Introduzione al lavoro di tesi

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1 1. 1 Introduzione ed obiettivi G li edifici in Italia costituiscono un patrimonio edilizio che è rappresentato in larga parte da costruzioni che, o singolarmente o per l insieme unitario, sono degni di significativo interesse. Tutti gli edifici sono vulnerabili alle variazioni termiche e igrometriche, che determinano soluzioni di continuità spesso notevoli, agli agenti atmosferici che portano a processi di degrado tanto più celeri quanto più la materia è esposta; ancora i moti del terreno che possono portare a smembramenti più o meno gravi delle strutture murarie, e infine i sovraccarichi che possono portare a dissesti statici da schiacciamento. In questo lavoro di tesi si è preso in particolar modo in analisi i dissesti statici da schiacciamento con le relative cause e i possibili interventi di recupero. Negli ultimi anni sta assumendo, Fig. 1 colonna dorica quindi, grande rilevanza il tema della conservazione e della messa in sicurezza delle strutture soprattutto se di pregevole valore artistico e monumentale. Tra le varie tecniche innovative di consolidamento oggi disponibili, particolare interesse stanno suscitando rinforzi di elementi strutturali mediante materiali compositi FRP (Fiber Reinforced Polymer), i quali consentono metodologie di intervento efficaci e meno invasive, non comportando perdite di autenticità dell opera e non stravolgendone la concezione originale, andando così a sostituire quelle che erano le tecniche tradizionali di confinamento, come ad esempio cerchiatura metallica, cerchiatura elicoidale e tiranti antiespulsivi. Gli FRP sono particolarmente utilizzati per il 1

2 consolidamento ed il rinforzo strutturale di vecchi edifici storici in muratura, per l adeguamento alla normativa antisismica e la riparazione di danni post-sisma. Nello specifico vengono adoperati per il rinforzo o prevenzione di fessurazioni estradossali o intradossali, che possono crearsi a causa dell attivazione di processi di collasso in archi e volte in muratura, in pilastri e ciminiere, ecc.. Le elevate prestazioni di questi materiali compositi scaturiscono dalla collaborazione di materiali con caratteristiche e strutture eterogenee, che, presi singolarmente, non soddisfano le prestazioni richieste. Tuttavia, se combinati opportunamente, possono organizzarsi in veri e propri sistemi strutturali dai quali scaturisce una capacità complessiva di rispondere a specifiche richieste funzionali, come nei casi sopra descritti. Bisogna sottolineare come la mancanza di una normativa tecnica consolidata e di una bibliografia adeguata, rappresenti ancora oggi il maggiore ostacolo alla diffusione degli FRP nel settore delle murature, Fig. 2 Un esempio di applicazione di FRP lasciando progettisti e direttori di lavoro privi di importanti punti di riferimento. È auspicabile quindi l impiego diffuso di una normativa tecnica, che attualmente è rappresentata in Italia dal CNR-DT 200/2004, in cui vi sono riportate le istruzioni per la progettazione, l esecuzione ed il controllo di interventi di consolidamento statico mediante l utilizzo di compositi fibrorinforzati, che funge da supporto per la progettazione architettonica e strutturale che vede coinvolti gli FRP. Tale normativa è stata elaborata da una commissione nominata dal Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR). In base a tali considerazioni il lavoro di tesi svolto, affronta il tema del confinamento di colonne in 2

3 muratura di pietra leccese con GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer), presentando nel Capitolo I dell elaborato l introduzione e i metodi di prova effettuate. Nel Capitolo II vengono analizzati i processi di dissesto, in particolar modo vengono esposti i dissesti statici da schiacciamento, pressoflessione e carichi di punta, con le relative cause, effetti e possibili interventi di recupero, i principi e le tecniche di confinamento di colonne in muratura dove sono esposte le tecniche tradizionali e innovative, e la resistenza a compressione. Sempre nel Capitolo II vengono riportate le linee guida per la progettazione scaturite dal documento CNR-DT 200/2004, e la letteratura scientifica dove sono esposte prove sperimentali di compressione, già svolte, con i relativi dati. Nella seconda parte del lavoro invece, vengono presentate le prove sperimentali di compressione effettuate su campioni in media scala di colonne in muratura rinforzate a con GFRP e la successiva analisi dei risultati ottenuti verificati con le relazioni del CNR. Allo scopo di rendere il lavoro completo si è introdotta la descrizione dei materiali utilizzati per lo svolgimento delle prove, nel Capitolo III, evidenziandone le principali proprietà: pietra leccese utilizzata per la realizzazione delle colonne, fibre di vetro (GFRP), resina epossidica e primer epossidico, utilizzati per il fissaggio delle fasce unidirezionali di fibre sulle colonne. Lo scopo di tale lavoro è stato quello di verificare il comportamento a compressione delle colonne fibrorinforzate nei casi di fasciatura secondo differenti schemi di rinforzo, analizzando i risultati ottenuti e proponendo sviluppi futuri. 3

4 1. 2 Metodi di prova C ome già detto nell introduzione, l oggetto della sperimentazione è stato la verifica del comportamento a compressione, sotto carico centrato, di cinque colonne in muratura di pietra leccese in media scala, a base quadrata 25x25 cm 2 e altezza di 50cm, pari al doppio del diametro di base, al fine di simulare la snellezza di una colonna in muratura. Le colonne, oltre a quelle di controllo senza rinforzo, sono state confinate con fasci di Fibra di Vetro, di cui quattro rinforzate a fasciatura continua e tre a fasciatura discontinua, in questi tre casi con diverso posizionamento e spessore delle fasce: una colonna Fig.3 Un foglio di Fibra di Vetro con due fasce alte 150mm, una con tre fasce alte 100mm e l ultima con cinque fasce alte 50mm. I campioni sono stati dapprima classificati, in base al tipo di fasciatura, con le seguenti sigle: SFD-R2-2, SFD-R2-3, SFD-R2-5, SFW-R2-3 ed SFW-R2-4. Tutte le colonne, a sezione prismatica, sono state preparate per la prova di compressione, smussandone gli spigoli con raggio di 20mm.La seconda fase della preparazione è stata la posa del primer legante, costituito da una resina epossidica. Il primer è stato fornito da MAPEI S.p.a ed è denominato MAPEI MAPEWRAP 11, costituito da un componente A e un B. Dopo la posa del primer si è lasciato riposare le strutture per circa 48 ore, durante le quali si è proceduto alla preparazione delle fasce di fibra di vetro. Si è scelto l utilizzo degli FRP, in particolar modo GFRP, in quanto tali materiali scaturiti dalle recenti conoscenze nel 4

5 campo chimico fisico, hanno segnato l inizio di una nuova era nel campo delle costruzioni civili ed il recupero di edifici storici e non. Ciò è stato possibile in quanto le fibre utilizzate sono monodirezionali e presentano come caratteristica peculiare l anisotropia controllata, che consente livelli di resistenza in funzione delle svariate sollecitazioni che interessano il sistema strutturale. La terza fase della preparazione è stata caratterizzata dall applicazione di un primo strato di resina adesiva, anche questa fornita da MAPEI s.p.a. e denominata MAPEI MAPEWRAP 31 e costituita da un componente A e B, applicata sulle colonne a pennello secondo la tecnica del Wet Lay-Up manuale; subito dopo si è proceduto all incollaggio dei fasci di fibra, i quali sono stati fatti aderire alla struttura con un rullo metallico in modo tale che l adesivo potesse entrare all interno delle maglie delle fasce, affinché sia garantita una perfetta Fig.4 Primer e Resina adesiva utilizzate per la prova sperimentale adesione tra fasce e struttura. Dopo aver portato a termine la fasciatura delle colonne si è lasciato riposare le strutture per ulteriori 48 ore, al fine di completare la sezione di cura. Durante la fase di riposo delle colonne sono stati preparati degli estensimetri elettrici, i quali sono stati saldati a dei cavi elettrici. Gli estensimetri sono dei sensori costituiti da una sottilissima griglia di filo metallico, generalmente costantana ( lega binaria composta da 60% di rame e 40% di Nichel), che presenta a temperatura ambiente una resistività di circa Ωm, rigidamente applicate a un supporto plastico. Vengono utilizzati per determinare le deformazioni di un corpo sottoposto a sollecitazioni meccaniche poiché, incollati alla superficie del corpo che si vuole sperimentare, seguono le deformazioni della superficie stessa 5

6 generando variazioni della resistenza elettrica degli estensimetri. Tali variazioni vengono registrate da un apposito strumento e attraverso ad esse si può risalire all entità della deformazione che le ha causate. Per le tre colonne a fasciatura discontinua sono stati realizzati 40 estensimetri, applicati al centro e in prossimità dello spigolo di ogni fascia su due facce di ogni colonna, diametralmente opposti. Per le due colonne a fasciatura continua, sono stati realizzati 20 estensimetri, applicati anche in questo caso sulle due Fig. 5 Estensimetro facce delle colonne e diametralmente opposti. Terminata la preparazione dei provini si è passati alla sperimentazione: scopo della sperimentazione è stato quello di verificare, come già detto nel precedente paragrafo, l incremento delle caratteristiche di resistenza meccanica e duttilità ottenuti dal confinamento dei campioni con la tecnica della fasciatura continua e discontinua con GFR (Glass Fiber Reinforced Polymer). A tal fine sono state portate a rottura, per carico di compressione centrata, 10 colonne e si è misurato attraverso estensimetri e trasduttori le deformazioni delle strutture. Il carico è stato applicato mediante martinetto idraulico, attivato da pompa ad azionamento manuale, con portata massima pari a 2000 KN. Una piastra metallica dallo spessore di 25mm è stata impiegata per la ripartizione dei carichi. La fase di preparazione, sperimentazione, di analisi e calibrazioni dei risultai ottenuti, verranno esposte approfonditamente nei Capitoli III e IV del presente lavoro di tesi. La sperimentazione che ha portato a redigere tale lavoro, è stata eseguita presso il LABORATORIO DI SCIENZA E TECNICA DELLE COSTRUZIONI presso il DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DELL INNOVAZIONE, dell Università del Salento. 6

7 I Il confinamento 2. 1 Cause di dissesto: dissesti statici per schiacciamento E noto che un solido sottoposto alla compressione subisce una contrazione nella direzione del carico ed una dilatazione nelle dimensioni perpendicolari. Se la dilatazione trasversale supera la capacità di resistenza e coesione del materiale, questo si spezza lungo le superfici di frattura disposte nella direzione della forza. Tale dissesto è noto come schiacciamento. Lo schiacciamento è il dissesto più pericoloso in quanto, se in vari dissesti il sistema murario cede andando a ricercare nuovi stati di equilibrio che infine trova, pur fessurandosi, e vi si adagia in quiete se le cause che hanno portato al dissesto non progrediscono ulteriormente, nello schiacciamento ciò non si verifica poiché una volta insorte le cause di dissesto, il sistema murario non riuscirà a trovare nuovi stati di equilibrio e il sistema volgerà verso fasi sempre più precarie. In particolare nel caso dello schiacciamento, le cause di dissesto provocano fratture che risolvono il sistema in elementi astiformi sempre più snelli e fragili e facilmente cedevoli sotto carichi di punta. Tale dissesto è tipico delle strutture murarie e consiste nel fatto che la sezione di una struttura muraria verticale si trova ad essere sottoposta a carichi superiori alla sua resistenza, ciò può avvenire : Perché la capacità portante della sezione è diminuita a causa del decadimento della qualità della pietra o dell elemento costruttivo, o della qualità della malta legante; Perché su una generica sezione, ben calcolata e quindi in equilibrio, vengono indotti carichi che ne modificano la sezione fino a superare le qualità di resistenza della stessa; 7

8 I Il confinamento In genere lo schiacciamento interessa i pilastri in muratura o murature, ed è un fenomeno assolutamente irreversibile che ha necessità di una diagnosi precoce; questo durante il suo sviluppo presenta tre stadi: Nel primo stadio si verifica il superamento della resistenza alla coesione dei giunti orizzontali della malta, se quest ultima dovesse essere meno resistente del materiale lapideo. I giunti sotto carico si riducono nello spessore e l intonaco, eventualmente presente, subisce un accorciamento verticale che si manifesta prima con espulsioni di parti di tinteggiatura poi di intonaco vero e proprio ed infine di croste superficiali di muratura. Nel secondo stadio si verificano delle fessurazioni a rami corti alternati, ben distinti e visibili lungo la direzione della forza che ha generato il dissesto. In questa situazione il paramento murario all interno si presenta già scollegato con una superficie di discontinuità sempre in direzione della forza agente. Il terzo stadio risulta essere il più pericoloso in quanto il quadro fessurativo del secondo stadio va a unificarsi in fratture di notevole estensione che progressivamente si moltiplicano preludendo al crollo del sistema murario e per questo non bisogna ritardare nell adozione di provvedimenti. Lo schiacciamento può essere prodotto da: Carichi localizzati Peso proprio Carichi di punta e pressoflessione Per quanto riguarda i carichi localizzati, prendiamo in considerazione il comportamento di pilastri e colonne in quanto interessano il lavoro di tesi, dando una panorami generale del tipo di dissesto davanti a cui potremmo trovarci durante la sperimentazione. 8