Progetto Europeo Insysme | Ricerca

Sistemi costruttivi innovativi per tamponature in laterizio basati sull’utilizzo di giunti deformabili

Nel contesto del Progetto Europeo Insysme, finanziato all’interno del 7° Programma Quadro dalla Comunità europea e finalizzato allo sviluppo di sistemi innovativi per murature di tamponamento, l’Università di Padova e Andil hanno proposto il sistema Dres.

(Tratto da Costruire In laterizio 171)

Tra il 2013 e il 2016 si è svolto il progetto di ricerca europeo Insysme [1], co-finanziato per quasi 2 milioni di euro dalla Commissione europea, che ha avuto come principali beneficiari le Associazioni di produttori di laterizio ed alcune imprese di 7 Paesi. Le premesse e la struttura del progetto Insysme sono descritte più approfonditamente in [2].

L’obiettivo principale è di sviluppare, nelle strutture a telaio in c.a., soluzioni ingegnerizzate per pareti di tamponamento, dotate di comportamento particolarmente performante nei confronti dell’azione sismica, e al tempo stesso in grado di influire positivamente sul comportamento globale della struttura. All’interno del consorzio del progetto sono stati ideati nuovi sistemi costruttivi, nel rispetto di materiali e metodologie costruttive locali, tenendo in considerazione i diversi livelli di input sismico e le diverse condizioni climatiche dei vari paesi coinvolti.

Rappresentazione grafica del sistema Dres.

Nel concepire i nuovi sistemi costruttivi, i partner di Insysme hanno seguito tre approcci principali:

  • incrementare sia la resistenza che la rigidezza di pareti di tamponatura incluse e rigidamente connesse al telaio;
  • incrementare la capacità deformativa di tamponature connesse al telaio, con l’ausilio di dispositivi speciali, in modo da ridurre il danneggiamento causato dagli spostamenti d’interpiano del telaio stesso;
  • disconnettere le tamponature dal telaio, consentendo spostamenti relativi tra la muratura e il telaio, in modo da limitare le interazioni tra le due parti e ridurre ulteriormente il danneggiamento.

Non sono ovviamente mancate, tra le numerose soluzioni innovative proposte [3], anche quelle ibride. I due principali sistemi ideati e testati in Italia, dalle Università di Pavia e di Padova, sono stati entrambi finalizzati ad incrementare la capacità deformativa della parete [4-5]. Il sistema descritto in questo contributo, sviluppato da Università di Padova e Andil, si basa sull’utilizzo di giunti in gomma deformabili.

Granuli di sbr .

Il sistema Dres

Il sistema innovativo di tamponatura Dres (acronimo di Damage reduction enclosure system) è caratterizzato da una parete di tamponamento in laterizio mono-strato suddivisa in quattro (o più) strisce orizzontali di muratura attraverso l’inserimento di speciali giunti deformabili. Altri due giunti deformabili sono posti in verticale lungo l’interfaccia tra pilastri e tamponatura, per distribuire in modo più uniforme le tensioni e assorbire parte della deformazione del telaio (Fig. 1). A livello locale e globale, la riduzione della rigidezza della tamponatura offerto dall’inserimento di giunti orizzontali deformabili consente di limitare il danneggiamento della muratura causato dall’interazione con il telaio. Inoltre, riducendo le forze d’interazione, vengono ridotte le forze di taglio complessive e, grazie alle caratteristiche della gomma, si incrementano le capacità dissipative della struttura.

Processo di estrusione.

Nel corso della sperimentazione sono state sviluppate quattro varianti del giunto orizzontale deformabile. La prima versione (Dres-V1) è realizzata in pura gomma naturale tramite stampaggio e vulcanizzazione.

Il giunto, di 15 mm di spessore, ha una particolare forma geometrica atta a sviluppare caratteristiche ortotrope, incrementando la rigidezza a taglio fuori piano rispetto a quella nel piano. La seconda versione del giunto (Dres-V2) è pari alla prima, ma caratterizzata da piccoli rilievi sulle superfici principali, in modo da aumentare l’aderenza tra giunto in gomma e giunto in malta.

Per semplificare la realizzazione e la messa in opera dei giunti deformabili, sono state sviluppate due ulteriori versioni (Dres-V3 e Dres-V4). Questi due nuovi giunti hanno caratteristiche isotrope, in quanto l’ortotropia fornisce un apporto limitato o nullo al funzionamento complessivo del sistema, e sono realizzati per estrusione di granuli di Sbr, ricavati dallo smaltimento di pneumatici esausti, incollati mediante una matrice in polimero termoplastico (Fig. 2). Questo materiale è usato nei sottofondi sintetici in ambito sportivo o agricolo. L’utilizzo come giunto, di fatto, rappresenta un impiego innovativo per un prodotto attualmente già presente sul mercato, ma destinato ad altri scopi.

Versione del giunto deformabile (fornito dalla Pentaplast srl).

Entrambi i giunti sono caratterizzati da nervature su entrambi i lati, utili nell’impedire lo scivolamento tra malta e giunto. Dres-V3 ha uno spessore dell’anima pari a 15 mm, come i precedenti sistemi, mentre Dres-V4 ha uno spessore di 4 mm (Fig. 3). Dato lo spessore minore e, conseguentemente, la rigidezza a taglio proporzionalmente superiore, questa quarta versione del giunto è pensata per essere applicata in ogni giunto di malta.

I giunti Dres-V3 e Dres-V4, essendo realizzati con materiali riciclati, consentono di avere costi di produzione pari a circa un terzo di quelli dei giunti in gomma naturale, ed agevola l’eventuale smaltimento/riciclo, aumentando l’eco-sostenibilità del sistema costruttivo. Non da ultimo, il profilo piano dei giunti consente di semplificare e velocizzare le fasi costruttive, rendendo più economica anche la messa in opera.

I giunti verticali impiegati nel sistema Dres sono anch’essi composti da fibre di Sbr riciclato e da granuli di Epdm (Ethylene-Propylene Diene Monomer), uniti tramite un collante poliuretanico. Anche in questo caso si tratta di un impiego innovativo per un prodotto già disponibile sul mercato, utilizzato per l’isolamento da vibrazioni (Fig. 4).

Pannelli impiegati nella realizzazione dei giunti verticali.

I blocchi in laterizio e la malta di allettamento impiegata sono stati scelti in modo da garantire la robustezza della tamponatura. In particolare, i blocchi sono caratterizzati da uno spessore di 30 cm e una resistenza a compressione di almeno 10 Mpa in verticale e 2 Mpa in orizzontale, mentre la malta per i giunti di allettamento è di classe M10.

Campagna sperimentale

Al fine di caratterizzare il sistema sviluppato è stata condotta una estesa campagna sperimentale, strutturata in tre fasi principali:

  1. caratterizzazione meccanica dei materiali e delle interazioni a livello di giunto;
  2. caratterizzazione meccanica della muratura, con e senza giunto innovativo;
  3. caratterizzazione del comportamento combinato nel piano e fuori piano della tamponatura su campioni a grandezza reale.
5 Caratteristiche dimensionali dei campioni testati.

Le prime due fasi sono descritte in [6]. Per quanto riguarda i test combinati nel piano e fuori piano, ogni campione è composto da un telaio in calcestruzzo armato mono-piano a singola campata con luce interna di 4.15 m e altezza di 2.75 m (Fig. 5). Le prove sono state condotte su un campione con muratura tradizionale, utilizzato come riferimento (4.Fc.Mj), sulle quattro varianti del sistema Dres (2.FU.R1, 3.FU.R2, 6.FU.R3, 9.FU.R4), su tamponatura Dres dotata di apertura (5.PU.R3), su tamponatura Dres con blocchi leggeri (8.FU.R3), e su una tamponatura con i soli giunti deformabili verticali (7.FU.RV). É stato inoltre testato un telaio nudo, senza parete, per estrapolare il contributo nel piano offerto dalle sole tamponature nel caso dei precedenti campioni (Tab. 1).

Elenco dei test eseguiti.

I test combinati nel piano e fuori piano si compongono di due fasi consecutive: nella prima fase, dopo aver precaricato ciascun pilastro a 40 tonnellate per simulare la presenza dei piani superiori, viene imposto uno spostamento ciclico crescente nel piano, alla trave superiore del telaio (Fig. 6a). Lo spostamento è applicato secondo una procedura quasi statica, suddividendo i valori di drift applicato al telaio (rapporto tra lo spostamento interpiano e l’altezza del piano) in step di ampiezza crescente, con cicli ripetuti 3 volte per ogni livello di spostamento raggiunto, fino ad un massimo di 2.4% (Fig. 6b). Successivamente, riportando a zero lo spostamento nel piano e mantenendo costante il carico verticale applicato sui pilastri, la tamponatura viene spinta fuori piano fino a collasso.
Da precisare che la normativa italiana – sia il testo in vigore delle Norme tecniche per le costruzioni [7] sia quello revisionato in via di approvazione [8] – prescrivono limiti di spostamento interpiano da verificare con riferimento esclusivo allo Stato Limite di Danno. In particolare, per le tamponature collegate rigidamente al telaio principale, le Ntc08 fissano il drift allo 0.5% mentre le nuove Ntc introducono 2 differenti limiti di drift 0.5% e 0.75% rispettivamente per tamponature fragili e duttili.  

Setup per la prova nel piano (a) e storia di spostamento applicata alla trave superiore (b).

Risultati sperimentali

Per brevità, si riportano i risultati dei test eseguiti sulle 5 tamponature complete, quella realizzata con muratura tradizionale e le quattro varianti del sistema Dres. Le immagini in Tab. 2 presentano un confronto tra i quadri fessurativi rilevati all’1.2% e al 2.4% di drift nei cinque campioni presi in considerazione.

Nella tamponatura tradizionale le prime lesioni appaiono per bassi livelli di drift e il crushing dei blocchi in prossimità dei nodi avviene già allo 1.2% di drift, in cui è presente un quadro di danno già pesante. I sistemi Dres-V1 e Dres-V2 riducono in modo molto evidente lo sviluppo di lesioni ed evitano completamente il crushing dei blocchi, anche ad elevati livelli di drift.

Al 2.4% di drift, il danno è quasi tutto concentrato lungo i giunti orizzontali, con solo qualche lesione pseudo-verticale nel Dres -V2. Va tuttavia sottolineato che entrambi i sistemi sono stati affetti da scivolamento lungo i giunti orizzontali. Questo fenomeno si è sviluppato improvvisamente a partire dallo 0.2% di drift nel Dres-V1 e più progressivamente, a partire da circa l’1.0% di drift, nel Dres-V2.

Lo scivolamento lungo i giunti ha permesso di limitare il danneggiamento delle fasce murarie e garantito alta dissipazione energetica, non è però un meccanismo desiderato, in quanto impedisce al sistema di recuperare le deformazioni imposte una volta terminato il test.

Setup per la prova fuori piano (a) e telaio di ripartizione del carico (b).

Le versioni Dres-V3 e Dres-V4, confrontate con le precedenti, presentano un danneggiamento maggiore e più diffuso sulla superficie della tamponatura. Tuttavia, a differenza della tamponatura tradizionale, entrambi i sistemi riducono e pospongono efficacemente la comparsa di lesioni (oltre lo 0.8% di drift), il crushing dei blocchi (primo limitato accenno di scartellamento oltre l’1.6% di drift) e possono essere associati a quadri di danno consistenti (comunque minori rispetto alla muratura tradizionale) solo per livelli di drift a cui lo stesso telaio è prossimo alle condizioni ultime (2.4%).

Curve di isteresi carico-drift nel piano (a) ed esempio della procedura utilizzata per valutare il contributo della sola tamponatura (b).

A partire dalle curve isteretiche di carico-spostamento, sono state tracciate le curve di inviluppo dei campioni (Fig. 8a) e quindi, secondo la procedura semplificata proposta da [9], il contributo delle sole tamponature è stato stimato per differenza tra le curve complessive e la curva del solo telaio nudo (Fig. 8b). Il diagramma in Fig. 9 confronta tali curve di inviluppo medie, relative alle quattro tamponature Dres e alla tamponatura tradizionale di riferimento.

É evidente come il contributo della tamponatura tradizionale sia più significativo in termini di rigidezza iniziale e carico massimo. Dopo il picco di resistenza, allo 0.6% di drift, il contributo della muratura cala rapidamente fino al 2.4% di drift, con una forza residua al termine della prova pari al 46% della massima. Il contributo della tamponatura Dres-V1 aumenta fino allo 0.2% di drift, quando, a causa dello scivolamento dei giunti orizzontali, si innesca un meccanismo di funzionamento diverso da quello progettato.

Dres-V2 raggiunge la resistenza massima all’1.2% di drift e successivamente riduce gradualmente il proprio contributo fino al termine del test, con forze residue, al 2.4% di drift, pari all’87% della massima. dres-V3 presenta un comportamento che si colloca tra la tamponatura tradizionale e la Dres-V2 sia per rigidezza iniziale che per resistenza massima. Il suo contributo in termini di resistenza aumenta fino all’1.2% di drift, con forze residue, al termine della prova, pari al 85% della massima.

La tamponatura Dres-V4, infine, ha mostrato la più elevata rigidezza iniziale tra tutti i sistemi Dres analizzati. Il picco di forza è raggiunto allo 0.8% di drift con forze residue, al termine della prova, pari al 74% della massima. La Tab. 3 riassume tutti questi dati.

Inviluppi medi dei cicli di isteresi per le differenti tipologie di tamponatura, e diagrammi carico spostamento nel fuori piano per le differenti tipologie di tamponatura.

Va sottolineato come i contributi di dres-V2, Dres-V3 e Dres-V4 siano molto significativi in quanto, a fronte di una riduzione della rigidezza iniziale della muratura, presentano il raggiungimento della massima resistenza (associabile allo Stato Limite di Danno) per valori più elevati di drift, fino al doppio rispetto alla muratura tradizionale (1.2% per le prime due). Al 2.4% di drift, la resistenza non si è significativamente ridotta, (riduzioni del 13-15% per le prime due, 26% per la terza), indicando quindi, rispetto alla muratura tradizionale, un degrado limitato nella fase post-picco. Dres-V2 presenta però, come già detto, il fenomeno non desiderato di scivolamento del giunto a partire da circa l’1.0% di drift.

Stima del contributo dei vari sistemi di tamponatura in termini di carico e di rigidezza.

Il sistema Dres-V3, grazie a valori intermedi di rigidezza che riducono favorevolmente la deformabilità del telaio garantendo al contempo livelli medi di forze, il raggiungimento dello Stato Limite di Danno per valori elevati di drift e un basso degrado in fase post-picco, risulta sicuramente un ottimo compromesso tra tutte le caratteristiche richieste, oltre ad essere il sistema di più rapida e facile costruzione [10].

In Fig. 9b sono rappresentate le curve carico-spostamento delle prove fuori piano, eseguite dopo il danneggiamento subito dalle murature durante la prova nel piano. Fatta eccezione per il sistema dres-V2, il valore di carico massimo fuori piano per gli altri campioni Dres è molto simile a quello ottenuto dalla muratura ordinaria di riferimento.

L’inserimento dei giunti in gomma, pur riducendo le resistenze a compressione della muratura, ha garantito un minor danneggiamento delle tamponature per deformazioni nel piano, che ha avuto come conseguenza il mantenimento di elevati livelli di resistenza fuori piano. In particolare, i sistemi Dres-V3 e Dres-V4 hanno raggiunto la resistenza massima per valori di spostamento pari a circa il doppio di quello raggiunto dalle altre tamponature testate.

Inoltre, presentano una elevata duttilità nel post picco e, in virtù della loro elevata aderenza al substrato, esercitano una efficace azione di contenimento, impedendo il collasso della muratura e l’espulsione di frammenti di muratura fuori dal piano, garantendo quindi livelli di sicurezza superiori rispetto agli altri sistemi testati (Fig. 11).

Spostamento ultimo fuori piano nel sistema Dres-V3 (a) e Dres-V4 (b).

Conclusioni

Nel presente articolo si sono analizzate le principali prove combinate nel piano e fuori piano eseguite su campioni di telai in calcestruzzo armato tamponati tramite il sistema innovativo di tamponatura Dres. Il sistema è stato sviluppato dall’Università di Padova con la collaborazione di Andil nell’ambito del Progetto Europeo Insysme.

I test sperimentali hanno mostrato come l’introduzione di giunti in gomma possa essere efficace per ottimizzare il comportamento, ridurre il danneggiamento ed evitare il collasso di tamponature in muratura soggette ad azioni nel piano e fuori piano, mettendo in luce alcune differenze legate alle diverse varianti di giunto testate.

In parallelo sono stati calibrati anche modelli di calcolo che hanno consentito lo svolgimento di analisi numeriche di dettaglio sulle murature di tamponamento e su tipologie di edifici a telaio, individuando i principali vantaggi che il sistema costruttivo comporta sulla progettazione del telaio [11].

Nicolò Verlato, ingegnere,
dipartimento Ingegneria civile, edile e ambientale, Università di Padova

Giovanni Guidi, ingegnere, phd,
dipartimento Ingegneria civile, edile e ambientale, Università di Padova

Claudio Modena, professore ordinario,
dipartimento Ingegneria civile, edile e ambientale, Università di Padova

Francesca da Porto, professore associato,
dipartimento Ingegneria civile, edile e ambientale, Università di Padova

Tab. 2: confronto tra i quadri fessurativi rilevati al 1.2% e al 2.4% di drift.

Bibliografia
[1] Insysme (Innovative systems for earthquake resistant masonry enclosures in rc buildings), progetto di ricerca europeo, grant Fp7-Sme-2013-2-Ga606229, 2013-2016 www.insysme.eu
[2] F. da Porto, C. Modena, G. Magenes, P. Morandi, A. Di Fusco, Progetto europeo sulle tamponature antisismiche, Costruire in Laterizio 163 (2015), 58-64, Issn: 0394-1590
[3] F. da Porto, Insysme, Progetto di ricerca europeo – Le tamponature antisismiche innovative sviluppate da tutti i partner, Laterizi d’Italia 03 (2017), 37-41, ISSN: 2499-8826
[4] A. Di Fusco, Tamponature antisismiche – da Insysme i sistemi innovativi italiani, Laterizi d’Italia 01 (2016), 26-30, Issn: 2499-8826
[5] P. Morandi, R. R. Milanesi, G. Magenes, Sistema innovativo antisismico per tamponature in laterizio a giunti scorrevoli, Costruire in Laterizio 165 (2015), 54-60, ISSN: 0394-1590
[6] N. Verlato, Development of a clay masonry enclosure system with deformable joints: experimental analysis and numerical modelling, Tesi di dottorato in Recupero di difici storici e contemporanei, Università degli Studi di Brescia – Ciclo XXIX (2017)
[7] Decreto Ministeriale del 14/01/2008, 2008. Approvazione delle nuove norme tecniche per le costruzioni. GU n. 29 del 4/2/2008
[8] Revisione Norme tecniche per le costruzioni- ratificata in Assemblea del 14/11/2014 CSSLLPP, Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti, aggiornamento 2016
[9] S. Hak, P. Morandi, G. Magenes, Damage control of masonry infills in seismic design, Iuss Press (2017), Isbn: 978-88-6198-088-4
[10] Aa.Vv. Deliverable 7.3 – Guidelines for site organization and execution, INSYSME Project, www.insysme.eu/downloads
[11] Aa.Vv. Deliverable 7.2 – Design guidelines for end-users, Insysme Project, www.insysme.eu/downloads

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