Retrofit sismico di aggregati in muratura con esoscheletri leggeri: test sperimentali e applicazione numerica

Gli edifici in muratura costituiscono una parte rilevante del patrimonio edilizio esistente e, spesso, si presentano come aggregati edilizi complessi, difficili da esaminare sotto il profilo strutturale. Tali edifici, costruiti diversi decenni fa, presentano importanti dispersioni termiche, in quanto progettati senza tenere conto delle esigenze di efficientamento energetico.

Un approccio efficace per risolvere tali criticità è rappresentato dai sistemi di retrofit integrato, che consentono di migliorare contemporaneamente le prestazioni sismiche ed energetiche del costruito storico.

Il presente studio si concentra sull’analisi di un sistema integrato a cappotto, composto da profili in lega di alluminio accoppiati a pannelli coibentati, e sui suoi effetti applicativi su un aggregato edilizio in muratura.

Questo sistema è stato oggetto di una campagna sperimentale preliminare, che ha evidenziato risultati incoraggianti, e di un’analisi numerica eseguita sul caso studio di un edificio aggregato in muratura, che ha mostrato i benefici effetti sismici derivante dalla sua applicazione.

La vulnerabilità sismica degli edifici aggregati in muratura

La muratura è stata il materiale da costruzione più utilizzato nei secoli passati, ben prima dell’avvento e della diffusione del calcestruzzo armato e dell’acciaio. Ampiamente impiegata non solo per edifici residenziali, ma anche per scuole, per edifici monumentali, quali chiese, monasteri, ville, e, in alcuni casi, anche per edifici industriali in combinazione con il calcestruzzo armato [1], ha rappresentato nel corso dei secoli il materiale base delle costruzioni civili.

Gran parte delle strutture in muratura, tuttavia, risalgono a epoche anteriori all’introduzione delle normative tecniche moderne e, pertanto, sono state realizzate seguendo regole empiriche di progettazione ed esecuzione. Progettate per sostenere esclusivamente carichi gravitazionali, tali costruzioni risultano completamente prive di conformità ai criteri antisismici. La loro vulnerabilità sismica è emersa in modo drammatico nel corso dei terremoti degli ultimi decenni, che hanno causato crolli diffusi ed ingenti perdite di vite umane [2, 3].

Una parte significativa del patrimonio edilizio in muratura esistente non è composta da edifici isolati, ma da aggregati edilizi, ossia complessi residenziali che si sono formati nel tempo attraverso un processo di costruzione lento, disorganizzato e privo di pianificazione.

In tali insediamenti urbani, le unità strutturali sono state progressivamente aggiunte a edifici originariamente progettati come singoli, spesso senza prevedere connessioni adeguate tra le murature, generando vulnerabilità strutturali e favorendo il rischio di meccanismi locali di collasso [4].

Gli aggregati edilizi possono presentare configurazioni geometriche molto diverse, come complessi lineari o con corti interne, che possono essere chiuse su tutti i lati o con un fronte aperto. Poiché le unità sono state costruite in periodi diversi, ognuna può essere caratterizzata da materiali differenti, con riferimento sia alle strutture verticali che a quelle orizzontali, nonché da parametri variabili come l’altezza totale, l’altezza di interpiano (che può comportare solai sfalsati), la disposizione delle aperture sulle facciate e la posizione del blocco scale.

Tutti questi fattori influiscono notevolmente sulla valutazione della vulnerabilità sismica degli aggregati urbani e complicano l’analisi computazionale, rendendo difficile modellare le eterogeneità strutturali con i tradizionali software di calcolo [5, 6].

Oltre alle problematiche strutturali, gli aggregati edilizi presentano anche gravi criticità di natura energetica. Le singole unità sono state progettate senza considerare adeguatamente gli aspetti termici, utilizzando materiali con scarse proprietà di isolamento (ad alta conduttività termica). Inoltre, errori costruttivi, come la presenza di ponti termici, peggiorano ulteriormente le performance energetiche, aumentando le dispersioni termiche attraverso gli ambienti interni.

Alla luce delle politiche europee recenti, sempre più orientate all’efficientamento energetico e alla riduzione delle perdite energetiche, emerge chiaramente l’inadeguatezza del patrimonio edilizio esistente, che richiede interventi mirati di riqualificazione.

Tali interventi devono garantire il miglioramento delle prestazioni strutturali per la sicurezza sismica, ma anche l’efficientamento energetico per ridurre le perdite termiche e i costi in bolletta [7, 8].

Gli interventi possono essere effettuati separatamente per la risoluzione di ciascuna delle suddette problematiche o, in alternativa, possono essere adottate soluzioni integrate che affrontano entrambi gli aspetti in modo simultaneo.

In questo contesto, si inseriscono i sistemi a cappotto sismico-energetico, che generalmente combinano un telaio di base, collegato alla struttura dell’edificio esistente, per assorbire le azioni sismiche, con pannelli coibentati, per ridurre le dispersioni termiche.

Sebbene questi sistemi siano relativamente recenti sul mercato delle costruzioni, esistono già diverse varianti applicative [9].

Alla luce di queste considerazioni, il presente lavoro si propone di esplorare l’utilizzo di un sistema integrato sismico-energetico per il consolidamento di edifici esistenti in muratura disposti in configurazione aggregata.

Dopo aver illustrato il sistema, che si avvale dell’impiego di profili estrusi in lega di alluminio, verranno presentati i risultati sia della fase preliminare di una campagna sperimentale che di un’applicazione numerica su un aggregato urbano in muratura situato a Timişoara, in Romania.

L’innovativa soluzione di retrofit: il sistema con esoscheletri in lega di alluminio e pannelli coibentati

La soluzione di consolidamento proposta per l’aggregato edilizio oggetto di studio è basata su un sistema integrato sismico-energetico, in grado di ottimizzare simultaneamente le prestazioni sismiche e termiche.

In particolare, il sistema sfrutta gli esoscheletri metallici in lega di alluminio per il miglioramento della resistenza sismica e pannelli sandwich coibentati per il miglioramento dell’efficienza energetica.

I sistemi a cappotto sono ormai consolidati come una delle soluzioni più efficaci per il retrofit di edifici esistenti, sia in muratura che in cemento armato. Tra le diverse varianti disponibili sul mercato, si possono trovare soluzioni che impiegano pareti a taglio in cemento armato e altre che utilizzano esoscheletri metallici, come nel caso del sistema oggetto di studio.

Il sistema in questione, denominato MIL 15.s, è stato brevettato dall’azienda italiana TM Group S.r.l. nel 2022. Esso prevede l’impiego di componenti in lega di alluminio accoppiati a pannelli termoisolanti [10].

L’alluminio è scelto per i suoi numerosi vantaggi, tra cui la leggerezza, che permette di non aumentare i carichi sulla struttura esistente, e la resistenza alla corrosione, fondamentale visto che il sistema è applicato all'esterno.

A differenza dell’acciaio, che richiede trattamenti protettivi aggiuntivi, l’alluminio sviluppa naturalmente una patina protettiva quando esposto agli agenti atmosferici, migliorandone la durabilità nel tempo.

Come per tutti i sistemi a cappotto, anche il MIL 15.s si distingue per la rapidità e la semplicità di installazione, riducendo al minimo l’invasività. Questo lo rende particolarmente adatto a interventi su edifici residenziali, scuole o uffici, dove la continuità delle attività interne non deve essere interrotta e non è necessario spostare gli occupanti in strutture temporanee.

La velocità di montaggio è garantita da una fase preliminare di rilievo in situ, in cui, grazie a strumenti avanzati, vengono determinate con precisione le dimensioni e la posizione delle aperture. In questo modo, si possono calcolare con esattezza il numero e le caratteristiche dei profili necessari. Questi vengono poi prodotti in azienda e trasportati in cantiere, dove sono pronti per essere rapidamente fissati alla struttura.

La Figura 1 illustra una vista del sistema a cappotto MIL 15.s, con i suoi componenti principali e il relativo schema di funzionamento.

Come illustrato in Figura 1, il primo elemento del sistema è il cosiddetto profilo di base (Elemento N. 1), che viene fissato al pannello in muratura tramite degli ancoranti chimici (Elementi N. 5), aventi generalmente diametro 12 mm e disposti a circa 50 cm di interasse. Il pannello sandwich (Elemento N. 7) viene posizionato e ancorato sulle ali di due profili di base consecutivi, posti a circa 1 m, tramite viti autoperforanti di diametro 5,5 mm ed aventi un passo di 200 mm (Elementi N. 6).

Il pannello sandwich è costituito da due lastre di rivestimento in lamiera grecata con interposto materiale isolante generalmente costituito da pannelli in poliuretano o lana di roccia. In alternativa, è possibile ricorrere a materiali sostenibili come il sughero, la canapa o altre fibre naturali, come cocco e lino, che possiedono ottime proprietà di isolamento termico.

Una volta inseriti l’isolante termico (Elemento N. 3) e il distanziale a taglio termico (Elemento N. 4), necessari per evitare dispersioni termiche nelle zone di contatto tra i vari componenti, si completa il sistema con l’ancoraggio del profilo di chiusura (Elemento N. 2). Tale profilo si inserisce nelle scanalature del profilo di base e viene poi fissato alla lamiera esterna del pannello sandwich con viti autoperforanti.

La lega usata per la produzione dei profili è la AW6060 - T6, costituita da alluminio combinato con magnesio e silicio, che possiede buone proprietà meccaniche per usi strutturali. La sigla T6 indica la lavorazione subita dai profili che, a seguito del processo di estrusione, sono stati sottoposti ad un trattamento termico seguito da invecchiamento artificiale.
Tutti i componenti in alluminio del sistema sono stati progettati e successivamente verificati in accordo alle indicazioni dell’Eurocodice 9, normativa europea sulle strutture di alluminio, e delle Istruzioni CNR – DT10 208/2011, documento tecnico di riferimento in Italia per la progettazione di strutture in lega di alluminio [11, 12].

La campagna sperimentale preliminare

Il sistema integrato sismico-energetico MIL 15.s, introdotto e descritto nel paragrafo precedente, è stato sottoposto a una campagna sperimentale preliminare, condotta in collaborazione con la rete di laboratori INCERC presso la sede di Timişoara, in Romania.

Durante questa fase iniziale di sperimentazione, l’attenzione si è concentrata in particolare sulla valutazione del comportamento di un pannello in muratura sottoposto a sollecitazioni fuori piano, sia prima che dopo l’inserimento dei profili di base estrusi in alluminio, parte integrante del sistema analizzato.

La Figura 2 fornisce una sintesi schematica delle diverse fasi seguite per l’esecuzione delle due prove sperimentali, rispettivamente Ante e Post-Consolidamento.

Per l'esecuzione dei test preliminari, è stato realizzato un pannello murario di dimensioni quasi reali (1,20 x 2,40 x 0,60 m), ottenuto unendo due porzioni più piccole mediante malta di calce M5, così da creare un giunto centrale (Fase 1 - Figura 2).

Nella Fase 2, sono stati installati i trasduttori di spostamento: due per monitorare i movimenti fuori dal piano in direzione orizzontale e uno per quelli in direzione verticale. Tutti e tre i sensori sono stati collocati in corrispondenza del giunto di mezzeria.

Il pannello, una volta completato, è stato vincolato sia alla base che in sommità. In quest'ultima, tramite un attuatore di carico e una trave di ripartizione in legno, è stato applicato un carico assiale costante di 100 kN, necessario per stabilizzare il pannello e simulare una condizione di carico reale. Una forza orizzontale è stata successivamente applicata mediante un martinetto posizionato in corrispondenza del giunto centrale. Questo allestimento sperimentale è rappresentato nella Fase 3 della Figura 2.

Il test è stato inizialmente condotto sul pannello non rinforzato (Fase 4) e, in un secondo momento, sullo stesso pannello rinforzato mediante l’installazione di profili estrusi in lega di alluminio, ancorati con tasselli chimici M12 (Fase 5).
Il grafico riportato in Figura 3 mostra un confronto tra il comportamento del pannello murario prima e dopo l’applicazione del sistema di rinforzo. Pur essendo stato installato solo parzialmente, il contributo fornito dai profili in lega di alluminio ha permesso un significativo incremento della resistenza alle azioni fuori dal piano.

Nella fase antecedente al consolidamento, il pannello era in grado di sopportare una forza massima di circa 45 kN. Tuttavia, dopo l’inserimento dei profili in alluminio, la resistenza del sistema “pannello + profili” è aumentata significativamente, raggiungendo una forza massima di circa 98 kN. Si è inoltre registrato un lieve incremento dello spostamento massimo, che nella seconda fase è risultato pari a 14,20 mm, rispetto ai 12,59 mm rilevati nella fase di ante-consolidamento.

I profili estrusi in lega di alluminio si sono dimostrati efficaci nel contenere l’espulsione del pannello murario, senza subire deformazioni significative né presentare fenomeni di ovalizzazione nei fori utilizzati per il collegamento al muro (Figura 4).

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L’applicazione numerica del sistema di retrofit integrato su un aggregato in muratura a Timişoara