Materiali di rinforzo innovativi nella ricostruzione post-sismica delle murature 

Ricostruire dopo un sisma edifici storici costituiti in gran parte in muratura tipicamente locale: l’esempio de l’Aquila.

La ricostruzione all’Aquila e nei comuni del cratere interessati dopo il tragico evento sismico del 6 aprile 2009, ha visto la luce anche nel centro storico aquilano coinvolgendo la ristrutturazioni di edifici anche monumentali. Il presente intervento intende illustrare alcune delle principali tecniche impiegate per il rinforzo murario degli edifici aquilani con l’ausilio di speciali materiali innovativi compositi in matrici organiche e inorganiche. In particolare verranno evidenziate alcune importanti peculiarità dell’impiego di rinforzi in matrici di calce e pozzolana per paramenti murari, volte, archi, pilastri non solo nell’ambito della messa in sicurezza sismica della struttura, ma anche nel rispetto dei principi della conservazione degli edifici storici quali compatibilità, reversibilità, traspirabilità, durabilità. Verranno inoltre
introdotti alcuni concetti fondamentali e linee guida ai fini della modellazione strutturale con tali tecnologie con l’ausilio di sperimentazioni universitarie atte a testimoniare i livelli di sicurezza raggiunti ai fini della resistenza strutturale degli edifici agli eventi di natura sismica.

INTRODUZIONE
Da qualche decennio a questa parte i compositi fibrorinforzati a matrice polimerica (FRP) sono stati studiati e largamente utilizzati per il rinforzo di strutture esistenti in calcestruzzo armato e muratura. Essi offrono elevate resistenze associate a ingombri molto ridotti e a costi relativamente non elevati. Nonostante gli FRP siano stati oggetto di studi approfonditi, esistono ancora dei problemi irrisolti, come ad esempio la valutazione dell’aderenza FRP-supporto in presenza di elevate temperature e/o a seguito dell’esposizione a raggi UV (Salomoni et al. 2011). Inoltre essi rispettano in parte i principi di reversibilità, compatibilità e minima invasività di intervento che stanno alla base degli interventi di conservazione/restauro di edifici storici esistenti e ai più recenti principi della ecosostenibilità ambientale.
Al fine di superare queste difficoltà le matrici organiche (generalmente resine epossidiche) possono essere sostituite da matrici inorganiche maggiormente ecocompatibili. Nonostante in letteratura siano stati utilizzati diversi nomi per indicare questi compositi costituiti da fibre lunghe ad alta resistenza applicate per mezzo di matrici inorganiche, essi sono generalmente conosciuti col nome di fiber reinforced cementitious matrix (FRCM) e steel reinforced grouts (SRG). I compositi FRCM offrono alcuni vantaggi rispetto all’utilizzo di compositi FRP, come ad esempio la compatibilità con il substrato (particolarmente importante nel caso di interventi su muratura storica), la reversibilità, la traspirabilità (comparabile a quella del substrato), e la buona resistenza alle alte temperature.
Il rinforzo con compositi FRCM rappresenta una tecnica piuttosto recente e gli studi disponibili in letteratura sono ancora molto limitati; in particolare esiste solo una linea guida (ACI 549.4R-13) con indicazioni sull’utilizzo di questi compositi. La letteratura disponibile riguardo ai compositi FRCM indica che la rottura tipica di questi compositi avviene all’interfaccia fibra-matrice (D’Ambrisi et al. 2013, Pellegrino and D’Antino 2013) e non all’interno del substrato, come invece accade nel caso dei compositi FRP (Ferracuti et al. 2007). La rottura all’interfaccia dei compositi FRCM è caratterizzata da un distacco progressivo delle fibre dalla matrice caratterizzato da scorrimenti.
La rottura è inoltre complicata dal cosiddetto effetto telescopico, un meccanismo per cui i filamenti all’interno di ciascun fascio di fibre si comportano in modo differente, principalmente a causa della differente impregnazione dei filamenti esterni rispetto a quelli interni (Banholzer 2004).
Se i risultati presenti in letteratura verranno confermati, e quindi verrà confermata la rottura dell’FRCM-SRG all’interno della matrice, il substrato non rappresenterà più l’elemento più debole del rinforzo, così come accade in generale nel caso dei compositi FRP.
In questo lavoro vengono descritti alcuni compositi FRCM-SRG costituiti da fibre di vetro AR, carbonio, basalto e trefoli d’acciaio ad alte prestazioni (UHTSS) applicati con diversi tipi di malte speciali. Ciascun materiale è stato oggetto di caratterizzazione al fine di individuarne le proprietà meccaniche, la durabilità, e le prestazioni per diversi tipi di applicazione.
Vengono inoltre illustrati alcuni interventi eseguiti con compositi FRCM-SRG sulle murature aquilane oggetto di riqualificazione strutturale dopo il sisma del 2009.

COMPOSITI FRCM-SRG
In questa sezione vengono descritti alcuni composite FRCM-SRG costituiti da diverse fibre (vetro AR, carbonio, basalto e acciaio) e da diversi tipi di malta.

Compositi FRCM con fibra di vetro AR
Le reti in fibra di vetro AR apprettate sono particolarmente indicate per l’utilizzo su supporti in muratura dove non è generalmente richiesto un grande aumento di resistenza ma piuttosto di duttilità. Le reti in fibra di vetro AR G-NET 251 BA e 301 BAL sono costituite da fasci di fibre apprettati al fine di migliorarne l’aderenza con la malta. Entrambe le reti sono alcali-resistenti (zirconia> 16%) , così come dimostrato sperimentalmente da prove di trazione su fibre condizionate in ambiente alcalino e non svoltesi presso l’Università di Roma Tre. Le reti in fibra di vetro AR possono essere applicate con malta a reattività pozzolanica (tipicamente malta Concrete Rock S Classe R2), o a base calce (malta Limecrete M15). Le prestazioni dei compositi FRCM con fibra di vetro AR e matrice inorganica sono state oggetto di indagine presso Università italiane ed estere tramite prove di trazione e taglio diretto (direct-shear test) su provini costituiti da una striscia di composito applicata su blocchi di calcestruzzo (D’Antino et al. 2015). Sono state testati provini con diversa lunghezza del composito, osservando un aumento non lineare dei valori del carico di picco. Le prove hanno mostrato che la rottura avviene per distacco all’interfaccia fibra-malta, mentre il composito rimane ancorato al substrato. I risultati ottenuti hanno dimostrato che l’aderenza fibramalta nel caso di lunghezza del composito uguale a 450 mm si avvicina molto alla resistenza a trazione delle fibre non impregnate da malta (Figura 1).

Figura1- Curve carico-scorrimento globale per provini FRCM con fibra di vetro AR e lunghezze del composito uguali a 330 mm e 450 mm.

Compositi FRCM con fibra in basalto
Le reti in fibra di basalto apprettate per murature offrono elevate prestazioni a costi ridotti riducendo fortemente l’impatto ambientale del processo produttivo. Le reti in basalto sono inoltre tipicamente di origine naturale ed inorganiche.
Ai fini della durabilità ed in particolare in ambiente alcalino è comunque raccomandata un’adeguata apprettatura della fibra naturale. La rete in fibra di basalto B-NET 350 BA è costituita da fasci di fibra apprettati e può essere applicata con malta a reattività pozzolanica (tipicamente malta Concrete Rock S Classe R2), o a base calce (malta Limecrete M15). Le prestazioni dei compositi FRCM costituiti da rete in basalto e malta a base calce sono state studiate tramite prove di trazione e taglio diretto su provini costituiti da una striscia di composito applicata su supporti in muratura (Figura 2).

Figura 2- Prova di taglio diretto su provini in muratura con FRCM con fibra di basalto. (Gonzalez et al. 2015).

Le prove hanno mostrato che la rottura avviene per distacco all’interfaccia fibra-malta, mentre il composito rimane ancorato al substrato. Si è inoltre notato che la presenza dei fasci di fibre trasversali influenza la modalità di rottura.

Compositi FRCM con reti in carbonio
Le reti in fibra di carbonio offrono elevate prestazioni meccaniche e resistenza all’attacco degli agenti esterni (durabilità). Le reti in fibra di carbonio sono costituite da fasci che possono essere apprettati (reti in carbonio C-NET 170 BS- 200U) e non (reti in carbonio C-NET 170-220 BL) e sono adatte per applicazioni sia su supporti in calcestruzzo che in muratura. Le reti in fibra di carbonio possono essere applicate sia con malta a reattività pozzolanica (tipicamente malta Concrete Rock S Classe R2), o a base calce (malta Limecrete M15). Le prestazioni delle reti in carbonio sono state oggetto di varie indagini per mezzo di prove di trazione e taglio diretto su provini costituiti da una striscia di composito applicata su blocchi di calcestruzzo (D’Antino et al. 2015). I risultati hanno dimostrato che la rottura avviene per distacco all’interfaccia fibramalta, mentre il composito rimane ancorato al substrato.
Le reti in fibra di carbonio sono state inoltre oggetto di altre sperimentazioni universitarie su murature in scala reale al fine inoltre di verificare l’effetto dei connettori sul rinforzo strutturale in particolare sul comportamento a taglio. Le reti sono state applicate su entrambe le facce di provini in muratura costituiti da due paramenti non ammorsati (altezza 1000 mm, larghezza 770 mm, spessore singolo paramento 60 mm). I compositi FRCM posti su entrambe le facce, costituiti da fibra di carbonio C-NET 170 B e malta a reattività pozzolanica (malta Concrete Rock S) sono stati in un caso connessi tramite connettori in fibra aramidica (connettori AFIX ) inghisati con resina epossidica (Resin 75).
In Figura 3 viene mostrato uno dei pannelli murari dopo l’applicazione della rete di carbonio (foto di sinistra) e lo sfioccamento di uno dei connettori aramidici.

Figura 3- Applicazione della rete in carbonio e sfioccamento di un connettore aramidico.

I pannelli sono stati quindi sottoposti a prove a compressione semplice e a compressione diagonale. Le prove hanno mostrato un incremento del carico di rottura per compressione semplice, rispetto al provino non rinforzato, del 73.6% nel caso del pannello semplicemente rinforzato con FRCM e del 116.3% nel caso del pannello rinforzato con FRCM con connettori in fibra aramidica, con un incremento per la presenza dei connettori del 42,7%. Le prove a compressione diagonale hanno mostrato un incremento del carico di rottura rispetto al provino non rinforzato del 279 % nel caso del pannello semplicemente rinforzato con FRCM e del 342 % nel caso del pannello rinforzato con FRCM con i connettori. Va inoltre evidenziato
come il composito sia rimasto sempre aderente al supporto e come i connettori siano rimasti nella loro sede senza rotture (Paparelli Pelucca 2014).
Seguono due immagini Figure 4-5 relative al pannello a fine prova e al diagramma carico – spostamento per il pannello rinforzato con i connettori e testato a compressione diagonale.

Figura 4- profilo laterale del pannello a fine prova

Figura 5- Carico-Spostamenti prova a compressione diagonale pannello rinforzato con connettori

Ulteriori prove sono attualmente in corso al fine di caratterizzare il comportamento di compositi FRCM con fibra di carbonio (con e senza apprettatura) applicati su supporti in muratura.

Compositi FRCM con fibre in acciaio
I compositi SRG tessuti con fibre in acciaio sono costituiti da trefoli in acciaio ad alte prestazioni (UHTSS) applicati per mezzo di malte inorganiche. I tessuti in acciaio sono unidirezionali e possono presentare diverse spaziature tra i trefoli così da variare la resistenza per unità di larghezza del tessuto. I tessuti Steel Net G 80 e Steel Net G 220 sono galvanizzati (Classe A) così da avere un’ottima durabilità agli ambienti alcalini ed aggressivi in genere.
Possono essere applicati con malta cementizia, a reattività pozzolanica (tipicamente malta Concrete Rock S Classe R2) , o a base calce (malta Limecrete M15). I tessuti in acciaio UHTSS Steel Net I304 sono invece inossidabili (acciaio inox AISI 304) e specificamente studiati per applicazioni con malta a base calce (malta Limecrete M15) per gli edifici storici. Le prestazioni dei tessuti in acciaio UHTSS sono state studiate e testate presso varie Università. In questa sede si presenta una particolare sperimentazione realizzata presso l’Università di Padova. I dati ottenuti dalla   caratterizzazione meccanica sono stati utilizzati per dimensionare gli interventi di rinforzo di travi in c.a.p. preesistenti che sono state successivamente testate in laboratorio (Pellegrino and D’Antino 2013). Le travi in scala reale, di lunghezza di 1167 cm e sezione pi-greco, sono state testate a flessione a confronto con tre diversi tipi di rinforzo (Figura 6). Oltre al provino di controllo non rinforzato (TT00) sono state testate una trave
rinforzata con due strati di reti di carbonio CNET applicate con malta cementizia (TTcf), una trave rinforzata con un tessuto in acciaio UHTSS Steel Net applicato con malta cementizia (TTsf), ed una trave rinforzata con una Lamella CFK in carbonio applicata con adesivo epossidico FRP, quest’ultima con un 20% in più di carico equivalente applicato rispetto agli altri rinforzi. (TTcl). Ciascun rinforzo è stato applicato all’intradosso delle due anime della trave. I diagrammi carico-abbassamento in mezzeria (Figura 7) mostrano l’efficacia dei sistemi di rinforzo con FRCM-SRG , i quali hanno fornito resistenze paragonabili a quella ottenuta nel caso del rinforzo con FRP (TTcl).

Figura 6- Rottura della trave in c.a.p. di controllo (non rinforzata).

Figura 7- Curva carico-abbassamento in mezzeria per le travi in c.a.p. rinforzate e di controllo non rinforzata.

INTERVENTI CON COMPOSITI FRCM – SRG A L’AQUILA
Nella seguente sezione vengono brevemente illustrati alcuni interventi eseguiti su murature storiche aquilane. Tali interventi comprendono il rinforzo locale, adeguamento e miglioramento sismico, consolidamento e ripristino di elementi in muratura.

Aggregato all’Aquila
In questo intervento in centro storico dell’Aquila le volte in muratura dell’aggregato in oggetto sono state rinforzate con l’applicazione, sia all’intradosso che all’estradosso, di tessuti in acciaio Steel Net G 220 applicati con malta a base calce Limecrete. Tali tessuti sono stati inoltre applicati su entrambe le facce di alcuni paramenti murari dell’aggregato. Al fine di rendere i compositi collaboranti sulle due facce opposte della muratura sono stati applicati dei connettori passanti in acciaio Steel Net G 220 a loro volta inghisati con malta. In Figura 8 è possibile vedere il particolare dell’ancoraggio del tessuto in acciaio applicato all’estradosso di una delle volte, mentre l’applicazione del tessuto estradossale e la conclusione dell’intervento all’intradosso di una volta sono mostrati in Figura 9-10-11.

Figura 8- Particolare dell’ancoraggio del tessuto in acciaio alla muratura d’ambito.

Figura 9- Tessuto in acciaio Steel Net G 220 applicato all’estradosso di una delle volte e ancorato.

Figura 10-11 – Applicazione del tessuto in acciaio e conclusione dell’intervento all’intradosso di una volta.

Palazzi centro storico dell’Aquila
Questi interventi in centro storico all’Aquila hanno riguardato principalmente le volte in muratura e i paramenti dei palazzi in oggetto. Le volte sono state rinforzate con l’applicazione, sia all’intradosso che all’estradosso in funzione deidiversi progetti , di tessuti in carbonio C-NET 170 B applicati con malta a base calce (malta Limecrete) e connettori in fibra di carbonio. Le Figure 12-13 che seguono mostrano, a titolo di esempio, la posa della rete di carbonio all’estradosso di una volta e l’ancoraggio con il connettore CFIX. Sono stati impiegati connettori passanti in fibra aramidica AFIX inghisati con adesivi epossidici Resin 75 come tiranti passivi all’interno delle murature (Figura 14).

Figura 12- Posa della rete in carbonio C-NET 170 B con malta in calce all’estradosso della volta.

Figura 13- Inserimento di connettori CFIX in fibra di carbonio inghisati con adesivo Resin 75 per l’ancoraggio della rete.

Figura 14- Posa dei connettori passanti AFIX con adesivi Resin 75 (Palazzo Signorini-Corsi).

Palazzi cratere aquilano
In questo intervento a Roio Poggio sono stati impiegati compositi FRCM costituiti da fibre in vetro AR alcali-resistenti di diversa grammatura (reti G-NET 251 BA e G-NET 301 BAL) e malta a base calce. I compositi FRCM sono stati applicati su volte e murature e ancorati tramite l’inserimento di connettori in fibra di vetro alcaliresistente (connettori GFIX AR), a loro volta inghisati con malta in calce. Le Figure 15-16 che seguono mostrano le reti di vetro AR applicate all’estradosso delle volte e sulle facce delle murature. Nelle stesse figure è inoltre possibile notare la presenza dei connettori di ancoraggio in fibra di vetro AR.

Figura 15- Posa della rete di vetro AR G-NET 301 BAL e connettori GFIX AR all’estradosso di una volta.

Figura 16- Sfioccamento di un connettore in fibra di vetro GFIX AR applicato ad un paramento murario.

Aggregato L’Aquila
Le volte dell’aggregato all’Aquila sono state rinforzate con reti in fibra di basalto naturale apprettate B-NET 350 BA applicate con matrici inorganiche. L’ancoraggio delle reti è stato garantito tramite l’inserimento di connettori in fibra di basalto BFIX.

Villa Comunale L’Aquila
In questo interessante intervento, dal punto di vista tecnico e della conservazione, su una palazzina Liberty all’Aquila sono stati utilizzati tessuti in acciaio inox AISI 304 Steel Net I304 con malte a base calce. Quando applicati come confinamento tali tessuti sono stati pretensionati a ca. 10 kN in modo da offrire un contributo attivo alla resistenza della struttura. In Figura 17 viene mostrato un particolare dell’ancoraggio a mezzo piastre del tessuto in acciaio prima del pretensionamento, mentre in Figura 18 è mostrato il processo esecutivo di pretensionamento.

Figura 17- Particolare dell’ancoraggio del tessuto in acciaio Steel Net I 304 prima del pretensionamento.

Figura 18- Particolare del pretensionamento del tessuto in acciaio Steel Net I304.

CONCLUSIONI
In questa relazione sono stati descritte alcune tecnologie con materiali compositi fibrorinforzati a matrice inorganica (FRCM-SRG) costituiti da fibre in vetro AR, carbonio, basalto apprettate e non e acciaio UHTSS applicati tramite diversi tipi di malta. I compositi descritti sono stati oggetto di studi sperimentali universitari per poterne determinare le prestazioni meccaniche e le loro caratteristiche chimico-fisiche e di durabilità. Successivamente sono stati descritti alcuni interventi di rinforzo e consolidamento su edifici storici a L’Aquila tramite l’impiego di tali materiali. Il rinforzo tramite compositi FRCMSRG risulta essere una tecnica efficace e potenzialmente in grado di superare alcune delle criticità legate all’utilizzo di resine organiche nel caso dei compositi FRP, come ad esempio la scarsa resistenza alle alte temperature, la ridotta compatibilità con il substrato (particolarmente importante nel caso di interventi su murature storiche ), la ridotta reversibilità e traspirazione al vapor acqueo in particolare per superfici affrescate. Ulteriori studi sperimentali e di modellazione sono attualmente in corso in Italia ed all’estero per ottenere una più profonda
conoscenza di questi materiali compositi, sviluppare delle linee guida per l’ingegneria strutturale e poterne sfruttare al meglio le rilevanti potenzialità.

*Giorgio Giacomin – G&P Intech srl, Via Retrone 39, 36077 Altavilla Vicentina, Italy

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