Confinamento di pilastri in muratura tramite compositi con fibre metalliche

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2 Confinamento di pilastri in muratura tramite compositi con fibre metalliche Antonio Borri, Marco Corradi Dipartimento di Ingegneria civile ed Ambientale Università degli Studi di Perugia, via G. Duranti Perugia, Italia. Parole chiave: confinamento, pilastri in muratura, fibre metalliche, sperimentazione SOMMARIO: Il presente lavoro riporta i primi risultati di una sperimentazione relativa all efficacia di interventi di rinforzo con materiali compositi SRG/SRP (rispettivamente Steel Reinforced Grouts e Steel Reinforced Polymers) su pilastri in muratura. I risultati delle prove di schiacciamento sui pilastrini in muratura evidenziano interessanti incrementi del carico massimo, rispetto ai pilastrini non rinforzati e forniscono indicazioni utili di ordine pratico per la corretta applicazione del rinforzo. I pilastrini costruiti con mattoni pieni in laterizio sono stati rinforzati con diversi tipi di trefoli metallici applicati secondo schemi di rinforzo differenti. L azione di confinamento del rinforzo si è manifestata diversamente in funzione della forma della sezione trasversale dei pilastrini (quadrata o poligonale), anche a causa della non trascurabile rigidezza flessionale dei trefoli che, soprattutto agli spigoli dei pilastrini, può compromettere l efficacia dell intervento per problemi di aderenza. 1. INTRODUZIONE L incremento della capacità portante di colonne e pilastri in muratura è stato ottenuto, in passato, attraverso utilizzando incamiciature in calcestruzzo armato o cerchiature metalliche. Numerose sono le indagini sperimentali che hanno indagato sull efficacia di queste tecniche di consolidamento. Gli FRP presentano basso peso, buone proprietà meccaniche e facilità di applicazione; il loro utilizzo per il confinamento di colonne in calcestruzzo armato è oramai comunemente accettato e numerosi sono gli esempi di applicazioni e i modelli numerici di calcolo degli interventi. Per quanto riguarda invece i pilastri in muratura le applicazioni degli FRP sono, allo stato attuale, in numero più contenuto.. I vantaggi dell utilizzo di materiali fibrosi per confinare elementi in calcestruzzo o muratura sono molteplici, soprattutto se paragonati alle tecniche tradizionali di rinforzo: le dimensioni della sezione trasversale degli elementi compressi non varia, la massa delle colonne non aumenta, il basso peso dei materiali di rinforzo comporta anche una significativa semplificazione delle procedure ed una riduzione dei tempi di applicazione. Tuttavia l utilizzo degli FRP su colonne compresse caratterizzate da sezioni poligonali può determinare in alcuni casi significativi problemi di rottura precoce delle fibre agli spigoli stante la scarsa resistenza a taglio degli FRP. La soluzione corrente a questo problema consiste nell inserimento di profilati curvati in corrispondenza degli spigoli. Una possibile alternativa può essere trovata nell utilizzo di un nuovo materiale costituto da fibre metalliche ad elevata resistenza che di recente è stato proposto come materiale di rinforzo per strutture in c.a. e muratura. Le elevate caratteristiche meccaniche di queste fibre e dei compositi ottenibili con esse, se paragonate a quelle dei materiali tradizionali, consentono impieghi interessanti specie nel campo

3 dei rinforzi di murature e di edifici in cui si vuole preservare non solo la valenza architettonica, ma anche il loro assetto strutturale. Lo studio svolto nell ambito della presente ricerca sulle potenzialità d impiego di questi materiali nel settore del consolidamento/rinforzo ha riguardato alcuni pilastri in muratura di mattoni pieni rinforzati con vari tipi di fibre metalliche immerse in una matrice cementizia a formare i cosiddetti SRG (Steel Reinforced Grouts) oppure attraverso l uso di una resina epossidica gli SRP (Steel Reinforced Polymers). Il sistema di rinforzo si basa sull impiego di materiali facilmente reperibili: trefoli in acciaio ad alta resistenza che si possono ricavare da rotoli presenti sul mercato. I rotoli, larghi circa 30 cm e della lunghezza variabile (da 15 m fino a 1500 m) sono costituiti da una serie di trefoli disposti parallelamente tra loro e tenuti insieme da una maglia in poliestere. La caratteristica più interessante dei trefoli metallici utilizzati nel sistema proposto risiede nel fatto che la dimensione molto ridotta (diametro medio tipico del trefolo minore di 1 mm) e la forma stessa dei trefoli, ottenuti avvolgendo tra loro elicoidalmente i singoli filamenti di acciaio (tipicamente 3-5 filamenti) portano ad una elevata aderenza e compatibilità tra i trefoli e la malta che li avvolge, garantendo così un buon comportamento meccanico dell insieme malta-trefolo. Inoltre, le ridotte dimensioni consentono, entro certi limiti, di curvare i trefoli, per farli aderire alle superfici dei pilastri in muratura da confinare. 2. SPERIMENTAZIONE Le prove di schiacciamento sono state precedute da una caratterizzazione meccanica dei materiali utilizzati per la costruzione dei pilastrini (malta e mattoni) e di quelli necessari per la realizzazione del rinforzo (diverse tipologie di fibre metalliche). 2.1 Caratterizzazione delle malte della muratura I pilastrini sono stati costruiti utilizzando una malta a base cementizia. La malta è stata caratterizzata meccanicamente facendo riferimento alle indicazioni contenute nel D.L. del Ministero dei Lavori Pubblici 3 giugno I risultati delle prove di flessione realizzati su 3 prismi e calcolati con l equazione: 6M 6 Pl Pl R f = = = 1. (1) 3 b b 4 b dove P è il carico massimo, l l interasse tra gli appoggi e b il lato della sezione quadrata, hanno fornito il valore medio della resistenza 0.59 MPa Tabella 1: Caratteristiche meccaniche della malta (dalla scheda tecnica del produttore). Peso specifico polvere [kg m -3 ] 1500 Granulometria degli aggregati [mm] 3 Res. compress. 28 giorni [MPa] 7 Res. flessione 28 giorni [MPa] 3 Peso specifico [Kg/dm 3 ] 1.85 Modulo elasticità a 28 giorni [MPa] 8000 Dai risultati delle prove a compressione secondo l espressione: P P R c = = (2) 2 b 1600

4 sui rimanenti 6 semiprismi portati alla crisi nelle prove di compressione, si ottiene una resistenza media a compressione, R c = 2.56 MPa. La malta cementizia è la MM30 (Fassa Bortolo) le cui caratteristiche meccaniche ricavate dalla scheda tecnica del produttore sono riportate in Tabella 1. Inoltre, una serie di 6 provini è stata sottoposta a prove di flessione, ottenendo secondo la (1) il valore di R f = ± MPa. I rimanenti 12 semiprismi sono stati sottoposti a prove di compressione secondo la (2), ottenendo in questo caso il valore R c = ± MPa. 2.2 Caratterizzazione dei laterizi Per la costruzione dei muretti sono stati utilizzati mattoni pieni delle dimensioni nominali di 250x125x55 mm, realizzati da Fornaci Briziarelli Marsciano S.p.A e commercializzati con il nome Perusia. Anche per quanto riguarda i mattoni di laterizio pieno si è proceduto ad una caratterizzazione meccanica attraverso prove di compressione e flessione. Le prove di compressione monoassiale sono state condotte su cinque provini che hanno fornito una tensione media di rottura a compressione pari a 8.83 MPa. Per ricavare la resistenza a trazione dei mattoni sono state effettuate cinque prove di flessione (prova Brasiliana) che hanno fornito una tensione di rottura a flessione media di 0.95 MPa. 2.3 Caratterizzazione delle fibre metalliche Le fibre utilizzate nella sperimentazione per la realizzazione del composito SRG sono state fornite dalla Hardwire LLC. La particolarità di tali materiali è la loro conformazione a livello macroscopico: tutte le fibre sono costituite da trefoli di filamenti di acciaio ad alta resistenza ricoperti esternamente da uno strato di ottone (v. fig. 1) che ha la finalità di aumentare l aderenza delle fibre alla matrice. L affiancamento di tali trefoli metallici ed il loro incollaggio su delle sottili maglie di poliestere permette il confezionamento dei prodotti sottoforma di nastri avvolti su bobine (v. fig. 2) dello spessore di 30 cm e della lunghezza di decine di metri. Nella presente sperimentazione sono state utilizzate fibre denominate dal produttore 3X2 e 3SX. (a) Trefolo 3X2 (b) Trefolo 3SX Figura 1. Diverse tipologie di trefolo. Figura 2. Nastri di trefoli di fibre metalliche Fibra 3X2 La fibra 3X2 è costituita da trefoli in acciaio ad alto contenuto di carbonio rivestite superficialmente da uno strato di ottone. Il trefolo è ottenuto avvolgendo insieme ad elica cinque

5 singoli filamenti: tre di loro sono avvolti esternamente dai rimanenti due. Le caratteristiche geometriche e meccaniche di un singolo trefolo 3X2 sono riportate in tabella 2, mentre le caratteristiche del nastro sono mostrate in tabella 3, dove sono riportate tre tipologie di nastro in cui i trefoli sono affiancati con diverse densità (4, 12 e 23 trefoli/inch corrispondenti a 1.57, 4.72 e 9.05 trefoli/cm). Le caratteristiche meccaniche del trefolo 3X2 sono state verificate attraverso prove di trazione realizzate su 8 provini. I risultati hanno sostanzialmente confermato i valori riportati nella scheda tecnica del produttore con variazioni nell ordine del 10%: carico di rottura 1383 N (scheda tecnica 1539 N), deformazione a rottura 2.2 % (scheda tecnica 2.1 %). Il nastro utilizzato nella sperimentazione è stato il 3X a media densità. Tabella 2. Caratteristiche del nastro 3X2 e 3SX utilizzati (dalla scheda tecnica del produttore). Tipo di nastro 3X SX Densità dei trefoli (trefoli/cm) Peso del nastro (kg/m 2 ) Resistenza a trazione (kn/cm) Modulo di Young E (N/mm 2 ) Strato di rivestimento ottone ottone Tipo unidirezionale unidirezionale Spessore del nastro (cm) Fibra 3SX La fibra 3SX è costituita da trefoli di acciaio ad alto contenuto di carbonio rivestiti di ottone. Il trefolo è ottenuto avvolgendo insieme 4 singoli filamenti metallici: 3 di loro sono avvolti insieme esternamente da un singolo filamento di minore diametro. Tabella 3. Caratteristiche dei singoli trefoli (dalla scheda tecnica del produttore). Tipo di fibra 3X2 3SX Diametro del filamento Area della sezione trasversale (mm 2 ) Carico di rottura a trazione (N) Densità (g/m) Allungamento a rottura (%) Le caratteristiche geometriche e meccaniche di un singolo trefolo 3SX, ricavate dalla scheda tecnica del produttore, sono riportate in tabella 2, mentre le caratteristiche del nastro sono riportate in tabella 3. Anche per le fibre 3SX in funzione della densità dei trefoli sono in uso tre diversi tipi di nastri. Le caratteristiche meccaniche dei trefoli 3SX sono state verificate attraverso una serie di prove di caratterizzazione meccanica per trazione. Tali prove condotte su 7 provini hanno confermato i dati riportati nella scheda tecnica del produttore. In particolare sono stati misurati un carico di rottura medio di 1407 N ed una deformazione a rottura del 2.5% a fronte di un valore dichiarato nella scheda tecnica rispettivamente do 1343 N e 2.3%. Il nastro utilizzato nella sperimentazione è stato il 3SX a media densità. 2.4 Prove su pilastrini in muratura Diciassette pilastrini in mattoni pieni sono stati sottoposti a prove di compressione monoassiale al fine di ottenere indicazioni sull efficacia del cerchiaggio con fibre metalliche in termini di

6 incremento di carico massimo, duttilità e rigidezza assiale. Le prove sono state eseguite in controllo di carico applicando un gradiente di 5-7 kn/sec utilizzando una pressa oleodinamica tipo Metrocom con cella di carico di 3000 kn. I pilastrini di muratura sono stati realizzati utilizzando mattoni pieni non sabbiati delle dimensioni di 245x120x55 mm e malta bastarda realizzando giunti verticali ed orizzontali dello spessore di circa 8-10 mm. Il carico applicato ai pilastrini è stato acquisito tramite una cella di carico mentre le deformazioni assiali di compressione sono state misurate tramite un trasduttore induttivo di spostamento (LVDT). Sia il trasduttore di spostamento sia la cella di carico sono stati collegati ad un sistema di acquisizione spider8. I pilastrini hanno un altezza di circa 50 cm. Sono state realizzate due tipologie di pilastrini caratterizzati da due diverse sezioni trasversali (quadrata e ottagonale). La scelta di queste due tipologie è stata dettata dalla loro diffusione nell ambito del patrimonio storico-monumentale. La sezione quadrata è costituita da 2 mattoni affiancati e ha le dimensioni di 245x245 mm, mentre quella ottagonale ha lati uguali di lunghezza pari a circa 100 mm (v. Figure 3-4). Figura 3: I pilastrini in fase di costruzione. Figura 4: Pilastrino a sezione ottagonale. Dei diciotto pilastrini, tre hanno una sezione trasversale quadrata ed i rimanenti quindici quella ottagonale. Un altra variabile di prova è risultata la disposizione ed il tipo di fibra metallica utilizzata. Sono state infatti utilizzate le due fibre metalliche 3SX e 3X2 con una densità di 12 trefoli/inch. Infine il cerchiaggio dei pilastrini con le fibre metalliche è stato realizzato con due diverse tipologie di malta: 1) cementizia e 2) epossidica. Il rinforzo è stato applicato secondo le seguenti modalità: 1) pulizia della superficie dei pilastrini da ogni materiale estraneo o inconsistente al fine di incrementare l aderenza tra la malta cementizia o la resina epossidica e i mattoni; 2) applicazione di un primo strato di resina epossidica o di malta cementizia; 3) messa in opera della fibra metallica; 4) applicazione di un secondo strato di resina epossidica o di malta cementizia. Particolare attenzione è stata rivolta alla preparazione della superficie dei pilastrini prima di procedere con la cerchiatura: eventuali difetti nella muratura quali spazi o fori sono stati accuratamente riempiti con malta cementizia. Sia nel caso dell utilizzo di una malta cementizia (SRG) come matrice delle fibre metalliche sia in quello di una resina epossidica (SRP) le prove sono state realizzate aspettando almeno 28 giorni dopo l applicazione del rinforzo. Inoltre sono state effettuate due tipologie di rinforzo; la prima ha previsto il confinamento totale del pilastrino in muratura tramite l applicazione sull intera superficie laterale di due strisce di fibra di larghezza pari a 30 cm che si sovrapponevano leggermente nel tratto centrale del rinforzo per un tratto pari a circa 10 cm, (vedi figura 21); la seconda tipologia ha previsto il

7 confinamento parziale tramite tre strisce di fibra di larghezza 10 cm ciascuna disposte ad un interasse di circa 18 cm. Ad un estremo le fibre metalliche sono state fissate sulla superficie muraria tramite una resina epossidica bi-componente. All altro estremo le fibre metalliche sono state collegate alla superficie muraria tramite piastrine metalliche fissate con stop alla muratura stessa. Le fibre sono state inserite tra le piastrine metalliche e la muratura tramite l ausilio di una resina epossidica. Infine il fissaggio è stato completato serrando le viti degli stop che hanno compresso sulla muratura le piastrine e le sottostanti fibre metalliche. 2.5 Analisi dei risultati Sono state inizialmente realizzate tre prove su pilastrini non rinforzati al fine di ottenere informazioni circa la resistenza a compressione delle due tipologie (sezione quadrata e sezione ottagonale). Queste prove hanno fornito il valore medio di 896 kn e 719 kn rispettivamente per la sezione quadrata e per quella ottagonale Sezione quadrata È noto nei rinforzi in FRP che per pilastrini a sezione quadrata un problema significativo è rappresentato dalla perdita di aderenza in prossimità degli spigoli. Questo problema viene in parte risolto smussando tali punti, ma il cambio di giacitura del composito ne determina sollecitazioni fuori del proprio piano rispetto alle quali gli FRP sono molto sensibili. Le operazioni di rinforzo eseguite sui pilastrini a sezione rettangolare hanno confermato i problemi di ancoraggio delle fibre alla superficie laterale dei pilastrini dovuti,in questo caso, anche alla non trascurabile rigidezza flessionale dei trefoli metallici. In particolare, considerando le limitate dimensioni della sezione rettangolare (definibile attraverso il raggio di curvatura della circonferenza che iscrive la sezione), in prossimità degli angoli dei pilastrini, pur avendo smussato gli spigoli per una lunghezza di 2 cm, si è osservato il parziale distacco delle fibre e l impossibilità per la malta di garantire il collegamento. La successiva prova di schiacciamento su un provino (n.4) a sezione quadrata rinforzato sull intera superficie laterale con nastri di fibre metalliche ha mostrato un limitato incremento del carico di rottura rispetto ai provini non rinforzati. Figura 5: Modalità di rottura di un pilastro interamente cerchiato. Figura 6: Pilastri cerchiati con tre nastri sovrapposti Sezione ottagonale Il rinforzo con SRG determina spessori significativi di malta cementizia (fino a 5 cm) che possono risultare, in alcuni casi, incompatibili con la necessità di lasciare invariate le dimensioni della sezione trasversale. Inoltre l uso di malte cementizie per collegare le fibre alla superficie

8 laterale dei provini ha evidenziato problemi di fattibilità anche per provini a sezione ottagonale. Per tale motivo le successive prove sono state eseguite utilizzando esclusivamente una resina epossidica bi-componente per incollare le fibre metalliche sulla superficie laterale. Le successive prove di schiacciamento eseguite su pilastrini a sezione ottagonale interamente rinforzati sulla superficie laterale con le fibre metalliche hanno evidenziato un incremento del carico massimo di circa 88% rispetto ai pilastrini non rinforzati (v. Fig. 5). È significativo osservare la bassa dispersione dei risultati sperimentali (valore minimo del carico massimo dei pilastrini rinforzati 1192 kn, valore massimo 1403 kn) (v. Tab. 4). N. Prov. Sezione Carico massimo (kn) Tabella 4. Risultati delle prove di schiacciamento. Rinf. Tipo di malta per le fibre Tipo di rottura 1 ottagonale no - lesioni vert. lungo la superficie laterale 2 ottagonale SX cementizia lesioni vert. lungo la superficie laterale 3 ottagonale X2 cementizia lesioni vert. lungo la superficie laterale 4 quadrata SX cementizia lesioni vert. lungo la superficie laterale 5 ottagonale SX resina epossidica lesioni vert. lungo la superficie laterale 6 ottagonale SX* resina epossidica frantumazione dei mattoni e rott. delle fibre 7 ottagonale n.a. 3SX resina epossidica frantumazione dei mattoni e rott. delle fibre 8 ottagonale SX* resina epossidica frantumazione dei mattoni e rott. delle fibre 9 ottagonale X2 resina epossidica frantumazione dei mattoni e rott. delle fibre 10 ottagonale X2* resina epossidica frantumazione dei mattoni e rott. delle fibre 11 ottagonale X2 resina epossidica frantumazione dei mattoni e rott. delle fibre 12 ottagonale SX* resina epossidica frantumazione dei mattoni e rott. delle fibre 13 ottagonale X2* resina epossidica frantumazione dei mattoni e rott. delle fibre 14 ottagonale X2* resina epossidica frantumazione dei mattoni e rott. delle fibre 15 ottagonale SX* resina epossidica frantumazione dei mattoni e rott. delle fibre 16 ottagonale SX resina epossidica frantumazione dei mattoni e rott. delle fibre 17 quadrata no - lesioni vert. lungo la superficie laterale 18 quadrata no - lesioni vert. lungo la superficie laterale * provini rinforzati con tre nastri sovrapposti di larghezza 10 cm Le modalità di rottura dei pilastrini rinforzati comprendono la fessurazione della muratura interna alla fasciatura con le fibre ed il successivo spanciamento in prossimità della mezzeria dei pilastrini. Il collasso totale dei pilastri avviene una volta che la muratura si è completamente fessurata internamente per rottura delle fibre metalliche. È significativo osservare che la rottura della fibra per pilastrini a sezione ottagonale non avviene agli spigoli (modalità tipica per i rinforzi in FRP). Infine una serie di pilastrini a sezione ottagonale è stata rinforzata con tre strisce della larghezza di 10 cm poste sulla superficie laterale dei pilastrini, con lo scopo di simulare un intervento di cerchiaggio reale (in cui cioè l intera superficie non viene di solito cerchiata, ma si realizzano cerchiaggi in determinate sezioni o a determinati interassi). I risultati di queste prove hanno evidenziato l efficacia della tecnica di rinforzo non-continuo con un incremento del carico di rottura del 45% rispetto ai provini non rinforzati (v. Fig. 6). L incremento della rigidezza flessionale dei pilastrini rinforzati è risultata trascurabile. Ciò è probabilmente dovuto al fatto che le fibre non contribuiscono all azione resistente nella fase a comportamento elastico della muratura, ma intervengono principalmente nel momento in cui la

9 muratura comincia a fessurarsi con spanciamenti laterali che chiamano in causa le fibre metalliche poste a cerchiare i pilastrini. 3. CONCLUSIONI Nel presente lavoro è stata presentata un indagine sperimentale realizzata su pilastri di muratura di mattoni pieni confinati attraverso l utilizzo di materiali compositi SRP-SRG. Le seguenti conclusioni possono essere ottenute: 1. Il rinforzo esterno ottenuto con fibre metalliche può determinare significativi incrementi nella capacità portante di elementi compressi in muratura; 2. L utilizzo di malte cementizie per collegare le fibre metalliche ai pilastri in muratura presenta problemi connessi con la rigidezza flessionale delle fibre metalliche che non consente, per pilastri con sezioni trasversali ridotte (come quelli provati nella presente indagine sperimentale) di mobilitare la resistenza a trazione delle fibre metalliche quando i pilastri sono compressi; 3. L utilizzo di resine epossidiche per collegare le fibre alle superfici dei pilastri determina spessori del rinforzo modesti (meno di 1 cm) e maggiore efficacia dell aderenza tra fibre e muratura. 4. Non sono state osservate rotture precoci delle fibre metalliche agli spigoli dei pilastri in muratura. 4. RINGRAZIAMENTI La ricerca è stata condotta con il contributo del Progetto triennale ReLUIS ( ). Riferimenti bibliografici [1] Campione G, Miraglia N. Strength and strain capacities of concrete compression members reinforced with FRP. Cement & Concrete Composites, 23, 31-41, [2] Toutanji H, Deng Y. Strength and durability performance of concrete axially loaded members confined with AFRP composite sheets. Composites Part B: eng., Elsevier, 33, , [3] Maalej M, Tanwongsval S, Paramasivam P. Modelling of rectangular RC columns strengthened with FRP. Cement & Concrete Composites, 25, , [4] Spoelstra MR, Monti G. FRP-confined concrete model, J. Compos. Constr., ASCE, 3 (3), , [6] Karabinis AI, Rousakis TC. Concrete confined by FRP material: a plasticity approach. Engineering structures, 24, , [7] Saadatmanesh H. Extending service life of concrete and masonry structures with fiber composites. Construction and Building Materials, Elsevier, 11, 5-6, , [8] Triantafillou TC. Strengthening of masonry structures using epoxy-bonded FRP laminates. J. Compos. Constr., ASCE, 2(2):96 104, [9] Avramidou, N. I materiali compositi nel rinforzo strutturale (Composite materials for masonry reinforcement). Bollettino Ingegneri, n. 1-2, 3-15, 2000 [in Italian]. [10] Corradi M, Borri A, Vignoli A. Strengthening techniques tested on masonry structures struck by the Umbrian-Marche earthquake of , Constr. & Build. Mat., Elsevier, 16, 4, , [11] Micelli F, De Lorenzis L, La Tegola A. FRP-confined masonry columns under axial loads: experimental results and analytical model. Masonry International, Vol. 17, N.3, [12] Krevaikas TD, Triantafillou TC. Masonry confinement with Fiber-Reinforced polymers. J. Composites for Construction, ASCE, 3-4: , 2005.