Sismabonus FRCM: come utilizzarli per rinforzo a pressoflessione di pareti murarie?

Nel variegato panorama dei sistemi di rinforzo strutturale applicabili su edifici in muratura, di recente è stata introdotta una nuova famiglia di materiali compositi sotto l’acronimo FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix). Si tratta di sistemi di reti in fibra di vario tipo (vetro alcali-resistente, basalto, carbonio) o di fasce con trefoli in acciaio a elevata resistenza, inglobati all’interno di matrici inorganiche, quali malte a base di calce o cementizie.

Si differenziano dalle più consuete soluzioni di incollaggio con fasce di materiale composito FRP (Fiber Reinforced Polymers) incollate mediante resine, perché il sistema FRCM interessa tutta la superficie muraria con un’applicazione a basso spessore di malta.

Queste caratteristiche premiano gli FRCM come soluzione più adatta per il rinforzo di tessiture murarie di bassa qualità come pareti a sacco, laddove l’applicazione di sistemi con distribuzione più localizzata e discontinua, per esempio le fasce in FRP disposte a scacchiera, potrebbero non dimostrare la medesima efficacia in relazione allo scarso comportamento monolitico del supporto murario decoeso.

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Rinforzo FRCM: come funzionano questi sistemi?

Come tutti i compositi, anche i sistemi FRCM lavorano prevalentemente per trazione sopperendo alla carenza di resistenza che caratterizza la muratura nei confronti di tale sollecitazione, oltre al fatto di essere leggeri e facilmente adattabili a diverse soluzioni di rinforzo anche nel contesto dell’edilizia storica, soprattutto per la presenza della matrice inorganica a base di malte di calce.

La caratteristica distintiva degli FRCM consiste nel limitato spessore dello strato di supporto, al massimo di 15 mm (al netto dello strato di regolarizzazione), e dalla spaziatura massima delle maglie non superiore a 30 x 30 mm, che li differenzia dai consueti intonaci armati della famiglia CRM (Composite Reinforced Mortars), dotati di spessori di malta più profondi (30-50 mm) e reti con maglie più larghe.

I sistemi FRCM rappresentano soluzioni di rinforzo per diverse problematiche strutturali: dalle sollecitazioni nel piano e fuori piano delle pareti, alla stabilità di superfici murarie curve, alla realizzazione di cordolature sommitali e fasce di piano per il miglioramento del comportamento scatolare dell’edificio, fino al confinamento di pilastri.

Sono caratterizzati da un comportamento adesivo in cui la matrice a base di malta consente il trasferimento degli sforzi tra il supporto da rinforzare e il composito, impedendo lo scorrimento tra i filamenti della rete a favore di una ridistribuzione omogenea degli sforzi tra i vari elementi del rinforzo.

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Rinforzo FRCM: come avviene il dimensionamento?

Il dimensionamento dei sistemi FRCM deve avvenire secondo la specifica norma tecnica CNR DT 215/2018 «Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l’utilizzo di Compositi Fibrorinforzati a Matrice Inorganica».

Così come l’utilizzo deve essere sottoposto a procedure di accettazione, validazione e prove di cantiere come meglio descritto nelle LG CSLP 08/01/2019 «Linee guida per la identificazione, la qualificazione ed il controllo di accettazione di compositi fibrorinforzati a matrice inorganica (FRCM) da utilizzarsi per il consolidamento strutturale di costruzioni esistenti», dove sono descritte anche le procedure di qualificazione per l’emissione delle obbligatore Certificazioni di Valutazione Tecnica (CVT) da parte del produttore, senza le quali i materiali non possono essere utilizzati.

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Rinforzo FRCM: il caso studio

In questo articolo valutiamo come applicare e dimensionare un pannello murario per un rinforzo a pressoflessione nel piano e fuori dal piano mediante sistemi FRCM.

Pressoflessione nel piano

Per migliorare la resistenza a pressoflessione nel piano (Fig. 1) è indispensabile che i sistemi FRCM presentino fibre disposte nella direzione dell’asse dell’elemento strutturale. E’ consigliabile applicare le reti di rinforzo su entrambi le facce della parete per incrementare il momento resistente di calcolo, avendo cura di prolungare le reti per almeno 30 cm oltre la sezione di verifica.

Il momento resistente di calcolo M_Rd, associato al valore di sforzo normale di compressione N_Sd agente sulla sommità del pannello murario, è calcolato con apposite formule descritte nell’Appendice 1 della CNR DT 215/2018 per diverse condizioni di crisi, sotto le ipotesi di conservazione della planarità delle sezioni rette e di perfetta aderenza tra il sistema FRCM e il supporto murario. La stessa norma tecnica descrive le potenziali modalità di rottura del sistema di rinforzo, come meglio descritto in Fig. 2.

La caratterizzazione meccanica include, oltre alla prova di trazione del sistema FRCM e del tessuto secco, anche la prova di distacco dal supporto, rappresentando questa una variabile molto importante da tenere in considerazione nel dimensionamento.

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L’utilizzo di una deformazione limite convenzionale ε_lim,conv; e della relativa tensione limite convenzionale ε_lim,conv (Fig. 3) consente di progettare interventi con FRCM evitando la verifica nei confronti del fenomeno di distacco dal supporto o di scorrimento delle fibre nella matrice in corrispondenza delle estremità del rinforzo, altrimenti necessaria nei casi in cui tale modalità di crisi sia possibile. Il rapporto dimensionale, costituito dal limitato spessore della matrice e dalla ridotta maglia della rete, favorisce l’adesione del sistema al supporto e impedisce che vi siano scorrimenti tra la rete e la matrice.

Il legame costitutivo σ – ε della muratura per stati tensionali monoassiali è caratterizzato da resistenza nulla a trazione, mentre a compressione sussisterà un comportamento lineare fino alla resistenza di progetto f_md a cui è associata una deformazione [latex]{overline ε}_m[/latex]; tale tensione rimarrà costante fino al raggiungimento della deformazione ultima [latex]ε_{mu}[/latex].

Il legame costitutivo σ – ε del rinforzo risulta elastico lineare fino alla deformazione limite [latex]ε_{fd}[/latex] (ottenuta a partire della ε_lim,conv ) nel caso in cui la modalità di crisi attesa sia per distacco o scorrimento intermedio o di estremità.

La verifica a pressoflessione nel piano sarà soddisfatta quando M_Sd ≤ M_Rd.

Sarà cura altresì eseguire la verifica a taglio, con le modalità illustrate nell’articolo precedente.

Pressoflessione fuori dal piano

I rinforzi con FRCM possono essere utilizzati anche per migliorare la resistenza delle pareti murarie alle azioni fuori dal piano, che rappresentano spesso una delle criticità maggiori durante il terremoto. In particolare, le eccentricità dei pesi soprastanti, e il valore modesto dei carichi in sommità, rappresentano situazioni pericolose per la stabilità delle pareti poste agli ultimi piani (Fig. 4), che diventano ancora più vulnerabili se costituite con tessitura a sacco (Fig. 5b).

Se sufficiente, è possibile prevedere l’applicazione della rete anche solo su una superficie della parete, per contrastare solamente il ribaltamento fuori dal piano. Tuttavia, essendo le pareti murarie quasi sempre in difetto anche nei confronti delle verifiche per sollecitazioni di piano, spesso è preferibile la soluzione di doppia applicazione della rete su entrambe le superfici della parete.

Anche in questo caso la verifica sarà soddisfatta se M_Sd ≤ M_Rd. Il valore del momento resistente di calcolo M_Rd della sezione della parete rinforzata è esprimibile in funzione delle caratteristiche meccaniche della muratura e del composito FRCM, dello spessore t della parete, del valore dello sforzo normale di calcolo associato a M_Sd.

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Il pannello soggetto ad azioni sismiche fuori dal piano presenta tipicamente momento massimo al centro del pannello e sollecitazioni trascurabili alle estremità. In questo caso, pertanto, la modalità di crisi da distacco dall’estremità non si instaura e la deformazione massima che può raggiungere il rinforzo è significativamente superiore. Il momento resistente di calcolo M_Rd sarà dato dal contributo della parete non rinforzata M_0d e di quello offerto dal sistema di rinforzo M_1d, secondo la seguente formula:

M_Rd = M_0d + [latex]frac{1}{γ_{Rd}}[/latex] (M_1d – M_0d)

dove γ_Rd è un fattore parziale di modello cui si attribuisce il valore 2. Il momento resistente di progetto della parete non rinforzata è ottenuto dalla consueta formula 7.8.2 delle NTC18, dipendendo dalle dimensioni della parete (spessore t e lunghezza l), dalla resistenza di progetto a compressione della tessitura muraria f_d e dal valore dello sforzo normale di compressione agente alla sommità della parete σ₀  Pertanto, con valori di tensione normale e resistenza bassi, il momento resistente della parete risulterà ridotto.

Occorre altresì ricordare che se la forza assiale è di trazione, per definizione M_0d risulta nullo. La parte di momento resistente dovuta al rinforzo M_1d è dipendente dalle caratteristiche meccaniche del sistema FRCM (spessore equivalente t_f, modulo E_f, ε_lim,conv, ε_lim,conv), ed è valutata con la formula indicata nell’Appendice 1 della norma tecnica, in funzione dell’equilibrio della sezione muraria. Anche per questo caso, occorre poi procedere alla verifica a taglio con la seguente formula:

V_Rd,m = 1· y_n · f_vd

essendo f_vd la resistenza di progetto a taglio della muratura non rinforzata, valutata in accordo con le NTC18, in funzione della tensione normale media calcolata come rapporto tra il risultante degli sforzi di compressione e l’area della superficie compresa tra l’estremo lembo compresso e l’asse neutro y_n.

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