Modellazione FEM del consolidamento di una volta con cappa armata

In questo articolo riprendiamo a parlare del consolidamento delle volte in muratura mediante cappa armata. Riporto in questo articolo uno studio eseguito per la mia tesi triennale che aveva, come obbiettivo, la validazione di questa tipologia di intervento. Lo studio prevedeva la creazione di un modello agli elementi finiti, tramite il programma Strauss, di una tipica volta a padiglione studiandone poi i risultati in varie ipotesi.

IL MODELLO

Sezione del modello FEM

Sezione del modello FEM

1. Imposte in muratura listata;
   


2. volta in laterizio;
   


3. cappa in cemento armato;
   


4. rinfianco solido;
   


5. rinfianco cellulare alleggerito;
   


6. soletta collaborante in cemento armato ancorata alle pareti perimetrali.

Le imposte in muratura listata hanno queste caratteristiche: densità 2000 kg/mc, modulo elastici 900/900/1800 MPa. La volta è stata schematizzata con 2035 elementi brick ; le proprietà del materiale, supposto elastico sono le seguenti: densità 1800 kg/mc, modulo elastico 2400 MPa, coefficiente di Poisson 0,35.

Vista laterale della volta in laterizio e dei frenelli in mattoni pieni

Vista in piante della volta in laterizio e dei frenelli in mattoni pieni

Per rappresentare lo strato di colla epossidica tra la volta in laterizio e la cappa in cemento armato sono stati 1430 elementi beam; variando il modulo elastico degli stessi è stato possibile ipotizzare il buon funzionamento del collegamento volta-cappa con un funzionamento a sezione composita o, al contrario, un funzionamento in parallelo delle due strutture. Caratteristiche della cappa: densità 1500 kg/mc, modulo elastico 20000 MPa, coefficiente di Poisson 0,2.

Vista laterale della volta in laterizio con la controcappa in c.a.

Vista in pianta della volta in laterizio con la controcappa in c.a.

Per sovraccarichi permanenti, oltre agli elementi già presenti nel modello e sopracitati, si è tenuto conto di un massetto di cm.8 per consentire il passaggio degli impianti e il peso di una pavimentazione standard per un totale di 1,8 KN/mq, mentre, per i sovraccarichi accidentali, abbiamo adottato la normativa per civili abitazioni: vale a dire 2,00 KN/mq; analizzando le combinazioni di carico permanenti + accidentali e permanenti + accidentali parziale.

I RISULTATI


Si riportano solo i risultati nell’ipotesi che la colla epossidica riesca a trasferire i carichi di tagli tra la volta e la controcappa; nell’ipotesi di colla epossidica non funzionante i risultati sono comunque molto simili.

tensioni principali in direzione y-y

tensioni principali in direzione x-x

Una volta terminata la fase di indurimento della cappa in cemento fibrorinforzato ogni incremento di carico dovuto alle fasi successive dei lavori viene assorbito per una quota di circa il 90% dalla contro cappa in c.a. mentre, alla volta in laterizio, è applicata la restante quota dei carichi e il peso proprio della controcappa in c.a. Confrontando i risultati dei modelli con collegamento in colla epossidica funzionante o meno si può concludere affermando che in entrambi i casi l’intervento raggiunge i risultati prefissati: nel caso di collegamento funzionante la colla epossidica trasferisce gli sforzi di taglio tra cappa e volta in laterizio e le due strutture lavorano come una sezione composita mentre, nel caso di collegamento non funzionante, le due strutture lavorano in parallelo. Nel primo caso la volta in laterizio è tenuta sostenere un carico di compressione leggermente maggiore, che risulta comunque sempre molto al di sotto della soglia di rottura. La sottile cappa in cemento armato è in grado quindi di sostenere i carichi accidentali quando le murature perimetrali sono in grado di fornire un adeguato grado di incastro. Una soletta collaborante, ben ammorsata alle pareti ha sicuramente l’effetto di meglio ripartire i carichi accidentali e contribuisce a creare un effetto scatolare alla struttura funzionando da catena impedendo l’allontanamento delle imposte.

PICCOLA PRECISAZIONE

Questo è una piccola parte della mia tesi triennale, riguardandola con un po più di esperienza mi accorgo di sono tante cose che a quei tempo non avevo ancora capito (e chissà quante altre ancora ne devo capire) e se dovessi ripetere ora lo studio lo modificherei in svariati punti: sicuramente,per esempio, la controcappa utilizzata è risultata troppo rigida e sarebbe stato interessante fare vari tentativi con cappe di diverso spessore e modulo elastico.

A presto, Braian.