Intervento di rinforzo strutturale di travature reticolari in c.a. con FRP

L’articolo descrive il rinforzo strutturale di quattro travi reticolari in calcestruzzo armato mediante sistemi CFRP, realizzato durante la riqualificazione di un edificio a Milano. L’aumento dei carichi permanenti e variabili, legato alla nuova copertura e agli impianti, ha generato carenze nei correnti inferiori e in alcuni diagonali tesi. Il progetto, sviluppato secondo NTC 2018 e CNR-DT 200/2004 R1, ha previsto l’impiego di lamine e tessuti in fibra di carbonio con certificazione CVT, integrati da interventi locali di ripristino del calcestruzzo. La soluzione ha garantito adeguamento strutturale con tempi contenuti e limitata interferenza con le lavorazioni in corso.

Contesto dell’intervento: perché è stato necessario il rinforzo con CFRP

Una delle applicazioni più frequenti per i materiali compositi è il rinforzo di elementi strutturali appartenenti a fabbricati con elevate dimensioni. L’elevata prestazione a trazione della fibra in carbonio nonché la sua rigidezza simile a quella dell’acciaio, permette di risolvere problematiche strutturali tipiche degli alti carichi delle industrie.

L’esempio qui parzialmente riportato riguarda il rinforzo di n. 4 travature reticolari in calcestruzzo armato gettato in opera, che hanno richiesto un intervento strutturale a seguito dell’installazione di una nuova copertura più pesante.
L’incremento dei carichi non era dovuto esclusivamente alla nuova copertura: ulteriori sollecitazioni gravavano infatti lateralmente sulle travi, a causa della realizzazione di un nuovo piano di calpestio alla base della trave mediante l’impiego di pesanti angolari metallici.

In alcuni casi, oltre alla carenza di armatura resistente a trazione — compensata mediante l’applicazione di sistemi in CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) — si è riscontrata anche una criticità nelle zone compresse questa è stata risolta tramite l'inserimento di piatti in acciaio.

Stato di fatto dei solai di copertura in laterocemento: geometrie, armature e degrado

Il fabbricato in oggetto è situato a Milano in zona “Città Studi” ed ha subìto un cambiamento di destinazione d’uso ovvero è passato da Cinema a centro commerciale.

La copertura dell’edificio (riportata nella figura sottostante con il contorno rosso) è composta da due falde e si suddivide in due porzioni collocate a quote differenti. La soletta è costituita da un solaio il laterocemento che si sviluppa tra le n°7 capriate in c.a. che sostengono il tetto.

In particolare, la “Sezione 1” è presente solamente nella campata con luce maggiore (pari a circa 6.90 m), mentre la “Sezione 2” è comune a tutti gli altri campi di solaio. Per entrambe le sezioni non è presente allo stato attuale una cappa esistente al di sopra dei travetti e delle pignatte.

Il campo di solaio in cui è presente la “Sezione 01” presenta delle zone in stato di degrado avanzato. Per queste aree si prevede la rimozione degli elementi di alleggerimento esistenti, la passivazione dei ferri di armatura esposti, la ricostruzione dei travetti ammalorati e la realizzazione di un nuovo travetto con cappa a fianco a quello esistente.

Travi reticolari in calcestruzzo armato: tipologie, dimensioni e comportamento

I solai di copertura in laterocemento sono sorretti da n°7 travi reticolari in c.a. gettato in opera. Le dimensioni e le armature degli elementi di cui sono composte le reticolari sono stati desunti dalle indagini strutturali e dagli elaborati di progetto originali di cui si possiede un’ampia documentazione.

Le travi reticolari si differenziano tra di loro perché presentano differenti luci libere e una differente altezza del corrente superiore; mentre il corrente inferiore e i diagonali hanno dimensioni analoghe per tutte le reticolari. Le dimensioni sono riportate sui disegni originali e sono state verificate in loco tramite rilievi.

Tipologie T1, T2, T3: luci e altezze del corrente superiore

Nel dettaglio le n°7 travi sono state differenziate in tre diverse tipologie di travi e qui brevemente riportate:

• T1 – n°2 travi di colore ROSSO
• T2 – n°4 travi di colore BLU
• T3 – n°1 trave di colore VERDE

Nella figura riportata sotto vengono indicate le geometrie delle diverse tipologie di travatura:

 Corrente superiore:

• Tipo 01: avente dimensioni pari a 40x70 cm, evidenziate in rosso nell’immagine
• Tipo 02: avente dimensioni pari a 40x60 cm, evidenziate in blu nell’immagine
• Tipo 03: avente dimensioni pari a 40x55 cm, evidenziate in verde nell’immagine

Corrente inferiore avente dimensioni pari a 40x25 cm

Diagonale T1 avente dimensioni pari a 40x30 cm, considerati come aste che reagiscono a sola
compressone.

Diagonale T2 avente dimensioni pari a 40x25 cm, considerati come aste che reagiscono a sola
trazione.

Cenni sull'approccio alla progettazione con CFRP

Impostazione delle verifiche: Livello di Conoscenza LC2 e Fattore di Confidenza FC=1,20

Per quanto concerne la progettazione del rinforzo delle strutture in calcestruzzo armato, disponendo dei disegni di carpenteria originali con rilievo visivo a campione e di limitate indagini in-situ, si è configurato - ai sensi del §C8.5.4 della Circolare applicativa n.7 del 21 gennaio 2019 - un Livello di Conoscenza LC2 quindi secondo quanto indicato al §C8.5.4.2 della Circolare applicativa n.7 del 21 gennaio 2019, si è utilizzato un Fattore di Confidenza FC=1.20 alle resistenze dei materiali, come ulteriore coefficiente parziale di sicurezza.

Per i carichi occorre suddividerli tra quelli gravanti sulla copertura e quelli in aderenza con il corrente inferiore.

Per i carichi di copertura è prevista la completa rimozione dell’attuale pacchetto di finitura presente sulla copertura, la realizzazione di una cappa di rinforzo in calcestruzzo alleggerito e la posa di un nuovo manto costituito da una guaina ardesiata mentre all’intradosso della soletta si prevede la posa di pannelli anti-sfondellamento.

Tutto il peso complessivo dei carichi permanenti portati (esclusa la cappa di rinforzo per la quale si rimanda al paragrafo seguente) è pari a 50 kg/mq. da aggiungere al carico neve.

Per i carichi in aderenza con il corrente inferiore sono stati considerati i seguenti carichi:

• Peso lamiera grecata + getto: 2.30 kN/mq
• Permanente portati (controsoffitto, placcaggio con isolante all’intradosso e impianti appesi): 1.00
  kN/mq
• Sovraccarico variabile utile (dovuto alla presenza dei macchinari): 3.00 kN/mq, considerato sulle
  due campate di solaio in cui verranno collocate le UTA.
• Sovraccarico variabile utile: 1.00 kN/mq, per tutti gli altri campi di solaio.

Con queste considerazioni si è passati alla verifica delle n°4 travature reticolari che hanno mostrato forti carenze lungo i correnti inferiori e su alcuni diagonali tesi così come indicati nel disegno qui sotto riportato. Al contrario i diagonali compressi risultavano verificati.

Scelta della tecnologia: perché il CFRP è stato preferito ad acciaio e incrementi di sezione

Viste le problematiche tecniche appena esposte, tra le diverse soluzioni (acciaio, incrementi di sezione con getti, etc.) si è scelto di adottare sistemi in CFRP vista la semplice e veloce posa inoltre tale applicazione non ha intercorso con le altre attività lavorative attualmente in corso.

Rinforzo a flessione con CFRP: caratteristiche e posizionamento sulle travature

Fatte queste considerazioni si è optato per l’utilizzo di materiali compositi del sistema Betontex di Fibre Net  che dispone di una vasta gamma di tessuti e preformati disponibili in numerose geometrie e grammature coperti da CVT.

In particolare, per la flessione sono state utilizzate per ogni singola travatura n°4 lamine preformate in fibra di carbonio ad altissima resistenza aventi classe C200/1800; poiché occorreva un’elevata area di composto la scelta è stata indirizzata verso un prodotto avente dimensioni 100x1,4 mm ovvero 560 mm².

Rinforzo dei diagonali con tessuto CFRP applicato in opera: stratigrafia e criteri di posa

Per il rinforzo dei diagonali si sono utilizzati strati di tessuto in fibra di carbonio realizzati in situ, in classe 350/2800C, impregnati secondo la metodologia “a secco” con specifiche resine Fibre Net larghezza 20 cm. semplice appoggio sulle teste dei pilastri o poggianti tra di loro non presentano criticità in termini di resistenza risultando pienamente verificati.

STRUMENTI PER IL PROGETTISTA

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Preparazione supporto per rinforzo CFRP: pulizia, planarità e primer

La posa degli FRP è stata preceduta da ricostruzioni del calcestruzzo in quanto in alcune parti – come si può evincere dalle fotografie qui sotto riportate – non era di buona qualità (Classe C20/30).

Previa applicazione dei sistemi di rinforzo in materiale composito, sia lamine preformate che tessuti da formare in opera, è stata eseguita una profonda pulizia e regolarizzazione del sottofondo per garantirne la corretta adesione.

La pulizia deve essere sempre eseguita con flessibili a disco diamantato con incisioni profonde. Deve essere sempre eliminato il lattime di cemento, tutte le parti della pasta cementizia non strutturali e le polveri.

Seguono fasi altrettanto importanti quali l’eventuale stuccatura e regolarizzazione del sottofondo qualora presentasse distacchi e/o discontinuità.

Nel caso di posa delle lamine occorre sempre verificare gli eventuali avvallamenti pari a 5 mm al metro che potrebbero creare tensioni di distacco e/o debonding.

Per il nostro lavoro, dopo le accurate fasi preparatorie, si è proceduto all’incollaggio della trave con lamina tipo Fibre Net 100X1,4 in possesso del relativo certificato C.V.T. rilasciato dal Ministero dei Lavori pubblici. La fasciatura dei n°4 diagonali – avvenuta in tutti i quattro lati della sezione - è stato realizzato utilizzando – un tessuto da 300 gr./m2 sempre ad alto modulo elastico – BETONTEX Fibre Net 320 UH-HR – impregnato al sottofondo mediante posa di un primer e del relativo adesivo epossidico.

L’uso del primer è di fondamentale importanza in quanto garantisce la reale penetrazione della resina nel calcestruzzo.

L’intervento così descritto è stato realizzato - mediante l’impiego di n°2 cestello a pantografo sufficientemente lungo - da n°3 operai specializzati. Sono bastati n°18 giorni diurni, lavorativi e continuativi per completare il lavoro.

Conclusioni: riferimenti normativi, vantaggi di cantiere e confronto con alternative

L’intervento, come è stato spiegato nell’articolo, si presentava alquanto complesso e vista la necessità di terminare il lavoro complessivo in poco tempo non vi era spazio per studiare ed applicare altre tecnologie.

Si vuole comunque sottolineare i seguenti punti:

• la progettazione ha seguito la normativa vigente ovvero il DM 17.01.2018 Norme Tecniche per le Costruzioni ed il famoso CNR-DT 200/2004 R1 2013 - “Istruzioni per la progettazione, l’esecuzione ed il controllo di interventi di consolidamento statico mediante l’utilizzo di compositi fibrorinforzati” e sue revisioni.
• La posa è avvenuta da società specializzata nel settore e da personale altamente qualificato.
• La Direzione Lavori ha eseguito prove sul prodotto fornito dall’impresa ed è stato certificato come da normativa presso il Politecnico di Milano.
• I costi dell’intervento complessivi sono stati competitivi con altre tecnologie, ma soprattutto con la formazione di una nuova copertura che oltre ce costosa avrebbe allungato notevolmente i tempi della realizzazione.

FAQ TECNICHE

1) Quando è necessario rinforzare una trave reticolare in calcestruzzo armato con CFRP?
Il rinforzo con CFRP diventa necessario quando si ha un aumento del sistema di forze – spostamenti oppure a seguito di un degrado degli elementi esistenti– ad esempio per nuova copertura, nuovi impalcati o installazione di impianti – determina carenze nelle verifiche a flessione o a trazione degli elementi strutturali. Nel caso descritto, le criticità hanno interessato i correnti inferiori e alcuni diagonali tesi. Prima di progettare il rinforzo occorre ricostruire lo stato di fatto, definire il livello di conoscenza e aggiornare le combinazioni di carico secondo NTC 2018, verificando gli stati limite pertinenti.

2) Come si progetta un rinforzo a flessione con lamine CFRP su travi in c.a.?
Il rinforzo a flessione con lamine CFRP prevede il placcaggio dell’elemento, in modo da incrementare la capacità resistente. La progettazione deve considerare la compatibilità deformativa tra calcestruzzo, armatura esistente e composito, oltre alla verifica del possibile distacco (debonding). È necessario definire correttamente le lunghezze efficaci di ancoraggio e verificare che il supporto presenti adeguata qualità e resistenza superficiale. Il riferimento tecnico nazionale per il dimensionamento e il controllo è costituito dalle NTC 2018 e dalle istruzioni CNR-DT 200.

3) Quali sono le differenze operative tra lamine e tessuti CFRP applicati in opera?
Le lamine preformate in fibra di carbonio sono elementi pultrusi con proprietà meccaniche costanti e vengono utilizzate principalmente per rinforzi a flessione. I tessuti, invece, vengono impregnati in situ con resine epossidiche e risultano più adattabili a geometrie complesse, come diagonali o nodi, consentendo fasciature su più lati della sezione. Dal punto di vista esecutivo, le lamine richiedono particolare attenzione alla planarità del supporto, mentre i tessuti richiedono un controllo accurato dell’impregnazione e dell’adesione al calcestruzzo.

4) Quali controlli sono fondamentali in cantiere per garantire l’efficacia del rinforzo FRP?
La preparazione del supporto è determinante. Devono essere rimosse le parti degradate, eliminato il lattime di cemento e regolarizzata la superficie. È necessario verificare la planarità per evitare concentrazioni di tensione e fenomeni di distacco. L’applicazione del primer è essenziale per favorire la penetrazione della resina e migliorare l’adesione. In fase esecutiva vanno controllate anche le condizioni ambientali (temperatura e umidità) e la corretta miscelazione delle resine. La Direzione Lavori deve acquisire la documentazione di qualificazione del sistema e registrare le fasi operative.

5) Quali requisiti normativi devono essere rispettati per un intervento con sistemi FRP?
Un intervento con sistemi FRP su strutture esistenti deve essere progettato secondo le NTC 2018 e la relativa Circolare applicativa, con definizione del livello di conoscenza e del fattore di confidenza. Per il dimensionamento, l’esecuzione e il controllo si fa riferimento alle istruzioni CNR-DT 200 e successive revisioni. Inoltre, i sistemi FRP devono essere qualificati secondo le Linee Guida nazionali per i compositi strutturali e corredati della documentazione prevista, come il Certificato di Valutazione Tecnica o la marcatura CE, ove applicabile.