di Concetta Tripepi, Anna Marzo, Enea Centro Ricerche, Bologna ♦ Dal fusto della pianta una soluzione di bioedilizia per la sicurezza sismica e l’efficienza energetica degli edifici. Si cerca azienda interessata a sviluppare e commercializzare l’innovazione
Edifici Near Zero Emission e con una sicurezza antisismica superiore. C’è un modo per raggiungere questi obiettivi, creando valore, utilizzando una soluzione naturale per l’edilizia. L’ Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico ha messo a punto un kit che è a disposizione di tutte le aziende del settore che vogliono testarne l’efficacia. E’ una soluzione che parte da lontano, da quello che un tempo era una delle lavorazioni industriali di punta del nostro paese. Come funziona? È questo l’argomento del secondo della serie di articoli degli esperti di Enea ospitati da Industria Italiana.
La coltura di canapa italiana a uso industriale
L’impiego della canapa costituisce oggi uno dei risultati più interessanti nel campo della bioedilizia. Mattoni pannelli intonaci e finiture, ottenuti dalla lavorazione del canapulo, la parte legnosa interna del fusto, rispondono infatti alle richieste di salvaguardia dell’ambiente e salubrità del costruito. Tali prodotti garantiscono isolamento termico e traspirabilità oltre a avere buona capacità di resistenza al fuoco. In più, grazie alla loro leggerezza, si prestano a essere impiegati nella realizzazione di tamponature in aree a elevata pericolosità sismica. La parte esterna del fusto è invece di natura fibrosa e ha la caratteristica di possedere notevole resistenza a trazione.
Proprietà quest’ultima che doveva essere ben conosciuta in epoca medioevale quando i Veneziani utilizzavano tale fibra per realizzare corde e vele destinate alla marineria velica e, nei secoli successivi, quando le corde in canapa erano largamente impiegate per sollevare pesi. Celebre e leggendaria è l’espressione “acqua alle funi” attribuita a un marinaio ligure che nel 1586 suggerì di bagnare le corde che si stavano utilizzando per issare l’obelisco di piazza San Pietro, corde che si tramanda fossero proprio in canapa. (Figura 1)
Figura 1 – (a) mattoni e (b) corde in canapa (fonti: South Hemp Tecno, Architettura ecosostenibile, Equilibrium-bioedilizia).
Col passare del tempo la coltivazione di canapa sativa si radicò sempre più e, agli inizi del 1900, l’Italia ne era divenuta uno dei principali produttori mondiali. Dalla seconda metà del secolo tuttavia, principalmente a causa dell’avvento dei materiali sintetici, si cominciò a registrare una lenta e progressiva inversione, con il quasi totale abbandono della coltura di canapa italiana a uso industriale. Negli ultimi anni sembra invece che la filiera produttiva stia tornando a suscitare nuovo interesse, con una sempre maggior diffusione di edifici Near Zero Emission, realizzati utilizzando calce e canapa, che sfruttano, tra le altre cose, la caratteristica peculiare che questa pianta possiede di catturare CO2 sia durante la crescita sia in fase di impiego. Partendo da queste riflessioni, e con lo sguardo rivolto alla ricerca di una soluzione capace di coniugare efficienza energetica e sicurezza sismica, ha avuto origine l’idea di creare un sistema per tamponature in grado di valorizzare, in un’ottica di sostenibilità complessiva, le proprietà possedute dalle diverse parti della pianta e del fusto in particolare.
Le tamponature nella progettazione antisismica
Le tamponature, cui è preposto il compito di delimitazione e chiusura degli ambienti di un fabbricato, non essendo concepite per avere funzione strutturale, sono spesso oggetto di accorgimenti volti a garantire o migliorare le sole prestazioni energetiche, soprattutto quando s’interviene su edifici esistenti. Tuttavia è noto come la loro presenza all’interno dei campi di telaio determini, in generale, un incremento della rigidezza del sistema e, di conseguenza, incida sulla sua risposta dinamica. Quest’ultima risulta, in particolare, peggiorata nel caso in cui la distribuzione delle pareti sia irregolare in pianta o in altezza a causa dell’innesco di effetti torsionali, con conseguente elevata richiesta di duttilità agli elementi in posizione più eccentrica, o per la formazione di piani soffici, con conseguenti elevati spostamenti differenziali e quindi innesco di possibili meccanismi di collasso di piano (Figura 2).
Gli eventi sismici che hanno interessato il nostro paese negli ultimi decenni hanno inoltre evidenziato come, pur in assenza di collasso strutturale, il solo mal funzionamento delle tamponature sia spesso causa di gravi danni e metta a rischio la sicurezza delle persone. Sotto l’effetto dei carichi sismici, esse possono infatti interagire negativamente con i telai, danneggiando gli elementi resistenti verticali (Figura 3), o subire fenomeni di ribaltamento e quindi caduta (Figura 4).
Oltre a rispettare le caratteristiche generali di regolarità in pianta e in altezza, le tamponature devono quindi essere progettate seguendo i criteri specificatamente indicati al paragrafo 7.2.3 delle Norme Tecniche per le Costruzioni 2008 per gli elementi strutturali secondari e/o non strutturali. In particolare la Norma precisa che “con l’esclusione dei soli tamponamenti interni di spessore non superiore a 100 mm, gli elementi costruttivi senza funzione strutturale il cui danneggiamento può provocare danni a persone, devono essere verificati, insieme alle loro connessioni alla struttura, per l’azione sismica corrispondente a ciascuno degli stati limite considerati” e fornisce l’espressione da utilizzare per il calcolo della forza orizzontale da applicare su di essi:
Nella relazione precedente Wa è il peso dell’elemento, mentre qa è il fattore di struttura per il quale, in assenza di specifiche determinazioni, si possono assumere i valori riportati nella Tabella 7.2.I della stessa Norma. Sa rappresenta invece l’accelerazione massima, adimensionalizzata rispetto a quella di gravità, che l’elemento strutturale subisce durante il sisma e corrisponde allo stato limite in esame. In mancanza di analisi più accurate tale accelerazione può essere calcolata come segue:
Dove:
α è il rapporto tra l’accelerazione massima del terreno ag su sottosuolo tipo A da considerare nello stato limite in esame e l’accelerazione di gravità g;
S è il coefficiente che tiene conto della categoria di sottosuolo e delle condizioni topografiche;
Ta è il periodo fondamentale di vibrazione dell’elemento non strutturale;
T1 è il periodo fondamentale di vibrazione della costruzione nella direzione considerata;
Z è la quota del baricentro dell’elemento non strutturale misurata a partire dal piano di fondazione;
H è l’altezza della costruzione misurata a partire dal piano di fondazione;
Come evidente, l’espressione (2) dipende, tra le altre cose, dal rapporto tra i periodi fondamentali di vibrazione dell’elemento non strutturale e della costruzione nella direzione considerata. Di conseguenza, per la sua determinazione, occorrerà valutare se la tamponatura sia o meno inserita in aderenza all’interno della maglia del telaio e quindi se il meccanismo di rottura sia derivante da uno schema di trave semplicemente appoggiata o da uno schema di trave a mensola. Una volta ricavata Fa, la verifica da svolgere consisterà nel calcolare il valore del momento agente e nel confrontarlo con il momento resistente.
Al fine di contenere le lesioni negli elementi non strutturali che possono rendere l’edificio temporaneamente inagibile, la Norma (al paragrafo 7.3.7.2) pone inoltre dei limiti per gli spostamenti di interpiano della struttura allo stato limite di danno. Ciò traduce, di fatto, il problema del danneggiamento della tamponatura in una condizione di progetto sulla parte strutturale. Detti dr lo spostamento di interpiano e h l’altezza del piano dovrà essere verificato che:
a) per tamponamenti collegati rigidamente alla struttura che interferiscono con la deformabilità della stessa dr < 0,005 h
b) per tamponamenti progettati in modo da non subire danni a seguito di spostamenti di interpiano drp, per effetto della loro deformabilità intrinseca ovvero dei collegamenti alla struttura dr < drp < 0,01 h
Le Circolare 617/2009 al punto C7.3.6.3 precisa infine che la prestazione consistente nell’evitare collassi fragili e prematuri e la possibile espulsione sotto l’azione della Fa delle tamponature si può ritenere conseguita con l’inserimento di leggere reti da intonaco sui due lati della muratura, collegate tra loro e alle strutture circostanti a distanza non superiore a 500mm sia in direzione orizzontale sia in direzione verticale, ovvero con l’inserimento di elementi di armatura orizzontale nei letti di malta, a distanza non superiore a 500mm.
Una soluzione per coniugare efficienza e sicurezza
Da una particolare attenzione rivolta alle problematiche inerenti le tamponature, e con un approccio orientato alla sostenibilità, è nato il sistema brevettato da ENEA, che integra in un kit componibile le funzioni antisismica e termoisolante, delegandole ad elementi diversi ma entrambi originati dal fusto della canapa. Il sistema sfrutta la resistenza a trazione delle corde il cui elevato valore, storicamente riconosciuto, è stato confermato svolgendo delle indagini sperimentali presso i Laboratori ENEA di Faenza. In Figura 5 è raffigurata una delle fasi della prova e, a scopo esemplificativo, la curva forza-spostamento per uno dei campioni analizzati (rappresentato da una corda di lunghezza 220mm formata da tre fili avvolti per un diametro complessivo di 3mm). La curva è schematizzabile in quattro fasi: una prima fase di arrangiamento dei vuoti tra i fili, seguita da un tratto a comportamento pressoché lineare, che si conclude con la rottura del primo filo cui seguono due fasi successive di carico-rottura dei fili rimanenti.
Le singole corde, combinate e dimensionate per opporsi al ribaltamento fuori piano della parete di tamponatura cui sono applicate, sono arrangiate su due piani cordati che insieme costituiscono il sistema base. Alcuni accorgimenti realizzativi impediscono lo sfregamento mutuo tra i piani che potrebbe essere causa di una rottura prematura delle corde senza cioè che esse abbiano sviluppato la loro azione resistente. Al sistema base è delegata la funzione antisismica di contenimento della tamponatura mentre il trasferimento dell’azione ribaltante dalla parete alla parte strutturale è garantito da connessioni meccaniche con montaggio a secco. Non richiedendo l’impiego di malte e presentando un ridotto effetto coprente, tale soluzione appare poco invasiva e quindi particolarmente adatta all’impiego anche nei casi in cui s’intenda conservare visibile l’originale tessitura muraria.
Il sistema base è comunque pensato e predisposto per essere combinato, secondo molteplici configurazioni, ad uno o più pannelli in canapa cui demandare la funzione termoisolante e volendo anche coprente. Il collegamento tra le parti, eseguibile prefabbricando direttamente il sistema in stabilimento, consente di ottenere il kit completo di rapido e semplice montaggio mostrato in Figura 6. Un esempio applicativo svolto per un edificio multipiano pensato situato in un’area a media sismicità ha mostrato come l’utilizzo di un doppio piano di corde, inclinate rispettivamente di un angolo pari a 45° e 135° rispetto all’orizzontale, aventi diametro 3mm e distanziate tra di loro con passo 15 cm, sia già sufficiente ad impedire il ribaltamento di una parete in laterizio forato per effetto di carichi sismici.
La tamponature fulcro degli interventi di efficienza energetica
Le tamponature, spesso trascurate nelle valutazioni di sicurezza degli edifici, rappresentano il fulcro su cui si stanno sempre più concentrando gli interventi di efficienza energetica. Come gli ultimi eventi sismici evidenziano, ciò non solo ha comportato frequenti casi di inagibilità pur in assenza di danni strutturali ma ha anche vanificato le spese sostenute per l’efficentamento. La differente attenzione posta al medesimo oggetto ha quindi amplificato le perdite economiche, problema che si acuisce quando il crollo diventa causa di danno non solo alle cose ma anche alle persone. E’ quindi fondamentale che tali parti non strutturali siano analizzate nella loro interezza per essere sottoposte ad interventi di rinforzo ed efficientamento realmente integrati.
Il kit proposto da ENEA vuole quindi evidenziare come tra tutte le soluzioni possibili si debba ricercare quella basata su una concezione sistemica. Le diverse componenti del kit, sebbene pensate per svolgere compiti dichiaratamente diversi, consentono nell’insieme di ottimizzare i vantaggi derivati dall’applicarle singolarmente. Utilizzare la canapa per realizzare sia elementi con funzione di rinforzo sia elementi con funzione termoisolante significa migliorare gli effetti complessivi: i pannelli, essendo leggeri, non comportano pericolosi incrementi di masse sismiche e le corde, essendo in fibra naturale, non determinano l’insorgenza di dannosi ponti termici.
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