Criticità strutturali dei solai in laterocemento e tecniche di rinforzo con nastri in composito

A partire dalla seconda metà degli anni ‘20 del secolo scorso, nelle costruzioni in muratura e successivamente in quelle in calcestruzzo armato, i solai di piano e di copertura sono realizzati in laterocemento.

Nel tempo sono state utilizzate varie tipologie di solaio sia a nervature parallele sia a nervature incrociate. Dagli anni ‘60 le tipologie impiegate riguardano prevalentemente i solai a travetti paralleli e più recentemente i solai a lastre.

I solai in laterocemento delle costruzioni più datate presentano frequentemente una limitata capacità portante e una scarsa efficacia a trasferire azioni nel proprio piano, oltre a manifestare una significativa riduzione della loro sicurezza, per problemi di sfondellamento e di corrosione delle barre di armatura.

Si rende, quindi, necessario eseguire interventi di rinforzo/riparazione per garantire i livelli di sicurezza richiesti per le costruzioni soggette sia alle azioni gravitazionali sia alle azioni di origine sismica. Nel seguito si discutono le criticità dei solai e si presentano alcune strategie di intervento con particolare riguardo a quelle basate sull’uso di fibre di carbonio.

 

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L'evoluzione dei solai: tipologie e tecniche realizzative

Dalla la metà degli anni ‘20 del secolo scorso ebbe inizio l’utilizzo dei solai misti in laterocemento.

Questi solai venivano normalmente costruiti in opera mediante utilizzo di laterizi forati disposti a file parallele che lasciavano uno spazio vuoto fra le varie file per la realizzazione dei travetti di calcestruzzo (Figure 1a,b). I laterizi potevano essere costituiti da singoli blocchi eventualmente distanziati da fondelli in corrispondenza delle nervature o costituiti da laterizi forati ai lati delle nervature, che sostengono tavelle all’intradosso e tavelloni all’estradosso.

In alcuni casi sono state realizzate anche nervature incrociate (solaio duplex). Gli interassi delle nervature sono variabili dai 40 cm ai 75 cm e anche la dimensione delle nervature varia dai 7 cm ai 12 cm. L’evoluzione dei solai con tavella inferiore e tavellone superiore sono stati i solai tipo Varese, che prevedevano l’impiego di travi prefabbricate in calcestruzzo armato sagomate (Figura 1c).

Dagli anni ‘30 sono stati introdotti nel mercato solai costituiti da travi armate in laterizio (tipo Sap, Rex), normalmente confezionate a piè d’opera (Figure 2a,b). Le travi di laterizio venivano accostate in opera e quindi solidarizzate assieme mediante getto di calcestruzzo a riempire gli interspazi fra travi di laterizio e per realizzare una soletta.

La dimensione delle travi di laterizio varia fra 25 cm e 40 cm; la larghezza delle nervature varia fra 3 cm e 7 cm. Le armature metalliche sono inserite in apposite sedi nel laterizio e rese aderenti mediante un po’ di malta cementizia (Figura 2).

 

rinforzo_solai_fibrenet_01.jpg          (a)                                     (b)                                               (c)
Figura 1. Solai in laterocemento: a) a blocchi singoli, b) con laterizi forati, tavella inferiore e tavellone superiore (Sapal), c) tipo "Varese"

 

rinforzo_solai_fibrenet_02.jpg(a)                                                                 (b)
Figura 2. Solai a travi in laterizio armato: a) tipo "Sap", b) tipo "Rex"

 

A partire dagli anni ’60, si sono sviluppate tecniche con travetti prefabbricati e pignatte in laterizio sostenute da questi. Prevalentemente riguardano travetti formati con fondello in laterizio, traliccio metallico e armature lente annegati in un getto di calcestruzzo di altezza pari a quella del fondello e travetti a T rovescio in calcestruzzo precompresso (Figure 3a,b). Le dimensioni dei travetti è normalmente di circa 12 cm e gli interassi fra i travetti sono di 50 cm o 60 cm.

rinforzo_solai_fibrenet_03.jpg                                                  (a)                                                                         (b)

Figura 3. Solai a nervature parallele: a) a travetti tralicciati, b) a travetti precompressi

 

Negli anni ’70, accanto ai solai a travetti, sono apparsi solai a pannelli armati prefabbricati in latero-cemento (Figura 4a) e solai a lastre in calcestruzzo armato (predalles), costituite da tralicci in acciaio annegati in una lastra inferiore in calcestruzzo dove sono inserite anche le armature richieste per la resistenza a flessione del solaio. Il completamento del solaio prevede l’impiego di blocchi in polistirolo estruso o pignatte in laterizio come alleggerimento e getto di completamento in opera a formare le nervature e la soletta superiore solidarizzate alla lastra inferiore (Figure 4b,c). Normalmente le lastre hanno una larghezza di 120 cm e comprendono tre nervature.

Continuano ad essere utilizzate le tipologie di solaio illustrate nelle Figure 3 e 4.

 

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                                          (a)                                          (b)                                               (c)

Figura 4. Solai a lastra: a) a pannello tipo Rex, b) predalles con blocchi in polistirolo, c) predalles con blocchi in laterizio

 

Criticità dei solai in ambito statico e sismico

Come evidenziato nel paragrafo precedente, nelle costruzioni esistenti in muratura e in calcestruzzo armato sono state usate varie tipologie di solai in latero-cemento.

Queste tipologie presentano diverse criticità più marcate in alcune rispetto ad altre e precisamente:

  • sfondellamento dei solai;
  • corrosione delle barre di armatura;
  • sottodimensionamento a flessione e/o a taglio;
  • mancanza di legature trasversali.

 

Sfondellamento dei solai

Lo sfondellamento dei solai consiste nel distacco della cartella inferiore e/o dei setti verticali dei laterizi che compongono i solai in latero-cemento e nella successiva caduta di porzioni significative di intradosso del solaio (Figura 5a,b).

Questo fenomeno si verifica nei solai in latero-cemento quando il laterizio al lembo inferiore è soggetto a tensioni di compressione, come succede in prossimità degli appoggi, per l’inversione del segno del momento nei solai, oppure in prossimità di pareti portanti parallele alla direzione del solaio (pareti di chiusura perimetrale), per la presenza di tensioni di compressione nel laterizio in direzione perpendicolare ai travetti dovute all’effetto piastra del solaio, quando si hanno lati vincolati anche in direzione parallela ai travetti.

Queste sollecitazioni comportano la comparsa di microfessure nel laterizio che tendono a progredire nel tempo, sia per la ciclicità delle sollecitazioni, sia per la presenza di coazioni provocate dalle variazioni termiche. Frequentemente, anche i controsoffitti o impianti sono fissati all’intradosso del solaio e spesso i pendini di sospensione non sono collegati ai travetti, ma direttamente sul laterizio enfatizzando il fenomeno dello sfondellamento.

Lo sfondellamento del solaio di per sé non incide sulla capacità portante del solaio stesso in quanto le parti che si staccano non hanno alcuna funzione portante. Però, mettendosi a nudo le armature il processo corrosivo può progredire molto velocemente, soprattutto in presenza di ambienti umidi, con riduzione della sezione resistente e di conseguenza della capacità portante del solaio.

Inoltre, la presenza di fondelli laterizi fessurati in condizioni di incipiente crollo rendono i locali non sicuri in quanto espongono gli occupanti al serio rischio di essere colpiti da porzioni di intonaco e laterizio che si staccano dal solaio.

Questo problema assume una portata più ampia nel caso di solai tipo Sapal, in quanto al distacco del fondello del travetto segue il collasso della tavella inferiore coinvolgendo porzioni significative di solaio (Figura 5a). Diversamente, nel caso di solai con blocchi laterizi, le zone che si staccano sono normalmente di dimensioni più ridotte, in quando il fondello, per crollare deve staccarsi completamente da tutte le pareti verticali del laterizio (Figura 5c).

 

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                                       (a)                                            (b)                                                     (c) 

Figura 5. Sfondellamento solai: a,b) solaio tipo sapal, c) solaio a travetti tralicciati.

 

Corrosione delle barre di armatura nei solai in latero-cemento

Il ricoprimento delle barre di armatura nei solai è frequentemente molto ridotto, soprattutto nei solai formati da travi di laterizio (Sap, Rex) e questo implica che la carbonatazione dello strato di calcestruzzo che ricopre le barre avviene in un limitato periodo di tempo esponendo le armature ad un ambiente di ridotta alcalinità e quindi non più in grado di proteggerle dalla corrosione.

La formazione di prodotti di corrosione sulle barre comporta un aumento di volume e quindi delle pressioni sul copriferro favorendo la formazione di fessure che interessano anche il laterizio. Il progredire di queste fessure conduce al distacco di porzioni di laterizio all’intradosso dei solai compreso l’intonaco (sfondellamento). Inoltre, la corrosione comporta la riduzione di sezione resistente nelle barre di armatura con conseguente riduzione della capacità portante del solaio.

 

Sottodimensionamento a flessione e/o a taglio del solaio

Il progetto dei solai degli edifici esistenti è stato frequentemente eseguito facendo riferimento ad azioni sia permanenti sia variabili sottostimate rispetto a quelle reali, soprattutto dovute a modifiche di destinazione d’uso o a modifiche della stratigrafia di pavimentazione e/o controsoffitto. Di conseguenza, non di rado si trovano solai sottodimensionati a flessione e/o a taglio.

Normalmente i solai in latero-cemento a travetti coprono luci modeste, per cui il problema principale è la ridotta resistenza a flessione, però, nel caso di solai a travi di laterizio (Sap, Rex), caratterizzati da nervature di piccolo spessore (3.0-5.0 cm), il problema della ridotta resistenza a taglio tende a diventare prevalente. Anche i solai tipo Sapal, che venivano utilizzati frequentemente per coprire luci rilevanti (7.0-7.5 m), presentano una ridotta resistenza a taglio. Nelle costruzioni più recenti (dopo anni ’80), per luci superiori ai 6.0 m e/o per carichi elevati, frequentemente sono stati impiegati solai con travetti binati, raddoppiando così la larghezza delle nervature.

 

Mancanza di legature trasversali nei solai in latero-cemento

Non sempre i solai in latero-cemento che sono stati costruiti presentano una soletta superiore in calcestruzzo e quando è presente, spesso, è priva di armature trasversali. Solai realizzati in questo modo non hanno, di norma, un’adeguata resistenza e rigidezza nel proprio piano per garantire la ripartizione delle azioni orizzontali di origine sismica fra gli elementi di controvento verticali dell’edificio.

Infatti, nei vari terremoti che si sono succeduti in Italia, è stato possibile rilevare la separazione in direzione trasversale di porzioni di solaio con scorrimento in direzione parallela ai travetti (Figura 6a,b); in Figura 6c sono evidenziate le sollecitazioni nel solaio dovute all’azione sismica conseguente alla distribuzione degli elementi di controvento. Lo scorrimento può portare alla rottura per taglio orizzontale delle travi perimetrali che sostengono il solaio, come evidenziato nelle Figure 6a,b.

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                                 (a)                                  (b)                                                         (c)

Figura 6. Cedimento solaio in latero-cemento per sollecitazioni del piano: a) scorrimento nella direzione delle nervature con distacco dei laterizi, b) dettaglio del distacco dei laterizi, c) sollecitazioni taglianti nella soletta (frecce nere). 


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  4.  Il ruolo dei tamponamenti nel comportamento sismico di edifici a telaio in c.a.: casi studio e analisi FEM

Tecniche di rinforzo dei solai

Per rimuovere le criticità sopra evidenziate sono necessari interventi di rinforzo specifici, che devono scaturire da un’analisi rigorosa delle caratteristiche del solaio in argomento e dal chiaro riconoscimento della causa che ha portato a quella particolare condizione di criticità.

Frequentemente le prime due criticità sopra elencate si verificano assieme in quanto, da un lato, si carbonata velocemente il ridotto spessore di calcestruzzo che ricopre le armature e quindi si viene a perdere l’effetto passivante sulle armature con conseguente sviluppo della corrosione e comparsa di fessurazione nel copriferro (calcestruzzo e laterizio), e, dall’altro lato, la presenza di tensioni di compressione nella cartella inferiore di laterizio da sollecitazioni parassite enfatizzate dai cicli termici causa fessure con distacco del fondello di laterizio. Quindi è richiesto un intervento combinato che risolva entrambi i fenomeni.

La ridotta resistenza a flessione e/o a taglio, come anticipato, è dovuta ad esigenze mutate nel corso della costruzione con richieste di maggiore impegno ai solai. In questi casi si possono utilizzare tecniche diverse e specifiche per la criticità dominante che vanno dall’impiego di nastri in fibre di carbonio o lamine pultruse applicati all’intradosso dei travetti del solaio, all’impiego di una sottostruttura in travi di acciaio in aiuto alle strutture del solaio esistente o alla solidarizzazione di una soletta in calcestruzzo all’estradosso del solaio.

Infine per incrementare la resistenza e rigidezza nel proprio piano si può intervenire con la realizzazione di una soletta in calcestruzzo armato solidarizzata all’estradosso del solaio, con l’applicazione di una struttura reticolare orizzontale in acciaio applicata all’intradosso del solaio o con l’impiego di nastri o lamine in carbonio da incollare all’estradosso del solaio a formare con le travi del solaio una struttura reticolare orizzontale.

 

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L'approfondimento continua illustrando le diverse tecniche per il rinforzo dei solai: dai rimedi per sfondellamento e corrosione delle armature, ai rinforzi per incrementare sia la resistenza a flessione e/o taglio del solaio sia la resistenza e rigidezza del solaio nel proprio piano. 

Il documento riporta anche la tecnica di rinforzo dei solai con nastri in carbonio, indicata per l’incremento della resistenza a flessione fuori piano di un solaio quando è anche presente il fenomeno dello sfondellamento del laterizio.