Rinforzo a taglio di colonne in cemento armato mediante nastri d’acciaio pre-tesi: risultati sperimentali

Il miglioramento sismico delle strutture esistenti in cemento armato rappresenta una delle principali sfide dell’ingegneria strutturale contemporanea, soprattutto in presenza di elementi debolmente armati a taglio. Le colonne progettate senza criteri di gerarchia delle resistenze mostrano infatti comportamenti fragili che possono compromettere la sicurezza globale dell’edificio. In questo contesto si colloca la ricerca sperimentale presentata da Maria Teresa de Risi ad ANIDIS 2025, dedicata alla valutazione dell’efficacia dei nastri metallici pretesi secondo la tecnologia CAM. I risultati forniscono indicazioni rilevanti sia sul comportamento meccanico sia sulle implicazioni per la progettazione secondo normativa.

Il contributo presentato da Maria Teresa De Risi ad ANIDIS 2025, svoltosi ad Assisi dal 7 all’11 novembre, si inserisce nel tema centrale della vulnerabilità sismica degli edifici esistenti in cemento armato. Una parte rilevante del patrimonio edilizio italiano, infatti, è stata progettata e realizzata in epoche in cui l’azione sismica non costituiva un requisito di progetto oppure veniva considerata in modo estremamente semplificato. In questi edifici mancano spesso i principi del capacity design e le strutture risultano dimensionate prevalentemente per i carichi gravitazionali.

Le conseguenze di tale impostazione progettuale sono ben note: a seguito dei principali eventi sismici registrati nel territorio nazionale, si sono osservati diffusi danneggiamenti fragili, in particolare nei nodi trave-pilastro e nelle colonne debolmente armate a taglio. Proprio le colonne rappresentano uno degli elementi più critici, poiché una loro crisi fragile può compromettere rapidamente la stabilità globale dell’edificio. In questo quadro, la ricerca sperimentale presentata si concentra sul miglioramento del comportamento a taglio di colonne esistenti mediante tecniche di rinforzo locale, capaci di incrementare la resistenza senza alterare in modo significativo la rigidezza dell’elemento e quindi la risposta globale della struttura.

La tecnologia CAM e l’impostazione della campagna sperimentale

La sperimentazione illustrata riguarda l’impiego della tecnologia CAM, basata sull’utilizzo di nastri in acciaio inox pretesi che avvolgono l’elemento strutturale, fornendo un confinamento esterno continuo e un contributo diretto alla resistenza a taglio. I nastri impiegati, di tipo C1000, sono stati preventivamente caratterizzati in laboratorio, evidenziando un comportamento tensione-deformazione di tipo Ramberg–Osgood e una tensione di snervamento convenzionale dell’ordine di 800 MPa.

Un aspetto centrale dell’indagine riguarda il sistema di sigillatura e tesatura dei nastri, che consente di applicare differenti livelli di pretensione. Sono state considerate due soluzioni: un sistema standard, in grado di fornire una pretensione pari a circa 120 MPa, e un sistema CAM realizzato in acciaio mediante stampa 3D, capace di raggiungere valori fino a 400 MPa, prossimi alla metà della tensione di snervamento convenzionale del nastro.

I provini sono stati realizzati in configurazione as-built, come semicolonne a mensola incastrate in fondazione, caratterizzate da una bassissima percentuale di armatura trasversale e da calcestruzzi di scarsa resistenza, condizioni tipiche di molte costruzioni esistenti. Le previsioni normative per tali elementi indicano una resistenza a taglio sempre inferiore allo snervamento delle armature longitudinali, con una crisi attesa puramente tagliante. Accanto al provino di riferimento non rinforzato, sono stati testati quattro provini rinforzati, differenziati per numero di nastri applicati e per livello di pretensione, così da investigare separatamente l’influenza di questi due parametri.

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Risposta ciclica e meccanismi di danneggiamento osservati

Le prove sono state condotte in laboratorio mediante storie di spostamento cicliche incrementali in condizioni quasi statiche, monitorando non solo la risposta globale in termini di forza e spostamento, ma anche le deformazioni nelle armature longitudinali, nelle staffe interne e nei nastri metallici esterni.

Il provino non rinforzato ha mostrato una prima fessurazione diagonale a taglio seguita dal raggiungimento di un picco di resistenza nettamente inferiore allo snervamento e da una rapida fase di softening, confermando una crisi fragile puramente tagliante. I provini rinforzati con un numero ridotto di nastri e con pretensione più bassa hanno evidenziato un incremento di resistenza rispetto al riferimento, ma senza riuscire a superare lo snervamento. Al crescere del numero di nastri, invece, si è osservato il superamento dello snervamento e una risposta più stabile, con capacità di spostamento fino a drift dell’ordine del 4%, prima di una crisi prevalentemente legata alla rottura del nastro in corrispondenza del sigillo.

L’impiego del sistema di sigillatura in grado di applicare una pretensione più elevata ha prodotto una risposta ulteriormente migliorata, soprattutto in termini di dissipazione energetica e capacità di spostamento in campo plastico. Dal confronto degli inviluppi di risposta emerge chiaramente come l’incremento di resistenza sia principalmente governato dal numero di nastri, con aumenti compresi tra il 50% e il 100%, mentre il livello di pretensione gioca un ruolo secondario sul valore del picco, ma risulta determinante nel ritardare l’innesco della fessurazione diagonale a taglio.

Implicazioni normative e prospettive di ottimizzazione progettuale

Un risultato di particolare rilievo riguarda la richiesta deformativa nei nastri metallici al picco di resistenza. Le misure sperimentali mostrano che, in corrispondenza della principale fessura diagonale, la tensione nei nastri raggiunge valori molto prossimi allo snervamento, se non pari ad esso. Questo dato è di grande interesse se confrontato con l’approccio normativo attualmente adottato, che assimila il rinforzo con nastri metallici pretesi all’incamiciatura in acciaio e considera, in modo cautelativo, solo il 50% della resistenza di snervamento della camicia.

Applicando tale modello normativo ai casi sperimentali, le previsioni risultano fortemente conservative, con scostamenti superiori al 35% rispetto ai valori misurati. Al contrario, considerando l’intero contributo resistente dei nastri, in accordo con quanto osservato sperimentalmente, la stima della resistenza a taglio risulta molto più vicina ai dati di prova, con un errore residuo dell’ordine del 6%.

Questi risultati confermano l’efficacia della tecnologia CAM nel migliorare il comportamento a taglio di colonne esistenti debolmente armate e suggeriscono la possibilità di una revisione critica dei modelli di progetto attualmente in uso. L’ampliamento della casistica sperimentale e lo sviluppo di modelli numerici dedicati consentiranno di quantificare in modo più rigoroso il ruolo della pretensione e di proporre criteri di progettazione ottimizzati, capaci di coniugare sicurezza, efficacia dell’intervento e sostenibilità tecnica ed economica degli interventi di rinforzo sul patrimonio edilizio esistente.

IN SINTESI
-Il patrimonio edilizio esistente in cemento armato, progettato senza criteri di capacity design, presenta colonne debolmente armate a taglio soggette a crisi fragili sotto azione sismica.
-La tecnologia CAM, basata su nastri metallici in acciaio inox pretesi, consente un rinforzo locale efficace senza modificare significativamente la rigidezza globale della struttura.
-Le prove cicliche quasi statiche mostrano incrementi di resistenza a taglio fino al 100% e un sensibile aumento della duttilità al crescere del numero di nastri applicati.
-Il livello di pretensione influisce in modo significativo sul ritardo della fessurazione diagonale e sulla capacità di spostamento in campo plastico, più che sul valore del picco resistente.
-Il confronto con i modelli normativi evidenzia un’eccessiva conservatività delle attuali prescrizioni e suggerisce possibili ottimizzazioni dei criteri di progetto basate sui risultati sperimentali.

DI SEGUITO LA VIDEOREGISTRAZIONE INTEGRALE DELL'INTERVENTO.