Miglioramento sismico ed energetico di edifici mediante Geniale Cappotto Sismico: i test su edifici in muratura

Geniale Cappotto Sismico: la seconda campagna di prove sperimentali su edifici in muratura 

L’esigenza sempre più diffusa di realizzare interventi di riqualificazione integrata di edifici esistenti ha portato all’ideazione ed allo sviluppo del Geniale Cappotto Sismico Ecosism^®. L’impiego di questa tecnologia permette di incrementare le prestazioni dei fabbricati sia dal punto di vista energetico che strutturale. L’intervento di riqualificazione consiste nella realizzazione di contro-pareti in calcestruzzo armato di spessore ridotto, gettate entro casseri a perdere costituiti da materiale isolante. L’intervento realizzato solo all’esterno dell’edificio permette di non alterarne le caratteristiche architettoniche e limita il disagio legato all’esecuzione dei lavori.

Il Geniale Cappotto Sismico Ecosism^® è stato sviluppato e validato scientificamente grazie alla collaborazione tra l’azienda Ecosism ed il Dipartimento ICEA dell’Università degli Studi di Padova, il quale ha realizzato la prima campagna di prove sperimentali su campioni in cui la struttura di supporto era costituita da telai in cemento armato.

Nel presente lavoro vengono presentati i risultati di una seconda campagna sperimentale svolta al fine di caratterizzare il comportamento meccanico del sistema applicato ad edifici in muratura. Tali risultati verranno confrontati con valutazioni analitiche della resistenza.

Edifici obsolescenti: quando decidere di prolungare la vita utile di un edificio 

Negli ultimi anni il problema dell’obsolescenza degli edifici ha assunto una rilevanza sempre maggiore, sia dal punto di vista strutturale che dal punto di vista dell’efficienza energetica. Il fenomeno dell’obsolescenza strutturale è stato trattato da diversi autori al fine di determinare se questo costituisca o meno una condizione necessaria per la demolizione di un edificio esistente.

Bradley e Kohler [1] forniscono una definizione di “vita utile” della struttura basata sul concetto di requisiti prestazionali, in accordo con quanto contenuto nello standard ISO (ISO 2000). Viene introdotto il concetto di “vita utile economica” al fine di operare scelte progettuali e di gestione del fabbricato, tale concetto è collegato ad un’analisi costi-benefici per valutare la convenienza di interventi di efficientamento in alternativa alla demolizione e ricostruzione. Thomsen e Van der Flier [2] analizzano la connessione tra obsolescenza e vita utile, fornendo un modello per identificare la natura dei fattori che influenzano il grado di obsolescenza. Essi affermano inoltre che la condizione di obsolescenza giustifica la demolizione, ma non è determinante. Infatti, operazioni di manutenzione e ristrutturazione possono estendere la vita utile dell’edificio ritardando il momento della demolizione.
Tutti i concetti sopra esposti rientrano nella valutazione del ciclo di vita (LCA) e di costo del ciclo di vita (LCC) di un edificio, in cui si analizza l’impatto che una struttura ha sull’ambiente dal momento in cui viene realizzata al momento in cui viene dismessa e demolita, ponendo attenzione al consumo di energia ed alla produzione di CO₂. In quest’ottica, si osserva che la riqualificazione degli edifici esistenti risulta essere una scelta più economicamente conveniente ed ecologica rispetto alla demolizione e ricostruzione, dato il minor uso di risorse e la minore produzione di rifiuti [3]. Per questo motivo nell’ultimo decennio sono stati fortemente incentivati gli interventi di rinnovo degli edifici esistenti anche attraverso strumenti finanziari promossi dai governi nazionali.

Ad oggi il patrimonio edilizio europeo ha una componente rilevante di fabbricati costruiti prima del 1970, di conseguenza molte delle strutture esistenti hanno esaurito la loro vita utile, stimata pari a 50 anni per gli edifici residenziali, in accordo con la normativa vigente (NTC 2018 [4]). Nelle zone caratterizzate da un’elevata sismicità, quindi, si riscontra un elevato grado di vulnerabilità sismica che si traduce in un elevato rischio di perdita di vite umane in caso di evento sismico. Gli stessi edifici sono costituiti da involucri edilizi di scarsa qualità che determinano forti carenze dal punto di vista dell’efficienza energetica, la quale si traduce in elevati costi di manutenzione ed una bassa qualità degli ambienti interni.

Il Geniale Cappotto Sismico Ecosism^®  risponde a queste esigenze ed essendo concepito per essere applicato solo sulla superficie esterna dell’edificio, evita il problema della riallocazione temporanea degli inquilini durante l’installazione e l’esecuzione dei lavori. 

La descrizione del sistema "Geniale Cappotto Sismico"

Il sistema è composto da una lastra sottile in calcestruzzo armato gettato in opera entro un cassero costituito da due strati di materiale isolante. Il cassero viene prodotto in stabilimento e grazie alla caratteristica maglia metallica tridimensionale garantisce uniformità di spessore per la lastra in c.a. e la corretta posizione dell’armatura, che non subirà spostamenti indesiderati durante la fase di getto. Lo spessore degli strati isolanti e dello strato in calcestruzzo possono essere modulati in funzione delle necessità determinate nella fase di progettazione. In lastre di spessore notevolmente ridotto, viene inserito un singolo strato di armatura, costituita da barre orizzontali e verticali, in posizione baricentrica. Per spessori maggiori è possibile l’inserimento di due strati di armatura. Il diametro e l’interasse delle barre posizionate in opera, possono essere modulati in funzione delle azioni sismiche previste per ogni singolo edificio.

Il sistema è concepito per resistere alle azioni orizzontali in caso di evento sismico, mentre le azioni verticali restano affidate alla struttura esistente. Al fine di evitare l’insorgere di fenomeni di instabilità della lastra in calcestruzzo, è possibile realizzare delle nervature orizzontali e verticali mediante l’interruzione dello strato interno del cassero isolante. Le nervature presentano quindi uno spessore maggiore e possono essere armate con barre longitudinali e staffe, analogamente a quanto avviene per i cordoli tradizionali. La maglia di nervature garantisce un aumento della rigidezza fuori piano della lastra e, di conseguenza, lo sviluppo della crisi del sistema per raggiungimento della resistenza del materiale e non per fenomeni di instabilità.

Il collegamento con la struttura esistente è realizzato a livello delle fondazioni ed in corrispondenza di ogni solaio mediante l’inghisaggio nel cordolo di connettori metallici che vengono annegati nelle nervature orizzontali del sistema di rinforzo. Il numero e il diametro dei connettori vengono determinati in funzione dell’azione sismica attesa. Il passo dei connettori deve essere tale da evitare il verificarsi di concentrazioni di tensione nel calcestruzzo.

Il materiale che costituisce il cassero isolante è caratterizzato da un basso valore di trasmittanza, contribuendo ad un miglior isolamento dell’involucro edilizio e, di conseguenza, ad una riduzione dei consumi legati al riscaldamento durante la stagione fredda. Al fine di ottenere diverse caratteristiche di isolamento termico e acustico, è possibile realizzare il cassero impiegando diversi materiali, ottenendo soluzioni specifiche per ogni intervento. 

Descrizione dei campioni per i test sperimentali

Per la realizzazione della seconda campagna di prove sperimentali sono stati costruiti tre campioni a scala reale, che sono stati sottoposto a prove cicliche quasi-statiche fino al raggiungimento della rottura.

Ogni campione è composto da una struttura di supporto in muratura su cui è stato applicato il sistema di rinforzo oggetto di studio. I primi due campioni rappresentano due pareti singole di altezza 3m e lunghezza 2m, mentre il terzo campione rappresenta un edificio mono-piano in laterizio con solaio in legno. Su tutti i campioni è stato applicato il Geniale Cappotto Sismico Ecosism^®.

Il sistema di rinforzo utilizzato è composto da uno strato interno in EPS di spessore 4 cm a contatto con la struttura di supporto, uno strato strutturale in c.a. di spessore 6 cm ed uno strato isolante esterno in EPS di spessore 10 cm. In corrispondenza della base e della sommità dei campioni sono state realizzate delle nervature orizzontali mediante l’interruzione dello strato isolante interno, ottenendo uno spessore della nervatura pari a 10 cm (Figura 1, Figura 2). L’armatura della lastra in c.a. del sistema di rinforzo è uguale per tutti i campioni ed è costituita da barre orizzontali e verticali Ø6 con passo 30 cm.

I due campioni a parete singola si distinguono per il materiale costituente la muratura, nel primo caso laterizio, mentre nel secondo sono stati impiegati blocchi in tufo. Il sistema di rinforzo è stato applicato su entrambi i lati della muratura di supporto, al fine di ottenere una sezione trasversale simmetrica ed evitare fenomeni di svergolamento durante l’esecuzione della prova.

In sommità alla muratura di supporto è stato realizzato un cordolo in c.a. rappresentativo delle travi di bordo dei solai comunemente presenti negli edifici esistenti. Il cordolo ha una sezione di 25 x 30 cm e presenta armatura longitudinale costituita da 4 Ø14 e armatura a taglio costituita da staffe Ø8/30 cm (Figura 3). La geometria e la quantità di armatura sono state scelte al fine di riprodurre una configurazione tipologica presente in molti edifici esistenti. Il sistema di rinforzo è collegato alla struttura di supporto a livello del cordolo in c.a. mediante l’uso di connettori metallici di diametro 10mm e passo 20cm disposti su due file parallele. Il diametro e il passo dei connettori sono stati determinati al fine di garantire l’aderenza supporto e rinforzo durante l’esecuzione delle prove cicliche. Il collegamento della lastra di rinforzo con la fondazione è stato realizzato mediante l’impiego di barre di ancoraggio ad aderenza migliorata aventi diametro 16mm e posizionate con passo pari a 15cm al fine di prevenire lo scorrimento del campione.

Nel seguito verranno analizzati e discussi i risultati ottenuti per i due campioni in muratura a parete singola.

Resistenza ultima dei campioni calcolata analiticamente

Le modalità di rottura attraverso cui i campioni esaminati possono sviluppare la resistenza ultima risultano composte da più meccanismi, che concorrono a fornire la resistenza complessiva. La resistenza ultima di un campione è stimata come la somma della resistenza del supporto e della resistenza del rinforzo. Per ciascuno dei due elementi il valore del carico orizzontale che genera la condizione ultima è pari al minimo fra quelli associati alle seguenti modalità di collasso considerate:

• Presso-flessione
• Taglio in presenza di armature trasversale
• Taglio diagonale (pannelli in muratura)
• Taglio-scorrimento

Di seguito (nell'articolo integrale) vengono brevemente richiamati i principi e le formulazioni utilizzate per il calcolo delle resistenze sopracitate.

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