Tecniche di rinforzo strutturale innovative

Le tecniche di consolidamento e rinforzo strutturale sono un insieme di interventi tecnici che mirano a rinforzare e migliorare la capacità portante di edifici e opere edilizie. Come discusso nella prima parte di questo articolo, dedicata alle tecniche tradizionali, la loro messa in atto garantisce la sicurezza e la durata nel tempo di edifici e infrastrutture. Ma con il passare del tempo e l'evolversi delle normative, si è assistito a una costante evoluzione delle tecniche impiegate, per far fronte a problemi sempre più complessi e allo scopo di trovare soluzioni sempre più performanti, durature e meno invasive.

L'adeguamento e il miglioramento sismico rivestono un ruolo di fondamentale importanza nella protezione del patrimonio edilizio, soprattutto in regioni ad alta sismicità come l’italia. Questi interventi, volti a potenziare la capacità delle strutture di resistere alle sollecitazioni sismiche, vengono realizzati per una varietà di motivi:

• Sicurezza degli occupanti
• Conservazione del patrimonio edilizio
• Adeguamento alle normative
• Miglioramento dell'efficienza
• Valorizzazione del valore immobiliare

Passiamo ora in rassegna le tecniche di rinforzo e consolidamento più innovative.

Rinforzo e consolidamento strutturale: tecniche e innovazioni

L'evoluzione tecnologica ha portato allo sviluppo di materiali e tecniche innovative per il consolidamento strutturale, che superano alcuni limiti di quelle tradizionali. Di seguito ne vediamo assieme alcune.

Fiber Reinforced Polymers (FRP)

I Fiber Reinforced Polymers (FRP) sono materiali compositi costituiti da fibre resistenti, come ad esempio la fibra di carbonio, vetro o aramide, sotto forma di tessuti uni o multidirezionali, immerse in una matrice polimerica, solitamente resine termoindurenti come resine epossidiche. Questi materiali combinano le elevate prestazioni meccaniche delle fibre con la resistenza e la protezione offerta dalla matrice polimerica.

I sistemi FRP possono essere "impregnati in situ" oppure "preformati". Nel primo caso, si prevede l'applicazione di un primo strato di resina sulla superficie dell'elemento da rinforzare, la posa del tessuto di rinforzo in fibra e l'impregnazione dello stesso con un ulteriore strato di resina. Nel secondo caso, si vanno ad incollare solitamente con stucchi epossidici sull'elemento da rinforzare, lamine poltruse in fibra. Mentre nel primo la laminazione del tessuto è realizzata in cantiere, la poltrusione è un processo industriale e il prodotto, la lamina, è già un composito che viene solo posto in opera.

Le applicazioni dei sistemi FRP includono il rinforzo e il consolidamento strutturale di travi, pilastri, solai e altri elementi strutturali. Le tecniche di applicazione degli FRP variano a seconda del tipo di materiale e della struttura da rinforzare, ma in generale prevedono l'incollaggio dei materiali compositi sulla superficie degli elementi strutturali mediante adesivi epossidici.

• Elevata resistenza a trazione e basso peso, che permettono di ottenere rinforzi leggeri e performanti
• Resistenza alla corrosione, che garantisce una maggiore durabilità rispetto ai materiali tradizionali come l'acciaio
• Versatilità e velocità di applicazione, grazie alla facilità di lavorazione e alla possibilità di adattarsi a diverse tipologie di strutture. 

• Costi elevati dei materiali, che possono rendere gli interventi di rinforzo più costosi rispetto alle tecniche tradizionali
• Necessità di personale specializzato per l'applicazione e la progettazione degli interventi
• Limitazioni nella resistenza a compressione e nell'ampiezza del campo di temperature di esercizio. 

FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix)

Il materiale composito FRCM, acronimo di Fiber Reinforced Cementitious Matrix, è un sistema di rinforzo strutturale composto da una matrice inorganica (a base di cemento o calce) rinforzata con reti o tessuti con maglia massima di 30x30 mm di fibre continue di diversa natura, come carbonio, vetro, aramide, basalto, PBO o acciaio ad alta resistenza. Il rinforzo viene applicato in basso spessore (tra i 5mm e i 15 mm). Questi materiali compositi sono utilizzati per il consolidamento e il rinforzo di strutture esistenti in muratura e calcestruzzo armato.

L'applicazione del sistema FRCM avviene "fresco su fresco" e prevede l'utilizzo di reti in fibra di diversa natura abbinate a malte a base calce o cementizie. Il processo consiste nell'applicare la malta sulla superficie da rinforzare, posizionare la rete di fibra sulla malta fresca e quindi applicare un ulteriore strato di malta per coprire completamente la rete. Lo spessore del singolo strato è al massimo di 15 mm. Per aumentare l'adesione al supporto possono essere impiegati dei connettori preformati o a fiocco.

Quali sono i vantaggi di questa tecnica?

• Maggiore durabilità e resistenza all'umidità, grazie alla natura inorganica della matrice
• Migliore resistenza al fuoco, grazie all'uso di una matrice inorganica
• Rinforzo in basso spessore, non aumenta la massa e la rigidezza delle strutture.

In generale, i sistemi FRCM rappresentano una soluzione efficace e versatile per il rinforzo e il consolidamento di strutture esistenti in muratura e calcestruzzo armato, offrendo una buona resistenza meccanica e durabilità nel tempo. Tuttavia, è importante valutare l’impiego di questi materiali in relazione alle specifiche esigenze del progetto e alle condizioni ambientali in cui verranno applicati.

Calcestruzzi fibrorinforzati (FRC)

I calcestruzzi fibrorinforzati (indicati con la sigla FRC, acronimo di Fiber Reinforced Concrete) sono materiali compositi costituiti da una matrice cementizia (calcestruzzo o malta) additivata con fibre corte in acciaio o sintetiche, come fibra di carbonio, vetro o aramide. Questi materiali combinano le elevate prestazioni meccaniche delle fibre con le caratterisriche dalla matrice cementizia.

Per applicare il calcestruzzo fibrorinforzato, si prepara una miscela di calcestruzzo o malta con le fibre scelte e si versa la miscela nelle aree da rinforzare, come travi, pilastri o solai. Le fibre vengono distribuite uniformemente all'interno della matrice cementizia, migliorando le proprietà meccaniche del calcestruzzo, in particolare contribuiscono a ridurre i fenomeni di  ritiro e conferiscono al conglomerato una resistenza residua anche in fase post-fessurata.

Quali sono i vantaggi dell'utilizzo di calcestruzzi fibrorinforzati?

• Elevata resistenza a trazione e compressione
• Maggiore durabilità
• Riduzione del comportamento fragile della matrice cementizia
• Versatilità e velocità di applicazione.

Quali sono gli svantaggi dell'utilizzo di calcestruzzi fibrorinforzati?

• Costi elevati dei materiali
• Necessità di personale specializzato per l'applicazione e la progettazione degli interventi.

In sintesi, i calcestruzzi fibrorinforzati offrono numerosi vantaggi nel rinforzo e consolidamento strutturale, ma presentano anche alcune criticità legate ai costi e alle competenze necessarie per la loro applicazione.

Intonaco Armato CRM

L'intonaco armato CRM (Composite Reinforced Mortar) è una tecnica di rinforzo e consolidamento strutturale che combina una matrice inorganica (a base di cemento o calce) con una rete di rinforzo in materiale composito FRP (Glass Fiber Reinforced Polymer), costituito da resina termoindurente e fibra di diversa natura, come fibra di carbonio, aramide o vetro, in quest'ultimo caso si fa riferimento a composizione GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer). Oltre a questi due elementi, per l'applicazione dell'intonaco armato CRM, vengono abbinati anche dei particolari connettori, sempre in materiale composito FRP, e determinati ancoranti chimici necessari per l'inghisaggio dei connettori.

Di seguito e in estrema sintesi andiamo ad analizzare le principali fasi dell'applicazione dell'intonaco armato CRM con l'uso dei connettori preformati in FRP:

• Preparazione del supporto murario: consiste nella rimozione di ogni strato di finitura esistente, parti incoerenti o distaccate e nella saturazione con acqua della superficie per migliorare l'adesione dei successivi strati;
• Posizionamento dei connettori FRP: realizzazione dei fori per il successivo collocamento dei connettori. I connettori intonaco armato, preformati o semi-preformati, sono inghisati con ancorante chimico vinilestere o epossidico;
• Stesura del primo strato di malta strutturale: si applica uno strato di malta di calce o cementizia di circa 15 mm di spessore sulla superficie da rinforzare;
• Posizionamento della rete per intonaco armato: la rete in FRP viene posizionata sulla malta ancora fresca, facendo attenzione che venga inglobata correttamente nella matrice. Tra teli adiacenti deve essere sempre garantita una certa sovrapposizione. La rete non deve mai essere messa a contatto diretto con il supporto ma sempre interposta tra gli strati di malta;
• Stesura del secondo strato di malta: si ricopre completamente la rete applicando il secondo strato di malta cementizia o a base di calce fino a raggiungere lo spessore totale previsto (30-50 mm).

Una corretta esecuzione di tutte le fasi, nel rispetto del progetto, è fondamentale per ottenere le prestazioni attese dall'intonaco armato CRM in termini di consolidamento strutturale.

Rispetto all'intonaco armato tradizionale, l'intonaco armato CRM presenta diversi punti di forza:

• Maggiore durabilità e resistenza agli agenti atmosferici, grazie all'utilizzo di reti in materiale composito FRP anziché in acciaio, non soggette a corrosione
• Migliore compatibilità fisico-chimica con la muratura, data dalla possibilità di utilizzare una matrice a base calce
• Aumento delle masse e delle rigidezze contenuto grazie agli spessori ridotti di applicazione (30-50 mm contro i 50-70 mm dell'intonaco tradizionale)
• Maggiore lavorabilità in cantiere, per la leggerezza e flessibilità delle reti composite.

In sintesi, l'intonaco armato CRM rappresenta una valida alternativa per il consolidamento strutturale in virtù della sua compatibilità con i supporti murari e della facilità applicativa. Tuttavia, presenta alcune limitazioni prestazionali e richiede competenze specifiche per una corretta messa in opera. La scelta della tecnica più idonea va effettuata caso per caso in base alle reali esigenze del progetto e alle condizioni del manufatto.

Conclusioni

In questa seconda parte dell’articolo dedicato alle tecniche di consolidamento e rinforzo strutturale, abbiamo approfondito le tecniche innovative. A questo punto speriamo tu abbia un quadro più completo ed esaustivo della loro evoluzione che nel tempo ha subito dei cambiamenti non solo nella tecnica, ma anche nei materiali. Si è passati, infatti, dai più tradizionali calcestruzzo e acciaio a tecnologie composite innovative con fibre e matrici organiche o inorganiche.

I materiali compositi fibrorinforzati hanno ampliato enormemente la gamma di soluzioni disponibili per il recupero strutturale, la riabilitazione, l'adeguamento sismico e il restauro conservativo del patrimonio edilizio esistente.

La progettazione di interventi di questo tipo richiede tuttavia competenze specialistiche per effettuare analisi accurate e scegliere caso per caso la tipologia di intervento e i materiali più idonei in base alle reali esigenze. Solo così si possono sfruttare al meglio i vantaggi delle nuove tecnologie garantendo efficacia, durabilità e sicurezza degli interventi.