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Materiali Fibrorinforzati FRP

 

Settore ricerca e innovazione - Applicazione delle tecnologie dei materiali compositi FRP

ISPEDIS forte della trentennale esperienza dei suoi tecnici e delle elevate conoscenze nel campo dell’edilizia e del restauro monumentale, si è interessata alle nuove tecniche di recupero e rinforzo strutturale mediante l’utilizzo dei materiali compositi, trasferendovi le proprie conoscenze ed esperienze.

La società ha affrontato questo settore con un approccio globale ed integrato che comprende la consulenza, la progettazione nelle varie fasi di sviluppo dell’intervento di rinforzo, l’applicazione del materiale, la direzione dei lavori e le relative verifiche ed analisi diagnostiche.

Data la specificità di tali applicazioni, si è provveduto ad una adeguata formazione degli operatori che lavorano sotto la costante supervisione di tecnici specializzati nel settore e costantemente aggiornati.

L’applicazione delle tecnologie dei materiali compositi in edilizia anche detti FRP, iniziata a seguito di una vasta fase di studio e di sperimentazione, si è particolarmente affermata in Italia ed in Europa, come tecnica di placcaggio per il recupero strutturale di opere in calcestruzzo ed in muratura.

Oggi l’impiego di fibre di carbonio, fibre di vetro, fibre di basalto, fibre di aramide, fibre di lino e canapa, tessuti in fibra di acciaio ed altre con differente modulo per il recupero ed il restauro strutturale di edifici storici, archi, volte, pilastri, strutture in cemento armato, ponti e viadotti sta diventando sempre più di uso generale.

D’altronde molte opere in calcestruzzo armato semplice e calcestruzzo armato precompresso, appartenenti al patrimonio edilizio nazionale, presentano l'esigenza di essere ristrutturate o adeguate strutturalmente ai nuovi criteri introdotti dalle varie normative che si sono succedute negli ultimi anni.

In particolare il recupero si rende necessario per le strutture che presentano calcestruzzo degradato (a causa dell'aggressione chimica da parte di agenti aggressivi esterni; a causa della scarsa qualità o carente assortimento dei materiali originariamente impiegati per il confezionamento; per mancanza di idonei trattamenti protettivi e conservativi superficiali; per fenomeni ascrivibili all'ossidazione e corrosione delle armature originarie; ecc.), ovvero per strutture danneggiate da eventi straordinari, quali terremoti ed incendi, ovvero per strutture o parti limitate di un organismo strutturale più complesso che necessitano di integrazione di sezione resistente per gli effetti derivanti dall'azione di nuovi sovraccarichi o dall'entrata in vigore di nuove normative maggiormente penalizzanti.

Per tutte queste esigenze considerevoli attenzioni a livello mondiale negli ultimi anni nello studio di nuovi materiali e di nuove tecnologie applicative hanno portato alla considerevole utilizzazione dei materiali compositi con polimeri a fibra rinforzata (FRP).

I materiali compositi fibrorinforzati, noti con l’acronimo inglese di FRP, Fiber Reinforced Polymers, sono materiali composti da fibre lunghe ad elevata resistenza immerse in una matrice polimerica.

Le fibre hanno il compito principale di essere gli elementi resistenti del materiale ed esibiscono resistenze assiali molto elevate quanto sottoposte a trazione. La matrice polimerica, più comunemente riferita semplicemente come resina, ha invece la funzione di proteggere le fibre dall’usura ed eventuali danneggiamenti esterni, assicurare un buon allineamento delle fibre, e garantire che ci sia una buona distribuzione degli sforzi fra le fibre in modo che tutte siano sollecitate in modo pressoché uniforme. Le proprietà meccaniche di un composito dipendono generalmente dalla combinazione di quelle della fibra e della resina. Generalmente la percentuale di frazione volumetrica di fibre rispetto al volume complessivo si aggira intorno al 70%.

Tra le motivazioni di maggior rilievo sono da annoverare tutte le caratteristiche legate al basso peso del materiale e che si riflettono sulle proprietà specifiche. Inoltre la possibilità di intervenire sulla laminazione del composito variando opportunamente la direzione delle fibre, oppure variando il tipo di fibre, permette di variare a proprio piacimento le caratteristiche elastiche del componente in composito facendolo combaciare, se necessario, con quelle del materiale di base.

Tra le svariate possibilità di fibre disponibili sul mercato, quelle che più vengono impiegate nel settore edilizio sono in ordine performante crescente: vetro, aramide e carbonio.

Va sottolineato che per rinforzi di strutture in cemento armato semplice e precompresso la fibra più in uso è quella di carbonio (CFRP) vista la necessità di fornire elevate resistenze a fronte di deformazioni limitate. È possibile scegliere fra fibre a elevata resistenza o elevato modulo a seconda della problematica da affrontare. Per quanto riguarda invece strutture in muratura, vengono generalmente impiegate tanto le fibre di carbonio quanto quelle di vetro (GFRP). È solo negli ultimi anni che anche le fibre aramidiche (AFRP) sono entrate in modo predominante nel settore dell’edilizia specie per la realizzazione di ancoraggi meccanici di rinforzi realizzati con fibra di carbonio e vetro grazie alla loro più elevata resistenza al taglio e all’impatto.

Oltre alle loro ottime caratteristiche meccaniche i materiali in FRP offrono indubbi vantaggi rispetto alla reversibilità e non invasività dell’intervento.

Nello specifico i materiali compositi, già di per se più resistenti e rigidi dei materiali tradizionali da costruzione, risultare molto attrattivi grazie alla loro minore densità, fattore di rilevanza fondamentale quando per uno specifico progetto, il peso della struttura diventa rilevante.

La resistenza specifica (resistenza/densità) dei compositi può assumere valori fino a quattro volte superiori rispetto a quelli esibiti dai materiali tradizionali e il loro modulo di elasticità normale specifico (modulo/densità) fino al doppio. Ciò significa che, a parità di rigidezza, una struttura di materiale composito può arrivare a pesare circa la metà di un’altra realizzata con un materiale da costruzione usuale.

Si ha cioè, con i compositi, la possibilità di progettare prima il materiale e poi il componente, permettendo di raggiungere risultati altrimenti impensabili con l’uso dei materiali tradizionali: un caso certamente di tale tipo è rappresentato dalla realizzazione di ponti o strutture similari a grande luce.

Ma forse la potenzialità più interessante, che deriva dalla possibilità di progettare il materiale su misura, si sfrutta in quei casi in cui il composito viene direttamente a contatto con materiali diversi, come nel ripristino di strutture fatiscenti o che devono subire trasformazioni di composizione distributiva o di condizioni di carico. Allora la possibilità di intervenire sulla struttura del composito variando opportunamente la direzione delle fibre nelle diverse lamine, permette di variare le caratteristiche elastiche del componente in composito portandole a raggiungere il livello desiderato e, in particolare, portando il materiale composito ad avere lo stesso modulo di elasticità del materiale con cui è a contatto.

La proprietà dei materiali compositi di essere immuni dai problemi derivanti dalla corrosione degli agenti atmosferici o chimici li rende particolarmente indicati soprattutto alla luce dei limiti di durabilità delle strutture in c.a.

Il calcestruzzo è soggetto a processi di deterioramento che tendono a disintegrarlo. Diverse sono state le soluzioni tentate, ma un’alternativa radicale per l’eliminazione della corrosione è rappresentata dalle armature non metalliche, in quanto non corrodibili: le armature in FRP.

L’assenza del fenomeno della corrosione elettrochimica negli FRP, infatti, ne incoraggia l’utilizzo in tali applicazioni innovative. L’uso di barre d’armatura o di tiranti con questi materiali emerge quale una tecnica tra le più promettenti dell’ingegneria strutturale. Usando barre e tiranti in FRP, i quali a differenza di quelli in acciaio non sono affetti dalla corrosione elettrochimica, molti si aspettano di allungare e migliorare drasticamente la vita delle opere in calcestruzzo.

Gli FRP si candidano quindi quale alternativa all’acciaio come materiale d’armatura, anche se, tale candidatura, deve essere ancora suffragata da ricerche che mettano in luce tutti i riflessi strutturali che in tal modo si originano.

Attraverso l’impiego dei compositi è possibile operare il rinforzo di strutture lesionate a seguito di fattori accidentali o modificare la destinazione d’uso delle strutture attraverso l’implementazione della capacità portante degli elementi strutturali. E’ quindi possibile modificare il layout di opifici o strutture complesse in quanto con tale metodologia di rinforzo è possibile allocare in ambienti diversi macchinari dall’elevato peso o interi impianti tecnologici, senza dover stravolgere la struttura portante degli edifici. Tutto questo è reso possibile dalla estrema leggerezza dei materiali compositi e dal minimo spessore degli elementi di rinforzo.

Questo consente inoltre una agevole movimentazione degli elementi di rinforzo da parte delle maestranze senza bisogno di ricorrere a sistemi meccanici di sollevamento, semplificando enormemente le fasi di lavoro.

I profilati pultrusi, disponibili in un sagomario del tutto simile a quello per i profili in acciaio, possono essere impiegati in assemblaggi tradizionali o in telai, come travi o colonne.

La domanda di materiali ad alte prestazioni anche in termini di durabilità e l’esigenza di una riduzione dei costi di esecuzione delle riparazioni possono essere validamente coniugate nell’impiego dei materiali FRP.

Si tratta di una tecnica molto sofisticata, nonostante l’apparente estrema semplicità e deve essere appoggiata da un attento e scrupoloso studio di progettazione. Infatti, l’aggiunta di FRP modifica anche sostanzialmente lo stato tensionale della struttura su cui è applicato, questa modifica deve essere perfettamente recepita e controllata dal progettista.

Nelle zone sismiche il miglioramento del comportamento strutturale delle strutture esistenti si consegue spesso con sorprendente efficacia. Si deve considerare l’alto rapporto resistenza/peso che per le strutture

sottoposte ad azioni sismiche risulta determinante. In quest’ambito la tecnologia del wrapping (fasciatura) con compositi formati in sito costituisce una vera rivoluzione dell’ingegneria strutturale.

Infatti, lo sconfinamento delle colonne e il rinforzo flessionali e a taglio delle travi si consegue con facilità ed efficienza “cinturando” o “placcando” gli elementi strutturali con tessuti impregnati di resina.

Nella quasi totalità di applicazioni il rinforzo è esterno, quindi la trasmissione delle azioni dal composito alla struttura originaria avviene sulla pellicola esterna dell’elemento rinforzato.

Nelle travi di calcestruzzo armato si indica con “copriferro” lo spessore esterno di calcestruzzo che deve essere in condizioni di trasmettere le predette azioni. La consistenza del supporto va valutata prima di ogni intervento e solo se ritenuta adeguata si può procedere all’applicazione.

Tornano buone le metodologie di prova non distruttiva per acquisire gli elementi di giudizio.

Per murature storiche il discorso si fa particolarmente interessante. Volte e cupole possono ottenere un aiuto di incalcolabile efficacia se placcate con materiale composito quando sono sottoposte ad azione sismica.

Fra i sistemi di rinforzo con FRP più diffusi in ingegneria civile si distinguono:

Sistemi preformati (Precured Systems): sono costituiti da elementi di varia forma preparati in stabilimento mediante il processo della pultrusione e che sono incollati, mediante resine epossidiche, all’elemento da rinforzare.

A tale riguardo possono adottarsi due soluzioni:

1. Incollaggio di lamine di varie sezioni (generalmente rettangolare) direttamente sul substrato, opportunamente preparato. Tale tecnologia è particolarmente indicata per profili uniformi e rettilinei, privi di convessità-concavità e per substrati in ottime condizioni;

2. Incollaggio di barre a sezione circolare o rettangolare su scanalature previamente realizzate e riempite di resina per assicurare aderenza tra barra e substrato. Tale tecnologia è nota come NSM (Near Surface Mounted Bars). È particolarmente indicata per rinforzo flessionale in zone a momento negativo calpestabili, non rimanendo esposto il rinforzo. Non richiede nessun realizzazione trattamento superficiale a parte la necessità della scanalatura che risulta essere particolarmente onerosa. Tale tecnologia è particolarmente diffusa nelle murature per la possibilità di inserire la barra nel giunto fra i laterizi senza compromettere l’estetica della muratura.

Sistemi impregnati in-situ (Wet lay-up systems): sono costituiti da fogli di fibre unidirezionali, multidirezionali e reti che vengono impregnati in situ con resine che fungono tanto da matrici che da adesivo per il substrato interessato. Sono in assoluto il sistema più diffuso grazie alla loro versatilità e possibilità di installazione su qualsiasi profilo geometrico e in qualsiasi condizioni per la manovalanza senza richiedere onerosi costi di preparazione della superficie.

ISPEDIS adotta a seconda delle circostanze progettuali le due diverse tecnologie, come definito nel documento CNR-DT 200/2004, che permette di sfruttare al massimo le ottime caratteristiche del materiale.

Un aspetto fondamentale nella realizzazione del rinforzo con materiali fibrorinforzati di entrambi i sistemi, riguarda la preparazione del substrato sul quale incollare il rinforzo visto che l’efficacia del sistema si esplica grazie al trasferimento degli tensioni tangenziali per aderenza.

Risulta quindi evidente che se il substrato non è in grado di assorbire tali sforzi, l’intervento risulterebbe inefficace. È per questo che tanto le superfici in cemento armato che in muratura, vengono sempre opportunamente trattate per asportare parti incoerenti e rendere la superficie pronta per la realizzazione delle seguenti fasi di installazione.

Quando applicati su strutture in CA e CAP generalmente gli incrementi di resistenza possono raggiungere fino al 40-50%, e possono parimenti riguardare miglioramento alla resistenza flessionale, tagliante e confinante.

Per quanto riguarda invece le strutture murarie gli interventi di rinforzo con FRP hanno lo scopo di impedire/ritardare l’instaurarsi dei meccanismi di collasso, abbattendo cosi la vulnerabilità intrinseca dell’elemento strutturale.

Numerosissimi sono ad oggi i settori di applicazione dei materiali compositi nel mondo dell’edilizia civile e del restauro monumentale. Il rapido sviluppo e la notevole esperienza degli ultimi anni ha consentito lo studio, la caratterizzazione e la realizzazione di sistemi di rinforzo che coprono ormai quasi tutto il ventaglio delle necessità di rinforzo nei più svariati campi dell’edilizia.

D’altronde i consolidamenti strutturali hanno sempre avuto una grande importanza, poiché sono presidi di sicurezza grazie ai quali la struttura può continuare a vivere espletando le funzioni per cui era stata progettata.

I principali campi di applicazione degli FRP possono essere cosi sintetizzati:

• Adeguamento sismico di strutture in cemento armato e muratura;

• Confinamento/rinforzo a pressoflessione e sforzo normale di colonne in cemento armato e in muratura per aumento dei carichi o armatura insufficiente;

• Integrazione di armature deteriorate o insufficienti

• Rinforzo strutturale di solai in caso di armatura deteriorata, cambio di destinazione o altro;

• Rinforzo a taglio e flessione di travetti in cemento armato;

• Progettazione e realizzazione di strutture armate con barre in FRP

• Rinforzo di strutture in acciaio con tessuti o pultrusi in FRP

• Rinforzo di ponti

• Rinforzo di murature

• Rinforzo intradossale o estradossale di volte e archi in muratura

• Rinforzo di strutture in legno con tessuti o pultrusi in FRP

• Realizzazione e posa in opera di calcestruzzi fibrorinforzati FRC

• Progettazione e realizzazione di strutture costituite interamente o parzialmente da profili pultrusi in FRP

In sintesi, gli innumerevoli vantaggi dei rinforzi con FRP hanno trasformato, in pochi anni, questo sistema di rinforzo nella migliore offerta proponibile dai grandi progettisti e dalle grandi imprese del settore dell’edilizia, garantendo risultati professionali, innovativi e molto meno invasivi degli interventi tradizionali.

Tali tipologie di intervento consentono, inoltre, una notevole riduzione dei tempi ed in molti casi anche delle operazioni complementari come movimentazione di materiale, demolizioni, trasporti a rifiuto e altre, garantendo al committente una notevole riduzione dei fastidi e dei danni anche economici derivanti dai tradizionali interventi di consolidamento.

Ricapitoliamo, dunque, nello specifico i più comuni vantaggi derivanti dall’utilizzo di tali sistemi:

• Rapidità di posa in opera – Bassa invasività dell’intervento, di notevole importanza nei centri storici e nell’edilizia privata;

• Non varia la massa e la geometria della struttura – Totale conservazione degli spazi utili prima dell’intervento;

• Alta resistenza ai fattori ambientali – Totale assenza di fenomeni di ossidazione;

• Elevata leggerezza – Assenza di ulteriori carichi sulla struttura e quindi in fondazione, evitando spesso ulteriori interventi di consolidamento

• Elevatissima resistenza a trazione dei materiali che consente spessori di rinforzo spesso inferiori al millimetro

• Ridotta invasività strutturale, evitando di danneggiare ulteriormente le strutture oggetto dell’intervento come succede spesso nel caso di interventi tradizionali

Come abbiamo documentato sulle qualità intrinseche di composizione e sulle possibilità di applicazione, i materiali compositi costituiscono un’importante risorsa di evoluzione nelle tecniche e strategie di intervento per le loro caratteristiche di innovazione.

E’ di particolare rilievo la diffusione della loro conoscenza, in quanto è noto che non si può usare ciò di cui non si conosce l’esistenza ed i relativi pregi.

I materiali compositi si inquadrano nel contesto di nuove realtà scientifiche e rappresentano allo stato un punto di sintesi che appartiene ad un processo di prospettiva in relazione all’interesse ed alle capacità di sviluppo della ricerca di settore.

Vediamo ora in linea di massima i servizi offerti dalla società ai clienti nell’ambito dell’applicazione dei materiali in FRP:

• Tecnologia di applicazione

ISPEDIS utilizza per l'applicazione dei rinforzi in FRP un sistema di iniezione di resina sotto vuoto spinto. Tale tecnologia appositamente studiata e sperimentata, consente di ottenere numerosi vantaggi sia per quanto riguarda la sicurezza sia per quanto riguarda la garanzia e la standardizzazione del risultato.

• Studio di fattibilità

Valutazione preventiva della fattibilità dell'intervento e valutazione tecnico economica per determinare la convenienza dell'intervento e i vantaggi per il committente.

• Progetto di massima

Valutazione della tipologia di intervento delle lavorazioni necessarie e dei materiali da utilizzare.

• Preventivo dettagliato

Dettagliata analisi dei costi di intervento e valutazione dei tempi di lavorazione.

• Progetto esecutivo

Calcolo della strutturale prima e dopo l'intervento di rinforzo, calcolo dei sistemi di rinforzo, determinazione dello stato della struttura successivamente all'intervento di rinforzo, con la valutazione delle nuove caratteristiche globali e dei vantaggi derivanti dall'intervento in termini di duttilità e resistenza.

• Produzione su misura e tecnologie esclusive

I rinforzi derivanti dalle fasi di progetto vengono fatti realizzare seguendo le specifiche richieste in termini di geometria, materiale e caratteristiche meccaniche, scegliendo tra le varie tipologie di fibre in commercio.

• Posa in opera

Questo settore, dove si interviene anche su situazioni critiche, non ammette avventurieri o manodopera assunta a caso, ne improvvisatori che si fingono applicatori per acquisire il lavoro. La manodopera della ISPEDIS proviene da una formazione meticolosa, frutto di esperienza specifica nel campo dei materiali compositi. Il risultato è un personale altamente qualificato, che nulla lascia al caso e segue criteri di alta specializzazione nella messa in opera di questi particolari materiali.

Ultimo aggiornamento (Venerdì 30 Gennaio 2015 10:28)