Nella moderna tecnica delle costruzioni esistono numerosi sistemi di rinforzo strutturale che si celano dietro le più varie sigle e nomi commerciali.
Il nostro lavoro di progettisti si deve basare però sui sistemi indicati dalle norme e dalla letteratura tecnica consolidata.
Mi capita delle volte di essere chiamato a “dire la mia” su ipotesi progettuali che, anche se basate su un buon intuito, risultano discutibili, anche dal punto di vista normativo.
Da quando ho iniziato a scrivere in questo blog ho sempre rinviato il momento per questo articolo. Ho sempre pensato che gli interessi commerciali di questo o quel produttore mi avrebbero portato sicuramente qualche critica di troppo (e fuori luogo).
Ma ora i tempi sono maturi.
Vista la vastità delle soluzioni, quello che posso fare è (senza riferimenti ad alcun produttore o prodotto in particolare) presentare i sistemi e le norme che li regolano, in modo da fornire un quadro chiaro (spero) e delle indicazioni utili alle vostre scelte.
Il mio lavoro di sviluppatore di software mi fornisce uno tra gli strumenti più importanti nell’approccio ingegneristico: la generalizzazione.
Ed è proprio grazie alla “generalizzazione” che è possibile classificare gli interventi partendo dalle problematiche strutturali.
Iniziamo dalle murature.
Murature
Come sappiamo la muratura è un sistema costruttivo nel quale non si deve superare la resistenza a trazione del materiale. Anzi, è proprio meglio non fidarsi della resistenza a trazione!
Questo si traduce, ad esempio per un pannello murario, nei seguenti problemi:
• Nel piano (flessione, taglio e taglio scorrimento)
• Fuori piano (flessione e ribaltamento)
• Confinamento (capacità delle colonne di sostenere il carico assiale)
Nel piano del maschio murario, considerare flessione e taglio due verifiche (e problematiche) separate è un’approssimazione non da poco. In realtà ciò che conta (richiamando il concetto di “generalizzazione”) è capire come vanno le isostatiche di compressione e trazione.
Figura 1: Esempi di linee isostatiche
Quindi, in generale, un pannello inizierà la sua crisi quando si inizia a superare in qualche punto la sua resistenza a trazione. Ciò che fa aumentare il limite di resistenza a trazione è la compressione presente sul pannello. Fino ad un certo livello (una buona frazione della resistenza a compressione) più un pannello è compresso e più la sua resistenza a trazione (e quindi anche a taglio e flessione) sarà superiore (vedi i vari criteri di Mohr-Couloumb, Rankine, Turnsek-Cacovic, ecc.).
In questo quadro, il nostro intervento può riguardare solo l’aggiunta di un sistema di “armatura” tale da assorbire la trazione. La soluzione alternativa di aumentare lo stato di compressione non sembra una buona idea (oltre che di difficile realizzazione), in quanto comporta aumento di massa, sconveniente soprattutto un ambito sismico.
Calcestruzzo
Nel caso del calcestruzzo armato il concetto generale è molto simile a quello descritto per le murature. È sempre un problema di trazione, con l’aggiunta che nel caso del c.a. esiste già l’armatura che dovrà essere integrata e/o sostituita.
Ma, essendo le strutture in c.a. comunemente a telaio, e quindi fatte con elementi monodimensionali, risulta più comodo evidenziarne le carenze classificandole per tipo di verifica strutturale:
• Flessione (semplice, composta e deviata)
• Taglio (o più esattamente taglio in presenza di flessione)
• Confinamento (capacità delle colonne di sostenere il carico assiale)
• Nodo travi-pilastri
Nella gran parte dei casi, per costruzioni realizzate prima degli anni 2000, i problemi più frequenti sono legati alle verifiche dei nodi e alle verifiche a taglio. È bene sempre ricordare che le strutture antisismiche sono progettate per evitare i collassi fragili. Analogamente, il progetto di un sistema di rinforzo strutturale, può essere pensato migliorando o realizzando un comportamento simile a quelle delle nuove strutture antisismiche. L’operazione che consente di andare verso questo obiettivo è l’incremento di armatura trasversale, cosa che non fa mai male ad una struttura in c.a.
Gli interventi che vedremo di seguito sono applicabili (tranne alcuni) sia alle strutture in muratura che in calcestruzzo armato.
Interventi con fibre
Veniamo agli interventi. Le sigle riportate (secondo le diciture delle norme) differiscono poco l’une dalle altre. Proverò a descriverli nella maniera più semplice possibile, perché in effetti noto che c’è spesso confusione (se non se ne conoscono i dettagli).
Concentrandosi su quelli basati sulle fibre possiamo già fare un elenco:
• FRP (Fiber Reinforced Polymers): Applicazione di tessuti in fibra di vari materiali (carbonio, vetro, aramide, basalto, acciaio) impregnati in situ mediante matrice polimerica di natura organica (resine epossidiche).
• FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix): Si utilizzano fibre delle stessa natura dell’FRP in forma di reti o tessuti (carbonio, vetro, aramide, basalto, acciaio) ma sono applicati con leganti inorganici (malte cementizie, calci, ecc.).
• CRM (Composite Reinforced Mortar): Tecnica evoluzione del tradizionale “intonaco armato” ma realizzata con reti preformate (rigide) in carbonio o vetro.
• FRC (Fiber Concreted Reinforced): calcestruzzo cementizio additivato con fibre corte di diversa natura (acciaio, materiale polimerico, carbonio, vetro, materiali naturali) cui possono aggiungersi in opera usuali barre di armatura, lente o pretese.
Gli FRP (nel gergo di cantiere sono comunemente chiamati “interventi con le fibre”) consistono nell’incollaggio di tessuti in fibre (appunto) resistenti solo a trazione, poste direttamente sulla superficie esterna dell’elemento strutturale. Nel caso di travi e pilastri vengono disposti longitudinalmente e/o trasversalmente.
Altro concetto “generale”, valido anche per tipi di interventi più comuni (incamiciature in c.a. ed acciaio, metodo CAM®) è rappresentato dalla seguente analogia:
• Rinforzo longitudinale = incremento a flessione e trazione
• Rinforzo trasversale = incremento a taglio (traliccio Ritter-Morsch) e confinamento
I rinforzi longitudinali vanno posti lungo le zone che dovranno avere un incremento di resistenza a trazione e quindi lungo le famose “fibre tese”. Risulta evidente che, visto che le zone critiche sono alle estremità, è opportuno “ancorare” efficacemente le fibre con gli elementi adiacenti mediante “barre” o “fiocchi” in carbonio.
L’incollaggio delle fibre avviene mediante resine epossidiche. Nel “pacchetto” supporto-resina-fibra, l’anello debole è il supporto (muratura o calcestruzzo). Di fibre ne esistono diversi tipi, ma le più comuni (e le più prestanti) sono quelle in carbonio. Nel caso delle murature si applicano sul maschio cercando di disporle lungo le isostatiche principali, creando una sorta di “telaio controventato”, in modo da assorbire la trazione aggiuntiva. L’intervento con FRP non è reversibile e quindi non indicato per edifici storici.
Figura 2 : Esempi di applicazioni FRP su muratura
Figura 3 : Esempi di applicazioni FRP su c.a.
Gli FRCM sono per natura e principi simili all’FRP. La differenza la fa il materiale d’incollaggio. Il fatto di utilizzare una malta inorganica (parliamo di resistenze a compressione minime da 15 a 45 MPa) al posto della resina, li rende più compatibili con la muratura. Il prezzo che si paga è una minor prestazione, soprattutto a confinamento.
Nel caso di utilizzo su muratura, si applica in forma di rete/tessuto “leggera” ed uniforme in piccoli spessori di malta (massimo 10 mm). Applicato su muratura ha la funzione di aggiungere uno strato che “tiene assieme” i diversi elementi della muratura, assorbendo la trazione diffusa e conferendo una buona resistenza a tutto il pannello.
L’intervento con FRCM è ammesso anche per le opere storiche monumentali soprattutto se abbinato ad una malta a base di calce, materiale più compatibile con la muratura originale.
Figura 4 : Applicazione di FRCM su muratura
Nel caso di strutture in c.a., gli FRCM vengono utilizzati allo stesso modo degli FRP, sia come forma, distribuzione e meccanismi resistenti (Figura 2).
L’intervento CRM, si realizza disponendo una rete preformata (rigida – per intenderci) fatta da “trefoli” realizzate da fili in fibra di vetro, all’interno di intonaco di malta strutturale R4 (o simile) dello spessore di circa 3 cm. Il sistema si applica generalmente dai due lati inserendo delle connessioni passanti (anch’esse in fibra di vetro preformata).
In questo sistema è lo strato di malta ad essere rinforzato con la fibra. Dal punto di vista del calcolo strutturale, è analogo all’utilizzo del semplice intonaco armato (fatto con rete elettrosaldata). Questo è un po’ penalizzante in quanto, dalle prove fatte, si è visto che si raggiungono incrementi superiori rispetto a quelli indicati nella tabella C.8.5.II della Circ. 7/2019.
Figura 5 : Applicazione di CRM su muratura
Questo sistema non è particolarmente adatto all’utilizzo su elementi in c.a.
I calcestruzzi fibro-rinforzati FRC si usano generalmente come rinforzi a basso spessore, sia per l’elevata resistenza a compressione sia perché essendo resistenti a trazione consentono di “simulare” un ‘aggiunta di armatura, in modo particolare per il taglio.
Questi calcestruzzi vengono utilizzati principalmente come incamiciature degli elementi strutturali (sia travi che pilastri) o come getti integrativi di rinforzo dei solai (di qualsiasi tecnologia), in quanto caratterizzati da un elevata adesione al supporto.
Nel caso si vogliano utilizzare per l’incremento di resistenza a flessione ci si deve ricordare che anche questo intervento va collegato agli elementi esterni. In questo caso l’ancoraggio consisterà nell’aggiunta di monconi adeguatamente connessi con ancoranti chimici.
Figura 6: Esempi di camicie con FRC
L’utilizzo degli FRC come rinforzo di maschi murari, a mio avviso, non rientra specificatamente in nessuna indicazioni di norma. Potrebbe assimilarsi ad un intonaco armato ma, sempre secondo me, è una scelta contestabile. Se qualcuno ha altre informazioni sono ben accette.
Tabella 1 : Considerazioni riassuntive per muratura
Quindi, per le strutture in muratura la tabella riassume alcune considerazioni che riporto. Gli FRP sono interventi “non reversibili” cioè la loro rimozione danneggia l’elemento strutturale originale. Questo perché le resine epossidiche hanno una notevole capacità di adesione. Ciò è legato proprio il funzionamento ottimale degli FRP che si basa non sul distacco ma sulla rottura del materiale di supporto. FRCM e CRM utilizzano malte (sia di cemento che di calce) e quindi di facile rimozione. Per questo motivo l’FRP, rispetto ad FRCM e CRM, non è utilizzabile su strutture storico-monumentali vincolate.
Il rinforzo di tipo CRM, come abbiamo potuto vedere, viene considerato nei calcoli mediante un coefficiente d’incremento da applicare sia alle resistenze che ai moduli elastici. La circolare 7/2019 riporta “…Si rileva che il consolidamento con intonaco armato non ha alcuna efficacia in assenza di sistematiche connessioni trasversali e la sua efficacia è ridotta quando realizzato su un solo paramento…”. Pertanto dalle “timide” indicazioni della norma ne deduco che l’utilizzo da un solo lato non è consigliabile.
Per il CRM, nel caso dei problemi fuori piano, non è possibile valutare il contributo di resistenza a trazione della rete in fibra e per questo secondo me è “poco indicato”. Meccanicamente potrebbe avere effetti positivi ma non quantificabili secondo norme.
Per il confinamento delle colonne, tra i quattro tipi di interventi con fibre, il migliore è decisamente l’FRP. Questo perché l’avvolgimento dell’elemento con il mix resina-fibre consente la realizzazione di una camicia in materiale molto più rigido della muratura (o del calcestruzzo). È come se inserissimo il nostro elemento dentro un “tubo” di materiale molto rigido (che si oppone alla dilatazione laterale). Con gli altri tipi di rinforzi la natura del materiale confinante è simile a quella dell’elemento confinato, e quindi l’incremento di resistenza a compressione è decisamente inferiore.
Un analogo schema può essere fatto per le strutture in c.a.
Tabella 1 : Considerazioni riassuntive per c.a.
L’intervento con FRC può essere realizzato anche senza l’aggiunta di armature, ma a determinate condizioni che vedremo in seguito.
Considerazioni progettuali
Per qualsiasi intervento di rinforzo, dal punto di vista progettuale, l’ingegnere deve sempre avere la possibilità di quantificare e stimare numericamente gli incrementi di prestazioni apportate dai vari sistemi. Per farlo si dovrà basare necessariamente su norme o letteratura tecnica di comprovata validità. Purtroppo (o per fortuna) l’epoca degli inventori improvvisati si è conclusa da un po’.
Fortunatamente, per i sistemi che utilizzano fibre esistono diversi strumenti normativi, che riassumo in questo elenco:
• FRP: CNR-DT 200 R1/2013
• FRCM: CNR-DT 215/2018
• CRM: Linee Guida C.S.LL.PP. Maggio 2019 – CIRCOLARE 21 gennaio 2019, n. 7 C.S.LL.PP. (NTC)
• FRC: CNR-DT 204/2006 – Linee Guida C.S.LL.PP. Maggio 2022
Nel caso di FRP o FRCM, è importante informarsi sul numero di strati massimi da poter utilizzare. In ogni caso, è bene sapere che fino a tre strati è possibile avere un guadagno in termini di resistenza, all’aumentare degli strati la resistenza non aumenta proporzionalmente. Personalmente, consiglio di utilizzare 1 o al massimo 2 strati di rinforzo. Ogni strato va applicato con il corrispondente strato di resina (o malta) rispettando le modalità ed i tempi indicati dal produttore.
Il rinforzo CRM viene applicato in un unico strato mediante una sola rete (con diversi tipi di passi – 33×33, 66×66, 99×99 mm) e con pezzi speciali di rete ad “L” da applicare agli angoli o alle intersezioni e mediante dei connettori rigidi ad “L”.
Direzione Lavori
Arriviamo ad un aspetto non da sottovalutare. Questi materiali devono essere sottoposti a procedura di accettazione nell’ambito della Direzione Lavori.
In pratica possiamo trovare due tipi di situazioni:
• Sistema con marchio CE
• Sistema con CVT
Rispetto al Certificato di Valutazione Tecnica (CVT), con la Marcatura CE il produttore deve effettuare più prove di caratterizzazione del sistema (50 prove rispetto alle 9 previste per il CVT), più prove di interazione sistema-supporto (110 prove rispetto alle 0 previste per il CVT), e più condizionamenti (7 prove rispetto alle 4 del CVT).
La verifica (e costanza) delle prestazioni sono garantite dal processo di controllo qualità Sistema 2+, quindi non sono previste prove di accettazione (da parte della DDLL) invece indispensabili per chi è dotato di CVT, ed è così pertanto sufficiente procedere alla sola consultazione delle Dichiarazioni di Prestazione (DoP), come si fa per qualsiasi altro prodotto marcato CE.
La Marcatura CE oltre che semplificare il processo di accettazione del materiale in cantiere, è da preferire per il maggior numero di controlli eseguiti dai produttori.
Per quanto riguarda l’FRC ci sono alcune precisazioni da fare. Si vedono spesso interventi di ricostruzione senza l’aggiunta di armature. Se questi interventi devono essere “calcolati” (cioè valutarne il miglioramento delle prestazioni) è necessario considerare che in base al § 3.5 delle Linee Guida C.S.LL.PP. Maggio 2022 è possibile non aggiungere armatura se:
Il termine fR1k è il valore di resistenza residua a flessione e viene dedotto da apposite prove di resistenza a flessione e fck è la classe di resistenza. Inoltre è opportuno ricordare che per calcestruzzo di resistenza cilindrica superiore a 70 MPa sono richieste specifiche autorizzazioni da parte del Servizio Tecnico Centrale (§4.1 e §4.6 delle NTC 2018).
Sempre per gli FRC è prevista, al §11.2.12 delle NTC 2018, la valutazione preliminare della miscela.
Conclusioni
Gli interventi basati sull’utilizzo di fibre sono delle valide soluzioni per il rinforzo strutturale. È bene ricordare che la scelta di uno o l’altro sistema è responsabilità del progettista, e il loro corretto utilizzo passa da un’attenta Direzione Lavori. Per cui è opportuno:
• Informarsi dal fornitore a quale sigla da normativa (FRP, FRCM, FRC, CRM) appartiene il sistema da utilizzare
• Controllare se si dispone di Marchio CE o del CVT
• Verificare analiticamente in fase di progettazione il grado di miglioramento che si otterrà
• Nel caso di FRC senza utilizzo di armature controllare la classe dichiarata e le resistenze fR1k e fR3k
Gli interventi strutturali sono sempre oggetto di pratiche edilizie che includono la valutazione della sicurezza globale o locale (miglioramento, adeguamento, intervento locale) e quindi spesso soggette a controllo da parte di validatori o Uffici Tecnici Regionali. Quindi è necessario siano calcolabili ai sensi di una delle norme suggerite (Linee Guida o Norme CNR). Questo ancor di più nel caso di pratiche di Sismabonus.
Ovviamente questo tipo di interventi si affiancano a tutti gli altri più comuni che restano comunque delle valide alternative e soluzioni da adottare (magari ne parleremo un’altra volta).
Spero di aver contribuito a fare chiarezza, se non fosse così vi chiedo di farmelo sapere: per un mondo migliore è necessaria la condivisione della conoscenza.
FRP: CNR-DT 200 R1/2013
FRCM: CNR-DT 215/2018
CRM: Linee Guida C.S.LL.PP. Maggio 2019 – CIRCOLARE 21 gennaio 2019, n. 7 C.S.LL.PP. (NTC)
FRC: CNR-DT 204/2006 – Linee Guida C.S.LL.PP. Maggio 2022
