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15 novembre 2012

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Cucire la pietra con la pietra: il sistema Ticorapsimo
Seconda parte


Le due pareti di Onna (AQ) dalle quali sono stati ricavati i pannelli per le prove di compressione diagonale.

Il basalto è una roccia derivata dalla solidificazione della lava vulcanica con un punto di fusione di circa 1400°C, è stato usato fin dall’antichità per la sua durezza per lastricare le strade e, come riempimento, nelle costruzioni (Militky J. et al., 2002-2007). Le rocce con determinate composizioni chimiche hanno alcune caratteristiche fisiche che le rendono adatte all’estrusione di filamenti continui di vari diametri (9÷24 µm). Attualmente le fibre di basalto, prodotte a livello industriale nei paesi asiatici e dell’Europa dell’Est, vengono principalmente utilizzate nel settore automobilistico e delle attrezzature sportive (Zhu L. et al., 2010). Le fibre di basalto, sottoforma di fibra continua, di tessuto o di rete, sono usate anche infatti come rinforzo per la produzione di fibrorinforzati laminati o pultrusi (barre) o come rinforzo da impregnare in situ con matrici di vario tipo per la creazione di compositi strutturali nelle opere civili. Le fibre “sciolte” (chopped) di basalto, costituiscono un ottimo rinforzo per evitare la fessurazione nei getti di conglomerato cementizio. In forma di tessuto impregnato con matrice di tipo epossidico, sono utilizzate come rinforzo per strutture in calcestruzzo, in alternativa alle più comuni fibre di vetro, carbonio o aramidiche (Sim, J. et al., 2005). Impieghi più recenti le hanno testate in laboratorio in forma di tessuto bidirezionale impregnato con matrice cementizia, per il confinamento di colonne in muratura (Fahmy M.F.M. et al., 2010). Infine, sotto forma di lana, possono costituire pannelli e tappetini con ottime caratteristiche di isolamento termo-acustico. Per produrre la fibra di basalto è necessario portare la roccia alla temperatura di fusione (circa 1400 °C) in una fornace; il fuso è quindi estruso per produrre filamenti continui. Le fibre così ottenute, che risultano avere caratteristiche meccaniche comprese tra quelle delle fibre di vetro e quelle delle fibre di carbonio (Wu Z. et al., 2010), possono essere sottoposte a lavorazioni di “tessitura” che consentono di realizzare anche corde, per le quali esiste una procedura di caratterizzazione e che mostrano buone prestazioni in termini di resistenza (Quagliarini E. et al., 2012) . Il basalto è un materiale durevole: risultati di test di laboratorio riportati in letteratura (Van de Velde, K. et al., 2003; Wei, B. et al., 2010) mostrano come l’esposizione ad ambienti aggressivi (acidi e basici), danneggi maggiormente le fibre di vetro che non quelle di basalto. L’esposizione alle alte temperature non penalizza le prestazioni in termini di resistenza delle fibre di basalto quanto quelle di vetro e di carbonio (Sim, J. et al., 2005). Compositi che utilizzano le fibre di basalto come rinforzo (continuo o discreto) immerso in matrici di tipo organico o inorganico, sono stati infatti testati nello sviluppo di sistemi passivi di protezione al fuoco (Landucci G. et al, 2009).

Provini di muratura “ a sacco” dopo la prova a compressione: i “non consolidati” (a) presentano le cortine esterne vistosamente deformate e distaccate dal nucleo centrale al contrario di quelli consolidati con TICORAPSIMO “RO” (b) e “RR” (c)

L’efficacia della tecnica proposta è stata testata in laboratorio con prove di compressione e taglio su provini di muratura multi-paramento con doppia cortina esterna in mattoni e nucleo interno incoerente (muratura comunemente detta “a sacco”). Utilizzando materiali quanto più possibile vicini a quelli delle costruzioni storiche (mattoni di modesta resistenza e malta di calce aerea) sono stati così realizzati 12 provini di muratura “a sacco”, metà dei quali sono stati sottoposti a prove di compressione verticale mentre l’altra metà a prove di taglio.
I risultati di questa campagna testimoniano l’efficacia della tecnica nel collegare trasversalmente i paramenti della muratura, conferendole monoliticità, e consentendo di sfruttare al massimo le risorse dei materiali. In particolare la capacità di scongiurare l’attivazione di fenomeni di instabilità a carico delle cortine esterne e “spostare” il collasso sul raggiungimento della resistenza ultima dei materiali, risulta molto significativo se si pensa di applicare la tecnica su murature reali, con luci libere di inflessione ben più elevate di quelle dei provini testati, con guadagni prevedibili in termini di carico ultimo molto consistenti.
Per verificare questa ipotesi sono stati testati ulteriori provini di muratura a sacco (Quagliarini E. et al., 2011), con dimensioni maggiori di quelli della prima sessione di prove, nei limiti dei dispositivi di prova disponibili. I 6 provini realizzati sono stati sottoposti a prova di compressione dopo essere stati suddivisi in tre gruppi : integri, danneggiati e rinforzati.
Anche in questo caso i provini integri e quelli danneggiati hanno raggiunto la rottura per il sopraggiungere dell’instabilità di una delle cortine esterne (chiaramente per i “danneggiati” è stato sufficiente un carico minore che per gli “integri”), cosa che non si è verificata invece in quelli consolidati, che hanno collassato e seguito delle rotture diffuse che hanno afflitto i materiali costituenti la muratura. In questa seconda sessione di prove, oltre ad incrementare di circa il 40% la tensione massima di rottura il rinforzo determina anche una sostanziale riduzione delle deformazioni trasversali, e risulta in grado di riportare i “danneggiati” a prestazioni paragonabili a quelle dei provini “integri”. In questa seconda sessione di prove è stato preso in considerazione anche l’utilizzo di resina epossidica tixotropica per ricoprire le corde di rinforzo, possibilità che appare praticabile ogni volta che il paramento non si riveli di particolare pregio e vengano meno quindi le istanze tipiche del restauro.

Modalità di rottura tipica delle murature multi-paramento con nucleo incoerente: una delle due cortine viene interessata da fenomeni di instabilità che provoca il collasso del pannello.

L’applicazione di TICORAPSIMO fornisce monoliticità al pannello murario: si modifica la modalità di rottura, scongiurando rotture per instabilità delle cortine esterne, consentendo di sfruttare al meglio i materiali costituenti la muratura.

La modellazione di murature multi-paramento, caratterizzate da interazioni complesse difficili da tenere in considerazione, è sempre risultata una materia ostica e ad oggi, in letteratura si dispone solo di limitati studi scientifici in materia (Binda et al., 2006). Tuttavia, utilizzando un software commerciale agli elementi finiti, è stato messo a punto un modello numerico per tentare di riprodurre i risultati degli esperimenti condotti che tenesse in considerazione tutti i materiali costituenti la muratura (mattoni, malta, riempimento) operando così una “micro-modellazione”. Inoltre, per cogliere al meglio gli effetti deformativi di instabilità dovuti al carico applicato alla muratura multi-paramento, è stato necessario fare in modo che l’analisi contemplasse anche i grandi spostamenti, e che operasse anche in campo “non lineare”. Con il modello così realizzato sono state simulate le esperienze di laboratorio relative ai test di compressione ed i risultati sono stati confrontati con quelli sperimentali ottenendo un’ottima vicinanza tra loro, consentendo così l’analisi di altri aspetti che non potevano essere colti dalle sole prove sperimentali. Tra questi il più significativo è stato il poter accertare che, a tensioni prossime al collasso del pannello murario, le corde di rinforzo vengono sollecitate da una forza che risulta pari ad un terzo di quella massima sostenibile, garantendo così che in esercizio queste si mantengano sempre lontane dal punto di rottura, evitando collassi improvvisi ed imprevedibili.


I pannelli di muratura in pietra (rinforzati e non) sottoposti a prova di compressione diagonale.

Al fine di verificare l’efficacia della tecnica anche su un’altra tipologia di apparecchio murario e di verificare anche la facilità di cantierizzazione del sistema, sono state condotte anche delle prove in situ sulle murature di L’Aquila, nella località di Onna, tristemente nota per essere stata una delle più colpite dal sisma del 2009. La muratura aquilana si presenta composta di ciottoli e pietre, irregolari sia per forma che per dimensione, disposte in maniera disordinata, carenti di collegamenti nello spessore (diatoni) e legate con malta di scarse caratteristiche. Tra quelle non crollate dopo l’evento sismico, sono state scelte due pareti per effettuare i test. Da ognuna di queste sono stati isolati due pannelli di forma pressoché quadrata da sottoporre a prova di compressione diagonale, per valutare il contributo del sistema di rinforzo. Dopo una preventiva rimozione degli strati di finitura per portare a vista le tessitura muraria, sono stati eseguiti i fori passanti localizzati in posizioni strategiche, in modo da “abbracciare” le pietre di maggiori dimensioni. Successivamente si è proceduto con l’inserimento della corda in fibra di basalto: ogni “trama” della maglia è continua dall’inizio alla fine del suo percorso. Anche in questo caso si ha la possibilità di mantenere l’aspetto originale della muratura, ricoprendo con uno strato di intonaco le corde di rinforzo o occultandole nei giunti di malta, disponendo opportunamente i fori. I risultati delle prove di compressione diagonale, oltre a determinare un incremento della massima tensione di rottura di circa il 30% hanno mostrato come il rinforzo contribuisca a ridurre la fessurazione esercitando un effetto di confinamento sulla muratura, evitando l’espulsione di pietre e fenomeni di disgregazione del muro.


Confronto tra pannello rinforzato con TICORAPSIMO® e pannello non rinforzato sottoposti a prova di compressione diagonale confinata secondo le condizioni in situ.

photogallery

di Enrico Quagliarini1, Stefano Lenci1, Francesco Monni2, Alessandro Battaglia3

NOTE
1 Dicea – Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Architettura, Università Politecnica delle Marche, Via Brecce Bianche, 60030, Ancona.
2 A.h.R.T.E. s.r.l. – Architectural heritage Restoration through Tailored Engineering s.r.l., c/o Dicea – Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Architettura, Università Politecnica delle Marche, Via Brecce Bianche, 60030, Ancona.
3Restauri Innovativi Tecnologici s.r.l., Via Serra n.22, 40012, Calderara di Reno (BO)

BIBLIOGRAFIA
Binda L. et al., A contribution for the understanding of load-transfer mechanisms in multi-leaf masonry walls: Testing and modeling, Engineering Structures 28, 2006.
Fahmy M.F.M., Wu Z., Evaluating and proposing models of circular concrete columns confined with different FRP composites, Composites: Part B 41, 2010.
Landucci G. et al, Design and testing of innovative materials for passive fire protection, Fire Safety Journal 44, 2009.
Militky J. et al., Influence of thermal treatment on tensile failure of basalt fibers, Engineering Fracture Mechanics 69, 2002.
Militký J. et al., Mechanical Properties of Basalt Filaments, Fibres & Textiles in Eastern Europe, Vol. 15, No. 5 – 6, 2007.
Quagliarini E. et al., Strengthening three-leaf masonry panel with basalt fibre ropes: first experimental data, Proceedings of 5th International Conference Science and Technology for the Safeguard of Cultural Heritage in the Mediterranean Basin, Istanbul, Turkey, Novembre 2011
Quagliarini E. et al., Tensile characterization of basalt fiber rods and ropes: A first contribution. Construction and Building Materials 34, 2012.
Sim J. et al., Characteristics of basalt fiber as a strengthening material for concrete structures, Composites: Part B 36, 2005.
Van de Velde K. et al., Basalt Fibres as Reinforcement for Composites, Proceedings of 10th International Conference on Composites/Nano Engineering, University of New Orleans, New Orleans, LA, USA, 20–26 July 2003
Wei B. et al., Environmental resistance and mechanical performance of basalt and glass fibers, Materials Science and Engineering A 527, 2010.
Wu Z. et al., Tensile fatigue behaviour of FRP and hybrid FRP sheets, Composites: Part B 41, 2010.
Zhu L. et al., Constitutive equations of basalt filament tows under quasi-static and high strain rate tension, Materials Science and Engineering A 527, 2010.

NORMATIVA DI RIFERIMENTO
Norme tecniche per le costruzioni di cui al D.M. 14 gennaio 2008
Circolare del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici n°617 del 2 febbraio 2009
Direttiva del Presidente del Consiglio dei Ministri del 9 febbraio 2011: Linee guida per la valutazione e la riduzione del rischio sismico del patrimonio culturale con riferimento alle norme tecniche per le costruzioni di cui al D.M. 14 gennaio 2008

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