Muri a Secco Più Sicuri ed Economici? Vi Svelo il Segreto dell’FRP!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi appassiona molto e che riguarda il cuore delle nostre costruzioni, soprattutto quelle più tradizionali: i muri. In particolare, mi concentrerò sui muri a secco, quelle magnifiche strutture in pietra che vediamo spesso nei nostri paesaggi rurali o nei centri storici. Belli, vero? Ma ahimè, non sempre così robusti, specialmente quando la terra trema.

Il Tallone d’Achille dei Muri a Secco: la Vulnerabilità Sismica

Diciamocelo, i muri in muratura non armata (URM), e in particolare quelli a secco (dove la malta è assente o deteriorata), rappresentano una fetta enorme del patrimonio edilizio mondiale, oltre il 70%! Sono testimoni della nostra storia, ma costruiti senza le conoscenze antisismiche moderne, possono diventare davvero pericolosi in caso di terremoto. Le forze laterali scatenano tensioni e crepe che possono portare a crolli fragili e improvvisi. Sotto il peso normale (carichi verticali) di solito se la cavano, ma le sollecitazioni orizzontali sono il loro punto debole. Ecco perché studiare come renderli più sicuri è fondamentale, non solo per preservare gli edifici, ma soprattutto per proteggere le vite umane e bilanciare costi e benefici.

Rinforzare si Può! Ma Come?

Negli ultimi decenni, la ricerca ha fatto passi da gigante. Abbiamo capito molto di più sul comportamento sismico delle murature grazie ad analisi post-terremoto, esperimenti e modelli numerici. Sono nate tante tecniche di rinforzo, alcune tradizionali rivisitate, altre completamente nuove. L’obiettivo? Migliorare l’integrità strutturale, ridurre le sollecitazioni sismiche sull’edificio e aumentare la capacità portante dei singoli elementi. Una delle strade più battute è l’inserimento di barre di rinforzo. L’acciaio è stato usato per anni e migliora la duttilità, la resistenza e la capacità di dissipare energia. Ma oggi c’è un materiale che sta rubando la scena: i polimeri fibrorinforzati, meglio noti come FRP (Fiber-Reinforced Polymer).

FRP: Leggeri, Forti e Versatili

Perché tanto interesse per gli FRP? Beh, immaginate un materiale leggerissimo, con una resistenza a trazione pazzesca, resistente alla corrosione e alle forze magnetiche. Esistono in varie forme (barre, nastri, tessuti) e con diverse fibre: carbonio (CFRP), arammide (AFRP), vetro (GFRP). Diversi studi hanno dimostrato che l’uso di FRP può aumentare la resistenza dei muri in modo significativo, sia nel piano che fuori dal piano, migliorando capacità portante, duttilità e assorbimento di energia. E un vantaggio non da poco: il loro cedimento è graduale, aiutando a prevenire i collassi improvvisi tipici delle murature non armate. Certo, l’installazione può costare un po’ di più e richiede competenze specifiche, ma i benefici in termini di prestazioni e minimo disturbo alla struttura esistente sono spesso impagabili.

La Nostra Ricerca: Mettere alla Prova gli FRP (e non solo) sui Muri a Secco

Nel mio lavoro, mi sono concentrato proprio sui muri a secco, spesso trascurati ma estremamente vulnerabili. Volevo trovare un metodo di rinforzo economico ed efficace. L’idea? Inserire delle barre di rinforzo direttamente *all’interno* del muro, in scanalature apposite, ancorandole bene alle estremità. Questa tecnica, detta “embedded bars”, non richiede preparazioni superficiali complesse e riduce i tempi di installazione rispetto ad altri metodi.
Abbiamo deciso di non limitarci agli FRP. Per avere un quadro completo, abbiamo incluso nelle nostre analisi anche barre in acciaio inossidabile (SS) e titanio (Ti), materiali noti per le loro proprietà. E per gli FRP, abbiamo considerato diverse varianti:

• CFRP1 e CFRP2: Polimeri rinforzati con fibra di carbonio (uno ad alto modulo, l’altro ad alta resistenza).
• EGFRP e SGFRP: Polimeri rinforzati con fibra di vetro (E-glass per isolamento elettrico, S-glass per alta resistenza).
• AFRP: Polimero rinforzato con fibra aramidica.

Ma non bastava scegliere i materiali. Dovevamo capire *come* disporre queste barre per ottenere il massimo beneficio. Abbiamo quindi simulato al computer, usando un software avanzato (ABAQUS) e una tecnica chiamata “micro-modellazione” (che guarda al dettaglio le interazioni tra pietre e giunti), tre layout principali:

• Orizzontale: Barre inserite lungo i giunti orizzontali.
• Verticale: Barre inserite verticalmente attraverso le pietre.
• Diagonale: Barre inserite diagonalmente (più complesso da realizzare in pratica, ma utile per confronto).

Per ogni layout, abbiamo testato diverse configurazioni, variando il numero e la posizione delle barre. Prima di tutto, però, dovevamo essere sicuri che il nostro modello al computer fosse affidabile. Lo abbiamo “calibrato” confrontando i suoi risultati con quelli di esperimenti reali fatti in passato su muri a secco non rinforzati. La corrispondenza era ottima! A quel punto, eravamo pronti a “rinforzare” virtualmente i nostri muri e vedere cosa succedeva sotto carico, sia spingendoli gradualmente (analisi pushover) sia simulando cicli di carico simili a un terremoto (analisi ciclica).

I Risultati: Sorprese (e Conferme)

Allora, cosa abbiamo scoperto?
Layout Orizzontale: Bocciato!
Come sospettavamo, mettere le barre in orizzontale serve a poco. Non aiutano a contrastare l’apertura dei giunti orizzontali, che è il modo principale in cui questi muri cedono sotto spinte laterali. L’incremento di resistenza è minimo, specialmente con carichi verticali elevati. Quindi, prima lezione: disposizione orizzontale, meglio evitare.

Layout Verticale e Diagonale: Promossi a Pieni Voti!
Qui le cose si fanno interessanti! Sia le barre verticali che quelle diagonali hanno mostrato un netto miglioramento delle prestazioni del muro. Abbiamo visto un aumento significativo della resistenza (quella che chiamiamo “overstrength”) e della rigidezza dopo il primo snervamento (“hardening stiffness”). Il muro, da fragile che era, inizia a comportarsi in modo più duttile.
Tra le tante configurazioni testate, alcune sono emerse come particolarmente efficaci:

• Per il layout verticale: i modelli VR3-2, VR6-4 e soprattutto VR7-6 (quest’ultimo con 6 barre verticali ben distribuite).
• Per il layout diagonale: i modelli DR2-6, DR4-4 e DR8-8.

Materiali a Confronto: Forza vs Duttilità
Ora, la scelta del materiale. Acciaio inox e titanio si sono comportati bene, offrendo molta duttilità (cioè la capacità di deformarsi molto prima di rompersi), il che è ottimo in caso di sisma. L’acciaio inox ha mostrato una resistenza e rigidezza leggermente superiori al titanio.
Gli FRP, invece, sono stati i campioni di resistenza e rigidezza. In particolare, il CFRP2 (carbonio ad alta resistenza) e l’SGFRP (vetro ad alta resistenza) hanno dato valori di “overstrength” e “hardening stiffness” molto più alti rispetto all’acciaio e al titanio. C’è un “ma”: gli FRP sono materiali fragili. Raggiunta la loro resistenza massima, si rompono di netto. Questo significa che, in alcune configurazioni, le barre FRP si rompevano prima che il muro raggiungesse la massima deformazione che volevamo testare.
Qui entra in gioco l’SGFRP. Pur avendo una resistenza simile al CFRP2, ha mostrato una maggiore capacità di deformazione prima della rottura. In pratica, riusciva a “tenere botta” più a lungo.

Il Campione Assoluto: VR7-6 con SGFRP

Mettendo insieme layout e materiale, qual è la combinazione vincente? Confrontando tutte le opzioni migliori, è emerso un chiaro vincitore: la configurazione verticale VR7-6 con barre in SGFRP.
Perché?

1. Massima Efficienza: Offre il miglior compromesso tra aumento di resistenza, rigidezza e capacità di deformazione. Le barre SGFRP in questa configurazione sono riuscite a raggiungere (e a volte superare) la deformazione target senza rompersi nella maggior parte dei casi.
2. Prestazioni Cicliche Superiori: Abbiamo poi simulato i carichi ciclici (tipo terremoto). Anche qui, VR7-6/SGFRP ha brillato. I cicli di carico-scarico (le “curve di isteresi”) erano molto più “larghi” e stabili rispetto al muro originale e alle altre configurazioni. Questo significa che il muro rinforzato in questo modo è in grado di dissipare molta più energia sismica (fino a 77 volte di più a bassi carichi verticali!), riducendo i danni. Inoltre, ha quasi eliminato due difetti tipici del comportamento ciclico dei muri originali: la “distorsione” del ciclo (bias) e lo “scivolamento libero” durante lo scarico (free sliding).

In sostanza, questa combinazione trasforma un muro a secco fragile in una struttura significativamente più robusta e resiliente.

Alternative e Considerazioni Pratiche

E se l’SGFRP non fosse disponibile o troppo costoso? L’acciaio inossidabile e il titanio rimangono ottime alternative, specialmente se si cerca la massima duttilità, anche se non raggiungono i picchi di resistenza degli FRP migliori. Altri FRP, come il CFRP2, danno sì grande resistenza, ma la loro fragilità li rende più sensibili alla configurazione e potrebbero rompersi prematuramente.
Ovviamente, i costi dei materiali e della manodopera variano da luogo a luogo, quindi la scelta “ottimale” in un progetto reale dipenderà anche dal budget e dalla disponibilità locale.
Un’ultima nota importante: i nostri modelli al computer assumono una costruzione “ideale”. Nella realtà, la qualità della muratura può variare. È fondamentale tenerne conto quando si applicano questi risultati a casi reali.

In Conclusione

La nostra ricerca ha dimostrato che rinforzare i muri a secco con barre SGFRP inserite verticalmente (configurazione VR7-6) è un metodo estremamente efficace e potenzialmente economico per migliorarne drasticamente il comportamento sismico. Aumenta la resistenza, la rigidezza, la capacità di deformazione e, soprattutto, la capacità di dissipare l’energia di un terremoto. È una soluzione che rispetta l’estetica del muro (le barre sono nascoste) e offre un salto di qualità in termini di sicurezza. Spero che questi risultati possano contribuire a proteggere meglio il nostro prezioso patrimonio edilizio!

Fonte: Springer