Materiali innovativi per il recupero strutturale del costruito storico: il basalto e l'idea delle cuciture continue per la muratura

Due to technology evolution, a lot of innovative techniques are today available in constructions field for structural purposes. In particular, from the early nineties, composite materials, created through the union between fibres (usually carbon, glass or aramidic ones) and matrix (usually a resin) have been used in building industry. Previously composites were used only in several fields such as automotive, aviation industry and sporting equipment, where great stiffness and strength are required and cost is not a problem. Recently, innovative reinforcing fibres, like steel, and basalt ones, are emerging in FRP field. This work focuses on basalt fibre products. Basalt is a natural material that is found in volcanic rocks originated from frozen lava. Continuous basalt fibers are obtained by melting basalt and are characterized by high modulus, heat resistance, good resistance to chemical attack and they seem to be a good alternative to glass fibers. Continuous basalt fibers can be processed with classic textile transformation to obtain also ropes, unlike other kinds of reinforcing fibers. This work presents a physical, chemical and tensile characterization of BFRP rods and BF ropes, in particular ropes are evaluated to be used in masonry strengthening. From the awareness that one of the worst structural defects of an historic masonry wall is the lack of monolithic behavior, arise the idea of a strengthening technique able to connect the several masonry elements, stitching them. The proposed technique, based on the reinforcement and connection of masonry component using basalt fiber ropes, is able to change the failure mode of masonry wall, exploiting material properties, and it is able to impart to masonry monolithic behavior. Compared to traditional techniques, best advantages are represented by the fact that the application is very fast (and so cheap), the material used (basalt) presents an high compatibility with masonry (stone stitches stone) and the intervention is almost totally reversible. Moreover it is invisible and so respectful of masonry original aspect, it improves but not replaces original materials and, finally, it is fire and chemical resistant. To assess the effectiveness of proposed technique, laboratory test (on “three-leaf” masonry samples) and in situ test (on rubble stone masonry) have been performed, above all that also FEM analysis has been developed to better understand experimental results.

L’evoluzione tecnologica e lo sviluppo di tecniche di produzione hanno portato il mondo delle costruzioni a poter fare affidamento su un repertorio di materiali da costruzione con valenza strutturale ben lontano da quello conosciuto fino a qualche anno fa. In particolare, dall’inizio degli anni Novanta hanno trovato spazio nell’edilizia i cosiddetti materiali compositi, creati dall’unione di fibre (solitamente di carbonio, vetro o aramidiche) annegate in una matrice (solitamente una resina). I compositi precedentemente venivano utilizzati solo in quei settori dove era richiesta una elevata resistenza o rigidezza specifica e dove il costo del materiale non costituiva un problema rilevante (applicazioni aeronautiche, navali, industria sportiva, ecc.). Nel corso degli ultimi anni, in ambito civile, si è assistito alla comparsa di nuove matrici e nuovi tipi di fibre. Tra i nuovi tipi di fibre vanno menzionate le fibre (o meglio “mini-trefoli”) in acciaio, le fibre naturali (canapa, lino, ecc.) e le fibre di basalto. In questo lavoro è stata posta l’attenzione proprio su queste ultime. Il basalto è una roccia derivata dalla solidificazione della lava vulcanica con un punto di fusione di circa 1400°C, usata fin dall’antichità, per la sua durezza, per lastricare le strade. Una volta fusa e riportata allo stato liquido, la roccia basaltica consente l’estrusione di filamenti continui di esiguo spessore: le fibre di basalto. Con semplici lavorazioni le fibre di basalto possono essere assemblate per realizzare prodotti destinati al mondo delle costruzioni, in particolare barre e corde, che in questo lavoro saranno caratterizzate dal punto di vista fisico, chimico e meccanico. In particolare le corde, per la loro estrema leggerezza e versatilità, sono il prodotto che ha fornito lo spunto per un’innovativa applicazione delle stesse per il consolidamento delle murature storiche. Dalla constatazione che una delle vulnerabilità più pericolose per una muratura è la mancanza di monoliticità, nasce l'idea di conferire questa importante caratteristica attraverso un sapiente gioco di trama e ordito, in cui elementi flessibili in fibra di basalto tengono assieme i vari conci. La tecnica proposta e testata attraverso test in laboratorio, in situ e successive analisi numeriche, ha l’obiettivo di consolidare i pannelli murari, confinandoli e al tempo stesso collegandone le facce attraverso cuciture continue flessibili. In pratica, un elemento continuo e flessibile cinge la muratura sui due lati dopo averne attraversato lo spessore in più punti, proprio come se venisse “cucita” dal “filo” di rinforzo. Il sistema così ideato integra ma non sostituisce o trasforma la materia originaria. È reversibile e può essere messo in opera anche “a secco”. In questo caso non contempla l’uso di sostanze tossiche o dannose per la salute, non necessita di particolari accorgimenti per lo smaltimento dei residui delle lavorazioni o all’atto della dismissione per fine servizio. Risulta così all’avanguardia sia dal punto di vista della sostenibilità ambientale che della sicurezza dei lavoratori. È compatibile con il supporto in muratura (la pietra che cuce la pietra), è rispettoso del minimo intervento (impiegabile quindi su murature delle quali si voglia salvaguardare l’aspetto “faccia a vista”, può essere localizzato anche nei giunti di malta). È economico: anche se applicato su murature irregolari, prevede fasi di lavorazione e tempi di applicazione ridotti rispetto a tecniche alternative, è durevole e con elevata resistenza al fuoco. Vantaggi, rispetto alle tecniche oggi utilizzabili, che proiettano questo sistema come utilizzabile con profitto nel campo del restauro e del consolidamento.