secondo l’inclinazione della sezione d’imposta (interasse 385 mm). Nel caso CRM sono stati utilizzati connettori preformati in GFRP a L, mentre nel caso FRCM sono stati utilizzati connettori preformati in CFRP con estremità a fiocco (Figura 2).

Le volte sono state realizzate in muratura di mattoni pieni UNI in laterizio (fcomp = 15.7 MPa), e giunti in malta di calce idraulica naturale (fcomp = 2.03 MPa, ftraz = 0.22 MPa), aventi spessore medio pari a 10 mm (valori ottenuti da prove su cilindri di diametro 100 mm e altezza 200 mm).

Il rinforzo CRM è stato realizzato applicando uno strato di malta bastarda (fcomp = 8.29 MPa, ftraz =1.09 MPa, EYoung = 8.52 GPa) di spessore 30 mm in cui è stata inglobata una rete preformata in GFRP, avente passo di maglia 66x66 mm2.

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Prima dell’applicazione della malta sono stati inoltre inseriti connettori a “L” in GFRP, in ragione di 6 al m2, mediante inserimento in fori eseguiti nella muratura e iniettati con resina epossidica tixotropica. Per migliorare l’ancoraggio del connettore all’intonaco sono stati impiegati dei fazzoletti di rete GFRP aggiuntivi di dimensione 150x150 mm2 e passo di maglia 33x33 mm2 (Figura 1).

I fili della rete in GFRP sono costituiti da fibre di vetro AR (Alkali-Resistant), inglobate in una matrice polimerica termo-indurente (vinilestere epossidica con perossido di benzoile come catalizzatore); per formare le maglie della rete, i fili longitudinali (trama) sono intrecciati, in modo da fissare quelli trasversali (ordito) in corrispondenza delle intersezioni. Le principali caratteristiche degli elementi in GFRP sono riassunte in Tabella 2. I fili di rete con le fibre intrecciate sono stati orientati nella direzione dell’arco.

Tabella 2. Caratteristiche degli elementi in GFRP: area netta di fibre Afib, area lorda Atot, resistenza a trazione

 Caratteristiche degli elementi in GFRP

 

Per il rinforzo FRCM, nello strato di malta bastarda di spessore 10 mm è stata inglobata una rete termosaldata in CFRP costituita da fili in fibre lunghe di carbonio ad alta tenacità e passo di maglia 8x8 mm2, per una grammatura complessiva di 200 g/m2 ed un’area equivalente di fibra, per ciascuna direzione, pari a 56 mm2/m (area netta di fibra per ciascun filo 0.449 mm2). La resistenza a trazione della fibra è di 5100 MPa ed il modulo elastico è di 245 GPa. Per l’impregnazione della rete in opera è stato utilizzato un promotore di adesione bicomponente a base acqua a bassa viscosità.

I connettori utilizzati sono costituiti da barre preformate in fibra di carbonio ad alta tenacità, con fiocco ad un’estremità. Il diametro nominale della barra è di 10 mm, con una sezione netta di fibra pari a 43 mm2. La resistenza a trazione della barra è di 1700 MPa e il modulo di rigidezza è di 145 GPa. L’estremità non impregnata, di lunghezza pari a 20 cm, è stata sfioccata a “coda di cavallo” al di sotto della rete.

Le barre metalliche utilizzate per il collegamento dei rinforzi con le imposte murarie alle estremità (Figura 1) sono in acciaio inox AISI 316. Le prove di trazione eseguite hanno evidenziato un legame assimilabile ad elastico - perfettamente plastico, con un modulo di Young pari a 170 GPa e una resistenza a trazione pari a 815.9 MPa.

Elementi di rinforzo per le volte

Figura 3. Elementi di rinforzo per le volte: (a) reti in GFRP, (b) rete termosaldata in CFRP e (c) connettore in carbonio con estremità a fiocco.

Per conoscere i risultati dei TEST SPERIMENTALI SCARICA IL PDF IN FONDO ALL'ARTICOLO

CASO STUDIO APPLICATIVO

Volte a crociera in mattoni e volte a botte in pietra al Castello di Monasterace

Il sistema di consolidamento RI-STRUTTURA con rete in fibra di vetro GFRP è stato utilizzato per il consolidamento delle superstiti volte a schifo in doppio folio, di quelle a crociera in mattoni e di quelle a botte in pietra. Diverse configurazioni geometriche e differenti tipologie murarie hanno trovato nella tecnica dell’intonaco armato CRM di Fibre Net un sistema di consolidamento univoco posato nella parte estradossale e con alcune lievi varianti:

- le volte a crociera in mattoni sono state rinforzate con uno spessore complessivo di 50 mm e con intonaco a base di calce;

- le volte a schifo in mattoni disposti in folio su due strati hanno risolto problemi di compressione derivanti anche dalla presenza di lesioni nelle zone d’angolo con rete posata in due strati accompagnata da connettori in acciaio e rete ibrida vetro/aramide all’intradosso;

- le volte a botte in pietra sono state consolidate con le modalità di posa più semplici, ossia in estradosso con connettori in GFRP e malta di calce.

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