Materiali avanzati e innovazione dei sistemi costruttivi · Materiali avanzati e innovazione dei sistemi costruttivi. ha come principale centro tematico l’innovazione applicata

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La linea di ricerca Materiali avanzati e innovazione dei sistemi costruttivi ha come principale centro tematico l’innovazione applicata ai materiali per il settore delle costruzioni e ai sistemi costruttivi. I molteplici apporti scientifici che il Dipartimento sta offrendo in questi anni dimostrano come vi sia una continua ibridazione di materiali e tecnologie tale da rendere sfumato il confine tra ciò che fa riferimento a una prassi consolidata e ciò che invece costituisce una vera e propria evoluzione in termini di materiali, componenti e parti d’opera. In questa prospettiva assume particolare rilievo lo studio e lo sviluppo delle potenzialità di materiali tradizionali e innovativi nel dare una risposta appropriata alla trasformazione dell’ambiente costruito, con particolare attenzione per la valutazione della sostenibilità delle scelte tecniche e operative e per l’individuazione di nuove traiettorie di sviluppo di prodotti e processi che possiedano quel carattere di innovatività in grado di far avanzare il settore in una direzione di eco-efficienza. I temi trattati nell’ambito della linea di ricerca risultano pertanto strettamente interlacciati con le strategie e le metodologie di azione e di valutazione della sostenibilità che ne rappresentano uno dei fulcri tematici.

La ricerca dipartimentale è impegnata in tutti gli ambiti materici che trovano oggi appli-cazione nel settore delle costruzioni, guardando altresì a quei campi che offrono interessanti potenzialità di applicazione in un prossimo futuro. Vengono qui trattati soltanto alcuni di questi ambiti, mettendone in luce quei caratteri di sperimentalità e innovatività che sono propri dei processi di ricerca e sviluppo di un prodotto o di un processo e che si fondano sulla possibilità di mettere in sinergia molteplici com-petenze inerenti allo studio delle prestazioni di materiali e sistemi costruttivi. Si tratta di un approccio

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fortemente orientato alla ricerca di base ma che non perde mai di vista l’obiettivo di facilitare e supportare il trasferimento dell’innovazione dall’ambito accademico al settore delle costruzioni, rendendo possibile il rinnovamento del comparto e l’aggiornamento delle conoscenze dei diversi attori coinvolti nei processi produttivi, progettuali e costruttivi.

Come messo in luce dai casi studio che seguono, l’integrazione delle diverse competenze di cui il Dipartimento dispone ha favorito le collaborazioni multidisciplinari, le sinergie tra gruppi di lavoro consolidati, il reperimento di nuove risorse e l’esplorazione di nuovi contesti di sviluppo.

Dai contributi che seguono appare altresì chiaro che le opportunità di ricerca – di base e applicata – sono numerose e multiformi, forse proprio in virtù di un’intrinseca necessità di rinnovamento oggi avvertita nell’intero comparto edilizio. La molteplicità dei temi che possono essere affrontati alla scala del materiale e del sistema costruttivo, così come la complessità dei problemi connessi ai processi innovativi, determinano la necessità di intraprendere azioni conoscitive molto differenti. Tali azioni spa-ziano dall’analisi alla caratterizzazione di un materiale nel suo completo ciclo di vita, dalla modellazione numerica a quella fisica, dalla progettazione delle soluzioni tecnico-costruttive alla programmazione della manutenzione a livello di sistema e di organismo edilizio, dalla verifica sperimentale alla critica e validazione dei risultati.

1. Il vetro Gli sviluppi tecnologici hanno consentito negli ultimi decenni un’ampia espansione delle applicazioni del vetro nel settore delle costruzioni. In virtù della sua trasparenza o traslucenza, questo materiale, che ca-ratterizza alcune tendenze dell’architettura contemporanea, vede moltiplicare le sue applicazioni in forma di pannelli di grande superficie, coperture, solai, scale, pareti, pilastri, parapetti, anche con funzione di supporto di dispositivi per la conversione fotovoltaica dell’energia solare.

Il vetro strutturaleGli elementi di vetro, utilizzati inizialmente con semplice funzione di tamponamento o rivestimento, costituiscono oggi strutture vere e proprie che, di conseguenza, devono essere sottoposte a procedure di calcolo, valutazione e controllo, dello stesso tipo di quelle utilizzate per i materiali strutturali. La funzione strutturale è quindi nuova per un materiale antico, ma richiede particolare attenzione nel dimensiona-mento e nell’impiego, data la sua fragilità intrinseca. Questa caratteristica richiede lo studio di diversi aspetti sia connessi al vetro stesso, sia connessi all’accoppiamento tra vetro e altri materiali, in quanto il differente comportamento meccanico dei materiali con cui il vetro viene accoppiato è spesso origine di tensioni che ne possono generare la rottura, che deve essere vista come un evento possibile, ma non pericoloso ( fail-safe). Tale approccio, relativamente recente, richiede lo studio di numerosi aspetti connessi alla peculiarità del vetro e vede numerosi ricercatori coinvolti, sia nello studio teorico-sperimentale, sia nel tentativo di fornire al progettista utili indicazioni a livello normativo (CNR-DT210, bozza Eurocode glass). Certamente un aspetto fondamentale è lo studio del comportamento post-critico dei vetri stratificati

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che devono garantire, nonostante la formazione delle prime fessure, una certa capacità portante residua.1 In questo ambito risulta essenziale lo studio di vetri stratificati, in cui la tipologia di intercalare, ovvero lo strato interposto tra le lastre di vetro, è di primaria importanza nell’analisi del comportamento post critico. Infatti, a rottura avvenuta, l’intercalare trattiene i frammenti uniti ed evita il collasso immediato dell’intero pacchetto laminato. L’affidabilità dei laminati è quindi legata alle caratteristiche meccaniche e alla resistenza dei materiali polimerici e all’adesione vetro-intercalare. A tal fine sono stati effettuati studi sperimentali e numerici su travi, pinne (ovvero quegli elementi verticali utilizzati per irrigidire le vetrate continue) e solai, considerando anche elementi in scala reale che hanno poi trovato impiego in realizzazioni effettive. Per quanto riguarda le pinne, in genere composte da più elementi in vetro stratificato, risulta di particolare interesse lo studio delle varie tipologie di connessione tra un elemento e l’altro, in quanto, se non correttamente progettate, possono generare concentrazioni di sforzo che pregiudicano lo stato limite ultimo dell’elemento o generano degli spostamenti in esercizio inammissibili.

Altro aspetto fondamentale è il comportamento del vetro accoppiato ad altri materiali, in tale ambito sono state effettuate analisi numeriche mirate a studiare l’accoppiamento vetro-calcestruzzo in pannelli di facciata (con particolare riferimento alle problematiche connesse al ritiro di quest’ultimo)2, ed è in atto una campagna numerico-sperimentale mirata all’analisi dell’accoppiamento acciaio-vetro a diverse temperature mediante l’utilizzo di diverse tipologie di adesivo.

Di carattere più generale è invece il lavoro che ha portato alla determinazione di valori correttamente calibrati del fattore di sicurezza parziale di resistenza del materiale, da utilizzarsi nella progettazione con metodo semiprobabilistico agli stati limite, in modo da assicurarsi una probabilità di fallimento compatibile con l’obiettivo di ottenere i valori indicati per ciascuna classe di conseguenza dall’Eurocodice 1 (EN 1990).3 Partendo da un modello micromeccanico di propagazione della frattura, tipicamente utilizzato per materiali fragili, i risultati di una campagna sperimentale sono stati interpretati utilizzando la distribuzione statistica di Weibull, tenendo conto che le dimensioni effetto, il tipo di sollecitazione (ad esempio uniassiale-biassiale) e il fenomeno di propagazione subcritica delle fratture (fatica statica a causa della crescita della frattura nel tempo, senza aumento del carico) possono influenzare la probabilità di rottura. Azioni come vento, neve e carichi antropici sono stati modellati utilizzando le distribuzioni statistiche raccomandate da codici internazionali di progettazione strutturale. Il metodo probabilistico di terzo livello è stato applicato per la verifica di un caso paradigmatico, utilizzato per

1. L. Biolzi, S. Cattaneo, G. Rosati, Progressive Damage and Fracture of Laminated Glass Beams, in “Construction and Building Materials”, vol. 24 n. 4 (2010), pp. 577-584.2. L. Biolzi, S. Cattaneo, P. Crespi, Damage Glass-Concrete Composites Panels, in “Construction and Buldings Materials”, vol. 116 (2016), pp. 235-243; M. Badalassi, L. Biolzi, G. Royer, W. Salvatore, Safety factors for the structural design of glass, in “Construction and Building Materials”, vol. 55 (2014), pp. 114-127.3. M. Badalassi, L. Biolzi, G. Royer, W. Salvatore, Safety factors for the structural design of glass, in “Construction and Building Materials”, vol. 55 (2014), pp. 114-127.

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calibrare i fattori di sicurezza parziali da utilizzare nell’approccio semi-probabilistico. Questi studi hanno infatti non solo l’obiettivo di fornire un avanzamento delle conoscenze del vetro strutturale, ma anche fornire utili indicazioni progettuali.

Il vetro fotovoltaicoSull’innovazione applicata al vetro, un particolare approfondimento è stato riservato all’integrazione del vetro con sistemi di conversione fotovoltaica dell’energia solare (Tifain: tessere di vetro integrate fotovoltaiche per applicazioni in facciate innovative, MIUR e Regione Lombardia, 2012-2013). La ricerca ha riguardato la messa a punto dei requisiti di integrazione delle celle fotovoltaiche in un sistema di facciata vetrata da condividere con gli altri ricercatori, fisici e a chimici, per lo sviluppo della nuova tipologia di celle traspa-renti e colorate. Il lavoro si è concentrato sui vincoli dimensionali e di produzione, in continuo dialogo con i produttori di vetro stampato e di vetro strutturale, al fine di consentire la corretta stratificazione dei vari componenti della facciata. Il risultato finale è un sistema di facciata integrata con moduli fotovoltaici BIPV (Building-Integrated Photovoltaic) che fa riferimento sia alle più avanzate metodologie di progettazione integrata al controllo prestazionale, sia all’approccio multicriteri che tiene conto contemporaneamente di vari requisiti quali l’alta efficienza energetica dell’edificio, la modalità di produzione dell’energia foto-voltaica e il comfort dell’utente, ottenendo una speciale sinergia tra lo sviluppo di forme architettoniche innovative e l’alto livello prestazionale dell’edificio. Sono stati realizzati alcuni moduli prototipo di facciata fotovoltaica costituiti da formelle di vetro trasparente curvo caratterizzate da un’area centrale atta ad al-loggiare differenti tipologie di celle fotovoltaiche. Grazie all’impiego di una linea di stampaggio flessibile, in fase di progetto è possibile variare le geometrie del supporto fotovoltaico in modo da ottenere diversi di livelli di riflessione, trasmissione e assorbanza solare. Ciò consente di ottimizzare il rendimento dei moduli fotovoltaici e di variare anche gli effetti di colore e trasparenza. I principali risultati della ricerca sono in fase di deposito brevettuale.4

2. Costruzioni in legnoNegli ultimi due decenni le costruzioni in legno, seppur da sempre presenti nel panorama edilizio na-zionale ed internazionale, sotto diverse forme in relazione al contesto, hanno subito un’evoluzione tale da essere, per la prima volta, competitive sul mercato con materiali quali calcestruzzo armato e acciaio nella realizzazione di edifici multipiano. Infatti, le eccellenti proprietà meccaniche e fisiche dei prodotti innovativi a base legno, i cosiddetti engineered wood products, insieme alle urgenti manovre da attuare a livello mondiale nel settore delle costruzioni, in termini di uso sostenibile delle risorse e contenimento

4. Brevetto per applicazione di design comunitario N. 002824847 protegge le caratteristi-che progettuali, la forma, la dimensione e i materiali del prodotto, mentre il brevetto per invenzione industriale N. 102015000061983 protegge il metodo progettuale e le modalità di applicazione dei moduli fotovoltaici su supporto in vetro; inventori A. Zanelli, N. Jakica.

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dei livelli di CO2 in atmosfera, hanno portato ad un rapidissimo progresso di settore ed altrettanta rapida diffusione sul mercato delle tecnologie in legno di ultima generazione.5 Oggi dunque, costruire con il legno significa dover operare e interfacciarsi con una vasta gamma di prodotti (legno massiccio, legno lamellare, compositi di fibre incollate, pannelli multistrato) di origine comune, ma assai distinti tra loro per struttura, comportamento e campo di applicazione. Questo rinnovato e diffuso interesse da parte di progettisti e ricercatori di tutto il mondo ha determinato l’esigenza di mettere a sistema le competenze spe-cialistiche presenti all’interno del Politecnico di Milano sul tema delle costruzioni in legno ed avviare linee di ricerca di alto profilo, in grado di tener testa al fermento scientifico di settore che caratterizza il contesto nord italiano e, specialmente, quello centro e nord europeo. Le principali ricerche in corso al Dipartimento toccano vari aspetti inerenti al progetto delle costruzioni in legno, contribuendo a delineare prospettive comuni di sviluppo sostenibile delle città italiane, sia per gli interventi di nuova costruzione, sia nel caso di riqualificazione del patrimonio esistente. I temi trattati a livello sperimentale e/o di analisi numerica sono molteplici, tra questi: lo studio del materiale e delle sue caratteristiche fisiche e meccaniche, l’analisi delle fasi di produzione, postproduzione e gestione del processo costruttivo con tecnologie BIM (Building Information Modeling), e ancora, il progetto di componenti edilizi innovativi6, preassemblati off-site al fine di garantire alti livelli di qualità operativa e di processo.

Di particolare interesse sono i temi delle costruzioni sismo-resistenti e della industria-lizzazione dei processi produttivi. Per quanto riguarda il primo tema, occorre sottolineare come il legno, in virtù della sua leggerezza rispetto ad altri materiali utilizzati per la realizzazione di strutture, può avere un eccellente comportamento durante un evento sismico. Tuttavia, la non duttilità dello stesso può dare luogo a rotture fragili, che devono essere accuratamente evitate attraverso un attento percorso progettuale e studio di dettaglio delle connessioni tra elementi strutturali. La ricerca di settore, seppur particolarmente attiva a livello internazionale, richiede ancora un importante sforzo da parte della comunità scientifica per l’implementazione negli Eurocodici (cinque e otto) in materia di raccomandazioni progettuali, relati-

5. E. Gasparri, A. Lucchini, G. Mantegazza, E.S. Mazzucchelli, Construction management for tall CLT buildings: from partial to total prefabrication of façade elements, in “Wood Material Science and Engineering”, vol. 10 n. 3 (2015); S. Mangialardo, E.S. Mazzucchelli, M. Persello, Box in the box, in “Modulo”, n. 395 (2015), pp. 272-282; E. Gasparri, E.S. Mazzucchelli, Edifici (alti) in legno, in “Modulo”, n. 394 (2015), pp. 254-258; E. Gasparri, E.S. Mazzucchelli, Legno prefabbricato taylor made, la fase di concept progettuale non è disgiunta dalla produzione in fabbrica e dalla costruzione in cantiere, in “Modulo”, n. 388 (2014), pp. 178-194; E. Gasparri, E.S. Mazzucchelli, Legno, una crescita in controtendenza: la strategia è nel dettaglio e nel controllo delle prestazioni, in “Modulo”, n.387 (2014), pp. 66-77.6. M.A. Parisi, C. Poggi, G. Fava, C. Tardini, Experimental studies on timber beam connections with glued-in fiber reinforced plates, in 11th World Conference on Timber Engineering, Riva del Garda 2010; G. Fava, M.A. Parisi, C. Poggi, C. Tardini, Fiber reinforced connections for timber members: an experimental and numerical study, in 6th International Conference on FRP Composites in Civil Engineering, Roma 2012.

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vamente a tecnologie e connessioni impiegate, configurazioni di giunto e specifiche condizioni di contesto.Sul fronte dell’industrializzazione dei processi produttivi, il legno riveste oggi un ruolo

centrale, sia in ambito di ricerca scientifica che all’interno del panorama industriale. Infatti, le caratte-ristiche di leggerezza del materiale, la propensione ad una facile lavorazione e la predisposizione delle linee di produzione al taglio su misura degli elementi sul progetto specifico, consentono oggi ai sistemi costruttivi in legno di offrire enormi vantaggi relativamente all’organizzazione dei cantieri ed abbatti-mento drastico dei tempi di costruzione, particolarmente rilevanti nel caso di edilizia multipiano. In più, la prefabbricazione spinta di componenti edilizi in legno contribuisce alla minimizzazione del rischio di esposizione temporanea degli elementi, strutturali e non, all’azione degli agenti atmosferici, incrementando notevolmente la qualità operativa in fase di realizzazione dell’opera.

Promettenti possibilità di crescita e sviluppo del settore legno in Italia sono altresì presenti nel campo del recupero e della riqualificazione del patrimonio esistente. Infatti, le opportunità progettuali offerte dal legno nella valorizzazione degli immobili sono molteplici. Si pensi ad esempio ad interventi, quali ampliamenti e sopraelevazioni, in contesti urbani ad alta densità abitativa, dove gli spazi edificabili sono oramai limitati. Una buona parte della ricerca europea è poi rivolta, in linea con gli obiet-tivi Horizon 2020, allo studio di soluzioni innovative di involucro atte all’adeguamento energetico di larga parte del patrimonio edilizio del dopoguerra. Altra rilevante opportunità offerta dalle nuove tecnologie in legno, quali ad esempio quelle a pannelli portanti, è quella del consolidamento di edifici storici vincolati, attraverso la tecnica dello svuotamento, messa in sicurezza e ricostruzione in aderenza alla muratura esistente, consentendo il raggiungimento di elevate prestazioni meccaniche e conferendo agli immobili alti livelli di qualità degli ambienti interni e comfort abitativo. Inoltre, occorre considerare che anche le forme costruttive tradizionali, originariamente costruite su basi euristiche e regole geometriche, sono oggetto di rinnovato interesse: ad esempio, le giunzioni di carpenteria tradizionale7, per alcuni aspetti particolarmente efficienti in relazione al materiale, sono oggi riprese in modo innovativo, attraverso una loro ingegnerizzazione e la loro realizzazione automatizzata con controllo computerizzato.

Infine, costituiscono oggetto di studio le strutture lignee che necessitano di interventi di adeguamento e miglioramento sismico, per le quali è importante lo sviluppo sia di metodi specifici di valutazione (assessment) che si avvalgono anche di tecniche di information technology8, sia l’identificazione

7. M.A. Parisi, M. Piazza, Mechanics of plain and retrofitted traditional timber connections, in “Journal of Structural Engineering”, vol. 126 n. 12 (2000), pp. 1395-1403; M.A. Parisi, M. Piazza, Carpentry joints in earthquake conditions, in “Ingegneria Sismica”, n. 4 (2013), pp. 54-71.8. C. Tardini, Toward structural mechanics through wooden bridges in France (1716-1841), Springer, Berlin 2013; D. Gasparini, K. Nizamiev, C. Tardini, G. W. Whistler and the Howe Bridges on the Nikolaev Railway, 1842-1851, in “Journal of Performance of Constructed Facilities”, vol. 30 n.3 (2016); M.A. Parisi, C. Chesi, C. Tardini, Inferring Seismic Behavior from Morphology in Timber Roofs, in “International Journal of Architectural Heritage”,

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di interventi adatti al materiale e alle caratteristiche strutturali, per i quali trovano applicazione modalità diverse9, che spaziano dalle tecniche tradizionali ingegnerizzate, agli apporti di nuovi materiali, fino alle nanotecnologie.

In sintesi, il tema della costruzione in legno, basata sull’impiego di elementi tecnolo-gicamente evoluti ed ottimizzati in termini di caratteristiche e prestazioni, prodotti industrialmente con procedimenti automatizzati e secondo criteri di fornitura taylor made, prefigura la possibilità di trasformare in concreto questo importante comparto economico in un settore produttivo da prettamente artigianale a fortemente industriale.

3. Sistemi a base tessile e polimerica per costruzioni leggereL’ambito delle costruzioni leggere a base tessile rappresenta tuttora un campo di grande interesse per i progettisti e di estrema vivacità per quei segmenti di mercato attenti all’innovazione e alla qualità dei prodotti, che rappresentano un fattore decisivo per la competitività delle aziende. Facciate tessili ultraleg-gere, involucri pneumatici trasparenti, tensostrutture metal-free, ma anche tappezzerie isolanti, pannelli scaldanti, tende solari selettive sono alcune delle applicazioni recenti dei tessili tecnici per le costruzioni leggere che continuano a favorire l’ingresso sul mercato di prodotti tessuti e non tessuti di nuova concezio-ne. Il rinnovato interesse da parte di studiosi e progettisti ha determinato l’esigenza di mettere a sistema le competenze specialistiche presenti all’interno del Politecnico di Milano sul tema dei materiali tessili, dei polimeri e dei compositi avanzati.

Intensa è l’attività del Dipartimento intorno alla tematica dell’architettura tessile e, più in generale, dell’impiego innovativo di materiali polimerici nel settore delle costruzioni, sia sul versante della ricerca di base, sia sul fronte della ricerca applicata, sia, infine, nell’ambito della sperimentazione progettuale. Si tratta di un’esperienza che, seppur focalizzata su un campo molto specifico di materiali e di processi che può sembrare ai margini degli interessi delle discipline dell’architettura e dell’ingegneria delle costruzioni, rappresenta un punto di osservazione privilegiato di quelle nuove prassi progettuali che oggi travalicano i confini disciplinari. Quello dei materiali tessili e polimerici si configura, infatti, come ambito di ricerca ad elevato contenuto innovativo anche in ragione di un esteso impiego dei più sofisti-cati strumenti di scambio delle informazioni e di un diffuso riferimento ad approcci multidisciplinari e

vol. 6 n. 1 (2012), pp. 100-116; D. D’Ayala, M.A.Parisi, M. Riggio, N. Ruggieri, G. Tampone, C. Tardini, E. Tsakanika, F. Augelli, Assessment of traditional timber structures: proposal for a template to assist inspection, in proceedings 3rd International Conference on Structural Health Assessment of Timber Structures, Wrocław 2015, pp. 100-107; C. Chesi, M.A. Parisi, C. Tardini, Seismic vulnerability of timber roof structures: classification criteria, in “Advanced Materials Research”, vol. 778 (2013), pp. 1088-1095.9. M.A. Parisi, M. Piazza, Seismic strengthening and seismic improvement of timber structures, in “Construction and Building Materials” n. 97 (2015), pp. 55-66;

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multiscalari, che hanno l’obiettivo di superare le frammentazioni tra segmenti di processo e di mettere a sistema le differenti specializzazioni che informano il progetto, la sua sostenibilità e costruibilità.

Due azioni in particolare hanno rappresentato il volano dell’operatività molteplice con cui oggi il Dipartimento approfondisce il tema delle costruzioni tessili e, più in generale, dell’avanzamento tecnologico nei vari ambiti di applicazione dei tessili tecnici. La prima è costituita dalla creazione, nel 2008, di un cluster di ricerca multidisciplinare sui tessili innovativi, denominato ClusTex, finalizzato allo scambio di conoscenze tra i ricercatori e gli esperti di tessili presenti al Politecnico di Milano, nei settori della tecnologia dell’architettura, del design, dell’ingegneria strutturale, dell’ingegneria meccanica e della chimica della materia. La seconda iniziativa, attivata nel 2015, è la creazione di un laboratorio in-terdipartimentale di sperimentazione dei tessili tecnici e dei materiali polimerici, Textiles Hub (Heuristic Understanding in Buildings), luogo specializzato a testare le potenzialità di applicazione dei tessili tecnici nelle costruzioni, interconesso a una rete locale e transnazionale di interesse e di sperimentazione dei tessili impiegabili negli svariati settori industriali.

ClusTex e Textiles Hub rappresentano un nodo di connessione virtuale e fisico tra gli operatori della ricerca scientifica, i produttori di tessuti (tecnici e non) e la rete di progettisti e confeziona-tori di strutture tessili per l’architettura. Sono anche il luogo privilegiato in cui far dialogare le molteplici progettualità inerenti i sistemi costruttivi di matrice tessile, con l’obiettivo di arrivare allo sviluppo di nuovi prodotti e/o sistemi, partendo dalla caratterizzazione dei materiali, dallo studio dei processi con cui vengono realizzati e dalla valutazione delle possibilità di trasferimento da altri ambiti applicativi all’edilizia.

L’obiettivo strategico di Textiles Hub è di incentivare le relazioni tra il settore manifat-turiero tessile e le istituzioni scientifiche nazionali e internazionali, al fine di cooperare nella ricerca e sviluppo di tessili innovativi da impiegarsi nei settori delle strutture leggere, del design e degli interni e anche nel settore della nautica, dell’aerospazio e dello sport. Sia le aziende di produzione di tessili e poli-meri, sia i professionisti del settore delle tensostrutture – ambito specialistico in cui è richiesta una forte professionalità e un continuo ricorso a verifiche sperimentali – trovano nel laboratorio interdipartimen-tale un valido punto di riferimento per lo sviluppo di nuovi prodotti, per la simulazione delle prestazioni e anche per test specifici. Fulcri dell’operatività del Textiles Hub sono, da un lato, la stazione di prove biassiale che – unica in Europa – può caratterizzare il comportamento meccanico di tessili, polimeri e compositi adatti ai più svariati campi applicativi, e dall’altro le camere climatiche, in grado di verificare l’efficienza di nuove soluzioni di involucri leggeri. I ricercatori di cinque dipartimenti del Politecnico coin-volti nel Textiles Hub si occupano inoltre di monitoraggio sul campo finalizzato a rilevare le condizioni di daylighting e il comfort termo-igrometrico di strutture tessili, coperture in ETFE, tende di protezione di siti archeologici, coperture stagionali per lo sport e così via. Textiles Hub organizza e sostiene attività divulgative con seminari, workshop, convegni, corsi di istruzione permanente e altre iniziative di rilevanza scientifica all’interno della rete europea TensiNet Association per la quale il laboratorio milanese svolge il ruolo di referente per l’Italia. ClusTex e Textiles Hub si presentano pertanto come nodi dedicati alla ricerca specialistica sul tema dei tessili tecnici, laddove la rete di connessione multidisciplinare, locale e globale,

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rappresenta la linfa vitale non solo per attivare nuovi progetti di ricerca, ma anche per approfondire e scambiare le conoscenze acquisite e le sperimentazioni di volta in volta condotte. In un contesto europeo che vede la presenza di molteplici laboratori di ricerca sui tessili impegnati a sperimentare procedure che possano descrivere i futuri standard dell’operatività nel campo delle costruzioni tessili da codificare in sede di Eurocodice, l’associazione europea TensiNet si è fatta promotrice di una proposta di Eurocodice CEN/TC250/WG5: Technical Guidance for the Design of Membrane Structures il cui processo è tuttora in corso. All’interno del TensiNet è attivo un gruppo di lavoro sul tema «specifications», con la finalità di discutere tutti gli aspetti che informeranno la normativa comunitaria in materia di strutture a membrana. In questo contesto è in corso un round robin exercise, ovvero una procedura di confronto volontario delle apparecchiature di test dei vari laboratori universitari e privati attrezzati alla progettazione, all’analisi strutturale, alla misurazione delle proprietà e alla simulazione fluido-dinamica di sistemi tensostruttu-rali a membrana. Tale esercizio coinvolge anche il Dipartimento, con le attrezzature disponibili presso il laboratorio interdipartimentale di ricerca Textiles Hub.

La presenza di un centro attrezzato in questo senso anche all’interno del Politecnico di Milano dà forza e sostegno agli operatori italiani del settore che possono essere supportati nella messa a punto di una serie di indicatori calibrati sulla realtà produttiva, climatica e ambientale italiana, da portare alla discussione in vista dell’imminente normalizzazione delle procedure di progettazione, costruzione e manutenzione delle strutture tessili.

Va infine sottolineato che dal 2010 l’European Research Council (ERC) introduce il tema Lightweight construction, textile technology all’interno dell’area tematica PE8: Products and process en-gineering offrendo così l’opportunità di proporre attività di ricerca nell’ambito del tessile tecnico nella gran parte delle call europee inerenti al rinnovamento del settore delle costruzioni.

Differenti sono le tipologie di progetti sviluppati su questo fronte e numerosi sono i gruppi di ricerca del Dipartimento coinvolti, a diverso titolo. Questa attività è sostenuta da un evidente interesse a livello europeo per lo sviluppo delle costruzioni leggere a base tessile che si esplicita anche nella possibilità di inserire i temi dell’applicazione di materiali tessili avanzati nell’ambito delle call coordina-te su temi trasversali alle nanotecnologie (NMP) e all’efficienza energetica degli edifici (E2B). In questa direzione che considera le prestazioni nell’intero ciclo di vita di nuove soluzioni costruttive basate sulla leggerezza del sistema vengono valutate come alternative possibili a quelle che prevedono il raggiungimento dell’efficienza energetica attraverso la massa. Vengono pertanto promosse da un lato la sperimentazione di isolanti innovativi e, dall’altro, la messa a punto di sistemi a funzionalità integrata e prefabbricabili, capaci di superare il consolidato modo di procedere per addizione di materiali, trascurando le sinergie tra le parti e le valutazioni del loro ciclo di vita all’interno dell’edificio di cui sono parte. All’interno del progetto EASEE (Envelope Approach to improve Sustainability and Energy efficiency in Existing multi-storey multi-owner residential buildings), nell’ambito del 7° Programma Quadro di Ricerca e Sviluppo Tecnologico dell’Unione Europea sono state messe a punto soluzioni non convenzionali di retrofit interno, basate sull’impiego di un tessile tecnico come supporto strutturale e finitura superficiale da accoppiarsi con

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isolanti sottili ad alte prestazioni e da integrarsi con dispositivi di riscaldamento a parete, illuminazione e trasferimento dati, secondo un concetto di tappezzeria multisensoriale. Sulla parte di sperimentazione sui tessili integrati con materiali isolanti innovativi, il Dipartimento conta al suo attivo il deposito di un brevetto nazionale per un dispositivo di installazione facilitata di tappezzeria multifunzionale, ovvero in-tegrabile con strati di isolamento acustico, termico, e con altri componenti ultrosottili atti a trasformare il layer tessile interno in una pelle di nuova generazione.10 Questa esperienza, incentrata sullo studio dei tessili tecnici, sono certamente generalizzabili le modalità con cui si sono create fruttuose dinamiche tra i nodi (ClusTex e Textiles Hub) e le reti internazionali quali le associazione scientifiche TensiNet, e IASS (International Association for Shell and Spatial Structures), la recente azione di networking Cost-Action (Novel Structural Skins, Improving sustainability and efficiency through new structural textile materials and designs) cofinanziata dalla Unione Europea sul tema dell’innovazione sostenibile nel campo delle strutture leggere.

4. Materiali innovativi a base cementiziaNegli ultimi decenni la ricerca sui materiali innovativi a base cementizia ha portato allo sviluppo di diversi materiali con prestazioni peculiari non solo in termini di resistenza, ma anche di durabilità, comporta-mento post picco e lavorabilità.11

Al fine di ottenere tali prestazioni si sono adottati diversi accorgimenti, tra i quali la parziale sostituzione del legante con polveri che migliorino i prodotti di idratazione consentendo di ottenere calcestruzzi ad alte prestazioni HPC (High Performance Concrete) o calcestruzzi autocompat-tanti SCC (Self Compacting Concrete) in grado di fluire sotto il peso proprio. Tali calcestruzzi sono in genere caratterizzati da un comportamento post picco estremamente fragile, e pertanto si ricorre spesso all’aggiunta di fibre metalliche o polimeriche che migliorino non solo il comportamento meccanico, ma consentano anche di controllare la fessurazione nelle fasi iniziali dopo il getto o riducano il pericolo di esplosioni (spalling) a seguito di incendi. Il loro impiego risulta già diffuso e diverse opere realizzate in passato hanno evidenziato eccellenti caratteristiche di durabilità.12 Vi è tuttavia da sottolineare che, in

10. Brevetto per invenzione industriale: Sistema di tappezzeria funzionale, metodo di in-stallazione di tale tappezzeria, kit di installazione di tale tappezzeria; deposito Politecnico di Milano: 11.11.2015; inventori: S. Aliprandi, C. Monticelli, A. Zanelli, G. Masera.11. S. Cattaneo, L. Biolzi, Assessment of Thermal Damage in Hybrid Fiber Reinforced Concrete, in “Journal. of Materials in Civil Engineering”, vol. 22 n. 9 (2010), pp. 836-845; S. Cattaneo, F. Mola, Assessing the Quality Control of Self Consolidating Concrete Properties, in “Journal of Construction Engineering and Management”, vol. 138 n. 2 (2012).12. L. Biolzi, S. Cattaneo, F. Mola, Shear and bending Response of Self-Consolidating and High-Performance Reinforced Concrete Beams, in “Engineering Structures”, vol. 59 (2014), pp. 399-410; G. Guerrini, L. Biolzi, S. Cattaneo, Long-term monitoring of a very high performance fiber-reinforced concrete bridge: a case study, in Proceedings of the 1st International Symposium ACF on Ultra High Performance Concrete, Kolkata 2015.

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virtù di una crescente attenzione alle problematiche ambientali, è emersa una criticità nell’attuale produ-zione di cemento portland, ossia la sua elevata produzione di CO2. In questo ambito è in atto una ricerca che mira a sviluppare mix-design che abbiano eccellenti prestazioni strutturali (in termini sia di resistenza meccanica, sia di duttilità), durabilità (soprattutto in presenza di cloruri) e al tempo stesso consentano di ridurre gli impatti ambientali. Al fine di ottenere tale risultato, il Dipartimento, con il contributo di un importante produttore di cemento, sta mettendo a punto una serie di nuovi mix in cui il cemento portland è parzialmente sostituito da altre aggiunte (cemento calcio-solfo-alluminoso, metacaolino, loppa) e in cui si introducono anche fibre (in acciaio e alcool polivinilico). Dopo una prima campagna sperimentale mirata a selezionare i mix migliori sulla base di prove standard di caratterizzazione, si procederà ad un’analisi più dettagliata delle performance in termini di durabilità dei mix prescelti. L’obiettivo finale è quello di ottenere eccellenti caratteristiche meccaniche e di durabilità con un materiale ambientalmente compati-bile, che possa trovare largo impiego nelle nuove costruzioni.

In Italia, la richiesta di ripristino di strutture esistenti è in continuo aumento a causa della fatiscenza del nostro patrimonio edilizio, caratterizzato anche da un elevato numero di costruzioni in muratura, particolarmente vulnerabili alle azioni sismiche. Il comportamento post-picco dei materiali cementizi innovativi può risultare particolarmente efficace nel migliorare significativamente le presta-zioni delle costruzioni in muratura a fronte delle nuove azioni sismiche di progetto, salvaguardando il patrimonio costruito. In tale ambito, la ricerca ha come obiettivo lo sviluppo di nuovi prodotti, e delle relative modalità di messa in opera, al fine di migliorare le prestazioni della muratura storica, non solo in termini di resistenza, ma anche di comportamento. L’attività di ricerca dipartimentale, coordinata con partner industriali e scientifici, si è concentrata su diversi aspetti quali la formulazione di nuovi materiali, la valutazione delle performance delle diverse tecniche di consolidamento e le modalità di prova per la misura delle prestazioni della muratura.

Oggigiorno, le tecniche di intervento per la riqualificazione delle strutture storiche in muratura sono principalmente: sostituzione, iniezione, utilizzo di intonaci armati, ristilatura dei giunti di allettamento, uso di tiranti trasversali, messa in opera di tessuti fibrorinforzati. Naturalmente, il controllo della compatibilità con il manufatto esistente, oltre che la fattibilità tecnica, rappresentano prerequisiti imprescindibili per ogni tipologia di intervento.

Dal punto di vista dello sviluppo di nuovi materiali di ripristino, il principio ispiratore della ricerca in atto è che il miglioramento del comportamento sismico degli edifici in muratura possa passare attraverso l’aumento della dissipazione di energia, cioè attraverso l’incremento della duttilità della muratura stessa. Per questo motivo si è formulato un betoncino rinforzato con fibre d’acciaio inossidabile in modo da garantire una maggiore stabilità del ramo post-picco della curva di capacità della muratura. La scelta dell’acciaio inossidabile è stata dettata non solo dalla sua insensibilità alla corrosione (che potrebbe pregiudicare gli interventi), ma soprattutto dalla maggiore possibilità di dissipare energia, in condizioni di sollecitazione ciclica, rispetto ai tradizionali acciai al carbonio. Particolare attenzione è stata posta nella ricerca e definizione della migliore geometria della fibra ai fini del trasferimento della forza di trazione

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tra i due lembi della fessura nel betoncino, basandosi su un criterio di massimizzazione della dissipazione di energia in fase di sfilamento della fibra dal betoncino.13 A questo proposito sono state eseguite prove di pull-out, in controllo di spostamento, di singole fibre con diverse combinazioni di forma, dimensioni e classe del betoncino, considerando sia fibre commercialmente disponibili che appositamente prodotte. Tali prove hanno dimostrato come la fibra con estremità sagomata a T (appositamente prodotta per questo progetto di ricerca) sia quella che garantisce la maggiore dissipazione di energia. La possibilità di produrre industrialmente tali fibre innovative e/o la formulazione di nuove geometrie sono tuttora oggetto di studio.

Per quanto riguarda la caratterizzazione della muratura, le varie tecniche di intervento considerate sono state indagate su alcuni provini di laboratorio, costruiti in modo da riprodurre le stesse caratteristiche delle murature storiche originali, e successivamente provati in condizioni di contemporanea applicazione di azioni di taglio e compressione. Risulta fondamentale, da questo punto di vista, tenere conto della reale morfologia della muratura, solitamente caratterizzata da irregolarità della geometria e la eterogeneità della composizione (normalmente laterizio o pietra di cava o di fiume). Nell’ambito della riqualificazione sismica è poi importante rilevare la scarsa qualità che si riscontra comunemente nella malta (specialmente in edifici storici), associata ad una scarsa adesione di questa con la pietra o il lateri-zio. Quale caso studio, si è scelta la tipica muratura aquilana, il cosiddetto apparecchio aquilano. Questa muratura risulta caratterizzata da una struttura a sacco con due paramenti esterni a tessitura caotica realizzati con elementi lapidei non regolari, con interposta malta povera di terra e calce caratterizzata da scarse prestazioni meccaniche e disposta secondo giunti molto irregolari in direzione sia orizzontale, sia verticale. Ulteriori tipologie di muratura dovranno essere indagate in futuro, con le stesse modalità seguite nel caso studio. Su provini di apparecchio aquilano si sono applicate varie tecniche di intervento per il miglioramento sismico quali iniezione di malta, ristilatura profonda dei giunti, sostituzione dell’intonaco con l’impiego del betonciono fibrorinforzato precedentemente definito e applicazione di reti di rinforzo in fibra di acciaio ad altissima resistenza (a maglia più o meno fitta) o con teli di fibra di basalto. L’esecuzione delle prove di taglio-compressione su tali campioni ha consentito di caratterizzare e comparare le diverse tecniche di intervento in termini di rigidezza, resistenza e comportamento post-picco delle curve di ca-pacità ottenute sperimentalmente, evidenziando le potenzialità della malta da iniezione e del betoncino fibrorinforzato formulati nel corso della ricerca.14

13. A. Franchi, G. Silvestro, P. Ronca, P. Crespi, E. Borgarello, M. Borsa, B. Yagli, S. Sgobba, S. Tortelli, Malte rinforzate con fibre in acciaio inox ad elevata duttilità per il rinforzo di murature storiche: prove di pull-out della singola fibra, Rapporto di prova interno, CTG Italcementi CISE, Bergamo 2012.14. P. Crespi, A. Franchi, D. Galeota, A. Gregori, P. Ronca, Laboratory tests on unreinforced and reinforced historical masonry wall specimens in L’Aquila (Italy), in 9th International Masonry Conference, Guimaraes 2014; P. Crespi, A. Franchi, D. Galeota, N. Giordano, A. Gregori, P. Ronca, Retrofitting masonry heritage in seismic areas by preserving its structural historical identity, in “Studies and Researches”, vol. 33 (2014).

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L’ultimo aspetto oggetto di interesse riguarda la determinazione sperimentale del com-portamento meccanico della muratura. A tal proposito è stata sviluppata un’apposita attrezzatura per l’esecuzione di prove di compressione diagonale in controllo di spostamento in sito, in grado di valutare la rigidezza e la resistenza a taglio di pannelli di muratura esistente. La usuale versione in laboratorio di tale prova opera su campioni di muratura artificiali; nella versione in situ si prevede di isolare il pannello in muratura esistente da sottoporre a prova dalla parete circostante mediante tagli realizzati con filo dia-mantato o sega circolare, cercando di minimizzare il danno sul pannello da testare.

L’attrezzatura di prova è composta da una serie di elementi metallici (cuffie) posizionati ai due spigoli opposti di una delle diagonali del pannello e collegati tra loro mediante barre in acciaio. In uno dei due spigoli sono posizionati due martinetti idraulici che agiscono sulla struttura metallica. In questo modo si realizza un sistema chiuso in cui i martinetti comprimono il pannello lungo una diago-nale. Il pannello di prova viene inoltre strumentato con quattro trasduttori di spostamento disposti lungo le diagonali, su entrambe le facce, per misurare le deformazioni sotto carico. L’intera attrezzatura è stata progettata in modo da essere trasportabile e da consentire l’esecuzione di prove in situ su murature reali, scarsamente disturbate. La possibilità di condurre la prova in controllo di spostamento permette di cogliere il comportamento post picco del pannello di muratura. L’esecuzione di prove di compressione diagonale, secondo le modalità descritte, su pannelli di muratura nel tipico apparecchio aquilano, in condizioni reali e rinforzati mediante iniezione, ha consentito di evidenziare chiaramente l’incremento di resistenza e di duttilità apportati dalle iniezioni di malta effettuate sulla muratura esistente.15

5. Barre d’armatura per il calcestruzzoNonostante la comparsa sul mercato delle costruzioni di elementi d’armatura innovativi come le barre in materiale composito fibrorinforzato (FRP o GFRP), nella realizzazione della maggior parte delle strutture in calcestruzzo armato si continuano ad impiegare le consuete armature in acciaio al carbonio e, più raramente, barre in acciaio zincato o inossidabile. Ciò giustifica la continua ricerca e sviluppo di prodotti sempre più performanti e controllati.

Nelle strutture in calcestruzzo armato si possono osservare due modalità di rottura delle barre d’armatura: la rottura per trazione o la crisi per fatica oligociclica. Nel caso di rottura per trazione, la crisi della barra si verifica in conseguenza di fenomeni di localizzazione delle deformazioni nell’acciaio dopo la formazione della strizione. Il secondo tipo di rottura è tipico delle strutture in calcestruzzo armato soggette a elevate condizioni di carico ciclico. L’aumento di duttilità, inteso sia come rapporto tra resistenza ultima e tensione di snervamento, sia come allungamento percentuale a carico massimo in condizioni

15. A. Franchi, P. Crespi, P. Ronca, N. Giordano, G. Ransenigo, In-situ tests, analytical and numerical studies for the assessment capacity of a historic building in l’Aquila, in XII International Forum Le Vie dei Mercanti, Aversa 2015; P. Crespi, A. Franchi, A. Gregori, P. Ronca, An in situ diagonal compression test with displacement control of the two wall sides, in 9th International Masonry Conference, Guimaraes 2014.

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monotone, corrisponde, in entrambi i casi, a un aumento della vita dell’armatura. Sfortunatamente, in molte armature disponibili nella produzione europea, la duttilità risulta troppo bassa rispetto alle esigen-ze richieste dall’applicazione in zona sismica. Le norme nazionali e internazionali, sia di progetto che di prodotto, devono confrontarsi con le difficoltà dei produttori di acciaio nell’ottenere valori più elevati di duttilità, compatibilmente con il controllo delle variabili di processo.

L’ottimizzazione delle proprietà meccaniche delle barre d’armatura in acciaio al carbo-nio, in funzione dei parametri di controllo del processo produttivo, è stata oggetto di un programma di ricerca finanziato dalla ECSC (European Coal and Steel Community), mirato alla definizione dei parametri caratteristici del processo produttivo tali da assicurare i livelli di resistenza, duttilità e saldabilità delle armature richiesti dall’Eurocodice 8. Lo sviluppo del programma di ricerca ha dovuto tener conto che le armature in acciaio al carbonio commercialmente disponibili possono essere distinte, sulla base del loro processo produttivo, in due categorie: acciai laminati a caldo e acciai trafilati a freddo. Inoltre, dal punto di vista dei prodotti finiti, occorre distinguere tra prodotti in forma di barre o rotoli.

Sulla base di un’ampia sperimentazione sui prodotti laminati a caldo, è stato quindi possibile sviluppare, calibrare e validare un modello analitico in grado di predire la resistenza e la duttilità delle barre di tipo Tempcore in funzione delle due variabili di processo più significative: la composizione chimica dell’acciaio e la temperatura di equalizzazione delle barre.16 Ciò ha consentito di individuare i valori delle due variabili di processo tali da garantire la massimizzazione della duttilità delle barre d’ar-matura per un prefissato valore della resistenza. Successivamente, con le stesse modalità, si sono indagati e ottimizzati anche i prodotti trafilati a freddo.

La campagna sperimentale alla base del programma di ricerca ha consentito anche di mettere in luce l’influenza della geometria della nervatura sulla vita a fatica oligociclica, approfondita in seguito anche dal punto di vista della simulazione numerica.17 Il comportamento delle barre d’armatura in acciaio al carbonio prodotte con i parametri di processo ottimizzati è stato inoltre verificato anche in provini di colonna in calcestruzzo armato in scala reale, testati in laboratorio in condizioni di carico ciclico ad ampiezza crescente. Questo ha consentito di indagare il comportamento ciclico della zona di formazione della cerniera plastica, tenendo conto anche dell’effetto di alcuni particolari costruttivi quali: connessioni tra barra e staffa, saldatura delle staffe, impiego di rete elettrosaldata in sostituzione delle staffe, impiego di calcestruzzo fibrorinforzato.

Per quanto riguarda invece le armature in acciaio inossidabile, occorre osservare come il loro impiego sia in continuo aumento nel settore delle costruzioni in calcestruzzo armato, specialmente quando tali costruzioni si trovano esposte all’attacco da cloruri. Bisogna altresì osservare come, in Italia,

16. A. Franchi, P. Crespi, L. Bianco, G. Demofonti, M. Gomes, P. Michelis, M. Pipa, R. San-toro, Optimized reinforcing steel bars for seismic applications: results of an ECSC European Project, in XI Congresso Nazionale ANIDIS, L’Ingegneria Sismica in Italia, Gennaio 2004.17. A. Franchi, P. Crespi, M. Ha, F. Genna, A. Panteghini, A mechanical interpretation of low-cycle fatigue in steel rebars, in “Studies and Researches”, vol. 28 (2008), pp. 157-182.

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solo recentemente le nuove norme tecniche per le costruzioni (D.M. 14/01/2008) hanno preso in conside-razione le armature in acciaio inossidabile come prodotto da costruzione, precisandone le specifiche per l’utilizzo in strutture in calcestruzzo armato, allineandosi così ad altre normative tecniche internazionali.La definizione delle prestazioni, la valutazione della duttilità e lo sviluppo di nuove composizioni chimi-che idonee per la produzione di acciaio inossidabile a basso costo sono state oggetto di due programmi di ricerca triennali.

Nell’ambito di questi programmi, il comportamento meccanico di barre in acciaio inox AISI 304 è stato indagato dal punto di vista sperimentale e numerico. I risultati sperimentali sono stati confrontati con analoghi risultati ottenuti su barre in acciaio al carbonio ad alta duttilità, con riferimen-to sia a prove standard di trazione monoassiale, sia a prove di fatica oligociclica a carico alternato.18 La sperimentazione ha dimostrato come le barre d’armatura in acciaio inossidabile presentino proprietà meccaniche significativamente superiori a quelle in acciaio al carbonio, sia in termini di resistenza che di duttilità. Da rimarcare il fatto che la vita a fatica oligociclica di barre in acciaio inossidabile, in termini di numero di cicli a rottura, risulta circa doppia rispetto a quella delle barre in acciaio al carbonio, rendendo questo materiale particolarmente interessante per l’impiego in zona sismica dove, per la sopravvivenza delle strutture, è richiesta la possibilità di dissipare elevate quantità di energia mediante un gran numero di cicli di plasticizzazione di ampiezza significativa. La sperimentazione si è poi conclusa con prove a carico ciclico su provini di colonna in calcestruzzo armato in scala reale, armati con barre in acciaio inossidabile, analoghi a quelli già impiegati nella campagna sulle barre in acciaio al carbonio. Questo ha consentito di confrontare il comportamento delle due tipologie, confermando le ottime prestazioni dell’acciaio inossi-dabile sia in termini di aumento di resistenza che di incremento della duttilità.

Nonostante la diffusione di questi prodotti, le barre d’armatura non sono ancora rego-lamentate da una norma di prodotto che ne consenta la marcatura CE. Uno degli aspetti fondamentali per l’ottenimento della certificazione di conformità è il soddisfacimento dei requisiti relativi al controllo di produzione in fabbrica, che ha lo scopo di monitorare la costanza della qualità dei prodotti nel tempo

Recentemente, gli autori sono stati coinvolti da un’associazione di produttori di barre d’armatura in acciaio inossidabile per la formulazione di una proposta, da sottoporre all’ente normatore, in cui si formalizzano i criteri di verifica, da implementare durante il controllo di produzione in fabbri-ca. I criteri proposti sono stati validati utilizzando i risultati delle prove eseguite dai produttori durante l’ordinaria produzione degli ultimi anni, confermando la bontà della gran parte dei lotti considerati ed evidenziando quelli che presentavano possibili non conformità.

18. A. Franchi, P. Crespi, A. Bennani, Stainless steel reinforcing bars for structural seismic applications, in XI Congresso Nazionale ANIDIS, L’Ingegneria Sismica in Italia, Genova 2004; A. Franchi, A. Migliacci, P. Crespi, A. Bennani, Stainless steel rebars under cyclic loadings, in 2nd International fib Congress, Napoli, 2006.

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6. I materiali compositi per le nuove costruzioni e il rinforzo strutturaleIn Italia l’utilizzo dei materiali compositi ha soprattutto interesse nel settore del rinforzo strutturale. Alcune caratteristiche peculiari di tali materiali, quali l’elevato rapporto rigidezza/peso e resistenza/peso, l’elevata resistenza alla corrosione e la rapidità di messa in opera, rendono tali materiali particolarmente indicati per gli interventi di rinforzo. Tali caratteristiche tendono a compensare i maggiori costi di questi materiali innovativi rispetto a quelli tradizionali. A ciò si aggiungono i minori oneri in termini di organizzazione del cantiere e la rapidità delle lavorazioni.

I materiali compositi, o meglio le resine epossidiche comunemente utilizzate per la loro messa in opera, presentano però una scarsa resistenza al fuoco e a certe condizioni ambientali. Inoltre non sono sempre in grado di garantire un’adeguata reversibilità dell’intervento in edifici di interesse storico ed artistico. Occorre infine ricordare che in Italia i materiali compositi non sono ancora riconosciuti come mate-riali strutturali (NTC 2008) e per il loro utilizzo per le nuove costruzioni è necessario uno specifico benestare del CSLP (Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici) del Ministero delle infrastrutture. L’uso in interventi su costruzioni esistenti è invece possibile nel rispetto di normative e documenti di comprovata validità, come ad esempio le istruzioni ed i documenti tecnici del CNR.

Tra i materiali compositi utilizzati per il rinforzo strutturale e le nuove costruzioni, sono di particolare interesse gli FRP (Fiber Reinforced Polymer), introdotti nel mondo dell’ingegneria civile dopo un periodo di sperimentazione con eccellenti risultati in campo aeronautico e aerospaziale. I rinforzi, sotto forma di lamine pultruse o tessuti, sono applicati mediante adesivi, in genere di tipo epossidico, anche nel caso di elementi bidimensionali quali solette in calcestruzzo. Questo li rende vulnerabili al fuoco e a certe condizioni ambientali anche se tali criticità possono essere risolte mediante l’applicazione protettiva di intonaci.

Per ovviare a questi inconvenienti sono attualmente oggetto di studio materiali di rinforzo alternativi, quali i materiali FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix) e cioè compositi fibrorinforzati a matrice inorganica. A differenza degli FRP, la matrice è di tipo inorganico (spesso si tratta di una malta ce-mentizia ma possono essere utilizzate anche malte a base di calce). L’armatura è comunemente costituita da una rete realizzata con le stesse fibre utilizzate per gli FRP, oppure con altre alternative, tra cui si annoverano quelle di basalto, di PBO (Poliparafenilenbenzobisoxazolo) e di acciaio. Questi materiali presentano inoltre una migliore compatibilità con certi substrati (ad esempio le murature storiche) ed offrono una maggiore reversibilità dell’intervento.

I compositi per il rinforzo strutturale delle strutture esistentiI materiali compositi possono essere utilizzati per il rinforzo di strutture in calcestruzzo armato e mura-tura, ma anche in acciaio e legno.

Per quanto riguarda le strutture in calcestruzzo armato possono essere convenientemente utilizzati per migliorare il comportamento a flessione o presso-flessione, incrementare la capacità deforma-tiva (molto importante in campo sismico), eliminare i meccanismi di collasso di tipo fragile (ad esempio la crisi per taglio o dei pannelli di nodo) ed evitare i meccanismi di collasso di piano. I tessuti in materiale

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composito sono indicati anche per il confinamento di pilastri al fine di aumentarne resistenza e duttilità.19

Per quanto riguarda invece le strutture murarie, soprattutto in zona sismica, l’intervento è rivolto all’incremento della resistenza a flessione e taglio di pannelli murari, al contenimento di spinte ortogonali ai paramenti murari, al collegamento tra elementi murari così da ottenere un comportamento scatolare della costruzione, all’irrigidimento dei solai nel proprio piano e al confinamento di colonne.

Nelle strutture in acciaio, l’intervento è rivolto all’aumento della capacità portante o della resistenza a fatica. Non è invece in genere possibile migliorare le caratteristiche di deformabilità in quanto in genere si ottiene solo un marginale incremento dell’inerzia dell’elemento strutturale.20

Attualmente sono in corso numerose attività di ricerca sia a livello di materiali che di componente e di sistema. Il Dipartimento è particolarmente attivo nella stesura di indicazioni progettuali per la pratica ingegneristica e per la definizione delle procedure per l’identificazione, la qualificazione e l’accettazione di questi materiali.21 In particolare, al fine di soddisfare i requisiti richiesti dalle norme ita-liane per le costruzioni (NTC 2008), il CSLP ha da poco pubblicato un’ulteriore linea guida per i materiali FRP nel campo delle costruzioni, mentre è in fase di preparazione da parte di un gruppo di esperti una linea guida per l’identificazione, la qualificazione e l’accettazione per i materiali FRCM.

Le ricerche in atto presso il Dipartimento sono sia di tipo teorico/numerico che speri-mentale. A livello teorico/numerico sono stati recentemente sviluppati modelli semplificati per lo studio di fenomeni di distacco di rinforzi in FRCM su elementi in muratura, del distacco di rinforzi in FRP su elementi in calcestruzzo e della crisi per distacco del rinforzo in travi in acciaio rinforzate con lamine pultruse in FRP. Dal punto di vista sperimentale sono state recentemente svolte campagne di prove rivolte alla caratterizzazione del comportamento a fatica di travi fessurate in acciaio e delle caratteristiche di rinforzi in FRCM al variare delle componenti del sistema (reti e matrici).La ricerca svolta rientra essenzial-mente nei progetti RELUIS (Rete dei laboratori universitari di ingegneria sismica) 2010-2013 e 2014-2018, finanziati dal Dipartimento di protezione civile italiano (DPC).

19. M. Bocciarelli, C. di Feo, N. Nisticò, M.A. Pisani, C. Poggi, Failure of RC beams strengthened in bending with unconventionally arranged CFRP laminates, in “Composites Part B: Engineering”, vol. 54 (2013), pp. 246-254; M. Bocciarelli, M. A. Pisani, Modified force method for the nonlinear analysis of FRP reinforced beams, in “Composite Structures”, vol. 131 (2015), pp. 645-653.20. P. Colombi, G. Fava, Fatigue crack growth in steel beams strengthened by CFRP strips, Theoretical and Applied Fracture Mechanics, vol. 85 part B (2016), pp. 173-182; P. Colombi, G. Fava, Experimental study on the fatigue behaviour of cracked steel beams repaired with CFRP plates, in “Engineering Fracture Mechanics”, vol. 145 (2015), pp. 128-142.21. D. Arboleda, F.G. Carozzi, A. Nanni, C. Poggi, Testing procedure for the uniaxial textile characterization of fabric reinforced cementitious matrix (FRCM) composites, in “Journal of Composites for Construction”, vol. 20 n. 3 (2015); T. D’Antino, T.C. Triantafillou, Accuracy of design-oriented formulations for evaluating the flexural and shear capacities of FRP-strengthened RC beams, in “Structural Concrete”, vol. 17 n. 3 (2016), pp. 425-442.

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I compositi per le nuove costruzioniA livello di nuovi elementi strutturali, si segnala l’attività di ricerca rivolta allo studio dell’utilizzo di ar-mature in materiale composito. L’intento è quello di fornire una risposta al problema della durabilità in ambiente aggressivo di strutture in calcestruzzo armato, sostituendo l’armatura metallica con barre in fibra di vetro GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer). Le ricerche in atto sono tese a verificare l’affidabi-lità delle barre in GFRP come armature di solette da ponte attraverso prove di aderenza, rilassamento, resistenza a lungo termine, fatica e resistenza a temperature elevate. In particolare, le prove di fatica sono state eseguite su campioni di soletta al vero, armate con barre in GFRP. Sono state inoltre eseguite prove per la verifica a temperature elevate di barre in composito inserite in solette da ponte. I risultati hanno consentito di sviluppare criteri di progetto atti a scongiurare il collasso della soletta in caso incendio.

I materiali compositi in forma di profili pultrusi sono ideali per la costruzione di nuove strutture leggere resistenti agli agenti atmosferici ed a particolari situazioni ambientali. Ne sono esempi alcune realizzazioni di passerelle pedonali e grigliati. Questi elementi potranno essere comunemente uti-lizzati quando la normativa nazionale ne indicherà le procedure di qualificazione e accettazione.22

22. G. Carra, V. Carvelli, Long-term bending performance and service life prediction of pultruded glass fibre reinforced polymer composites, in “Composite Structures”, vol. 127 (2015), pp. 308-315; V. Carvelli, M.A. Pisani, C. Poggi, Fatigue behaviour of concrete bridge deck slabs reinforced with GFRP bars, in “Composites Part B: Engineering”, vol. 41 n. 7 (2010), pp. 560-567.

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1. Fase di assemblaggio di una parete prefabbricata con tecnologia Timber Frame.2. Stoccaggio di pareti prefabbricate per edilizia residenziale, precedente la fase di trasporto in cantiere. 3. Complesso residenziale Cenni di cambiamento, Milano, vista del cantiere, con struttura portante in Cross-Laminated Timber.4. Elementi in legno lamellare con inserti in materiale polimerico fibrorinforzato, sperimentazione svolta al Politecnico di Milano.

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5. Padiglione ClusTEX, dal 2015 sede del laboratorio interdipartimentale Textiles Hub presso il Politecnico di Milano.6. Padiglione ClusTEX, macchina per prove a trazione biassiale. 7. Prova a carico alternato di un prototipo di colonna in cemento armato.8. Prova di flessione su tre punti di un campione di betoncino fibrorinforzato.9. Prova di compressione diagonale su muratura storica.


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10. Collasso di una trave in conglomerato cementizio armato rinforzata a flessione con lamine CFRP.11. Prova di fatica su travi metalliche rinforzate.12. Esempio di rinforzo mediante materiali compositi FRCM.13. Particolare della misura della fessura.14. Prove di trazione e di strappo su rinforzi in FRCM.

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15. Prova di fatica su soletta armata con barre in GFRP.16. Prova di flessione su elementi stratificati con diversi intercalari in PVB.17. Prova di flessione su elementi stratificati con diversi intercalari in SGP.18. Dettaglio della soletta al termine della prova.19. Prova di carico su pinna in vetro.


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