La protezione sismica degli edifici esistenti in muratura: un percorso di ricerca sulla tecnica "Composite Reinforced Mortar"

Sistemi TRM: applicazione di intonaci con strato di rinforzo a base di fibre inglobato al suo interno

Il patrimonio edilizio storico è costituito da molti edifici in muratura che necessitano spesso di interventi di riabilitazione, a causa di carenze strutturali legate a fenomeni di durabilità dei materiali, modifiche, fatica, azioni accidentali... In particolare, queste strutture massive, tradizionalmente concepite per sorreggere i carichi gravitazionali, si sono dimostrate specialmente vulnerabili alle azioni sismiche.

Tale vulnerabilità è, in generale, influenzata dalla consistenza strutturale (collegamenti tra le pareti e tra pareti e solai), dalla distribuzione degli elementi resistenti (setti murari) e dall'integrità e resistenza della muratura stessa. Con riferimento a quest’ultimo aspetto, la principale carenza è tipicamente riconducibile alla scarsa resistenza a trazione della muratura, malgrado la sua buona resistenza a compressione. L’applicazione di sistemi di rinforzo in grado di esplicare una buona resistenza a trazione può, pertanto, mitigare la vulnerabilità sismica delle strutture esistenti in muratura.

In questo contesto, negli ultimi 20 anni, si sono progressivamente diffusi diversi sistemi di rinforzo, noti con l’acronimo TRM (Textile Reinforced Mortar), che consistono nell’applicazione di intonaci con uno strato di rinforzo a base di fibre inglobato al suo interno. Questi sistemi si rivelano particolarmente compatibili per l’applicazione sulle murature esistenti, poiché combinano l’utilizzo di un materiale ad elevata resistenza a trazione e non corrosivo (il rinforzo a base di fibre) con una matrice inorganica (la malta), che è di facile applicazione su superfici ruvide come la muratura, che fornisce alle fibre protezione al fuoco e ai raggi UV e che può assicurare compatibilità meccanica e chimica con il supporto murario.

In commercio esistono svariate soluzioni TRM, che differiscono per la diversa natura e formato delle fibre (esempio vetro, carbonio, basalto… sotto forma di tessuti o reti) e per il tipo e lo spessore della malta. Lo sviluppo di queste moderne tecniche di rinforzo ha coinvolto attivamente il campo della ricerca scientifica a diversi livelli: lo studio del comportamento meccanico e chimico dei materiali, la sperimentazione su elementi e strutture in muratura rinforzata, la calibrazione di metodi numerici e analitici per la stima delle prestazioni e la progettazione degli interventi.

Viene qui presentata una panoramica dei recenti risultati della ricerca nel settore, concentrandosi su una specifica tecnica di rinforzo di tipo TRM, denominata Composite Reinforced Mortar (CRM). È un esempio di approccio sistematico alla ricerca, che testimonia un’efficace strategia sviluppata per affrontare la complessità e la molteplicità degli aspetti che riguardano i sistemi TRM e che devono essere presi in considerazione dal progettista professionista per una scelta consapevole tra le soluzioni disponibili sul mercato.

La tecnica CRM

Il CRM (acronimo di Composite Reinforced Mortar) è una tecnica di rinforzo di tipo TRM basata sull’applicazione, sulle superfici murarie, di uno strato di malta di spessore 30 mm, con annegata al suo interno una rete preformata in materiale polimerico fibrorinforzato (FRP – Fiber-Reinforced Polymer). Per migliorare la collaborazione del rinforzo con la muratura, è inoltre prevista l’introduzione di connettori passanti in FRP, iniettati in fori praticati nella muratura.

È possibile anche l'applicazione del CRM su una sola faccia della parete muraria: in questo caso è opportuno introdurre anche dei diatoni artificiali per contrastare l'eventuale distacco dei paramenti, in caso di muratura a più strati.

La rete dell'armatura qui considerata è composta da fili ortogonali tra loro, costituiti da fibre lunghe di vetro AR, resistente agli alcali (Fig.1). Durante il processo produttivo, i fili di fibra vengono dapprima impregnati con una resina polimerica termoindurente (vinilestere-epossidica); successivamente, i fili nella direzione dell'ordito vengono ritorti e intrecciati su quelli nella direzione della trama. Le reti vengono infine sottoposte a termoindurimento e sono stoccate in rotoli.

Indagini sperimentali

Le prove sperimentali sono fondamentali per fornire evidenza del comportamento di un sistema TRM e del suo ruolo nella risposta strutturale di elementi e strutture in muratura.
Per ottimizzare le risorse, è stato applicato il cosiddetto Building-Block Approach o approccio modulare: si tratta di un processo sistematico che consiste in una serie di prove di complessità crescente, che vanno dai singoli componenti del CRM ad interi edifici rinforzati (Fig.2). Chiaramente, all'aumentare della dimensione dei campioni e della complessità delle prove, il numero si riduce poiché aumenta l’onere operativo ed economico.

A livello di singolo componente (Fig.2a), le sperimentazioni hanno riguardato prove di trazione su singoli fili di fibra (esempio in Fig.3), prove di compressione e trazione su provini di malta, prove di resistenza dei nodi della rete e prove di sfilamento dei fili dalla malta [Gattesco and Boem, 2017a]. È stato così possibile comprendere il comportamento meccanico dei diversi materiali e la loro reciproca interazione.
A questo livello, sono risultati fondamentali anche i test di durabilità, per valutare la sensibilità delle fibre, ad esempio in condizioni ambientali aggressive, e la loro resistenza a fatica. Per le fibre di vetro, particolare attenzione è stata rivolta allo studio degli effetti indotti da ambienti alcalini (dovuti alla presenza della malta) [Micelli et al., 2017; Micelli and Aiello, 2019].

A livello di provino di CRM (Fig.2b), l’esecuzione di prove di trazione diretta, prove di strappo tangenziale e prove di taglio nel piano hanno consentito di valutare le proprietà del CRM come materiale composito equivalente [Gattesco and Boem, 2017a; Sisti et al., 2019].

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