Quando una struttura esistente non supera le verifiche richieste dalla Normativa vigente, la soluzione è progettare degli interventi di rinforzo. Esistono diverse tipologie di rinforzi che è possibile mettere in opera per adeguare le prestazioni strutturali. L’Italia, con il suo ricco patrimonio edilizio storico e artistico, presenta spesso la necessità di interventi conservativi e migliorativi su strutture esistenti, in particolare quelle in legno.
Il rinforzo delle strutture in legno mediante sistemi FRP (Fiber Reinforced Polymers) rappresenta oggi una delle soluzioni più efficaci per migliorare le prestazioni meccaniche degli edifici esistenti, nel rispetto della compatibilità materica e della reversibilità degli interventi. Si tratta di una tecnologia avanzata che consente di intervenire in modo mirato, leggero e altamente performante.
Cosa sono i Materiali Compositi FRP?
La sigla FRP sta per Fiber Reinforced Polymers, ovvero Polimeri Fibrorinforzati. Si tratta di materiali compositi costituiti da matrici polimeriche e fibre di carbonio, vetro o arammide. I materiali FRP sono caratterizzati da elevate proprietà meccaniche, da una notevole leggerezza e da un’ottima resistenza alla corrosione.
Un materiale composito è, per definizione, un materiale costituito da più di una singola fase, solitamente una fase continua che ingloba una fase discontinua. Ciascuna di esse è dotata di proprietà chimico-fisiche differenti a livello macroscopico e strutturale, le quali si combinano per conferire al composito proprietà superiori a quelle dei singoli costituenti.
La storia dei materiali compositi artificiali è antica: i più primitivi furono i mattoni, costituiti da paglia e fango combinati insieme. Il libro Biblico dell'Esodo parla degli Israeliti costretti a preparare mattoni senza paglia, un processo che può ancora essere osservato sui dipinti tombali egiziani nel Metropolitan Museum of Art. Lo sviluppo dei materiali compositi “artificiali” prende spunto anche dalla natura e dai numerosi esempi di materiali compositi naturali, tra cui il legno stesso, costituito da fibre di cellulosa trattenute da una matrice di lignina.
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Produzione e Proprietà degli FRP
I composti in FRP sono disponibili sotto forma di lamine pultruse o sotto forma di tessuti con disposizione bidirezionale delle fibre. La pultrusione consiste nell’impregnare le fibre in un serbatoio di resina e indurire la matrice polimerica attraverso il passaggio in uno stampo riscaldato. La linea di produzione è relativamente semplice.
Un'altra tecnica comune è la laminazione a umido (wet lay-up), una delle più semplici e tradizionali tecniche utilizzate per la preparazione dei compositi in situ.
Le fibre che costituiscono gli FRP hanno delle proprietà meccaniche straordinarie rispetto ai comuni materiali da costruzione, raggiungendo livelli di resistenza notevolmente superiori. Per avere un’idea delle elevate proprietà meccaniche dei diversi tipi di fibra, si consideri un diagramma tensione-deformazione di confronto.
Come si può osservare, rispetto all’acciaio da costruzione, le proprietà meccaniche delle fibre sono nettamente superiori. Tuttavia, è importante considerare la matrice polimerica. Gli FRP non sono costituiti solo da fibre, ma dall’unione fra fibre e matrice polimerica. Se le fibre hanno proprietà meccaniche eccezionali, lo stesso non si può dire per la matrice polimerica, che di per sé ha proprietà inferiori.
Dall’unione delle fibre con la matrice polimerica nascono gli FRP. Le proprietà finali del composito dipendono in modo determinante dalla percentuale volumetrica con cui questi due elementi si mescolano. Il legame costitutivo dell’FRP avrà un modulo elastico compreso fra quello della fibra e quello della matrice polimerica.
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Caratteristiche del Legno e Necessità di Rinforzo
Il legno è un materiale anisotropo, caratterizzato da proprietà meccaniche che dipendono fortemente dall’orientamento delle fibre. Le resistenze a compressione e trazione risultano elevate lungo le fibre e molto inferiori perpendicolarmente ad esse. La resistenza al taglio varia anch’essa in funzione della direzione delle fibre, essendo più bassa lungo le fibre e maggiore perpendicolarmente.
Il rinforzo di una trave a flessione si rende necessario quando il momento resistente della trave è inferiore al momento sollecitante. Questo può accadere per diverse ragioni, come un cambio di destinazione d’uso della struttura, dove i carichi accidentali di progetto della nuova destinazione possono essere superiori (per esempio, nel caso di passaggio da abitazione ad uffici con funzioni pubbliche), o la realizzazione di nuovi pacchetti non strutturali e/o di nuove tamponature.
Criteri di Progetto e Normativa
In entrambi i casi, il calcolo del momento resistente dell’elemento esistente va eseguito considerando il livello di conoscenza che si intende raggiungere. Le CNR DT 201/2005 dispongono le procedure di calcolo del momento resistente per il rinforzo di travi in legno con FRP (§6.4). Il CNR DT200, al par. 3.3.4, prescrive che l’incremento del momento resistente utilizzando gli FRP non può essere superiore al 50%.
Applicare un rinforzo in FRP equivale ad aumentare l’armatura tesa dell’elemento da rinforzare, poiché il tessuto o il laminato in FRP sono in grado di assorbire i soli sforzi di trazione. Il rinforzo in FRP va applicato in quelle zone in cui il momento sollecitante supera il momento resistente della trave.
Quando si progetta o si verifica un rinforzo a flessione di una trave, è fondamentale tener presente che l’intervento andrà applicato su una struttura già sollecitata e di conseguenza già deformata. Infatti, all’atto dell’applicazione del rinforzo, oltre al peso proprio della struttura, agiranno i carichi permanenti non strutturali (massetto, pavimento, intonaco, incidenza tramezzi, ecc.) a meno che questi non vengano totalmente rimossi. Il progettista dovrà quindi tenere conto dei carichi che agiranno sulla struttura quando verrà messo in opera il rinforzo e dello stato deformativo iniziale. Il rinforzo in FRP verrà messo in opera su un substrato già deformato ed esibirà la sua efficacia solo per i carichi che agiranno dopo la messa in opera. In questo contesto, ci sarà una deformazione differenziale fra l’armatura tesa in acciaio (se presente) e il rinforzo in FRP, di cui bisognerà tener conto nel calcolo delle tensioni nei materiali per la ricerca dell’asse neutro della sezione allo Stato Limite Ultimo.
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Per la valutazione delle prestazioni, si va a calcolare il valore di MRd (Momento Resistente di progetto) attraverso la costruzione del dominio M-N come da indicazioni fornite al §6.4.3 delle CNR DT 201/2005. L’inserimento di compositi fibrorinforzati (barre o anime) in zona tesa comporta un incremento significativo della capacità portante a flessione della sezione in legno. Successivi approfondimenti potranno indagare l’effetto di questo tipo di rinforzo anche dal punto di vista della rigidezza che esso è in grado di conferire all’elemento ligneo.
Parametri di Calcolo per il Legno Esistente
Nel calcolo del rinforzo si considera il materiale esistente; pertanto, i valori caratteristici delle proprietà meccaniche devono tenere conto di un fattore di confidenza FC, che si assume pari a 1.00. Inoltre, vengono applicati altri coefficienti come kmod e γm:
- kmod = kdef (§4.4.7, Tab. 4.4.IV e Tab. 4.4.V) è assunto pari a 0.60, considerando una classe di durata del carico “permanente” (durata del carico “più di 10 anni” - §4.4.4, Tab. 4.4.I) e una classe di servizio 1 (“È caratterizzata da un’umidità del materiale in equilibrio con l’ambiente a una temperatura di 20°C e un’umidità relativa dell’aria circostante che non superi il 65%, se non per poche settimane all’anno.”- §4.4.5, Tab. 4.4.II).
- γm è il coefficiente di sicurezza del materiale, assunto pari 1.50 per legno massiccio (§4.4.6, Tab.).
Nel caso in esame, se non si ha nessun lato della sezione inferiore a 150 mm, i coefficienti assumono valore unitario. Poiché la sezione in legno spesso non risulta essere verificata a flessione, si ipotizza di inserire un rinforzo in FRP.
FRP rinforzo strutturale c.a.
Tecniche di Applicazione del Rinforzo FRP su Strutture Lignee
Il presente volume riguarda le innovative applicazioni dei Materiali Compositi (FRP) nel rinforzo di strutture lignee. Almeno in linea teorica, quasi tutti i problemi strutturali relativi a una struttura di legno potrebbero trovare soluzione mediante un’opportuna applicazione di materiali compositi fibrorinforzati. In pratica, l’approccio più seguito è quello degli interventi di tipo “migliorativo”, applicabile a situazioni altrimenti irrisolvibili se non a prezzo di difficili compromessi progettuali.
Gli impieghi strutturali di materiali compositi fibrorinforzati, verificati ormai in numerose applicazioni anche relative a strutture lignee tradizionali, hanno costantemente interessato elementi e membrature caratterizzate da una lavorazione superficiale accurata e da sezioni grossomodo squadrate.
Le tecniche di rinforzo che utilizzano i materiali compositi consentono di non smontare la struttura, nello spirito della conservazione del patrimonio edilizio storico, con conseguente riduzione degli oneri economici e dei tempi di realizzazione dell’intervento. Partendo dall’esame scientifico puntuale di alcune concrete applicazioni di recente realizzazione, attraverso il rilievo dettagliato dello stato conservativo supportato da tecniche strumentali non distruttive (termografia), e la caratterizzazione di degradi e alterazioni (microscopio elettronico) - in particolare, per la presenza di eventuali distacchi e fenomeni di delaminazione - in virtù delle competenti verifiche statiche e dinamiche, unitamente alle prove strumentali (estensimetri) per la determinazione dei relativi quadri deformativi, sono state valutate alcune tra le principali tecnologie d’intervento in questo settore, in relazione alle criticità di maggior ricaduta.
In particolare, per quanto concerne il rinforzo di membrature inflesse, si sono definiti criteri, prestazioni, vantaggi e limiti applicativi relativi all’uso di corde, lamine e barre monoassiali in FRP, confrontandone tipologie e composizioni in relazione a specifici indicatori come durabilità, efficacia, compatibilità e rapporto con le condizioni ambientali.
Esempio Applicativo: Il Consolidamento dell'Hotel Exedra a Roma
Numerosi sono gli interventi realizzati negli ultimi anni con i materiali compositi dell’azienda OLYMPUS®. Tra le applicazioni di CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) della linea OLYMPUS-FRP® di maggiore interesse tra quelle analizzate si annovera il consolidamento, ultimato alla fine del 2007, effettuato sulla copertura a falde del corpo di fabbrica centrale dell’Hotel Exedra (già Boscolo Hotel) a Roma.
Contesto Storico e Struttura Esistente
Nel XIX secolo l’organismo Clementino, nucleo originario dell'Hotel Exedra, subì diversi ampliamenti e riadattamenti. I primi seguirono forse la scelta, compiuta nel 1834, di ospitare in quella sede le carceri e i relativi servizi. Evidentemente, in tale occasione l’originario volume fu accresciuto, addossando i nuovi corpi alla struttura, oggi centrale, sede dell’intervento indagato. Successivamente, il complesso fu coinvolto nella ridefinizione tardo-ottocentesca della cosiddetta piazza Esedra, poi Piazza della Repubblica, disegnata da Gaetano Koch.
La struttura indagata si compone di 14 capriate lignee a nodo aperto, formate da puntoni (sezione di circa 320x300 mm), catene (400x300 mm), monaci (500x340 mm) e saettoni (diametro medio 220 mm), poste ad interassi variabili di circa 5.90 m. Le falde di testata, di cui quella nord rimossa con inevitabili trasformazioni e sacrifici dell’apparecchiatura di sostegno, sono sorrette da ulteriori quattro travi inclinate. La piccola orditura è formata da morali e correntini lignei apparecchiati con un pianellato in cotto. L’orditura principale è attestata - vale a dire, asciata e con spigoli smussati - con una lavorazione poco accurata, soprattutto in corrispondenza dei puntoni; diversamente, correnti e correntini risultano generalmente scorzati.
Pur con alcune differenziazioni, anche le ferramenta di rinforzo delle connessioni si segnalano per la generalizzata uniformità di tipologie e lavorazioni. Tra monaco e catena è presente una staffa ad U con chiavarda; tra monaco e puntoni è un gattello ligneo chiodato, in qualche caso, come nella I capriata da Nord, sostituito da una più recente staffa piatta in ferro, chiodata ad intervalli regolari.
Danni Rilevati e Intervento di Consolidamento
Le saette, tra le membrature sulle quali si è più intervenuto, si evidenziano come partizioni storicamente soggette a ripetuti dissesti e, evidentemente, come pure per la piccola orditura, anche a qualche sostituzione. Fessurazioni longitudinali, scaturite da un eccesso di sollecitazioni flessionali, ricorrevano pure su alcuni correnti dell’orditura secondaria, particolarmente nella sezione compresa tra le capriate X e XI, soprattutto sulla falda di levante. Macroscopici e ripetuti cedimenti differenziali dei monaci, in qualche caso portati a filo della corda, ancora oggi ben visibili e largamente presenti, testimoniavano la vigenza di dissesti ormai stabilizzati di ben più antica origine, contrastati anche da elementi di rinforzo di diversa datazione.
Nel 2007 si è proceduto al consolidamento della struttura lignea. Il rinforzo dei correnti è stato eseguito realizzando incassi longitudinali, ottenuti con opportuna fresa verticale, trattamento con primer specifico, applicazione di stucco epossidico bicomponente per la regolarizzazione delle superfici, inserimento di corde in fibra di carbonio OLY ROPE CARBO fissate con adesivo bicomponente epossidico e successiva stuccatura e riverniciatura delle superfici.
Per il consolidamento a compressione dei saettoni, si è proceduto al cerchiaggio con corde in CFRP, posizionate all’interno di apposite tracce, successivamente stuccate e riverniciate. L’intervento ha interessato i saettoni per un totale di 26 elementi, ciascuno di lunghezza 2,3 m. Identicamente su ognuno di essi, in corrispondenza della sezione intradossale di attacco al monaco, è stata inserita in appositi fori una coppia di barre in CFRP.