I materiali compositi FRP –SRG (Fibre di Carbonio, Vetro…)
nell’edilizia civile e nel restauro monumentale
L'applicazione delle tecnologie dei materiali compositi in edilizia anche detti FRP, iniziata alla fine degli anni ottanta a seguito di una vasta fase di studio e di sperimentazione in diversi paesi, 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 aramide, 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.
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. 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.
E’ opportuno sottolineare che il rinforzo in materiale composito equivalente ad una trave di acciaio da 16 cm presenta uno spessore di pochi mm. Questo consente 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.
Applicazioni dei materiali compositi
- Aereonautico
- Automobilistico
- Ospedaliero
- Navale
- Civile
- Telecomunicazioni
I materiali compositi nell'edilizia
I materiali compositi stanno attualmente trovando una larga diffusione nel settore delle costruzioni civili, industriali e monumentali per diverse ragioni che spingono ad un utilizzo sempre crescente degli FRP in molti paesi.
I materiali compositi possono essere più resistenti e - specialmente nel caso dei compositi a fibra di carbonio - più rigidi dei materiali da costruzione tradizionali. Conseguentemente, quando per uno specifico progetto, il peso della struttura diventa rilevante, i compositi possono risultare molto attrattivi grazie alla loro minore densità. La resistenza specifica (resistenza/densità) dei compositi può assumere valori fino a quattro volte superiori rispetto a quelli esibiti dai materiali tradizionali; 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 tradizionale.
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 strutturadel 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.
Applicazione dei materiali compositi nell’edilizia civile
I compositi fibrosi o Fiber Reinforced Polymer - FRP non rappresentano un’invenzione recente, bensì già da tempo trovano numerose applicazioni in differenti campi dell’ingegneria.
Nonostante ciò le prime applicazioni nel campo delle costruzioni non si sono avute se non dopo gli anni ’80, sia per l’elevato costo, sia per l’alto contenuto tecnologico dei prodotti, i quali richiedevano condizioni d’uso di laboratorio.
Dal 1985 ad oggi le cose sono profondamente cambiate e, anche nelle costruzioni, l’impiego degli FRP sta progressivamente diffondendosi divenendo la nuova frontiera dell’attuale tecnologia delle costruzioni. Il Giappone fu il primo paese a credere decisamente negli FRP e destinò una grande quantità di risorse economiche ed intellettuali in questo settore. L’aver intuito per primi la possibilità di aprire nuovi orizzonti nel campo delle costruzioni ha fatto si che il Giappone possa vantare oggi una posizione di leadership in questo settore. Negli Stati Uniti la ricerca si è sviluppata leggermente in ritardo, ma grazie alle consistenti esperienze compiute nell’industria spaziale, militare ed aeronautica, ha velocemente recuperato il tempo perduto. Il dipartimento dei trasporti della California determinò reazioni di critica quando, nel 1995, decise di investire milioni di dollari nel rinforzo delle pile delle autostrade dello stato con fasciature in composito fibroso, al fine di migliorarne il comportamento sismico.
Campi di applicazione
- Adeguamento sismico di strutture in cemento armato e muratura
- Rinforzo strutturale di solai in caso di armatura deteriorata, cambio di destinazione o altro
- Rinforzo a taglio e flessione di travetti in cemento armato
- Confinamento / Rinforzo a pressoflessione e sforzo normale di colonne in cemento armato e in muratura per aumento dei carichi o armatura insufficiente
- Rinforzo intradossale o estradossale di volte e archi in muratura
- Integrazione di armature deteriorate o insufficienti
- Rinforzo di murature
- Rinforzo di travi in legno
- Rinforzo di ponti
Nelle costruzioni civili il promettente impiego degli FRP copre principalmente tre categorie di
funzioni:
- armatura di materiali tradizionali quali calcestruzzo, muratura e legno;
- strutture interamente in composito (profili strutturali);
- rinforzo di elementi strutturali esistenti di varia tipologia e materiale.
1. Armatura di materiali tradizionali
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. Tra le realizzazioni più rilevanti vi sono il ponte di Laurel Lick Bridge installato nel maggio 1997 in West Virginia.
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.
2. Strutture interamente in composito – profili pultrusi
In questa categoria sono dominanti i profili pultrusi: per essi, leggeri, resistenti e sufficientemente rigidi, si prospettano funzioni tipiche della struttura portante intelaiata. 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.
Gli studi tecnico sperimentali rivolti all’analisi del comportamento strutturale dei profili in materiale composito pultruso sono particolarmente avanzati nei paesi del Nord Europa e negli Stati Uniti. I primi ponti e le prime unità abitative interamente in composito cominciano a fare le loro apparizioni proprio in questi paesi, un esempio è il “Kolding bridge” realizzato in Danimarca.
3. Rinforzi o ripristini strutturali
L’applicazione dei materiali compositi come rinforzo per il ripristino strutturale di strutture già esistenti rappresenta forse nell’ambito delle applicazioni civili il campo dove ormai gli FRP rappresentano a pieno titolo una realtà. Il rinforzo delle infrastrutture deteriorate o danneggiate vanta, infatti, la maggiore numerosità di applicazioni. 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.
Le resine costituiscono la matrice del composito mentre le fibre del tessuto possono essere di varia natura: carbonio, aramide, vetro, o altre fibre minerali. Dosando strati e morfologie del composito si ottengono incrementi notevoli in resistenza.
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.
Sistemi di rinforzo
- Rinforzo di archi e volte in muratura
- Rinforzo di pilastri in cemento armato e muratura
- Rinforzo di murature per Sollecitazioni di Taglio,
- Sforzo Normale e Flessione
- Rinforzo a taglio e flessione di travi in cemento armato
- Rinforzo di travi e strutture in legno
- Rinforzo di travi e strutture in acciaio
Nell’ambito del rinforzo strutturale storico degli edifici, 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.
Verso la metà degli anni ottanta in Giappone e in U.S.A. si mettono a punto dei sistemi di rinforzo denominati FRP o “compositi”, in cui l’interazione fra una matrice resinosa ed una fibra ad alte prestazioni (come il carbonio) genera un sistema in grado di migliorare le resistenze finali degli elementi trattati se applicato alle strutture. In sintesi, una sorta di tecnica del beton plaqué evoluta e migliorata: sottili e leggeri nastri di fibre di carbonio vengono incollati alle strutture mediante impregnazione in situ di resine. Il metodo soppianta l’ingombrante ed onerosa tecnica tradizionale, che prevedeva la messa in opera di pesanti strutture in acciaio mediante connessioni meccaniche e tassellaggi chimici.
La tecnica dei rinforzi strutturali FRP (Fiber Reinforced Polymer) si diffonde rapidamente nel mondo dei recuperi delle infrastrutture e delle opere in cemento armato, sia sulla spinta della convenienza economica, sia sull’effettiva efficacia della tecnologia, duramente messa alla prova anche dai potenti sismi Giapponesi e Americani della costa Pacifica alla fine degli anni ’90.
Conclusioni
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.
E’ noto del resto che “ in ugual modo fuggono i tempi ed in ugual modo ne seguono altri, e sono sempre nuovi”. “Tempora sic fugiunt, pariterque sequuntur, et nova sunt semper”
Autore : Ing. Domenico Brigante, titolare della Ditta OLYMPUS-FRP
I Materiali Compositi
I compositi sono materiali costituiti da due distinte fasi, fibra e matrice, ognuna deputata ad assolvere ad un diverso compito. La fase fibrosa ha il compito di sopportare le sollecitazioni, la fase matrice ha il compito di proteggere le fibre di rinforzo e di trasferire loro il carico esterno.
Sostanzialmente esistono tre famiglie di materiali compositi, in funzione della diversa natura della matrice: compositi a matrice ceramica, metallica, polimerica. Di queste le prime due tipologie sono impiegate applicazioni estremamente specifiche mentre, quella dei compositi a matrice polimerica rappresenta la tipologia maggiormente impiegata e adattabile a molteplici impieghi.
Nell’ambito dei compositi a matrice polimerica possono essere individuate ulteriori raggruppamenti in funzione della natura matrice polimerica (termoplastica o termoindurente) e della tipologia di fibre di rinforzo impiegate (fibre di carboni, vetro, aramidiche, basaltiche).
Vantaggi dei materiali Compositi
- Non si aggiungono ulteriori carichi alla struttura
- Possibilità di progettazione “ad hoc” in funzione delle direzioni di sollecitazione
- Velocità e semplicità di intervento
- Reversibilità dell’intervento
- Interventi esteticamente non invasivi
- Nessuna variazione alla geometria originale
- Aumento della duttilità della struttura
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L’intrinseca anisotropia dei materiali compositi rispetto ai materiali tradizionali, consente di ribaltare il principio secondo cui si realizza un progetto in base al materiale disponibile; con i compositi è infatti possibile progettare il materiale in funzione delle esigenze di progetto.
La possibilità di poter orientare le fibre di rinforzo e la loro percentuale nelle effettive direzioni secondo cui agiscono le sollecitazioni, consente la realizzazione di una classe di materiali caratterizzati da un elevatissimo rapporto peso prestazione che consentono realizzazioni inimmaginabili con i materiali tradizionale. I materiali compositi, inizialmente impiegati come materiali strutturali in settori di elite, quali l’aereonautico e l’aerospaziale, fin dalla metà dello scorso secolo si sono progressivamente diffusi in altri settori fino ad essere largamente impiegati anche nel settore sportivo, navale ed in ultimo civile. Dalla fine degli anni settanta sono cominciate le applicazioni dei materiali compositi nell’edilizia civile. Inizialmente il settore maggiormente coinvolto è stato quello delle costruzioni in muratura, in particolare quelle di elevato valore artistico architettonico, progressivamente sono state sviluppate nuove tecniche d’intervento di consolidamento di edifici in muratura o c.a. che prevedono l’impiego di materiali compositi sotto forma di tessuti da impregnare in loco con l’opportuna matrice, o sotto forma di semi lavorati da applicare secondo un preciso schema di rinforzo.
È sensazione comune, da parte di quanti sono impegnati in attività di ricerca o di progettazione nel campo del consolidamento con materiali compositi fibrorinforzati, che l’Italia stia assumendo una posizione particolare in ambito internazionale, sia per il valore dei contributi di conoscenza forniti, sia per la presenza di un patrimonio edilizio particolarmente vario ed importante anche a seguito del sisma che ha recentemente colpito la città di L’Aquila. Ne fanno parte, infatti, costruzioni di rilevante importanza storica ed architettonica, oltre che realizzazioni più recenti di muratura, di c.a., di c.a.p. e di acciaio.
Date l’innovazione e le peculiarità degli interventi, questo settore va affrontato con un approccio globale ed integrato che comprende la consulenza, la progettazione del materiale le varie fasi di progettazione dell'intervento di rinforzo, l'applicazione,la direzione dei lavori e le relative verifiche ed analisi diagnostiche.
In questo ambito l’utilizzo dei materiali compositi è valorizzato ancora di più dalla possibilità di effettuare ripristini e rinforzi strutturali mantenendo inalterata l’estetica della struttura, cosa di notevole rilievi se appunto si pensa a strutture aventi un certo valore artistico. Meccanismi di collasso possono essere impediti con il risultato di abbattere la vulnerabilità intrinseca di questi elementi strutturali.
Un’altra ragione che risulta di notevole rilievo nell’utilizzo di questi materiali nell’edilizia è certamente data dalla resistenza agli agenti corrosivi che presentano i compositi a matrice polimerica. I comportamenti che possono assumere i materiali compositi sono variabili a seconda della loro costituzione che viene anche in questo caso progettata per l’utilizzo che dovrà avere il materiale. È stato verificato che i problemi corrosivi noti e classicamente determinanti la crisi nei materiali tradizionali, si possono superare con l’utilizzo dei materiali compositi a matrice polimerica.
Infine osserviamo che i materiali compositi non posseggono caratteristiche magnetiche che ne possano limitare l’uso nei casi in cui i materiali metallici a causa delle loro proprietà magnetiche non sarebbero utilizzabili, i materiali compositi infatti possono essere utilizzati nella realizzazione di strutture come ad esempio le sale operatorie di cliniche o ospedali nelle quali l’effetto gabbia di Faraday determinato dalla presenza di armature metalliche all’interno del calcestruzzo può determinare fenomeni di interferenza con gli impianti di abbattimento di batteri e virus presenti nelle sale operatorie.
Oggi tanti stati stanno finanziando progetti di ogni tipo: dal recupero di ponti, ad edifici, a parking garage interventi di adeguamento delle strutture sanitarie ed altre applicazioni. In Canada, lo studio in questo settore ha portato allo definizione, poi all’applicazione ed infine al monitoraggio di ponti steel deck free, dove cioè l’impalcato è assolutamente privo di strutture in acciaio ed in cui quindi gli FRP vengono usati come profili strutturali. Nel recente passato, anche in Italia si è avuto il diffondersi di differenti tipologie di applicazioni degli FRP nel settore dell’edilizia.
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Con i materiali compositi è per esempio possibile operare il rinforzo strutturale di un solaio senza dover intervenire/sgombrare i locali sottostanti, con evidenti risparmi di tempo e riduzione dei costi.
Le caratteristiche di questi materiali sono tali che anche in presenza di severi interventi di consolidamento delle strutture, o di loro adeguamento alle normative antisismiche, il posizionamento del rinforzo avviene al di sotto dell’intonaco, senza alterazione evidenti alterazioni dei prospetti. Questo aspetto è particolarmente apprezzato laddove si vuole realizzare il recupero di strutture pre-esistenti, mantenendo invariate le caratteristiche geometriche ed architettoniche delle stesse.
La natura delle fasi che costituiscono il composito contribuisce in maniera determinante alla formazione delle proprietà finali del materiale.
Tuttavia, per ottenere un composito ad elevata resistenza meccanica, non è sufficiente utilizzare fibre “resistenti”: è anche indispensabile garantire una buona adesione tra la matrice ed il rinforzo. L’adesione viene di solito promossa mediante l’impiego di un terzo componente, che, applicato in strato molto sottile sulla superficie delle fibre, la rende compatibile con la matrice organica.
Le fibre più usate per la produzione di materiali compositi sono quelle di vetro, di carbonio e le fibre aramidiche.
La particolare geometria filiforme, ancorché molto versatile per la realizzazione dei compositi, conferisce a tali materiali caratteristiche di rigidezza e di resistenza molto più elevate di quelle possedute dagli stessi materiali quando siano utilizzati in configurazione tridimensionale: ciò è dovuto alla minore densità di difetti che tipicamente compete alla configurazione monodimensionale rispetto a quest’ultima.