Il sistema STRUCTURE Crm utilizza componenti in fibra di vetro Gfrp, specifiche malte premiscelate a base calce o di leganti idraulici con diversa classe di resistenza, per risolvere alcune frequenti criticità e per il rinforzo delle murature.
Inadeguatezza strutturale
L’Italia è un Paese che quotidianamente convive con una situazione particolarmente delicata dal punto di vista della sicurezza strutturale a causa della coesistenza di due condizioni purtroppo contrastanti: da un lato, un patrimonio edilizio estremamente variegato, che riflette le conoscenze e le tecniche costruttive di epoche in cui la necessità di conseguire una adeguata capacità di resistenza al sisma non era contemplata, e dall’altro, un territorio nazionale ormai classificato come zona sismica.
Anche se con livelli di rischio differenti a seconda della ubicazione, nessuna struttura «datata» può ritenersi completamente al riparo da possibili eventi tellurici. Quanto ora detto comporta una generale inadeguatezza della stragrande maggioranza delle costruzioni esistenti.
Tra queste, quelle con struttura portante in muratura destano non poche preoccupazioni, sia perché sono le più vetuste e sia perché spesso realizzate con materiali poveri e schemi strutturali che non prevedevano la capacità di resistere, oltre alle canoniche azioni verticali, anche a possibili forze orizzontali.
A tale riguardo, senza la pretesa di voler essere esaustivi, si richiamano le principali carenze strutturali che concorrono a ridurre la sicurezza delle strutture in muratura:
a. La scarsa qualità della tessitura muraria: numerosi edifici, per lo più a destinazione residenziale, sono stati realizzati con apparecchiature murarie eterogenee, costituite da blocchi in pietra grossolanamente squadrate, malte povere e giunti molto irregolari. Tutto questo comporta prestazioni del «materiale muratura» estremamente limitate e quindi inadeguate a fronteggiare le sollecitazioni derivanti dall’azione sismica.
b. Il diffuso impiego di muratura a doppio paramento, con limitate interconnessioni (diatoni) e nuclei piuttosto poveri (si pensi, come esempio estremo, alle note murature a sacco). Questo aspetto, evidentemente, riduce la capacità portante delle strutture verticali.
c. Il ridotto (o, spesso, del tutto assente) ammorsamento tra le murature portanti tessute nelle diverse direzioni. Complice anche la condizione di cui al precedente punto «a», risultava difficile realizzare efficaci ammorsamenti tra le murature, impedendo così, durante l’evento sismico, la collaborazione strutturale tra tutte le pareti.
d. La presenza di elementi strutturali di tipo spingente, quali le volte o gli archi. Detti elementi, esercitando spinte orizzontali sugli elementi verticali, favoriscono l’insorgenza di meccanismi di rottura durante l’evento sismico.
f. Nel caso di orizzontamenti piani, tipicamente realizzati con travi in legno o putrelle in acciaio, il mancato collegamento tra le singole travi del solaio e la muratura portante accentua il problema di cui al precedente punto «c».
g. Assenza dei cordoli di piano in corrispondenza dell’appoggio dei solai (in cemento armato) sulla muratura. Tale condizione, assieme a quella descritta in «c», comporta il mancato funzionamento scatolare della struttura, con conseguente forte penalizzazione della risposta globale della costruzione al sisma.
Nella Tabella 1, che ripropone quella della Circolare applicativa N. 7 del 21 gennaio 2019, è evidente come le prestazioni delle diverse tipologie murarie siano ovviamente legate alla loro qualità realizzativa.
È altresì evidente come le murature più irregolari, che molto spesso troviamo nell’ambito delle piccole strutture residenziali realizzate nel secolo scorso, siano caratterizzate da prestazioni estremamente limitate, sia in termini di resistenza a compressione (f) che di resistenza a taglio (τ0).
Consolidamento e tecniche di intervento
Alla luce di quanto sinteticamente descritto, è evidente l’importanza degli interventi di consolidamento, miglioramento o adeguamento sismico auspicati sulla totalità delle strutture esistenti.
Il decreto ministeriale 17 gennaio 2018 indica, per le diverse tipologie strutturali, una serie di possibili interventi che possono migliorare notevolmente le prestazioni strutturali.
Per le strutture in muratura, in particolare per quelle caratterizzate da prestazioni scadenti o modeste, si segnalano:
I. Iniezioni di miscele leganti;
II. Intonaco armato;
III. Ristilatura armata dei giunti e connessione dei paramenti.
Ulteriori interventi, spesso impiegati nel consolidamento di strutture in murature, sono:
IV. Interventi di «scuci e cuci» per il ripristino localizzato di porzioni di muratura danneggiate;
V. Perforazioni armate per il collegamento delle murature debolmente connesse o totalmente disconnesse;
VI. Realizzazione di solette collaboranti sui solai esistenti, debitamente collegate alle murature portanti, utili a realizzare efficaci diaframmi di piano e ripartire efficacemente l’azione sismica del singolo impalcato sulle murature portanti;
VII. Inserimento di tiranti o catene per favorire il comportamento d’assieme del fabbricato ed evitare meccanismi di ribaltamento delle pareti fuori dal loro piano.
Prima di approfondire nel dettaglio l’intervento di intonaco armato, argomento principale del presente articolo, riserviamo poche righe a due delle tecniche ora richiamate in quanto spesso impiegate, in sinergia con l’intonaco armato, nell’ambito del consolidamento di vecchie strutture in muratura.
Iniezioni di miscele leganti
Innanzitutto, le iniezioni di miscele leganti, che mirano al miglioramento delle caratteristiche meccaniche delle murature caratterizzate da elevati vuoti interni (per esempio, murature in pietra o miste di tipo irregolare, con malte di scarsa qualità).
Per queste tipologie murarie, le iniezioni rappresentano spesso un necessario intervento preliminare a tutti gli altri interventi. Aspetti esecutivi essenziali di tale tecnica sono la scelta della adeguata miscela di riempimento (aspetto tecnologico) e la scelta della corretta pressione di iniezione (aspetto tecnico).
Rispetto al passato, quando venivano impiegate semplici boiacche cementizie improvvisate in cantiere, oggi il mercato offre specifici prodotti premiscelati (Linea STRUCTURE FILL M10 di General Admixtures), sia a base calce sia a base cemento, per il confezionamento di boiacche da iniezione, caratterizzate da:
- Prestazioni meccaniche controllate (Marcatura Ce)
- Ridotti valori di ritiro
- Elevata compatibilità fisico-chimica con la muratura
Solette collaboranti
Altro intervento spesso utilizzato nell’ambito del consolidamento di strutture in muratura è la realizzazione di solette collaboranti all’estradosso dei solai esistenti (tipicamente realizzati con travi in legno o putrelle in acciaio), utile, come detto, a conferire elevata rigidezza nel piano agli orizzontamenti e, quindi, ripartire i taglianti di piano in proporzione alla rigidezza delle strutture verticali portanti.
Inoltre, la realizzazione di tali solette costituisce l’occasione per collegare efficacemente i solai alle murature. Interessanti interventi di questo tipo sono stati realizzati impiegando, in sostituzione del calcestruzzo ordinario, l’innovativo microcalcestruzzo fibrorinforzato a elevate prestazioni Composite M130.
Questo materiale, noto con l’acronimo Hpfrc (High Performance Fiber Reinforced Concrete) ha consentito di ottimizzare lo spessore della cappa e di eliminare, grazie alla presenza di un rilevante contenuto di fibre metalliche, la canonica rete elettrosaldata impiegata generalmente in questi casi.
Tecnica dell’intonaco armato
Quella dell’intonaco armato è, assieme a quelle brevemente richiamate all’inizio del paragrafo precedente, una tecnica di intervento tradizionale, eseguita per molti anni con lo scopo di consolidare e rinforzare strutture murarie esistenti.
In particolare, il suo impiego è consigliato per murature incoerenti, fortemente danneggiate o fortemente sollecitate (sia staticamente che sismicamente) e, quindi, bisognose di un incremento di resistenza e di rigidezza.
La tecnica tradizionale, consisteva nella realizzazione di fodere (di spessore di 3÷5 centimetri) in malta cementizia o calcestruzzo applicate in aderenza alle facce della muratura, armate con una rete elettrosaldata e collegate al supporto mediante connettori metallici (ricavati anch’essi da armature metalliche).
I principali vantaggi della tecnica dell’intonaco armato, validi tutt’oggi con la tecnica del Crm (trattata più avanti) sono:
- Incremento di resistenza della parete, sia nel piano che fuori dal piano;
- Connessione trasversale dei paramenti;
- Cucitura di eventuali lesioni isolate;
- Semplicità di esecuzione;
- Semplice reperibilità dei singoli componenti.
- In definitiva, costo di intervento contenuto;
Le raccomandazioni essenziali per questa tecnica di intervento sono:
- Le fodere di rinforzo dovrebbero essere realizzate su entrambi i paramenti, prevedendo la adeguata loro connessione trasversale;
- L’intervento andrebbe distribuito in maniera razionale, in modo da evitare una eccentricità tra il centro di rigidezza (Cr) e il centro di massa (Cm) del singolo impalcato, con conseguente nascita di effetti torsionali in caso di evento sismico (Figura 4).
Purtroppo, la tecnica tradizionale dell’intonaco armato aveva due rilevanti punti di debolezza legati alla natura dei materiali impiegati:
a. La malta utilizzata per la realizzazione dell’intonaco era confezionata direttamente in cantiere a partire dal cemento e dalla sabbia disponibile. Le sue prestazioni erano molto variabili e la sua rigidezza era spesso rilevante, se confrontata con quella della muratura. Questo poteva determinare problemi sull’adesione malta-supporto. Inoltre, si trascuravano al tempo gli aspetti legati alla compatibilità chimica tra muratura e malta, rischiando di incorrere in possibili reazioni chimiche tra sostanze presenti nella muratura (per esempio, gesso) e la malta stessa.
b. L’armatura metallica era esposta al rischio di corrosione. Dopo breve tempo, anche a causa della rilevante porosità dell’intonaco e degli esigui spessori di copriferro, le armature si depassivavano (tipicamente per carbonatazione) ed in breve di corrodevano (Figura 5).
Sistema STRUCTURE Crm di General Admixtures
In merito all’intervento di intonaco armato, la Circolare n.7 del 21 gennaio 2019 indica che «le fodere possono essere realizzate con malte a base di cemento o di calce e armature in reti o tessuti di acciaio inossidabile, oppure con materiali compositi, utilizzando fibre di carbonio, vetro o aramidiche».
Questa indicazione, certamente frutto della esigenza di affrontare e risolvere il problema della durabilità dell’intervento (vedi paragrafo precedente), legittima (e, di fatto, obbliga) l’impiego, in sostituzione delle tradizionali armature, di innovativi materiali compositi, che combinano la elevata resistenza a trazione con la sostanziale immunità nei confronti della corrosione.
Tali materiali (Frp) sono alla base del moderno intonaco armato, il cosiddetto Sistema Crm, ed in particolare del Sistema STRUCTURE CRM di General Admixtures che, per l’esattezza, utilizza componenti in fibra di vetro Gfrp (Glass Fiber Reinforced Polymers).
Specifiche malte premiscelate (Linea Structure WM), disponibili in diversa natura (a base calce o a base di leganti idraulici) e diversa classe di resistenza (da M5 fino a M30), completano il Sistema andando a risolvere alcune delle criticità esposte nel paragrafo precedente (costanza delle prestazioni e compatibilità chimico-meccanica con il supporto).
Trattandosi di interventi strutturali, il sistema STRUCTURE CRM risponde ai requisiti di identificazione e qualificazione richiesti dal decreto ministeriale 17 gennaio 2018 per i materiali e prodotti per uso strutturale (§11.1). Nella fattispecie, esso è accompagnato da Certificazione Eta N. 24/0455 rilasciata in conformità all’Ead (European Assessment Document) N. 340392-00-0104.
Le specificità
L’intonaco armato STRUCTURE CRM, proposto da General Admixtures per interventi di consolidamento e rinforzo di strutture in muratura, è costituito dalle seguenti componenti:
- Rete preformata in fibra di vetro Gfrp (STRUCTURE NET CRM), come elemento di rinforzo diffuso della matrice inorganica. Sono disponibili diverse geometrie, in termini di passo delle singole barre (maglie da 33, 66 e 99 millimetri);
- Elementi angolari in fibra di vetro Gfrp (STRUCTURE EDGE CRM), necessari per conferire continuità al rinforzo in corrispondenza degli spigoli. Anche gli angolari sono disponibili in diverse geometrie in termini di passo delle singole barre (maglie da 33, 66 e 99 millimetri);
- Connettori rigidi in fibra di vetro Gfrp (STRUCTURE FIX CRM), con relativi fazzoletti di ripartizione (STRUCTURE BIT 3 CRM), sempre in Gfrp;
- Malta a uso strutturale, disponibile sia a base calce (STRUCTURE WMm NHL) che a base di leganti idraulici (STRUCTURE WM)
L’ancoraggio dei connettori viene effettuato mediante resina vinilestere con Certificazione Sismica (STRUCTURE BOND VB).
Posa in opera
La procedura posa in opera dell’intonaco armato di cui al sistema ora descritto non è sostanzialmente diversa da quella dell’intonaco armato tradizionale.
Dopo la preparazione del supporto, consistente nella rimozione degli intonaci e rivestimenti esistenti e pulizia generale delle superficie, si procede infatti con la installazione delle componenti Gfrp, ovvero della rete preformata e, in corrispondenza degli spigoli, degli elementi angolari.
Durante il posizionamento del rinforzo si installano i connettori, sia quelli in parete (con tipica forma a L) sia quelli di continuità (con forma dritta). Nel caso dei connettori in parete, è previsto il posizionamento di uno specifico fazzoletto di ripartizione.
Terminata l’installazione delle diverse componenti di rinforzo Grfp, si procede alla stesura delle fodere di intonaco, con spessori che generalmente variano tra i 3 e i 5 centimetri.
Il nuovo intonaco armato, realizzato con il sistema STRUCTURE CRM, aggiunge vantaggi alla tecnica tradizionale (vedi paragrafo 3) e ne risolve alcune criticità:
- Riduzione del peso degli elementi di rinforzo, con conseguente semplificazione delle fasi di movimentazione e installazione;
- Massima compatibilità con le malte, sia a base calce che a base di leganti idraulici;
- Elevata durabilità degli interventi, grazie alla completa insensibilità delle fibre Gfrp alla corrosione;
- Elevati standard di controllo e quindi costanza delle prestazioni, sia sulle fibre Gfrp che sulle malte premiscelate (Mercature Ce e Certificazione Eta);
- Ottima compatibilità chimica, fisica e meccanica tra le innovative malte premiscelate ed i supporti in muratura.
Anche per i Sistemi Crm rimane valida la raccomandazione di eseguire l’intervento su entrambe le facce della muratura.
Tuttavia, condizioni operative specifiche possono a volte impedire la realizzazione dell’intervento completo, consentendo, per esempio, la sola applicazione esterna. Questa evenienza è contemplata nel documento Ead (European Assessment Document) N. 340392-00-0104, riferimento utilizzato per l’ottenimento della Certificazione Eta dei sistemi Crm.
Inoltre, la stessa circolare n.7 del 21 gennaio 2019, pur ribadendo l’importanza della doppia fodera, non esclude in maniera definitiva e categorica l’intervento parziale.
Infatti, al paragrafo C8.5.3.1 recita: «Si rileva che il consolidamento con intonaco armato non ha alcuna efficacia in assenza di sistematiche connessioni trasversali e la sua efficacia è ridotta quando realizzato su un solo paramento».
È chiaro, quindi che, mentre l’installazione dei connettori trasversali è una condizione imprescindibile affinché l’intervento sia efficace, quella della doppia fodera è una condizione ottimale e, in sua assenza, l’efficacia dell’intervento risulta (ovviamente) penalizzata.
Purtroppo, la normativa non fornisce indicazioni sul grado di riduzione di detta efficacia, pertanto, di volta in volta, sarà il progettista che dovrà opportunamente valutarlo.
Aspetti progettuali
L’approccio di calcolo proposto dalla circolare citata si basa sulla assunzione, a fronte della realizzazione di uno o più interventi di consolidamento e/o rinforzo, di coefficienti migliorativi (Tabella 2) che di fatto incrementano le prestazioni della muratura originaria (vedi Tabella 1).
Nel caso in cui si applichino contemporaneamente diverse tipologie di intervento, i relativi coefficienti migliorativi si potranno cumulare (moltiplicandoli tra loro), considerando al più due interventi. Il coefficiente risultante non dovrà superare il massimo coefficiente complessivo esposto nell’ultima colonna della tabella 2.
Utilizzando l’approccio di calcolo proposto, si vuole valutare, a titolo di esempio, l’effetto di rinforzo del sistema STRUCTURE CRM su un maschio murario realizzato in muratura a conci sbozzati, con paramenti di spessore disomogeneo, cosi come prestazionalmente definita dalla tabella 1
Parametri di Input (Tabella 3)
Parametri di calcolo
Partendo dai valori medi individuati attraverso la Tabella 1 (sono stati assunti i valori minimi degli intervalli proposti, disponendo, per ipotesi, di un livello di conoscenza LC1), si applicano gli opportuni coefficienti di sicurezza per ottenere i parametri di progetto.
Ipotizzando di effettuare verifiche di carattere sismico, si assume un coefficiente parziale di sicurezza per la muratura γM = 2 (Par. 7.8.1.1 Ntc 2018). I valori di calcolo delle resistenze sono ottenuti dividendo i valori medi per i rispettivi fattori di confidenza e per il coefficiente parziale di sicurezza (Par. C8.7.1.3.1.1 Circolare). In definitiva:
fd = 2 / (1.35 x 2) = 0.74 MPa
τ0d = 0.035 / (1.35 x 2) = 0.013 MPa
Applicando il sistema Structure Crm su entrambe le facce del paramento murario, si potrà adottare un coefficiente migliorativo (come da tabella 2) pari a 2. Pertanto, le prestazioni di calcolo post-intervento saranno:
fd, CRM = fd x 2 = 1.48 MPa
τ0d, CRM = τ0d x 2 = 0.026 MPa
Resistenza alla pressoflessione nel piano
A fronte dei parametri di calcolo ora determinati (sia per la muratura tal quale che per quella rinforzata) si determinano i domini di resistenza N – M (Sforzo normale – Momento flettente) della muratura utilizzando l’espressione [7.8.2] delle Ntc2018:
dove:
L: Lunghezza della parete;
t: Spessore della parete;
σ0: Tensione normale media agente sulla sezione;
fd: Resistenza a compressione di progetto.
Facendo variare lo sforzo normale N (e quindi la tensione σ0) si ottengono corrispondenti i valori di Mu. Le coppie (N, Mu) consentono di costruire i domini di resistenza delle sezioni (originaria e rinforzata), riportati nella figura 8.
Si evidenzia un rilevante incremento della capacità portante del setto, soprattutto per valori medio-alti dello sforzo normale di compressione (N). Il consolidamento con il sistema STRUCTURE CRM consente inoltre di raggiungere valori dello sforzo normale maggiori di quelli possibili in sua assenza.
Resistenza a Taglio nel piano della muratura
Si determinano le curve N – Vt (Sforzo normale – Taglio) della muratura utilizzando, sia per la condizione originaria che per quella rinforzata, l’espressione [C8.7.1.16] della Circolare:
con:
L: Lunghezza della parete;
t: Spessore della parete;
σ0: Tensione normale media agente sulla sezione;
τ0d: Resistenza a taglio di progetto.
b: Coefficiente legato alla snellezza della parete (b = h/L, con il limite 1 b < 1.5)
Facendo variare lo sforzo normale N (e quindi la tensione σ0) si ottengono i valori di Vt corrispondenti. Le coppie (N, Vt) consentono di costruire le curve N – Vt delle sezioni (originaria e rinforzata), riportati nella figura 9.
Si evidenzia, anche in termini di taglio resistente, un rilevante incremento della capacità portante del setto.
Rispetto a quanto avviene per la resistenza a pressoflessione nel piano, l’incremento di resistenza a taglio è significativo anche per bassi valori dello sforzo normale (per N = 0, la resistenza a taglio della parete rinforzata è doppia rispetto a quella della parete originaria).
di Felice Marco Liberatore, Davide Orbolato, Stefano Crosato, Jerry Rota Stabelli. Gli autori fanno parte della Divisione Ingegneria e Ricerca & Sviluppo di General Admixtures
