Utilizzo di una malta innovativa e duttile per migliorare le prestazioni sismiche

Il lavoro proposto presenta i risultati di una campagna sperimentale volta alla valutazione delle prestazioni di sistemi di muratura non rinforzata realizzati mediante l’impiego di una malta innovativa, caratterizzata da un comportamento di tipo duttile. La migliore risposta meccanica della malta innovativa comporta un significativo miglioramento nella resistenza dei pannelli murari soggetti ad azioni taglianti, quindi incrementando la loro risposta sismica.

La campagna sperimentale descritta nella memoria è parte del progetto di ricerca “Zero Environmental Risks in Our buildings” (ZERO), finanziato dal bando PORFESR 2014-2020 della regione Emilia-Romagna, con l’obiettivo finale di introdurre nel mercato una nuova classe di materiali sia da costruzione che decorativi, caratterizzati da un alto profilo di compatibilità ambientale (VOC-free e ADR-free) e prestazioni superiori in termini di proprietà chimiche e meccaniche.

Uno degli obiettivi di ZERO è stato l’incremento della duttilità dei sistemi murari non rinforzati. A questo proposito, è stata condotta una intensa campagna sperimentale presso il CIRI Edilizia & Costruzioni dell’Università di Bologna. Le prove sperimentali hanno avuto lo scopo di caratterizzare sia le proprietà del materiale stesso, mediante provini di malta, che la risposta meccanica della muratura realizzata utilizzando la malta innovativa accoppiata a diverse tipologie di blocchi di laterizio. Nella presente memoria sono presentati i risultati preliminari della campagna sperimentale di caratterizzazione dei provini di malta innovativa sottoposti a flessione su tre punti e a compressione centrata.

Gli stessi test sono stati condotti anche su campioni di malta tradizionale, comunemente reperibile sul mercato, ed i risultati presi come valori di riferimento. Dalla risposta sperimentale si è riscontrato come la malta innovativa presenti migliori prestazioni in termini di resistenza a trazione e valori di duttilità nettamente al di sopra dei campioni realizzati con malta attualmente presente sul mercato.


Gli edifici in muratura non rinforzata risentono dell'azione tagliente se sottoposti a importanti azioni sismiche

In Italia gran parte del patrimonio del costruito è realizzato in muratura non rinforzata o in struttura intelaiata in calcestruzzo armato e tamponamenti di muratura non rinforzata (ISTAT 2001).

Gli edifici in muratura non rinforzata tipicamente risentono dell’azione tagliante quando sottoposti a importanti azioni orizzontali generate dallo scuotimento sismico (Tomazevic 1990, Bruneau 1994). Le modalità di collasso di pannelli singoli sotto azione tagliante di piano possono essere classificati come: (i) crisi per trazione diagonale oppure (ii) crisi per scorrimento (Anthoine et al. 1994, Magenes e Calvi 1997, Salmanpour et al. 2015).

I meccanismi di rottura sono principalmente influenzati dalla qualità dei componenti (malta e blocco), dal rapporto tra lunghezza e spessore, e dal livello di sforzo assiale presente (Corradi et al. 2003, Alecci et al, 2013). Al fine di predire la resistenza a taglio della muratura non rinforzata, sono state elaborate anche formulazioni semplificate, come quelle presenti nei lavori di (Vermelfoort 2004, Yi et al. 2004).

La resistenza a taglio dei pannelli murari è tipicamente valutata mediante differenti tipologie di prove sperimentali: (i) prove a taglio su ridotti campioni di muratura (“triplette”) (EN 1052-3); (ii) prove a compressione diagonale su pannelli regolari (ASTM E519-10, Calderini et al. 2010, Incerti et al. 2016); (iii) prove a taglio di pannelli murari sottoposti a carico verticale e orizzontale. Atkinson et al. (1989) hanno condotto specifiche prove a taglio al fine di valutare la resistenza dei corsi di malta e caratterizzare la modalità di rottura e il comportamento taglio-spostamento del provino. Sono stati impiegati sia blocchi antichi di argilla che blocchi di nuova realizzazione. Le prove sperimentali sono state condotte con differenti valori nominali di sforzo assiale.

I valori di resistenza a taglio per blocchi antichi sono risultati dell’ordine di 0.1-0.2 MPa, mentre i blocchi di nuova realizzazione hanno registrato valori superiori (attorno a 0.8 MPa). I risultati della campagna sperimentale sono stati confrontati con altri ottenuti da studi in letteratura, che riportavano valori tra i 0.2 MPa e i 0.6 MPa. Ulteriori campagne sperimentali devote a caratterizzare la resistenza a taglio di muratura di nuova costruzione tipicamente impiegata su suolo italiano sono disponibili nel lavoro condotto da (Alecci et al. 2013).

Gli studi sperimentali fanno riferimento sia ai casi di muratura convenzionale realizzata con blocchi di argilla non rettificati e connessi da giunti di malta spessi (dell’ordine di 1-1.5 cm), sia con blocchi di argilla rettificati, connessi mediante sottili giunti di malta (dell’ordine di qualche millimetro). Quest’ultimo caso è comunemente impiegato nelle costruzioni dove si richiedono superiori prestazioni di isolamento termico. Gli studi sperimentali condotti hanno indicato come la presenza di giunti sottili associati all’assenza di giunti verticali di malta abbia conseguito una significativa riduzione della resistenza tagliante, con valori dell’ordine di 0.1-0.2 MPa. I meccanismi di rottura identificati sono principalmente di tipo fragile. In presenza di giunti verticali di malta, la resistenza ad azione tagliante aumenta fino a valori intorno a 1.0 MPa.

Quando i pannelli di muratura non rinforzata sono impiegati come tamponamenti per strutture a telaio in calcestruzzo armato, si innesca una complessa interazione tra i pannelli e il telaio circostante. Infatti, dal momento che la muratura è caratterizzata da valori molto superiori di rigidezza laterale rispetto alla struttura intelaiata, inizialmente sono chiamati ad assorbire gran parte dell’energia indotta dallo scuotimento sismico, mantenendo l’integrità della struttura circostante, la quale rimane sostanzialmente scarica durante tutto l’evento sismico (Murty and Jain 2000).

Tuttavia, quando i pannelli di tamponamento raggiungono il loro valore ultimo di resistenza, le ridotte capacità di deformazione e di dissipazione energetica inducono una rottura improvvisa con conseguente istantaneo trasferimento dell’azione orizzontale sul telaio in calcestruzzo armato, il quale risente significativamente di danneggiamento e in ultimo rottura (Tasligedik et al. 2011). Esempi di questo particolare comportamento sono stati riscontrati anche nelle modalità di danneggiamento post-sisma registrate durante il terremoto a L’Aquila nel 2009 e in Emilia nel 2012 (Kaplan et al. 2010, Verderame et al. 2011, Uva et al. 2012, Liel and Lynch 2012, Manfredi et al. 2014).

 

Strategie per la resistenza sismica di sistemi in muratura non rinforzata

I tradizionali sistemi di muratura collassano tipicamente sotto azione tagliante per via della debole resistenza dell’interfaccia blocco-malta, oltre a un comportamento tipicamente fragile (Turnsek and Sheppard 1980, Abrams 1992). I principali meccanismi di rottura delle strutture in muratura sottoposte ad azione sismica, con riferimento a norme tecniche nazionali ed internazionali (FEMA 273, Eurocodes 6, NTC 2018) sono le seguenti: (i) crisi per “rocking”, dovuta alla fessurazione dei giunti di malta, mentre l’azione tagliante è assorbita dalla muratura compressa; (ii) crisi per fessurazione a taglio, dove il picco di resistenza è governato dalla formazione di crepe diagonali, solitamente in corrispondenza dei giunti orizzontali e verticali (a seconda della resistenza di ciascun componente); (iii) crisi per scorrimento, dato dalla formazione di fessure orizzontali a trazione lungo i giunti di malta. L’innesco di un determinato meccanismo di rottura dipende dalle proprietà meccaniche dei due componenti: l’unità muraria e il giunto di malta (Magenes and Calvi 1992).

Al fine di incrementare la resistenza sismica del sistema murario, si possono seguire due strategie di progetto:
(i) aumentare la resistenza complessiva del sistema incrementando la resistenza dei singoli componenti; (ii) aumentare la duttilità complessiva incrementando la duttilità del giunto di malta (Francis et al. 1971).

Facendo riferimento al grafico qualitativo carico-deformazione come illustrato nella Figura 1, tipicamente il componente blocco presenta valori superiori di resistenza, ma comportamento fragile, mentre al contrario il componente malta risulta avere valori di resistenza inferiori, ma comportamento più tendenzialmente duttile. Pertanto, al fine di incrementare la risposta complessiva del sistema murario sottoposto ad azione sismica, è possibile agire secondo due strade: (i) aumentando la resistenza del blocco (Figura 1a); (ii) aumentando la duttilità dei giunti di malta (Figura 1b).

 

Utilizzo di una malta innovativa e duttile per migliorare le prestazioni sismiche

IMMAGINE 1: Rappresentazione qualitativa della risposta carico- deformazione di un sistema murario: (a) aumentando la resistenza dei blocchi di argilla; (b) aumentando la duttilità dei giunti di malta.

 

Il progetto di ricerca Zero

Il settore edile rappresenta una delle maggiori risorse dell’intera Industria italiana. Nel 2008, il 10.9% del Prodotto Interno Lordo italiano (con circa 2 milioni di impiegati) è risultato dall’edilizia. Tuttavia, a seguito della crisi economica che ha gravato sul territorio a partire dal 2009, il settore edile ha registrato un severo calo dell’occupazione.

Al fine di agevolare l’Industria italiana a uscire dalla crisi, il Ministero dello Sviluppo Economico ha promosso un programma di ricerca (Industria 2015) per finanziare proposte di nuove tecnologie ed innovazione nell’Industria italiana. Oltre a questo, le istituzioni regionali hanno stabilito programmi di ricerca finanziati a livello regionale (PORFESR 2014-2020) focalizzati sulla promozione della ricerca, sviluppo e promozione delle industrie locali, mediante la collaborazione di istituzioni di ricerca e laboratori.

All’interno del programma Industria 2015, il progetto ITALICI ha sviluppato un innovativo sistema di tamponamento murario con una migliorata efficienza energetica e strutturale. Il consorzio prevedeva l’affiancamento di partner accademici, aziende e istituzioni di ricerca nei settori dei materiali ceramici, nanomateriali, prodotti decorativi e adesivi. In particolare, uno degli obiettivi specifici del progetto era lo sviluppo di una malta strutturale innovativa dalle alte prestazioni in termini di duttilità. Il risultato di questa collaborazione ha portato uno dei partner del progetto (Litokol SpA) a brevettare nel 2016 una nuova malta strutturale, nota con il nome commerciale di “Maltablock” (Brevetto n° BO2014A000649).

A partire dai risultati del progetto ITALICI, è stato finanziato il progetto di ricerca “Zero Environemtnal Risks in Our buildings” (ZERO) all’interno del bando PORFESR 2014-2020 della regione Emilia-Romagna.

 

L'ARTICOLO CONTINUA...

Per leggere l'intero articolo SCARICA in allegato il PDF, previa registrazione al sito di INGENIO.

In questo modo potrai leggerlo con un'impaginazione migliore, stamparlo, salvarlo e condividerlo.


Articolo tratto dagli atti del XVIII Convegno ANIDIS - Ascoli Piceno 2019