Parte dell’attività sperimentale condotta da Bossong, nell’ambito del progetto Animus1, in collaborazione con l’Università degli Studi di Bergamo e con il coordinamento scientifico del Prof. Ing. Paolo Riva, ha interessato il comportamento di ancoraggi ad iniezione controllata pre-sollecitati, con doppio bulbo. Una prima applicazione in laboratorio su banco prova in muratura standard è stata seguita da una campagna sperimentale in situ sul campanile della Chiesa di Botta di Sotto il Monte (figura 1). Obiettivi della sperimentazione: la misurazione dell’eventuale perdita di pre-carico dell’ancoraggio nel tempo, la determinazione della distribuzione degli sforzi tangenziali sulla lunghezza dell’ancoraggio e lo studio del comportamento degli ancoraggi sottoposti ad azioni di sollecitazione dinamica.

Il progetto architettonico di restauro della torre campanaria prevedeva una struttura metallica reticolare, a copertura e protezione della cella campanaria (figura 2), da collegarsi alla sottostante struttura esistente in muratura di pietra mediante ancoraggi verticali profondi.
Il comportamento del sistema è stato studiato attraverso modellazione a elementi finiti avente come obiettivo la verifica del comportamento degli ancoraggi sotto azioni orizzontali indotte dal vento e dal sisma, sia in condizioni d’esercizio che a rottura. L’analisi condotta ha portato a determinare i massimi valori di trazione a SLE e a SLU sugli ancoraggi verticali, reagenti solo a trazione, mentre gli sforzi di compressione sono stati valutati considerando la reazione del cordolo perimetrale in sommità e della sottostante muratura.
Avendo come principale obiettivo la garanzia del buon comportamento in esercizio del sistema, che si traduce nell’assenza di forze di trazione sugli ancoraggi, in modo da evitare decompressioni della sezione della muratura, è stato scelto di affidarsi a ancoraggi iniettati verticali a doppio bulbo con pre-sollecitazione.
Gli ancoraggi con doppio bulbo, verticali, come nel caso studio in oggetto, o orizzontali, consentono l’applicazione di un pre-carico iniziale, imposto dopo l’iniezione e maturazione del bulbo di profondità mentre al bulbo di superficie, iniettato in un secondo momento, viene affidato ogni carico in eccesso oltre la pretensione iniziale. Questa soluzione permette una migliore distribuzione degli sforzi tangenziali lungo l’ancoraggio ed una minore intensità degli stessi, poiché nella parte di bubo di profondità si avrà uno sforzo correlato al solo sforzo di pretensione data mentre, in presenza di ulteriori sollecitazioni, gli sforzi tangenziali si concentreranno nella parte corrispondente al bulbo di superficiale.

La figura 3 rappresenta, in termini qualitativi, il vantaggio offerto dal doppio bulbo, rispetto al singolo bulbo, nella distribuzione degli sforzi tangenziali: in caso di bulbo singolo le azioni producono sforzi tangenziali che si concentrano nella parte più superficiale causando alti regimi tensionali, si manifesta poi un graduale esaurirsi del fenomeno nelle parti più in profondità; con il doppio bulbo si ha una suddivisione degli sforzi che assumono valori di picco minori.
Facendo corrispondere il valore del pre-carico alla massima forza di trazione che può agire sull’ancoraggio in condizioni di esercizio si ottiene l’auspicata assenza di forze di trazione sugli ancoraggi a SLE, evitando così la nascita di fenomeni decompressione della sezione muraria; azioni di trazione sugli ancoraggi si potranno verificare solo a SLU per la parte che eccede le azioni in esercizio.
Sulla base dei carichi risultanti dalla modellazione di dettaglio è stata definita la tipologia di ancoraggi ad iniezione controllata, costituiti da barre GBOS 24/304 in perfori di 70 mm. La lunghezza di ancoraggio del bulbo in profondità, pari a 1,5 metri, è stata calcolata, sulla base dei risultati ottenuti da prove preliminari di estrazione, per far fronte ad un valore di pre-carico di 75 kN; allo stesso modo è stata definita la lunghezza minima del bulbo di superficie, variabile tra 2,0 metri e 2,5 metri, lunghezza necessaria per resistere alla differenza tra il massimo valore di forza trazione allo stato limite ultimo (pari a circa 200 kN) e il massimo valore a stato limite di esercizio (pari a circa 75 kN) ovvero 125 kN. Lunghezze differenti del bulbo di superficie consentono uno sfalsamento in profondità in modo da evitare superfici preferenziali di rottura (figura 4).

La campagna sperimentale in situ è stata preceduta da prove preliminari di laboratorio, eseguite su ancoraggi della stessa tipologia di quelli previsti per le prove in situ, finalizzate alla conoscenza di parametri importanti per le successive valutazioni quali:
il rilassamento a deformazione costante della barra in acciaio costituente l’elemento resistente dell’ancoraggio;
la possibile perdita di carico nel tempo di un ancoraggio verticale pre-sollecitato.

Il monitoraggio e la misura dell’eventuale perdita di pre-carico nel tempo è stata riproposta in situ prendendo in esame due degli ancoraggi verticali con struttura a doppio bulbo progettati per il collegamento della sovrastruttura metallica, mentre su altri due ancoraggi sono state eseguite prove cicliche al fine di studiarne il comportamento quando sottoposti ad azioni di sollecitazione dinamica.
Le prove cicliche sono state effettuate in due diverse fasi: una prima fase, a seguito dell’iniezione e dell’avvenuta maturazione della malta del bulbo in profondità, con n. 3 cicli per valori di carico compresi tra 0 kN e 90 kN e una seconda fase, dopo l’iniezione e la maturazione della malta iniettata nel secondo bulbo, con n. 3 cicli per valori di carico compresi tra 90 kN e 130 kN.

Gli ancoraggi test per le prove cicliche sono stati strumentati con estensimetri su tre posizioni (E1A,E2A,E3A sulla barra di acciaio e E1M, E2M, E3M nella corona di malta) in corrispondenza del bulbo di profondità e su due posizioni (E4A,E5A sulla barra di acciaio e E4M, E5M nella corona di malta) in corrispondenza del bulbo di superficie, questo ha permesso di valutare la distribuzione degli sforzi tangenziali sulla lunghezza di ancoraggio (figura 5).

Il grafico (figura 6) che riporta l’andamento, per i diversi cicli di carico, degli sforzi tangenziali, ricavati come valori medi nei tratti di ancoraggio compresi tra due estensimetri a partire dalle deformazioni sulla barra di acciaio e dunque relativi all’aderenza tra barra e bulbo di malta, mostra che nella prima fase, quando è iniettato solo il bulbo più profondo, all’aumentare del carico, gli sforzi lungo il bulbo in profondità aumentano manifestando un progressivo arretramento del picco della curva; nella seconda fase, quando viene iniettato il bulbo in superficie, gli sforzi tangenziali lungo il bulbo di profondità restano stabili (sovrapposizione delle curve) mentre quelli lungo il bulbo di superficie crescono all’aumentare del carico applicato.
E’ importante quindi osservare che il bulbo di profondità, iniettato per primo e preteso, ha evidenziato deformazioni fino a quando è stata raggiunta la maturazione della malta iniettata nel secondo bulbo di superficie, mentre in seguito non ha evidenziato particolari variazioni di deformazioni al variare dell’applicazione dei carichi; il bulbo di superficie si è preso carico degli incrementi di azioni oltre la pretensione iniziale.
Il grafico ottenuto sperimentalmente mostra un andamento qualitativo del tutto corrispondente con quanto ipotizzato in linea teorica, confermando una suddivisione degli sforzi tra primo bulbo e secondo bulbo.
Se si fosse optato per una soluzione con bulbo unico si sarebbe ottenuto un andamento con un picco molto più alto nella parte superficiale di bulbo che avrebbe sicuramente portato a valori di tensione tangenziale non ammissibili per quel particolare substrato e inoltre si sarebbe verificato un graduale esaurirsi della curva scendendo verso la profondità del bulbo e quindi una distribuzione tale da non sfruttare appieno la profondità di ancoraggio.
Il monitoraggio nel tempo, che ha interessato un periodo di 16 mesi ha mostrato una perdita di pre-tensione pari a circa il 20÷25%. E’ da sottolineare che questi valori non tengono conto di eventuali perdite di carico aggiuntive che si possono avere durante le operazioni di serraggio del dado e che devono essere effettuate con particolare cautela.

bossong.com

1 Progetto Animus, Ancoraggi Iniettati in Murature Storiche, progetto di ricerca e sviluppo relativo alla valorizzazione del patrimonio culturale, co-finanziato dal programma europeo POR-FESR 2007-2013.
[per info > vedi NEWS su Structuralweb.it]


FONTI BIBLIOGRAFICHE E APPROFONDIMENTI
Silveri F., Profeta G., Riva P., Algeri C., Bolognini E., Poverello E., Panzeri P., “Pre stressed vertical injected anchors on historical masonry: a case study, the bell tower of Botta di Sotto il Monte Papa Giovanni XXIII” in SACH 2012, 8th International Conference on Structural Analysis of Historical Constructions, 15-17 October, Wroclaw, Poland, 2012.