La muratura, materiale da costruzione millenario, è oggi al centro di continue innovazioni, sia per quanto riguarda la sua analisi e rinforzo strutturale, sia per l'integrazione di nuove funzionalità, come la produzione di energia. Questa trattazione approfondirà la modellazione e le tecniche di consolidamento dei pannelli in muratura, nonché le applicazioni rivoluzionarie dei conci energetici nelle strutture sotterranee.
Pannelli Murari: Modellazione e Analisi Strutturale
Il problema della modellazione strutturale delle pareti in muratura dotate di aperture (pareti forate) è ancora oggi tutt’altro che risolto, soprattutto per la notevole varietà geometrica e costruttiva che caratterizza gli edifici lapidei esistenti.
La metodologia di modellazione strutturale che ha conseguito il maggior consenso nel mondo scientifico e professionale è stata battezzata metodo a macro-elementi, poiché consiste nel discretizzare le pareti in un insieme di elementi (pannelli) reciprocamente connessi tra loro, i quali posseggono dimensioni macroscopiche e confrontabili con quelle dei vani che costituiscono le aperture. I macro-elementi individuabili tra vani consecutivi in direzione orizzontale vengono denominati pannelli di maschio, mentre quelli identificabili tra vani che si succedono in direzione verticale sono definiti pannelli di fascia. Le strisce continue di muratura tra aperture consecutive nelle due direzioni verticale e orizzontale vengono denominate, rispettivamente, maschi murari e fasce di piano; le loro intersezioni danno luogo ai pannelli di nodo che collegano i pannelli di maschio con quelli di fascia.
I problemi che si sono posti taluni ricercatori sono stati molteplici ma, in questa sede, appare utile ricordarne solamente i principali:
- Quale contributo potevano fornire le fasce di piano alla capacità sismica delle pareti sollecitate da azioni sismiche orizzontali nel proprio piano?
- Il modello di capacità dei pannelli di fascia (ovvero delle porzioni di fascia comprese tra aperture verticali consecutive) poteva essere quello utilizzato per i pannelli di maschio, considerando semplicemente una rotazione di 90°?
- Quali benefici si potevano conseguire in presenza di piattabande, catene o cordoli e come era possibile includere tali elementi nel modello di capacità?
- Che effetto poteva avere la presenza di archi al di sopra dei vani?
È evidente che la risposta a tali domande richiedeva notevoli sforzi di ricerca, i cui risultati andavano opportunamente trasferiti alla comunità professionale mediante rapporti scientifici e attraverso documenti normativi contenenti criteri specifici per la modellazione e la verifica.
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In presenza di notevoli irregolarità, la modellazione a macro-elementi può risultare del tutto inattuabile, o perlomeno non univoca, complicando notevolmente persino la definizione geometrica dei pannelli di fascia. Un primo aspetto attiene alla modellazione della muratura. Pur riguardando il reale assemblaggio di elementi lapidei e malta (peraltro non necessariamente presente o rovinosamente degradata in costruzioni storiche di scarsa qualità costruttiva) come un materiale omogeneo equivalente, la modellazione meccanica va effettuata tenendo conto del fatto che, nell’ambito di un modello a macro-elementi, lo sforzo normale generato dalle azioni sismiche in un pannello di fascia agisce in direzione orizzontale e, nel caso di muratura con tessitura pressoché regolare, parallelamente ai letti di malta.
Ne consegue che le proprietà meccaniche e, più in generale, il modello costitutivo da assegnare alla muratura di un pannello di fascia vanno definiti in modo differente rispetto al caso dei pannelli di maschio. Questi ultimi, infatti, sono sottoposti ad uno sforzo normale applicato in direzione perpendicolare ai letti di malta, con intuibili benefici in termini di maggiore rigidezza, resistenza e capacità deformativa della muratura in compressione. Indipendentemente dal fatto che il modello di macro-elemento impiegato per i pannelli murari sia o meno avanzato a tal punto da poter consentire l’implementazione di un legame costitutivo specifico per la muratura soggetta a compressione in direzione parallela ai letti di malta, è opportuno assumere una resistenza a compressione inferiore rispetto a quella considerata per i pannelli di maschio.
Un secondo aspetto riguarda la definizione delle condizioni di vincolo da attribuire al pannello di fascia. A tale proposito, prove quasi-statiche condotte presso l’Università degli Studi di Napoli Federico II su pareti forate in scala reale e simulazioni numeriche, hanno dimostrato che le condizioni vincolari dipendono sensibilmente dall’interazione esistente tra i maschi murari e le fasce di piano, a partire dalla fase elastica iniziale e sino all’incipiente collasso. Tale interazione produce un progressivo degrado del vincolo esercitato dai maschi murari sul pannello di fascia tra essi compreso, con la conseguente modifica nella distribuzione della domanda di resistenza e di deformazione (generalmente misurata in termini di drift medio dell’elemento) tra i singoli macro-elementi. Ciò comporta che, anche in modelli di capacità semplificati, non si possano attribuire a priori condizioni particolari di vincolo per ciascun pannello di fascia, come invece è d’uso fare nel caso dei pannelli di maschio (si pensi, ad esempio, alle condizioni di vincolo “a mensola” e “alla Grinter” ovvero shear-type) almeno per definirne la rigidezza, la resistenza e la capacità deformativa in presenza di azioni sismiche nel piano. Indipendentemente dalla particolare tipologia di pannello murario, è sempre necessario considerare l’interazione tra la resistenza tagliante e quella a presso-flessione.
Nel definire la capacità resistente e deformativa del pannello di fascia, sia gli studi sperimentali che le simulazioni numeriche condotte a scale strutturali differenti (da quella del macro-elemento a quella dell’intera parete) hanno dimostrato che piattabande, catene e cordoli possono svolgere un ruolo importante riducendo, non solo la vulnerabilità verso meccanismi locali di collasso (in particolare nel caso delle catene e dei cordoli), ma anche la vulnerabilità verso meccanismi di crisi nel piano delle pareti murarie. La presenza di cordoli in calcestruzzo armato comporta un ulteriore vantaggio se confrontati con le tradizionali catene, quello cioè di mantenere l’accoppiamento (almeno alla traslazione orizzontale) dei maschi murari sino al collasso, persino in presenza di staffe con passo molto ampio.
Consolidamento e Rinforzo dei Pannelli in Muratura
Per rinforzare i pannelli in muratura, sia che si tratti di un'intera struttura, che di un'opera più localizzata su una singola porzione, si può intervenire con differenti metodologie. L'obiettivo di un intervento di consolidamento strutturale dei pannelli in muratura è quello di intervenire sulle caratteristiche proprie del materiale costruttivo oppure su quelle di resistenza alle sollecitazioni.
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I materiali costitutivi dei pannelli murari possono essere di differenti tipologie e sono classificati nella circolare 2019 delle NTC 2018. Conoscerli ci permette di definire le caratteristiche di resistenza a compressione e a taglio, il modulo elastico, il modulo di taglio e il peso specifico delle murature.
Metodologie di Intervento
Sulla base delle suddette caratteristiche e sulla geometria del pannello possiamo dunque intervenire per migliorarle eseguendo:
- Iniezioni di malte a calce e connessioni trasversali.
- Stilature dei letti di malta e intonaci armati.
Oltre a queste soluzioni, si può intervenire per migliorare le resistenze alle sollecitazioni che agiscono sulla sezione resistente realizzando delle maglie con i sistemi compositi certificati.
- Sistemi compositi FRP (Fiber Reinforced Polymer): Il sistema prevede l'uso di fasce di tessuto in fibra di carbonio e resine da applicare sul pannello murario in direzione longitudinale e orizzontale. Sullo stesso si inseriranno inoltre dei connettori a fiocco in direzione trasversale.
- Sistemi compositi FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix): In alternativa agli FRP si possono impiegare i sistemi compositi FRCM creando maglie di tessuti in acciaio o reti in fibra all'interno di una matrice a calce in basso spessore.
- Sistemi CRM (Composite Reinforced Mortar): In alternativa ai sistemi FRCM applicati in modo esteso sulla muratura è possibile impiegare un terza tipologia di sistema: il CRM. Questo sistema è anch'esso diffuso su tutta la superficie ma viene realizzato con reti di rinforzo con spaziatura maggiore (30x30 mm) perché usate in combinazione con intonaci di spessore più elevato, tra i 3 e i 5 cm.
Nel caso specifico delle murature a sacco, formate da due pannelli esterni all'interno dei quali è presente materiale di riempimento di scarsa qualità, è opportuno intervenire con una combinazione di tecniche: iniezioni di malta a calce per consolidare la sezione muraria e maglie di tessuti compositi. Potremo usare quindi fasce in FRP oppure FRCM sia per un intervento localizzato che più esteso.
| Sistema di Rinforzo | Materiali principali | Applicazione tipica | Spessore (indicativo) |
|---|---|---|---|
| FRP (Fiber Reinforced Polymer) | Tessuti in fibra di carbonio, resine epossidiche | Fasce longitudinali e orizzontali, connettori a fiocco | Basso (spessore delle fasce) |
| FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix) | Tessuti in acciaio o fibre, matrice a base di calce | Maglie diffuse sul pannello | Basso |
| CRM (Composite Reinforced Mortar) | Reti di rinforzo (es. in fibre), intonaci spessi | Rinforzo diffuso su tutta la superficie | 3-5 cm |
Fibre Net ottiene l'ETA per il sistema di rinforzo strutturale RI-STRUTTURA CRM
Conci Energetici: Innovazione nelle Strutture Sotterranee
L’utilizzo delle strutture sotterranee come fonti di energia geotermica è iniziato una trentina di anni fa in Austria e si è poi esteso ad altri Paesi europei come Svizzera, Germania, Gran Bretagna, Francia, Russia. In linea di principio, qualsiasi struttura sotterranea (pali e platee di fondazione, diaframmi, rivestimenti delle gallerie, tiranti) può essere attrezzata in modo da diventare uno scambiatore di calore.
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Le strutture sotterrane possono essere attivate termicamente installando all’interno del calcestruzzo una rete di tubi, generalmente in materiale plastico. Il fluido che scorre in essi costituisce il mezzo per il trasferimento del calore dal terreno agli edifici e viceversa. L’estrazione del calore dal fluido termovettore viene eseguita dalle pompe di calore, il cui funzionamento è sostanzialmente simile a quello di un frigorifero, con ciclo invertito. La maggior parte delle applicazioni pratiche è relativa a fondazioni (pali energetici) o strutture di contenimento; pochi sono gli esempi documentati di applicazioni in galleria.
Il Concio Energetico Modulare Prefabbricato (Enertun)
Il nuovo concio energetico modulare prefabbricato (Enertun), per cui è stata depositata domanda di brevetto Italiano dal Politecnico di Torino, può essere utilizzato per realizzare rivestimenti ad anelli di gallerie energetiche. Grazie a una disposizione innovativa delle sonde geotermiche è possibile ridurre le perdite di carico e aumentare l’efficienza di scambio termico. Lo stesso concio può anche essere utilizzato per raffreddare l’ambiente interno delle gallerie.
Il concio modulare prefabbricato ha uno spessore in generale compreso tra 30 e 50 cm, per quanto questo dato di progetto strutturale dipenda chiaramente dalle condizioni geotecniche del terreno e dalle caratteristiche geometriche della galleria. È preferibilmente realizzato in calcestruzzo armato; tuttavia, esso può essere realizzato in materiale metallico o in qualsiasi altro materiale avente caratteristiche meccaniche adatte allo scopo e a massimizzare lo scambio termico.
Presenta al proprio interno una o due reti di tubi in grado di trasportare un fluido termovettore (preferibilmente glicole propilenico miscelato con acqua, in grado di lavorare anche a temperature inferiori a -20 °C). Esistono tre diverse configurazioni del concio in base al posizionamento della rete di tubi:
- Ground: la rete di tubi è posizionata in prossimità dell’estradosso esterno, consentendo lo scambio termico con il terreno.
- Air: la rete di tubi è posizionata in prossimità dell’intradosso interno, permettendo lo scambio termico con l’ambiente interno della galleria.
- Ground & Air: comprende due reti di tubi, una posizionata in prossimità dell’estradosso esterno e la seconda in prossimità dell’intradosso interno, consentendo lo scambio termico sia con il terreno sia con l’ambiente interno della galleria.
La rete di tubi è preferibilmente realizzata in polietilene reticolato ad alta densità (Pe-Xa); tuttavia, è possibile utilizzare qualsiasi altro materiale in grado di svolgere la stessa funzione e avente caratteristiche chimico-fisiche e meccaniche adatte allo scopo. La rete di tubi è in grado di resistere ad alte pressioni e temperature nonché alla corrosione. Il diametro esterno dei tubi è variabile tra 15 e 35 mm e lo spessore tra 1,5 e 3 mm. La rete di tubi è posizionata a una distanza variabile tra 5 e 15 cm dalla superficie dell’estradosso esterno oppure dalla superficie dell’intradosso interno.
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