La tecnica del reticulatus con fili sottili ad alta resistenza in lega di titanio

Il rinforzo e la riparazione delle strutture in muratura richiedono materiali e metodi che non solo migliorino le prestazioni strutturali di questi edifici storici, ma che rispettino anche le esigenze della conservazione. Questo articolo presenta i risultati iniziali di uno studio sperimentale nel quale sono stati utilizzati fili di titanio di grado 5 (Ti-6Al-4V) per rinforzare pareti in muratura soggette a taglio, utilizzando la tecnica del Reticulatus. In questo approccio, il filo viene inserito nei giunti di malta per creare una rete capace di fornire alla muratura la resistenza a trazione necessaria per resistere alle forze di taglio e di trazione che si generano, ad esempio, a causa di eventi sismici. Il filo di titanio qui utilizzato ha un diametro di 1.2 mm, ed è stata impiegata una speciale malta fibrorinforzata per prevenire il taglio del filo attraverso la malta. I pannelli in muratura di pietrame, costituiti da elementi appena sbozzati e malta di calce, sono stati costruiti presso i laboratori Fibre Net di Udine e testati per il comportamento a taglio laterale e fuori piano. Il filo di titanio è stato applicato su un solo lato, con l'altro lato rinforzato utilizzando un intonaco armato di malta rinforzata con GFRP. Questo approccio ha effettivamente creato una struttura di tipo "sandwich", grazie al rinforzo applicato su entrambe le facce della parete.

Interventi di rinforzo strutturale su edifici storici in muratura: devono essere reversibili e durevoli

Uno degli aspetti più significativi da considerare negli interventi di rinforzo sugli edifici storici in muratura è che tali interventi dovrebbero essere reversibili e durevoli, in conformità con i princìpi fondamentali della conservazione. Inoltre, gli interventi devono rispondere anche a criteri di sostenibilità economica: le limitate risorse finanziarie disponibili oggi implicano infatti che i materiali di rinforzo applicati sulla muratura storica, spesso esposti a fattori ambientali come agenti atmosferici, pioggia, cicli di gelo-disgelo e alte tempera- ture, possano durare per periodi molto lunghi. Per questa ragione, non si devono affrontare non solo gli aspetti strutturali, come l’efficacia del rinforzo nel migliorare il comportamento della struttura sotto carichi statici e dinamici, ma anche le problematiche legate alla durabilità e alla reversibilità dell’intervento stesso (Yavartanoo and Kang, 2022).

L’intrinseca vulnerabilità della muratura non rinforzata, dovuta alla quasi totale assenza di resistenza a trazione, evidenzia la necessità di sviluppare metodi di rinforzo più efficaci per le strutture sismicamente carenti. Esistono diverse tecniche convenzionali per migliorare le prestazioni sismiche delle pareti in muratura non rinforzata, tra cui trattamenti superficiali, iniezioni di malta (Ehsani et al., 1999) e rinforzi esterni (ElGawady et al., 2004; Roca et al., 2010; Gattesco et al., 2015; Meriggi et al., 2022). Particolare attenzione ha avuto di recente l’uso di rinforzi applicati alle murature con malte, invece di resine (Prota et al., 2006; Papanicolaou et al., 2008)

Nel campo del rinforzo a taglio, negli ultimi anni sono state proposte diverse soluzioni innovative. Nel caso di murature faccia-vista si può citare la tecnica del Reticolatus (Borri et al., 2008, 2010), che prevede l’impiego di fili metallici o in composito inseriti nei giunti di malta. Questo metodo consiste nella rimozione della malta esistente fino a una profondità di 40–60 mm e nella successiva applicazione di una nuova malta, dalle migliori prestazioni meccaniche rispetto a quella originaria, attorno al rinforzo filiforme. Questa tecnica è particolarmente indicata quando è necessario preservare l’aspetto esterno faccia-vista di una muratura. Nelle numerose applicazioni di questa tecnica sono stati sin qui utilizzati, come rinforzi, trefoli in acciaio inox. La presente ricerca si pone l’obiettivo di indagare su pregi e (eventuali) difetti dell’uso, come rinforzo di murature faccia-vista, di un materiale diverso: il titanio.

IF CRASC ’25: ingegneria forense, crolli e affidabilità strutturale
IF CRASC ’25 ha posto al centro del confronto tecnico ingegneria forense, crolli, affidabilità e consolidamento strutturale, riunendo a Napoli esperti del settore per analizzare cause dei dissesti, responsabilità tecniche e soluzioni avanzate per la sicurezza del costruito, tra ricerca, pratica professionale e ambito giudiziario. All'interno interviste e video delle relazioni.
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Questo metallo rappresenta una soluzione particolarmente interessante, in particolare per applicazioni nel settore dei BBCC, grazie alla sua straordinaria stabilità chimica, che garantisce elevata durabilità nel tempo. Inoltre, l’elevata resistenza specifica consente di poter utilizzare diametri molto più contenuti rispetto all’acciaio, cosa importante se ci si trova di fronte a giunti di malta ridotti, come spesso capita in talune murature storiche.

Nell’ingegneria strutturale, il titanio viene utilizzato sotto forma di leghe, le quali ne migliorano alcune proprietà meccaniche fondamentali, in particolare resistenza e duttilità. Tra queste, l’alluminio-vanadio-titanio (Ti-6Al-4V) è la lega più diffusa, caratterizzata dalle seguenti proprietà:

• 1. elevata resistenza a trazione, con un limite di snervamento intorno ai 950 MPa e un’elevata capacità di deformazione plastica;
• 2. bassa densità: con un peso specifico di soli 4400–4500 kg/m³, il titanio offre proprietà meccaniche paragonabili a quelle dell’acciaio strutturale ad alta resistenza, ma con una densità pari alla metà;
• 3. basso modulo di Young: circa 110 GPa; questo modulo elastico, combinato con l’elevata resistenza allo snervamento, consente al titanio di assorbire una grande quantità di energia elastica, rendendolo particolarmente efficace per il rinforzo sismico degli edifici esistenti;
• 4. basso coefficiente di dilatazione termica, inferiore rispetto a quella di altri metalli e molto simile a materiali come vetro, pietra, ceramica e strutture composite. Questa compatibilità consente di accoppiare efficacemente il titanio a tali materiali in numerose applicazioni, in particola- re nel settore del restauro, di grande rilevanza in Italia.

L’utilizzo del titanio nell’ingegneria civile è ancora relativamente raro. Tuttavia, applicazioni del titanio si trovano negli interventi strutturali su manufatti archeologici, come colonne marmoree, blocchi di pietra e statue. Sono numerosi gli interventi realizzati, tra cui la cerchiatura di colonne marmoree fessurate o la restauro di parti distaccate (come dita, braccia o teste) di statue. Nel presente articolo sono riportati i risultati di alcune prove preliminari tese a valutare l’efficacia del Reticolatus, applicato con fili in lega di titanio, come tecnica di riparazione di elementi murari fortemente lesionati.

Procedura di prova

I pannelli murari sono stati testati in laboratorio sotto un carico di taglio di compressione diagonale, al fine di valutarne la resistenza a taglio, il modulo elastico a taglio e la duttilità della muratura, come indicato in ASTM E519 (Fig. 1). Il test di compressione diagonale è stato condotto su pannelli di dimensioni 120×120 cm. Il meccanismo di prova era costituito da un insieme di elementi metallici fissati a due angoli opposti lungo una diagonale del pannello. Un martinetto idraulico è stato posizionato in corrispondenza di uno degli angoli, interposto tra gli elementi metallici. Questa configurazione ha permesso al martinetto di applicare una forza di compressione direttamente su un angolo del pannello murario, mentre era rigidamente collegato a un elemento metallico corrispondente situato all'angolo opposto. In questo modo, si è creato un sistema chiuso in cui il martinetto esercitava la compressione lungo la diagonale del pannello. Per monitorare la risposta a taglio, ciascun pannello è stato strumentato su entrambi i lati con due trasduttori LVDT per misurare le deformazioni di taglio sotto carico diagonale.

Rinforzo dei pannelli

Come anticipato, la tecnica del Reticolatus consiste nel rinforzare le pareti in muratura mediante l'inserimento, nei giunti di malta, di una rete continua di fili metallici. Il processo prevede la disposizione dei fili, sia in direzione orizzontale che verticale, lungo la superficie del muro. In alcuni dei nodi intersezione tra i fili orizzontali e quelli verticali si dispongono delle barre metalliche trasversali che attraversano il muro, e si uniscono i nodi della rete di un lato con quelli corrispondenti sul lato opposto, con una densità tipica di 4 o 5 barre trasversali per metro quadrato.

In questo modo si crea una rete di rinforzo ben connessa con tutta la muratura, disposta secondo uno schema a griglia con lati approssimativamente quadrati, tipicamente compresi tra 300 e 500 mm. Tale dimensione viene scelta in base alla forma e alle dimensioni delle pietre della muratura, allo spessore del muro e alle proprietà meccaniche della muratura stessa.

Nelle applicazioni di questa tecnica sono stati sin qui utilizzati materiali come acciaio inossidabile ad alta resistenza e, a titolo sperimentale, anche corde in materiale composito.
Nel presente studio sono stati provati a compressione diagonale alcuni pannelli murari rin- forzati su un lato con la tecnica del Reticolatus, con fili in lega di titanio di piccolo diametro (1.2 mm), sull’altro lato con intonaco armato con reti in GFRP.

Le proprietà meccaniche dei fili di titanio sono state verificate attraverso prove di trazione su 10 campioni, confermando le specifiche del produttore, con minime variazioni. Il limite di snervamento allo 0.2% è stato misurato a 958.4 MPa (resistenza ultima 1137.5 MPa), mentre il modulo di Young è risultato pari a 109.2 Gpa e allungamento a rottura del 14%. Per la ristilatura dei giunti è stata utilizzata una malta a base di calce contenente calce idraulica naturale come legante NHL M15. La sua resistenza a compressione, testata su cilindri di 100 mm di diametro dopo 28 giorni di maturazione, è risultata pari a 8.90 MPa. Per evitare fenomeni di “taglio” del filo di titanio sulla malta, intorno al filo è stata applicata una malta più resistente di tipo M40.

Sul lato opposto a quello del Reticolatus è stata disposta una rete in GFRP in fibra di vetro AR (Alkali-Resistant), lato 66 mm, spessore 3 mm, resistenza a trazione caratteristica del singolo trefolo di vetro 4.23 kN (Fig. 2). I test di trazione eseguiti sulle fibre estratte dalla rete in GFRP hanno rivelato un modulo di elasticità compreso tra 36.1 e 39.8 GPa.

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Nei prossimi paragrafi si parlerà di:

• prove sperimentali e analisi;
• presentazione del caso studio;
• Conclusioni della trattazione