Che cos'è la Tirantatura?

Tirantatura, che cos'è e come si esegue?

Metodologia innovativa di rinforzo delle murature mediante tirantatura tridimensionale (SISTEMA Φ) Keywords: tirantatura tridimensionale, consolidamento, rinforzo armato, incamiciatura in acciaio . SOMMARIO Il SISTEMA Φ è un sistema di rinforzo delle murature mediante tirantature diffuse nelle tre direzioni ortogonali secondo la definizione del paragrafo C8A.5.6 nella Circolare 617 del 2.2.2009; il sistema è formato da diatoni in acciaio inox (barre filettate + piastre di contrasto), connessi fra di loro con nastri in acciaio inox. Il sistema viene usualmente integrato con una rete estrusa in polipropilene ad alta resistenza (PP-AR), posizionata al di sotto delle piastre e dei nastri. Con il sistema si ottengono notevoli miglioramenti relativi a tutte le tipologie di collasso degli edifici in muratura: - eliminazione della formazione di cinematismi mediante collegamenti meccanici, - aumento delle caratteristiche meccaniche della muratura per la presenza dei diatoni, - aumento delle caratteristiche di resistenza e di duttilità a pressoflessione ed a taglio, Sono state effettuate delle prove sperimentali su tre pannelli in muratura realizzati in pietrame disordinato, il primo pannello senza alcun rinforzo, il secondo con istallato il SISTEMA Φ senza rete in PP ed il terzo con una istallazione completa. Viene presentata l’istallazione del sistema anche sul c.a. dove realizza una moderna variante dell’intervento di incamiciatura in acciaio.

1 PREMESSA Il SISTEMA Ф è un intervento di rinforzo combinato, ispirato a quelli proposti al punto C8A.5.6 della Circolare 617 del 2.2.2009 dove si riporta che “L’inserimento di diatoni artificiali, realizzati in conglomerato armato (in materiale metallico o in altri materiali resistenti a trazione) dentro fori di carotaggio, può realizzare un efficace collegamento tra i paramenti murari, evitando il distacco di uno di essi o l’innesco di fenomeni di instabilità per compressione; inoltre, tale intervento conferisce alla parete un comportamento monolitico per azioni ortogonali al proprio piano. È particolarmente opportuno in presenza di murature con paramenti non collegati fra loro; l’adozione di sistemi di tirantature diffuse nelle tre direzioni ortogonali, in particolare anche nella direzione trasversale, migliorano la monoliticità ed il comportamento meccanico del corpo murario, incrementandone la resistenza a taglio ed a flessione nel piano e fuori dal piano”. Il SISTEMA Ф, praticamente elimina la possibilità di formazione di meccanismi locali, conferisce al sistema murario quella tridimensionalità che gli consente solo l’attivazione di meccanismi globali nel piano della muratura ed incrementa le capacità di resistenza e duttilità dei maschi murari e delle fasce di piano. Relativamente ad uno stato limite di danno, il SISTEMA Ф, garantisce un differimento nella formazione delle prime fessurazioni in quanto le armature, pretese nel piano della muratura non necessitano di una deformazione della stessa per divenire efficaci. 

2 DESCRIZIONE DEL SISTEMA Il sistema Φ è costituito da una maglia tridimensionale di rinforzi in acciaio inox, realizzata mediante barre trasversali alla muratura di diametro minimo 10 mm le quali contrastano su delle piastre asolate di forma usualmente circolare diametro 161.8 mm spessore 4 mm, nelle asole vengono inseriti dei nastri di dimensioni minime 19x0.8 mm i quali realizzano la armatura orizzontale e verticale nel piano della muratura; negli angoli sia interni che esterni vengono disposte delle piastre pressopiegate ad L di spessore 4 mm anch’esse asolate per il passaggio dei nastri. Il sistema viene usualmente integrato con una rete estrusa in polipropilene ad alta resistenza (PP-AR), alcalino resistente spessore minimo 4 mm posizionata al di sotto delle piastre e dei nastri. La rete, prodotta ad hoc per il sistema, ha una resistenza in entrambe le direzioni superiore a 30 kN/m, aumenta ancora la resistenza e la duttilità dell’elemento rinforzato, migliora contenimento della muratura fra i diatoni quasi a formare una gabbionata, fornisce un incremento della soglia di fessurazione ed un ottimale aggrappo per gli intonaci di finitura. 

Figura 1

Componenti base del sistema

I fori trasversali sulla muratura hanno diametro minimo 16 mm e una distanza compresa tra i 50 e gli 80 cm nella direzione verticale e tra gli 80 e i 130 nella direzione orizzontale, le barre vengono inserite ed i fori iniettati con malta a consistenza, fluidità e tipologia variabile, successivamente le piastre vengono fissate sulle barre con bulloni serrati con chiave dinamometrica; i nastri vengono poi passati nelle asole delle piastre e chiusi ad anello dallo stesso lato della muratura fra due piastre vicine. Si possono avere applicazioni tipicamente con 1 o 2 nastri per lato e quindi con un’area di 2 o 4 sezioni resistenti per lato. Il sistema può essere istallato nello spessore dell’intonaco in quanto le piastre presentano una imbutitura in corrispondenza del dado che così non si presenta in risalto, l’imbutitura è anche funzionale a distanziare la piastra dalla muratura per il suo allettamento; l’ingegnerizzaione della piastra è completata dalla presenza dietro le asole di cuffie protettive in plastica per evitare che la malta di allettamento ostruisca le asole per il passaggio dei nastri, e dalla presenza sulle asole di una sella che consente al nastro di avvolgersi su di un raggio di curvatura maggiore. I nastri sono pretesi ad una forza che può andare da quella minima di 1000 N per metterli in tensione fino a circa 3000 N in funzione delle caratteristiche della muratura; tipicamente i nastri orizzontali vengono pre-tesi con la forza massima mentre quelli verticali vengono pre-tesi con il valore minimo della forza, infatti anche la norma al punto C8A.5.6 prevede che “L’inserimento di tiranti verticali post-tesi è un intervento applicabile solo in casi particolari e se la muratura si dimostra in grado di sopportare l’incremento di sollecitazione verticale, sia a livello globale sia localmente, in corrispondenza degli ancoraggi”. I muri ortogonali in corrispondenza di martelli e di angolate sono solidarizzati fra loro grazie alla presenza di piastre pressopiegate ad L sia negli angoli interni che in quelli esterni; le piastre degli angoli interni sono dotate di 2 diatoni che consentono un completo collegamento delle maglie sulle singole pareti.

Figura 2

Schema applicazione del sistema su un’angolata

Le piastre pressopiegate ad L presentano delle asole per l’inserimento di nastri verticali che posti alle estremità dei maschi murari sono i più efficaci per incrementare la resistenza a pressoflessione. Tali armature verticali sono inoltre agenti per entrambi i maschi murari convergenti nell’angolo.

Figura 3 

Sistema istallato su un’angolata

Il collegamento può essere esteso alla fondazione portando i nastri al di sotto del piano di campagna. Il sistema consente inoltre una notevole flessibilità nel suo utilizzo in quanto la tensionatura dei nastri orizzontali e verticali e della barra del diatono può essere differenziata a seconda delle caratteristiche della muratura e la maglia del sistema non è vincolata ad essere rettangolare, predisponendo delle piastre con asole non poste a 90° fra di loro, è possibile realizzare maglie triangolari utilizzabili per la legatura di un cordolo o maglie con geometrie differenti per qualunque altra esigenza del progettista.

2.1 Materiali Il SISTEMA Ф è realizzato con acciai inox e componenti qualificati in accordo col D.M. 2008 sull’impiego di acciai strutturali, i quali presentano le seguenti caratteristiche:

Barre trasversali Acciaio inox A2-50, DIN EN ISO 3506-1 Rp0,2= fyk =210 N/mm2 Rm= ftk =500 N/mm2 Piastre e pressopiegati ad L Acciaio inox 1.4307, EN 10088-4 2009 Rp0,2= fyk =220 N/mm2 Rm= ftk =520-620 N/mm2 Nastri Acciaio inox 1.4372, EN 10088-4 2009 Rp0,2= fyk =350 N/mm2 Rm= ftk =750-950 N/mm2 allungamento a rottura almeno pari al 45%

La resistenza e la duttilità dell’acciaio inox dei nastri vengono sfruttare in maniera ottimale in quanto la resistenza del collegamento meccanico dei nastri, garantita da apparecchiature certificate come superiore al 70% di quella del singolo nastro, consente comunque di sviluppare una notevole duttilità nei nastri stessi e di trasferirla sia ai maschi murari che alla struttura nel suo complesso. In analogia al calcolo delle giunzioni in elementi di acciaio per cui il valore di calcolo della sollecitazione massima a trazione è pari a

Nt,Rd = min ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ ⋅ ⋅ ⋅ 0 2 0.9 , M tk M A fyk f A γ γ

nel caso del SISTEMA Φ la resistenza di calcolo del nastro a trazione Nt,Rd è pari alla minore fra la sollecitazione Npl,Rd, che plasticizza la sezione lorda A, e la sollecitazione Nu,Rd che porta a rottura la sezione netta Anet in corrispondenza della giunzione per la quale è garantita una resistenza minima pari al 70% della resistenza del nastro stesso.

Nt,Rd = min ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ ⋅ ⋅ ⋅ 0 2 0.7 , M tk M A fyk f A γ γ = 4.836 kN dato che fyk = 350 N/mm2 ftk = 750 N/mm2 A = 15.2 mm2 γM0 = 1.1 (UNI EN 1993-1-4) γM2 = 1.25 Si ottiene quindi un valore di fyd, riferito alla sezione lorda, pari a: fyd = Nt,Rd /A = 318.1 N/mm2

2.2 Prove sperimentali Una prima campagna di misure sperimentali è stata studiata e progettata per ottenere dati su una tipologia muraria tipica del tessuto aquilano ed in generale comune alla fabbrica dei centri storici italiani, costituita da due paramenti di pietrame disordinato non ammorsati; per il legante si è utilizzata una malta di calce con le caratteristiche minime di resistenza (classe M5). Lo scopo delle misure è stato quello di comparare dati su tre diverse pannellature di cui una priva di rinforzi mentre le altre due dotate del rinforzo denominato SISTEMA Ф, nelle due modalità applicative (senza e con rete in PP-AR). Sono state effettuate presso il laboratorio autorizzato Tecnolab di Ortona (CH), delle prove di compressione diagonale su pannelli non rinforzati S00, rinforzati solo con i nastri S01 e rinforzati con nastri e rete estrusa S02. I pannelli provati avevano lati pari a 1200 mm, spessore 300 mm, i nastri (uno per lato) erano posti ad interasse di 240 mm circa e presentavano una sezione di 19x0.8 mm, le piastre di acciaio dove si agganciavano i nastri erano di forma rettangolare in queste prove e sono state successivamente ottimizzate nella forma circolare.

Preliminarmente sono state effettuate prove cicliche e si è riscontrato un notevole aumento della resistenza a rottura passando dai 150 kN del pannello non rinforzato S00, ai 250 kN del pannello S01 ed ai 450 kN del pannello S02; inoltre si è evidenziata una elevatissima duttilità dei pannelli rinforzati con la capacità quindi di dissipare energia per tutta la durata di un’azione sismica anche in presenza di un’elevata fessurazione della muratura la quale viene efficacemente contrastata dalla presenza dei rinforzi. Successivamente sui pannelli rinforzati sono state effettuate prove monotoniche partendo dai pannelli già danneggiati dalle prove cicliche e si sono confermati i valori di carico massimo di 250 e 450 kN già registrati nelle prove cicliche e si è spinto lo spostamento massimo fino a oltre 50 mm senza raggiungere un decadimento della resistenza.

2.3 Incremento di caratteristiche meccaniche Assumendo per la muratura rinforzata con il SISTEMA Ф il coefficiente migliorativo delle caratteristiche meccaniche di 1.5 previsto dalla normativa per la presenza dei diatoni trasversali, ed un incremento della resistenza a taglio e pressoflessione, legato alla presenza dei rinforzi, in accordo alle formule della muratura armata nuova (DM 14.1.2008) e della muratura rinforzata con FRP (Linee guida del CSLLPP del 24.7. 2009), Vrd= yd s f s A 0.6 ⋅ d ⋅ ⋅ si ottiene un buon accordo con i risultati sperimentali ottenuti. Infatti ponendo d=1000 mm, l’incremento di resistenza a taglio dovuto al contributo dei nastri in acciaio è pari a 48.35 kN e quello della rete estrusa in PP è pari a 36 kN; togliendo dalla resistenza ultima del pannello S02 la resistenza dovuta alla presenza della rete si ottiene che, per i pannelli rinforzati con i soli nastri in acciaio, la resistenza ultima è stata pari in un caso a 250 kN e nell’altro a 414 kN, considerando come valore di riferimento del pannello non rinforzato 150 kN, il valore della resistenza a taglio previsto utilizzando le formule di normativa risulta pari a 273.35 kN. Una limitata integrazione del numero dei fori di iniezione già previsti dall’impianto del sistema, permette inoltre di considerare anche l’incremento di caratteristiche meccaniche per la effettuazione di iniezioni. L’incremento di duttilità ottenuto con il sistema è sicuramente maggiore dei valori proposti dal DM 14.1.2008 per la muratura armata, sia per il sistema rinforzato con soli nastri che per quello con nastri e rete; in favore di sicurezza si ritiene comunque di adottare tali valori per gli elementi rinforzati delle murature esistenti; si incrementa quindi il drift ultimo a taglio da 0.004 a 0.008 ed il drift ultimo a pressoflessione da 0.006 a 0.012 con un incremento in entrambi i casi del 100%. 3 ESTENSIONE AL CEMENTO ARMATO Il SISTEMA Φ è un sistema di rinforzo di elementi in c.a. che ricade in quello definito al punto C8A.7.2 della Circolare 617 del 2.2.2009 come “Incamiciatura in acciaio” su pilastri, travi o pareti del quale presenta tutte le caratteristiche positive: - aumento della resistenza a taglio, - aumento della capacità portante verticale, - aumento della capacità deformativa, - miglioramento dell’efficienza delle giunzioni per sovrapposizione. Il SISTEMA Φ, consente di eliminare le carenze delle strutture intelaiate in c.a. con un intervento che ripristina la gerachia delle resistenze fra rottura a taglio e rottura a flessione e che aumentando le caratteristiche del calcestruzzo sia in temini di resistenza che di duttilità consente ad una struttura rinforzata in maniera diffusa di sostenere spostamenti notevoli prima di giungere al collasso. Il SISTEMA Φ nel c.a. è costituito da pressopiegati ad L di spessore tipico 4/6 mm, posti agli spigoli degli elementi da rinforzare, allettati con malta ad alta resistenza la quale garantisce una buona adesività ed una efficace trasmissione della pressione indotta dalla presollecitazione di nastri in acciaio inox avvolti sui pressopiegati. I materiali sono gli stessi di quelli utilizzati per l’intervento sulla muratura. Nel caso dei pilastri si utilizzano sempre 4 pressopiegati ad L negli spigoli e si preferisce avere pochi nastri sovrapposti ad un interasse piccolo; nel caso delle travi invece i pressopiegati sono normalmente solo all’intradosso, mentre all’estradosso in presenza del solaio, si prevede l’applicazione solo di parte del pressopiegato (un’ala ed il raccordo circolare) intorno al quale vengono fatti girare i nastri; inoltre per evitare di effettuare un numero notevole di fori nel solaio si preferisce avere più nastri sovrapposti ad un interasse maggiore. 

Nella modalità di applicazione consueta i pressopiegati istallati su pilastri e travi non sono continui nei nodi, ad eccezione del pressopiegato esterno nei nodi d’angolo e quindi costituiscono un’armatura aggiuntiva a flessione solo nella mezzeria degli elementi; il loro collegamento al calcestruzzo oltre che garantito dalla presenza della malta e dei nastri presollecitati può essere integrato con barre ad aderenza migliorata, piegate a 90°, saldate ai bordi dei pressopiegati e inghisate nel c.a con resine epossidiche. Il rinforzo del nodo con armature orizzontali viene eseguito con l’inserimento di piatti di spessore 4/6 mm pressopiegati ad L con dimensioni ad hoc (lunghezza pari alla dimensione del pilastro inferiore + circa 200 mm per lato, altezza pari a circa metà della trave); i pressopiegati vengono collegati alle estremità delle travi concorrenti nel nodo con barre filettate ancorate chimicamente, posizionate lungo un allineamento verticale all’attacco della trave in una zona dove sicuramente non sono presenti armature e mediante una fitta serie di nastri. 

Il rinforzo del nodo sulla faccia esterna sicuramente aumenta anche la resistenza a flessione e taglio delle estremità delle travi concorrenti nel nodo; per consentire quindi lo svilupparsi di un meccanismo globale di travi deboli e pilastri forti, si posiziona l’angolare del rinforzo della trave a partire da una distanza di circa 60 mm dal rinforzo del nodo in modo da avere una zona predefinita (non rinforzata e con calcestruzzo di buona duttilità a causa del cerchiaggio) ove indurre la formazione della cerniera plastica nelle travi. 

Nel caso di pareti o pilastri con dimensioni molto diverse fra loro, per una maggiore efficacia dell’intervento di cerchiaggio effettuato con i pressopiegati d’angolo ed i nastri, è possibile l’applicazione di barre trasversali filettate di diametro minimo 10 mm i cui dadi di estremità contrastano su delle piastre asolate di forma usualmente circolare diametro 161.8 mm spessore 4 mm, alle quali si agganciano i nastri orizzontali che cerchiano la sezione. Le medesime barre possono essere utilizzate per chiudere la staffatura di un rinforzo a taglio di una trave alta senza far giungere i nastri all’estradosso della trave. I pressopiegati ad L posti agli angoli dei pilastri possono essere ancorati in fondazione mediante altri pressopiegati ad essi saldati ed attraverso barre filettate ancorate chimicamente alla fondazione esistente. 

3.1 Incremento caratteristiche meccaniche Per gli elementi in c.a rinforzati con il SISTEMA Ф si assume un aumento della resistenza a compressione e della deformazione ultima del calcestruzzo in accordo alle formule C8A.7.6 e C8A.7.8 della Circolare 617 del 2.2.2009 Relativamente all’incremento di resistenza a taglio fornito da un’incamiciatura in acciaio la Circolare n. 617 del 2.2.2009 fornisce la formula C8A.7.5: Vj= t yw j f s t b cosα 2 1 0.5 ⋅ ⋅ nella quale tj, b, s sono rispettivamente spessore, larghezza e interasse delle bande, fyw è la resistenza di calcolo a snervamento dell’acciaio, αt è l’inclinazione delle fessure per taglio e 0.5 è un fattore moltiplicativo della tensione di snervamento per assicurarsi che la camicia rimanga interamente in campo elastico. La predetta formula, riportata anche in EN 1998-3 par. A.4.3.2, riporta delle incongruenze in termini dimensionali, in quanto per ottenere una forza a secondo membro manca un termine avente la dimensione di una lunghezza a numeratore, inoltre non è ben definito se l’angolo αt relativo all’inclinazione delle fessure per taglio sia pari a (90-θ) e perchè il suo coseno entri a denominatore nella formula della resistenza; si ritiene quindi la formula non applicabile, ed in linea con le proposte di correzione dell’EN 1998- 3 si ritiene corretto di valutare l’incremento di resistenza a taglio prodotto da un intervento di incamiciatura in acciaio, con una formula analoga a quella che la normativa indica per la valutazione della resistenza al taglio dovuta alla presenza di armatura trasversale, mantenendo comunque la limitazione del 50% rispetto alla tensione di snervamento di calcolo dei nastri per tener conto di quanto prescritto al paragrafo C8A.7.2.1. Vj= f ctgα ctgθ senα s t b d yd j ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ 0.5 ( ) 2 0.9 (4) dove θ è l’inclinazione dei puntoni di calcestruzzo rispetto all’asse della trave ed α è angolo di inclinazione dell’armatura trasversale rispetto all’asse della trave (nel nosto caso pari sempre a 90°). 4 CONCLUSIONI Il SISTEMA Φ è una tecnologia di cui le prime applicazioni sono state effettuate a L’Aquila nel 2012 ed hanno riguardato sia edifici in muratura che edifici in c.a.. 

Oltre ad impedire lo svilupparsi di meccanismi locali ed incrementare le capacità di resistenza e duttilità dei maschi murari e delle fasce di piano, il sistema garantisce la massima durabilità nel tempo e la compatibilità con intonaci tradizionali a base di calce in interventi di bioedilizia dato che tutti i componenti sono in acciaio inox. La tipologia a nastri del rinforzo consente l’applicazione di uno spessore tradizionale di intonaco in modo da non aumentare le masse strutturali e consente di mantenere la continuità dei nastri anche in corrispondenza dell’attraversamento di solai e scale senza danneggiare pavimenti e rivestimenti e quindi garantisce la massima tridimensionalità all’intervento. Il sistema consente una grande flessibilità di soluzioni e di applicazione, in edifici non particolarmente danneggiati la rimozione dell’intonaco può ridursi alle realizzazione delle singole tracce e l’istallazione è compatibile anche con il mantenimento degli impianti esistenti. Nei casi in cui si voglia limitare l’intervento per vincoli economici, è possibile prevedere l’intervento non su tutta l’estensione delle pareti ma la realizzazione di “telai di muratura armata”, applicando il sistema sulle angolate murarie, sui martelli murari ed in adiacenza ai solai. Nel caso di una riqualificazione complessiva dell’edificio anche dal punto di vista energetico il sistema applicato anche con la rete estrusa in PP si presta ad essere il supporto ideale di interventi con rivestimento a cappotto, Nelle strutture intelaiate in c.a. l’istallazione del sistema permette l’eliminazione delle carenze alle azioni sismiche con un intervento che ripristina la gerachia delle resistenze fra rottura a taglio e rottura a flessione e che aumenta le caratteristiche del calcestruzzo sia in temini di resistenza che di duttilità consentendo ad una struttura rinforzata in maniera diffusa di sostenere sismi di elevata intensità. 

L’istallazione del rinforzo in edifici non danneggiati prevede una limitata demolizione delle parti non strutturali, un bassissimo aumento di volume degli elementi strutturali, un’istallazione molto rapida ed il rafforzamento provvisorio di elementi fortemente danneggiati dal sisma. Nei prossimi mesi è prevista una estensione della campagna sperimentale sui pannelli in muratura di pietrame per validare ulteriormente i primi risultati ottenuti ed inoltre l’avvio di una nuova campagna sperimentale relativa a pannelli in muratura di mattoni ad una o due teste, con una particolare attenzione alle murature realizzate senza la presenza di diatoni per le quali si attende un notevole incremento di resistenza a valle dell’applicazione del sistema. REFERENCES D.M. 14 gennaio 2008 “Nuove norme tecniche per le costruzioni” Circolare 2 febbraio 2009, n. 617 - Istruzioni per l’applicazione delle “Nuove norme tecniche per le costruzioni” di cui al D.M. 14 gennaio 2008 UNI EN 1998-3 Eurocode 8 Design of structure for earthquake resistance, Part 3: Assessment and retrofitting of buildings, 2005 Linee guida per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Collaudo di Interventi di Rinforzo di strutture di c.a., c.a.p. e murarie mediante FRP, Documento approvato il 24 luglio 2009 dall’assemblea Geneale Consiglio Superiore LL PP Dolce M., Di Pasquale G., Moroni C., Manfredi G., Balsamo A., Iovinella I, Di Ludovico M., Lignola G.P., Margheriti C., 2009. Linee guida per riparazione e rafforzamento di elementi strutturali, tamponature e partizioni

a cura di:

Carlo Margheriti Alhambra srl. Viale Donato Bramante 41, 05100 Terni

Gianfranco Forcucci Sismas srl. Via Adriatica Nord, 28/A, 66023 Francavilla a Mare (CH)