RINFORZO DI ARCHI IN MURATURA CON MATERIALI COMPOSITI INNOVATIVI

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1 RINFORZO DI ARCHI IN MURATURA CON MATERIALI COMPOSITI INNOVATIVI Antonio Borri, Giulio Castori Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, Università di Perugia, Via Duranti 93, Perugia. Paolo Casadei, TECINN S.r.l., Milano, Italia. Skip Ebaugh Hardwire LLC, Pocomoke City, Maryland, USA. Keywords: Materiali tradizionali ed innovativi. ABSTRACT: In questo lavoro vengono presentati i risultati di una campagna sperimentale riguardante l applicazione di materiali compositi come elementi di rinforzo per strutture ad arco in muratura, secondo i principi della conservazione delle testimonianze storiche e secondo i più efficaci criteri di utilizzazione delle moderne tecnologie. Più in particolare, l obiettivo proposto riguarda la possibilità di affiancare all utilizzo degli ormai noti FRP (Fiber Reinforced Polymer) una nuova generazione di materiale compositi, il cui rinforzo è costituito da fili di acciaio ad alta resistenza, chiamati rispettivamente SRP (Steel Reinforced Polymer) e SRG (Steel Reinforced Grout). Un simile proposito muove dall idea di abbinare ai tradizionali vantaggi, propri dei materiali compositi (facilità di applicazione, bassa invasività, ridotti tempi d intervento, ecc.), le capacità prestazionali di un materiale che, facendo dell acciaio il proprio elemento di rinforzo, consente la realizzazione di interventi di rinforzo strutturale analoghi a quelli realizzati con gli FRP, a fronte però di un costo sicuramente più contenuto, nonché della possibilità di incrementare la duttilità dell elemento rinforzato in misura molto maggiore a quanto non si ottenga con rinforzi in vetro o carbonio. Per non parlare poi della possibilità, nell ipotesi di impiego degli SRG, di ovviare a tutti quei problemi di resistenza al fuoco presenti nel caso dei materiali a matrice polimerica. 1 INTRODUZIONE Le strutture ad arco sono caratterizzate, in linea generale, da una buona capacità di adattamento alle variazioni della configurazione geometrica, potendo distribuire le deformazioni sui giunti di malta senza determinare, entro certi limiti, la formazione di lesioni significative ed evidenziando un comportamento assimilabile, almeno in parte, a quello delle strutture isostatiche. Risulta dunque evidente come l'innesco dei cinematismi di dissesto non sia condizionato tanto dal superamento dei limiti di resistenza dei materiali, quanto dall'incapacità dei vincoli di contrastare le azioni trasmesse dalla volta, ovvero dall'incapacità della struttura di adattarsi a quegli spostamenti orizzontali e verticali delle imposte, che, benché responsabili dell insorgere di fessurazioni, consentono alla struttura stessa di ritrovare sufficienti condizioni di equilibrio per la configurazione variata. E chiaro come una simile possibilità di movimento debba essere necessariamente considerata in sede progettuale in modo adeguato, evitando di introdurre dispositivi diversi da quelli di semplice presidio: obiettivo dell intervento dovrebbe essere, in altri termini, quello di inserire elementi di rinforzo che si manifestano solo nel caso di eventi straordinari (quali un sisma), senza alterare, quindi, l assetto statico ordinario, onde conservare, inalterati, i caratteri costruttivi della struttura originaria. In una simile ottica sono dunque da sconsigliare quegli interventi (tipico il caso di solette in cemento armato) che, spinti dalla preoccupazione di eliminare gli effetti prodotti dalle spinte, sostituiscono la struttura originaria con una nuova struttura (in c.a.) aderente, alterando così irrimediabilmente le funzioni statiche dell'elemento costruttivo originario, che viene ad essere relegato ad un ruolo di semplice controsoffittatura. A tali criteri di intervento si contrappongono soluzioni di tipo tradizionale (archi di rinforzo intradossali, tiranti, catene, ecc.), che presentano, è vero, il vantaggio di una maggiore compatibilità con la struttura originaria, ma che al contempo mostrano limiti oggettivi rispetto alle attuali esigenze di sicurezza. Un attenta analisi delle predette soluzioni, quando supportata da una conoscenza approfondita dei materiali messi a disposizione dalla moderna tecnologia, può fornire però spunti interessanti per la

2 proposta di soluzioni alternative, la cui efficacia va chiaramente dimostrata attraverso una approfondita fase di sperimentazione. In particolare l uso di tessuti in materiale composito, disponibili sotto forma di nastri facilmente applicabili sulla superficie delle volte, introduce concrete possibilità di intervento anche per il controllo dei dissesti che interessano questi elementi costruttivi. Nel caso delle volte, infatti, le fibre possono essere applicate sia all'intradosso che all'estradosso, determinando, come spesso avviene per tali materiali, numerosi vantaggi: elevato rapporto resistenza/peso, facilità d applicazione, assenza di corrosione elettrochimica, ecc. I vantaggi legati a questa tecnica di rinforzo sono noti e riguardano il basso peso, l alta resistenza alla trazione e il basso coefficiente di espansione termica. D altro canto la bassa resistenza al fuoco, i costi relativamente alti, la necessità di una mano d opera specializzata e la criticità di alcune delle fasi di applicazione, possono portare, nella pratica, a problemi di un certo rilievo. 2 SRP (STEEL REINFORCED POLYMER) E SRG (STEEL REINFORCED GROUT) E in questo scenario che si affaccia una nuova generazione di materiali compositi (Hardwire, 2002), gli SRP (Steel Reinforced Polymer) e gli SRG (Steel Reinforced Grout), realizzati con fili di acciaio ad alta resistenza (Ultra High Tensile Steel) intrecciati a formare corde, immerse in una resina epossidica o in una matrice cementizia (Figura 1), capaci di assicurare gli stessi vantaggi di un sistema FRP, compensando al contempo alcuni degli svantaggi sopra menzionati, infatti: 1) le corde di acciaio hanno un innata duttilità (dovuta al processo di lavorazione) e un costo ridotto se comparato con quello dei sistemi CFRP; 2) l impregnazione con matrice cementizia può superare i problemi relativi alla resistenza al fuoco e ridurre i costi di messa in opera. Figura 1. I compositi SRP/SRG sono realizzati dall immersione in resina (SRP) o in malta cementizia (SRG) di trefoli formati da fili in acciaio (da Huang 2005). In questi termini, seguendo un iter analogo a quello svolto durante il processo produttivo del materiale, si possono individuare un elevato numero di fattori fisico geometrici capaci di influenzare la risposta meccanica del composito. Tra questi, oltre alla definizione della classe di resistenza del filamento, è determinante la scelta del diametro del filo, seguita dalla tipologia di trefolo, differente per quantità di fili impiegati e loro intreccio, e quindi dalla densità del tessuto. In quest ottica è opportuno ribadire come la vera e propria novità del composito risieda anzitutto nell acciaio in esso utilizzato, derivante dall evoluzione di un acciaio perlitico o ipereutettoidico (con contenuti di carbonio tra lo 0.8% e lo 0.96%), sottoposto ad un processo che può essere riassunto in una prima trafilatura, seguita da rinvenimento, placcatura in ottone, trafilatura fine e taglio. Dall analisi dei suddetti trattamenti, si desume come il raggiungimento di classi di resistenza così elevate (comprese, ad oggi, tra i 2400 ed i 4000 MPa), indispensabili per l utilizzo in un materiale composito, sia ripagato da una perdita di duttilità del filo, il quale, oltre ad esporsi al rischio di rottura fragile per delaminazione, legato all entità della deformazione imposta in fase di trafilatura, mostra un minor allungamento a rottura rispetto a fili di diametro maggiore. Per quanto concerne la scelta del diametro, i singoli fili sono prodotti in diametri dell ordine di 0.20 mm mm, e nel complesso il trefolo ha dimensioni variabili tra i 0.89 mm ed i 1.02 mm. Le dimensioni così ridotte dei filamenti di acciaio sono funzionali alla realizzazione di laminati flessibili e di spessore contenuto (le dimensioni si attestano tra 1.19 mm e 1.32 mm), ed anche essenziali nel raggiungimento di resistenze sufficientemente elevate che consentano il suo utilizzo ai fini strutturali: è infatti durante il processo di trafilatura a diametri così ridotti che si osservano quei mutamenti della microstruttura dell acciaio dai quali è possibile ottenere spiccate proprietà meccaniche. La scelta relativa alla tipologia di trefolo da adottare dipende invece dall esigenza, tipica dei materiali compositi, di garantire una adeguata aderenza meccanica tra matrice ed elemento di rinforzo: è auspicabile, infatti, realizzare un composito in cui la rottura del rinforzo preceda la sua espulsione dalla matrice. Perché ciò avvenga è indispensabile un opportuno disegno della geometria del rinforzo. L utilizzo di singoli fili di diametro ridotto causerebbe, a questo proposito, una insufficiente resistenza all interfaccia con la matrice, limitando dunque il trasferimento delle tensioni al rinforzo; si ricorre, pertanto, a trefoli ottenuti dall intreccio di più fili in strutture simili a corde, la cui geometria è

3 tale da presentare una macrostruttura corrugata che fornisce una adeguato valore dell aderenza. Figura 2. Alcuni esempi delle possibili tipologie di trefolo: le variabili in tal senso sono rappresentate dal numero di fili per trefolo e dalle modalità di intrecciamento dei fili stessi. Un ulteriore fattore atto ad influenzare le caratteristiche prestazionali del rinforzo è rappresentato dalla densità del tessuto, ovvero dal numero dal numero di fili presenti per unità di lunghezza. Un simile parametro, oltre ad incidere inevitabilmente sulla risposta meccanica del composito (in termini di resistenza meccanica, rigidezza, ecc.), ha una sua valenza aggiuntiva legata al fatto che potendo far variare il passo dei trefoli si legittima l uso di una più ampia gamma di matrici con diversi valori della viscosità: di qui, come già anticipato in precedenza, la possibilità di affiancare agli SRP, caratterizzati dall impiego di una matrici polimeriche a media e bassa viscosità, i cosiddetti SRG, impregnati a mezzo di malte cementizie, ovvero a mezzo di matrici con elevato valore della viscosità. Una prima serie di indagini sperimentali (Huang, 2002) condotte su nastri in SRP o SRG hanno evidenziato come il materiale non subisca alcuna sostanziale snervamento, rimanendo in campo elastico fino a rottura, con un comportamento simile a quello che si riscontra nell acciaio ad alta resistenza impiegato nella produzione di cemento precompresso e con un andamento leggermente non lineare prima del collasso (Casadei 2005) Al fine di valutare l efficacia di un tale sistema resistente, è stata recentemente compiuta dagli autori una ricerca sperimentale presso l Università di Bath (UK), nella quale sono stati testati nove archi in muratura soggetti ad un carico verticale applicato ad un quarto della luce. Questa condizione di carico è infatti la più sfavorevole, e può essere presa in considerazione per simulare particolari configurazioni di carico (es: ponti, ecc.). In particolare, l oggetto della suddetta indagine, è stato quello di confrontare il comportamento di archi rinforzati al variare del tipo di fibra (acciaio o carbonio), del tipo di matrice (resina epossidica o cementizia), della posizione del rinforzo (intradosso, estradosso o intradosso ed estradosso simultaneamente) e dell eventuale presenza di ancoraggi meccanici. 3 COMPORTAMENTO DEGLI ARCHI RINFORZATI La presenza del rinforzo, ovviamente, modifica in maniera sostanziale il comportamento statico delle strutture ad arco: l applicazione di nastri in composito, conferendo al materiale murario quella resistenza a trazione, che congenitamente non possiede, ne e- limina l aspetto meccanico più sfavorevole, assicurando indubbi vantaggi strutturali. A seconda della collocazione del laminato si possono infatti impedire i meccanismi di collasso per labilità, tipici delle strutture non rinforzate, ostacolando la formazione delle cerniere nel lato opposto a quello rinforzato (Foraboschi 2004). Nello specifico, nel caso di rinforzo estradossale (Figura 4a), la linea delle pressioni può ricadere esternamente alla superficie inferiore dell arco senza provocare alcun collasso strutturale. Ne risulta che in presenza di un carico verticale applicato ad un quarto della luce, si può evitare la formazione della cerniera alle reni e l arco diventa una struttura isostatica (arco a tre cerniere) composta da due travi curve rinforzate sulla superficie superiore. Figura 3. I tessuti presenti in commercio sono caratterizzati da tre diversi valori di densità: bassa (4 trefoli/pollice), media (12 trefoli/pollice), alta (23 trefoli/pollice). Figura 4. Comportamento di un arco rinforzato: a) rinforzo e- stradossale; b) rinforzo intradossale (Valluzzi 2001). Viceversa, nel caso di rinforzo intradossale (Figura 4b), lo schema statico è simile al caso precedente, ma con una distribuzione dei parametri di sollecitazione diversa: la linea delle pressioni ricade esternamente alla superficie superiore della struttura e le fibre otacolano la formazione della quarta cerniera in prossimità del punto di carico. a) b)

4 Ne consegue che, a differenza di quanto osservato per le strutture non rinforzate, le modalità di collasso vengono a dipendere da meccanismi che coinvolgono i limiti di resistenza dei materiali costituenti, nonché la loro interazione a livello locale. Perciò a seconda della posizione e della quantità di fibre di rinforzo, le nuove modalità di collasso possono essere: 1) schiacciamento della muratura; 2) scorrimento nel giunto tra malta e mattone (sliding); 3) distacco del rinforzo (debonding); 4) rottura del rinforzo. Per ognuno di questi meccanismi vengono proposte formulazioni analitiche, calcolate sulla base dell osservazione diretta dei test sperimentali (Valluzzi 2001). In particolare, la valutazione della tensione ultima delle sezioni rinforzate sottoposte congiuntamente a sollecitazioni di compressione e di flessione, consente di ricavare, come per le strutture in cemento armato, il momento ultimo della sezione resistente sia nell ipotesi di rottura per schiacciamento che nell ipotesi di rottura del rinforzo (Triantafillou 1998). Viceversa, gli altri due meccanismi (sliding e debonding) sono dovuti all interazione locale tra i materiali che compongono la struttura, cosicché i relativi parametri di progetto possono essere ricavati a seguito di prove meccaniche di caratterizzazione (Foraboschi 2004, Borri 2004). 4 LA SPERIMENTAZIONE Prove sperimentali per la caratterizzazione meccanica dei materiali costituenti e della loro interazione Le principali caratteristiche dei mattoni pieni ( cm) in cemento impiegati per la realizzazione degli archi sono state determinate tramite prove di compressione uniassiale e prove a trazione per flessione (in accordo alle norme BS EN 772 e BS EN 1015). Più in particolare le prove di compressione hanno fornito una tensione media di rottura pari a 43.3 MPa, mentre quelle a flessione hanno fornito una tensione media di rottura pari a 10.9 MPa. Per la realizzazione dei giunti è stata utilizzata, invece, una malta preconfezionata di qualità scadente, che ha fornito un valore medio di resistenza a compressione pari a 0.8 MPa. Per determinare la resistenza dell adesione a sforzi di trazione perpendicolari alle fibre di rinforzo sono state effettuate delle prove di pull off su sedici provini costituiti da mattoni rinforzati con nastri in SRG e SRP. Il valore medio della tensione di trazione è stato di 1.29 MPa per i provini rinforzati con nastri in SRG e di 1.57 MPa per quelli rinforzati con nastri in SRP. Per quanto riguarda invece la modalità di rottura, mentre in tutte le prove effettuate sui provini rinforzati con SRP si è riscontrato il distacco della superficie esterna del mattone, senza alcun coinvolgimento dell interfaccia con l adesivo (Figura 5a), nei provini rinforzati con SRG la crisi ha coinvolto il sistema di incollaggio (Figura 5b e 5c). I valori di resistenza ottenuti corrispondono pertanto alla tensione di trazione massima sopportabile dal mattone per trazioni perpendicolari alla sua superficie maggiore nel primo caso (provini con SRP) e alla tensione d aderenza tra rinforzo e corteccia muraria nel secondo caso (provini con SRG). PULL - OFF FIXTURE ADHESION INTERFACE OVERLAY (REINFORCEMENT) SUBSTRATE a) b) c1) Figura 5. Prove di Pull off: a) crisi della corteccia muraria; b) crisi dell interfaccia; c1) e c2) crisi della matrice. Tabella 1. Risultati delle prove di pull-off. Tipo di Tensione di trazione (MPa) crisi Modalità di Provino Fibre rinforzo c c 3SX c b SRG c c 3X b b a 2 n.r. n.r. 3SX a a SRP a a 3X a a Le caratteristiche delle fibre e delle matrici impiegate per la realizzazione dei rinforzi sono riportate nelle tabelle seguenti in accordo ai valori forniti dalle case produttrici. c2)

5 Tabella 2. Caratteristiche delle fibre impiegate. Fibre Acciaio Carbonio 3X2-4 3SX-12 T700 SC Rottura a trazione (N/mm) Modulo Elastico (MPa) Spessore (mm) Deformazione ultima (%) Tabella 3. Caratteristiche delle matrici impiegate. Matrice Resina epossidica Malta cementizia Resistenza a trazione (N/mm 2 ) Resistenza a flessione (N/mm 2 ) > Modulo Elastico (MPa) n.r. Aderenza, ASTM D 4541 (MPa) > 3.5 > 2.5 REACTION FRAME HYDRAULIC JACK MASONRY ARCH STEEL FRAME CONCRETE ABUTMENT REACTION FRAME BRIDGE BEARING STEEL C-SECTION BASE Prove sperimentali sugli archi rinforzati Al fine di determinare il comportamento a rottura della struttura rinforzata, sono stati confezionati nove archi a sesto ribassato (spessore 20 cm) in muratura di mattoni, apparecchiati ad una testa. Per migliorare la stabilità sotto carico si è scelta una geometria che segua l andamento di una catenaria, tarando i coefficienti in modo da renderla vicina a quella di una arco ribassato. Una campata di 198 cm perciò comporta un altezza dell arco pari a 49 cm sopra il livello d imposta x100x50mm SOLID BLOCKS ABUTMENT 1 ABUTMENT Figura 6. Geometria dell arco. Si sono effettuate quindi prove monotoniche con carico concentrato applicato ad un quarto della luce Figura 7. Layout della prova. Come già detto, sono state impiegate diverse tipologie di rinforzo (estradosso, intradosso, estradosso ed intradosso simultaneamente) e sono state utilizzati diversi tipi di matrice (polimerica o cementizia) e di fibra (acciaio o carbonio). In particolare, al fine di avere un campione di riferimento, un arco è stato testato senza applicare alcun tipo di rinforzo. Tre archi sono stati rinforzati all estradosso con fibre in acciaio (3SX-12) impregnate con malta cementizia (EX.01 e EX.03) e con matrice polimerica (EX.02); un arco è stato rinforzato sempre all estradosso con fibre in carbonio e matrice polimerica (EX.04); tre archi sono stati consolidati all intradosso con fibre in acciaio (3X2-4) impregnate con malta cementizia (IN.01 e IN.03) e con una matrice polimerica (IN.02); mentre l ultimo arco è stato rinforzato sia all estradosso che all intradosso con fibre in acciaio (3SX-12 e 3X2-4) e malta cementizia (IN+EX.01). Su ciascun arco è stato applicato un singolo nastro avente larghezza di 15 cm, ad eccezione del modello IN.03 sul quale sono stati incollati due strati. Inoltre, su due modelli (EX.03 e IN.03), oltre al rinforzo, sono stati applicati ancoraggi in acciaio: nel primo caso sono state utilizzate due piastre angolari (profilato a L) che hanno permesso di ancorare la striscia di laminato ai piedritti (Figura 7).

6 Figura 9. Applicazione degli ancoraggi in acciaio: a) intervento estradossale; b) intervento intradossale. Inoltre per monitorare gli spostamenti della struttura e le deformazioni nel rinforzo sono stati impiegati dei trasduttori di spostamento (LVDT) e degli estensimetri. LVDT 3 LVDT 4 LVDT 5 LVDT 6 LVDT LVDT LVDT 1 LVDT 8 Figura 8. Applicazione degli ancoraggi in acciaio nell arco EX.03: fasi di installazione. ABUTMENT 1 ABUTMENT 2 Nel secondo caso, per assicurare i due nastri di laminato all intradosso dell arco, sono state utilizzate delle piastre in acciaio fissate ai mattoni con delle viti (Figura 9) GAUGE 2 GAUGE 4 GAUGE 6 GAUGE 8 56,5 ABUTMENT 1 ABUTMENT 2 GAUGE 1 GAUGE 3 GAUGE 5 GAUGE 7 LOAD PLATE GAUGE GAUGE 3 GAUGE 5 GAUGE 7 56,5 LOAD PLATE GAUGE 2 GAUGE 4 GAUGE 6 GAUGE 8 ABUTMENT 1 ABUTMENT 2 Figura 10. Disposizione dei trasduttori di spostamento (LVDT) e degli estensimetri. Per completare l analisi sono stati presi in considerazione i risultati di una precedente ricerca sperimentale (Boorer 2005) eseguita su un modello (vedi Tabella 4: IN.04) con uguali dimensioni e condizioni di carico e rinforzato all intradosso con una matrice polimerica e con un nastro in fibra di carbonio avente larghezza di 15 cm.

7 Tabella 4. Programma delle prove sperimentali sugli archi. Posizione Tipo N strati Condizioni al Arco contorno UN EX.01 Estradosso SRG 1 - EX.02 SRP 1 - EX.03 SRG 1 Piastre angolari alle imposte EX.04 CFRP 1 - IN.01 Intradosso SRG 1 - IN.02 SRP 1 - IN.03 SRG 2 Piastre all intradosso IN.04* CFRP 1 - IN+EX.01 Estradosso + Intradosso SRG 1 * Arco testato in una precedente indagine sperimentale (Boorer 2005) 5 RISULTATI DEI TEST L arco non rinforzato, in accordo ai dati riportati in letteratura (Heyman 1982), ha mostrato una crisi fragile, per meccanismo (meccanismo a quattro cerniere), con un valore del carico ultimo molto modesto (0.7 kn). Gli archi rinforzati all estradosso hanno presentato modalità di rottura differenti. Nello specifico, l arco EX.01, a causa di un problema di set up del test, ha mostrato una considerevole rotazione dei piedritti che non ha permesso un ulteriore incremento del carico. Il carico ultimo misurato nel corso della prova è stato dunque di 9.20 kn. Negli altri due archi (EX.02 e EX.03) il collasso è avvenuto per scorrimento tra mattone e malta (sliding) in corrispondenza dell imposta più distante dal punto di applicazione del carico, a valori del carico ultimo pari rispettivamente a e 23.5 kn. - Figura 11. Crisi per scorrimento tra mattone e malta (sliding): a) arco EX.02; b) arco EX.03. L arco rinforzato all estradosso con CFRP (EX.04) ha mostrato la medesima modalità di rottura (scorrimento nel giunto prossimo all imposta), ma un valore inferiore del carico ultimo (11.5 kn). Gli archi rinforzati con fibre in acciaio (3X2-4) all intradosso hanno evidenziato modalità di collasso differenti, nonostante i risultati in termini di deformazione globale siano stati simili. In particolare, gli archi IN.01 e IN.02 hanno mostrato una crisi fragile dovuta alla rottura del rinforzo (Figura 12a), per valori del carico ultimo pari rispettivamente a e kn; al contrario nell arco IN.03, dove la presenza di due strati di laminato ha permesso di evitare la rottura del rinforzo, il collasso è avvenuto a causa del distacco del rinforzo (debonding) al di sotto del punto di applicazione del carico (Figura 12b) per un valore del carico ultimo pari a 23.0 kn. In quest ultimo caso la struttura non ha subito alcun crollo, grazie all azione di fasciatura della porzione di nastro rimasta incollata alla muratura. b) a) a)

8 35 Mechanism 30 Shear sliding Laminate rupture IN+EX.01 Laminate debonding 25 Sliding + Laminate debonding IN.03 EX.03 Load (kn) IN.04 IN.01 IN.02 EX EX.01 EX.04 CFRP SRG/SRP 5 UN.01 Failure Load Deflection (mm) b) Figura 14. Diagramma carico spostamento. Figura 12. a) rottura del rinforzo: arco IN.02; b) distacco del laminato: arco IN Mechanism Shear sliding Laminate rupture Laminate debonding IN+EX.01 Infine, l arco rinforzato simultaneamente all estradosso e all intradosso (IN+EX.01) con fibre in acciaio (3SX-12 e 3X2-4 rispettivamente) e malta cementizia, ha presentato una diversa modalità di collasso dovuta allo scorrimento malta mattone nel giunto in prossimità del punto di applicazione del carico, con conseguente distacco del rinforzo (Figura 13). Il carico ultimo è stato notevolmente maggiore (32.8 kn). Figura 13. Scorrimento tra mattone e malta e conseguente distacco del rinforzo. 6 ANALISI DEI RISULTATI L analisi dei risultati sperimentali ha consentito di mettere in luce aspetti significativi del comportamento meccanico degli archi rinforzati e di proporre alcuni suggerimenti per l uso dei materiali compositi SRP/SRG nell ipotesi di applicazioni reali. La Figura 14 e la Figura 15 consentono di confrontare le curve carico spostamento (misurata nel punto in cui il carico è stato applicato) e carico - deformazione ricavate dai test sperimentali sugli archi rinforzati. Load (kn) Sliding + Laminate debonding IN.04 * EX.02 IN.02 * EX.01 EX.04 EX.03 IN.01 IN.03 CFRP SRG/SRP * Gauge produced unreliable data from this point Strain (με) Figura 15. Diagramma carico deformazione. Nonostante le differenti tipologie di applicazione e i diversi tipi di fibra usati, tutti gli archi rinforzati sono giunti al carico di rottura attraverso un graduale aumento della rigidezza, ad eccezione del modello EX+IN.01, dove si è osservata una evidente variazione della rigidezza ad un valore dello spostamento pari a circa 5 mm, corrispondente all innesco del meccanismo di scorrimento per taglio nel giunto tra mattone e malta. Come prevedibile, si è potuto notare una notevole influenza delle condizioni al contorno sulla rigidezza del modello. Infatti particolarmente significativo è stato l incremento di rigidezza correlato alla presenza di ancoraggi meccanici (archi EX.03 e IN.03) soprattutto nel caso dell applicazione estradossale. Una simile risposta conferma l efficacia, in termini di rigidezza e di capacità portante dell arco rinforzato, degli ancoraggi meccanici, difficilmente utilizzabili nelle applicazioni con FRP, a causa della congenita debolezza in termini di resistenza a taglio dei materiali fibrorinforzati. In particolare, per quanto riguarda la capacità portante, i risultati ottenuti nelle prove sperimentali sono indicati e messi a confronto nella Figura 16. Si può notare come il rinforzo con SRG/SRP, malgrado le fibre in acciaio abbiano minori valori di resistenza e rigidezza rispetto a quelle in carbonio (Tabella 2), hanno determinato il maggior incremento in termini di capacità portante sia nelle applicazioni intradossali che in quelle estradossali.

9 Q (kn) UN.01 EX.01 EX.02 EX.03 EX.04 IN.01 IN.02 IN.03 IN.04* IN+EX.01 Q (kn) 0,7 9,2 13,3 23,5 11,5 16,2 14,7 23,0 12,3 32,8 Figura 16. Confronto tra la capacità portante degli archi testati. In accordo a quanto detto, si possono dunque proporre alcuni suggerimenti per l uso dei materiali compositi SRP/SRG nell ipotesi di applicazioni reali. Per quanto riguarda gli archi rinforzati all estradosso, nonostante si sia fatto uso di diversi materiali di rinforzo, i risultati ottenuti hanno mostrato come lo scorrimento per taglio tra mattone e malta (sliding) sia la principale modalità di rottura riscontrata. Questo tipo di rottura si manifesta solo negli archi rinforzati all estradosso, poiché il punto più debole della struttura è la cerniera che si forma in prossimità dell imposta più distante rispetto al punto di applicazione del carico. Perciò, in sede di effettiva applicazione, una soluzione che potrebbe evitare questo tipo di rottura, incrementando allo stesso tempo la capacità portante della struttura, potrebbe consistere, come è accaduto per l arco EX.03, nell impiego di ancoraggi meccanici tesi a raccordare il rinforzo direttamente con le imposte. Per quanto riguarda l effetto del rinforzo intradossale, la crisi si è manifestata per rottura del rinforzo o per delaminazione del nastro. Perciò una soluzione che potrebbe evitare, o comunque ritardare entrambe le tipologie di crisi, incrementando rigidezza e capacità portante della struttura, potrebbe consistere, come fatto per l arco IN.03, nell impiego di due strati di nastro, per evitare la rottura del rinforzo, e nell applicazione di ancoraggi meccanici sottoforma di piastre metalliche fissate direttamente all intradosso della struttura, ritardando così un prematuro distacco del rinforzo. Arco Tabella 5. Tabella di confronto dei risultati sperimentali. Carico ultimo (kn) Abbassamento del punto di carico (mm) Modalità di rottura UN Meccanismo EX EX Scorrimento EX Scorrimento EX Scorrimento IN.01 IN.02 IN.03 IN.04* IN+EX Rottura del laminato Rottura del laminato Distacco del laminato Distacco del laminato Scorrimento + distacco del laminato In ultimo, l applicazione simultanea del rinforzo sia all intradosso che all estradosso dell arco rappresenta ovviamente il Massimo ottenibile dal punto di vista dell efficacia e può costituire un elemento di riferimento per valutare l efficienza dei metodi di rinforzo adottati. 7 CONCLUSIONI Dalle sperimentazioni eseguite si può concludere che: i materiali compositi SRP/SRG, simili agli FRP per quanto riguarda la semplicità di impiego, garantiscono le medesime possibilità d applicazione, riducendo però significativamente i costi di messa in o- pera e dei materiali; Tabella 6. Caratteristiche delle fibre impiegate. Costo di applicazione ( /mq) SRG 35 SRP 45 GFRP 50 AFRP 80 CFRP 140 i materiali compositi SRP/SRG, nonostante abbiano proprietà meccaniche inferiori, in termini di modulo elastico e resistenza a trazione rispetto ai CFRP, hanno determinato un significativo incremento della capacità portante sia nel caso di applicazioni estradossali che in quello di applicazioni intradossali; l impiego di ancoraggi meccanici ha mostrato come sia stato possibile migliorare le prestazioni complessive, determinando un notevole incremento in termini di rigidezza e di capacità portante. nelle applicazioni intradossali, l impiego della matrice cementizia ha garantito le migliori prestazioni in termini di capacità portante, consentendo una migliore redistribuzione delle tensioni tra il laminato e la corteccia muraria.

10 8 RINGRAZIAMENTI Si ringraziano la Hardwire LLC., Pocomoke City, MD, per la fornitura dei nastri in fibra d acciaio, la Toray Industries, Inc., per la fornitura dei nastri in fibra di carbonio e la MAPEI per la fornitura della malta cementizia. Si ringrazia inoltre il personale del laboratorio del Dipartimento di Architettura ed Ingegneria Civile della Bath University. La ricerca è stata finanziata dal Dipartimento di Protezione Civile Consorzio ReLUIS. BIBLIOGRAFIA Boorer, A., Anchored FRP strengthening of masonry arches. Graduation thesis. University of Bath, Bath, UK. British Standard (BS EN 772-1). Methods of test for masonry units. Determination of compressive strength. British Standard Institution. London, UK. British Standard (BS EN 772-6). Methods of test for masonry units. Determination of bending tensile strength of aggregate concrete masonry units. British Standard Institution. London, UK. British Standard (BS EN ). Methods of test for mortar for masonry. Determination of flexural and compressive strength of hardened mortar. British Standard Institution. London, UK Borri, A. and Castori, G., Influence of bonding defects in masonry vaults and arches strengthened at their intrados with FRP. Proc. Mechanics of masonry structures strengthened with FRP-materials. Venezia, Italy. Casadei, P., Nanni, A., Alkhrdaji, T. and Thomas, J., 2005 Behavior of Double-T Prestressed Beams Strengthened With Steel Reinforced Polymer. Advances in Structural Engineering. Castori, G., Borri, A., Ebaugh, S. and Casadei, P., Strengthening masonry arches with composites. Proc. Of 3 rd International Conference on Composites in Civil Engineering (CICE 2006). Miami, Florida, USA. Foraboschi, P., Strengthening of masonry arches with fiber-reinforced polymer strips. Journal of Composites for Constructions. Hardwire llc., What is Hardwire. Product Guide Specification. Web site: Heyman, J., The masonry arch, Ellis Horwood-Wiley, West Sussex, UK. Huang, X., Birman, V., Nanni, A. and Tunis, G., Properties and potential for application of steel reinforced polymer and steel reinforced grout composites. Composites, Part B. Matana, M., Galecki, G., Maerz, N. and Nanni, A., Concrete substrate preparation and characterization prior to adhesion of externally bonded reinforcement. Proc. of International Symposium on Bond Behaviour of FRP in Structures (BBFS 2005). Hong Kong, China. Triantafillou, T.C., Strengthening of masonry structures using epoxy-bonded FRP laminates. Journal of Composites for Constructions. Valluzzi, M.R., Valdemarca, M. and Modena, C., 2001 Behaviour of brick masonry vaults strengthened by FRP laminates. Journal of Composites for Constructions.