Volte in muratura

L’impiego dei materiali compositi sta trovando una sempre più ampia diffusione in ambito edilizio, in particolare nel campo del consolidamento strutturale e dell’adeguamento sismico, alla luce dell’incremento della capacità portante che si può ricavare senza l’apporto di nuove masse strutturali. Comunemente denominati FRP, acronimo di Fyber Reinforced Polymers, si tratta di matrici polimeriche e fibre lunghe continue di carbonio, vetro o arammide, che presentano un comportamento prevalentemente elastico lineare fino a rottura. Tra i vantaggi che possono offrire vi sono la celerità dell’intervento, nonché l’immediata adattabilità del rinforzo alle strutture. Questi sistemi possono essere utilmente impiegati per il consolidamento di strutture varie, quali telai in cemento armato, in acciaio, strutture murarie, strutture in legno. I materiali compositi possono essere più resistenti e, almeno nel caso dei compositi a fibra di carbonio, più rigidi dei materiali da costruzione tradizionali; di conseguenza, avendo una minore densità, una struttura in composito può arrivare ad avere un peso dimezzato rispetto ad un’altra realizzata mediante materiali tradizionali e una resistenza superiore di circa 4 volte. Pertanto, tramite questi aspetti, ovvero _maggiore resistenza, _maggiore rigidezza; _peso minore, si può dire che questi materiali risultano, a tutt’oggi, un’alternativa molto valida alle tecniche tradizionali di miglioramento e adeguamento sismico, al rinforzo e consolidamento statico di elementi strutturali di varia natura.

IL CASO STUDIO

Il fabbricato, oggetto di intervento, un ex monastero, è una struttura in muratura portante, a pianta regolare rettangolare, a 3 piani fuoriterra. Lo scopo dell’intervento è il restauro e il rinforzo strutturale degli orizzontamenti voltati ai vari piani, a seguito di una variazione di destinazione d’uso che subirà l’immobile.

Ogni solaio comprende 13-14 strutture voltate in muratura di mattoni pieni, disposti di testa: tali volte sono a doppia curvatura (a crociera) a copertura dei campi di solaio del piano terra, primo e sottotetto. Sia le volte, sia la muratura perimetrale risultano in buono stato di conservazione e di buona rigidezza e resistenza.  (inserire Foto 3605)

Il fabbricato è ubicato in zona sismica 3, per cui ha un’accelerazione al suolo relativamente bassa. I dati caratteristici di tale struttura sono così riassunti:

• Vita nominale: 50 anni
• Classe d’uso e relativo coefficiente:          II – Cu= 1,00
• Vita di riferimento: VR= 50x1,00=50 anni
• Accelerazione al suolo ag= 0,125g

È stato adottato un livello di conoscenza della struttura pari a LC2, essendo stato effettuato un rilievo geometrico e una serie di indagini in sito estese per individuare le caratteristiche dei materiali. L’analisi dei carichi condotta tiene conto del peso proprio della struttura voltata e di un carico variabile stimato ad un valore di 400 kg/m2. Attraverso una prima fase di modellazione mediante software appropriato, si perviene allo stato di sollecitazione della struttura: a conclusione di ciò, l’ex edificio di culto non risulta verificato alle nuove accelerazioni dovute a eventuali eventi sismici e ai nuovi carichi gravitazionali.

Le volte ripulite pronte all’intervento

Impregnazione con l’adesivo epossidico 

Incollaggio dei rinforzi strutturali in tessuto FRP 

Ricopertura sul tessuto FRP 

LE FASI DI MODELLAZIONE

Il dimensionamento della struttura è stato effettuato con l’ausilio di un software di calcolo strutturale agli elementi finiti. Il comportamento strutturale sotto le azioni statiche e dinamiche è stato adeguatamente valutato, interpretato e trasferito nel modello che si caratterizza per la sua impostazione completamente tridimensionale. È stata, inoltre, analizzata la volta a crociera in muratura che dagli elaborati grafici pervenuti risultava essere quella con le dimensioni maggiori e la più sollecitata. Il modello è stato costruito mediante elementi guscio/piastra (shell), considerando i nodi agli appoggi con gradi di libertà bloccati. L’analisi strutturale eseguita è di tipo statica lineare. Si è calcolato e controllato lo stato membranale di tale volta e la deformazione assoluta massima che essa subisce sotto i carichi gravitazionali. Lo spessore dello shell considerato è pari a 12 cm, come da situazione reale.

LA TEORIA DELL’INTERVENTO DI RINFORZO

La metodologia del rinforzo si basa sul concetto di realizzare una nuova struttura in grado di sostenere le sollecitazioni di progetto. Il principio statico alla base del dimensionamento dei rinforzi con fibre di carbonio di strutture ad arco a singola o doppia curvatura si basa sul calcolo a rottura. La disposizione di tessuti in CFRP consente, infatti, di modificare il meccanismo di rottura della volta originaria, permettendo, in tal modo, un incremento anche notevole del moltiplicatore di collasso. 

Supponendo di disporre di appoggi capaci di reggere la spinta orizzontale, il meccanismo di collasso prevede la formazione di una cerniera in chiave con apertura all’intradosso e di due cerniere laterali con apertura all’estradosso; la disposizione delle fibre in carbonio consente di contenere queste due cerniere. Impedito tale meccanismo la volta si comporta come un arco a tre cerniere e può essere caricata ulteriormente sino a che non si giunge alla rottura per schiacciamento della muratura compressa.

IL PROGETTO: DIMENSIONAMENTO E APPLICAZIONE

L’intervento di rinforzo consiste nell’applicazione di tessuti unidirezionali ad alta tenacità in fibra di carbonio e tessuti bidirezionali all’estradosso delle volte in esame, solidarizzati alla struttura mediante adesivo epossidico. Vengono, inoltre, realizzati una serie di ancoraggi con apertura a fiocco di tessuti in CFRP, utili al collegamento strutturale. La geometria dell’intervento si basa sull’applicazione delle fasce del tessuto suddetto sia lungo i lati delle arcate, sia lungo le diagonali, con una larghezza di circa 25-30 cm; i fiocchi in CFRP di diametro 10 mm vengono disposti entro un foro 1,5Ø di profondità 30 cm, riempiti con adesivo epossidico, nelle varie intersezioni del tessuto disposto in precedenza.