Muri Antichi, Forza Nuova: Come il Calcestruzzo UHPC Rivoluziona il Rinforzo!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi appassiona molto: come dare nuova vita e sicurezza ai nostri vecchi muri in mattoni. Sappiamo tutti che le murature sono elementi fondamentali in tantissimi edifici, specialmente quelli storici o residenziali, ma ahimè, sono anche piuttosto vulnerabili, soprattutto sotto carichi pesanti o eventi estremi come i terremoti. Trovare soluzioni pratiche ed economiche per migliorarne la longevità e la sicurezza è una sfida cruciale.

Ecco dove entra in gioco la mia ricerca, o meglio, l’esplorazione che abbiamo condotto usando la potenza della simulazione numerica. Ci siamo chiesti: e se usassimo uno strato di calcestruzzo ad altissime prestazioni (il famoso UHPC, Ultra High-Performance Concrete) per rinforzare questi muri esistenti? L’idea è affascinante, vero?

Perché Rinforzare i Muri in Muratura?

I muri in mattoni, soprattutto quelli datati, possono mostrare i segni del tempo e diventare fragili. Hanno bisogno di un “lifting” strutturale per garantire la sicurezza e prolungarne la vita. Negli ultimi anni, noi ricercatori abbiamo studiato parecchio come migliorare le loro prestazioni, sia sotto carichi nel piano (quelli che spingono lateralmente) che fuori dal piano.

Sono state proposte diverse tecniche e materiali. Avrete forse sentito parlare degli FRP (Fiber Reinforced Polymers) o dei TRM (Textile Reinforced Mortar). Sono materiali con ottime proprietà meccaniche e sono stati usati parecchio.

• Gli FRP hanno dimostrato di aumentare significativamente la resistenza al taglio e la tenacità dei muri. Studi come quelli di Mahmood et al. e Marcari et al. lo confermano. Tuttavia, hanno i loro contro: possono portare a distacchi (debonding) sotto carichi estremi a causa della loro scarsa duttilità, hanno un certo impatto ambientale, costano, non hanno una grande rigidezza e non lavorano benissimo con la muratura ad alte temperature. Inoltre, l’efficacia dipende molto da un ancoraggio perfetto, che non è sempre facile da realizzare.
• I TRM sono visti come un’alternativa interessante, perché hanno una migliore compatibilità con la muratura, evitando problemi di distacco e permeabilità. Ricerche come quelle di Marcari et al. su murature in tufo rinforzate con BTRM (Basalt Textile Reinforced Mortar) hanno mostrato buoni miglioramenti nella resistenza al taglio. Altri studi, come quello di Bernat et al., hanno visto aumenti notevoli nella capacità portante sotto carichi eccentrici. Ivorra et al. hanno addirittura riportato un aumento del 240% della capacità di carico massimo sotto carichi ciclici. Però, attenzione: l’aumento della rigidezza iniziale spesso è modesto e, in alcuni casi, l’energia dissipata dal muro rinforzato può essere inferiore a quella del muro non rinforzato.

UHPC: Un Alleato Potente e Durevole

E qui arriva il nostro protagonista: l’UHPC. Perché lo consideriamo così promettente rispetto a FRP e TRM? Beh, l’UHPC brilla per la sua notevole durabilità, ha un minore impatto ambientale a lungo termine e una maggiore compatibilità con le murature storiche.

Rispetto agli FRP, che soffrono di problemi di adesione e bassa rigidezza, l’UHPC offre una migliore forza di legame, maggiore resistenza al taglio e durabilità nel tempo con minima manutenzione. E se confrontato con i TRM, che pur essendo più compatibili peccano un po’ in resistenza meccanica e durabilità sotto carichi estremi, l’UHPC vince a mani basse. La sua bassissima permeabilità lo rende resistente all’umidità, ai cicli di gelo-disgelo e agli attacchi chimici. Inoltre, essendo un materiale cementizio, si integra perfettamente con i substrati tradizionali in muratura, il che è fantastico per preservare le strutture antiche senza stravolgerne l’architettura.

Insomma, l’UHPC sembra proprio il materiale che risolve molti dei problemi visti con FRP e TRM, offrendo un’alternativa durevole, efficiente ed ecologica.

Ci sono già stati studi sull’uso dell’UHPC per rinforzare elementi in cemento armato (travi, pilastri, solai), ma la sua applicazione specifica sulle murature è ancora poco esplorata, specialmente riguardo al comportamento strutturale al variare di certi parametri.

La Simulazione Numerica: Il Nostro Laboratorio Virtuale

Ecco perché abbiamo deciso di usare la simulazione numerica, in particolare il Metodo degli Elementi Finiti (FEM). Questo approccio ci permette di “testare” i muri virtualmente, senza dover costruire e distruggere costosi prototipi fisici, cosa fondamentale quando si lavora su edifici storici.

Abbiamo scelto un approccio di micro-modellazione dettagliata. Immaginate di poter vedere ogni singolo mattone e strato di malta nel nostro modello al computer! Abbiamo considerato mattoni e malta come elementi continui e le interfacce tra loro come elementi discontinui, usando un approccio coesivo basato sulla superficie. Per descrivere il comportamento complesso di questi materiali, specialmente quando iniziano a danneggiarsi, abbiamo usato il modello costitutivo chiamato Concrete Damage Plasticity (CDP). Questo modello è ottimo per simulare materiali quasi-fragili come i mattoni e il calcestruzzo, catturando la loro diversa resistenza a compressione e trazione e come si sviluppa il danno.

Il nostro obiettivo era creare una rappresentazione 3D completa e realistica del muro in muratura, sia nella sua versione originale (UMW – Unstrengthened Masonry Wall) che in quella rinforzata con uno strato di UHPC (SMW – Strengthened Masonry Wall). Abbiamo poi “applicato” dei carichi laterali nel piano per vedere come si comportavano.

Validazione: Il Confronto con la Realtà

Prima di lanciarci nelle analisi parametriche, era fondamentale assicurarci che il nostro modello numerico fosse affidabile. Lo abbiamo validato confrontando i risultati con dati sperimentali reali ottenuti in precedenza da uno dei nostri autori su muri storici simili. Abbiamo verificato la corrispondenza in termini di:

• Relazione forza-spostamento
• Degrado della rigidezza
• Resistenza al taglio nel piano
• Modalità di fessurazione e rottura

I risultati sono stati eccellenti! Il modello numerico ha seguito da vicino le curve sperimentali e ha replicato accuratamente i pattern di danno osservati nei test reali. Questo ci ha dato grande fiducia nella capacità del nostro approccio di prevedere il comportamento strutturale.

Cosa Abbiamo Scoperto? Risultati Sorprendenti!

E ora, i risultati! Preparatevi, perché sono davvero notevoli.

1. Un Boost Impressionante: Lo strato di UHPC ha migliorato drasticamente le prestazioni del muro. Parliamo di un aumento della resistenza al taglio nel piano del 380%! Non solo, anche la rigidezza è aumentata del 193% e l’energia dissipata (la capacità del muro di assorbire energia prima di rompersi, fondamentale in caso di sisma) è schizzata su del 363%. Numeri pazzeschi, vero?

2. Cambia il Modo di Rompersi (in Meglio): Il muro non rinforzato (UMW) tendeva a rompersi abbastanza presto, con crepe che si formavano nei giunti di malta a causa della sua bassa resistenza a trazione. Il muro rinforzato (SMW), invece, grazie al contributo dell’UHPC, ha mostrato una capacità di deformazione molto maggiore prima di arrivare alla rottura finale. In pratica, l’UHPC ha ritardato la rottura e ha cambiato il meccanismo di collasso, che nel muro rinforzato avveniva per flessione sull’angolo compresso dopo spostamenti molto più ampi (il 97% in più!).

3. Spessore dello Strato UHPC: Quanto Basta? Abbiamo simulato muri con diversi spessori dello strato di UHPC (20, 30, 40, 50 mm). I risultati? Aumentare lo spessore migliora le prestazioni (resistenza e rigidezza), ma l’effetto non è lineare all’infinito. Abbiamo osservato che i miglioramenti diventano meno significativi oltre i 40 mm, suggerendo che potrebbe esserci uno spessore “ottimale” oltre il quale non conviene andare, anche per questioni di costo e peso aggiunto.

4. La Forma Conta: L’Aspect Ratio: Abbiamo anche variato il rapporto tra altezza e lunghezza del muro (aspect ratio). È emerso che anche questo parametro influenza il comportamento. Muri con un aspect ratio compreso tra 1.45 e 1.55 (nel nostro studio sui muri non rinforzati, ma l’indicazione è utile) sembrano avere un buon equilibrio tra rigidezza e duttilità. Questo ci dice che l’efficacia del rinforzo può dipendere anche dalla geometria specifica del muro.

UHPC vs. FRP e TRM: Tiriamo le Somme

Se dovessimo fare un confronto finale basato sui nostri risultati e sulla letteratura:

• Costo: L’UHPC ha un costo iniziale più alto, ma la sua durabilità e le minori necessità di manutenzione potrebbero renderlo conveniente nel lungo periodo. FRP e TRM possono essere meno costosi all’inizio, ma i costi di installazione (specialmente per FRP) e la minore longevità (per TRM) vanno considerati.
• Applicazione: L’UHPC si lega bene alla muratura. L’FRP richiede preparazione della superficie e manodopera specializzata. Il TRM è più flessibile su superfici irregolari.
• Performance: L’UHPC offre miglioramenti superiori in termini di resistenza, rigidezza e durabilità rispetto agli altri due, come confermato dalle nostre simulazioni.
• Sostenibilità: La lunga vita utile dell’UHPC può bilanciare l’energia necessaria per produrlo.

Dove Potremmo Usare Questa Tecnica?

Le implicazioni pratiche di questa ricerca sono enormi! L’UHPC si rivela una soluzione fantastica per:

• Edifici Storici: Permette di rinforzare le murature preservandone l’integrità architettonica.
• Adeguamento Sismico: La sua elevata resistenza e capacità di dissipare energia lo rendono ideale per migliorare la risposta degli edifici ai terremoti.
• Edifici Alti: Per rinforzare muri portanti.
• Infrastrutture in Ambienti Aggressivi: Ponti, strutture marine, dove la resistenza all’umidità, al gelo e agli agenti chimici è cruciale.

Uno Sguardo al Futuro

Certo, la ricerca non si ferma qui. Sarebbe interessantissimo studiare il comportamento di questi muri rinforzati sotto carichi ciclici o sismici reali (non solo simulati). Potremmo esplorare soluzioni ibride, magari combinando UHPC con fibre per migliorare ulteriormente la duttilità. Anche modelli multi-scala potrebbero affinare le nostre previsioni. E, naturalmente, studi sulla durabilità a lungo termine ci diranno come l’UHPC si comporta con l’invecchiamento e l’esposizione ambientale.

In conclusione, il nostro viaggio nel mondo virtuale della simulazione ci ha mostrato il potenziale rivoluzionario dell’UHPC per dare nuova forza e vita ai muri in mattoni. È una tecnologia che combina prestazioni eccezionali con durabilità e compatibilità, aprendo scenari entusiasmanti per l’ingegneria civile e il restauro.

Fonte: Springer