Metodi innovativi per il rinforzo di strutture in calcestruzzo armato

La riabilitazione strutturale e l’adeguamento di manufatti in calcestruzzo armato (C.A.) costituiscono oggi una delle priorità più impellenti nella conservazione del patrimonio costruito nazionale.

La sfida della conservazione del patrimonio del calcestruzzo

La maggior parte degli edifici e delle infrastrutture in conglomerato cementizio armato è stata realizzata in un periodo storico che parte dal secondo dopo guerra.

Inizialmente, le conoscenze tecnico-scientifiche più limitate rispetto ad oggi, concomitanti con l’inesperienza ed i limiti tecnologici dell'epoca, hanno portato alla realizzazione di opere molto belle e funzionali, seppur poco durevoli e talvolta carenti nei dettagli costruttivi. I successivi adeguamenti normativi, l’accrescimento culturale nel settore dell’ingegneria civile strutturale, e le nuove esigenze funzionali della società hanno reso molte di queste costruzioni obsolete, o poco sicure.

Il degrado materico, la vulnerabilità strutturale, specialmente in campo sismico, e costi di manutenzione non sostenibili, sono alcuni degli effetti ascrivibili alle originarie circostanze che hanno dato impulso alle prime costruzioni in C.A. nel periodo del cosiddetto "miracolo italiano".

La sfida odierna consiste dunque nel conservare, adeguare, riparare, rinforzare quei manufatti in calcestruzzo armato giunti alla fine del loro ciclo di vita utile, laddove non si decida per la completa demolizione e ricostruzione. Questa esigenza, in realtà, si è manifestata già da decenni, e pertanto numerose tecnologie di rafforzamento strutturale sono state impiegate e applicate, facendo uso in maniera preponderante di materiali tradizionali come l’acciaio, lo stesso calcestruzzo armato e malte a base cementizia, anche fibrorinforzate.

In alcuni casi si è visto che l’applicabilità di queste tecnologie presentava dei limiti tecnologici.

A questo si aggiunga che, specialmente nelle zone ad alta sismicità, una modifica delle sezioni degli elementi strutturali produce inevitabilmente una modifica della rigidezza della struttura, e dunque una nuova risposta nei confronti delle azioni orizzontali. Inoltre, laddove gli interventi non siano limitati in regioni molto localizzate, questi possono produrre ingombri indesiderati, e addirittura una non trascurabile modifica delle masse strutturali. Alla luce delle attuali normative tecniche, tutto questo si traduce nell’esigenza di riconsiderare la risposta globale dell’edificio, anche per un rinforzo di natura localizzata.

Pertanto limitazioni di natura tecnologica da una parte, ed esigenze di non invasività da un punto di vista strutturale dall'altra, hanno ispirato il mondo della ricerca a promuovere un trasferimento tecnologico finalizzato all’impiego di nuovi materiali e tecniche di tipo non tradizionale, capaci di superare i suddetti limiti.

Proprio a tal fine, prima in Giappone, e successivamente nel resto del mondo, sono stati impiegati materiali compositi fibrorinforzati a matrice polimerica (FRP), da installarsi mediante incollaggio chimico, e capaci di conferire alla struttura notevoli incrementi di resistenza, senza alterare le altre caratteristiche strutturali, e nello stesso tempo senza creare ingombri o modifiche nell’aspetto della costruzione.

Sebbene le ricerche siano ancora in corso, e siano stati individuati dei limiti relativi anche a queste nuove tecnologie, si è raggiunta un'adeguata maturità culturale per poter affermare che le tecniche di rafforzamento strutturale che impiegano materiali compositi FRP costituiscono ad oggi un valido e certificato strumento di supporto al progettista che opera nella riparazione e nell'adeguamento di costruzioni esistenti in calcestruzzo armato.

L’imponente sforzo di ricerca che è stato svolto dalla comunità scientifica internazionale, e in particolare da quella italiana, hanno portato prima alla redazione di linee guida progettuali, a cura del Consiglio Nazionale delle Ricerche, sin dal 2006, e successivamente alla stesura ed approvazione di linee guida ministeriali, che di fatto hanno introdotto i materiali compositi FRP tra i materiali strutturali di uso corrente.

 


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Conversazioni sul Calcestruzzo

Durante il SAIE BARI [dal 7 al 9 ottobre 2021] Andrea Dari e Matteo Felitti incontrano alcuni dei massimi esperti della filiera del calcestruzzo per approfondire, con delle “conversazioni”, i principali temi, innovazioni, campi applicativi e problematiche di attuale interesse. Il giorno 7 ottobre alle ore 12.00 si terrà l'incontro con il prof. Francesco Micelli, dal titolo "Metodi innovativi per il rinforzo di strutture in calcestruzzo armato", insieme a Fibre Net.

Con il professore quindi ci sarà l'occasione per approfondire il tema lanciato con questo breve articolo.

Per conoscere il programma di SAIE inCALCESTRUZZO cliccare questo LINK


 

Le applicazioni di materiali FRP per il rinforzo esterno di costruzioni in calcestruzzo armato sono molteplici.

Da un punto di vista del raggiungimento dello stato limite ultimo, tali applicazioni possono essere suddivise in due tipologie: le applicazioni “bond controlled” e le applicazioni “strength controlled”.

Le prime sono quelle per le quali lo stato limite ultimo si verifica per delaminazione del rinforzo esterno in FRP, le seconde sono caratterizzate invece dal raggiungimento della deformazione ultima a trazione delle fibre, che tipicamente non supera il 2~3%.

Sebbene in entrambi i casi la rottura si manifesti con spiccate caratteristiche di fragilità, il raggiungimento di un certo tipo di stato limite presuppone delle considerazioni progettuali molto ben distinte. Le situazioni nelle quali si possono manifestare delle delaminazioni, o in generale dei distacchi dello strato corticale sul quale è incollato il materiale composito, si annoverano tipicamente nel placcaggio flessionale e nel rinforzo a taglio di elementi tipo trave. In questo scenario non si raggiunge tipicamente mai la deformazione ultima delle fibre, anzi in mancanza di adeguati dispositivi di ancoraggio si rischierebbe di assistere a rotture premature con deformazioni ultime a trazione molto basse del FRP.

L’impiego di ancoraggi, spesso costituiti da fasce in FRP, o spinotti in FRP, permette non solo di aumentare sensibilmente l’efficacia del rinforzo, ma soprattutto previene pericolosi distacchi che porterebbero a stati limite ultimi di tipo fragile per sollecitazioni più basse di quelle previste in progetto. 

L’applicazione nella quale i materiali compositi FRP trovano maggiore efficacia è quella del confinamento trasversale di colonne, o di elementi strutturali in genere. In questi casi, laddove sia possibile operare con un avvolgimento continuo lungo tutta la sezione, i problemi di delaminazione non si manifestano, e lo stato limite ultimo si raggiunge per rottura a trazione delle fibre. Se si pensa che le comuni fibre di carbonio hanno una resistenza che è circa 10 volte più grande rispetto a quella di un acciaio da costruzione, è facile intuire che con modestissimi spessori di materiale composito si possano raggiungere delle pressioni di confinamento molto elevate.

Confinamento pilastri con FRP 

Il confinamento trasversale dei pilastri, che conferisce al pilastro una accresciuta resistenza al taglio, una maggiore resistenza allo schiacciamento, una maggiore duttilità per gli stati limite ultimi di compressione e pressoflessione, non è dunque condizionato dalla problematica del distacco, in quanto l’azione meccanica può esercitarsi anche solo per contatto. 

Tenendo conto dei suddetti benefici, a livello di singolo elemento strutturale, che si possono ottenere attraverso il placcaggio o il confinamento con FRP, le moderne strategie progettuali di miglioramento e adeguamento strutturale contemplano l’uso di questi materiali come risorsa primaria.

In molti casi, proprio sulla base dei risultati messi in evidenza dalle analisi, si riesce ad ottenere un beneficio sulla risposta globale della costruzione, attraverso interventi locali, che con i materiali compositi risultano molto agevoli. E ciò non è da riferirsi unicamente agli aspetti tecnologici, bensì anche a quelli più squisitamente legati alla concezione strutturale dell’intervento. 

La possibilità di direzionare le fibre, e disporre le stesse in quelle sezioni bisognevoli di un ulteriore contributo meccanico, ha costituito una rilevante innovazione nel campo progettuale, riducendo l'invasività delle tecniche di rinforzo. Ciò è testimoniato dagli innumerevoli interventi di riparazione post sismica, miglioramento e adeguamento strutturale, che sono stati compiuti nell’ultimo decennio su tutto il territorio nazionale e nel resto del mondo.