Comportamento a taglio di elementi murari rinforzati con compositi FRCM in fibre naturali

Abstract

Nel presente lavoro, svolto nell’ambito del dottorato di ricerca, si è affrontato l’argomento della progettazione strutturale sostenibile attraverso lo studio di un sistema di rinforzo costituito da materiali a basso impatto ambientale. È stata analizzata, in particolare, la possibilità di sviluppo di un nuovo composito a matrice cementizia da impiegare nel campo della riabilitazione strutturale e dell’adeguamento sismico come rinforzo esterno di elementi in muratura. La fase fibrosa è rappresentata anch’essa da materiali non convenzionali ed eco-sostenibili, composti da fibre naturali di canapa e di lino nella forma di nastri e tessuti uni e bi-direzionali. Riguardo l’uso dei sistemi FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix), costituiti da leganti inorganici idraulici in sostituzione delle resine epossidiche dei più tradizionali FRP (Fiber Reinforced Polymer), numerosi sono ormai gli studi sperimentali presenti nella letteratura scientifica che li vedono accoppiati a fibre di natura sintetica (vetro, carbonio, PBO, etc.). Tali indagini hanno dimostrato buone caratteristiche di adesione alla muratura, buona resistenza alle alte temperature e, con un’opportuna scelta della fase di rinforzo, buone caratteristiche meccaniche. Meno apprezzabile è risultata invece la compatibilità con le fibre. Prove sperimentali di delaminazione eseguite su murature e/o su elementi resistenti in laterizio/pietra rinforzati, hanno evidenziato, infatti, la frequenza di una modalità di crisi per perdita di aderenza tra la matrice e l’elemento di rinforzo. Il problema dello “scollamento” delle fibre dall’adesivo (debonding) è alla stregua del fenomeno del distacco del materiale composito dalla parte superficiale del supporto murario (peeling, tipico dei sistemi con FRP), poiché entrambe le tipologie di rottura si manifestano all’interfaccia tra gli strati impedendo al materiale di rinforzo di lavorare al massimo delle proprie prestazioni a trazione. Nell’ambito delineato, la scelta di impiegare fibre lunghe naturali (NF) in sostituzione delle fibre artificiali sintetiche comunemente impiegate nel campo dei rinforzi strutturali con compositi rappresenta un’innovazione assoluta. Si tratta di materiali con modeste caratteristiche meccaniche ed elastiche ma del tutto paragonabili alle fibre di vetro di medie prestazioni. L’attività sperimentale condotta per il presente studio ha avuto lo scopo di indagare preliminarmente la compatibilità di tali fibre con una matrice cementizia specifica per sistemi di consolidamento esterno e, successivamente, di valutare l’efficacia del materiale composito ottenuto (NFRCM) quando applicato a elementi in muratura di mattoni pieni sottoposti ad azioni di taglio nel piano. Più specificamente, dopo una prima fase di caratterizzazione a trazione dei nastri, affiancata a una campagna di prove di tipo pull-out su elementi in laterizio fibrorinforzati, si è proceduto a una serie di prove di compressione diagonale su campioni di muratura privi di rinforzo e su campioni rinforzati, consentendo di rilevare l’efficacia del rinforzo in termini di capacità resistente e rigidezza al taglio. Le strisce di materiale composito sono state applicate su ambo le superfici regolarizzate dei pannelli murari secondo le disposizioni geometriche in diagonale e a reticolo a maglie quadrate. Le prove di aderenza e quelle di taglio nel piano sono state ripetute utilizzando un tessuto in fibre di vetro immerso nella stessa matrice in cui sono state impregnate le fibre naturali, allo scopo di eseguire un confronto con i materiali di rinforzo comunemente impiegati nei sistemi FRCM. Alla campagna sperimentale, infine, è stata accostata un’analisi numerica atta a fornire dei modelli capaci di descrivere il comportamento sperimentale esibito dai provini murari durante le prove di laboratorio. In particolare, i pannelli sono stati discretizzati all’interno del codice di calcolo LMGC90 e le strisce di composito modellate tenendo conto solo della modalità di rottura a trazione delle fibre nell’ipotesi di perfetta aderenza al supporto murario. Il codice risulta essere particolarmente adatto alla modellazione della muratura, basandosi su un metodo agli elementi distinti (DEM) che adotta un algoritmo di risoluzione completamente implicito (Non Smooth Dynamic Contact method). In particolare, esso è utilizzato per modellare il comportamento globale di sistemi discreti considerando il comportamento dinamico proprio di ogni componente in interazione con gli altri elementi. Le analisi numeriche risultano in buon accordo con le risultanze sperimentali, mostrando la validità di questo primo approccio di modellazione numerica per la muratura rinforzata. Parole chiave: Muratura, Rinforzo, FRCM, Fibre naturali, Compressione diagonale,Modellazione