Rinforzo di un solaio in legno con travi, funi e tenditori

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1 DISSESTI STRUTTURALI DELL ELEVATO Interventi sugli orizzontamenti Rinforzo di un solaio in legno con travi, funi e tenditori Il solaio oggetto dell intervento, facente parte di un edificio monumentale, presentava una singolarità strutturale: era portato per metà da travi di legno, travicelli e pianelle e per metà da travi d acciaio profilato e laterizio, nella tipicità costruttiva dell inizio del secolo scorso (figura 1.4.7a). È sembrato possibile che quest ultima parte, la più recente, fosse stata costruita in sostituzione alle membrature di legno precedenti, ormai inefficaci. Lo stato delle strutture, evidenziato dopo la demolizione del controsoffitto presente, giustificava le deformazioni del solaio visibili sulla superficie di calpestio del solaio sovrastante. Ad una prima verifica è risultata evidente l insufficienza delle sezioni degli elementi portanti, sia di legno che di ferro, poi avvalorata dai calcoli per le verifiche statiche antecedenti al progetto. La scelta dell intervento è ricaduta su tecniche da eseguire all intradosso del solaio, onde evitare la rimozione delle strutture dei pavimenti esistenti, anche in ragione del rispetto che è dovuto all immobile vincolato ai sensi della legge 1089/1939 e avendo avuto la possibilità di approfittare della presenza di un controsoffitto da demolire e ricostruire perché pesante, che ha consentito di lavorare in uno spessore utile per l apposizione di elementi di rinforzo senza modificare preesistenti geometrie dell ambiente sottostante. Le opere eseguite hanno avuto la prerogativa della possibile rimozione e della sostituibilità di ogni loro parte. Le tipologie di intervento di rinforzo adottate sono state le seguenti (figura 1.4.7a): - consolidamento della parte di solaio avente struttura di legno (A); - consolidamento della parte di solaio avente struttura di acciaio e laterizio (B). Per la prima tipologia di intervento (A), sul solaio in legno sono state poste in opera travi profilate di acciaio parallele a quelle lignee esistenti, sistemate sotto i travetti, tra una trave portante e l altra. Ciò ha permesso di sostenere, senza alcuna sostituzione, l orditura secondaria palesemente deformata e, al contempo, quella primaria, con l ausilio di funi e piatti di acciaio (figure 1.4.7b, 1.4.7c e 1.4.7d). La necessità di ricorrere alle funi di acciaio, collegate con morsetti ad attrito e tenditori, è derivata dall impossibilità di esercitare una sollecitazione dal basso sul solaio, con puntelli regolabili con viti, a causa della presenza di volte affrescate costituenti l orizzontamento del livello sottostante. I tenditori, attraverso il loro serraggio, hanno permesso, quindi, di porre in immediata condizione di lavoro per contrasto le travi d acciaio di rinforzo, tanto da sgravare quelle di legno esistenti. Per l ultima fase è stato eseguito l inserimento, tramite battitura, di cunei d acciaio tra le ali superiori dei profilati e ogni travicello. I cunei sono stati fissati alla trave d acciaio con piccoli punti di saldatura, in modo da garantire la stabilità della loro posizione nel tempo. Le funi d acciaio sono state ancorate sull anima dei profilati e le piastre sono state fissate con viti al di sotto delle travi portanti. Per evitare che le funi potessero essere sottoposte ad azioni taglianti in corrispondenza degli spigoli vivi della piastra e dell anima della trave d acciaio, è stato previsto di proteggerle e contenerle con tubi, anch essi d acciaio. Anche per la tipologia di intervento (B) si è fatto ricorso alle travi profilate d acciaio che hanno composto un orditura doppia: quella portante appoggiata sulle murature (trave Y ) e quella trasversale (trave X ) di ripartizione e collegamento delle travi d acciaio esistenti (figura 1.4.7e). Tutti gli elementi che hanno fatto parte dell intervento sono stati saldati. All occorrenza, per motivi di difficoltà nella loro movimentazione, i pezzi sono stati trasportati per parti da assemblare e saldare sul posto, seguendo le modalità specificate nella figura 1.4.7f. Le saldature, in particolare quelle testa-testa, sono state eseguite con cordone continuo e a completa saturazione delle gole ottenute con taglio a 45. Il controsoffitto è stato ricostruito ricorrendo al cartongesso, appendendolo alle nuove travi di rinforzo. Ogni apertura nelle murature portanti per l inserimento delle travi e per il loro appoggio è stata di profondità non inferiore a 35 cm ed è stata eseguita da maestranze specializzate nel restauro e nel consolidamento strutturale, così da evitare inutili e dannose asportazioni di parti murarie. Particolare attenzione è stata riservata alla costruzione degli appoggi delle nuove travi nelle murature, alle saldature di qualsiasi elemento d acciaio, alla tesatura dei tenditori e al posizionamento dei cunei a contrasto. L efficacia del risultato è direttamente collegata allo stato di sollecitazione interna al sistema strutturale finale che permette di ottenere un immediata estraneazione delle parti strutturali non più staticamente idonee e di evitare ulteriori deformazioni del solaio prima di usufruire del beneficio prodotto dalle nuove strutture di rinforzo.

2 Rinforzo di un solaio in legno con travi, funi e tenditori INTERVENTO TIPOLOGIA (A) INTERVENTO TIPOLOGIA (B) Fig a - Consolidamento di un solaio in legno con intervento dall intradosso, senza alcuna modifica della struttura esistente. Pianta

3 DISSESTI STRUTTURALI DELL ELEVATO Interventi sugli orizzontamenti INTERVENTO TIPOLOGIA (A) INTERVENTO TIPOLOGIA (B) Fig b - Inserimento di profilati in acciaio sotto i travetti in legno (orditura secondaria) e sostegno dell orditura primaria con funi di acciaio. Sezione A-A (vedi fig a) Fig d - Inserimento di profilati in acciaio sotto i travetti in legno (orditura secondaria) e sostegno dell orditura primaria con funi d acciaio. Particolare 2 (vedi fig b)

4 Rinforzo di travi principali di solai in legno dall intradosso, con inserimento di profilati piatti Rinforzo di travi principali di solai in legno dall intradosso, con inserimento di profilati piatti L intervento che si descrive ha riguardato una singola trave facente parte dell orditura principale di un solaio in legno composto da travi, travicelli e pianelle di laterizio, sormontato da cretoni (riempimento di materiale scarsamente cementato con calce), nella tipicità costruttiva dell inizio del secolo scorso (figure 1.4.8a e 1.4.8b). Una delle quattro travi presenti non era più in grado di svolgere i propri compiti statici; ciò aveva reso obbligatoria la puntellatura provvisoria all intradosso, ottenuta con elementi metallici regolabili. La resistenza delle altre travi del solaio era stata verificata e ritenuta adeguata. La scelta del rinforzo è ricaduta su un consolidamento da eseguirsi all intradosso della trave dissestata evitandone la rimozione. 1 L intervento è stato effettuato lasciando alla trave, ormai in stato di pre-collasso, la sola funzione estetica e di testimonianza storica. È stato pertanto posto in opera un profilato piatto d acciaio (200 x 20) mm, inserito all interno della trave di legno, previo taglio longitudinale eseguito con una sega a catena, predisposta su guide fissate all intradosso della trave di legno stessa (figure 1.4.8c, 1.4.8d e 1.4.8e). Una volta alloggiato il profilo metallico all interno della trave lignea, lo spazio fra il taglio e il profilato è stato saturato con resina epossidica bicomponente adatta al legno, iniettata a bassa pressione, avendo fatto attenzione a predisporre fori di sfiato all estradosso della trave. Una volta raggiunta la completa maturazione della resina epossidica iniettata, sono stati realizzati fori passanti per l alloggiamento di bulloni a scomparsa M14, classe 8.8, disposti a quinconce ad interasse di 40 cm (figure 1.4.8f e 1.4.8g); in tal modo sono stati esclusi possibili problemi legati allo svergolamento del profilato d acciaio, a causa dell azione flettente agente sulla struttura. Le fasi di lavoro eseguite possono essere così sintetizzate: realizzazione di puntellature provvisionali con elementi d acciaio a vite da porsi in opera sia su tutti i travicelli che sotto la trave oggetto dell intervento; rimozione di parte della muratura al di sotto degli appoggi, per ottenere una corretta esecuzione del taglio e un efficace ricostruzione del vincolo (figura 1.4.8c); esecuzione mediante sega a catena del taglio longitudinale lungo l asse della trave, con profondità costante non inferiore a 23 cm, con l ausilio di guide ancorate alla trave stessa (figura 1.4.8d); esecuzione, dall interno del taglio, di fori per lo sfiato per l individuazione dell avvenuta saturazione del vuoto tra il taglio e il profilato piatto, da utilizzare per l immissione a bassa pressione della resina epossidica bicomponente adatta per il legno; inserimento del profilato metallico, suo posizionamento e ripristino della muratura agli appoggi (figura 1.4.8e); ripristino della porzione di legno mancante e stuccatura dell intradosso della trave; saturazione dei vuoti mediante iniezioni a bassa pressione di resina epossidica bicomponente; dopo l avvenuta maturazione della resina, realizzazione dei fori passanti e successivo inserimento di bulloni a scomparsa M14, classe 8.8, di connessione tra la trave esistente e il profilato piatto portante (figure 1.4.8f e 1.4.8g). La rimozione delle puntellature deve avvenire solo successivamente alla raggiunta maturazione della resina iniettata. 1 Si veda Massimo Mariani, Consolidamento delle strutture lignee con l acciaio, Dei Tipografia del Genio Civile, Roma 2004, 5.2.

5 DISSESTI STRUTTURALI DELL ELEVATO Interventi sugli orizzontamenti Fig a - Pianta delle stanze ed individuazione della trave oggetto dell intervento di consolidamento. Pianta Fig b - Sezione trasversale all orditura strutturale primaria, ed individuazione della trave oggetto dell intervento di consolidamento. Sezione A-A (vedi fig a)

6 Rinforzo di travi principali di solai in legno dall intradosso, con inserimento di profilati piatti Fig c - Intervento di consolidamento della trave ammalorata dall intradosso con inserimento di un profilato di acciaio piatto. Fase del taglio della trave. Sezione longitudinale. Particolare 1 Fig d - Intervento di consolidamento della trave ammalorata dall intradosso con inserimento di un profilato piatto. Fase del taglio della trave. Sezione trasversale. Particolare 1 (vedi fig b)

7 DISSESTI STRUTTURALI DELL ELEVATO Interventi sugli orizzontamenti Fig g - Consolidamento della trave ammalorata con inserimento di un profilato piatto. Sezione trasversale a intervento terminato

8 Consolidamento verticale e orizzontale di una parte di edificio Consolidamento verticale e orizzontale di una parte di edificio con fasce costituite da profilati piatti, ancorate alle murature Il progetto ha riguardato gli interventi volti al cambiamento di destinazione d uso di una porzione di un edificio su più livelli, di importanza storica e monumentale, nel quale è stato ottenuto un percorso espositivo museale. Alcune zone dell immobile mostravano una vulnerabilità originaria, già manifestatasi con deformazioni strutturali sulle pareti perimetrali esterne accentuatesi nel tempo. Per questo motivo il consolidamento è stato mirato a generare un definitivo collegamento tra gli orizzontamenti e le murature portanti. A tal fine è stato realizzato un sistema di tirantature passive diffuse, costituite da piatti di acciaio inox AISI 304 (80 x 6) mm posti ad interasse di 1 m e inglobati in una soletta di calcestruzzo leggero dello spessore di 7 cm (figura a). Il collegamento di tale maglia alle murature perimetrali è stato eseguito mediante la saldatura dei piatti d acciaio a barre filettate, anch esse inox f 26 mm, che sono state inserite in perforazioni eseguite a carotaggio continuo senza utilizzo di acqua e senza percussione; detti fori sono stati poi saturati con resina epossidica bicomponente a media densità e tempo di maturazione avvenuto entro 15 minuti dall iniezione. L utilizzo del calcestruzzo strutturale leggero (R ck 250 kg/cm 2 - LC 16/25) ha reso possibile il mantenimento dei carichi permanenti originari, cosicché i pesi attuali del solaio non sono stati incrementati, se non in misura pari a kg/m 2 ; tuttavia l intera tessitura di collegamento ha garantito un forte supporto alla resistenza. Inoltre, poiché gli ambienti presentavano solai a quote differenti, alcuni di essi sono stati rimossi per ottenere locali a doppia altezza, idonei ad accogliere opere d arte di grandi dimensioni. Per questi motivi si è cercato di ricostituire il vincolo di piano precedentemente generato dalla presenza dei solai, realizzando fasciature con piatti di acciaio inox AISI 304 (200 x 14) mm su tre livelli: a livello del piano di calpestio, a livello dei solai da demolire e in sommità (figure b, c, d e e). Tali fasciature sono state connesse alle murature su tutto il perimetro tramite perfori f 24 mm, armati con barre filettate f 18 mm, saldate di testa al piatto dopo la tesatura con il dispositivo Massimo Mariani (figure d, f e g). Le fasciature d acciaio sono state ovviamente realizzate prima della demolizione dei solai e collegate fra loro anche verticalmente sempre per mezzo di piatti di acciaio inox AISI 304 (figure f e h). Queste poi sono state ricoperte con una protezione antincendio REI 120 costituita da intonaco in calcio-silicato, previo trattamento finale con vernice intumescente. L adeguamento di tutti i solai di acciaio presenti ai nuovi carichi accidentali previsti dalla normativa per i Locali pubblici soggetti ad affollamento è stato possibile mediante il ricorso a solette in calcestruzzo strutturale leggero (R ck 250 kg/cm 2 - LC 16/25), rese collaboranti con l utilizzo di connettori di acciaio saldati alle travi IPE esistenti. Anche in questo caso è stato posto in opera un sistema di tirantature passive diffuse, come quello già descritto, formato da piatti di acciaio inox AISI 304 (80 x 6) mm ad interasse di 1 metro. Anche i solai di legno esistenti sono stati rinforzati mediante l utilizzo di solette armate con rete elettrosaldata f 5 mm, (B450A) maglia (10 x 10) cm, in calcestruzzo strutturale leggero (R ck 250 kg/cm 2 - LC 16/25), rese collaboranti tramite connettori di acciaio f 12 mm, inseriti in fori realizzati sulle travi principali con passo idoneo, e saturati con resine epossidiche bicomponenti a media densità e tempo per il raggiungimento del 70% della maturazione entro 10 minuti dopo l inserimento delle resine e delle barre nel foro.

9 DISSESTI STRUTTURALI NELL ELEVATO Interventi atti a ridurre le carenze dei collegamenti Fig b - Dettaglio delle fasciature d acciaio delle murature al livello dei solai demoliti, di cui alla figura precedente. Pianta Fig d - Collocazione del dispositivo Massimo Mariani usato per la tesatura delle barre d acciaio filettate di ancoraggio delle fasce longitudinali di rinforzo alle murature. Particolare 6. Sezione F-F (vedi fig c)

10 Consolidamento verticale e orizzontale di una parte di edificio Fig f - Prospetto delle fasciature orizzontali e di collegamento verticale di rinforzo delle pareti, poste in opera prima della demolizione dei solai. Sezione Fig e - Fasce d acciaio perimetrali a livello del solaio, inglobate nel getto di calcestruzzo leggero costituente la soletta armata dei nuovi solai in acciaio e tavelloni di laterizio. Particolare. Sezione

11 DISSESTI STRUTTURALI NELL ELEVATO Interventi atti a ridurre le carenze dei collegamenti Fig h - Schema del rinforzo delle murature, prima della demolizione dei solai, con fasce d acciaio poste su tre livelli e collegate verticalmente. Prospettiva

12 DISSESTI STRUTTURALI NELL ELEVATO Interventi atti a ridurre la spinta di archi e volte Sostituzione di una semicapriata con struttura di acciaio costituita da profilati piatti La figura a mostra un intervento di consolidamento strutturale di una copertura originariamente composta da una capriata e da una volta a padiglione in mattoni a sesto ribassato, sulla quale poggiavano le orditure secondarie, anch esse in legno. Per motivi legati all antisismica, il rinforzo è consistito nel recupero della capriata, con l inserimento di un vincolo fisso e uno scorrevole (si veda il paragrafo ) e nello sgravio della volta, peraltro in mattoni posti in foglio, attraverso una semicapriata costituita da profilati piatti di acciaio. La disposizione delle strutture testé descritte è visibile in pianta nella figura b. Focalizzando la semicapriata di acciaio, si può dire che la scelta di questa soluzione sia stata dettata essenzialmente dalla necessità di una semplificazione strutturale, attraverso la lavorazione dei manufatti fuori opera in officina e anche dalla leggerezza d insieme, nonché dalla volontà di intervenire anche sulla volta in mattoni in foglio con un elemento di collegamento estradossale. Per prima cosa la volta è stata consolidata attraverso un sistema di fasce d acciaio ancorate alla stessa con barre filettate anch esse d acciaio e resine epossidiche bicomponenti, lunghe tre quarti dello spessore della muratura su cui insiste la semicapriata. Il rinforzo ha avuto, pertanto, il compito di collegare trasversalmente tutte queste nuove nervature estradossali di acciaio e contemporaneamente di sostenere sia la copertura che la volta stessa, trasferendo sui vincoli i carichi portanti. Tutto il procedimento descritto è stato preceduto, all atto pratico, da un efficace puntellatura della volta all intradosso, poggiando i carichi sui sottostanti orizzontamenti, a loro volta puntellati, fino a raggiungere il piano a diretto contatto con il terreno. La semicapriata è stata vincolata agli estremi al cordolo in c.a. leggero del perimetro esterno (sul quale sono stati inseriti gli zampini di legno), al cordolo della capriata di legno, nonché alla muratura di spina. In quest ultima struttura la semicapriata di acciaio è intestata tramite perforazioni armate f 20 mm, saturate con legante idraulico. I fori tondi sulla semicapriata sono stati eseguiti senza depauperare la struttura di alcuna resistenza, in modo da far diminuire il peso complessivo di tutti gli elementi (figure c e d). La figura e rappresenta il prospetto sulla muratura di spina sulla quale è stata ancorata la semicapriata di acciaio per mezzo di perforazioni armate e su flange di supporto. Costole di irrigidimento di acciaio sono servite a garantire la rigidezza di ogni elemento strutturale. Gli arcarecci sorretti dalle semicapriate sono stati ottenuti con tubolari di acciaio, sopra i quali sono state poste in opera tavole di legno in cui è stata gettata una soletta di calcestruzzo leggero R ck 150 kg/cm 2 (resistenza caratteristica inesistente nell attuale normativa; la più prossima da utilizzare è LC 16/18, corrispondente a R lck 18 N/mm 2 = 180 kg/cm 2 ) armata con rete elettrosaldata f 6 mm (B450C), maglia (15 x 15) cm. Connettori, anch essi d acciaio, sono stati saldati ai tubolari (arcarecci) e inglobati nel getto di calcestruzzo leggero. La soletta in c.a. leggero R ck 150 kg/cm 2 (resistenza caratteristica inesistente nell attuale normativa; la più prossima da utilizzare è LC 16/18, corrispondente a R lck 18 N/mm 2 = 180 kg/cm 2 ) collega i due cordoli di sommità, anche loro in c.a. leggero.

13 Sostituzione di una semicapriata con struttura di acciaio costituita da profilati piatti Fig c - Particolare della semi-capriata in profilati piatti d acciaio (vedi fig a)

14 DISSESTI STRUTTURALI NELL ELEVATO Interventi atti a ridurre la spinta di archi e volte Fig d - Ideazione della semi-capriata d acciaio Fig, e - Sistema di ancoraggio delle semi-capriate alla muratura portante interna dell edificio. Sezione 3-3 (vedi fig a)

15 DISSESTI STRUTTURALI NELL ELEVATO Interventi in copertura Formazione di nuovi vincoli per la conservazione di capriate esistenti costituiti da cuffie di acciaio e appoggi scorrevoli multidirezionali L intervento di consolidamento di capriate lignee, conservate integre (figure 1.9.9a e 1.9.9b), una volta accertata la conservazione di ogni elemento componente, è consistito nella formazione dei vincoli tra gli elementi stessi per mezzo di perni di acciaio, costituiti da barre inox filettate inserite in fori saturati con resine epossidiche bicomponenti adatte per il legno (figura 1.9.9c). Precedentemente erano state rimosse le orditure portanti secondarie e i travicelli entrambi sostituiti a causa dell ammaloramento e inidoneità strutturale degli esistenti. Gli arcarecci sono stati resi solidali alla sottostante capriata per mezzo di squadrette di acciaio. La soletta di 5 cm di spessore, ottenuta con calcestruzzo alleggerito avente R ck 150 kg/cm 2 (resistenza caratteristica inesistente nell attuale normativa; la più prossima da utilizzare è LC 16/18, corrispondente a R lck 18 N/mm 2 = 180 kg/cm 2 ) e g 1400 kg/m 3, è stata collegata agli arcarecci con connettori filettati di acciaio f 12 mm (M12 cl. 8.8), in fori f 14 mm, fissati con resine epossidiche bicomponenti (figura 1.9.9f). Le figure 1.9.9c e 1.9.9g mostrano il sistema di appoggio scorrevole bidimensionale sul piano orizzontale 1 (sistema Massimo Mariani) resosi necessario per diminuire le sollecitazioni sulla parete esterna, priva di contrasto, che avrebbe subito il martellamento, trasferito su di essa dalle capriate stesse, generato dalla massa della parte di edificio adiacente. Il sistema è stato composto da una piastra di appoggio vincolata alla muratura portante con tirafondi realizzati con perforazioni armate da barre filettate (in questo caso 4 f 14 mm - M14 cl. 8.8, in fori f 16 mm) e fissate con resine epossidiche bicomponenti a media densità e con tempo di maturazione totale non superiore a 10 minuti (figura 1.9.9d). L apparecchio elastomerico d appoggio è stato reso solidale alla capriata così da consentire un suo libero movimento all interno della bordatura della piastra di base (figura 1.9.9h). Un bordo perimetrale garantisce il contenimento dei movimenti dell apparecchio all interno della piastra stessa. Quest ultima è rivestita al suo interno con una lamina d acciaio inox lucidata, mentre sulla superficie inferiore dell apparecchio elastomerico è stato fissato teflon-ptfe. I rapporti tra i due materiali (acciaio e PTFE) sono governati dalla norma specifica EN Il coefficiente d attrito tra di essi è inferiore al 3%. Il perno d acciaio è saldato su una piastra d acciaio anch essa avvolta per vulcanizzazione da neoprene armato con due strati di lamierino di spessore 2 mm, aventi funzione di staffatura per il contenimento delle deformazioni laterali sotto il carico delle capriate. Infine il perno è stato inserito all estremità di appoggio della capriata contenuta in una cuffia d acciaio solidale ai travicelli (figura 1.9.9e). La separazione tra la muratura della parete d appoggio e il tetto è avvenuta tramite un giunto, anch esso scorrevole, realizzato con una tavella di laterizio di sacrificio che, all atto dello scuotimento tellurico, potrà essere frantumata e poi stuccata o sostituita successivamente all evento. Gli zampini di gronda, quindi, non poggiano sulle murature portanti, in quanto progettati e posti in opera a sbalzo. 1 Si veda Massimo Mariani, Trattato sul consolidamento e restauro degli edifici in muratura, Dei Tipografia del Genio Civile, Roma 2012, paragrafo 25.2 pag. 325.

16 Formazione di nuovi vincoli per la conservazione di capriate esistenti costituiti da cuffie di acciaio e appoggi scorrevoli... Fig a - Consolidamento di una copertura a capriate lignee. Pianta e rappresentazione degli elementi componenti

17 Fig c - Nuova copertura. Sezione X-X (vedi fig a) DISSESTI STRUTTURALI NELL ELEVATO Interventi in copertura

18 Formazione di nuovi vincoli per la conservazione di capriate esistenti costituiti da cuffie di acciaio e appoggi scorrevoli Fig h - Ideazione del sistema di appoggio scorrevole (sistema Massimo Mariani) di cui alle figure 1.9.9d, 1.9.9e e 1.9.9g (disegno dell Autore)