Indagine sperimentale sull’uso di pannelli in legno per il consolidamento di edifici storici in muratura

Numerose attività di ricerca stanno prendendo in considerazione tecniche di consolidamento basate sull’interazione tra murature esistenti ed elementi lignei di rinforzo
Il contesto edilizio italiano è caratterizzato dalla massiccia presenza di edifici storici con struttura portante in muratura. I recenti terremoti che hanno colpito, con conseguenze talvolta devastanti, il territorio nazionale hanno messo in luce l’elevata vulnerabilità di questo tipo di costruzioni nei confronti delle azioni sismiche. Di conseguenza il tema del rinforzo di strutture in muratura sta prendendo sempre più piede nel mondo accademico e professionale. In particolare, viste le proprietà meccaniche del materiale legno, numerose attività di ricerca stanno prendendo in considerazione tecniche di consolidamento basate sull’interazione tra murature esistenti ed elementi lignei di rinforzo. In quest’ottica, un aspetto rilevante riguarda il comportamento dei collegamenti tra i due materiali, che risulta di fondamentale importanza per garantirne l’effettiva collaborazione nell’assorbimento delle sollecitazioni esterne.

Nell’ambito dello sviluppo di un sistema di rinforzo basato sull’accoppiamento strutturale tra pannelli lignei e murature esistenti il gruppo di ricerca del Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Meccanica dell’Università degli Studi di Trento guidato dal Prof. Maurizio Piazza ha intrapreso una collaborazione con Fischer Italia per individuare un sistema di connessione che permetta di massimizzare l’efficienza dell’accoppiamento legno-muratura.

Il sistema di connessione proposto da Fischer

In risposta ai requisiti tecnici di resistenza e rigidezza individuati dai ricercatori di UniTN, Fischer ha proposto una tipologia di connessione che si basa, per la facile applicabilità pratica, su articoli già presenti nel proprio catalogo, optando per l’impiego di barre metalliche ed ancoranti chimici. Sulla base delle certificazioni di prestazione sismica (categoria di prestazione sismica europea C1 e C2) e di compatibilità con i materiali di supporto, si è optato per due tipologie di ancorante chimico, Fischer FIS V 410 C e Fischer FIS EM 390 S.

Per quanto concerne le barre metalliche si è scelto di utilizzare barre filettate in acciaio classe 8.8, denominate Fischer FIS A, optando per due differenti diametri, pari a 14 mm e 20 mm.

Vista la possibile presenza di vuoti all’interno delle murature storiche e la probabile irregolarità dell’interfaccia tra la superficie muraria ed il pannello, è stato prescritto l’utilizzo di calze metalliche retinate Fischer FIS H, da inserire nel foro per tutta la sua lunghezza ed in modo da ricoprire per intero l’interfaccia pannello-muratura. Il foro da realizzare nella muratura e nel pannello deve avere lo stesso diametro della calza, che dipende a sua volta dal diametro della barra metallica.

Operativamente, una volta rimosso l’intonaco, si realizza un foro nel pannello ligneo e nella muratura per una profondità di 30 cm (Figura 1-a). Si procede alla pulizia del foro ed all’inserimento nello stesso della calza metallica retinata per tutta la profondità, con la parte terminale chiusa piegando il tessuto metallico su sé stesso (Figura 1-b). Successivamente si procede con l’iniezione dell’ancorante chimico partendo dal fondo del foro, proseguendo lentamente verso l’esterno in modo tale da riempire per interno il volume della calza (Figura 1-c). A questo punto si introduce il connettore metallico, ruotandolo per garantire la completa adesione della resina alla filettatura dell’elemento di connessione.

Successivamente si attende il tempo utile alla piena catalizzazione dell’ ancorante chimico sviluppo, necessario al raggiungimento delle massime proprietà meccaniche.
Figura 1 - Schema delle fasi del montaggio dei campioni: realizzazione del foro
Posizionamento del pannello ligneo e della calza retinata
Iniezione dell’ancorante
Inserimento della barra metallica

Caratterizzazione meccanica della connessione

Il sistema di connessione proposto è stato sottoposto dai ricercatori UniTN ad una serie di prove sperimentali finalizzate alla caratterizzazione del comportamento oligo-ciclico a taglio. Sono state svolte un totale di 20 prove di carico semi-cicliche su altrettanti campioni di connessione considerando diverse combinazioni di ancorante e barra metallica come riassunto nella Tabella 1. Il protocollo di prova è stato definito sulla base delle indicazioni fornite dalla Norma Europea EN12512.

Tabella 1 Combinazione tra ancorante e barra metallica testate e nomenclatura adottata

ID connessione Ancorante Tipo barra Ø barra
V 14 Fischer® FIS V 410 C Fischer® FIS A cl. 8.8 14 mm
V 20 Fischer® FIS V 410 C Fischer® FIS A cl. 8.8 20 mm
EM 14 Fischer® FIS EM 390 S Fischer® FIS A cl. 8.8 14 mm
EM 20 Fischer® FIS EM 390 S Fischer® FIS A cl. 8.8 20 mm

Messa in opera dei campioni

I campioni sono stati messi in opera rispettando le indicazioni fornite da Fischer relativamente alle modalità di accoppiamento tra barre metalliche e calze retinate, diametro dei fori e tempi necessari allo sviluppo delle proprietà meccaniche degli ancoranti (Figura 2). Le prove sono state svolte su campioni di connessione realizzati mediante elementi lignei rettangolari in CLT dello spessore di 60mm a tre strati di dimensioni pari a 50 cm x 25 cm. I pannelli murari utilizzati nei test fanno parte di un edificio risalente alla fine del diciannovesimo secolo e sono realizzati in pietra naturale e malta di calce a tessitura irregolare. Nei test le azioni di taglio sono state applicate direttamente al pannello ligneo nella direzione della fibratura dello strato esterno delle tavole. Durante la fase di sviluppo delle proprietà meccaniche dell’ancorante i campioni sono stati mantenuti in posizione mediante un telaio ligneo che è stato poi rimosso prima di svolgere le prove.

Figura 2 - Fasi del montaggio dei campioni: posizionamento del pannello ligneo ed inserimento della calza metallica
Chiusura dell’estremità interna della calza metallica
Iniezione dell’ancorante
Inserimento della barra metallica

Risultati dei test

I test sperimentali hanno permesso di valutare le principali caratteristiche meccaniche del sistema di connessione relativamente alla rigidezza ed alla capacità portante nei confronti di azioni taglianti applicate ciclicamente. Nella Figura 3 è illustrato, nel piano scorrimento – carico applicato, il tipico andamento delle prove svolte.

Figura 3
Risultati tipici delle prove cicliche e curve di inviluppo corrispondenti
Figura 4
Setup di prova
Martinetto e strumenti di misura
Sistema di ritenuta del campione ligneo
Vista globale del setup e strumenti di misura

Nella Tabella 2 sono riassunti i valori medi delle proprietà meccaniche desunti dalle curve di inviluppo delle prove per le 4 tipologie di connessione testate. Fmax indica il massimo valore di forza raggiunto nella prova mentre k1 è la rigidezza secante al primo ciclo di carico (spostamento di 1.25mm).

Tabella 2 Caratteristiche ricavate dalle curve di inviluppo: Forza massima registrata durante le prove Fmax e rigidezza secante al termine del primo ciclo di carico k1 – valori medi per campioni analoghi.

Connessione Fmax
[kN]
k1
[kN/mm]
V 14 BF 15.84 3.01
V 20 BF 27.62 4.75
EM 14 BF 25.97 8.97
EM 20 BF 35.90 8.39

I grafici di Figura 6, Figura 7 e Figura 5 riassumono i confronti tra diverse tipologie di connessione volti all’individuazione dell’influenza dei diversi parametri presi in considerazione sulle proprietà meccaniche della connessione.

Figura 5
Influenza della tipologia del connettore metallico: a) valori medi di forza massima Fmax; b) valori medi della rigidezza secante al primo ciclo k1
(a)
(b)

Figura 6
Influenza del diametro del connettore metallico: a) valori medi di forza massima Fmax; b) valori medi della rigidezza secante al primo ciclo k1


(a)
(b)
Figura 7
Influenza del tipo di ancorante: a) valori medi di forza massima Fmax; b) valori medi della rigidezza secante al primo ciclo k1
(a)
(b)

Conclusioni

La campagna sperimentale in oggetto ha permesso di caratterizzare il comportamento meccanico a taglio di connessioni tra pannelli lignei e muratura in pietra, realizzate mediante l’impiego di connettori metallici ed ancoranti chimici, valutando l’influenza sulla risposta a taglio di alcuni parametri quali il tipo di ancorante chimico impiegato (resina epossidica, resina ibrida vinilestere/epossidica) ed il diametro della barra metallica (diametri = 14 mm, 20 mm).

Dai risultati si è osservato come le migliori proprietà meccaniche della resina epossidica si traducano in una maggiore capacità portante e rigidezza della connessione, questo nonostante le caratteristiche “scadenti” della muratura lasciassero presupporre che le proprietà dell’ancorante potessero avere un’influenza trascurabile sui risultati.

Come era lecito attendersi, si è inoltre osservato come le connessioni realizzate con barre di diametro maggiore abbiano manifestato proprietà meccaniche superiori in termini sia di forza massima che di rigidezza.

In tutti i casi la tipologia di connessione proposta da Fischer si è dimostrata una valida soluzione per l’ottenimento delle proprietà meccaniche richieste nella fase preliminare dello studio condotto dai ricercatori di UniTN.

Per quanto riguarda gli sviluppi futuri, i dati raccolti saranno utilizzati come input per la definizione di modelli numerici agli elementi finiti volti ad estendere le soluzioni indagate ad applicazioni in scala reale e tarare possibili scenari per un’ulteriore validazione sperimentale.

Ringraziamenti

Si ringrazia sentitamente l’Azienda Consorziale Terme di Comano per aver messo a disposizione lo stabile in cui sono stati eseguiti i test. Un dovuto ringraziamento va agli ex studenti e collaboratori di ricerca Ing. Gianni Schiro, Ing. Marco Carlet, Ing. Davide Galvanin ed Ing. Stefano Segatta per aver partecipato attivamente allo svolgimento della campagna sperimentale. Si desidera inoltre ringraziare il consorzio ReLUIS per aver sponsorizzato la ricerca, l’azienda Rubner Holzbau Spa per aver fornito i pannelli lignei necessari alla realizzazione dei campioni. Si ringrazia inoltre il Laboratorio Prove Materiali e Strutture del Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Meccanica dell’Università Degli Studi di Trento per il supporto tecnico fornito.

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