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Capacità tagliante di pannelli in muratura rinforzati con TRM a base di calce idraulica e tessuto di lino

I recenti eventi sismici accaduti in Italia hanno messo in luce la necessità di intervenire sugli edifici esistenti, per lo più strutture storiche in muratura caratterizzate da elevati livelli di vulnerabilità. L’impiego di materiali compositi a matrice cementizia e rinforzo in tessuto, definiti come sistemi Textile Reinforced Mortar (TRM), rappresenta un’efficiente tecnica per incrementare la resistenza di elementi in muratura.

Il presente studio riporta i risultati di una campagna sperimentale realizzata al fine di valutare il potenziale di un innovativo sistema composito TRM utilizzato per incrementare la capacità tagliante di pannelli in muratura. Nello specifico, il sistema composito in considerazione è caratterizzato da una matrice a base di calce idraulica e un rinforzo in fibra naturale di lino.

Le evidenze sperimentali confermano le potenzialità del sistema di rinforzo che conferisce ai pannelli rinforzati una maggiore resistenza rispetto ai muri non rinforzati e una capacità duttile del tutto assente in elementi privi di rinforzo, caratterizzati, invece, da un comportamento altamente fragile. Inoltre, il lavoro presenta un confronto tra il comportamento meccanico esibito dai campioni testati e quello teorico derivante dai modelli proposti da normative vigenti di comprovata validità.


La necessità di rinforzare un edificio in zone ad alto rischio sismico

Il territorio italiano e, più in generale, tutta l’area del bacino mediterraneo, sono caratterizzati dalla presenza di edifici storici in muratura, spesso con un alto grado di vulnerabilità, i quali, sorgendo in una zona con una significativa pericolosità sismica, costituiscono un’importante fonte di rischio.

In tale contesto la problematica del rinforzo e dell’adeguamento sismico di edifici esistenti rappresenta una delle sfide di maggior rilievo della nostra società, soprattutto a seguito degli ingenti danni prodotti dai recenti eventi sismici verificatisi in centro Italia.

Tra le varie tecniche di rinforzo esistenti, l’impiego di materiali compositi a matrice inorganica e rinforzo interno in tessuto, definiti in letteratura come sistemi Textile Reinforced Mortar (TRM), negli ultimi anni ha attirato l’attenzione sia della comunità scientifica che dei professionisti. Tale interesse è dovuto ad una serie di proprietà che rendono i sistemi TRM particolarmente vantaggiosi: buone proprietà meccaniche, permeabilità al vapore, maggiore compatibilità con il supporto sul quale sono applicati rispetto a compositi a matrice polimerica, reversibilità dell’intervento, tempi e costi di installazione competitivi rispetto ad altre tecniche esistenti (D’Ambrisi et al. 2013).

Negli ultimi anni vari studi sono stati condotti al fine di definire procedure di caratterizzazione dei sistemi TRM attraverso prove di trazione sul composito stesso, e di aderenza fra il composito e il substrato sul quale è applicato (RILEM TC 232-TDT 2016, de Felice et al. 2018). I tessuti maggiormente impiegati in tali applicazioni sono a base di fibre in PBO, carbonio, basalto o vetro (Caggegi et al. 2017, Carozzi et al. 2017, Lignola et al. 2017, Leone et al. 2017).

L’efficienza del sistema di rinforzo è stata, inoltre, esaminata sperimentalmente anche su scale di analisi maggiori, studiando il comportamento di muri, costituiti da pietre naturali o mattoni, rinforzati attraverso sistemi TRM (Marcari et al. 2017). Nello specifico, la caratterizzazione è effettuata tramite prove di flessione e compressione diagonale finalizzate a riprodurre condizioni di carico, nel piano e fuori piano, alle quali sono tipicamente sottoposti elementi strutturali in muratura in corrispondenza di eventi sismici (Sagar et al. 2017).

Al fine di conferire ai sistemi compositi TRM maggiore sostenibilità diversi studi si sono interessati alla possibilità di utilizzare fibre vegetali come rinforzo al posto delle fibre industriali tradizionalmente impiegate (Cevallos and Olivito 2015). Tali studi hanno dimostrato il forte potenziali dei cosiddetti sistemi Natural TRM realizzati con diverse tipologie di fibre naturali: lino, curaua, sisal, iuta, coir o canapa (Ferreira et al. 2017, Codispoti et al. 2015).

Lo studio in oggetto ha l’obiettivo di verificare l’efficienza di un sistema di rinforzo TRM realizzato con una matrice a base di calce idraulica e un tessuto in lino (Flax-TRM). Le caratteristiche meccaniche di tale sistema composito, concepito per rispondere all’attuale esigenza di soluzioni quanto più sostenibili, sono state identificate attraverso precedenti campagne sperimentali i cui risultati, mostrati in lavori correlati, mettono in luce la virtuosità del sistema stesso (Ferrara et al. 2019a, Ferrara et al. 2019b).

Come naturale prosecuzione di tali evidenze sperimentali, nel presente studio il sistema Flax- TRM è applicato come rinforzo a pannelli murari la cui prestazione meccanica è valutata attraverso prove di compressione diagonale. Nello specifico la risposta meccanica di pannelli murari in laterizio ad una testa, rinforzati ad entrambi i lati da un sistema Flax-TRM è confrontata con quella esibita da elementi murari privi di rinforzo.

Due configurazioni di rinforzo, rispettivamente caratterizzate da uno o due strati di tessuto in lino, sono presi in considerazione. Lo studio sperimentale conferma le promettenti potenzialità dell’impiego di fibre naturali come rinforzo in sistemi compositi TRM che ha mostrato di attribuire un significativo incremento di resistenza agli elementi murari oggetto di studio.

 

Materiali e metodi

Substrato in muratura

Il supporto in muratura consiste in pannelli in laterizio, ad una testa, delle dimensioni di 1 m x 1 m costituiti da 16 filari con legatura a giunti sfalsati separati da letti di malta da 1 cm. I laterizi impiegati sono mattoni pieni in argilla di dimensioni 25 x 12 x 5.5 cm3 caratterizzati da una resistenza a compressione pari a 17.89 MPa (Co.V. 5%) e da una resistenza a trazione di 2.46 MPa (Co.V. 11%). (de Felice et al. 2015). Al fine di riprodurre una muratura rappresentativa di strutture esistenti, è stata adottata una malta di calce idraulica di bassa resistenza la cui composizione volumetrica è di 2 parti di legante, 4 parti di sabbia e 1.3 parti di acqua. La malta, caratterizzata secondo ai sensi della norma EN 196-1 (1994), presenta una resistenza a flessione di 0.94 MPa (C.o.V. 20%) e una resistenza a compressione di 4.11 MPa (C.o.V 21%).

 

Rinforzo Flax-TRM

Il sistema di rinforzo Flax-TRM, costituito da tessuto in fibra di lino e matrice a base di calce idraulica, è applicato su entrambi i lati dei muri in maniera diffusa coprendo interamente la superficie rinforzata. Il rinforzo in fibra naturale impiegato consiste in un tessuto di lino costituito da cordoni disposti secondo una maglia bidirezionale caratterizzata dalla stessa resistenza nelle due direzioni (Figura 1).

 

Tessuto in lino

IMMAGINE 1: Tessuto in lino

Le principali proprietà fisiche e meccaniche del tessuto sono elencate nella (Tabella 1) (Ferrara et al. 2019a).

 

pannelli-in-muratura-rinforzati2.JPG

TABELLA 1: Proprietà del tessuto in lino

 

La matrice del sistema composito Flax-TRM consiste in una malta premiscelata a base di calce idraulica costituita da un misto granulometrico di aggregati la cui taglia massima è pari a 2.5 mm. Il quantitativo di acqua è pari al 19% in peso del composto premiscelato. La scelta di una calce idraulica, piuttosto che una matrice cementizia, è dovuta ad una maggiore affinità, e dunque compatibilità, con i materiali tradizionalmente impiegati per la realizzazione delle strutture storiche esistenti. La malta, caratterizzata secondo quanto descritto nella norma EN 196-1 (1994), presenta una resistenza a flessione di 3.13 MPa (C.o.V. 13%) e una resistenza a compressione di 11.13 MPa (C.o.V 8%).

La caratterizzazione meccanica del composito è stata effettuata in uno studio precedente (Ferrara and Martinelli 2018) attraverso prove di trazione, condotte secondo raccomandazioni RILEM TC 232-TDT (2016), che hanno mostrato una capacità massima del composito pari a 1255 N (C.o.V. 10%) e di 2430 N (C.o.V. 7%) relativamente a sistemi rinforzati rispettivamente con uno e due strati di tessuto in lino.

Il sistema di rinforzo è applicato sull’intera superficie che viene opportunamente umidificata prima dell’applicazione (Figura 2a). Dopo l’applicazione del primo letto di malta, il tessuto viene distribuito su tutta la superficie e applicato facendo pressione per garantire una corretta penetrazione della malta attraverso lo stesso (Figura 2b). Nel caso di più strati di rinforzo la procedura è iterata facendo attenzione ad interporre un sottile letto di malta fra gli strati. L’applicazione viene completata con uno strato di malta esterno che viene opportunamente rifinito per rendere la superficie piana (Figura 2c).

 

pannelli-in-muratura-rinforzati3.JPG

IMMAGINE 2: Applicazione del sistema di rinforzo: a) superficie del muro prima del rinforzo; b) applicazione del primo strato di malta e del tessuto; c) applicazione dell’ultimo strato di malta e rifinitura della superficie.

 

Metodi

La campagna sperimentale, condotta presso il Laboratory of Composite Materials for Construction (LMC2) della University Claude Bernard Lyon 1, prevede tre configurazioni diverse di provini:

  • Muri non rinforzati (USW): consiste in 3 muri 1 x 1 x 0.12 m3 privi di rinforzo realizzati e testati per studiare il comportamento meccanico di riferimento (Figura 3a);

 

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Articolo tratto dagli atti del XVIII Convegno ANIDIS - Ascoli Piceno 2019


 

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