STRUTTURE ESISTENTI IN CALCESTRUZZO CARENTI A TAGLIO

Negli ultimi due decenni, l’industria delle costruzioni è stata sottoposta a pressioni crescenti per ridurre la propria impronta ambientale e riutilizzare il patrimonio edilizio esistente al fine di soddisfare le crescenti esigenze socio‑economiche, in particolare negli ambienti urbani, dove una quota significativa degli edifici e dei ponti in calcestruzzo armato ha raggiunto la fine della vita utile e necessita di interventi di riqualificazione o demolizione. Oltre alla fine della vita utile, alcune delle cause che possono rendere necessario il rinforzo di strutture esistenti includono:

• Un cambiamento nella destinazione d’uso o nell’occupazione dell’edificio,

• Un ampliamento dell’impronta dell’edificio,

• La realizzazione di piani aggiuntivi in contesti urbani densi, dove l’espansione orizzontale non è praticabile,

• L’introduzione di nuove norme tecniche,

• La presenza di errori o altre carenze nella costruzione originale,

• La necessità di affrontare ulteriori problemi di durabilità causati da rischi noti quali incendio e sisma.

La scelta tra rinforzare la struttura esistente oppure demolirla e ricostruirla non è sempre semplice e dipende dalle condizioni attuali della struttura e dall’importanza culturale, storica e sociale dell’opera. Se l’ingegnere strutturista determina che il rinforzo dell’intera struttura è possibile, evidenze mostrano un tempo di riconsegna (definito come l’intervallo tra l’interruzione dell’attività della struttura e la sua rimessa in servizio) più rapido del 15–70% rispetto alla demolizione e ricostruzione completa. Oltre al risparmio di tempo, il rinforzo della struttura può garantire una riduzione del 10–75% del consumo di risorse grazie ai risparmi in termini di manodopera e materiali, con un impatto diretto sulla sostenibilità ambientale [1]. Un ritorno più rapido in servizio e un investimento iniziale inferiore sono inoltre aspetti fondamentali per i committenti.

Tuttavia, questi potenziali risparmi dipendono fortemente dalla capacità dell’ingegnere strutturista di selezionare, e dell’industria delle costruzioni di fornire e installare, soluzioni di rinforzo adeguate che affrontino le carenze locali e/o globali individuate. Sebbene la maggior parte degli interventi di rinforzo incorpori generalmente più soluzioni, alcune di esse vengono escluse a causa di limitazioni architettoniche, operative o geometriche, della mancanza di conoscenze nella progettazione e/o nell’esecuzione, o dell’indisponibilità delle attrezzature necessarie — aspetti che restringono l’elenco delle soluzioni possibili. La scelta è inoltre influenzata dai vantaggi e svantaggi associati a ciascuna soluzione. A complicare ulteriormente il quadro vi è il rischio di un’applicazione non corretta di tali soluzioni, che può portare a rinforzare una parte della struttura indebolendone un’altra, come illustrato dai due esempi seguenti, uno a livello locale e l’altro a livello globale:

• Locale: aumento dello spessore della soletta mediante un getto di sovrapposizione (concrete overlay) senza considerare i carichi aggiuntivi trasferiti alle travi portanti.

• Globale: elevata concentrazione di pareti di tamponamento resistenti al taglio su un solo lato della struttura, che incrementa la domanda di carico sull’altro lato, ottenendo l’effetto opposto a quello desiderato.

A livello “locale”, le carenze possono riguardare i singoli elementi in calcestruzzo — come travi, colonne, solai, pareti e fondazioni — che possono non disporre di una resistenza sufficiente a prevenire il collasso per trazione, compressione, flessione, taglio, punzonamento, torsione e altri effetti dovuti ai nuovi stati di carico. Le soluzioni per il rinforzo dei singoli elementi includono, tra le altre:

• Sovrapposizioni o camicie in calcestruzzo (concrete overlays o jackets), come mostrato in Figura 1,

• Barre di rinforzo post-installate,

• Camicie in acciaio,

• Piastre di rinforzo inserite in prossimità della superficie (Near Surface Mounted – NSM ) o incollate,

• Fasciature e lamine in materiali fibrorinforzati (FRP),

• Post-tensionamento esterno.

Fig. 1: Un esempio di intervento di sovrapposizione di calcestruzzo (overlay) nei pilastri

Il rinforzo a livello “globale” riguarda tipicamente la risoluzione di problematiche che coinvolgono l’intera struttura, come quelle di natura sismica, incendio, fatica e vento, mediante l’introduzione di soluzioni quali:

• Setti di tamponamento resistenti a taglio, come mostrato in Fig. 2,

• Controventi in acciaio,

• Micropali,

• Isolamento alla base,

• Dispositivi di dissipazione dell’energia / smorzatori.

Fig. 2: Esempio di un setto di tamponamento resistente a taglio tra colonne 

Supponendo che un edificio precedentemente adibito a uffici venga convertito ad uso commerciale a seguito di un cambio di proprietà, il maggiore afflusso di persone aumenterà il carico sul solaio, che dovrà essere resistito da tutti i componenti strutturali – solai, travi, pilastri e fondazioni. Tipicamente, dopo le opportune verifiche, l’ingegnere può riscontrare che le travi non possiedono resistenza sufficiente sia a flessione sia a taglio oppure, in alcuni casi, solo a taglio. Si ricordi che, nella maggior parte delle normative di progettazione, come ad esempio nella Sezione 6.2 della EN 1992-1-1:2004 [2], la resistenza a taglio di un elemento in calcestruzzo dipende dai seguenti sei parametri:

1.     Resistenza del calcestruzzo,

2.     Larghezza e altezza della sezione,

3.     Profondità efficace dell’armatura a flessione misurata dalla fibra di compressione superiore,

4.     Lunghezza dell’appoggio,

5.     Quantità di armatura longitudinale,

6.     Quantità di armatura a taglio (o trasversale).

L’impiego di una serie di possibili soluzioni a livello “locale” per migliorare uno o più di questi parametri consente di incrementare la resistenza a taglio in misura variabile; tuttavia, ciò comporta un compromesso in termini di invasività, costi, disponibilità e altri fattori. Alcune modifiche potrebbero non essere nemmeno praticabili, come ad esempio aumentare la resistenza del calcestruzzo di una trave esistente. Altre, come aggiungere ulteriori appoggi mediante nuovi pilastri per ridurre la domanda di taglio su una trave, potrebbero incrementare i carichi su un’altra trave e richiedere la verifica del trasferimento dei carichi alle fondazioni. Pertanto, la gamma delle possibili soluzioni per incrementare i parametri (1)–(6) può essere schematizzata come mostrato nella Tabella 1. 

Tabella 1: Possibili soluzioni per il rinforzo di elementi in calcestruzzo carenti a taglio

L’aumento diretto della quantità di armatura a taglio comporta un incremento proporzionale della resistenza a taglio; inoltre, le soluzioni attualmente disponibili nel settore sono generalmente poco invasive e limitano al minimo le interferenze con gli altri elementi strutturali. Al contrario, per quanto riguarda la resistenza del calcestruzzo a taglio, l’impiego delle altre soluzioni porta tipicamente a un incremento non proporzionale, ad eccezione dell’overlay che tuttavia presenta proprie limitazioni.

Fig. 3: Hilti HIT‑RE 500 V4, barre HAS(-U) e set di iniezione utilizzati come armatura a taglio post‑installata

Questa soluzione viene installata in modo analogo a un ancorante chimico post-installato: si esegue la foratura fino a una profondità di ancoraggio prestabilita, perpendicolarmente alla superficie del calcestruzzo; successivamente, si procede con un’accurata pulizia del foro per rimuovere completamente detriti e polvere, quindi si inietta il chimico e si inseriscono le barre. Una volta terminato il processo di indurimento del chimico, i dadi possono essere serrati fino al valore massimo specificato.

Nota: A meno che non sia esplicitamente previsto nella progettazione, la foratura e il taglio dell’armatura a flessione devono essere evitati ove possibile, al fine di non indebolire ulteriormente la struttura. Qualora ciò non sia evitabile — ad esempio, per facilitare la perforazione in zone con elevata densità di armatura — sono necessarie misure aggiuntive, concordate esplicitamente con il Progettista Responsabile, per compensare l’eventuale perdita di armatura a flessione.

La nuova soluzione di rinforzo Hilti HIT‑Shear è composta dai seguenti elementi:

Fig. 4: Hilti HIT‑RE 500 V4, barre HAS(-U) e altri strumenti di installazione 

La soluzione di rinforzo Hilti HIT‑Shear abbina l’ancorante chimico HIT‑RE 500 V4 alla serie di barre filettate Hilti HAS, disponibili nei diametri M12, M16, M20 e M24, ciascuna fornita sia in acciaio al carbonio sia in acciaio inossidabile per applicazioni interne o esterne. Gli elementi metallici sono completati dal Hilti Filling Set, composto da una rondella di tenuta, una rondella sferica, un dado e un dado di bloccaggio opzionale, anch’essi disponibili sia in acciaio al carbonio sia in acciaio inossidabile per ogni diametro di barra. La versatilità di questo sistema sfrutta le elevate prestazioni dell’ancorante chimico, consentendone l’impiego in calcestruzzo:

• di qualsiasi spessore compreso tra 200 e 2200 mm,

• di qualsiasi classe di resistenza tra C20/25 e C50/60,

• in condizioni asciutte, sature d’acqua oppure in fori pieni d’acqua,

• con temperature massime a breve e lungo termine rispettivamente pari a +60°C e +43°C,

• in elementi soggetti a carichi statici, quasi-statici e a fatica.

Sebbene l’installazione all’interno dell’elemento strutturale possa essere eseguita da entrambi i lati — ad esempio dall’alto verso il basso o dal basso verso l’alto in una trave o in un solaio — una caratteristica fondamentale del sistema è l’installazione delle barre filettate secondo una lunghezza di posa specificata, lₛw, funzione dello spessore, h, e di un copriferro residuo, cᵣₑₛ, necessario per evitare, dal punto di vista dell’installazione, fenomeni di scheggiatura del calcestruzzo sulla superficie opposta alla perforazione. Il copriferro residuo, come illustrato in Fig. 5, varia in funzione del diametro della barra. Dal punto di vista progettuale, la lunghezza di installazione fissata garantisce un ancoraggio efficace delle barre, in grado di replicare il modello a traliccio formato dagli staffaggi annegati nel getto originale.

Fig. 5: Sezione trasversale che mostra la profondità di installazione e il copriferro residuo della soluzione di rinforzo a taglio post-installata

In assenza di un Documento di Valutazione Europeo (EAD) o di una norma europea armonizzata (hEN) esistente, la soluzione di rinforzo Hilti HIT‑Shear è stata verificata per l’idoneità alla presente applicazione di rinforzo dal Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt) ed è stata autorizzata mediante un “permesso generale di tecnica costruttiva” (aBG), identificato come Z‑15.5‑383 [4]. Ciò soddisfa i requisiti nazionali relativi alle opere da costruzione previsti dalla MVV TB (Muster‑Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen), che funge da modello per le Disposizioni Amministrative – Regole Tecniche Edilizie adottate a livello federale in Germania.

Il software di progettazione Hilti PROFIS Engineering include un nuovo modulo dedicato alla valutazione e al rinforzo degli elementi in calcestruzzo carenti a taglio e supporta i progettisti strutturali nella verifica della resistenza degli elementi esistenti e nel loro rinforzo, garantendo così un flusso di lavoro più sicuro ed efficiente. Il nuovo modulo PROFIS Engineering Shear Strengthening consente di:

• Selezionare tra travi, pilastri, solai e pareti, definendo le proprietà dei materiali e la geometria;

• Verificare la resistenza del calcestruzzo esistente secondo EN 1992‑1‑1:2004 + Annesso Nazionale tedesco oppure SIA 262:2017 [5];

• Progettare il rinforzo scegliendo tra quattro diametri di barre in acciaio al carbonio o in acciaio inox e definendo liberamente passo e distanze dai bordi;

• Suddividere l’elemento in zone distinte e applicare il Metodo del puntone a Inclinazione Variabile (Variable Strut Inclination Method) per massimizzare la resistenza con la minima quantità di rinforzo;

• Generare un report di calcolo completo, con tutte le verifiche, i dettagli della soluzione e le istruzioni di installazione.

Fig. 6: interfaccia di Hilti PROFIS Engineering

La trasformazione e il riutilizzo delle strutture esistenti possono offrire numerosi vantaggi rispetto alle nuove costruzioni, poiché ogni struttura richiede il raggiungimento di obiettivi specifici quando viene rinforzata. In base alla filosofia progettuale adottata, il progettista strutturale può affrontare le carenze a taglio negli elementi lineari o planari in calcestruzzo attraverso diverse metodologie, alcune delle quali meno invasive di altre. L’impiego di armatura a taglio post-installata, come la soluzione Hilti costituita da barre filettate HAS(-U) combinate con l’ancorante chimico HIT‑RE 500 V4, rappresenta un esempio innovativo di metodo minimamente invasivo in grado di incrementare in modo significativo la resistenza a taglio di un elemento strutturale. Adeguatamente valutato e dotato di permesso generale di tecnica costruttiva (aBG) come sistema da parte del DIBt, il progettista può adottare un approccio di progettazione basato sul Eurocodice 2, integrato nella suite Hilti PROFIS Engineering, per definire una soluzione ottimale scegliendo tra i principali parametri progettuali: diametro, passo e inclinazione variabile del puntone compresso. Grazie a un’interfaccia intuitiva, il nuovo modulo Shear Strengthening assiste i progettisti riducendo i tempi di progettazione, offrendo valore aggiunto ai clienti e contribuendo allo sviluppo di un ambiente costruito più sicuro e resiliente. Per approfondire l’argomento, consulta il nostro Whitepaper al seguente [link], che fornisce ulteriori dettagli relativi a questo tema.

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[1].  N. Addy, “Making sustainable refurbishment of existing buildings financially viable”, in Sustainable Retrofitting of Commercial Buildings - Cool Climates, S. Burton, Ed., Abingdon, Routledge, 2015, pp. 57-73.

[2].  EN 1992-1-1:2004: “Eurocode 2 - Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings”, Brussels: CEN, 2004.

[3].  K. S and G. Genesio, “Whitepaper on Shear-friction Applications and Concrete Overlays”, Hilti AG, Liechtenstein, Dec. 2023.

[4].  Deutsches Institut für Bautechnik, “Z-15.5-383 - Hilti Querkraft-Verstärkungssystem mit Hilti HIT-RE 500 V4”, DIBt, Berlin, 2024.

[5].  SIA, “SIA 262: Concrete Structures,” SIA, Zürich, 2017.