Adeguamento sismico e mitigazione del rischio di crollo per edifici in muratura

15/06/2022 - Il patrimonio storico in Italia è costituito essenzialmente da fabbricati e monumenti in muratura.
 
Negli edifici storici la sezione muraria è quasi sempre composta da una struttura a doppio paramento, con un’intercapedine riempita con materiali inerti. In rari casi si trovano anche i diatoni, ossia elementi che vengono inseriti trasversalmente allo spessore della muratura allo scopo di collegarne i paramenti e consolidare le strutture.
 
Una struttura così fatta è definita discontinua, perché priva di vincoli. La mancanza dei vincoli che interessa la tessitura muraria è definita locale. Al contrario è definita globale quando mancano collegamenti tra macroelementi quali parete e solaio.
 
La discontinuità causa, in caso di vibrazioni come quelle eccezionali di un evento sismico, rotture di tipo fragile.

 

La rottura è la separazione di un solido in due o più elementi. I materiali fragili sono caratterizzati da una bassa o nulla deformazione plastica. Nella rottura di tipo fragile le cricche (discontinuità locale prodotta da una frattura) si propagano in modo istantaneo. La loro propagazione, una volta innescata, continua spontaneamente anche senza che il carico applicato aumenti.
 
Alter ego della fragilità è la duttilità. I materiali duttili mostrano una notevole capacità di deformazione plastica.
 
Dunque, la discontinuità strutturale è il fattore determinante dei meccanismi fragili negli edifici in muratura. Un paramento murario soggetto a rottura fragile è instabile, si disgrega e si sgretola.
 

 
La risposta positiva all'evento sismico è la duttilità. Il comportamento duttile si ottiene solo scongiurando le rotture di tipo fragile, ovvero rinforzando.
 
Le tecniche di rinforzo tradizionali sono:
- cuci-scuci;
- catene;
- rigenerazione malte (iniezioni);
- intonaco cementizio;
- iniezioni armate;
- inserimento barre nei giunti.
 
Le tecniche di rinforzo innovative sono:
- isolamento alla base;
- isolamento delle coperture;
- dissipazione di energia;
- rafforzamento con sistema CAM^® (cuciture attive per la muratura o cerchiaggio attivo dei manufatti).
 

La tecnologia CAM® nel consolidamento delle strutture murarie

Filtrando per ordine crescente dell'intensità sismica si possono avere i seguenti tipi di collasso:
 
1. collasso per disgregazione degli elementi lapidei;
2. collasso per ribaltamento fuori dal piano;
3. collasso nel piano dei pannelli (pressoflessione, taglio, schiacciamento).
 
Limitando i primi due meccanismi di collasso - intervenendo a livello locale ricompattando e omogeneizzando l'apparecchio murario - si potranno ridurre/evitare l’insorgenza di meccanismi fragili attivando i meccanismi duttili nel piano e globali del manufatto. Agire in questo modo significa eseguire un intervento ‘in gerarchia’.
 
Tra le soluzioni possibili, il rafforzamento con sistema CAM^® permette l’aumento di portanza grazie ad un reticolo di nastri che si comporta da armatura aggiuntiva.
 
Cantiere EDIL CAM Sistemi® in via S. Demetrio (Pietragalla - PZ)

Il metodo delle cuciture attive è stato ideato, testato e validato presso l’Università della Basilicata. Il brevetto è del professore Mauro Dolce e dell’ing. Roberto Marnetto, in seguito è stato riconosciuto con l’acronico e marchio CAM^®.
 
La EDIL CAM Sistemi S.r.l. è invece l’azienda che ha creduto, promosso e sostenuto il brevetto delle Cuciture Attive, racchiudendo poi tecnologia antisismica nei marchi CAM^®, DIS-CAM^® e SOL-CAM^®.
 
L’ing. Marianna Leonori ci ha fornito una scrupolosa spiegazione della tecnologia.
 
“Il sistema CAM^® si basa sulla realizzazione di tirantature metalliche realizzate tramite un nastro di spessore ridotto che vengono poste a cerchiare porzioni limitate di struttura.
 
Ciascun nastro è posto in tensione attraverso una macchina pneumatica di caratteristiche certificate in grado di imprimere al nastro tiro all’atto del crimpaggio. La ‘presollecitazione’ che fa sì che l’elemento risulti subito rinforzato ovvero ‘attivo’ già per i carichi gravanti nella fase d’esercizio della struttura.
 
Il sistema delle cuciture attive a marchio CAM® consiste nella realizzazione di un reticolo tridimensionale: i nastri di acciaio corrono sulle due facce e nello spessore delle pareti, così da ottenere un sistema reticolare tridimensionale di tiranti orizzontali, verticali e trasversali.
 
Ciascun tirante può essere realizzato come sovrapposizione di spire o cerchiature che dir si voglia, messe in tensione singolarmente, tarata nella sua azione di tiro.
 
Le cuciture sono tra loro in sequenza e connesse, solitamente a formare un doppio ordito. Speciali elementi metallici costituiti da piastre imbutite consentono di richiudere le forze agenti sul piano della parete nei punti di nodo e contestualmente ripartiscono l’azione di compressione che si attiva in direzione trasversale; l’insieme di nastri che attraversano lo spessore murario costituiscono un diatono meccanico.

 Schema statico elementare di riferimento

La formazione di un reticolo tridimensionale consente di ottenere una condizione finale di coazione triassiale, in grado di conferire maggior resistenza a compressione al volume murario per effetto del confinamento indotto, contemporaneamente le legature costituiscono armatura ed offrono capacità portante a trazione e senza incremento di massa.
 
Tale sistema è il primo ad aver introdotto ed ingegnerizzato il consolidamento tridimensionale per via meccanica.”
 
Come agisce il sistema CAM® nelle strutture murarie soggette al meccanismo di collasso fragile?
 
“L’insieme di nastri che attraversano lo spessore murario e compongono la maglia diffusa CAM^® realizzano un diatono meccanico diatono CAM^® di collegamento tra i due paramenti che costituiscono le murature a sacco.
 
Essi assorbono l’azione spingente del nucleo e l’insieme del reticolo in coazione offre una benefica azione nei confronti della dislocazione dei componenti e aiuta la buona compartecipazione tra paramenti e nucleo.
 
L’azione che il diatono CAM® esplica, in termini di forza di contenimento della spinta, è nettamente superiore a qualsiasi altro tipo di diatono sia esso esistente o realizzato come artificiale in quanto non lavora per aderenza.”
 

I vantaggi della tecnologia CAM^®

L’introduzione della tecnologia CAM^® ha dato vita ad un nuovo modo di consolidare i fabbricati esistenti.
 
Il Sistema di consolidamento CAM^® è una tecnologia di intervento per tutte le strutture esistenti, non solo fabbricati storici e vincolati in muratura, ma anche strutture in CA intelaiate o di tipo prefabbricato e infrastrutture.
 
La leggerezza e la flessibilità dell’acciaio rendono il sistema CAM^® non invasivo, perché non è incrementa la massa dell’edificio. Inoltre, il sistema è anche duraturo e facilmente reversibile.

La posa pressoché ‘a secco’ permette velocità di applicazione e compatibilità con qualsiasi temperatura di esercizio.
 
La flessibilità del sistema permette soluzioni ‘cucite’ addosso al fabbricato, in particolare in relazione alla compatibilità con impianti, macchinari, nonché con finiture architettoniche, infissi ed elementi decorativi tipici delle strutture storiche.

La tecnologia CAM® rientra tra le tipologie di rafforzamento off-site, si articola in componenti tutti standardizzati, ovvero prodotti all’esterno del cantiere, ad eccezione del componente “principe” il nastro in acciaio inossidabile che arriva sotto forma di rotolo e viene tagliato in cantiere ‘a misura’.
 
“È proprio questa possibilità che rende flessibile il sistema, ha detto l’ing. Leonori. Se, ad esempio, si deve intervenire su un paramento murario che ha spessore doppio rispetto al rilevato o all’elaborato grafico questo non costituisce un problema proprio perché è possibile dimensionare in loco la componentistica principale”
 

Sperimentazioni del sistema CAM^®

L’uso della tecnologia CAM^® è stato oggetto di tante sperimentazioni prima di diventare una tra le tecniche più innovative di retrofitting strutturale.
 
A titolo esemplificativo EDIL CAM Sistemi ci ha raccontato il progetto TRE.MA.: un’indagine su fabbricati in muratura di dimensioni quasi reali (scala 1 a 1.5) realizzati con quanto di più tipico ci sia nel nostro costruito (muratura a doppio paramento, eccentricità geometriche in pianta, solai in legno, connessioni tra paramenti ortogonali inefficaci). La sperimentazione è stata eseguita dalla Protezione Civile, dall’Università della Basilicata e dall’ENEA.
 
Nelle foto che seguono sono riportati due modelli oggetti della sperimentazione, uno senza rinforzo definito “modello nudo” e l’altro con il CAM^® definito “modello rinforzato”.
 

 
I due modelli gemelli sono stati testati su tavola vibrante con accelerogramma di riferimento sisma di Colfiorito con step di intensità crescente da 0.05g.
 
A fine prova nel modello non rinforzato si è arrivati a 0,3g per successivi collassi fuori piano di ribaltamento delle 4 pareti. A fine prova nel modello rinforzato con tecnologia CAM® non si è arrivati, ma si è raggiunto il limite di prova della tavola vibrante a 1,2g senza osservare danni.
 
Dettagliando meglio per step successivi e attraverso immagini rappresentative dell’evoluzione della prova: il modello privo di rinforzo è stato testato con un input sismico crescente, a partire da una bassa intensità di segnale (0.043g di PGA - Peak Ground Acceleration).
 
Tre step di accelerazione sono stati raggiunti in sequenza, al fine di valutare la capacità della struttura e il livello di danno corrispondente. A 0.15 g i danni erano tali da configurare il modello, ovvero la costruzione, totalmente inagibile, con livello di danno che ne avrebbero giustificato l’abbattimento.
 
All’accelerazione di 0.31g (c) si è avuto il collasso simultaneo di tre pannelli per meccanismo di ribaltamento fuori dal piano. Al valore di 0.34g (d) si è avuto il collasso completo della struttura.
Al modello rinforzato con sistema CAM è stato inizialmente impresso un terremoto di PGA pari a 0.096g.
 
L’input sismico è arrivato fino al massimo di 1.12 g. Durante la prova il modello ha subito piccoli danni alle pareti del primo livello e crolli localizzati nella zona d’angolo al secondo livello. La struttura al termine della prova risultava comunque ancora pienamente agibile. (figura a).
 
Si noti che a fine prova il modello poteva considerarsi sostanzialmente integro nonostante avesse subito, stante il protocollo imposto, 22 terremoti di intensità crescente.

   TREMA - Prove dinamiche: dettaglio di prova.
(a) modello rinforzato CAM al termine della prova (b) (c) (d) modello privo di rinforzo nei tre step successivi di carico sismico imposto

 Decadimento della prima risposta in frequenza della struttura rinforzata con sistema CAM (a) e priva di rinforzo (b)

Inoltre, valgono le seguenti osservazioni, che devono costituire un importantissimo punto di riferimento nella considerazione dei reali meccanismi di collasso delle strutture in muratura.
 
Il modello (B), privo di rinforzo, ha mostrato nel progredire del collasso a seguito dell’incremento dell’eccitazione, che, nonostante si attendessero meccanismi di rottura per taglio (stante anche le bassissime caratteristiche meccaniche della muratura), il meccanismo principale e più importante è stato quello del ribaltamento, a conferma che la stabilità delle costruzioni murarie tradizionali è di fatto governata dall’equilibrio (meccanica dei corpi rigidi) e non dalla resistenza (meccanica dei corpi elastici).
 
Il sistema CAM® ha realizzato ammorsature e vincoli efficaci tra paramenti ortogonali, ha quindi impedito i meccanismi di collasso fuori dal piano, e confinando l’apparecchio murario in modo da contrastarne il dislocamento, ha di fatto consentito di attivare la resistenza dei materiali e di ottenere prestazioni che sono andate incredibilmente al di là di quelle attese e non ancora a pieno sfruttamento.
 
Infatti, una delle pareti al piano terra era stata intonaca proprio con la finalità di leggere in maniera più accurata eventuali lesioni o attivazioni di meccanismi nel piano. Al termine della prova, tuttavia, non si sono lette lesioni, segno che la muratura non aveva ancora attinto alle proprie capacità resistenti nel piano.