Materiali compositi

Per il consolidamento strutturale

  

Il mondo del consolidamento strutturale è stato rivoluzionato negli ultimi anni dall’introduzione di materiali innovativi, i cosiddetti materiali compositi FRP-Fiber Reinforced Polymer, costituiti da una matrice ed una fibra di rinforzo.
La matrice solitamente è di natura organica, costituita da resine termoindurenti di diverse tipologie, mentre il rinforzo è costituito da fibre lunghe: in carbonio (CFRP - Carbon Fiber Reinforced Polymer), vetro (GFRP - Glass Fiber Reinforced Polymer) e aramide (AFRP - Aramid Fiber Reinforced Polymer).
Oltre a queste fibre, riconosciute e normate in Italia da apposite Linee Guida, sono allo studio diverse altre tipologie di rinforzo, con performance diverse soprattutto per quanto riguarda le resistenze meccaniche e le caratteristiche di durabilità nel tempo.
Lo sviluppo in Italia di questi materiali è stato incentivato dalla presenza di un ampio patrimonio storico esistente, per intervenire sul quale le tecniche tradizionalmente impiegate, basate sull’utilizzo di materiali spesso pesanti, invasivi, poco compatibili e poco coerenti con le strutture su cui si andava ad operare, hanno a lungo trovato veti da parte degli organismi preposti alla tutela.

La normativa italiana identifica diversi livelli di controllo sugli edifici esistenti dettati dalle loro caratteristiche e dalla loro vetustà ma i principi con cui approcciare un palazzo storico o un edificio/manufatto appartenente ad un’area archeologica sono comuni.
Quattro sono, in sintesi, i principi a cui fare riferimento nella progettazione ed esecuzione di un intervento di restauro: compatibilità, reversibilità, durabilità, scarsa invasività.
A fronte della necessità di interventi di consolidamento, che l’edilizia tradizionale realizza con reti metalliche e malta in cemento, i materiali innovativi - quali quelli compositi FRP - risultano vincenti in quanto in grado di assolvere a tali richieste.
Una rete metallica posata con malta di cemento non risponde al requisito di compatibilità quando utilizzata su murature storiche - tradizionalmente in pietra e laterizio - a causa delle caratteristiche di rigidità intrinseche alla composizione della malta. Tale consolidamento risulta difficilmente reversibile; un intervento di rimozione di un materiale ad alte prestazioni come quelli cementizi, caratterizzati da elevati gradi di aggrappo, presenta necessariamente carattere di invasività con probabili danni all’esistente.
Un materiale composito FRP, in linea generale, unisce alla sua capacità di accrescere le prestazioni degli elementi strutturali nei confronti di sollecitazioni di natura statica e/o sismica, la caratteristica di leggerezza, compatibilità, reversibilità (mantiene inalterata la superficie di contatto/adesione) e scarsa invasività.

L’esigenza di affrontare tematiche di consolidamento del patrimonio storico-architettonico è emersa in Italia con particolare forza a partire dal 2009 con il terremoto a L’Aquila e i successivi eventi sismici che hanno interessato il centro Italia, forse il territorio a maggiore concentrazione di beni artistici ed architettonici di elevato valore.
Da qui è scaturita la necessità di riparazione dei danni e di interventi di emergenza, ossia tutti quegli interventi di messa in sicurezza immediata, oltre a tutte le opere di riparazione e parziale ricostruzione in modo compatibile e sicuro. In maniera parallela e contemporanea è emersa anche l’esigenza di quella ampia e complessa tipologia di interventi necessari, in termini di risposta ad una situazione di rischio, quali il miglioramento sismico, l’adeguamento, la ricostruzione con criteri adeguati e la nuova edificazione con carattere antisismico.
Le caratteristiche sismiche intrinseche del territorio Libanese, in maniera similare all’Italia, inducono ad alcune riflessioni in merito all’opportunità di valutare azioni preventive adeguate.

Intervenire in termini di consolidamento significa operare in maniera efficace con materiali e sistemi in grado di rinforzare la struttura esistente a fronte di fragilità derivanti da differenti problematiche di tipo meccanico che agiscono con risultati multiformi anche in rapporto alla tipologia di muratura su cui agiscono (pietra, laterizio, ecc.) ed alle modalità costruttive della stessa.
In una muratura storica, la mancanza di integrità strutturale, l’inadeguata distribuzione degli elementi resistenti, la scarsa resistenza dei materiali, l’inadeguato ancoraggio o un sistema di fondazione insufficiente sono tutte cause di danno a seguito di sollecitazioni.
Definite le caratteristiche proprie di un contesto, dunque, operare con materiali compositi su murature verticali o intervenire su superfici voltate comporta in ogni caso la necessità preventiva di identificare il metodo più adeguato proprio in considerazione delle caratteristiche specifiche della struttura.
L’intonaco armato con rinforzi in GFRP e malte a calce per il rinforzo di murature, la ristilatura armata dei giunti per il consolidamento di murature faccia a vista, il placcaggio fibrorinforzato per il rinforzo strutturale localizzato e profili pultrusi per la realizzazione di strutture leggere, sono tutte tecniche di consolidamento che utilizzano materiali compositi con lo scopo di fronteggiare problematiche specifiche in rapporto a differenti tipologie di murature e a meccanismi di danno o fragilità intrinseche.

    

INTONACO ARMATO (Sistema RI-STRUTTURA), Villa Adriana - Tivoli (figure 1a,b,c,d)
Utilizzando reti, connettori ed accessori in GFRP (compositi in fibra di vetro) abbinati a malte di calce, la tecnica dell’“intonaco armato” prevede la realizzazione di intonaci armati compatibili e reversibili, che migliorano in modo significativo le resistenze al taglio, alla flessione e alla compressione della muratura mantenendo pesi e spessori ridotti. Questo sistema è stato utilizzato sulla notissima villa romana nota come Villa Adriana a Tivoli per un intervento di consolidamento delle volte.

RISTILATURA ARMATA (Sistema RETICOLA), Moschea Sheik Süleyman - Istanbul (figure 2a,b,c)
Utilizzando trefoli e connettori in acciaio inox, la tecnica della “ristilatura armata” dei giunti di malta è stata individuata come tecnica più adatta ad Istanbul nell’ambito di un intervento di consolidamento realizzato alla Moschea Sheik Süleyman, un edificio religioso di origine bizantina, dal grande significato storico e simbolico. Il sistema è stato sviluppato per gli interventi di consolidamento su murature da mantenere “faccia a vista” e consente di realizzare un rinforzo ed un confinamento della muratura efficace e diffuso, mantenendo l’aspetto estetico originario.
Nel caso specifico il progetto ha previsto un intervento in grado di garantire, per quanto possibile, un comportamento scatolare alle strutture murarie dell’edificio estendendo il rinforzo su due ordini, uno in posizione mediana, l'altro vicino alla corona di vertice dell'edificio, mentre una particolare soluzione è stata studiata per il consolidamento della cupola.

PLACCAGGIO FIBRORINFORZATO (Sistema BETONTEX-EPOXY), Duomo di Carpi e Basilica di San Petronio a Bologna (figure 3a,b,c,d)
La tecnica utilizza tessuti in fibra di vetro o carbonio da incollare per mezzo di resine polimeriche termoindurenti e permette di incrementare la resistenza al taglio delle murature e la resistenza a compressione di travi e pilastri, e di realizzare rinforzi localizzati e cerchiature su geometrie irregolari e nelle zone più sollecitate come i cordoli di interpiano e di sommità.
Fasciature in carbonio sono state utilizzate al Duomo di Carpi, danneggiato dal sisma del 2012, in corrispondenza della cupola e delle navate laterali e interessate da una serie di lesioni e distacchi.
Un intervento localizzato con materiali in CFRP è stato realizzato alla Basilica di San Petronio a Bologna per il consolidamento di una rottura rilevata sull’architrave del porta sinistra accompagnata da una piccola rotazione di una parte rispetto all’altra imputabile probabilmente alla fase di posa o ad un difetto del materiale. L’intervento eseguito, di tipo puntuale, ha previsto l’utilizzo di barre, cordoni, lamine e tessuti in CFRP.

PROFILI PULTRUSI IN GFRP, Catacombe di San Callisto - Roma (figure 4a,b,c,d)
Caratterizzati da un elevato grado di resistenza, affidabilità e sicurezza, i profili e le strutture leggere in GFRP possiedono peculiarità di leggerezza, compatibilità, reversibilità e risultano scarsamente invasivi rispetto alla struttura su cui vanno ad agire.
Profili pultrusi in GFRP sono stati utilizzati nell’ambito di un intervento realizzato a Roma alle catacombe di San Callisto come carpenterie leggere per la creazione di passerelle pedonali e il consolidamento di alcuni paramenti delle cripte.
Le particolari condizioni ambientali e il contesto specifico, soprattutto in considerazione delle caratteristiche geologiche del luogo, sono stati determinanti per la definizione dei materiali da utilizzare : la grande versatilità del materiale composito, connessa alla possibilità di controllare e calibrare la risposta prestazionale a monte, la durabilità rispetto agli agenti aggressivi esterni insieme al beneficio offerto dal ridotto peso proprio si sono aggiunte all’ottimo rapporto peso/prestazioni e alla facilità di lavorazione in cantiere con normali attrezzature di taglio e foratura.

[di Marco Volpi, Sara Gabriele]