Da INSYSME i sistemi innovativi italiani

Il progetto Insysme, avviato ad ottobre del 2013 e co-finanziato dalla Commissione Europea a beneficio delle associazioni di PMI, mira a creare nuove opportunità per il settore europeo dell'industria dei laterizi e della filiera delle costruzioni in generale. Nell'ambito della ricerca europea "Innovative systems for earthquake resistant masonry enclosures in rc buildings", volta all'evoluzione delle tamponature antisismiche, i ricercatori italiani in collaborazione con ANDIL stanno lavorando a due sistemi innovativi. Le Università di Padova e Pavia, partner scientifici del progetto, hanno analizzato e verificato le prestazioni dei nuovi sistemi attraverso campagne sperimentali e studi numerici paralleli, validandone la costruzione attraverso prototipi applicativi. I sistemi sono stati progettati per garantire tutti i requisiti tecnici caratterizzanti le pareti da tamponamento.

Entrambe le soluzioni costruttive possono essere utilizzate sia per edifici in calcestruzzo armato nuovi sia per la riqualificazione sismica di quelli esistenti, quando le tamponature devono essere sostituite. L'obiettivo principale del progetto è quello di individuare e sviluppare sistemi di muratura da tamponamento ottimizzandone il comportamento sismico, nel rispetto dei materiali e delle pratiche costruttive locali, e di fornire regole di progettazione affidabili in modo che i sistemi proposti possano essere utilizzati efficacemente.

In accordo con i suddetti propositi, ANDIL, come partner industriale italiano, ha presentato due specifiche domande di brevetti che metterà a disposizione delle proprie aziende associate.

L'Università di Padova (C. Modena, F. Da Porto, G. Guidi e N. Verlato) e ANDIL hanno proposto un sistema denominato DRES "Damage Reduction Enclosure System" che consiste in una tamponatura monostrato di muratura in laterizio per fabbricati con struttura principale in calcestruzzo armato che può essere impiegata nelle zone soggette a terremoti di medio-alta intensità sismica. Il sistema è composto da blocchi in laterizio a fori verticali e introduce in alcuni dei letti di malta speciali giunti orizzontali in gomma. Gli elementi resistenti presentano caratteristiche tali da garantire robustezza rispetto ai carichi di progetto nel piano e fuori piano. La presenza dei giunti in gomma nel nuovo sistema costruttivo consentirà alle pareti in muratura di tamponamento di assorbire i movimenti imposti dal telaio, quando questo è sottoposto ad una significativa azione sismica, minimizzando così i danni alla parete. Inoltre, il sistema prevede due giunti verticali di gomma fra la tamponatura in muratura e le colonne in calcestruzzo armato, caratterizzati da una rigidezza bassa a compressione per ridurre le richieste di spostamento della parete ed evitare sollecitazioni eccessive che potrebbero danneggiare le colonne del telaio e la parete tamponatura stessa.

Per approfondire la conoscenza del comportamento combinato nel piano e fuori piano del nuovo sistema, sono state eseguite prove sperimentali su telai reali ad un piano tamponati con pareti in muratura. Come attività di dimostrazione pratica, diversi prototipi del sistema ideato dal team di Padova sono stati per realizzati durante il campionato nazionale di Ediltrophy, manifestazione organizzata annualmente da Formedil (Ente nazionale per la formazione e l'addestramento professionale nell'edilizia) nel contesto della fiera SAIE "Salone Internazionale dell'Edilizia".

L'Università di Pavia (G. Magenes, P. Morandi e R. Milanesi) ha sviluppato l'innovativo sistema di tamponamento in muratura con "giunti scorrevoli" insieme a ANDIL e Ruredil. La soluzione antisismica mira a ridurre l'interazione nel piano tra la tamponatura in muratura e il telaio in calcestruzzo armato. Il sistema vede la parete in laterizio suddivisa in fasce murarie orizzontali che sono in grado di muoversi l'una rispetto all'altra attraverso lo scivolamento guidato di due profili nervati in materiale plastico, disposti nel letto di malta, che vanno a costituire il giunto di scorrimento. Tra la muratura e gli elementi strutturali in calcestruzzo armato sono previsti giunti verticali deformabili d'interfaccia realizzati con una malta cementizia speciale, capace di assicurare l'aderenza tra la tamponatura in muratura e il telaio strutturale. La muratura è costituita da elementi resistenti in laterizio, robusti nel piano, e malta ordinaria.

La stabilità fuori piano è garantita da chiavi di taglio opportunamente progettate fissate ai pilastri; i blocchi in laterizio di estremità, adiacenti ai pilastri, presentano una sezione sagomata a "C" con l'incavo idoneo ad accogliere le chiavi di taglio. In caso di terremoto, l'energia dissipata attraverso i giunti scorrevoli della tamponatura va ad incrementare lo smorzamento dell'intera struttura.

Così, attraverso l'uso combinato dei giunti scorrevoli inseriti nella muratura in laterizio e dei giunti deformabili all'interfaccia parete/telaio, sarà possibile limitare i danni nel piano della tamponatura anche per livelli significativi degli spostamenti interpiano e ridurre gli effetti locali sul struttura in calcestruzzo armato.

Prove cicliche nel piano sono state eseguite su singoli telai in calcestruzzo armato a un piano tamponati con la soluzione innovativa, seguite poi da test dinamici su tavola vibrante per l'applicazione dell'azione fuori piano sui campioni. In più, un edificio a due piani in scala reale tamponato con il sistema proposto è stato testato sulla tavola vibrante, con input sismico riferito ad un accelerogramma naturale scalato, registrato durante il terremoto del Montenegro del 1979 (di magnitudo Mw 6.9). Sulla base dei risultati sperimentali e numerici ottenuti saranno elaborati metodi di progettazione, verifica e costruzione per ciascuno dei sistemi di muratura da tamponamento sviluppati. ANDIL e tutti gli altri partner industriali, tra cui la TBE "Federazione europea dei laterizi", stanno raccogliendo contributi approfonditi dagli esecutori di ricerca sugli avanzamenti delle linee guida per la progettazione, così da riportare utili feedback per l'aggiornamento normativo ai comitati di competenza, rappresentati in Europa dal CEN TC 125 Masonry e CEN TC 250 SC 6 Eurocode 6: Design of masonry structures. 

Tamponature antisismiche: da INSYSME ai sistemi innovativi italiani

Un modello per la cinetica di assorbimento capillare

Una delle novità nel campo della ricerca dei materiali ceramici porosi è lo sviluppo di modelli geometrico-matematici per la previsione delle proprietà fisiche, il cui scopo è l'ottimizzazione della loro progettazione e del sistema di produzione industriale.

Le prestazioni dei laterizi e la loro classificazione nei differenti campi di applicazione sono particolarmente influenzate dalla porosità e conseguentemente dall'eventuale presenza dell'acqua nella matrice porosa. Per tale motivo la conoscenza del coefficiente di assorbimento capillare può essere di valido aiuto per controllare gli aspetti che influenzano la struttura microporosa che si andrà a formare a seguito della cottura delle materie prime.

La necessità di avere informazioni sulla cinetica dei fenomeni di assorbimento capillare in funzione della microstruttura dei materiali, non ottenibili attraverso le procedure standard previste per queste misurazioni (UNI EN 15801:2010), ha spinto la ricerca verso lo sviluppo di una procedura analitica in grado di prevedere tale proprietà.

A tal proposito è stato sviluppato un modello matematico-ingegneristico chiamato Intermingled Fractal Units' Model (IFU) [1–3]. Questo modello prevede l'utilizzo di unità frattali che sono figure geometriche caratterizzate da: dimensione non intera, struttura intricata e autosimilarità. In questo caso, il frattale utilizzato come unità base dell'IFU è il tappeto di Sierpinki costruito partendo da un quadrato i cui lati sono divisi secondo un fattore 3, in questo modo si ottengono 9 sub-quadrati dei quali, ad esempio, si decide di sottrarne il centrale (...). La medesima operazione può essere sviluppata nei rimanenti 8 sub-quadrati avviando un processo iterativo che sviluppa una distribuzione dimensionale dei vuoti che può essere ulteriormente modificata attraverso il mix di più tappeti di Sierpinski diversi tra loro per dimensione, numero e proprietà.

Le configurazioni risultanti sono rappresentative delle distribuzioni dimensionali dei pori riscontrabili sperimentalmente attraverso la tecnica di intrusione forzata di mercurio (MIP). Applicando le relazioni sul moto dei fluidi all'IFU si è in grado di ottenere una formula per il calcolo del coefficiente di assorbimento capillare.

(...) Uno schema semplificato dell'intera procedura proposta è illustrato in Fig. 2. Questa procedura è stata applicata su campioni di coperture in laterizio di produzione italiana.

Le distribuzioni dimensionali dei pori ricavate dalle prove MIP, sono state riprodotte con l'IFU. (...), come si può notare l'accordo tra le due curve (sperimentale: linea continua; modello: linea a punti) è piuttosto buono e la differenza è simile a quella riscontrabile nella ripetizione dei test sperimentali. Una volta ottenuto questo risultato, è possibile applicare la procedura analitica sviluppata. I valori calcolati per il coefficiente di assorbimento capillare sono confrontati (...) con i valori sperimentali (UNI EN 15801: 2010) e con quelli calcolati attraverso un modello riscontabile in letteratura (modello di Scherer et al.). Dal confronto dei dati si può notare un ottimo accordo tra i dati sperimentali e quelli calcolati dall'IFU, mentre i valori ottenuti dal modello di Scherer et al. [4] risultano superiori di un ordine di grandezza. L'affidabilità della procedura proposta è dovuta al fatto che l'IFU è in grado di tenere in considerazione i principali aspetti delle microstrutture porose che in altri modelli vengono sovra-semplificate.

Lo sviluppo della procedura IFU ha come obiettivo finale l'elaborazione di un software capace di predire le proprietà fisiche (conduzione del calore, proprietà meccaniche e flusso di fluidi) influenzate dalla microstruttura porosa. Questo strumento avrebbe degli importanti riflessi nella progettazione dei materiali ceramici e dei laterizi e nell'ottimizzazione dei processi di produzione.

Geometria frattale: un modello per la cinetica di assorbimento capillare