Rinforzo Strutturale con Materiali Compositi [1 ed.] 9788882074616

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Domenico Brigante

RINFORZO STRUTTURALE

CON MATERIALI COMPOSITI LE FIBRE DI CARBONIO E I NUOVI MATERIALI COMPOSITI FRP (Fiber Reinforced Polymers), SRP (Steel Reinforced Polymers), FRG (Fiber Reinforced Grout), SRG (Steel Reinforced Grout)

SCELTA, PROGETTAZIONE E REALIZZAZIONE

CD-ROM INCLUSO FOGLI DI CALCOLO PER IL PREDIMENSIONAMENTO DI UN RINFORZO STRUTTURALE

Domenico Brigante RINFORZO STRUTTURALE CON MATERIALI COMPOSITI ISBN 13 978-88-8207-461-6 EAN 9 788882 074616 Manuali, 117 Prima edizione, febbraio 2012

Brigante, Domenico Rinforzo strutturale con materiali compositi / Domenico Brigante. – Palermo : Grafill, 2012. (Manuali ; 117) ISBN 978-88-8207-461-6 1. Strutture edilizie – Consolidamento. 624.17 CDD-22 SBN Pal0240065 CIP – Biblioteca centrale della Regione siciliana “Alberto Bombace”

© GRAFILL S.r.l. Via Principe di Palagonia, 87/91 – 90145 Palermo Telefono 091/6823069 – Fax 091/6823313 Internet http://www.grafill.it – E-Mail [email protected] Finito di stampare nel mese di febbraio 2012 presso Officine Tipografiche Aiello & Provenzano S.r.l. Via del Cavaliere, 93 – 90011 Bagheria (PA) Tutti i diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica e di riproduzione sono riservati. Nessuna parte di questa pubblicazione può essere riprodotta in alcuna forma, compresi i microfilm e le copie fotostatiche, né memorizzata tramite alcun mezzo, senza il permesso scritto dell’Editore. Ogni riproduzione non autorizzata sarà perseguita a norma di legge. Nomi e marchi citati sono generalmente depositati o registrati dalle rispettive case produttrici.

A Giusi e Francesco

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sommario

Prefazione ....................................................................................................................

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1. i maTeriaLi comPosiTi ..................................................................................... 1.1. I materiali compositi e loro proprietà.............................................................. 1.2. Definizione e caratteristiche ............................................................................ 1.3. Le fibre ............................................................................................................ 1.4. Fibre di carbonio ............................................................................................ 1.5. Fibre di vetro ................................................................................................... 1.6. Fibre di Basalto................................................................................................ 1.7. Fibre aramidiche ............................................................................................. 1.7.1. Produzione ............................................................................................. 1.8. Fibre di acciaio ................................................................................................ 1.9. Tessuti ibridi .................................................................................................... 1.10. Altre tipologie di fibre ...................................................................................... 1.11. Le matrici ......................................................................................................... 1.12. Matrici plastiche .............................................................................................. 1.12.1. Resine poliestere .................................................................................. 1.12.2. Resine epossidiche ............................................................................... 1.12.3. Resine fenoliche ................................................................................... 1.12.4. Resine siliconiche................................................................................. 1.13. Matrici a base di malta ................................................................................... 1.14. Altre tipologie di matrici .................................................................................. 1.14.1. Matrici metalliche ................................................................................ 1.14.2. Matrici ceramiche ...............................................................................

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2. Processi di fabbricazione ........................................................................... 2.1. Tecnologie di fabbricazione ............................................................................. 2.1.1. Processi produttivi dei materiali compositi ........................................... 2.2. Impregnazione manuale senza applicazione di pressione o vuoto .................. 2.3. Filament Winding ............................................................................................. 2.3.1. L’avvolgimento ...................................................................................... 2.3.2. L’impregnazione..................................................................................... 2.3.3. Il mandrino ............................................................................................. 2.3.4. Le macchine ........................................................................................... 2.4. Pultrusione .......................................................................................................

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2.4.1. alimentazione del rinforzo..................................................................... 2.4.2. Impregnazione ....................................................................................... 2.4.3. Preformatura .......................................................................................... 2.4.4. formatura e polimerizzazione................................................................ 2.4.5. Postformatura ........................................................................................ 2.4.6. tiro e taglio ........................................................................................... 2.4.7. controlli ................................................................................................ Formatura per iniezione di resina (RTM Resin Transfer Molding) ................ Resin Infusion Under Flexible Tooling (RIFT) ................................................ Formatura in autoclave.................................................................................... 2.7.1. Reti in fRP.............................................................................................

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3. sceLTa deL sisTema comPosiTo................................................................... 3.1. Vantaggi dei Materiali Compositi .................................................................... 3.2. Progettabilità dei materiali compositi ............................................................. 3.3. FRP (Fiber Reinforced Polymers) ................................................................... 3.4. SRP (Steel Reinforced Polymers)..................................................................... 3.5. FRG (Fiber Reinforced Grout)......................................................................... 3.6. SRG (Steel Reinforced Grout) .......................................................................... 3.7. Scelta del sistema composito............................................................................ 3.8. Planarità delle superfici delle strutture da rinforzare..................................... 3.9. Influenza della temperatura ............................................................................. 3.10. Comportamento nei confronti dell’umidità...................................................... 3.11. Utilizzo di mano d’opera specializzata ........................................................... 3.12. Utilizzo dei dispositivi di protezione individuale............................................. 3.13. Degrado totale degli attrezzi di lavoro ............................................................ 3.14. Resistenza al fuoco........................................................................................... 3.15. Resistenza ai raggi ultravioletti ...................................................................... 3.16. Radiotrasparenza .............................................................................................

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2.5. 2.6. 2.7.

4. normaTiva Per iL rinforzo di sTruTTure esisTenTi ................................................................................... 4.1. Quadro normativo nazionale ed internazionale .............................................. 4.2. Il documento tecnico italiano CNR-DT 200/04 ............................................... 4.3. Bozza Linee Guida – Dipartimento Protezione Civile – ReLUIS.................... 4.4. Linee Guida dell’Assemblea Generale del Consiglio Superiore dei LL.PP...................................................................

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5. rinforzo di sTruTTurein c.a. e c.a.P....................................................... 5.1. Simbologia ....................................................................................................... 5.2. Introduzione......................................................................................................

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5.2.1. I coefficienti parziali .............................................................................. 5.2.2. coefficienti parziali γm per i materiali ed i prodotti ............................. 5.2.3. coefficienti parziali γRd per i modelli di resistenza ............................. 5.2.4. azioni ambientali e fattore di conversione ambientale ηa .................... 5.2.5. Modalità di carico e fattore di conversione per effetti di lunga durata ηl .................................................................. Meccanismi di rottura per delaminazione ....................................................... 5.3.1. Verifiche di sicurezza nei confronti della delaminazione ...................... Rinforzo a flessione ......................................................................................... 5.4.1. analisi del comportamento allo stato Limite ultimo ........................... 5.4.2. analisi del comportamento agli stati limite di esercizio........................ Rinforzo a taglio............................................................................................... 5.5.1. Resistenza di progetto a taglio dell’elemento rinforzato con fRP .......................................................... Rinforzo di solai latero-cementizi .................................................................... Rinforzo di pilastri in c.a. ................................................................................ 5.7.1. Determinazione della resistenza di progetto a compressione centrata o con piccola eccentricità dell’elemento confinato ......................................................................... 5.7.2. sezioni circolari ..................................................................................... 5.7.3. sezioni quadrate e rettangolari............................................................... 5.7.4. Duttilità di elementi presso-inflessi confinati con fRP ........................ Rinforzo dei nodi trave-pilastro ....................................................................... 5.8.1. criteri per il progetto del rafforzamento locale di nodi non confinati...................................... Interventi in zona sismica ................................................................................

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6. rinforzo di sTruTTurein muraTura ...................................................... 6.1. Introduzione...................................................................................................... 6.2. Obiettivi e criteri di un progetto di rinforzo .................................................... 6.2.1. Verifiche di sicurezza ............................................................................. 6.3. Meccanismi di rottura per delaminazione ....................................................... 6.3.1. Resistenza alla delaminazione radente allo stato Limite ultimo ........................................................................ 6.4. Rinforzo di pannelli murari.............................................................................. 6.4.1. Verifiche per azioni fuori dal piano ....................................................... 6.4.2. Verifica per ribaltamento semplice ........................................................ 6.4.3. Verifica per flessione della striscia muraria verticale ............................ 6.4.4. Verifica per flessione della striscia orizzontale...................................... 6.4.5. Verifiche per azioni nel piano ............................................................... 6.4.6. Pressoflessione nel piano ....................................................................... 6.4.7. taglio...................................................................................................... 6.5. Rinforzo di archi e volte in muratura ..............................................................

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5.3. 5.4.

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5.6. 5.7.

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6.6.

6.7. 6.8. 6.9.

6.5.1. Volte a semplice curvatura – Volte a botte............................................. 6.5.2. Volte a doppia curvatura su pianta quadrata .......................................... Rinforzo di colonne in muratura...................................................................... 6.6.1. Resistenza di progetto a compressione centrata dell’elemento confinato.......................................................................... 6.6.2. confinamento di colonne circolari ....................................................... 6.6.3. confinamento di colonne quadrate o rettangolari ................................. Sistemi di pretensionamento............................................................................. 6.7.1. sistema di tensionamento per sRG – sRP ............................................ Sistemi di ancoraggio....................................................................................... Preparazione del substrato ..............................................................................

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7. caraTTerizzazione e moniToraggio dei sisTemi aPPLicaTi ........................................................................................ 7.1. Introduzione...................................................................................................... 7.2. I materiali......................................................................................................... 7.2.1. Laminati pultrusi .................................................................................... 7.2.2. Laminati prodotti in situ......................................................................... 7.2.3. controlli di produzione .......................................................................... 7.3. Prove sperimentali .......................................................................................... 7.4. Il collaudo delle opere ..................................................................................... 7.4.1. Prove semi-distruttive ............................................................................ 7.4.2. Prova di strappo normale ....................................................................... 7.4.3. Prova di strappo a taglio ....................................................................... 7.4.4. Prove non distruttive .............................................................................. 7.4.5. Prove di tipo acustico stimolato............................................................. 7.4.6. Prove ultrasoniche ad alta frequenza ..................................................... 7.4.7. Prove termografiche ............................................................................... 7.4.8. Prove in emissione acustica ................................................................... 7.4.9. Prove a collasso su elementi, travi e pilastri rinforzati.......................... 7.5. Gli operatori per l’esecuzione delle prove ......................................................

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8. modaLiTà e Tecniche di aPPLicazione .................................................. 8.1. Introduzione...................................................................................................... 8.2. Rinforzo di solai latero-cementizi .................................................................... 8.2.1. Vantaggi del rinforzo di solai latero-cementizi...................................... 8.2.2. Principi generali ..................................................................................... 8.2.3. Particolari costruttivi.............................................................................. 8.2.4. Modalità di applicazione........................................................................ 8.3. Rinforzo di solai con travi in acciaio .............................................................. 8.3.1. Vantaggi del rinforzo di solai con travi in acciaio................................. 8.3.2. Principi generali .....................................................................................

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8.3.3. Particolari costruttivi.............................................................................. 8.3.4. Modalità di applicazione........................................................................ Rinforzo di pilastri in c.a. ................................................................................ 8.4.1. Vantaggi del rinforzo di pilastri in c.a. .................................................. 8.4.2. Principi generali ..................................................................................... 8.4.3. Particolari costruttivi.............................................................................. 8.4.4. Modalità di applicazione........................................................................ Rinforzo a taglio e flessione di travi in c.a...................................................... 8.5.1. Vantaggi del rinforzo a taglio e flessione di travi in c.a. ....................... 8.5.2. Principi generali ..................................................................................... 8.5.3. Particolari costruttivi.............................................................................. 8.5.4. Modalità di applicazione........................................................................ Rinforzo di strutture in muratura..................................................................... 8.6.1. Vantaggi del rinforzo di strutture in muratura ....................................... 8.6.2. Principi generali ..................................................................................... 8.6.3. Particolari costruttivi.............................................................................. 8.6.4. Modalità di applicazione........................................................................ Rinforzo di archi e volte in muratura .............................................................. 8.7.1. Vantaggi del rinforzo di archi e volte in muratura................................. 8.7.2. Principi generali .................................................................................... 8.7.3. Particolari costruttivi.............................................................................. 8.7.4. Modalità di applicazione........................................................................ Rinforzo di strutture portanti in legno ............................................................. 8.8.1. Vantaggi del rinforzo di strutture portanti in legno ............................... 8.8.2. Particolari costruttivi.............................................................................. 8.8.3. Principi generali ..................................................................................... 8.8.4. Modalità di applicazione........................................................................

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9. esemPi di aPPLicazione ................................................................................... 9.1. Real Albergo dei Poveri – Napoli .................................................................... 9.2. Chiesa di Santa Caterina – Caprioli (SA) ....................................................... 9.3. Domus Aurea Palazzo Valentini – Roma ......................................................... 9.4. Hotel Boscolo Exedra a Nizza (FR)................................................................. 9.5. Complesso Telecom – Pomezia (Roma) ........................................................... 9.6. Monumento ai Martiri Napoletani – Napoli.................................................... 9.7. Hotel Boscolo Exedra a Roma ........................................................................ 9.8. Stazione radio base sito Le Forna – Ponza (LT).............................................

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10. guida aLL’insTaLLazione e aLL’uso deL sofTware......................... 10.1. Introduzione al software allegato..................................................................... 10.2. Requisiti minimi hardware e software.............................................................. 10.3. Procedura per la richiesta della password utente ...........................................

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8.4.

8.5.

8.6.

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8.8.

10.4. 10.5.

Procedura per l’installazione del software...................................................... Procedura per la registrazione del software....................................................

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bibLiografia ................................................................................................................ Riferimenti normativi ..................................................................................................... Siti Web ..........................................................................................................................

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Prefazione

con grande piacere ho avuto conoscenza della realizzazione dell’opera “Rinforzo strutturale con materiali compositi” messa a punto da Domenico Brigante, che dimostra come non sempre gli insegnamenti rivolti ai propri studenti durante gli studi universitari vengono poi nel tempo trascurati o abbandonati. Viceversa, nel caso di Brigante, la pubblicazione del testo afferma invece la validità e l’importanza di trasmettere conoscenze tecniche e scientifiche nel tentativo di realizzare una continuità nel tempo dello sviluppo di avvenimenti innovativi, come nel caso specifico dei Materiali compositi, al fine di produrre miglioramenti nella vita sociale e tecnica di ogni giorno. Il testo infatti riguarda argomenti strettamente legati alle applicazioni dei compositi nelle costruzioni civili e di architettura, settore che riguarda da vicino tutti noi, e che dopo anni di tentennamento è ora decisamente interessato alle enormi potenzialità dei compositi. Di particolare rilevanza e a differenza con altri minori testi tecnici che affrontano problematiche costruttive, il testo si sofferma lungamente nella descrizione delle caratteristiche delle tecnologie adoperate per la realizzazione di manufatti o per interventi di ripristino strutturale in monumenti particolari o in semplici strutture comuni. Questo aspetto, infatti, è di particolare importanza nell’uso dei Materiali compositi a differenza dell’uso di materiali più tradizionali, in quanto le proprietà finali ottenibili dal manufatto o dall’intervento sono in questo caso fortemente dipendenti dal modo stesso con cui si applica il materiale, che può efficacemente essere progettato e distribuito secondo le migliori e più efficienti modalità, prevedibili dal progettista solo con una accurata e profonda conoscenza delle tecnologie di applicazione. ciò vale indifferentemente per l’uso dei compositi su strutture in legno, come in acciaio, e in calcestruzzo, e le diverse modalità vengono infatti descritte con dovizia nel testo. Gli esempi riportati e le descrizioni di modalità di collaudo e monitoraggio degli interventi completano il testo, che diviene così un valido strumento per il Progettista ma anche per l’utilizzatore finale. Ignazio Crivelli Visconti

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caPItoLo 1

i maTeriaLi comPosiTi

t 1.1. i materiali compositi e loro proprietà I materiali compositi rappresentano l’evoluzione della scienza e delle tecnologie dei materiali fondendo al loro interno le migliori caratteristiche di più materiali, prodotti con tecnologie innovative che ne determinano le elevatissime caratteristiche fisico-meccaniche. Lo studio dei compositi è una filosofia di progetto di materiali che si propone di ottimizzare nello stesso tempo la composizione del materiale con il progetto di ottimizzazione strutturale in un processo convergente ed interattivo. È una scienza e una tecnologia che richiede la stretta interazione di diverse discipline come progetto ed analisi strutturale, analisi dei materiali, meccanica dei materiali ed ingegneria di processo. Dal punto di vista storico il concetto di rinforzo con fibra è assai vecchio. ci sono addirittura nella bibbia riferimenti al rinforzo di laterizi con paglia nell’antico egitto. Barrette di ferro erano usate per rinforzare le murature nel XIX secolo e questo portò allo sviluppo del cemento armato. Resine fenoliche rinforzate con amianto furono introdotte nel XX secolo. La prima barca in vetroresina fu realizzata nel 1942 e dello stesso periodo sono le plastiche rinforzate per l’impiego aeronautico e per componenti di apparecchiature elettriche. elementi avvolti furono inventati nel 1946 ed usati in applicazione nel campo missilistico negli anni ’50. Le prime fibre di boro e di carbonio ad alta resistenza furono introdotte nei primi anni ’60 con l’applicazione di compositi avanzati per componenti aeronautici. compositi con matrici metalliche come boro/alluminio furono introdotte nel 1970. La Dupont sviluppò fibre aramidiche nel 1973. a partire dagli ultimi anni ’70 le applicazioni dei compositi si espansero fortemente in campo aeronautico, automobilistico, per articoli sportivi e per applicazioni in industrie biomediche. Gli anni ’80 portarono ad un significativo sviluppo nell’utilizzo di fibre ad alto modulo di elasticità.

figura 1.1. I materiali compositi

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oggi l’enfasi è posta sullo sviluppo di più moderni compositi con matrici a base i malte e matrici ibride con malta e resina epossidica per le applicazioni ad alta temperatura. si hanno innumerevoli applicazioni: tubi interrati, container, barche, veicoli di terra, strutture aeronautiche e spaziali, applicazioni nell’edilizia civile, componenti per automobili, attrezzi sportivi, prodotti biomedici e moltissimi altri prodotti progettati per avere alte prestazioni meccaniche e/o stabilità dimensionale nei diversi ambienti accoppiati e bassi pesi.

t 1.2. definizione e caratteristiche si definisce materiale composito un sistema costituito da due o più fasi, le cui proprietà e prestazioni sono progettate in modo tale da essere superiori a quelle dei materiali costituenti che agiscono indipendentemente. normalmente una delle due fasi è discontinua, più rigida e più forte ed è chiamata “rinforzo”, mentre la fase meno rigida e più debole, è continua ed è chiamata “matrice”. talvolta a causa di interazioni chimiche od altri effetti, esiste una fase aggiuntiva, chiamata “interfase”, tra rinforzo e matrice.

figura 1.2. Fasi di un materiali composito

Le proprietà di un composito dipendono dalle proprietà dei costituenti, dalla geometria e distribuzione delle fasi. uno dei parametri più importanti è il volume (o il peso) della frazione di rinforzo o il rapporto di volume delle fibre. La distribuzione del rinforzo determina le caratteristiche del sistema. Meno è uniforme il rinforzo, più è eterogeneo il materiale e più alta è la probabilità di rottura nelle aree più deboli. La geometria e l’orientamento del rinforzo, invece, influiscono sull’anisotropia del sistema. Le fasi del composito hanno ruoli differenti che dipendono dal tipo e dalla messa in opera del composito. nel caso di compositi con prestazioni basse o medie, il rinforzo, usualmente fibre corte o particelle, dà un certo irrigidimento ma rinforza solo localmente il materiale. La matrice d’altra parte, è il costituente principale per reggere i carichi e definisce le proprietà meccaniche del materiale. nel caso di compositi ad alte prestazioni strutturali, il rinforzo è normalmente costituito da fibra continua e forma lo scheletro del materiale, determinando la rigidezza e la resistenza nella direzione della fibra. La fase matrice procura la protezione, il sostegno per le fibre ed il trasferimen-

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to degli sforzi locali da una fibra all’altra. L’interfase, anche se di piccola dimensione, può giocare un ruolo importante nel controllo del meccanismo di rottura, nella resistenza alla frattura e, soprattutto, nel comportamento sforzi/deformazioni del materiale.

t 1.3. Le fibre come accennato, grazie alle loro dimensioni limitate, le fibre presentano una perfezione strutturale fuori del comune; questa caratteristica, unita alle proprietà intrinseche dei materiali costitutivi, assicura ad esse: – resistenza meccanica elevata; – modulo elastico molto alto; – peso specifico molto basso; – comportamento elastico lineare fino alla rottura. Le fibre più importanti per uso in compositi possono essere di vetro, carbonio, organiche e minerali. esse si trovano nei compositi o sotto forma di fibre continue disposte parallelamente in un piano, o sotto forma di fibre tagliate e disposte in un piano con orientazione casuale (Mat) o, infine, possono essere tessute secondo una configurazione trama-ordito e disposte in un piano.

t 1.4. fibre di carbonio Per lungo tempo le fibre più usate in applicazioni di compositi strutturali sono state quelle di vetro. sebbene abbiano buone caratteristiche di resistenza e bassa densità, presentano un modulo di elasticità relativamente basso. Per questo motivo, circa 25 anni fa, si iniziò a sperimentare e convertire compositi organici in fibre e tessuti di carbonio e grafite.

figura 1.3. Fibre di carbonio

Le elevate proprietà meccaniche delle fibre di carbonio derivano dalla particolare struttura cristallina della grafite. Quanto più la struttura cristallina è elevata, tanto più il materiale possiede caratteristiche elevate.

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un cristallo di grafite ha una struttura composta da strati sovrapposti di piani costituiti da atomi di carbonio. I legami fra gli stessi atomi dello stesso piano sono forti (legami covalenti) mentre quelli fra atomi di piani differenti sono relativamente deboli (legami Van der Waals): è evidente come i cristalli siano strutture fortemente anisotrope e sarà compito del processo di fabbricazione disporre la struttura cristallina nella direzione voluta. naturalmente ciò non è facile: praticamente non si riesce mai ad ottenere cristalli perfetti e precisione nell’orientamento, per cui le caratteristiche meccaniche risultanti saranno più basse di quelle teoriche. Le fibre di carbonio sono ottenute grafitizzando in atmosfera inerte, a oltre 2.000 °c, delle fibre organiche tessili di rayon o poliacrilonitrile (Pan). Le fibre di partenza prendono il nome di precursori. Durante il processo di grafitizzazione le fibre sono sottoposte a trazione, quanto maggiore è lo sforzo di trazione esercitato, tanto più alto risulta il modulo di Young del prodotto. D’altra parte l’aumento del modulo viene bilanciato da una diminuzione di resistenza. esistono così in commercio sia fibre di carbonio ad alto modulo, penalizzate nella resistenza, sia a basso modulo e alta resistenza. I due tipi sono detti rispettivamente c1 e c3 o, con terminologia anglosassone, HM («High Modulus», cioè alto modulo) e Hs («High Strength», cioè alta resistenza a trazione) o anche in italiano HR. Rispetto alle fibre di vetro, quelle di carbonio presentano tre vantaggi sostanziali: – un modulo elastico molto alto; – una massa volumica bassa; – un coefficiente di dilatazione termica molto basso. esse perciò stanno soppiantando le fibre di vetro in tutti quei campi in cui sono richieste, oltre a un basso peso, un’alta rigidità (strutture aeronautiche, attrezzi sportivi ecc.) o una notevole stabilità dimensionale al variare della temperatura (dispositivi ottici, radar ecc.). I costi di produzione delle fibre di carbonio sono notevolmente più elevati rispetto alle fibre di vetro ma la loro forte diffusione è giustificata dalle elevate proprietà meccaniche.

t 1.5. fibre di vetro Le fibre di vetro sono prodotte nella forma standard come vetro e, noto essenzialmente per applicazioni elettriche. una fibra più resistente è il vetro s: la sua resistenza a trazione è, infatti, circa il 33% più grande del vetro e.

figura 1.4. Fibre di vetro

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un altro tipo di fibra di vetro è ottenuto con vetro ad alto contenuto di alcali: essa ha una buona resistenza chimica ma presenta proprietà elettriche modeste, vetro c. altri tipi di vetro sono il vetro D, con ottime caratteristiche elettriche, e quello L, che per il suo contenuto in piombo, realizza una buona protezione alle radiazioni e può essere usato come traccia per il controllo ai raggi x dell’allineamento delle fibre. In tabella è riportato, a seconda dell’impiego, il tipo di vetro più idoneo. Tabella 1.1. Tipo di vetro usato a seconda dello scopo (Linee Guida del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici) impiego fibre multiscopo

Tipo di vetro E

fibre resistenti agli acidi

A, C, CR

fibre resistenti agli alcali

R, S

fibre alta resistenza meccanica

R, S

fibre alte caratteristiche dielettriche

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tutti i vetri hanno un rapporto resistenza su peso molto alto, sebbene le fibre di vetro siano fra le fibre inorganiche sintetiche a densità più alta. Il vetro mantiene le sue proprietà meccaniche, fino al 50% delle sue capacità di resistenza, ad una temperatura di 375 °c, e fino al 25% a 538 °c. I vantaggi delle fibre di vetro, in particolare della fibra “e” rispetto ad altri materiali, sono: – Rapporto tra alta resistenza alla trazione ed alta resistenza al peso: a parità di peso, la fibra di vetro è due volte più resistente di un filo d’acciaio. – Stabilità dimensionale: il vetro non si accorcerà o non si allungherà in relazione alle variazioni atmosferiche. Le fibre di vetro mostrano un allungamento massimo del 3% a rottura. – Alta resistenza al calore: le fibre di vetro si comportano bene in applicazioni dove devono essere tollerate alte temperature. esse hanno ancora il 50% della resistenza a trazione, alla temperatura di 340 °c. – Basso assorbimento di umidità: il vetro è un materiale acellulare per cui l’umidità non può penetrare nella superficie dei filamenti. – Notevoli proprietà elettriche: il vetro possiede una bassa costante dielettrica e delle buone capacità isolanti. – Alta resistenza alla fiamma: il vetro non brucia oppure brucia senza dar luogo a fiamma. Risultato di quanto sopra esposto, è un prodotto in cui sono combinate diverse proprietà fisiche, che non possono essere ottenute con fibre organiche. La resistenza delle fibre di vetro dipende dalle condizioni di formazione, come pure dal sistema di rivestimento impiegato per trattare la superficie della fibra di vetro. La fase di copertura ha un significativo effetto sulla resistenza delle fibre di vetro e sulle loro proprietà di superficie. L’effetto del trattamento chimico di superficie ha dimostrato di migliorare la resistenza delle fibre di vetro fino al 20%.

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Il sistema di copertura (trattamento chimico) consiste in un rivestimento organico che viene applicato alle fibre di vetro immediatamente sotto il rivestimento isolante e prima che i filamenti siano tirati insieme a formare un unico capo. I rivestimenti, sono applicati allo scopo di proteggere le fibre di vetro durante il successivo processo di lavorazione e per ottenere un optimum di compatibilità con le resine da rinforzare. Gli ingredienti impiegati nella copertura delle fibre dipendono dalle specifiche applicazioni: essi sono brevettati e classificati in una o più categorie. Gli agenti accoppianti, come il loro nome suggerisce, hanno la funzione principale di accoppiare le fibre di vetro alla matrice oppure ad altri ingredienti di copertura, i quali a loro volta interagiscono con la matrice. Quando tra le fibre di vetro e la matrice si è formato un legame chimico, i compositi in vetro rinforzati divengono un materiale molto resistente impiegabile in campo ingegneristico, come conseguenza di un efficiente trasferimento di sollecitazioni da una matrice relativamente debole a fibre di vetro molto resistenti. Per facilitare il processo di lavorazione e di composizione sono necessari i lubrificanti: le fibre di vetro essendo materiale fragile sono facilmente abrase quando vengono a contatto con altri materiali, compreso lo stesso vetro. Durante il processo di lavorazione si determina una rottura dei filamenti, che dà luogo a lanugine di vetro che si disperde nell’aria. un’adeguata selezione dei lubrificanti può ridurre tale fenomeno. Il processo di fabbricazione delle fibre di vetro ha inizio con il pesare con cura i componenti del vetro per poi miscelarli in una massa omogenea di composizione predefinita. Il tutto viene posto in un forno ed esposto a temperatura sufficiente (1.400 °c circa) a convertire i carbonati e la sabbia in ossidi liquidi, i quali devono possedere una sufficiente viscosità e flusso per produrre un’adeguata omogeneità. Il vetro fuso viene poi raffreddato a temperature più basse (1.100 °c) in modo da renderlo idoneo alle successive fasi lavorative: per produrre vetri con minimi difetti e di alta qualità, sono indispensabili condizioni operative ottimali e forni correttamente progettati. La massa fusa di vetro d’alta qualità è poi tirata attraverso dei fori praticati in una piastra di platino, e ridotta a fibre di diametro voluto. La piastra riscaldata elettricamente, è dotata d’ugelli che variano in genere da 200 a 4.000. Immediatamente al di sotto della piastra viene applicato ai filamenti una copertura o rivestimento organico. I filamenti possono essere raccolti in vario numero in fasci mediante un pettine o un ceppo di raccolta. ad esempio quando viene impiegata una piastra con 400 ugelli ed un ceppo di raccolta con fessure a due vie si produrranno due fasci di 200 filamenti ciascuna, che verranno poi avvolti su un pettine. Il risultato finale sarà la formazione di una matassa. Per evitare che i fasci non giacciano paralleli gli uni agli altri e possano essere dipanati senza difficoltà, viene utilizzata una linea trasversale o spirale onde imprimere un movimento a zig-zag dei capi appena essi si avvicinano alla superficie dell’argano. I pacchi che vengono realizzati sono posti nel forno per rimuovere l’acqua e assicurare la copertura della superficie del vetro. successivamente essi vengono messi in una rastrelliera e riuniti in fasci a formare gomitoli.

t 1.6. fibre di basalto negli ultimi anni la ricerca di nuove tipologie di fibre, da adottare nel settore dell’edilizia civile, si è indirizzata verso lo studio delle fibre di basalto.

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Le fibre di basalto sono fibre molto sottili di basalto, roccia vulcanica composta di plagioclasi, pirosseni e olivine. Le fibre di basalto hanno tipicamente un diametro tra 9 e 13 mm; sono un ottimo sostituto delle fibre di amianto in quanto il loro diametro è molto superiore al limite di respirabilità (circa 5 mm). Le fibre di basalto sono ottimi isolanti termici e acustici, mantengono le proprietà meccaniche anche ad alte temperature e sono molto stabili chimicamente (sia in ambiente acido che alcalino). costituito dalla fusione di un “unica” materia prima, le fibre di basalto sono superiori alle altre fibre in termini di stabilità al calore, per proprietà di isolamento termico e sonoro, durabilità e resistenza alle vibrazioni. Le fibre di basalto sono un prodotto economico di caratteristiche superiori ai materiali consimili oggi usati, come la fibra di vetro. a riguardo della conduzione del calore, gli articoli realizzati con la fibra di basalto sono tre volte più efficienti di quelli realizzati con l’asbesto, e superiori al vetro e alle fibre minerali. La temperatura di applicazione di articoli fabbricati con la fibra di basalto è notevolmente più elevata (da -260° a 900°). Grazie alla loro elasticità a livello di micro e macrostruttura, le fibre di basalto sono resistenti alle vibrazioni se confrontate con prodotti simili. Questa caratteristica è particolarmente importante nelle costruzioni meccaniche e nell’ingegneria civile. ad esempio quando costruzioni civili sono erette in prossimità di autostrade, ferrovie e metropolitane, mentre gli ammortizzatori di materie minerali o fibra di vetro, sottoposti a vibrazioni sono soggetti a danneggiamenti ed infine alla rottura, le lastre di basalto sono resistenti alla vibrazione e quindi più durevoli. Riguardo alle proprietà chimiche, le fibre di basalto sono più resistenti, agli ambienti aggressivi (ad esempio acidi e basici). a causa di ciò le tubazioni in fibra di basalto possono essere usate negli impianti chimici per il trasporto di acidi caldi, nella realizzazione di sistemi fognari, nel trasporto di liquidi e gas aggressivi, materiali sciolti, ecc. Le proprietà elettriche dei compositi plastica-basalto, in particolare la resistenza volumica delle fibre di basalto sono di 1 o 2 ordini di grandezza maggiori di quelle della fibra di vetro.  Le tecnologie di processo della fibra di basalto sono simili alle tradizionali tecnologie per la produzione della fibra di vetro (tessuti, fili, fiocchi, GfRP). Grazie alle loro eccellenti proprietà le fibre di basalto possono essere usate nella realizzazione di articoli resistenti al calore e agli alcali (contenitori, tubi, GfRP, materiali per l’isolamento termico).

t 1.7. fibre aramidiche Le fibre aramidiche sono fibre sintetiche sulla base di poliammide aromatici. nei materiali compositi la fibra commercialmente più importante è la fibra ad alto modulo, la quale è stato introdotto nei primi anni ’70 dalla Du Pont. Lo scopo originale dello sviluppo delle fibre aramidiche era la sostituzione dei fili d’acciaio nei pneumatici radiali. Il vantaggio era nel risparmio di peso in combinazione ad una resistenza e durata maggiore.

1.7.1. Produzione La produzione è simile ad altre fibre sintetiche: polimerizzazione, estrusione, stiramento. Il polimero viene sciolto in un liquido ed estruso ad una temperatura di circa 200 °c mentre evapora il

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solvente. L’estrusione può avvenire soltanto dalla soluzione in quanto il punto di fusione della fibra è molto più alto della temperatura di decomposizione. Il prodotto di questa fase ha soltanto circa il 15% della resistenza e il 2% della rigidità della fibra finale. Il polimero ha una struttura a bastoncini con poco orientamento rispetto all’asse longitudinale della fibra. si ottiene una cristallizzazione e l’orientamento della struttura stirando la fibra a 300-400 °c. nonostante l’aramide appartenga alla famiglia dei poliammide, l’adesione della matrice (resina) risulta molto più difficile che non sul Pa 6 (nylon). Per migliorare il comportamento la fibra viene trattato con preparati di finissaggio. ciononostante la resistenza a compressione raggiunge solamente il 25% di quella a trazione. nel corso degli anni, questo tipo di fibra sintetica ha ricevuto miglioramenti notevoli in termini di resistenza meccanica. fin dall’inizio essa si dimostrò promettente, con una resistenza di oltre 2 volte rispetto all’acciaio, a parità di massa. Questo era un risultato notevole per i tempi, e ben presto comparvero materiali leggeri per giubbotti di protezione individuale dei soldati in Vietnam e per i velivoli. con il tempo si è arrivati a prodotti ancora più resistenti, che offrono un rapporto di almeno 5:1 sull’acciaio. Queste prestazioni sono riferite alla resistenza meccanica, ma non al logorio né tanto meno alla temperatura: non esistono ingranaggi in kevlar, o parti di motore in tal materiale. Inoltre, la resistenza alla penetrazione, quando usato per protezione, è valida contro i proiettili, meno contro le baionette e i coltelli (per quanto la cosa possa sorprendere) cosicché i giubbotti attuali utilizzano inserti con pannelli di titanio per coprire tutte le minacce. La combinazione kevlar-leghe leggere alluminio o titanio che siano, è presente anche a bordo di molte macchine volanti, specie dove il peso sia da limitarsi al massimo. Per cui fibre sintetiche come il kevlar, il meno famoso nomex, fibre di carbonio, leghe leggere di alluminio, magnesio e titanio sono le principali utilizzate per gli elicotteri moderni. I principali vantaggi delle fibre aramidiche sono: alta tenacità, buona inerzia chimica ed elettromagnetica, basso peso specifico, elevata resistenza e modulo elastico.

t 1.8. fibre di acciaio Le fibre di acciaio al carbonio rappresentano un’altra tipologia di fibre che da pochi anni viene utilizzata per la realizzazione di materiali compositi a matrice polimerica sRP (Steel Reinforced Polymer) o a base di malta sRG (Steel Reinforced Grout). I tessuti in fibre di acciaio ad alta resistenza per il rinforzo strutturale sono composti da filamenti di acciaio, caratterizzato da elevatissima resistenza meccanica. I tessuti in fibra di acciaio si trovano attualmente in commercio unicamente in geometria monoassiale date le dimensioni elevate dei filamenti che rendono difficile la realizzazione di tessuti con trama e ordito composti da filamenti in acciaio. Le caratteristiche di tale sistema risultano essere: – elevata resistenza; – estrema duttilità (si adatta a qualsiasi tipologia di profilo) ed aumento di duttilità dell’elemento rinforzato; – possibilità di mantenere inalterata la geometria dell’elemento rinforzato; – spessore ridotto e leggerezza; – maneggevolezza e facilità di applicazione; – semplifica le problematiche relative alle connessioni ed agli ancoraggi;

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– resistenza al fuoco in caso di utilizzo di matrice cementizia; – resistenza alla corrosione, con conseguente durabilità nel tempo. In edilizia storica si ottengono notevoli vantaggi grazie alla possibilità di impregnare il tessuto con malta garantendo così un materiale di rinforzo assolutamente compatibile con il substrato, facilmente removibile, ma avente sempre elevate proprietà fisico-meccaniche. Grazie, inoltre, alla loro tenacia ed alla loro elevata resistenza a taglio, tali materiali si rivelano particolarmente indicati per essere pretesi mediante opportuni sistemi di pretensionamento ed ancorati tramite sistemi tradizionali senza doversi preoccupare di recidere la fibra. I tessuti in fibra di acciaio sono caratterizzati da un rivestimento metallico di ottone o da un rivestimento costituito da uno strato di zinco galvanizzato. entrambi i rivestimenti hanno lo scopo di garantire un’ottima resistenza a corrosione rendendolo un materiale estremamente durevole nel tempo. La scelta del rivestimento è funzione dell’esposizione a cui può essere soggetto il materiale durante le condizione di esercizio della struttura.

t 1.9. Tessuti ibridi I tessuti ibridi hanno come obiettivo il rapporto ottimale tra prestazioni dei tessuti e costi. È infatti possibile disporre all’interno di uno stesso tessuto, fibre aventi differenti grammature, natura chimica o caratteristiche meccaniche progettando un composito che garantisca le proprietà fisico meccaniche necessarie nelle diverse direzioni di sollecitazione evitando sprechi dal punto di vista economico. si possono ad esempio combinare in trama e ordito fibre aramidiche e fibre di carbonio, ottenendo un composito con differente risposta elastica nelle due direzioni principali di sollecitazione.

t 1.10. altre tipologie di fibre altre tipologie di fibre che si affacciano nello scenario dei materiali compositi, in particolar modo per ciò che riguarda il settore dell’ingegneria civile, sono le fibre naturali come le fibre di canapa e lino che pur essendo caratterizzate da caratteristiche meccaniche non molto elevate, possono essere utilizzate in progetti di bioingegneria e nell’ambito del recupero storico artistico.

t 1.11. Le matrici nonostante l’alto valore della resistenza e del modulo elastico, le fibre non avrebbero importanza se non fosse possibile dare al pezzo da progettare una forma stabile. a questa funzione provvede la matrice che, inglobando le fibre, assume nello stesso tempo il compito di dare la forma al pezzo e proteggere le fibre stesse dall’ambiente esterno. come già detto si distinguono matrici plastiche, metalliche e ceramiche.

t 1.12. matrici plastiche una matrice plastica può essere costituita da una resina termoindurente o termoplastica. Le resine termoindurenti presentano una struttura tale che innalzando la temperatura oltre un certo limite si degradano in maniera irreversibile, quindi dopo la polimerizzazione non possono essere portate allo stato liquido; quelle termoplastiche invece, all’aumentare della temperatura diventano più fluide, ma

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una volta raffreddate riacquistano tutte le loro proprietà e quindi presentano il vantaggio di poter essere rimodellate anche dopo la polimerizzazione. Il diverso comportamento è dovuto alla struttura delle molecole polimeriche e precisamente alla distribuzione spaziale dei monomeri di diverso tipo ed al grado di cristallinità. L’applicazione dei termoplastici è ostacolata dalle basse temperature di esercizio e quindi vengono utilizzati per ottenere in maniera semplice e veloce geometrie anche complesse, mentre i termoindurenti possono essere impiegati in un vasto range di temperature. sebbene sia opinione di molti che il futuro riservi un ruolo di primo piano ai compositi a matrice termoplastica, molto lavoro dovrà essere fatto prima che quest’ultimi trovino un impiego estensivo in campo strutturale. Le matrici plastiche (resine) di tipo termoindurente più importanti sono le poliestere, epossidiche, fenoliche e siliconiche. Le matrici termoindurenti normalmente usate nel campo dei compositi, si presentano, prima della messa in opera, sotto forma di liquido più o meno viscoso. In tali condizioni esse non hanno ancora subito reticolazione, affinché quest’ultima inizi si aggiungono al polimero degli opportuni agenti che sono detti catalizzatori nel caso di matrici poliestere, induritori o indurenti negli altri casi. Il tempo occorrente per la reticolazione può essere regolato mediante l’aggiunta di acceleranti o inibitori. a parità di composto tale tempo è però nettamente influenzato dalla temperatura, diminuendo al crescere di essa. agendo opportunamente sulla quantità e sul tipo di catalizzatori, induritori, acceleranti ed inibitori, si possono ottenere a seconda delle necessità matrici con tempi di polimerizzazione molto brevi (pochi minuti) anche a temperatura ambiente o viceversa molto lunghi (diverse ore) ad alta temperatura. Il tipo di matrice ha scarsa influenza sulle proprietà meccaniche e statiche del composito nella direzione delle fibre. La matrice è però il componente a diretto contatto con l’ambiente in cui il composito deve lavorare e ne determina pertanto: – la resistenza alla corrosione; – la resistenza al calore; – la resistenza all’abrasione. In tutte le applicazioni (contenitori di liquidi corrosivi o di prodotti alimentari, parti automobilistiche, ecc.) in cui queste proprietà sono richieste, assume una grande importanza la ricerca del giusto tipo di resina. Di seguito si riportano le proprietà delle principali matrici termoindurenti. Proprietà Tipo Poliestere epossidica fenolica siliconica

modulo elastico e (mPa) 4.900 3.800 7.500 5.000

resistenza a trazione sr (mPa)

massa volumica r (g/cm3)

allungamento a rottura (%)

70 70 45 25

1,22 1,20 1,39 1,90

1,8 2,9 0,6 0,5

coefficiente di dilatazione termica α (10-6/°c) 60 60 / /

1.12.1. Resine poliestere Presentano buone caratteristiche, basso costo, sono facilmente lavorabili, induriscono a temperatura ambiente. Grazie alla loro facile reticolazione, che riduce notevolmente i costi delle tecnologie di produzione, queste resine sono largamente usate nel campo della nautica da diporto e dell’e-

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dilizia. Il rischio legato all’attività più conosciuto nell’industria di trasformazione delle resine poliestere è l’esposizione allo stirene. In queste applicazioni sono impiegate prevalentemente in unione con fibre di vetro. tale esposizione avviene principalmente attraverso l’inalazione di vapori di stirene. Poiché lo stirene è una sostanza che produce effetti neurotossici, devono essere prese misure di protezione per minimizzare il livello di esposizione. nelle tecnologie a stampo aperto come la laminazione manuale, il taglio e spruzzo ed il filament winding, la concentrazione di stirene può superare facilmente la concentrazione massima permessa. Quando la ventilazione sul posto di lavoro risulta insufficiente (ciò può essere misurato utilizzando gli opportuni strumenti oggi disponibili), dovranno allora essere utilizzati i dispositivi di protezione per le vie respiratorie.

1.12.2. Resine epossidiche Queste resine presentano proprietà migliori rispetto alle poliestere in particolare presentano un buon allungamento a rottura, fattore questo importantissimo per le proprietà meccaniche dei compositi. Per contro presentano un costo superiore ed una messa in opera più laboriosa rispetto alle poliestere, per questi motivi le resine epossidiche sono utilizzate soprattutto nei campi tecnologicamente più avanzati come quelli aeronautici, aerospaziali e sportivi. Le resine epossidiche per le loro elevate caratteristiche meccaniche e di adesione sono quelle principalmente utilizzate nell’ambito degli interventi in edilizia civile.

1.12.3. Resine fenoliche si sono affermate soprattutto per la buona capacità di resistenza a temperature elevate (fino a 250 °c). Per questa loro caratteristica sono usate estensivamente nell’industria aerospaziale, in quella elettronica ed in quella automobilistica.

1.12.4. Resine siliconiche Queste resine sono costituite da polimeri inorganici, ciò consente una notevole resistenza in campi di temperatura impensabili per i polimeri organici sebbene quest’ultimi presentino a temperatura ambiente delle proprietà più elevate. Le resine siliconiche hanno reso possibile l’uso strutturale dei compositi per temperature fino a 450 °c ÷ 500 °c; sono quindi impiegate soprattutto per scopi elettrici ed in parti di velivoli supersonici.

t 1.13. matrici a base di malta Per la realizzazione di compositi a base di tessuti in fibra di acciaio è possibile utilizzare come matrici malte caratterizzate da differenti formulazioni chimiche ottenendo così un composito definito sRG (Steel Reinforced Grout). In funzione delle caratteristiche meccaniche che si desidera ottenere dal composito sRG, è possibile utilizzare malte cementizie o malte a base di leganti idraulici selezionati, ottenute per cottura di materie prime a bassa temperatura (< 900 °c) al fine di garantirne la piena compatibilità con le

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strutture da rinforzare. Le malte possono essere inoltre miscelate con resine epossidiche o altre tipologie di resine sintetiche a seconda che sia prioritario garantire il mantenimento della massima traspirabilità del supporto come nel caso di supporti murari, o garantire alte prestazioni meccaniche e di adesione al supporto, come nel caso di rinforzi di strutture in cLs.

t 1.14. altre tipologie di matrici

1.14.1. Matrici metalliche Questo tipo di matrice può essere utilizzato a temperature più elevate rispetto ai compositi plastici. La temperatura dipende dal tipo di metallo che funge da matrice ed è comunque superiore a quella alla quale, a parità di condizioni, il metallo da solo può essere adoperato. La temperatura massima è quella di scorrimento viscoso (deformazione sotto carico costante) oltre la quale la matrice non è più in grado di trasmettere il carico alle fibre. nell’ottica della massima riduzione di peso la matrice metallica più utilizzata è quella in lega di alluminio nonostante la temperatura di esercizio non possa essere molto elevata. sono stati inoltre studiati compositi con matrici a base di rame, nichel, titanio e magnesio. Il limite maggiore di questo tipo di matrici consiste nel pericolo di reazioni chimiche con le fibre con conseguente degradazione delle proprietà meccaniche ottenibili.

1.14.2. Matrici ceramiche I compositi con matrice ceramica sono quelli più promettenti sotto il profilo delle proprietà meccaniche e della resistenza alle alte temperature. attualmente sono scarsamente utilizzati a causa della tecnologia poco avanzata ed in particolar modo della difficoltà di distribuire uniformemente le fibre nella matrice ed eliminare le porosità al suo interno. Le matrici finora utilizzate sono essenzialmente ossidi di alluminio e silicio (al 2o3, sio2).

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caPItoLo 2

Processi di fabbricazione

t 2.1. Tecnologie di fabbricazione numerose sono le tecnologie di fabbricazione utilizzabili per la realizzazione di elementi in materiali compositi, è possibile ottenere materiali con caratteristiche fisico-meccaniche elevatissime e con elevatissima percentuale volumetrica di fibre ed è altresì possibile ottenere elementi con caratteristiche meno elevate ma con costi di produzione notevolmente ridotti. Le tecnologie di fabbricazione di elementi in materiale composito variano secondo la forma, dimensione e proprietà richieste al pezzo finito. In funzione delle caratteristiche che si vogliono ottenere da un elemento in composito, della necessità o meno di riproduzione dello stesso o di una produzione in continuo, le tecnologie possono essere distinte in tecnologie in cui si impiegano stampi chiusi o stampi aperti; ancora, le tecnologie possono essere distinte in continue o discontinue e manuali e automatizzate. nell’ambito dei sistemi di rinforzo strutturale realizzati con materiali compositi viene solitamente utilizzato solo un numero limitato di tecnologie, successivamente andremo comunque ad analizzare le principali caratteristiche delle più note tecnologie che, se pur non attualmente utilizzate in questo giovane settore di applicazione, potrebbero in futuro determinare importanti innovazioni. con il termine stampo aperto si indica uno stampo che consente l’ottenimento di una sola superficie a finitura controllata dei particolari. nel caso dei sistemi di rinforzo in ingegneria civile gli stampi sono costituiti dagli stessi elementi strutturali che vengono rinforzati. I processi a stampo aperto si prestano comunemente alla fabbricazione di parti molto voluminose: in questi casi sarebbe praticamente impossibile disporre di stampi chiusi per la loro difficile movimentazione legata al peso eccessivo. nel campo dell’ingegneria civile, usando delle fibre secche, l’impregnazione viene eseguita tramite un pennello, al momento dell’esecuzione del particolare, contemporaneamente all’adattamento degli strati alla superficie dello stampo che nel caso specifico è costituito dal supporto in muratura o c.a. Le inevitabili bolle d’aria tra gli strati vengono eliminate eseguendo una rullatura ed eventualmente, qualora siano richiesti migliori risultati, ricorrendo ad un sacco a vuoto. Questa serie di operazioni presenta però degli inconvenienti rispetto a tecnologie di fabbricazione più avanzate: in primo luogo, impregnando le fibre a mano si utilizza un quantitativo di resina superiore a quello strettamente necessario, ed è assai difficoltoso, anche ricorrendo alla formatura sottovuoto, eliminare la parte superflua, per cui il composito sarà di qualità più scadente perché strati di fibra molto mobili accrescono le difficoltà di esecuzione di un buon sacco a vuoto.

2.1.1. Processi produttivi dei materiali compositi I processi produttivi dei materiali compositi sono svariati e i più diffusi sono: 1. stesura manuale; 2. Resin Transfer Molding (RtM);

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3. 4. 5. 7.

Filament winding; Pultrusione; Vacuum Infusion (RIft); Produzione in autoclave.

t 2.2. impregnazione manuale senza applicazione di pressione o vuoto È un processo tuttora largamente diffuso per lavori su superfici ampie quali piscine e scafi di imbarcazioni per i quali la produzione si svolge tipicamente per piccoli lotti ed è il processo di fabbricazione maggiormente utilizzato nell’ambito dell’ingegneria civile. Rinforzi in forma di mat, tessuto o stuoia, in percentuale come da progetto sono stesi all’interno dello stampo costituito nel caso elle applicazioni di ingegneria civile dal supporto in muratura o c.a., successivamente le fibre vengono imbevute di resina catalizzata e poi consolidate manualmente usando rulli di metallo o di plastica allo scopo di eliminare la resina in eccesso. La polimerizzazione avviene generalmente a temperatura ambiente. I valori tipici di Vf, essendo Vf la frazione in volume delle fibre (rapporto tra il volume delle fibre ed il volume totale del composito) ottenibili con tale tecnologia, sono 25-30%. In alcuni casi per migliorare la qualità del laminato stampato l’impregnazione dei tessuti viene effettuata prima della loro posa con apposite attrezzature, in modo da utilizzare la corretta quantità di resina per ogni lamina, in questo caso è possibile raggiungere valori di Vf anche di 35-38%.

t 2.3. filament winding È una tecnica conosciuta da più di trenta anni, ma vantaggiosamente utilizzata solo negli ultimi anni grazie all’introduzione di materiali affidabili e di accorgimenti che hanno reso la produzione più agevole ed economica. assieme alla pultrusione è sicuramente il processo produttivo che ha conseguito i più rilevanti progressi di serie di elevata qualità e costi relativamente contenuti.

figura 2.1. Filament Winding (www.lawrietechnology.com)

Il processo consiste fondamentalmente nell’avvolgimento di filamenti continui impregnati di resina su di un corpo ruotante, detto mandrino, la cui forma si identifica nella geometria del pezzo

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da produrre. L’indurimento della resina viene ottenuto inserendo il componente in forno od autoclave. I fattori fondamentali che governano questa tecnologia produttiva e che influiscono in maniera determinante per l’ottenimento delle caratteristiche del prodotto composito finale sono: a) il tipo di avvolgimento; b) il tipo di impregnazione; c) il tipo di mandrino; d) il tipo di macchina; e) il tipo di processo di polimerizzazione.

2.3.1. L’avvolgimento fondamentale è l’angolo di avvolgimento, definito come l’angolo compreso tra la direzione dei filamenti e la tangente al meridiano del mandrino. Le fibre vengono avvolte sul mandrino, ruotante intorno al suo asse con una determinata velocità angolare, mediante l’ausilio di un braccio meccanico, dotato di un occhiello di deposizione, che si muove ad una precisa velocità su di un asse parallelo a quello del mandrino. Il rapporto fra la velocità angolare del mandrino e quella del braccio determina, istante per istante, l’angolo di avvolgimento, che può quindi essere variato a piacimento agendo su questi due parametri.

2.3.2. L’impregnazione Vengono utilizzate due metodologie di avvolgimento, quello bagnato e quello secco. nel primo metodo l’impregnazione viene effettuata sul filamento appena prima di essere avvolto sul mandrino attraverso il passaggio in una vaschetta contenente la resina; ciò impone una velocità di lavorazione non troppo elevata per garantire l’adeguata impregnazione del filamento. Il secondo metodo è invece quello che fa uso di prepreg, ossia di filamenti preimpregnati di resina già sottoposta a parziale polimerizzazione (in questo caso il processo prende il nome di wrapping). In questo caso si ha la possibilità di raggiungere una velocità di produzione più elevata, non più limitata da problemi di bagnabilità delle fibre. L’utilizzo dei prepreg, pur generando un maggior costo iniziale, garantisce l’ottenimento di prodotti di elevata qualità. Inoltre con i prepreg possono essere utilizzati tutti i tipi di resine, comprese quelle aventi una viscosità tale da non poter essere utilizzate per l’impregnazione diretta dei filamenti in fase di avvolgimento.

2.3.3. Il mandrino tale componente è fondamentale per l’ottenimento della giusta geometria del pezzo. esso può essere metallico (acciaio o alluminio), plastico o anche in gesso, e può essere fisso e amovibile. nel caso il mandrino è fisso esso rimane all’interno del pezzo divenendo parte integrante di esso, mentre nel caso invece in cui esso debba essere rimosso, ciò sarà possibile estraendolo, se la forma del pezzo lo consente, oppure sciogliendolo se realizzato in materiale adatto per questa eventualità. Il mandrino, comunque sia fatto, deve essere in grado di sopportare la compressione esercitata su di esso dalla tensione con cui il filamento è avvolto sul mandrino (parametro anch’esso molto importante per il raggiungimento di un prodotto di elevata qualità).

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2.3.4. Le macchine Possono essere di due tipi: – ad asse orizzontale, utilizzata per la realizzazione di avvolgimenti elicoidali; – ad asse verticale, utilizzata per la realizzazione di avvolgimenti polari e preferita per pezzi di grandi dimensioni. tale macchina oltre alla funzione di avvolgimento, deve essere dotata di un altro braccio che realizza la pulizia del pezzo prima di poter realizzare il confinamento.

t 2.4. Pultrusione Il significato del termine pultrusione è estremamente chiaro se si pensa allo schema tecnologico di base del processo. Intatti, mentre l’estrusione dell’alluminio o dei termoplastici si realizza mediante un’azione di spinta sul materiale per costringerlo a passare attraverso lo stampo, nel caso dei plastici rinforzati, la stessa forma può essere ottenuta esercitando una forza di tiro (pull) sulle fibre costringendole a passare, dopo essere state bagnate con la resina, nello stampo. Quindi, l’azione di spinta tipica dell’estrusione viene sostituita dall’azione di tiro (pull), da cui il termine pultrusion, diventando in italiano pultrusione.

figura 2.2. Schema del processo di pultrusione (www.nuplacorp.com)

La tecnologia della pultrusione è caratterizzata dalla continuità della produzione; quando il sistema è dotato di una sega automatica di tipo “volante”, la produzione avviene con un intervento

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umano minimo, ridotto all’avvio e alla verifica di eventuali interruzioni nell’alimentazione del rinforzo nonché del livello della resina nella vaschetta d’impregnazione. La tecnologia sta trovando solo di recente applicazioni industriali significative, ma in realtà la prima applicazione si è avuta attorno al 1948 e il primo brevetto risale al 1951. l primi manufatti prodotti mediante pultrusione erano tondini a elevata finitura, i quali ancora oggi rappresentano il tipo di produzione più diffusa. L’elevata resistenza a trazione e l’elevata percentuale di rinforzo ottenibile, combinata ad altre importanti proprietà come isolamento elettrico, resistenza alla corrosione e basso peso, hanno ampliato il ventaglio dei prodotti pultrusi ad applicazioni come canalette portachiavi, barre per isolatori, stramazzi per impianti di trattamento liquami, passerelle, piattaforme e parapetti, scale, tubi per sezionatori e fusibili, barriere autostradali, antenne per cB, travi strutturali e tante altre ancora. Il processo richiede un rinforzo fibroso, essenzialmente continuo, e una resina a bassa viscosità, generalmente un termoindurente liquido. Il rinforzo di gran lunga più usato è il roving di vetro; solo recentemente, e per ragioni di costi limitatamente a casi particolari, sono stati impiegati rinforzi in carburo e fibre aramidiche. Questi stessi rinforzi vengono anche impiegati in compositi ibridi con il vetro. Lo schema di base del processo è: a) alimentazione del rinforzo; b) impregnazione; c) preformatura; d) formatura e polimerizzazione; e) tiro; f) taglio; g) postformatura.

2.4.1. Alimentazione del rinforzo I rinforzi impiegati nella pultrusione sono in forma di fili continui unidirezionali, mat e tessuti. Il rinforzo e la matrice devono comunque rispondere ad alcuni requisiti tecnici fondamentali: – possedere resistenza e rigidità nella direzione della trazione sufficienti a sopportare gli sforzi determinati dal trascinamento sino oltre la zona di reticolazione; – avere valori noti di conducibilità termica a calore specifico, allo scopo di poter calcolare la velocità di trasmissione del calore dalla trafila riscaldante al manufatto in fase di polimerizzazione. naturalmente, un buon risultato può essere anche raggiunto attraverso una serie di prove preliminari; – rendere possibile il controllo dei rapporti volumetrici rinforzo-matrice, in modo da poter seguire sia le dilatazioni sia l’effetto massa (della matrice termoindurente) durante il riscaldamento. Il numero di roving da cui contemporaneamente viene prelevato il filo di vetro può variare da poche unità fino ad alcune migliaia; in realtà nella pratica industriale il numero è mediamente dell’ordine delle centinaia. Per curiosità, diciamo che il record di roving contemporaneamente in azione in un’applicazione industriale è di 5.000 e si riferisce alla produzione di travi strutturali a sezione scatolare con pareti di circa 25,5 mm. Le bobine di roving vengono generalmente sistemate su scaffalature (cantra porta-roving) provviste di opportune rastrelliere.

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Molti produttori preferiscono tirare il filo di vetro dall’interno della bobina piuttosto che dall’esterno, al fine di dare un andamento leggermente elicoidale; comunque, quest’effetto è minimo. L’estremità finale di una bobina può essere legata a quella iniziale della successiva dando continuità all’alimentazione. I fili di vetro vengono tenuti separati facendoli passare attraverso opportune guide del tipo ad anello, generalmente di materiale ceramico o metallico con riporto in cromo, per realizzare una ridotta azione abrasiva sul filo stesso e aumentare la durata della guida. non sono rari i casi di rastrelliere in vetroresina, prodotte anche assemblando elementi pultrusi. Insieme al roving viene usato il mat, in forma di nastri di varia larghezza avvolti in rotoli lunghi intorno ai 90-100 metri. I rotoli di mat vengono forniti in larghezze standard, che molto spesso non rispondono adeguatamente alle necessità del produttore. Per questo motivo, molte aziende preferiscono ordinare i rotoli nella larghezza ordinaria di fornitura, evitando anche il prezzo aggiuntivo che si paga per il taglio, e provvedere esse stesse all’operazione. nel taglio si tiene conto anche del ritiro che il materiale subirà. Roving e mat costituiscono i rinforzi più largamente impiegati nella fabbricazione di sezioni piane o con pareti sottili. Molto frequente è il caso di produttori che realizzano sandwich combinando uno strato di roving fra due di mat. Il mat è caratterizzato da una resistenza insufficiente a passare attraverso il bagno di resina senza l’azione di supporto della resistenza del roving. Il problema, particolarmente pesante in passato, tende oggi a esser meno sentito. L’estremità finale di un rotolo di mat può essere cucita a quella iniziale del rotolo successivo, operazione che viene compiuta a mano. ogni rotolo, alla velocità media di pultrusione, dura da 1 a 3 ore; pertanto, se si usano molti rotoli contemporaneamente, l’operazione di cucitura può essere tanto frequente da risultare onerosa. Il mat deve essere maneggiato con più attenzione e guidato con più cura rispetto al roving.

2.4.2. Impregnazione Le resine per pultrusione sono, nella generalità dei casi, poliesteri insaturi, ma non mancano esempi di applicazioni di epossidiche e siliconiche per applicazioni speciali e limitate. Le matrici a base di poliesteri sono costituite da esteri tra acidi insaturi e glicoli, disciolti in un monomero polimerizzabile (stirene) capace di consentire la formazione di un reticolo tridimensionale per polimerizzazione. Le resine epossidiche vengono impiegate quando è richiesto l’impiego di rinforzi in carbonio. L’uso di una matrice poliestere con questo tipo di rinforzo darebbe luogo, infatti, a un composito con proprietà meccaniche decisamente inferiori. In particolare, risulterebbero penalizzate la resistenza a fatica e al taglio. un ulteriore problema, da non sottovalutare, si riferisce alla volatilità dello stirene; sarebbe pertanto preferibile l’impiego di monomeri o di compositi a bassa volatilità. nella gamma dei poliesteri impiegati, assumono rilievo particolare le formulazioni cosiddette low profile, le quali contengono resine acriliche, allo scopo di ridurre, l’effetto di ritiro. Le epossidiche complessivamente più adatte al processo di pultrusione sono i diglicileteri del bisfenolo a (DGeBa). Il livello di riempitivi, quando presenti, può arrivare a un massimo del 20% circa. I tipi più usati sono carbonati di calcio, antimonio triossido, allumina triidrata, ecc... La quantità dei riempitivi è limitata dalla viscosità della resina: a livelli troppo elevati di riempitivi, possono esserci problemi nell’impregnazione del roving. spesso la resina viene addizionata con pigmenti al fine di ottenere un prodotto finito opportunamente colorato e/o con una migliore resistenza ai raggi ultravioletti. Le vaschette di impregnazione hanno larghezza variabile e lunghezza generalmente compresa fra poco meno di 1 metro fino a circa 2. Il percorso del rinforzo nella vaschetta viene guidato attraverso un

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certo numero di rulli, che inducono a un percorso a zig-zag nei riguardi della profondità. In alcuni casi, si fanno passare i fili fra coppie di rulli che schiacciano il filo stesso aprendolo e facilitando una migliore penetrazione della resina fra le fibre. nel caso generale di più lamine, le coppie di lamine devono essere impregnate separatamente e in parallelo e accoppiate dopo l’impregnazione. Il volume di resina nella vaschetta viene tenuto al livello minimo compatibile con la buona riuscita dell’operazione e periodicamente rabboccato. In tal modo, si cerca di evitare consumi eccessivi di resina e il rischio di polimerizzazioni premature, possibili anche per l’effetto massa. La viscosità della resina viene mantenuta, mediamente, fra i 200 e i 1.200 centipoise. In qualche caso, per aumentare la viscosità e migliorare la capacità di bagnare le fibre, si riscalda la vaschetta, ma ciò comporta una riduzione del tempo di lavoro della resina. esistono alternative al sistema d’impregnazione descritto; per esempio, una società tedesca ha brevettato, nel 1971, un sistema per l’impregnazione mediante iniezione della resina, a pressione di 6 atm, attraverso la trafila. Questo sistema è stato applicato per la produzione di tubi di medie caratteristiche meccaniche, pigmentati e con strato di gel-coat.

2.4.3. Preformatura La formatura del profilo pultruso è, nei casi più frequenti, difficile o impossibile da ottenere in una sola operazione, ma va realizzata gradualmente, portando il rinforzo impregnato ad assumere la forma finale passando per forme intermedie. Lo scopo delle attrezzature di preformatura è, appunto, di favorire una graduale formatura, favorendo, nello stesso tempo, un migliore allineamento delle fibre e un recupero della resina in eccesso. Queste attrezzature, anche se non sono indispensabili per tutti i profili, costituiscono in ogni caso un utilissimo accorgimento per il miglioramento della qualità della produzione. Le attrezzature di preformatura non devono essere necessariamente complicate, anzi, nei casi più comuni ci si può limitare a piastre opportunamente disposte e al passaggio attraverso asole di forma adeguata. nella quasi totalità dei casi le guide di preformatura vengono realizzate in proprio, impiegando materiali plastici o metalli teneri. In qualche caso l’ugello di preformatura ha la stessa forma della trafila principale, ma con dimensioni maggiorate del 5-10%.

2.4.4. Formatura e polimerizzazione La trafila riscaldata è uno dei componenti più costosi del sistema. anche in questo caso è possibile elencare quelle che sono le caratteristiche principali che il materiale impiegabile deve soddisfare: – buona lavorabilità, soprattutto per la necessità di potere ottenere spigoli molto netti in corrispondenza delle linee di giunzione; – durezza superficiale elevata, mediamente i valori sono di circa c50 Rockwell; – possibilità di essere lavorati per ottenere una qualità superficiale corrispondente almeno a 0,2 micron cLa; – ottima resistenza agli agenti chimici, con riferimento alle resine e agli agenti di pulitura; – ottime caratteristiche meccaniche ad elevata temperatura. Lo stampo è comunemente fabbricato in acciaio cromato, per aumentarne la durata. L’attaccabilità del cromo da parte delle resine epossidiche fa talvolta preferire gli acciai alto legati. La lunghezza della trafila dipende fortemente dalla sezione del manufatto, dalla velocità del processo e

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dal tipo di resina da impiegare. La lunghezza aumenta, quando devono essere prodotte sezioni molto sottili oppure si devono realizzare cadenze di produzione elevate. naturalmente, a parità di complessità, il costo della trafila aumenta proporzionalmente alla sua lunghezza. È vantaggioso progettare lo stampo con l’ingresso e l’uscita perfettamente intercambiabili, in modo da girarlo allorquando nella zona d’ingresso, che è la parte maggiormente sottoposta ad usura, sono stati superati i limiti di tolleranza. La trafila deve essere disposta perfettamente parallela al proprio asse ed allineata con i sistemi di pre e post-formatura. La zona d’ingresso deve possedere una rastrematura di circa 7-10°, destinata all’eliminazione della resina in eccesso. Questo accorgimento diventa meno importante quando è stato realizzato un sistema di preformatura dotato di efficace dispositivo di asportazione dell’eccesso di resina. La deposizione dello strato di cromo può arrivare a raddoppiare la durata di uno stampo. come valore generale si può dire che una filiera deve poter produrre mediamente fra 20.000 e 30.000 metri di pultruso prima di essere cromato nuovamente. comunque questa operazione non può essere condotta un numero indefinito di volte, dal momento che viene intaccato il substrato metallico della filiera vera e propria. La levigatezza dello stampo è critica, soprattutto nelle zone dove la resina ha gelificato, ma non ha ancora raggiunto la durezza finale. se la resina viene rigata da irregolarità sulla superficie dello stampo, ne risulterà non solo una finitura superficiale del manufatto più o meno carente, ma la resina asportata può essere inglobata in altre zone superficiali del pultruso o intasare lo stampo stesso. Qualche volta si ricorre ad una pultrusione intermittente, allo scopo di realizzare una polimerizzazione uniforme contemporaneamente per tutta la lunghezza dello stampo. In questo caso, la parte iniziale della trafila deve essere raffreddata per evitare che gelifichi la resina all’esterno dello stampo e in prossimità di questo. Le trafile sono realizzate comunemente in due parti separate secondo un piano orizzontale parallelo alla direzione di pultrusione. nel caso delle sezioni più semplici, per tondini, si ricorre a stampi monoblocco, ottenuti forando e levigando il foro, che può essere cromato con tecniche speciali. La finitura superficiale del manufatto risente positivamente dell’assenza della linea di giunzione presente negli stampi in più parti. nella progettazione della trafila bisogna tener ben presenti i problemi relativi all’espansione termica del materiale in fase di polimerizzazione e al successivo ritiro. tanto per chiarire le idee, si può dire che, per un materiale composito in resina epossidica e rinforzo di carbonio, mediamente le dimensioni dello stampo vengono maggiorate, per il tratto in cui è richiesto, di circa il 2%. In questo modo le dilatazioni termiche del materiale non portano all’instaurarsi di pericolose sollecitazioni di taglio. all’interno della filiera ha luogo la fase più delicata di tutto il processo: la polimerizzazione. Da essa dipendono in gran misura sia la qualità del prodotto finale, sia la cadenza di produzione complessiva. La fase deve essere condotta in modo tale da essere sicuri che la storia tempo-temperatura della matrice consenta un adeguato livello di polimerizzazione, prima che il materiale venga afferrato dal sistema di tiro. Inoltre, è necessario controllare che il rinforzo bagnato, nel suo passaggio attraverso la filiera, non determini sollecitazioni di taglio all’interfaccia con la parete metallica di entità superiore alle sue capacità di resistenza in quello stadio. Il riscaldamento del materiale nella filiera avviene, nella generalità delle applicazioni, per conduzione attraverso la filiera. Questa è a sua volta riscaldata mediante piastre esterne o resistenze elettriche poste al suo interno. Quest’ultima soluzione è naturalmente più costosa della precedente. altri metodi di riscaldamento, meno frequenti, fanno uso di sistemi radianti o a circolazione di olio caldo.

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In ogni caso, per assicurare l’uniformità e la ripetibilità delle proprietà in tutti i punti del manufatto e per ogni turno di lavoro, il controllo della temperatura, che mediamente è compresa tra i 150 e i 170 °c, deve essere realizzato con tolleranze massime di 1 °c. La velocità di polimerizzazione può essere aumentata attuando un preriscaldamento dielettrico del materiale a seguire immediatamente la fase d’impregnazione. In tali sistemi, il dispositivo a microonde inizia la reticolazione, con un riscaldamento che procede dall’interno della massa di resina e fibre verso l’esterno, mentre il sistema di riscaldamento successivo, generalmente di tipo elettrico, completa l’indurimento, con un riscaldamento che stavolta va dall’esterno verso l’interno della massa. Il risultato è una grande uniformità di proprietà e una maggiore velocità di produzione. Le radio-frequenze impiegate vanno normalmente da 45 a 500 Mhz. Per certe matrici termoindurenti è possibile impiegare microonde della banda di frequenza comprese fra 950 e 5.200 Mhz. Per le resine epossidiche si usano frequenze nel campo 1.000-2.000 Mhz; per quelle poliestere nel campo 40-70 Mhz.

2.4.5. Postformatura I dispositivi di postformatura hanno lo scopo di assicurare il corretto allineamento della sezione del prodotto in uscita dalla trafila, compensando eventuali tensioni laterali che potrebbero determinare curvature del profilato. Queste attrezzature sono costituite essenzialmente da coppie di pulegge o rulli, montati perpendicolarmente fra loro e regolabili in larghezza. L’allineamento di questi dispositivi con la trafila e con le attrezzature di preformatura è essenziale per il raggiungimento di un elevato livello qualitativo della produzione. In alcuni casi estremi può essere richiesto l’allineamento mediante raggi laser.

2.4.6. Tiro e taglio Le originali tecniche di trazione mediante catene o cavi sono state oggi completamente sostituite da meccanismi tipo caterpillar o da morsetti montati su sistemi alternativi. La prima tecnica è dispendiosa e molto poco versatile, dal momento che richiede una superficie di contatto che abbia la forma del profilo realizzato. con il sistema mediante morsetti, l’afferraggio avviene sulle superfici laterali del manufatto, quindi uno stesso profilo dei morsetti è impiegabile per più prodotti. Generalmente, per ottenere un’azione continua, due sistemi di trascinamento lineare intermittenti agiscono di seguito: uno afferra il manufatto prima che l’altro lo lasci. La velocità di trascinamento, comunque variabile da caso a caso e in funzione della qualità richiesta, varia fra 1,5 e 100 m/h. La forza di trazione è compresa fra 1 e 100 ton. L’operazione di taglio avviene comunemente mediante una sega montata su una tavola che si sposta parallelamente alla direzione di pultrusione e con la stessa velocità di avanzamento del manufatto. In questo modo, si realizza una velocità relativa nulla. alla fine dell’operazione, la sega ritorna alla posizione iniziale per riprendere il taglio. Le lame della sega sono in carburo di silicio o diamantate. L’operazione di taglio viene avviata al ricevimento da parte della sega di un segnale di assenso; questo segnale può essere attivato, per esempio, semplicemente dall’urto dell’estremità del prodotto contro un traguardo munito di opportuno microinterruttore. altre soluzioni semplici possono essere realizzate mediante rotelline mosse dall’attrito con il prodotto su cui sono poggiate; ogni qualvolta viene raggiunto il numero di giri corrispondente alla lunghezza del prodotto finito, la rotelli-

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na fa partire il segnale di assenso per la sega. Per tolleranze molto strette, bisogna ricorrere a sistemi più sofisticati o a operazioni fuori linea.

2.4.7. Controlli La frequenza e l’accuratezza dei controlli è dettata dalle specifiche e dalle dimensioni del prodotto nonché dalla potenzialità dell’impianto. nei casi più comuni, i controlli effettuati sono i seguenti: – viscosità e tempo di gel della resina nella vaschetta di impregnazione; periodicamente va controllato il livello; – temperatura della resina all’ingresso dello stampo; – temperatura in almeno tre punti equidistanti della sua lunghezza; – temperatura all’uscita dello stampo; – velocità di avanzamento. nell’ambito dell’ingegneria civile i prodotti pultrusi di maggiore impiego solo le lamine e i profilati a t o a c.

t 2.5. formatura per iniezione di resina (rTm resin Transfer molding) con il termine RtM (Resin Transfer Moulding) si intende una tecnologia mediante la quale si fabbricano compositi a matrice polimerica, iniettando la resina catalizzata in una cavità avente la forma del pezzo da realizzare ed in cui è stato preliminarmente collocato il rinforzo asciutto. La cavità è ottenuta chiudendo stampo e controstampo, l’uno contro l’altro. Questi possono essere di vario tipo; più comunemente si usano stampi in vetroresina o stampi in metallo. Le fasi di fabbricazione RtM si possono riassumere nelle seguenti fasi: – pulitura dello stampo; – applicazione del distaccante; – applicazione del gel-coat; – posizionamento del rinforzo; – chiusura e bloccaggio dello stampo; – iniezione e polimerizzazione della resina; – apertura dello stampo ed estrazione del pezzo; – operazioni di rifinitura. Le prime due fasi sono relative a tutti i tipi di tecnologie e quindi è superfluo discorrerne. Per ciò che riguarda le altre fasi, esse consistono in: deposito del rinforzo secondo le direzioni e la sequenza desiderata, accostamento delle parti dello stampo e del controstampo, iniezione della resina. tale operazione viene normalmente eseguita a freddo, ma è possibile riscaldare lo stampo per accelerare il processo. La pressione, essendo esercitata mediante la resina ancora liquida, si distribuisce uniformemente su tutto il laminato in fabbricazione consentendo così spessori uniformi e ottima qualità del manufatto. In genere le pressioni usate per l’iniezione variano tra 0,5 e 4 bar ed i tempi di iniezione tra i 20 secondi e i 2 minuti. La tecnologia di formatura per iniezione di resina è molto interessante per la possibilità di automazione che offre e quindi per la produzione di componenti anche in grande serie. Inoltre è possibile stampare elementi anche di notevoli dimensioni.

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t 2.6. resin infusion under flexible Tooling (rifT) I limiti legislativi sull’emissione di stirene causato dall’utilizzo della resina poliestere, nelle lavorazioni per la tutela della salute degli operai, hanno indotto lo sviluppo di nuove tecnologie di fabbricazione di compositi plastici rinforzati. La tecnologia RtM ha consentito lavorazioni anche con elevata frazione volumetrica di fibre realizzando compositi nel rispetto delle tolleranze dimensionali del laminato. Per strutture di ampie dimensioni i costi di lavorazione con tale tecnologia diventano molto elevati dovendo utilizzare stampi rigidi rinforzati per resistere alla pressione di iniezione della resina. La lavorazione RIft (Resin Infusion Under Flexible Tooling), variante del RtM, viene eseguita utilizzando il sacco polimerico flessibile al posto di una delle facce dello stampo rigido, è più economica e operando il vuoto all’interno la resina viene spinta all’interno del rinforzo asciutto così da ridurre il contatto dell’operatore con la resina allo stato liquido e con tutti i suoi componenti volatili emessi durante la messa in opera. Per bassi volumi di produzione si ricorre a resine alternative, epossidica o poliestere con basso contenuto di stirene. a breve termine questa può rappresentare una soluzione effettiva, ma nel lungo periodo il processo deve essere ridisegnato per acquisire i vantaggi dei sistemi economicamente più convenienti e per ridurre i rischi di incolumità. I criteri utilizzati nella scelta di una tecnologia produttiva sono vincolate da costi, qualità, sicurezza degli operatori, esigenze progettuali. Il RIft, come già detto, è sostanzialmente differente dalla tecnologia RtM per l’utilizzo di un film polimerico flessibile, invece di uno stampo rigido. Da appositi punti di sfogo viene creato il vuoto che compatta il rinforzo, mentre da altri punti viene fatta entrare la resina, che sotto l’azione della pressione atmosferica esterna, viene convogliata attraverso dei distributori sul rinforzo. Il flusso potrà impregnare in due diversi modi a seconda del tipo di distributore utilizzato e dal tipo di letto fibroso: un primo modo prevede una direzione del flusso normale al piano di giacitura del rinforzo, un secondo modo prevede un’impregnazione mista con due flussi uno normale ed uno parallelo al piano di giacitura del tutto simile a quello che caratterizza l’RtM. Le attrezzature utilizzate per il RIft sono simili a quelle utilizzate in un ciclo RtM, così come il ciclo produttivo. In esso distinguiamo le seguenti fasi: – pulitura dello stampo; – applicazione del distaccante; – applicazione del gel-coat; – posizionamento del rinforzo; – posizionamento del peel-ply e del distributore; – applicazione del sigillante; – chiusura con il sacco e sigillatura dei canali per il vuoto e l’iniezione; – iniezione e cura della resina; – eliminazione del sacco, del peel-ply e del distributore ed estrazione del pezzo; – operazioni di rifinitura. Le prime quattro fasi si ripetono in modo identico al processo RtM, successivamente si pone tra il rinforzo ed il distributore il peel-ply che è permeabile al flusso di resina, anche se la permeabilità trasversale è bassa, inoltre si distacca in modo semplice dal laminato, facilita l’apertura del sacco e consente di avere una superficie rugosa pronta per eventuali incollaggi. Il rinforzo è costituito dalla sovrapposizione di strati (mat o tessuti) in fibra di vetro, di carbonio, aramidica. Per fa-

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cilitare il corretto posizionamento, il rinforzo viene preassemblato mediante operazioni di stampaggio secondo una opportuna geometria, prossima a quella del prodotto finito. Il risultato di tale operazione è la cosiddetta “preforma” che si circonda di sigillante e si fa aderire, mediante il sacco, allo stampo, rendendo ermetica la tenuta. Dopo aver chiuso lo stampo si procede a creare il vuoto nella cavità per mezzo di una pompa e di una valvola di controllo associata ad un manometro per regolare le condizioni di vuoto; infatti non solo non deve entrare aria nelle cavità ma bisogna evitare di raggiungere percentuali di vuoto troppo spinte che potrebbero far passare sostanze da stato liquido a vapore. La pressione atmosferica agirà sul sacco che comprimerà il rinforzo. successivamente si introdurrà la resina che sotto la spinta della pressione atmosferica impregnerà il rinforzo. La resina deve essere introdotta senza ulteriore pressione, altrimenti si eliminerebbero gli effetti della compressione e compattazione delle fibre prodotti dal vuoto. Impregnato il rinforzo, si chiude la valvola di mandata della resina; raggiunto il gel-time, necessario per la gelificazione della resina, si spegne la pompa. Dopo la polimerizzazione seguiranno le fasi di eliminazione del peel-ply e del distributore e quindi si giunge alla fase di estrazione e di rifinitura del pezzo. Le attrezzature usate dal RIft sono: – semistampo rigido; – pompa per il vuoto; – sacco; – sistema di distribuzione della resina.

figura 2.3. Schema dell’attrezzatura utilizzata per il RIFT

Gli stampi per le tecnologie di tipo infusion pur essendo uguali a quelli utilizzati per l’RtM non necessitano di nervature o di altri elementi per essere rinforzati perché le pressioni di iniezione sono comunque basse. È importante, infine, ricordare che tra lo stampo e la pompa per il vuoto andrà installato un serbatoio di raccolta della resina in eccesso proveniente dallo stampo per evitare che questa possa disturbare il funzionamento della pompa. I sacchi utilizzati nel RIft sono essenzialmente di quattro tipi: in nylon, in polypropilene, in gomma siliconica ed in polyetilene a bassa densità. Le proprietà in base alle quali si giudicano i vari tipi sono la rigidità, la resistenza ai solventi e la resistenza ai picchi esotermici delle resine. Il distributore necessita di manutenzione dopo ogni ciclo di polimerizzazione della resina dovendo essere ripulito per riutilizzarlo e quindi di relativi costi aggiuntivi.

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t 2.7. Formatura in autoclave La tecnologia di produzione di elementi in composito mediante l’utilizzo dell’autoclave, nata consente di ottenere laminati con caratteristiche meccaniche molto più elevate rispetto alle più tradizionali ed economiche tecnologie fino ad ora analizzate.

figura 2.4. Macchina per autoclave (www.italiancomposite.com)

con l’impiego dell’autoclave è possibile intensificare l’azione di compattazione aumentando la pressione durante il ciclo di cura fino a circa 7-10 atm e la temperatura fino a 2.000 °c. Le autoclavi più recenti offrono inoltre la possibilità di variare la pressione e la temperatura durante il ciclo di polimerizzazione secondo le leggi più opportune per il particolare tipo di resina impiegato. una pressione maggiore garantisce l’assenza di vuoti tra gli strati ed una percentuale che può raggiungere il 65% che è il limite superiore nella fabbricazione di compositi. Questo tipo di fabbricazione viene adottato quando si devono realizzare particolari dalle caratteristiche meccaniche molto spinte come richiesto ad esempio per impiego aeronautico, spaziale e medicale. Il processo in autoclave (fig. 2.5) rappresenta, dunque, una delle tecnologie più avanzate nella produzione di componenti in composito.

figura 2.5. Formatura in autoclave

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2.7.1. Reti in FRP oltre ai tradizionali compositi costituiti da fibre e matrici caratterizzati da tutte le variabili fisico-chimiche fino ad ora evidenziate, negli ultimi anni è rapidamente cresciuto l’utilizzo di reti apprettate precostituite e prepolimerizzate in stabilimento costituite da fibre di vetro alcalino-resistente impregnate con matrici epossidiche o vinilestere-epossidiche. Le reti in fibra di vetro così costituite possono sostituire le tradizionali reti in fibra di acciaio con tutti i numerosi vantaggi dei materiali compositi tradizionali. Le tecniche di applicazione sono simili a quelle tradizionali dell’“intonaco armato”, utilizzando reti in fRP in sostituzione dell’acciaio, la rete di rinforzo può essere resa solidale alle murature con elementi di connessione, anch’essi in fRP, distribuiti uniformemente sulla superficie in modo tale da ottenere una struttura collaborante con miglior comportamento meccanico risolvendo problematiche di ponte termico. un importante vantaggio di questo sistema di consolidamento è rappresentato dalla totale assenza di corrosione agli agenti atmosferici e dalla compatibilità della rete in fRP con malte a base calce, gesso, pozzolana, ecc. I vantaggi di questo tipo di tecnologie sono: produzione in continuo, elevato grado di flessibilità sia nella marcia della macchina che nella scelta dei profili, possibilità di ottenere in una direzione preferenziale, elevata resistenza, possibilità di adottare il processo anche a sezioni trasversali piccole sia piene che cave. Le limitazioni si riferiscono essenzialmente all’impossibilità di ottenere forme che non abbiano sezioni trasversali a profilo estrudibile.

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sceLTa deL sisTema comPosiTo

t 3.1. vantaggi dei materiali compositi I compositi hanno vantaggi unici rispetto ai materiali monolitici, come alta resistenza, alta rigidezza, lunga vita a fatica, bassa densità ed adattabilità alle funzioni che si vogliono dare alla struttura. Miglioramenti aggiuntivi possono essere ottenuti nella resistenza alla corrosione, resistenza all’usura, estetica, comportamento in funzione della temperatura, stabilità termica, isolamento e conduttività termica, isolamento acustico. Le basi delle migliori prestazioni strutturali dei materiali compositi sono l’alta resistenza specifica (rapporto resistenza/densità) e l’alta rigidezza specifica (rapporto modulo e/densità) e nel carattere anisotropo ed eterogeneo del materiale. Queste ultime caratteristiche danno al sistema composito molti “gradi di libertà” che consentono di ottimizzare la configurazione del materiale. I compositi però hanno alcune limitazioni che i materiali monolitici convenzionali non hanno. Visti alla scala delle dimensioni della fibra, i compositi hanno il vantaggio dell’alta rigidezza e dell’alta resistenza della fibra. La normalmente bassa tenacità a rottura della fibra è compensata dalla dissipazione di energia dell’interfaccia fibra/matrice e dalla duttilità della matrice. La capacità di trasferire gli sforzi della matrice permette lo sviluppo di meccanismi di frattura diffusi. D’altra parte le fibre mostrano una dispersione di resistenza relativamente elevata. La concentrazione di sforzi locali attorno alle fibre riduce la resistenza trasversale a trazione in modo apprezzabile. I materiali convenzionali sono più sensibili alla loro microstruttura ed a irregolarità locali che influenzano il comportamento fragile o duttile del materiale. In una analisi macromeccanica, in cui il materiale è trattato come quasi omogeneo, la sua anisotropia può essere usata in modo vantaggioso. Il comportamento medio del materiale può essere previsto e controllato dalle proprietà dei costituenti. comunque l’analisi anisotropa è più complessa e più dipendente dalle procedure di calcolo. D’altra parte, l’analisi per i materiali convenzionali è molto più semplice a causa della loro isotropia e omogeneità. L’analisi di una struttura in composito richiede l’inserimento dei dati relativi alle proprietà medie dei materiali. Queste possono essere previste sulla base delle proprietà e della disposizione dei costituenti. In ogni modo la verifica sperimentale dell’analisi o una caratterizzazione indipendente richiede un programma completo ed esaustivo per la determinazione dei parametri di un gran numero di campioni dei materiali di base. Per i materiali convenzionali la caratterizzazione meccanica è semplice dal momento che sono sufficienti solo due costanti elastiche e due valori di resistenza. I compositi possono operare per lunghi periodi di tempo anche in ambienti aggressivi. Hanno lunga vita a fatica e in molte applicazioni possono essere facilmente riparati. Di contro essi sono sensibili ad ambienti soggetti a sbalzi igro-termici. La crescita dei danneggiamenti prodotti dall’uso può avvenire all’interno del composito e sono necessarie sofisticate tecniche non distruttive di rileva-

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mento e monitoraggio. talvolta è necessario applicare rivestimenti protettivi contro l’erosione, i danneggiamenti di superficie e le fulminazioni. I materiali convenzionali, di solito metalli, sono soggetti alla corrosione in ambiente aggressivo. Difetti e incrinature possono formarsi nell’uso e possono crescere e propagarsi fino a cedimenti catastrofici. anche se il rilevamento di questi difetti può essere più facile al contrario non è facile poi riparare i materiali convenzionali. I principali vantaggi dell’utilizzo dei materiali compositi sono i seguenti: 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 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. 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.  nonostante i numerosi vantaggi sopra evidenziati, un aspetto importante da non trascurare nella progettazione del rinforzo di un elemento strutturale è la valutazione delle alternative possibili e praticabili. La circostanza che un particolare tipo di intervento possa essere portato a termine con l’utilizzo di materiali fibrorinforzati non è, in generale, condizione sufficiente a garantire che esso rappresenti la migliore soluzione possibile, vanno quindi analizzati accuratamente vantaggi e svantaggi di tali applicazioni in relazione allo stato di fatto della struttura, alle altre tipologie di rinforzi realizzabili ed ad un’accurata analisi tecnico-economica.

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t 3.2. Progettabilità dei materiali compositi La progettazione di un sistema di rinforzo con l’utilizzo di materiali compositi è definibile progettazione multiscala. nella progettazione di un sistema di rinforzo con materiali compositi, a differenza dei tradizionali sistemi di rinforzo, è possibile progettare il materiale in funzione delle caratteristiche richieste dal sistema e delle proprietà meccaniche del supporto. La progettazione parte dalle fibre che sono caratterizzate da dimensioni dell’ordine di grandezza di 10 mm per poi definire la dimensione degli yarns dell’ordine di grandezza del millimetro fino a progettare il tessuto dell’ordine di grandezza del centimetro ed in fine la disposizione delle fibre sul supporto. nella maggior parte dei casi il progettista è vincolato a scegliere i materiali presenti nei listini dei produttori, riducendo così la scelta di fibre, yarns e tessuti a quelle imposte dalle case produttrici. In casi particolari e per grandi quantità di materiale è comunque possibile progettare e richiedere la produzione di tessuti fuori standard con le caratteristiche chimico-fisiche più opportune per il sistema di rinforzo necessario.

t 3.3. frP (fiber reinforced Polymers) fRP è acronimo di Fiber Reinforced Polymers o anche Fiber Reinforced Plastic per definire materiali costituiti da fibre di carbonio, vetro o con differenti caratteristiche fisico-chimiche impregnate in matrice polimerica. I compositi a matrice polimerica sono caratterizzati da elevate prestazioni meccaniche, le resine polimeriche, infatti, garantiscono un’elevata distribuzione di carico tra le fibre ed elevate prestazioni di adesione al supporto. I principali svantaggi dell’utilizzo di materiali compositi tipo fRP sono la scarsa resistenza alle alte temperature e la scarsa traspirabilità dei supporti. Risulta quindi preferibile l’utilizzo di materiali compositi fRP quando la necessità di sistemi di rinforzo con elevate caratteristiche meccaniche mette in secondo piano le problematiche relative alle alte temperature e alla traspirabilità del supporto. fanno parte della categoria degli fRP tutti i prodotti ottenuti per pultrusione che come visto in precedenza vengono realizzati mediante un processo di impregnazione in continuo delle fibre con una matrice polimerica.

t 3.4. srP (steel reinforced Polymers) sRP è acronimo di Steel Reinforced Polymers o anche Steel Reinforced Plastic per definire materiali costituiti da fibre di acciaio al carbonio in matrice polimerica. come gli fRP anche gli sRP sono caratterizzati da elevate prestazioni meccaniche, elevata distribuzione di carico tra le fibre ed elevate prestazioni di adesione al supporto determinate dalla presenza della matrice polimerica ma grazie, inoltre, alla loro tenacia ed all’elevata resistenza a taglio delle fibre di acciaio, tali materiali si rivelano particolarmente indicati per essere pretesi mediante opportuni sistemi di pretensionamento ed ancorati tramite sistemi tradizionali senza doversi preoccupare di recidere la fibra.

t 3.5. frg (fiber reinforced grout) Quando la matrice polimerica viene costituita con una malta l’acronimo fRP viene sostituito dall’acronimo fRG – Fiber Reinforced Grout. anche in questo caso come per gli fRP la fase fibrosa può essere costituita da fibre di carbonio, vetro o con differenti caratteristiche fisico-chimiche ma la matrice è costituita da una malta che può essere cementizia o ad esempio a base di leganti idrau-

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lici selezionati, ottenuta per cottura di materie prime a bassa temperatura (< 900 °c) al fine di garantirne la piena compatibilità con le strutture da rinforzare. Le malte possono essere inoltre miscelate con resine epossidiche o altre tipologie di resine sintetiche a seconda che sia prioritario garantire il mantenimento della massima traspirabilità del supporto come nel caso di supporti murari, o garantire alte prestazioni meccaniche e di adesione al supporto, come nel caso di rinforzi di strutture in cLs. nei materiali compositi fRG solitamente la fase fibrosa è costituita da reti bilanciate (trama e ordito si equivalgono) termosaldate ad esempio con filamenti di poliestere, tali reti presentano solitamente una maglia minima di otto millimetri per garantire il passaggio della malta di impregnazione da una parte all’altra del tessuto. nel caso di tessuti fRG spesso non si riesce a parlare di vera e propria impregnazione della fibre ma più precisamente le fibre vengono in gran parte inglobate nella matrice, ciò determina quindi una minore distribuzione di carico rispetto al caso degli fRP e richiede quindi un passo della maglia non troppo ridotto per evitare fenomeni di distacco dal supporto per delaminazione. I principali vantaggi dell’utilizzo degli fRG sono la maggiore resistenza alle alte temperature che non è vincolata alla temperatura di transizione vetrosa delle resine epossidiche che costituiscono la matrice degli fRP e sRP e la maggiore traspirabilità del supporto.

t 3.6. srg (steel reinforced grout) Quando le fibre che costituiscono un materiale composito tipo fRG sono le fibre di acciaio il materiale composto si definisce sRG – Steel Reinforced Grout. I materiali compositi sRG, come gli fRG garantiscono un’alta traspirabilità del supporto ed un’elevata resistenza alle alte temperature e come gli sRP consentono il pretensionamento e possono essere ancorati tramite sistemi tradizionali senza doversi preoccupare di recidere la fibra. anche in questo caso come per gli fRG il principale svantaggio è legato alle prestazioni meccaniche, alla distribuzione di carico tra le fibre ed alle prestazioni di adesione al supporto che risultano inferiori di quelle dei compositi a matrice polimerica. Gli sRG a differenza dei compositi tradizionali sono in grado di realizzare un presidio attivo nel rinforzo di strutture murarie pretensionando il sistema in opera. Il sistema è in grado di garantire resistenza alle alte temperature, nonché un contributo portante, anche in caso di incendio, per un tempo significativamente più grande rispetto ai compositi tradizionali. Inoltre gli sRG sono traspiranti, potendo essere impiegati con una matrice a base di leganti idraulici, si caratterizzano per la elevata permeabilità. La loro applicazione non altera in nessun modo il comportamento originario della struttura ed è in grado di mantenere i contenuti di acqua nella parete, all’interno dei naturali limiti di variabilità della struttura. tali vantaggi rendono l’intervento di rinforzo strutturale maggiormente compatibile con le strutture murarie e quindi ben visto dalla soprintendenza per Beni architettonici e per il Paesaggio.

t 3.7. scelta del sistema composito I quattro sistemi compositi utilizzabili per il rinforzo strutturale presentano ognuno vantaggi e svantaggi che possono prevalere nell’ambito di ogni specifico progetto di recupero, rinforzo o adeguamento strutturale. La scelta tra uno dei sistemi è legata ad una valutazione delle priorità dell’opera, come in tutte le decisioni legate alla progettazione con sistemi compositi anche in questo caso il progettista deve preventivamente effettuare un’accurata analisi della struttura, delle sue caratteristiche fisico-chimiche, delle sollecitazioni a cui andrà soggetta e degli obbiettivi che intende

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raggiungere con il sistema di rinforzo scelto. La tecnica di rinforzo fRP mediante utilizzo di fibre ad alta resistenza impregnate in una matrice polimerica presenta diversi fattori che possono influenzare il corretto funzionamento del sistema. Infatti, le resine epossidiche utilizzate per questa funzione (di tipo bicomponente) obbligano le maestranze di cantiere ad alcune precauzioni di fondamentale importanza per la buona riuscita dell’intervento di rinforzo. Molte delle problematiche presenti nei sistemi fRP sono superabili con l’utilizzo di sistemi sRG o sRP ma gli fRP risultano comunque i sistemi che garantiscono le maggiori caratteristiche meccaniche e di aderenza al supporto.

t 3.8. Planarità delle superfici delle strutture da rinforzare L’esigenza di garantire la planarità delle superfici oggetto di rinforzo, nasce dalla necessità di far lavorare le fibre potendole disporre in maniera planare ed assiale rispetto alla direzione degli sforzi, affinché possono offrire la massima resistenza possibile in funzione delle caratteristiche proprie del materiale evitando fenomeni di rottura locale causati dall’assenza di allineamento tra le fibre o fenomeni di riduzione della sezione resistente. Questa condizione viene normalmente rispettata riportando a spessore (più o meno consistente) stucchi epossidici, sulle strutture alle quali devono aderire. se gli spessori sono consistenti (cosa non rara vista la tipologia delle costruzioni in muratura), diventa più probabile la formazione di una cospicua sezione resistente con caratteristiche meccaniche molto diverse rispetto a quelle della muratura su cui aggrappano e, per conseguenza, con tensioni e dinamiche di movimento molto differenti. si crea inoltre una nuova superficie di contatto tra muratura e rinforzo (stucco + resina), che aumenta la possibilità dei distacchi all’interfaccia delle superfici. È quindi necessario realizzare strati di stucco epossidico non superiori a quelli indicati nelle schede tecniche e si deve fare grande attenzione a realizzare la posa in opera di tutte le resine costituenti il sistema in modo da fare polimerizzare le stesse contemporaneamente così da creare un legame chimico primario che garantisce caratteristiche meccaniche più elevate e riduce le possibilità di rottura del sistema per delaminazione.

t 3.9. influenza della temperatura Le reazioni di polimerizzazione delle resine sono sempre fortemente influenzate dalla temperatura e da numerosi fattori ambientali come il grado di umidità e la presenza di agenti chimici nell’ambiente di lavoro. climi caldi con temperature superiori a 25-30°c accelerano notevolmente la reazione di polimerizzazione, facendo troppo rapidamente indurire la resina ed impedendone la messa in opera. al contrario, climi particolarmente freddi con valori inferiori a 5°c non consentono di innescare la reazione di catalisi della resina e per conseguenza il suo indurimento.

t 3.10. comportamento nei confronti dell’umidità L’indurimento della resina viene compromesso dalla presenza di acqua nella struttura, poiché questa impedisce il completamento della normale reazione di polimerizzazione dei due componenti che formano la miscela. Per questo motivo la struttura da sottoporre a rinforzo deve essere completamente asciutta ed eventualmente protetta da precipitazioni atmosferiche improvvise. Il fenomeno della presenza di umidità è particolarmente frequente nelle strutture in muratura, anche a causa della porosità intrinseca dei materiali (laterizi o lapidei) e dei leganti utilizzati. Questo aspetto è

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particolarmente sentito nella stesura della mano di Primer, che viene applicata prima dell’applicazione vera e propria del rinforzo composito (matrice più fibra). Il Primer, che ha funzione di ponte chimico di aggrappo fra la struttura e il rinforzo composito, è costituito da una resina epossidica bicomponente particolarmente fluida, in grado di penetrare in profondità attraverso i capillari della superficie. La presenza di acqua all’interno dei medesimi capillari impedisce la penetrazione della resina, nonché il suo indurimento.

t 3.11. utilizzo di mano d’opera specializzata La posa dei sistemi di rinforzo composito tradizionale, per quanto più economica e vantaggiosa delle tecniche tradizionali di placcaggio e confinamento, rimane pur sempre un’operazione da compiersi mediante utilizzo di manodopera specializzata, in grado cioè di realizzare, a regola d’arte e in tempi brevi, rinforzi strutturali compositi che corrispondano alle prescrizioni del progettista. Gli applicatori preposti alla posa in opera dei sistemi compositi devono essere opportunamente formati ed informati sulle caratteristiche dei materiali e sulle fasi di applicazione dei materiali. È necessario che gli operatori conoscano approfonditamente le caratteristiche degli specifici materiali che vengono posti in opera. ogni casa produttrice indica nelle relative schede tecniche le condizioni ambientali necessarie all’utilizzo delle resine che possono variare in funzione del prodotto utilizzato. Gli operatori devono porre molta attenzione alla preparazione dei supporti ed all’eliminazione di parti incoerenti, polveri o grassi presenti sugli stessi al fine di evitare fenomeni indesiderati di distacco del sistema composito dal supporto. un’ulteriore fase molto importante nella realizzazione di un materiale composito è la rullatura del tessuto per garantire la corretta penetrazione della resina ed evitare la formazione di bolle d’aria che rappresentano pericolosi difetti del sistema. anche nel caso di utilizzo di lamine pultruse, la fase di rullatura ha una notevole importanza al fine di eliminare le sacche d’aria che si possono formare tra la resina applicata al supporto e la lamina.

t 3.12. utilizzo dei dispositivi di protezione individuale Mentre la fibra di carbonio può essere maneggiata senza particolari cautele, essendo chimicamente inerte, le resine necessarie al suo incollaggio (Primer e Resine adesive) sono prodotti tossico-nocivi per ingestione e contatto diretto con la pelle, e devono quindi essere trattati indossando guanti in lattice, tute di protezione e occhiali protettivi per eventuali percolazioni accidentali.

t 3.13. degrado totale degli attrezzi di lavoro Per miscelare e applicare le resine si utilizzano contenitori puliti, pennelli o rulli nuovi, e misurini graduati utili per ottenere miscelazioni precise dei due componenti della resina. trascorso il tempo di utilizzo della resina miscelata (pot life), questa inizia a fare presa attraverso una reazione esotermica irreversibile che coinvolge anche gli attrezzi utilizzati per prepararla e applicarla. eventuali tracce di resina non indurite possono essere rimosse da vestiti e oggetti comuni con il solvente alla nitro, ma è impossibile pulire adeguatamente gli attrezzi, essendo la sostanza molto viscosa. ciò comporta il frequente rinnovo totale degli attrezzi (specie dei pennelli e dei rulli) durante la medesima applicazione.

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t 3.14. resistenza al fuoco La resina epossidica non è in grado di resistere a temperature superiori a 80-100°c, valore oltre il quale si liquefa facendo venire meno l’adesione della componente fibrosa alla struttura. ne consegue che le strutture rinforzate con sistemi compositi fRP, se esposte al pericolo potenziale del fuoco, devono essere predisposte con impianti antincendio e rivestimenti resistenti. In riferimento alle problematiche di resistenza alle alte temperature con specifico riferimento agli fRP il Dt 200-04 si esprime come sotto indicato. I materiali compositi fibrorinforzati sono particolarmente sensibili all’esposizione alle alte temperature, circostanza che si può ad esempio verificare in caso di incendio. Quando la temperatura ambientale supera quella di transizione vetrosa della resina (o della temperatura di fusione nel caso di materiali semicristallini), la resistenza e la rigidezza del sistema di fRP diminuiscono drasticamente. nei casi di fRP applicato esternamente su elementi di calcestruzzo o di muratura, l’esposizione ad elevate temperature produce, inoltre, un rapido deterioramento dell’aderenza fRP/supporto, con conseguente delaminazione del composito e perdita di efficacia del rinforzo. In condizioni di esposizione al fuoco, le proprietà meccaniche di sistemi a base di fRP applicati all’esterno possono essere notevolmente migliorate incrementando lo spessore del rivestimento protettivo utilizzato. È suggerito l’impiego di rivestimenti che riducano la propagazione delle fiamme e la produzione di fumi. È comunque consigliato l’impiego di sistemi di isolamento certificati. si suggerisce che la combinazione di azioni per situazioni eccezionali (fuoco), come definita dalla normativa vigente, faccia riferimento alle situazioni di seguito elencate, nelle quali il valore di calcolo dell’effetto dell’azione termica indiretta viene denotato con il simbolo ed. – situazione eccezionale in presenza del rinforzo (Ed ≠ 0), nel caso in cui il rinforzo stesso sia stato progettato per un prefissato tempo di esposizione al fuoco. In questo caso sono da considerare le azioni di esercizio sulla struttura per la combinazione frequente. Le capacità degli elementi, opportunamente ridotte per tener conto del tempo di esposizione al fuoco, vanno calcolate con i coefficienti parziali relativi alle situazioni eccezionali, come previsto dalla normativa vigente (per il composito fibrorinforzato γf = 1). – situazione successiva all’evento eccezionale (Ed = 0), in assenza di rinforzo. In questo caso sono da considerare le azioni sulla struttura per la combinazione quasi permanente. Le capacità degli elementi, opportunamente ridotte per tener conto del tempo di esposizione al fuoco, sono da calcolare con i coefficienti parziali relativi alle situazioni eccezionali.

t 3.15. resistenza ai raggi ultravioletti uno dei fattori di degrado dei compositi in particolare di quelli a matrice polimeriche è rappresentato dai raggi uV. In particolar modo i sistemi compositi con esposizione esterna sono soggetti quotidianamente a una certa dose di radiazioni ultraviolette (uV), in gran parte derivanti dal sole. un elevato e continuato assorbimento di radiazioni ultraviolette oltre a determinare un ingiallimento delle resine costituenti la matrice del composito ne determinano a lungo termine un degrado delle caratteristiche meccaniche. al fine di proteggere i sistemi compositi con esposizione esterna è sempre consigliabile utilizzare spessori di rivestimento elevati o è possibile utilizzare prodotti specifici atti all’inibizione dell’assorbimento di raggi uV. commercialmente sono reperibili ad esempio resine poliuretaniche bicomponenti con ottima resistenza ai raggi ultravioletti, agli agenti atmosferici, alle aggressioni chi-

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miche, all’usura e alle alte temperature (fino a 140 °c). trattando il sistema composito con questi prodotti si crea un rivestimento a film continuo, antiacido e impermeabilizzante.

t 3.16. radiotrasparenza Importante caratteristica dei sistemi compositi è l’elevata radiotrasparenza in particolar modo per i sistemi compositi tipo GfRP. La radio trasparenza delle strutture realizzate in GfRP risulta notevolmente vantaggiosa nella realizzazione di strutture caratterizzate dalla presenza di antenne radio, nelle zone aeroportuali e dovunque possano sussistere interferenze con apparecchiature elettroniche di trasmissione. strutture radiotrasparenti possono essere realizzate sia armando elementi in calcestruzzo con barre in GfRP sia realizzando strutture integralmente costituite da profili pultrusi in GfRP.

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caPItoLo 4

normaTiva Per iL rinforzo di sTruTTure esisTenTi

t 4.1. Quadro normativo nazionale ed internazionale nell’ultimo decennio, il crescente interesse per l’utilizzo dei materiali compositi nell’ambito dell’ingegneria civile, ha spinto gruppi e commissioni internazionali ad una fitta produzione di codici, ordinanze e raccomandazioni specificatamente predisposte per l’impiego di materiali “non convenzionali”. si possono citare a tal proposito le regole progettuali elaborate e pubblicate su appositi bollettini dal fib task Group 9.3, il comitato istituito a livello europeo nel 1998, oppure i bollettini dell’american concrete Institute (acI) che hanno l’intento di fornire nuove linee guida per il progetto e la costruzione di strutture in cemento armato rinforzato con fRP. un ulteriore contributo in materia è stato fornito dall’European Committee for Standardization che ha pubblicato nuove regole di progettazione e rinforzo con l’impiego degli fRP nell’eurocode 8 “Design of structures for earthquake resistance” Part 3 “Assessment and retrofitting of buildings”, Draft n. 7 January 2003. In Italia l’ordinanza n. 3274 del maggio 2005 riguardante le norme tecniche per il progetto, la valutazione e l’adeguamento sismico degli edifici, ha introdotto al punto 11.3.3.3 l’uso di fRP nel rinforzo sismico di elementi in c.a. e rimanda, in modo esplicito, per le verifiche di sicurezza alle istruzioni del cnR Dt 200-2004. L’assemblea Generale del consiglio superiore dei Lavori Pubblici ha approvato, nella riunione del 24 luglio 2009, le “Linee Guida per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Collaudo di Interventi di Rinforzo di Strutture di cemento armato, cemento armato precompresso e murarie mediante FRP”. tali Linee Guida sono diventate pertanto parte integrante delle attuali Norme Tecniche per le Costruzioni (Decreto del Ministero delle Infrastrutture 14 gennaio 2008) dando chiare indicazioni a progettisti e direttori dei lavori per l’utilizzo dei materiali fibrorinforzati negli interventi di rinforzo delle strutture esistenti.  Le linee guida si affiancano alle già note Linee Guida CNR DT 200-04 relative ai rinforzi esterni con fRP che erano già richiamate nelle Norme Tecniche per le Costruzioni nel cap. 8.6 e nel cap. 12 con riferimento ai materiali non tradizionali per interventi su strutture esistenti. Dopo il sisma che il 6 aprile 2009 ha colpito l’abruzzo il Dipartimento della Protezione civile ed il consorzio ReLuIs hanno pubblicato una bozza di linee guida che verrà introdotta nei paragrafi successivi. sono a tutti ben note le fondamentali iniziative in campo internazionale per individuare linee guida che rispondano alle esigenze delineate. si ricordano le istruzioni giapponesi (Jsce – 1997), quelle americane (acI 440 – 2000) ed infine quelle europee (fIP-ceB – 2001). ad esse va aggiunto, per completezza, il documento di studio approvato dal cnR nel gennaio ‘99 dal titolo “Impiego delle armature non metalliche nel c.a.”.

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t 4.2. il documento tecnico italiano cnr-dT 200/04 L’interesse scientifico verso le applicazioni innovative degli fRP per la riabilitazione strutturale, da un lato, e la peculiarità del patrimonio edilizio italiano, ampiamente variegato, dall’altro, hanno attirato negli ultimi anni l’interesse di numerosi ricercatori operanti nei settori della Meccanica delle strutture, delle costruzioni, della Riabilitazione strutturale e dell’Ingegneria sismica. essi hanno dato vita ad una serie di programmi scientifici che hanno meritato il finanziamento dei più importanti enti di ricerca italiani ed in particolare del MIuR e del cnR. appare evidente come la redazione di un documento italiano di Istruzioni per la progettazione, l’esecuzione ed il controllo di interventi di consolidamento statico mediante l’utilizzo di compositi fibrorinforzati (fRP), abbia rappresentato una svolta nell’utilizzo dei suddetti materiali, trattandosi di un documento di ampio respiro utilizzabile per le diverse tipologie presenti nel patrimonio edilizio nazionale, dalle costruzioni di c.a. e di c.a.p. a quelle murarie, dalle costruzioni di legno a quelle metalliche. Il cnR, per il tramite della propria commissione incaricata di formulare pareri in materia di normativa tecnica relativa alle costruzioni, ha avvertito tempestivamente tale esigenza e si è adoperata per soddisfarla. a tal fine essa ha promosso nel mondo accademico ed industriale una specifica iniziativa attraverso l’azione catalizzatrice di un gruppo di docenti di scienza e di tecnica delle costruzioni, da tempo impegnati in ricerche sugli fRP. Il documento rispondente ai requisiti sopra delineati ed articolato nelle seguenti parti: – Materiali; – concetti basilari del rinforzo con fRP e problematiche speciali; – Rinforzo di strutture di c.a. e di c.a.p.; – Rinforzo di strutture murarie; – Rinforzo di strutture metalliche; – Rinforzo di strutture di legno; – nuove costruzioni con l’impiego di fRP. scopo delle Istruzioni del cnR-Dt 200/2004 è quello di fornire, nell’ambito delle attuali norme vigenti, un documento orientativo per la progettazione, l’esecuzione ed il controllo di interventi di consolidamento strutturale mediante l’utilizzo di compositi fibrorinforzati. Le istruzioni, per loro genesi e natura, non sono infatti delle norme cogenti ma rappresentano esclusivamente un aiuto per i tecnici a filtrare con discrezione la ponderosa bibliografia, nazionale ed internazionale, che la letteratura specifica mette a disposizione, lasciando comunque ad essi la responsabilità finale delle scelte operate. nell’ambito del rinforzo delle strutture di c.a. e di c.a.p. e di quelle murarie sono inoltre fornite specifiche indicazioni concernenti le costruzioni in zona sismica, in linea con i più recenti orientamenti recepiti nelle normative nazionali ed internazionali.

t 4.3. bozza Linee guida – dipartimento Protezione civile – reLuis a seguito del sisma dell’abruzzo del 6 aprile 2009 nell’agosto dello stesso anno il Dipartimento della Protezione civile ed il consorzio ReLuIs hanno pubblicato una bozza di linee guida che sono state redatte con lo scopo di fornire un supporto alla progettazione degli interventi sulle strutture colpite dal sisma, particolarmente di quelle classificate, secondo le procedure stabilite dal Dipartimento della Protezione civile, con esito di agibilità B o c. Le modalità ed i criteri per la definizione di tali progetti nonché per l’ammissibilità ai contributi sono riportate nell’o.P.c.M. 6 giu-

4. noRMatIVa PeR IL RInfoRzo DI stRuttuRe esIstentI

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gno 2009, n. 3779; ulteriori chiarimenti e dettagli relativi alle tipologie di intervento ammesse a finanziamento sono riportate negli Indirizzi pubblicati il 17 luglio 2009. Il testo e gli schemi riportati in questo documento vogliono costituire un supporto al tecnico che debba affrontare il delicato problema del rafforzamento locale antisismico di elementi strutturali e non strutturali a seguito del terremoto del 6 aprile 2009. Queste linee guida presentano possibili soluzioni per l’esecuzione di interventi ricadenti nelle seguenti categorie: 1) riparazione di elementi non strutturali danneggiati; 2) riparazione locale di elementi strutturali; 3) interventi su tamponature e paramenti esterni non danneggiati volti a prevenire crolli pericolosi per l’incolumità delle persone; 4) interventi di rafforzamento locale di singole parti e/o elementi di strutture in cemento armato e muratura, ai sensi dell’articolo 8.4.3 del Decreto Ministeriale 14 gennaio 2008 e della relativa circolare n. 617 del 2 febbraio 2009. Le tipologie di intervento proposte e dettagliate in queste linee guida possono, naturalmente, adottarsi anche negli interventi sugli edifici molto danneggiati. In tal caso, gli interventi di rafforzamento locale di singole parti o di elementi strutturali andranno concepiti e valutati in un approccio progettuale complessivo di miglioramento sismico, così come previsto nell’o.P.c.M. n. 3790 del 9 luglio 2009 e nei relativi indirizzi del commissario delegato. L’impostazione di queste linee guida è congruente con la natura degli interventi previsti nell’o.P.c.M. 6 giugno 2009, n. 3779. La ripetitività di alcuni meccanismi di collasso, poco considerata nelle normative passate, richiede interventi mirati innanzitutto a eliminare quelle carenze originarie della progettazione (o “non progettazione” nel caso di edifici in muratura più vecchi) degli anni passati, che comunque pregiudicano e vanificano qualsiasi analisi strutturale accurata che non ne tenesse conto. ci si riferisce, ad esempio, alle debolezze dei nodi trave-pilastro esterni nei telai in c.a., piuttosto che alla fragilità e allo scarso collegamento delle tamponature e delle partizioni in laterizio rispetto all’ossatura in c.a., oppure alla debolezza dei collegamenti delle pareti portanti nelle strutture in muratura, che facilitano l’innesco di meccanismi di ribaltamento. In queste linee guida oltre agli interventi sulle parti strutturali, sia di riparazione che di rafforzamento locale ai fini delle azioni sismiche e dei carichi di servizio, si esaminano anche quegli interventi sulle parti non strutturali, in particolare tamponature e tramezzature, che, per il loro peso e la loro posizione, possono determinare un pericolo non secondario per l’incolumità delle persone, anche nel caso in cui la struttura non subisca danni significativi. nella scelta degli interventi di rafforzamento locale non si può, comunque, prescindere da un’analisi qualitativa complessiva delle caratteristiche delle parti strutturali e delle parti non strutturali pericolose e del danneggiamento presente, per impostare un progetto di riparazione e rafforzamento locale volto ad eliminare o ridurre drasticamente le debolezze e le carenze che possano compromettere un corretto comportamento d’insieme della struttura. L’analisi quantitativa, in tal caso, è finalizzata unicamente a definire l’incremento di resistenza o duttilità locale conseguita con l’intervento. ovviamente, quando gli interventi di riparazione e rafforzamento locale realizzano un complessivo intervento di miglioramento sismico, così come è codificato nelle norme tecniche per le costruzioni e come è previsto dall’ordinanza del Presidente del consiglio dei Ministri 9 luglio 2009, n. 3790, per gli edifici fortemente danneggiati, l’analisi quantitativa deve essere effettuata sull’intera struttura, per determinarne i livelli di sicurezza globale mediante calcoli strutturali.

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Dall’analisi qualitativa delle carenze deve derivare un’attenta definizione concettuale degli interventi locali da effettuare, cui deve seguire la scelta della tecnologia più idonea, scelta che può derivare da aspetti sia economici che realizzativi, con riferimento alle caratteristiche geometriche degli elementi su cui occorre intervenire e di interazione con altri elementi costruttivi. È però importante che il progettista riesca sempre a diagnosticare quali possano essere le cause di debolezza delle singole parti e individui o adatti alla situazione l’intervento e la tecnologia più idonea ad eliminarle o ridurle drasticamente. In pratica il progettista deve tener conto che gli interventi di rafforzamento locale, pur non richiedendo l’analisi quantitativa della sicurezza globale dell’opera, dovranno realizzare un miglioramento del comportamento sismico della struttura in c.a. attraverso: – la riduzione del rischio d’innesco di meccanismi fragili, quali: – rottura dei nodi trave-pilastro dovuta alle azioni trasmesse direttamente dalle travi e dai pilastri convergenti nel nodo stesso, che tipicamente avviene per una prevalente sollecitazione tagliante nel pannello di nodo; – rottura del collegamento nodo-pilastro inferiore per scorrimento in corrispondenza della ripresa di getto o per taglio all’estremità superiore del pilastro determinata dalla componente tagliante della forza di puntone equivalente trasmessa dal pannello di tamponamento della maglia strutturale; – rottura per taglio alle estremità delle travi; – rottura per taglio dei cosiddetti pilastri corti, tipicamente presenti nelle scale o determinati dalla presenza di finestrature a nastro con muratura di tamponamento robusta; – l’incremento della duttilità delle estremità dei pilastri, nelle quali normalmente si concentrano forti richieste di duttilità. L’aggiunta di un rinforzo su di una struttura esistente modifica lo stato tensionale del supporto sul quale viene applicato; per questo motivo l’intervento deve, in ogni caso, essere perfettamente controllato dal progettista. Per tali ragioni la progettazione deve essere accompagnata da una accurata indagine sia sulla qualità dei materiali impiegati, sia sulle caratteristiche del supporto sul quale si deve operare. si ricorda che nella parte generale del D.M. 9 gennaio 1996 al punto 5, è scritto: «nella progettazione si possono adottare metodi di verifica e regole di dimensionamento diverse da quelli contenuti nelle presenti norme tecniche, purché fondati su ipotesi teoriche e risultati sperimentali scientificamente comprovati, purché sia comprovata una sicurezza non inferiore a quella qui prescritta». nel D.M. 16 giugno 1996 al punto c.9.3.2. “Provvedimenti tecnici di adeguamento o di miglioramenti intesi ad aumentare la resistenza strutturale”, secondo capoverso, si legge: «Possono usarsi anche tecniche di intervento non ivi esplicitamente menzionate, purché risultino, sulla base di adeguata documentazione, di eguale efficacia». nello stesso Decreto, al punto c.9.4. “collaudo degli interventi di adeguamento” si legge: «Il collaudo, da eseguirsi in corso d’opera, deve tendere ad accertare che la realizzazione degli interventi sia avvenuta conformemente alle prescrizioni progettuali. Il collaudo deve essere basato sulle risultanze di saggi e di prove sia in situ che su campioni, in laboratorio». sostanzialmente, quindi, in Italia è ammessa, almeno in linea di principio, la libera progettazione, purché sia fondata su basi scientificamente corrette e sia corredata da verifiche sperimentali. L’approccio della “progettazione assistita dalla sperimentazione” (design by testing) è la forma più appropriata per la progettazione d’interventi di rinforzo, dove i parametri in gioco sono molte-

4. noRMatIVa PeR IL RInfoRzo DI stRuttuRe esIstentI

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plici ed il modello di calcolo non può essere costruito senza tenere in considerazione la particolare struttura su cui si interviene. Questa situazione si rende ancor più necessaria qualora s’impieghino materiali anisotropi come i tessuti in fRP, cioè materiali che presentano elevate prestazioni meccaniche nella direzione delle fibre, ma prestazioni mediocri nelle altre direzioni di carico.

t 4.4. Linee guida dell’assemblea generale del consiglio superiore dei LL.PP. L’assemblea Generale del consiglio superiore dei Lavori Pubblici ha approvato, nella riunione del 24 luglio 2009, le Linee Guida per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Collaudo di Interventi di Rinforzo di Strutture di cemento armato, cemento armato precompresso e murarie mediante FRP. tali Linee Guida sono diventate pertanto parte integrante delle attuali norme tecniche per le costruzioni (D.M. 14 gennaio 2008) dando chiare indicazioni a progettisti e direttori dei lavori per l’utilizzo dei materiali fibrorinforzati negli interventi di rinforzo delle strutture esistenti.  Le linee guida si affiancano alle già note Linee Guida cnR Dt200 relative ai rinforzi esterni con fRP che erano già richiamate nelle norme tecniche per le costruzioni nel cap. 8.6 e nel cap. 12 con riferimento ai materiali non tradizionali per interventi su strutture esistenti. scopo di queste Linee Guida è fornire, in armonia con le norme attualmente vigenti, principi e regole per la progettazione, l’esecuzione ed il controllo di interventi di consolidamento strutturale mediante l’utilizzo di compositi fibrorinforzati. Le Linee Guida trattano i seguenti argomenti: – concetti basilari del rinforzo con fRP e problematiche speciali; – Rinforzo di strutture di c.a. e di c.a.p.; – Rinforzo di strutture murarie; – Materiali. sono inoltre fornite specifiche indicazioni concernenti le costruzioni in zona sismica, in linea con i più recenti orientamenti recepiti nella normativa nazionale ed in quelle internazionali. Questo documento di circa 70 pagine recepisce e aggiorna i contenuti del documento tecnico cnR-Dt200/2004 e ne rafforza il valore legislativo. come ben noto il Documento tecnico cnRDt200/2004 è già citato come riferimento nelle ntc 2008 per quanto riguarda le problematiche di progetto e controllo di interventi di rinforzo mediante materiali compositi fibro-rinforzati (cfRP). Il documento approvato dal consiglio superiore dei Lavori Pubblici oltre a ribadire concetti basilari nel progetto del rinforzo, definisce anche delle novità importanti. tra le più rilevanti vi è l’introduzione dell’obbligatorietà dei controlli di accettazione dei materiali. I prelievi e la preparazione dei provini devono essere svolti sotto la supervisione del Direttore dei Lavori che, successivamente, potrà consegnare i provini ad un laboratorio abilitato ai sensi dell’articolo 59 del decreto del Presidente della Repubblica 6 giugno 2001, n. 380 per l’effettuazione di prove sperimentali e relativa certificazione. I materiali compositi utilizzati per le applicazioni di rinforzo strutturale devono essere: – identificabili per poter risalire univocamente al produttore; – qualificati e controllati secondo procedure ben definite ed applicabili al processo di produzione in fabbrica e verificati regolarmente da un ente terzo di ispezione; – accettati dal Direttore dei lavori dopo verifica della documentazione e prove di accettazione; – collaudati.

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caPItoLo 5

rinforzo di sTruTTure in c.a. e c.a.P.

t 5.1. simbologia Prima di iniziare ad analizzare le modalità di verifica degli interventi di consolidamento con materiali compositi e le relative formule è necessario introdurre la simbologia che verrà utilizzata in questo testo e che coincide con quella utilizzata nelle normative tecniche alle quali si fa riferimento. Di seguito si riporta il significato dei principali simboli utilizzati: notazioni generali valore della grandezza (.) riferita al calcestruzzo (.)c (.)cc valore della grandezza (.) riferita al calcestruzzo confinato (.)d valore di progetto (o di calcolo) della grandezza (.) (.)f valore della grandezza (.) riferita al composito fibrorinforzato (.)k valore caratteristico della grandezza (.) (.)mc valore della grandezza (.) riferita alla muratura confinata (.)R valore della grandezza (.) vista come resistenza valore della grandezza (.) riferita all’acciaio (.)s (.)S valore della grandezza (.) vista come sollecitazione Lettere romane maiuscole Ac area della sezione di calcestruzzo, al netto delle armature metalliche area del rinforzo di fRP Af Afw area del rinforzo a taglio di fRP Asw area della sezione di un braccio di una staffa As area delle armature metalliche Ec modulo di elasticità normale del calcestruzzo Ef modulo di elasticità normale del rinforzo di fRP Efib modulo di elasticità normale della fibra modulo di elasticità normale delle armature metalliche Es Fpd valore di progetto della massima forza di ancoraggio trasmissibile da un rinforzo di fRP incollato su una muratura in presenza di un’azione normale al piano di adesione Ga modulo di elasticità tangenziale dell’adesivo modulo di elasticità tangenziale del calcestruzzo Gc Ic momento di inerzia della sezione omogeneizzata If momento di inerzia del rinforzo di fRP rispetto al proprio asse baricentrico, parallelo all’asse neutro della trave MRd momento resistente di progetto della sezione rinforzata con fRP MSd momento flettente sollecitante di progetto

5. RInfoRzo DI stRuttuRe In c.a. e c.a.P.

Mo

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momento flettente sollecitante la sezione di c.a. all’atto dell’applicazione del rinforzo di fRP NRcc,d resistenza di progetto a compressione centrata dell’elemento di c.a. confinato con fRP NRmc,d resistenza di progetto a compressione centrata della muratura confinata con fRP NSd sforzo normale sollecitante di progetto TRd resistenza di progetto a torsione dell’elemento di c.a. rinforzato con fRP TRd,c resistenza a torsione della biella compressa di calcestruzzo TRd,f contributo a torsione del rinforzo di fRP alla resistenza di progetto TRd,l resistenza a torsione delle armature metalliche longitudinali TRd,s contributo a torsione delle armature metalliche trasversali alla resistenza di progetto TSd momento torcente sollecitante di progetto VRd resistenza di progetto a taglio dell’elemento rinforzato con fRP VRd,c resistenza della biella compressa di calcestruzzo VRd,f contributo del rinforzo di fRP alla resistenza a taglio di progetto VRd,s contributo delle armature metalliche trasversali alla resistenza a taglio di progetto VSd taglio sollecitante di progetto VR vita di riferimento VRd,m contributo della muratura alla resistenza a taglio di progetto della muratura rinforzata Lettere romane minuscole bf larghezza del rinforzo di fRP d altezza utile della sezione fbd resistenza di progetto dell’adesione tra rinforzo di fRP e calcestruzzo (o muratura) fc resistenza (cilindrica) a compressione del calcestruzzo fccd resistenza di progetto del calcestruzzo confinato fcd resistenza di progetto a compressione del calcestruzzo fck resistenza caratteristica a compressione del calcestruzzo fctm valore medio della resistenza a trazione del calcestruzzo ffd resistenza di progetto del rinforzo di fRP ffdd resistenza di progetto alla delaminazione del rinforzo di fRP (modalità 1) ffdd,2 resistenza di progetto alla delaminazione del rinforzo di fRP (modalità 2) ffed resistenza efficace di progetto del rinforzo a taglio di fRP ffk resistenza caratteristica del rinforzo di fRP ffpd resistenza di progetto alla delaminazione del rinforzo di fRP in direzione radente resistenza caratteristica a compressione della muratura fmk fhmk resistenza caratteristica a compressione della muratura in direzione orizzontale fmcd resistenza di progetto a compressione della muratura confinata con fRP fmd resistenza di progetto a compressione della muratura fhmd resistenza di progetto a compressione della muratura in direzione orizzontale fmtd resistenza di progetto a trazione della muratura fmtm valore medio della resistenza a trazione della muratura resistenza di progetto a taglio della muratura fvd fvk resistenza caratteristica a taglio della muratura fy resistenza allo snervamento delle armature longitudinali misurata in situ

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RInfoRzo stRuttuRaLe con MateRIaLI coMPosItI

fyd fywd fl fl,eff h keff kH kV kα lb le pb pf tf wf xe

resistenza di progetto allo snervamento delle armature longitudinali resistenza di progetto allo snervamento delle armature trasversali pressione di confinamento pressione efficace di confinamento altezza della sezione coefficiente di efficienza dell’azione di confinamento coefficiente di efficienza orizzontale coefficiente di efficienza verticale coefficiente di efficienza legato all’inclinazione α delle fibre rispetto all’asse longitudinale dell’elemento confinato lunghezza di ancoraggio lunghezza ottimale di ancoraggio distanza tra gli strati di barre nel confinamento di colonne murarie passo di strisce o di cerchiature di fRP spessore del rinforzo di fRP larghezza delle strisce di fRP distanza dell’asse neutro dall’estremo lembo compresso della sezione retta

Lettere greche minuscole αfE coefficiente di penalizzazione della rigidezza del tessuto αff coefficiente di penalizzazione della resistenza del tessuto γm coefficiente parziale per materiali o prodotti γRd coefficiente parziale per i modelli di resistenza εo deformazione del calcestruzzo al lembo teso prima dell’applicazione del rinforzo εccu deformazione ultima di progetto del calcestruzzo confinato εco deformazione del calcestruzzo al lembo compresso prima dell’applicazione del rinforzo εcu deformazione ultima del calcestruzzo deformazione massima di progetto del rinforzo di fRP εfd εfd,rid valore ridotto della deformazione massima di progetto del rinforzo di fRP nel confinamento di elementi di c.a. o di muratura εfk deformazione caratteristica a rottura per trazione del rinforzo di fRP εfdd deformazione massima del composito fibrorinforzato compatibile con la delaminazione εmcu deformazione ultima a compressione della muratura confinata εmu deformazione ultima a compressione della muratura valore di progetto della deformazione di snervamento dell’armatura metallica εyd η fattore di conversione σc tensione nel calcestruzzo σf tensione nel rinforzo di fRP tensione nelle armature metalliche tese σs σSd tensione normale al paramento murario agente in corrispondenza della superficie di adesione tra il rinforzo di fRP e la muratura τb,e tensione tangenziale equivalente all’interfaccia adesivo-calcestruzzo φu curvatura ultima φy curvatura allo snervamento

5. RInfoRzo DI stRuttuRe In c.a. e c.a.P.

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t 5.2. introduzione tra le più note e consolidate applicazione dei sistemi di consolidamento con materiali compositi nell’ambito dell’edilizia vi è sicuramente l’applicazione di questi materiali per il consolidamento strutturale di strutture in c.a. e c.a.p. preesistenti. Il consolidamento di queste strutture può risultare necessario per numerose motivazioni che vanno dall’adeguamento di strutture preesistenti a nuovi carichi di esercizio o alle nuove normative tecniche, o possono ritenersi necessari a seguito di danneggiamento degli elementi strutturali a seguito di fenomeni di ossidazione delle armature o altro tipo di danni accidentali. Il rinforzo di una struttura in c.a. può interessare tutti gli elementi che la costituiscono come travi, pilastri, setti e impalcati e il consolidamento dei singoli elementi strutturali può essere necessario a seguito di sollecitazioni flessionali, a taglio, a sforzo normale o miste. come evidenziato nel capitolo precedente, numerose sono le normative tecniche di riferimento per questa tipologia di applicazioni e di seguito vengono riportati e analizzati i passaggi fondamentali di queste normative facendo particolare riferimento alle Linee Guida del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici.

5.2.1. I coefficienti parziali nell’ambito delle verifiche necessarie per la progettazione di un rinforzo con materiali compositi è necessario analizzare in via preventiva i valori dei coefficienti parziali da utilizzare in funzione della specifica applicazione.

5.2.2. Coefficienti parziali γm per i materiali ed i prodotti nella tabella seguente sono riportarti i valori da attribuire ai coefficienti parziali γm per gli stati limite ultimi, che nel caso dei materiali e dei prodotti di composito fibrorinforzato vengono denotati con la simbologia γf Tabella 5.1. Coefficienti parziali γm per i materiali ed i prodotti (Linee Guida del consiglio superiore dei Lavori Pubblici) modalità di collasso

coefficiente pariale

applicazione tipo a

applicazione tipo b

rottura

γf

1.10

1.25

delaminazione

γf,d

1.20

1.50

Le applicazioni di tipo a sono quelle relative ai sistemi completi di rinforzo di cui sono certificati sia i materiali che il sistema completo applicato ad un substrato definito, mentre le applicazioni di tipo B sono relative a sistemi in cui sono certificati solo i materiali. Il progettista può scegliere quale tipologia di applicazione utilizzare in fase progettuale e sarà poi compito del direttore dei lavori verificare che la tipologia di applicazione in cantiere coincida con quella richiesta. I produttori e/o i fornitori che sono in grado di proporre sistemi completi di rinforzo (insieme di fibre, resine, preformati o preimpregnati, adesivi ed altri componenti), possono fornire, oltre alle caratteristiche meccaniche e fisiche dei singoli componenti, anche le caratteristiche meccaniche del

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RInfoRzo stRuttuRaLe con MateRIaLI coMPosItI

sistema completo indicando il tipo di substrato utilizzato a cui si fa riferimento. tali valori devono essere supportati da validazioni sperimentali effettuate in laboratorio o in situ (prove su strutture in scala reale) e documentate da dettagliati rapporti di prova. Per gli stati limite di esercizio, si suggerisce di attribuire un valore unitario a tutti i coefficienti parziali dei materiali e dei prodotti di composito fibrorinforzato, ad eccezione di casi specificamente indicati.

5.2.3. Coefficienti parziali γRd per i modelli di resistenza Per gli stati limite ultimi i valori suggeriti per i coefficienti parziali dei diversi modelli di resistenza sono riportati nella seguente tabella: Tabella 5.2. Coefficienti parziali γRd per i modelli di resistenza (Linee Guida del consiglio superiore dei Lavori Pubblici) modello di resistenza

γRd

flessione/Pressoflessione

1.00

Taglio/flessione

1.20

confinamento

1.10

5.2.4. Azioni ambientali e fattore di conversione ambientale ηa Le proprietà meccaniche (per esempio la resistenza a trazione, la deformazione ultima ed il modulo di elasticità normale) di alcuni sistemi di fRP degradano in presenza di determinate condizioni ambientali quali: ambiente alcalino, umidità (acqua e soluzioni saline), temperature estreme, cicli termici, cicli di gelo e disgelo, radiazioni ultraviolette (uV). Di tali effetti si può tenere conto forfettariamente attraverso l’introduzione di un fattore di conversione ambientale, ηa, cui vanno attribuiti i valori riportati nella tabella seguente: Tabella 5.3. Fattore di conversione ambientale ηa per varie condizioni di esposizione e vari sistemi di FRP (Linee Guida del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici) condizione di esposizione

Tipo di fibre/resina

ηa

Interna

Vetro/epossidica

0.75

Interna

arammidica/epossidica

0.85

Interna

carbonio/epossidica

0.95

esterna

Vetro/epossidica

0.65

esterna

arammidica/epossidica

0.75

esterna

carbonio/epossidica

0.85

ambiente aggressivo

Vetro/epossidica

0.50

ambiente aggressivo

arammidica/epossidica

0.70

ambiente aggressivo

carbonio/epossidica

0.85

5. RInfoRzo DI stRuttuRe In c.a. e c.a.P.

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5.2.5. Modalità di carico e fattore di conversione per effetti di lunga durata ηl un ulteriore fattore di degrado delle caratteristiche meccaniche dei sistemi compositi fRP e determinato dall’effetto della viscosità, del rilassamento e della fatica. Per evitare la rottura del rinforzo di fRP sotto tensioni prolungate nel tempo, ovvero in condizioni di carico ciclico, è possibile introdurre opportuni fattori di conversione, ηl, nelle verifiche agli stati limite di esercizio, cui vanno attribuiti i valori riportati nella tabella che segue: Tabella 5.4. Fattore di conversione per effetti di lunga durata ηl per vari sistemi di FRP (Linee Guida del consiglio superiore dei Lavori Pubblici) modalità di carico Persistente (viscosità e rilassamento) Persistente (viscosità e rilassamento) Persistente (viscosità e rilassamento) ciclico (fatica)

Tipo fibra/resina

ηl

Vetro/epossidica

0.30

arammidica/epossidica

0.50

carbonio/epossidica

0.80

tutte

0.50

t 5.3. meccanismi di rottura per delaminazione come indicato nelle Linee Guida dell’Assemblea Generale Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici, uno dei fattori di primaria importanza nell’ambito della verifica e progettazione di un sistema di rinforzo con materiali compositi di elementi in c.a. è la delaminazione. Il fenomeno della delaminazione è fortemente influenzato dall’aderenza tra il substrato del supporto e il composito, le modalità di perdita di aderenza tra composito ed elemento in calcestruzzo sono le seguenti: – delaminazione all’interno dell’adesivo; – delaminazione tra calcestruzzo ed adesivo; – delaminazione nel calcestruzzo; – delaminazione all’interno del rinforzo (delaminazione interlaminare). Poiché le caratteristiche meccaniche della resina di incollaggio sono notevolmente più elevate rispetto a quelle del calcestruzzo, se il composito è posto in opera a corretta regola il fenomeno della delaminazione avviene all’interno del calcestruzzo con l’asportazione di uno strato di materiale. Le possibili modalità di collasso per delaminazione del materiale composito dal supporto sono: Modalità 1 – Delaminazione di estremità; Modalità 2 – Delaminazione intermedia, causata da fessure per flessione nella trave; Modalità 3 – Delaminazione causata da fessure diagonali da taglio; Modalità 4 – Delaminazione causata da irregolarità e rugosità della superficie di calcestruzzo.

5.3.1. Verifiche di sicurezza nei confronti della delaminazione come precedentemente analizzato una della verifiche più importanti nel dimensionamento di un sistema di rinforzo con materiali compositi è la verifica di sicurezza nei confronti della crisi per delaminazione, tale verifica richiede la valutazione della massima forza trasmissibile dal calcestruzzo al rinforzo, nonché la valutazione delle tensioni, sia tangenziali che normali, mobilitate al-

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RInfoRzo stRuttuRaLe con MateRIaLI coMPosItI

l’interfaccia calcestruzzo-fRP. La prima valutazione risulta necessaria per la verifica allo sLu, la seconda per la verifica dello stato tensionale in esercizio. Il valore ultimo della forza sopportabile dal rinforzo di fRP, prima che subentri la delaminazione, dipende, a parità di tutte le altre condizioni, dalla lunghezza lb, della zona incollata. tale valore cresce con lb fino ad attingere un massimo corrispondente ad una ben definita lunghezza le che viene definita lunghezza ottimale di ancoraggio e corrisponde quindi alla lunghezza minima di quest’ultimo che assicura la trasmissione del massimo sforzo di aderenza. La le può essere calcolata mediante la formula seguente: le =

Ef ⋅ t f [lunghezza in mm] 2 ⋅ fctm

(5.1)

essendo: Ef il modulo di elasticità normale nella direzione della forza; tf lo spessore del composito fibrorinforzato; fctm la resistenza media a trazione del calcestruzzo costituente il supporto. andiamo adesso ad analizzare le modalità di delaminazione 1 e 2. nel caso di delaminazione di estremità (modalità 1) la resistenza allo stato limite ultimo va determinata come segue. Per il calcolo della tensione di progetto del rinforzo ffdd, nell’ipotesi di delaminazione che coinvolga i primi strati di calcestruzzo e per lunghezze di ancoraggio maggiori o uguali a quella ottimale, si può utilizzare la formula seguente:

fdd =

essendo: γf,d γc fck kb

0.24 ⋅ E f ⋅ kb ⋅ fck ⋅ fctm [forze in N, lunghezza in mm] tf γ f ,d ⋅ γ c

(5.2)

il coefficiente parziale indicato in tabella 5.1; il coefficiente parziale del calcestruzzo; la resistenza caratteristica del calcestruzzo; un fattore di tipo geometrico il cui valore è determinabile con la formula seguente: bf b ≥ 1 [lunghezza in mm] kb = bf 1+ 400 2−

(5.3)

essendo: b larghezza della trave rinforzata; bf la larghezza del rinforzo, nell’ipotesi che bf / b ≥ 0.33 (per bf / b < 0.33 si adotta il valore di kb corrispondente a bf / b = 0.33).

5. RInfoRzo DI stRuttuRe In c.a. e c.a.P.

59

nel caso di lunghezze di ancoraggio, lb, minori di quella ottimale, le, la tensione di progetto deve essere opportunamente ridotta in accordo con la relazione:

( )

f fdd, rid = f fdd ⋅ lb ⋅ 2 − lb le le

(5.4)

nel caso di delaminazione intermedia (modalità 2) la resistenza allo stato limite ultimo va determinata come segue. Per prevenire il meccanismo di delaminazione secondo la modalità 2, si può verificare che la variazione di tensione nel rinforzo di fRP tra due fessure consecutive non superi un opportuno valore limite. Quest’ultimo dipende, in generale, dalle caratteristiche del legame di aderenza, dalla distanza tra le fessure e dal livello di tensione σf nel rinforzo. In alternativa, è possibile ricorrere ad una procedura semplificata consistente nel verificare che allo sLu la tensione nel composito fibrorinforzato non ecceda un valore massimo ffdd,2, fornito dalla seguente relazione: f fdd,2 = kcr ⋅ f fdd

(5.5)

nella quale, in mancanza di dati specifici, il coefficiente kcr può essere assunto pari a 3.0. Il corrispondente valore della deformazione di progetto del composito fibrorinforzato εfdd, vale:

ε fdd =

f fdd ,2 Ef

(5.6)

Per la verifica delle tensioni di interfaccia allo stato limite di esercizio è possibile notare che le concentrazioni tensionali (tangenziali e normali) che si creano in una trave rinforzata con materiali compositi, all’interfaccia tra calcestruzzo e rinforzo sono localizzate in corrispondenza di fessure trasversali presenti nel calcestruzzo, soprattutto alle estremità del rinforzo. tali concentrazioni possono provocare la fessurazione dell’interfaccia innescando il distacco tra i due materiali. È opportuno che, in condizioni di esercizio, ciò non accada, soprattutto in presenza di cicli di carico e cicli di gelo/disgelo. La competente verifica può essere eseguita mediante un calcolo delle tensioni di interfaccia utilizzando modelli elastici lineari. si deve controllare che, all’interfaccia adesivo-calcestruzzo, per la combinazione di carico caratteristica (rara) o frequente, la tensione tangenziale “equivalente” τb,e, appresso definita, sia inferiore alla resistenza di adesione tra il rinforzo ed il substrato di calcestruzzo fbd:

τ b,e ≤ fbd

(5.7)

i cui valori sono deducibili dalle espressioni presenti nelle Linee Guida del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici al paragrafo 3.1.5.

t 5.4. rinforzo a flessione nel caso in cui un elemento strutturale tipo trave è soggetto ad un momento flettente di progetto maggiore del proprio momento resistente è possibile intervenire per incrementare il valore di quest’ultimo applicando all’intradosso dell’elemento strutturale un tessuto o lamina in materiale composito. In particolare, nel prosieguo sarà esaminato il caso piano di flessione retta, ad esempio quel-

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RInfoRzo stRuttuRaLe con MateRIaLI coMPosItI

lo che si verifica in presenza di asse di sollecitazione coincidente con un asse di simmetria della sezione trasversale dell’elemento rinforzato. Il rinforzo a flessione con materiali compositi può essere eseguito applicando una o più lamine, ovvero uno o più strati di tessuto, al lembo teso dell’elemento da rinforzare.

figura 5.1. Rinforzo a flessione di trave in c.a.

5.4.1. Analisi del comportamento allo Stato Limite Ultimo nella progettazione allo sLu è necessario dimensionare il rinforzo in materiale composito in modo che il momento sollecitante di progetto MSd e quello resistente di progetto della sezione rinforzata MRd, soddisfino la disequazione: MSd ≤ MRd

(5.8)

L’analisi allo sLu delle sezioni di c.a. rinforzate con fRP si basa sulle seguenti ipotesi: 1) conservazione della planeità delle sezioni rette fino a rottura, in modo che il diagramma delle deformazioni normali sia lineare; 2) perfetta aderenza tra i materiali componenti (acciaio-calcestruzzo, fRP-calcestruzzo); 3) incapacità del calcestruzzo di resistere a sforzi di trazione; 4) legami costitutivi del calcestruzzo e dell’acciaio conformi alla normativa vigente; 5) legame costitutivo del composito fibrorinforzato elastico lineare fino a rottura. un intervento di rinforzo con fRP risulta efficace per sezioni a debole armatura (acciaio teso snervato allo sLu: dilatazione dell’acciaio εs maggiore o uguale del valore di progetto della deformazione di snervamento εyd); le regole appresso riportate si riferiscono esclusivamente a tale situazione. si ipotizza che la rottura per flessione si manifesti quando si verifica una delle seguenti condizioni: 1) raggiungimento della massima deformazione plastica nel calcestruzzo compresso, εcu, come definita dalla normativa vigente; 2) raggiungimento di una deformazione massima nel rinforzo di fRP, εfd, calcolata come:

5. RInfoRzo DI stRuttuRe In c.a. e c.a.P.

  ε ε fd = min ηa ⋅ fk ⋅ ε fdd  γf  

61

(5.9)

dove εfk è la deformazione caratteristica a rottura del rinforzo, γf e ηa sono i coefficienti definiti rispettivamente nelle relative tabelle, εfdd è la deformazione massima per delaminazione intermedia. Poiché generalmente il rinforzo di fRP viene applicato su una struttura già sollecitata, si deve tenere conto dello stato di deformazione della struttura all’atto del rinforzo. nell’ipotesi che il rinforzo di fRP sia applicato su un elemento soggetto ad una sollecitazione preesistente, cui corrisponda un momento applicato Mo si deve procedere alla valutazione dello stato deformativo iniziale quando Mo sia maggiore del momento di fessurazione. In caso contrario, lo stato deformativo iniziale può essere di norma trascurato. Il calcolo viene eseguito nell’ipotesi di comportamento elastico lineare dei due materiali costituenti la trave e, in particolare, di incapacità del calcestruzzo a sopportare sforzi di trazione. Le deformazioni significative sono quella al lembo compresso εco, e quella al lembo teso εo, dove viene applicato il rinforzo di fRP. esse possono essere ricavate in base alla linearità del diagramma delle deformazioni normali sulla sezione retta, in funzione delle caratteristiche meccaniche e geometriche della sezione reagente. anche per la verifica della resistenza di progetto a flessione dell’elemento rinforzato con fRP in presenza di forza assiale (pressoflessione), valgono i principi introdotti nei paragrafi precedenti, portando tuttavia in conto la dipendenza del momento resistente di progetto della sezione rinforzata MRd, dallo sforzo normale sollecitante di progetto NSd. L’attivazione dell’azione del rinforzo in corrispondenza delle zone nodali deve essere assicurata attraverso l’adozione di soluzioni costruttive che verranno successivamente analizzate. Inoltre, le fibre longitudinali impiegate per il rinforzo a pressoflessione devono essere adeguatamente confinate al fine di evitare il distacco delle stesse e l’espulsione del materiale di supporto. anche per quanto riguarda il collasso per delaminazione di estremità riportiamo di seguito quanto prescritto nelle “Linee guida per la Progettazione, l’esecuzione ed il collaudo di Interventi di Rinforzo di strutture di c.a., c.a.p. e murarie mediante fRP” del consiglio superiore dei Lavori Pubblici. La delaminazione di estremità dipende da una serie di fattori quali l’ubicazione della zona di formazione delle fessure e la tipologia di queste ultime (fessure taglianti e/o flessionali), la presenza di irregolarità sulla superficie di applicazione del rinforzo, la concentrazione di tensioni nelle zone di ancoraggio. nel caso di elementi inflessi di c.a., una volta che sia stata individuata la sezione a partire dalla quale è necessario il rinforzo di fRP per incrementarne il momento resistente, la sua distanza, a*, dall’appoggio deve essere tale da scongiurare il fenomeno di delaminazione di estremità. a tal fine la distanza a* deve essere maggiore o uguale della lunghezza di ancoraggio necessaria perché il rinforzo di fRP possa sopportare la tensione normale di progetto senza provocare il collasso dell’interfaccia. Possono verificarsi due evenienze a seconda che la distanza a* sia maggiore o uguale alla lunghezza ottimale di ancoraggio le, ovvero minore. nel primo caso, la tensione di progetto nel rinforzo di fRP in corrispondenza della sezione a distanza a* dall’appoggio non può superare il valore fornito dall’espressione (5.2); nel secondo caso il suddetto valore deve essere opportunamente penalizzato nel rispetto della relazione (5.4), essendo la lunghezza disponibile per l’ancoraggio al massimo pari ad a*.

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Qualora l’ancoraggio sia realizzato in una zona soggetta a prevalenti sollecitazioni taglianti, che possono quindi indurre fessure inclinate, la forza di trazione mobilitata nel composito, alla distanza a* deve essere calcolata dopo aver operato un’opportuna traslazione del diagramma del momento flettente, di entità a1. tale traslazione deve avvenire nel verso che dà luogo ad un aumento del valore assoluto del momento flettente. sul piano operativo, generalmente, la forza di ancoraggio può essere valutata incrementando il momento di calcolo sollecitante della seguente quantità: M = VSd · a1

(5.10)

dove VSd è il taglio sollecitante di progetto a1 = 0.9 · d · (1 − cotα), α è l’inclinazione dell’armatura a taglio e d è l’altezza utile della sezione. In presenza di dispositivi speciali per l’ancoraggio delle estremità di lamine o tessuti, è possibile omettere le verifiche viste in precedenza a condizione di disporre di un’opportuna certificazione di tali dispositivi basata su adeguate indagini sperimentali. La certificazione deve riguardare i materiali impiegati (adesivi e rinforzi), gli specifici sistemi utilizzati per migliorare l’ancoraggio (barre trasversali annegate nel copriferro, fasciatura trasversale mediante tessuti, ecc.), la successione delle fasi indicate dal produttore per la preparazione delle superfici, i tempi di esecuzione e le condizioni ambientali.

5.4.2. Analisi del comportamento agli stati limite di esercizio andiamo adesso ad analizzare gli sLe più comuni: – limitazione delle tensioni; – controllo dell’inflessione; – controllo della fessurazione. sotto i carichi di esercizio è necessario verificare che: – i livelli tensionali nei materiali siano opportunamente limitati allo scopo di evitare lo snervamento dell’acciaio e di mitigare i fenomeni di viscosità nel calcestruzzo e nel rinforzo esterno; – le deformazioni e le frecce non attingano valori eccessivi, tali cioè da inficiare il normale uso della struttura, produrre danni ad elementi non portanti, arrecare disturbo psicologico agli utenti; – i fenomeni fessurativi risultino opportunamente contenuti, dal momento che la presenza di fessure troppo numerose o troppo aperte potrebbe ridurre notevolmente la durabilità delle strutture, la loro funzionalità, il loro aspetto e danneggiare l’integrità del legame di aderenza all’interfaccia fRP-calcestruzzo. Le verifiche in condizioni di esercizio possono essere svolte in campo elastico-lineare tenendo conto sia del comportamento per sezione interamente reagente che per sezione fessurata. Va tenuta in conto l’eventuale deformazione preesistente al momento dell’applicazione del rinforzo. Le tensioni nei materiali sono valutabili per sovrapposizione degli effetti. Le ipotesi alla base del calcolo sono il comportamento elastico lineare omogeneo dei materiali, la conservazione della planeità delle sezioni rette e l’assenza di scorrimenti (perfetta aderenza) tra calcestruzzo ed armatura metallica e tra calcestruzzo e rinforzo di fRP. Le verifica delle tensioni deve essere effettuate tendendo in considerazione che in condizioni di esercizio le tensioni nel composito fibrorinforzato, calcolate per la combinazione di carico quasi perma-

5. RInfoRzo DI stRuttuRe In c.a. e c.a.P.

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nente, devono soddisfare la limitazione σf ≤ η · ffk, essendo ffk la tensione caratteristica di rottura del rinforzo ed η il fattore di conversione, i cui valori sono suggeriti nelle relative tabelle. Le tensioni nel calcestruzzo e nell’acciaio vanno limitate in accordo con quanto prescritto dalla normativa vigente. La verifica delle frecce deve essere effettuata tenendo in considerazione che le deformazioni esibite dalle strutture rinforzate con fRP devono rispettare le limitazioni imposte dalla normativa vigente. Il modello adottato deve simulare il comportamento reale della struttura con un livello di accuratezza adeguato agli obiettivi del calcolo. In particolare, si deve tenere conto dell’eventuale presenza della fessurazione per gli effetti da essa prodotti sulla deformazione del corrente teso e di quello compresso. La verifica dell’apertura delle fessure deve essere effettuate tenendo in considerazione che per proteggere l’armatura metallica interna e garantire la funzionalità degli elementi, occorre prevedere opportune limitazioni sui valori dell’apertura delle fessure in condizioni di esercizio. I limiti di fessurazione delle strutture rinforzate con fRP devono soddisfare le prescrizioni contenute dalla normativa vigente.

t 5.5. rinforzo a taglio Di notevole interesse nell’ambito del rinforzo strutturale di travi in c.a. risultano gli interventi di rinforzo a taglio, per elementi strutturali per i quali il taglio di calcolo, eventualmente valutato con i criteri della gerarchia delle resistenze, sia superiore alla corrispondente resistenza di calcolo è possibile intervenire mediante rinforzo con materiali compositi. Il rinforzo a taglio va verificato per il solo sLu. Di seguito verranno analizzate le principali tecnologie di rinforzo a taglio con il relativo contributo resistente. Il rinforzo a taglio di una trave in c.a. realizzato con materiali compositi può essere effettuato applicando uno o più strati di tessuto, in aderenza alla superficie esterna dell’elemento da rinforzare, disponendo le strisce di tessuto in maniera continua o discontinua e con angolo di inclinazione variabile. β = 90°

β

0 < β < 180°

β

figura 5.2. Trave rinforzata a taglio con FRP

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Il rinforzo può essere disposto attorno alla sezione con disposizione ad u e in avvolgimento come indicato nell’immagine successiva.

ad u

in avvolgimento

figura 5.3. Disposizione del rinforzo a taglio attorno alla sezione (Linee Guida del consiglio superiore dei Lavori Pubblici)

a differenza delle indicazioni introdotte dal documento tecnico del cnR, le Linee Guida del consiglio superiore dei Lavori Pubblici non consentono la realizzazione di un rinforzo a taglio realizzato mediante disposizione unicamente laterale dei rinforzi dato l’elevato rischio di innesco di fenomeni di delaminazione.

5.5.1. Resistenza di progetto a taglio dell’elemento rinforzato con FRP Il valore della resistenza di progetto a taglio dell’elemento rinforzato può essere valutato attraverso la seguente relazione:   ε fk ε fd = min ηa ⋅ ⋅ ε fdd  γ f  

(5.11)

essendo: VRd,s il contributo dell’armatura trasversale di acciaio, da valutarsi in accordo con la normativa vigente ponendo l’angolo di inclinazione delle fessure da taglio rispetto all’asse dell’elemento θ, pari a 45°; VRd,f è il contributo del rinforzo di fRP, da valutarsi come indicato nel seguito; VRd,c è la resistenza della biella compressa di calcestruzzo, da valutarsi in accordo con la normativa vigente. nel caso di disposizione ad u o in avvolgimento su una sezione rettangolare, il contributo del rinforzo di fRP VRd,f, può essere valutato in base al meccanismo a traliccio di Moersch e risulta pari a: wf VRd , f = 1 ⋅ 0.9 ⋅ d ⋅ f fed ⋅ 2 ⋅ t f ⋅ ( cot θ + cot β ) ⋅ γ Rd pf essendo: γRd il coefficiente parziale reperibile dalla relativa tabella; d l’altezza utile della sezione;

(5.12)

5. RInfoRzo DI stRuttuRe In c.a. e c.a.P.

la resistenza efficace di calcolo del rinforzo; lo spessore del rinforzo di fRP; l’angolo di inclinazione delle fibre rispetto all’asse dell’elemento; la larghezza delle strisce, misurati ortogonalmente alla direzione delle fibre; il passo delle strisce, misurati ortogonalmente alla direzione delle fibre.



bw

 pf

tf

f

p

c

hw

f

h d

p'

f

w

ffdd tf θ wf pf

65

figura 5.4. Elementi distintivi di un rinforzo a taglio sotto forma di strisce (Linee Guida del consiglio superiore dei Lavori Pubblici)

Per il calcolo della resistenza efficace di progetto nel caso di disposizione ad u, si può utilizzare la relazione:   le ⋅ sin β f fed = f fdd ⋅ 1 − 1 ⋅   3 min {0.9 ⋅ d, hw }  essendo: ffdd le β d hw

(5.13)

la resistenza di progetto alla delaminazione; la lunghezza minima di ancoraggio; l’angolo di inclinazione delle fibre rispetto all’asse longitudinale dell’elemento; l’altezza utile della sezione; l’altezza dell’anima della trave.

Per il calcolo della resistenza efficace di progetto nel caso di disposizione in avvolgimento su una sezione rettangolare, si può utilizzare la relazione:   1   le ⋅ sin β le ⋅ sin β f fed = f fdd ⋅ 1 − 1 ⋅ + (φR ⋅ f fd − f fdd ) ⋅ 1 −    6 min {0.9 ⋅ d, hw }  2  min {0.9 ⋅ d , hw } 

(5.14)

essendo ffd è la resistenza di progetto a rottura del rinforzo di fRP, ed inoltre:

φR = 0.2 + 1.6 ⋅ rc , bw

0 ≤ rc ≤ 0.5 bw

(5.15)

66

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essendo: rc il raggio di curvatura dell’arrotondamento dello spigolo della sezione attorno a cui è avvolto il rinforzo; bw la larghezza dell’anima della sezione. nell’equazione 5.14 il contributo del secondo termine va considerato solo se positivo. nella valutazione della resistenza di progetto alla delaminazione, interviene il coefficiente di ricoprimento kb: nel presente paragrafo, nel caso di rinforzi discontinui sotto forma di strisce, si deve porre bf = wf e b = pf, mentre nel caso di rinforzi continui sotto forma di fogli o di strisce adiacenti, si deve porre bf = b = min (0.9 · d,hw) · sin (θ + β)/sin θ, essendo hw l’altezza dell’anima della trave. nel progetto di un rinforzo a taglio di un elemento in c.a. va tenuto in considerazione che gli spigoli della sezione dell’elemento da rinforzare a contatto con il materiale composito devono essere arrotondati, in modo da evitare il tranciamento del rinforzo ed il raggio di curvatura dell’arrotondamento rc deve essere non minore di 20 mm. Inoltre, nel caso di rinforzi discontinui costituiti da strisce di materiale composito, la larghezza, wf, ed il passo, pf, delle strisce, misurati (in mm) ortogonalmente alla direzione delle fibre, devono rispettare le seguenti limitazioni: 50 mm ≤ wf ≤ 250 mm e wf ≤ pf ≤ min {0.5 · d, 3 · wf, wf + 200 mm}. nel caso in cui il termine min {0.5 · d, 3 · wf, wf + 200 mm} risultasse più piccolo di wf, si dovrà ricorrere ad un tipo di rinforzo differente (per geometria o per caratteristiche meccaniche).

t 5.6. rinforzo di solai latero-cementizi Il rinforzo strutturale di solai latero-cementizi è uno degli interventi che più spesso viene realizzato mediante l’utilizzo di lamine pultruse o tessuti in cfRP data la rapidità dell’intervento ed i numerosi vantaggi correlati. L’intervento di consolidamento può essere necessario in diverse occasioni come fenomeni di ossidazione con conseguente riduzione della sezione utile di armatura resistente o per necessità di integrazione dell’armatura resistente ad esempio nei casi di cambio di destinazione d’uso. Il rinforzo può essere realizzato su qualsiasi tipo di solaio come i saP, i prefabbricati o altre tipologie di solai gettati in opera. Preventivamente all’intervento di consolidamento è necessario intervenire sui travetti mediante operazioni di preparazione e pulizia del supporto al fine di ottenere superfici perfettamente pulite ed asciutte ed aventi buone caratteristiche meccaniche, trattando i ferri di armatura con apposite vernici passivanti dopo aver eliminato la superficie di ossido presente e ripristinando le condizioni meccanico-geometriche del calcestruzzo di supporto. Le lamine o i tessuti posti in opera vengono solitamente posizionati a tutta lunghezza all’intradosso dei travetti al fine di sopperire al deficit di momento resistente, considerando le zone terminali in cui questo risulta uguale o maggiore del momento sollecitante quali zone di ancoraggio per la delaminazione. I principali vantaggi di un rinforzo con fRP di solai latero-cementizi sono schematizzabili come segue: – aumento di resistenza ultima; – aumento della rigidezza; – assenza di fenomeni di ossidazione; – maggiore durabilità della struttura; – nessun aggravio di peso; – rapidità d’intervento.

5. RInfoRzo DI stRuttuRe In c.a. e c.a.P.

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figura 5.5. Rinforzo di solaio latero-cementizio con lamine in FRP

t 5.7. rinforzo di pilastri in c.a. un’importante applicazione dei rinforzi con materiali compositi su elementi in c.a. è l’intervento di rinforzo di pilastri in c.a. tale intervento, nel caso di pilastri sollecitati da sforzo normale centrato o con piccola eccentricità, può determinare un incremento della resistenza e deformazione ultima dell’elemento confinato; nel caso di elementi presso inflessi può invece determinare un incremento di duttilità. Per valori della deformazione assiale ec pari allo 0.2%, la tensione nel calcestruzzo confinato è solo di poco superiore a quella esibita dal calcestruzzo non confinato, e cioè alla resistenza di quest’ultimo. Per deformazioni superiori allo 0.2% il legame tensione-deformazione è non lineare e la pendenza della corrispondente curva “s-e” diminuisce progressivamente fino ad assumere, nell’ultimo tratto, un valore pressoché costante. In quest’ultimo tratto, ad andamento lineare, il calcestruzzo confinato perde progressivamente la sua integrità per effetto di una fessurazione sempre più estesa. Il collasso di un pilastro in c.a. confinato con materiali compositi si raggiunge per rottura delle fibre del composito. tuttavia, a causa della disgregazione del calcestruzzo confinato, lo stesso perde completamente le sue proprietà meccaniche, perdendo la capacità di resistere a azioni trasversali. al fine di evitare il raggiungimento di questo stato di degrado del calcestruzzo le norme impongono un valore limite della deformazione delle fibre di 0.004.

5.7.1. Determinazione della resistenza di progetto a compressione centrata o con piccola eccentricità dell’elemento confinato come sopra riportato, nel caso di pilastri sollecitati da sforzo normale centrato o con piccola eccentricità si può determinare un incremento della resistenza e deformazione ultima dell’elemento confinato.

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nella progettazione di un rinforzo con materiali compositi di pilastri sollecitati da sforzo normale centrato o con piccola eccentricità è necessario dimensionare il rinforzo in materiale composito in modo che il valore di progetto dell’azione assiale agente Nsd (da valutarsi, per le diverse combinazioni di carico previste, come prescritte dalla normativa vigente), ed il valore di progetto della resistenza dell’elemento confinato NRcc,d, soddisfino la disequazione: Nsd £ NRcc,d

(5.16)

Per il calcolo di NRcc,d può essere utilizzata la seguente formula: NRcc, d = 1 Ac ⋅ fccd + As ⋅ fyd γ Rd essendo: gRd Ac fccd As fyd

(5.17)

il coefficiente parziale (assunto pari a 1.10); l’area della sezione trasversale dell’elemento; la resistenza di calcolo del calcestruzzo confinato; l’area di calcolo dell’armatura metallica eventualmente presente (quest’ultima valutata come previsto dalla normativa vigente); la resistenza di calcolo dell’armatura metallica eventualmente presente (quest’ultima valutata come previsto dalla normativa vigente).

come indicato dalle norme, il valore di fccd può essere calcolato con la seguente relazione: 2

f 3 fccd = 1 + 2 ,6 ⋅  l , eff  fcd  fcd 

(5.18)

essendo: fcd la resistenza di progetto del calcestruzzo non confinato, da valutarsi come prescritto nella normativa vigente; fl,eff la pressione efficace di confinamento, tenendo conto che la resistenza di un elemento confinato con fRP dipende soltanto da un’aliquota della pressione di confinamento, fl esercitata dal sistema, detta appunto pressione efficace di confinamento. Il confinamento risulta efficace se fl,eff / fcd > 0.05. La pressione efficace dipende dalla forma della sezione e delle modalità di intervento ed è fornita dalla relazione: fl,eff = Keff × fl

(5.19)

dove keff è un coefficiente di efficienza (£ 1), definibile come il rapporto tra il Vc,eff di calcestruzzo efficacemente confinato ed il volume Vc dell’elemento in calcestruzzo, depurato da quello delle armature longitudinali (generalmente trascurabile).

5. RInfoRzo DI stRuttuRe In c.a. e c.a.P.

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La pressione di confinamento viene valutata mediante la relazione: fl = 1 ρ f Ef ε fd , rid 2

(5.20)

essendo: rf la percentuale geometrica di rinforzo, dipendente dalla forma della sezione (circolare o rettangolare) e dalle modalità di applicazione del confinamento lungo l’elemento (fasciatura continua o discontinua); Ef il modulo di elasticità normale del materiale in direzione delle fibre; Efd,rid un’opportuna deformazione ridotta di calcolo del composito fibro-rinforzato valutata a partire dalla deformazione caratteristica a rottura della fasciatura di fRP, efk, tendendo conto opportunamente di fattori ambientali. Il coefficiente di efficienza keff è funzione di tre coefficienti parziali: – il coefficiente di efficienza orizzontale kH, dipende dalla forma della sezione e porta in conto l’“effetto arco”; – il coefficiente di efficienza verticale kV, dipende dalle modalità di applicazione del confinamento, ovvero se la fasciatura è continua o discontinua; – il coefficiente di efficienza ka, tiene conto dell’inclinazione delle fibre rispetto alla sezione trasversale dell’elemento. esso infatti è espresso dalla seguente relazione: keff = kH × kV × ka

(5.21)

Le Linee Guida del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici forniscono le espressioni per il calcolo dei vari coefficienti. si nota che il confinamento dà luogo ad un’efficienza massima in presenza di sezioni circolari (per cui kH = l) confinate con un sistema di tipo continuo (kV = I). In tal caso il coefficiente di efficienza keff = 1. Le norme forniscono le espressioni dei parametri che intervengono nelle precedenti relazioni specificandole tanto per il caso di sezioni circolari quanto per sezioni quadrate e rettangolari dove l’effetto del confinamento produce incrementi solo marginali della resistenza a compressione a causa essenzialmente dell’“effetto arco” che si manifesta all’interno della sezione e che dipende dal raggio di arrotondamento degli spigoli rc.

5.7.2. Sezioni circolari L’intervento di confinamento con fRP risulta particolarmente efficace per elementi a sezione circolare soggetti a compressione centrata o a pressoflessione con modesta eccentricità. In presenza di fibre disposte in direzione trasversale all’asse longitudinale dell’elemento, il sistema di fRP induce una pressione laterale uniforme sulla superficie di contatto, che si oppone all’espansione radiale dell’elemento compresso.

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La percentuale geometrica di rinforzo rf, da impiegare nella valutazione della pressione efficace di confinamento è in tal caso fornita dalla relazione:

ρf =

4 ⋅ t f ⋅ bf D ⋅ pf

(5.22)

dove tf e bf sono, rispettivamente, lo spessore e l’altezza della generica striscia di fRP, pf è il passo delle strisce e D è il diametro della sezione circolare. nel caso di fasciatura continua l’espressione della percentuale ρf si specializza in 4 · tf/D. Per le sezioni circolari, il coefficiente di efficienza orizzontale kH, è pari ad 1.0.

5.7.3. Sezioni quadrate e rettangolari un intervento di confinamento con materiali compositi di elementi a sezione quadrata o rettangolare produce incrementi solo marginali della resistenza a compressione. ne consegue che applicazioni di questo genere devono essere attentamente vagliate ed analizzate. Prima dell’applicazione del sistema di rinforzo è necessario procedere ad un arrotondamento degli spigoli della sezione, allo scopo di evitare pericolose concentrazioni di tensione localizzate in corrispondenza degli stessi, che potrebbero provocare una rottura prematura del sistema. Il raggio di curvatura dello spigolo deve soddisfare la seguente limitazione: rc ≥ 20 mm Per il calcolo della percentuale geometrica di rinforzo, ρf, da impiegare nella valutazione della pressione efficace di confinamento le norme forniscono la seguente relazione:

ρf =

essendo: tf bf pf bed

2 ⋅ t f ⋅ ( b + h )⋅ bf b ⋅ h ⋅ pf

(5.23)

lo spessore della generica striscia di fRP; l’altezza della generica striscia di fRP; il passo delle strisce; le dimensioni trasversali della sezione rettangolare.

nel caso di fasciatura continua l’espressione di rf fornita nella (5.23) si specializza in: 2 · tf · (b + d)/(b · d)

(5.24)

a causa dell’“effetto arco” che si manifesta all’interno della sezione, l’area di calcestruzzo effettivamente confinata risulta essere solo un’aliquota di quella complessiva; tale effetto è funzione del raggio di arrotondamento degli spigoli, rc. nel caso di sezioni rettangolari, per tener conto dell’effetto arco che si attiva nella sezione trasversale, il coefficiente di efficienza orizzontale, kH, vale:

5. RInfoRzo DI stRuttuRe In c.a. e c.a.P.

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'2 '2 kH = 1 − b + h 3 ⋅ Ag

(5.25)

essendo Ag l’area della sezione trasversale. Le norme prescrivono inoltre che in assenza di adeguate prove sperimentali, che ne comprovino l’efficacia, non va considerato l’effetto del confinamento su sezioni rettangolari per le quali b/d>2, ovvero max{b,d} > 900mm.

5.7.4. Duttilità di elementi presso-inflessi confinati con FRP Il confinamento con fRP può essere realizzato anche su elementi in calcestruzzo soggetti a presso flessione; in tal modo è possibile incrementare la loro duttilità e, solo in misura ridotta, la loro resistenza. Il documento, in mancanza di determinazioni più accurate, valuta la curvatura ultima di una sezione presso-inflessa ipotizzando un legame costitutivo parabola-rettangolo, caratterizzato da una resistenza massima pari a fcd, il cui tratto costante si estende fino ad un valore della deformazione ultima di progetto, eccu, fornito dalla seguente relazione: ecu = 0,0035 + 0,015 ⋅

fl, eff fcd

(5.26)

dove la pressione efficace fl,eff è calcolata assumendo una deformazione ridotta di calcolo data da:

ε fd,rid = ηa ⋅

ε fk ≤ 0.6 ⋅ ε fk γf

(5.27)

t 5.8. rinforzo dei nodi trave-pilastro La problematica del rinforzo dei nodi trave-pilastro viene accuratamente trattata nell’ambito della bozza di “Linee guida per la riparazione e il rafforzamento di elementi strutturali, tamponature e partizioni” redatte dal Dipartimento Protezione civile e dal consorzio ReLuIs nell’agosto 2009 nelle quali viene evidenziato che le situazioni di innesco di rottura dei nodi e di maggiori richieste di duttilità nei pilastri normalmente si localizzano nei nodi e nei pilastri esterni, particolarmente in quelli d’angolo, per i seguenti motivi: 1) i nodi sono non confinati (v. D.M. 14 gennaio 2008, par. 7.4.4.3) su almeno una (nodi di parete) o due (nodi d’angolo) facce; 2) nodi e pilastri sono maggiormente soggetti all’azione di spinta delle tamponature, particolarmente i nodi d’angolo, per i quali la spinta da un parte non è compensata dalla presenza della tamponatura dalla parte opposta; 3) sono soggetti a deformazioni maggiori a causa di eventuali effetti torsionali globali della struttura.

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Dunque si prescrive che gli interventi di rafforzamento locale nei telai in c.a. devono innanzitutto riguardare nodi e pilastri perimetrali, con priorità per quelli d’angolo. si fa notare inoltre che le tamponature e le tramezzature robuste possono collaborare positivamente alla resistenza al sisma dell’edificio. esse, però, possono risultare dannose a causa della concentrazione della spinta in sommità del pilastro, dovuta all’effetto puntone, ed anche pericolose in caso di rottura, crollo o ribaltamento. Gli effetti dannosi o l’inefficace collaborazione di tamponature e tramezzature sono essenzialmente determinati dalla scarsa o assente connessione dei pannelli murari con la cornice strutturale, particolarmente lungo il bordo superiore ed i bordi laterali, a causa delle tipiche modalità esecutive dei pannelli murari, successivamente al completamento della struttura in c.a. La mancanza di collegamento lungo il bordo superiore impedisce il trasferimento della forza resistente della tamponatura lungo la trave superiore, rendendo inevitabile la concentrazione di sforzi taglianti all’estremità superiore dei pilastri. La realizzazione di efficaci collegamenti dei pannelli di tamponatura alla cornice strutturale consegue il triplice obiettivo di prevenirne il crollo rovinoso fuori del piano, migliorarne la collaborazione con la struttura in c.a., limitare o eliminare gli sfavorevoli effetti locali. I nodi trave pilastro che evidenziano una maggiore criticità sono quelli non confinati, che sono tipicamente posti sul perimetro della struttura, o all’angolo (nodo d’angolo), ovvero in facciata (nodo intermedio). nell’ambito delle possibili tecniche che il progettista può scegliere per il rafforzamento locale dei nodi non confinati, ci si limita qui ad analizzare possibili soluzioni basate su placcatura e fasciatura con materiali compositi. Il proporzionamento dei rinforzi esterni di seguito descritti può essere condotto ai sensi delle nuove norme tecniche (D.M. 14 gennaio 2008) e della relativa circolare n. 617 del 2 febbraio 2009. Per i materiali compositi, il progettista può riferirsi alle Istruzioni cnR-Dt 200/04 ed alle Linee Guida del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici. In entrambi i casi, al fine di garantire comunque un buon comportamento d’insieme del sistema nodo-travi-pilastri, e garantire un significativo incremento della duttilità a tale sistema, e dunque alla struttura nel suo insieme, gli interventi proposti conseguono anche un incremento della resistenza a taglio delle travi e dei pilastri nelle loro parti terminali convergenti nel nodo ed un confinamento delle estremità dei pilastri, dove si concentrano le massime richieste di duttilità in pressoflessione.

5.8.1. Criteri per il progetto del rafforzamento locale di nodi non confinati nella bozza di “Linee guida per la riparazione e il rafforzamento di elementi strutturali, tamponature e partizioni” redatte dal Dipartimento Protezione civile e dal consorzio ReLuIs nell’agosto 2009 vengono proposte diverse tipologie d’intervento per migliorare le prestazioni del nodo trave-pilastro che riportiamo di seguito. 1] Incremento della capacità del pannello di nodo e della porzione di sommità del pilastro rispetto all’azione di taglio esercitata dalla tamponatura L’azione di taglio esercitata dalla tamponatura può determinare danni significativi al nodo che, in funzione anche delle originarie modalità di realizzazione e della sezione di ripresa di getto, può presentare una fessura diagonale sul pannello di nodo (figura 5.6-a) ovvero una lesione pseudo-orizzontale in corrispondenza della sezione di attacco pilastro pannello di nodo (figura 5.6-b), o ancora la rottura per lesione diagonale alla testa del pilastro (linea in tratteggio della figura 5.6-b).

5. RInfoRzo DI stRuttuRe In c.a. e c.a.P.

a)

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b)

figura 5.6. Meccanismo di crisi del nodo trave-pilastro dovuto all’azione di taglio della tamponatura: a) lesione diagonale nel pannello; b) lesione pseudo-orizzontale all’attacco pilastro-pannello di nodo e/o diagonale nel pilastro in prossimità dell’attacco al nodo (Linee Guida Reluis – Protezione civile)

Per determinare la forza che corrisponde all’attivazione di tale meccanismo si può fare riferimento, in maniera semplificata, al cosiddetto modello di “puntone equivalente” basato sulla formazione di bielle (puntoni equivalenti) accoppiate all’interno dell’ossatura strutturale secondo le due diagonali; si assume che esse siano alternativamente efficaci in funzione della direzione dell’azione sismica, essendo attive solo quelle compresse. sulla base delle indicazioni fornite dalla circolare 10 aprile 1997, n. 65 e di una consolidata letteratura scientifica, la larghezza del puntone equivalente, w, può essere assunta pari al 10% della lunghezza della biella stessa l2 + h2, il suo spessore, t, è pari allo spessore della muratura.

figura 5.7. Dimensioni caratteristiche del puntone equivalente (Linee Guida Reluis – Protezione civile)

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L’azione orizzontale, H0, che corrisponde alla crisi della tamponatura (rottura diagonale per trazione ovvero rottura per schiacciamento locale degli spigoli) rappresenta la massima azione addizionale che può gravare sul pilastro e può essere calcolata come:  fvko ⋅ l ⋅ t fk E H 0 = min  ; 0.8 ⋅ ⋅ cos2 θ ⋅ 4 c ⋅ I ⋅ h ⋅ t 3 φ Em  0.6 ⋅ φ

  

(5.28)

essendo: φ un fattore di riduzione delle tensioni da porre pari ad 1 per verifiche agli stati limite; fvko la resistenza caratteristica a taglio della muratura in assenza di tensioni normali (tabella 11.10.VII del D.M. 14 gennaio 2008); fk la resistenza caratteristica a compressione della muratura (tabelle 11.10.V e 11.10.VI del D.M. 14 gennaio 2008); θ = arctg (h/l) l’angolo della diagonale del pannello rispetto all’orizzontale; Ec il modulo di elasticità di calcestruzzo; Em = 1000 · fk il modulo di elasticità della muratura; I il momento di inerzia della sezione trasversale del pilastro rispetto all’asse ortogonale al piano della tamponatura (in caso di pilastri di diversa sezione si assume il valore medio dei due momenti di inerzia). ai fini dell’applicazione della procedura descritta si raccomanda di verificare che siano soddisfatte le ipotesi discusse al punto 1 dell’allegato 2 della circolare 10 aprile 1997, n. 65. Per conferire al nodo una maggiore capacità resistente nei confronti del meccanismo descritto, si propone, nel caso di utilizzo di materiali compositi, di realizzare un rinforzo esterno con tessuti metallici inclinati come indicato nelle figure seguenti. Il proporzionamento di tale rinforzo può essere eseguito ipotizzando di affidare ad esso l’intera forza, H0, precedentemente definita.

a)

b)

figura 5.8. Fasce diagonali con tessuto metallico unidirezionale su nodo d’angolo: a) nodo con due travi emergenti; b) nodo con una trave emergente ed una a spessore (Linee Guida Reluis – Protezione civile)

5. RInfoRzo DI stRuttuRe In c.a. e c.a.P.

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a complemento dell’intervento basato su compositi, è opportuno anche disporre delle fasce ad L di tessuto quadriassiale in fibra di carbonio poste all’intersezione delle travi con il pilastro in corrispondenza del nodo trattato.

a)

b)

figura 5.9. Fascia ad L di tessuto quadriassiale in fibra di carbonio poste all’intersezione delle travi con il pilastro di un nodo d’angolo: a) nodo con due travi emergenti; b) nodo con una trave emergente ed una trave a spessore (Linee Guida Reluis – Protezione civile)

a)

b)

figura 5.10. Fasce diagonali con tessuto metallico unidirezionale su nodo intermedio: a) vista esterna; b) vista interna (Linee Guida Reluis – Protezione civile)

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RInfoRzo stRuttuRaLe con MateRIaLI coMPosItI

2] Incremento della resistenza a taglio del pannello di nodo L’incremento di resistenza a taglio del pannello di nodo può essere conseguito, nel caso di utilizzo di materiali compositi, mediante disposizione di tessuto quadriassiale in carbonio come indicato nelle figure seguenti.

a)

b)

figura 5.11. Tessuto quadriassiale bilanciato in fibra di carbonio posto in corrispondenza del pannello di nodo su nodo d’angolo: a) nodo con due travi emergenti; b) nodo con una trave emergente ed una a spessore (N.B. Il tessuto quadriassiale va disposto anche sulla faccia interna della trave emergente, non visibile nello schema (b)) (Linee Guida Reluis – Protezione civile)

3] Confinamento delle estremità dei pilastri Il confinamento delle estremità dei pilastri consente di conferire alle stesse un significativo incremento della resistenza a taglio e della capacità deformativa; esso ha anche un effetto benefico nei riguardi della potenziale instabilità delle barre longitudinali laddove il passo delle staffe sia molto rado. Per l’estremità superiore del pilastro, l’incremento di resistenza a taglio conferita dal confinamento è anche benefico nei riguardi dell’azione tagliante aggiuntiva dovuta al puntone che si forma nella tamponatura. Il confinamento delle estremità dei pilastri può essere realizzato mediante fasciatura delle stesse con tessuto in carbonio unidirezionale come indicato nelle figure seguenti.

a)

b)

figura 5.12. Confinamento di pilastri di un nodo d’angolo: a) nodo con due travi emergenti; b) nodo con una trave emergente ed una a spessore (Linee Guida Reluis – Protezione civile)

5. RInfoRzo DI stRuttuRe In c.a. e c.a.P.

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figura 5.13. Confinamento di pilastri di un nodo intermedio e disposizione di tessuto quadri assiale bilanciato in fibra di carbonio (Linee Guida Reluis – Protezione civile)

4] Incremento della resistenza a taglio delle estremità delle travi L’incremento di resistenza a taglio delle estremità delle travi consente di prevenire una eventuale crisi per taglio, secondo un meccanismo fragile che potrebbe attivarsi nel caso in cui la resistenza del calcestruzzo è relativamente bassa e/o le armature a taglio sono carenti. nel caso di utilizzo di materiali compositi essa può essere realizzata mediante una fasciatura ad u con tessuto in carbonio unidirezionale.

a)

b)

figura 5.14. Rinforzo a taglio con configurazione ad U delle estremità delle travi di un nodo d’angolo: a) nodo con due travi emergenti; b) nodo con una trave emergente ed una a spessore (Linee Guida Reluis – Protezione civile)

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RInfoRzo stRuttuRaLe con MateRIaLI coMPosItI

figura 5.15. Rinforzo a taglio con configurazione ad U delle estremità delle travi di un nodo intermedio (Linee Guida Reluis – Protezione civile)

t 5.9. interventi in zona sismica Il cnR-Dt 200/04 e le Linee Guida del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici evidenziano che in zona sismica è possibile rinforzare con fRP strutture di conglomerato cementizio armato che non soddisfino i requisiti di sicurezza nei confronti dell’azione sismica di progetto relativamente ad uno o più stati limite, ciò si evince anche dal forte utilizzo che viene proposto nella Bozza di “Linee Guida per la riparazione e il rafforzamento di elementi strutturali, tamponature e partizioni” redatte dal Dipartimento Protezione civile e dal consorzio ReLuIs subito dopo il sisma che ha colpito l’abruzzo il 6 aprile 2009. Il progetto di interventi di rinforzo con fRP, come indicato nelle Linee Guida del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici, va realizzando tenendo sempre in considerazione le indicazioni fornite nei codici e nella letteratura più recenti in tema di costruzioni antisismiche, relativamente a: – valutazione della sicurezza sismica; – requisiti di sicurezza (verifica di stati limite); – livelli di protezione antisismica (intensità dell’azione sismica associata); – metodi di analisi; – criteri di verifica (distinzione fra elementi “duttili” e “fragili”); – caratteristiche dei materiali da impiegare nelle verifiche di sicurezza. tipologia, entità ed urgenza dell’intervento con fRP devono dipendere dall’esito di una preventiva valutazione della sicurezza sismica, tenendo conto in particolare che: – errori grossolani vanno eliminati; – forti irregolarità degli edifici (in termini di resistenza e/o rigidezza) non possono essere sanate con tale tecnica; – una maggiore regolarità in resistenza può essere ottenuta rinforzando un numero ridotto di elementi;

5. RInfoRzo DI stRuttuRe In c.a. e c.a.P.

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– risultano sempre opportuni interventi volti a migliorare la duttilità locale; – l’introduzione di rinforzi locali non deve ridurre la duttilità globale della struttura. L’intervento con fRP è classificabile come rinforzo o ricostruzione totale o parziale degli elementi (interventi selettivi). In zona sismica il rinforzo con fRP di elementi di c.a. è finalizzato principalmente al conseguimento degli obiettivi di seguito elencati: – incrementare la resistenza a flessione semplice o a pressoflessione mediante l’applicazione di compositi con fibre disposte nella direzione dell’asse dell’elemento e, in aggiunta, anche in altre direzioni; – incrementare la resistenza a taglio di elementi mediante applicazione di fRP con le fibre disposte ortogonalmente all’asse dell’elemento e, in aggiunta, anche in altre direzioni; – incrementare la duttilità delle sezioni terminali di travi e/o pilastri mediante fasciatura con fRP a fibre continue disposte lungo il perimetro; – migliorare l’efficienza delle giunzioni per sovrapposizione, mediante fasciatura con fRP a fibre continue disposte lungo il perimetro; – impedire lo svergolamento delle barre longitudinali soggette a compressione mediante fasciatura con fRP a fibre continue disposte lungo il perimetro; – incrementare la resistenza a trazione dei pannelli dei nodi trave-pilastro mediante applicazione di fasce di fRP con le fibre disposte secondo le isostatiche di trazione. In quanto selettiva, la strategia di intervento con fRP deve essere ispirata ai seguenti principi: – eliminazione di tutti i meccanismi di collasso di tipo fragile; – eliminazione di tutti i meccanismi di collasso di piano (“piano soffice”); – miglioramento della capacità deformativa globale della struttura conseguibile in uno dei seguenti modi: – incrementando la capacità rotazionale delle potenziali cerniere plastiche senza variarne la posizione; – rilocalizzando le potenziali cerniere plastiche nel rispetto del criterio della gerarchia delle resistenze. I meccanismi di collasso di tipo fragile da eliminare e le rispettive modalità di intervento sono: – crisi per taglio: si interviene rinforzando a taglio gli elementi che presentano tale problema; – crisi per perdita di aderenza nelle zone di sovrapposizione: si interviene confinando mediante avvolgimento di fRP le zone in cui la lunghezza di sovrapposizione delle barre longitudinali risulti insufficiente; – crisi per svergolamento delle barre longitudinali in compressione: si interviene confinando mediante avvolgimento di fRP le zone di potenziale formazione di cerniere plastiche nelle quali le armature trasversali non siano in grado di impedire lo svergolamento post-elastico delle barre longitudinali compresse; – crisi per trazione dei pannelli dei nodi: si interviene applicando su di essi un rinforzo di fRP. Premesso che, in assenza di pareti, i meccanismi di collasso di piano possono attivarsi a seguito della formazione di cerniere plastiche sia in testa che al piede di tutti i pilastri di quel piano, l’intervento sarà finalizzato ad incrementare in tali zone la resistenza a flessione composta, con l’obiettivo di inibire la formazione delle suddette cerniere. In nessun caso è consentito di intervenire sui meccanismi di collasso di piano esclusivamente con l’intento di incrementare l’entità degli spostamenti che ne precedono l’attivazione.

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RInfoRzo stRuttuRaLe con MateRIaLI coMPosItI

La capacità deformativa ultima di una struttura è una misura della sua attitudine a sopportare l’azione sismica. La capacità deformativa ultima di una struttura può essere saggiata utilizzando i risultati di un’analisi statica non lineare. La capacità deformativa ultima di una struttura dipende dalla capacità deformativa in campo plastico dei singoli elementi resistenti (travi, pilastri e pareti). La capacità deformativa di travi e di pilastri può essere misurata mediante la rotazione θ della sezione di estremità rispetto alla congiungente di quest’ultima con la sezione di momento nullo (“rotazione rispetto alla corda”) a distanza pari alla luce di taglio: LV = MV. tale rotazione è anche pari al rapporto tra lo spostamento relativo fra le due sezioni suddette e la luce di taglio. Generalmente la capacità deformativa in campo plastico degli elementi è limitata dal comportamento a rottura del calcestruzzo compresso. L’intervento di confinamento con fRP su tali elementi (prevalentemente pilastri) determina un aumento della deformazione ultima del calcestruzzo compresso, conferendo una maggiore duttilità agli elementi. L’applicazione del criterio della gerarchia delle resistenze comporta l’adozione di provvedimenti atti ad impedire la formazione di tutte le potenziali cerniere plastiche nei pilastri. nelle situazioni di “pilastro debole-trave forte”, usuali per strutture intelaiate progettate per soli carichi verticali, le sezioni dei pilastri sono sottodimensionate e denunciano carenza di armatura longitudinale. In questi casi è necessario incrementare la loro resistenza a pressoflessione con l’obiettivo di ricondurre la struttura intelaiata ad una situazione di “pilastro forte-trave debole”. L’attuazione del criterio della gerarchia delle resistenze comporta un incremento della resistenza a flessione dei pilastri e quindi un incremento del taglio agente in condizioni ultime. conseguentemente, è necessario eseguire opportune verifiche a taglio, incrementando eventualmente la resistenza nei confronti di tale caratteristica allo scopo di evitare un collasso di tipo fragile. nell’ambito della Bozza di Linee Guida redatte dal Dipartimento Protezione Civile e dal consorzio ReLUIS, come sopra riportato, oltre agli interventi sulle parti strutturali, sia di riparazione che di rafforzamento locale ai fini delle azioni sismiche e dei carichi di servizio, si esaminano anche quegli interventi sulle parti non strutturali, in particolare tamponature e tramezzature, che, per il loro peso e la loro posizione, possono determinare un pericolo non secondario per l’incolumità delle persone, anche nel caso in cui la struttura non subisca danni significativi. nella scelta degli interventi di rafforzamento locale non si può, comunque, prescindere da un’analisi qualitativa complessiva delle caratteristiche delle parti strutturali e delle parti non strutturali pericolose e del danneggiamento presente, per impostare un progetto di riparazione e rafforzamento locale volto ad eliminare o ridurre drasticamente le debolezze e le carenze che possano compromettere un corretto comportamento d’insieme della struttura. L’analisi quantitativa, in tal caso, è finalizzata unicamente a definire l’incremento di resistenza o duttilità locale conseguita con l’intervento. Dall’analisi qualitativa delle carenze deve derivare un’attenta definizione concettuale degli interventi locali da effettuare, cui deve seguire la scelta della tecnologia più idonea, scelta che può derivare da aspetti sia economici sia realizzativi, con riferimento alle caratteristiche geometriche degli elementi su cui occorre intervenire e di interazione con altri elementi costruttivi. È però importante che il progettista riesca sempre a diagnosticare quali possano essere le cause di debolezza delle singole parti e individui o adatti alla situazione l’intervento e la tecnologia più idonea ad eliminarle o ridurle drasticamente.

5. RInfoRzo DI stRuttuRe In c.a. e c.a.P.

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In pratica il progettista deve tener conto che gli interventi di rafforzamento locale, pur non richiedendo l’analisi quantitativa della sicurezza globale dell’opera, dovranno realizzare un miglioramento del comportamento sismico della struttura in c.a. attraverso: – la riduzione del rischio d’innesco di meccanismi fragili, quali: – rottura dei nodi trave-pilastro dovuta alle azioni trasmesse direttamente dalle travi e dai pilastri convergenti nel nodo stesso, che tipicamente avviene per una prevalente sollecitazione tagliante nel pannello di nodo; – rottura del collegamento nodo-pilastro inferiore per scorrimento in corrispondenza della ripresa di getto o per taglio all’estremità superiore del pilastro determinata dalla componente tagliante della forza di puntone equivalente trasmessa dal pannello di tamponamento della maglia strutturale; – rottura per taglio alle estremità delle travi; – rottura per taglio dei cosiddetti pilastri corti, tipicamente presenti nelle scale o determinati dalla presenza di finestrature a nastro con muratura di tamponamento robusta; – l’incremento della duttilità delle estremità dei pilastri, nelle quali normalmente si concentrano forti richieste di duttilità.

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caPItoLo 6

rinforzo di sTruTTure in muraTura

t 6.1. introduzione Gran parte del patrimonio immobiliare italiano è costituito da strutture in muratura, che in molti casi risultano di interesse storico. Il rinforzo, il miglioramento o l’adeguamento sismico di tali strutture è in molti casi realizzabile mediante l’utilizzo dei materiali compositi. tale rinforzo si ottiene applicando agli elementi strutturali in muratura un materiale caratterizzato da un’elevata resistenza a trazione, dotato di un’interfaccia tecnologicamente compatibile che, assicurando l’adesione ai singoli mattoni, sia in grado di ridurre le sollecitazioni di taglio nei letti di malta interstiziali, conferendo al sistema un comportamento monolitico fino alla rottura. Il danneggiamento della muratura dovuto ad azioni orizzontali, quali possono essere quelle prodotte da eventi sismici o da dissesti lenti in atto, è, infatti, associato o al danneggiamento dei giunti di malta o alla rottura dei conci murari. In particolare, esso si manifesta con fenomeni di scorrimento relativo dei blocchi rispetto all’interfaccia, previa decoesione. numerosi sono ad oggi i possibili utilizzi dei materiali compositi per il consolidamento di elementi strutturali in muratura, con numerose tecnologie e geometrie, dall’utilizzo di lamine e tessuti in fRP o in sRP all’utilizzo dei sistemi con matrice a base di malta o anche mediante l’apposizione sui supporti murari di reti apprettate in fRP. Per i rinforzi di strutture in muratura si è studiato sempre più l’utilizzo di sistemi con matrici diverse da quelle epossidiche come gli fRG o sRG o in sostituzione si è proposto l’utilizzo di sistemi costituiti da reti in fRP inglobate in matrici costituite da malte appositamente formulate. Il rinforzo di strutture in muratura con fRP oltre a migliorare le caratteristiche meccaniche dei singoli elementi strutturali, consente notevoli miglioramenti della struttura soggetta ad azioni sismiche e può essere vantaggiosamente utilizzato nel caso in cui le stesse non soddisfino i requisiti di sicurezza previsti dalla normativa vigente nei confronti di uno o più stati limite. La strategia d’intervento con fRP deve essere ispirata al principio di incrementare la resistenza degli elementi sottodimensionati, con l’intento di conseguire contestualmente una maggiore regolarità strutturale e l’eliminazione di possibili modi di collasso locale di singole pareti o elementi strutturali. L’efficienza sismica dell’intervento progettato può essere stimata dall’incremento di spostamento orizzontale a collasso derivante dall’applicazione del rinforzo. È sempre necessario valutare se gli interventi di rinforzo, orientati ad aumentare la resistenza laterale degli schemi strutturali, non determinino una diminuzione della duttilità generale che possa indurre una maggiore vulnerabilità sismica. a tale scopo, deve essere posta particolare attenzione agli interventi che tendono a solidarizzare i blocchi costituenti i piedritti verticali e agli interventi orientati ad impedire la formazione di cerniere negli archi o nelle volte di collegamento. sono in genere da preferirsi interventi orientati ad aumentare la duttilità delle cerniere sia nei ritti che nelle volte. analogamente, nelle pareti di controvento degli edifici ordinari occorre orien-

6. RInfoRzo DI stRuttuRe In MuRatuRa

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tare gli interventi ad un aumento della duttilità generale dello schema evitando che il collasso dei ritti preceda quello delle fasce di piano.

t 6.2. obiettivi e criteri di un progetto di rinforzo anche per quanto riguarda il rinforzo di murature con materiali compositi le normative tecniche di riferimento sono: il documento tecnico del cnR Dt 200-04, le Linee Guida dell’Assemblea Generale del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici del 24 luglio 2009 e la bozza di Linee Guida redatte dal Dipartimento della Protezione Civile ed il consorzio ReLUIS nell’agosto dello stesso anno, in particolare queste ultime per quanto riguarda le strutture in muratura, pongono l’attenzione su alcuni interventi previsti al punto c8a.5 della circolare n. 617 del 2 febbraio 2009 ed in particolare: 1) interventi volti a ridurre le carenze dei collegamenti mediante incatenamenti costituiti da tiranti e/o catene, o mediante collegamento dei solai alle pareti murarie (punto c8a.5.1); 2) interventi volti ad incrementare la resistenza dei maschi murari mediante scuci e cuci, risarcitura di lesioni ovvero ristilatura dei giunti (punto c8a.5.6). L’utilizzo di materiali compositi in un progetto di rinforzo di strutture in muratura deve essere motivato dalle seguenti indicazioni: – trasmissione di sforzi di trazione all’interno di singoli elementi strutturali o tra elementi contigui (rinforzi a flessione, taglio, ecc.); – collegamento tra elementi che collaborano a resistere all’azione esterna (catene di volte e di pareti, connessioni tra pareti ortogonali, ecc.); – irrigidimento di solai nel proprio piano per conseguire un funzionamento a diaframma rigido; – limitazione dell’apertura di fessure; – confinamento di colonne al fine di incrementare la resistenza del materiale. nell’ambito della progettazione dei rinforzi con materiali compositi si deve sempre porre l’attenzione a far lavorare gli stessi in modo da essere soggetti principalmente o unicamente a sollecitazioni di trazione, questi materiali infatti sono caratterizzati da elevate caratteristiche meccaniche se sollecitati in questo modo. Quando invece i materiali compositi sono soggetti a compressione non sono generalmente in grado di incrementare le prestazioni delle murature, in quanto, a parità di contrazione, la risultante degli sforzi di compressione a carico della muratura prevale solitamente di gran lunga su quella a carico del composito fibrorinforzato, a causa della notevole differenza di area tra la muratura compressa ed il rinforzo. Inoltre, i rinforzi compressi sono soggetti a possibile delaminazione per instabilità locale. Per le strutture murarie rinforzate con fRP e soggette a sollecitazioni cicliche di trazione e compressione, quali quelle causate da eventi sismici e da variazioni termiche, l’adesione muratura-fRP può deteriorarsi notevolmente nel corso della vita della struttura. a tal riguardo potrebbe essere necessario inserire il rinforzo in intagli atti a prevenire l’instabilità locale ovvero applicare dispositivi meccanici di connessione. nonostante le elevate caratteristiche meccaniche dei materiali compositi, un intervento di rinforzo che ne preveda l’utilizzo deve essere realizzato su elementi strutturali che non presentino particolari danni che possano precludere il trasferimento degli sforzi tra i conci murari che lo costituiscono. Preventivamente alla posa in opera dei materiali compositi è necessario intervenire con opportuni interventi di preconsolidamento atti a ripristinare il collegamento tra i conci costituenti la muratura.

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RInfoRzo stRuttuRaLe con MateRIaLI coMPosItI

Quando si applicano tessuti o lamine di fRP su superfici murarie, si deve tener presente la completa assenza di traspirabilità dei materiali compositi. Per tale motivo gli interventi di rinforzo strutturale eseguiti con tali materiali non devono, di norma, interessare estese superfici del paramento murario al fine di preservare un’adeguata traspirabilità del sistema. Il problema della traspirabilità dei supporti murari può essere invece risolto utilizzando materiali tipo sRG o fRG con matrici opportunamente formulate. I principali interventi che possono essere realizzati su una struttura in muratura sono i seguenti: – incremento della resistenza di pannelli, archi o volte; – cerchiaggio di colonne allo scopo di incrementarne la resistenza a compressione e la duttilità; – riduzione della spinta di strutture spingenti; – trasformazioni di elementi non strutturali in elementi strutturali, mediante conferimento di rigidezza e capacità resistente; – rafforzamento ed irrigidimento strutture orizzontali non spingenti; – incatenamento o fasciatura lateralmente dell’edificio all’altezza degli impalcati o della copertura. Di seguito si riportano le indicazioni presenti nelle Linee Guida dell’Assemblea Generale del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici del 24 luglio 2009 in relazione alle modalità di modellazione e verifica dei sistemi di rinforzo con materiali compositi su strutture in muratura. al fine di determinare le azioni agenti sui singoli elementi strutturali della costruzione muraria si devono adottare i metodi della scienza e della tecnica delle costruzioni in riferimento alle normative Vigenti. La modellazione della struttura può essere condotta in campo elastico lineare ovvero attraverso comprovati modelli non lineari in grado di simulare il comportamento anelastico e la limitata, se non nulla, resistenza a trazione della muratura. tali analisi sono finalizzate alla valutazione di tutte le componenti di sollecitazione necessarie ai fini delle successive verifiche. Il progetto degli interventi di consolidamento deve basarsi su uno schema strutturale che rispecchi il comportamento dell’edificio nelle condizioni di futuro esercizio. se adeguatamente giustificate, possono essere utilizzate anche schematizzazioni semplificate, sinteticamente rappresentative del comportamento della struttura in esame. ad esempio, le sollecitazioni nelle diverse membrature possono essere determinate adottando una distribuzione approssimata ma equilibrata delle tensioni, anche prescindendo dalla congruenza, purché le eventuali tensioni di trazione siano assorbite direttamente dal rinforzo di composito all’uopo dimensionato e solidarizzato. È necessario porre particolare attenzione nell’uso di distribuzioni di tensioni approssimate, in quanto a causa delle eventuali rotture fragili che possono avvenire nel sistema muratura-fRP, uno stato tensionale staticamente ammissibile potrebbe aver già indotto il collasso della struttura. nel caso di strutture con parti regolari o ripetitive, è possibile individuare, all’interno della costruzione, schemi strutturali parziali, idonei per una valutazione più immediata del comportamento globale della struttura rinforzata. Parimenti, per effettuare le verifiche nei confronti di meccanismi di collasso locale, si possono adottare modelli semplificati, purché il loro utilizzo sia correttamente motivato.

6.2.1. Verifiche di sicurezza come noto e come indicato nelle principali normative tecniche la muratura è caratterizzata da comportamento non isotropo e non lineare anche per valori ridotti delle deformazioni. Il legame

6. RInfoRzo DI stRuttuRe In MuRatuRa

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tensione-deformazione può variare in modo più che significativo da muratura a muratura in funzione della composizione della stessa, ovvero della tipologia e dell’aggregazione degli elementi resistenti artificiali o naturali e della tipologia della malta di allettamento. sottoposto a prove di carico monoassiali, il materiale muratura presenta un comportamento fragile a trazione contraddistinto da valori della resistenza di gran lunga inferiori a quelli della resistenza a compressione. un’ipotesi di lavoro largamente accettata è quella di considerare nulla la resistenza a trazione della muratura; tale ipotesi è confortata, soprattutto per gli edifici esistenti (antichi e monumentali), dall’aleatorietà della resistenza a trazione e dal suo progressivo decadimento nel tempo. I valori caratteristici delle resistenze sono così indicati: fmk valore della resistenza a compressione verticale; fhmk valore della resistenza a compressione orizzontale; fvk valore della resistenza a taglio. essi devono essere determinati mediante idonee prove sperimentali su campioni di muro, secondo le modalità definite dalla normativa vigente. come valore orientativo della fhmk può assumersi il 50% della fmk. I valori delle proprietà meccaniche di progetto della muratura sono calcolati dividendo i valori caratteristici per un opportuno coefficiente parziale del materiale γm = γM, ed inoltre per un opportuno coefficiente parziale relativo al modello di resistenza γRd, come definiti, rispettivamente, nella normativa vigente e nelle presenti Istruzioni. nella maggior parte delle applicazioni ingegneristiche, il comportamento della muratura, per stati tensionali monoassiali, può essere schematizzato più semplicemente come di seguito specificato: – trazione: resistenza nulla; – compressione: comportamento lineare con coefficiente angolare pari al modulo di elasticità normale secante della muratura fino alla resistenza di progetto fmd, cui compete il valore ε'm della deformazione; tensione costante, pari ad fmd, per deformazioni comprese nell’intervallo ε'm ≤ ε ≤ εmu; tensione nulla per deformazioni maggiori di εmu. In assenza di dati sperimentali la deformazione ultima di progetto da considerare per la muratura εmu, può essere assunta pari a 0.0035. In alternativa, possono essere utilizzati legami costitutivi più completi, in grado di cogliere i diversi tipi di comportamento a compressione precedentemente descritti, purché tali legami siano adeguatamente comprovati sulla base di idonee indagini sperimentali. I materiali compositi fibrorinforzati sono caratterizzati da comportamento non isotropo. sollecitati a trazione in un’assegnata direzione, ad esempio quella delle fibre, essi esibiscono una risposta linea-re fino alla tensione di rottura, il cui valore caratteristico è ffk. La massima deformazione di progetto consentita al rinforzo di fRP è:   ε fk ε fd = min ηa ⋅ , ε fdd  γf  

(6.1)

dove εfk è la deformazione caratteristica a rottura del composito fibrorinforzato e εfdd è la deformazione massima nell’fRP all’atto della decoesione incipiente del rinforzo dalla muratura, fenomeno descritto nel paragrafo successivo. I valori da attribuire al fattore di conversione a η ed al coefficiente parziale γm = γf sono indicati, rispettivamente, nella rispettive tabelle nel capitolo recedente.

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come per le altre tipologie di supporto anche per il rinforzo con materiali compositi di elementi in muratura, le verifiche di sicurezza devono essere condotte agli stati limite. Per quanto riguarda gli sLu si distinguono due possibili casi, in funzione del tipo di analisi strutturale effettuata. se si utilizzano modelli non lineari con impiego di legami costitutivi completi, si deve verificare che il carico ultimo sopportabile dalla struttura non risulti minore del carico di progetto. Quest’ultimo è valutato utilizzando le combinazioni di carico prescritte dalla normativa vigente. Inoltre, si deve riporre particolare cura nel dimostrare che la soluzione utilizzata sia obiettiva, ovvero che non dipenda dalla particolare discretizzazione adottata per il calcolo. se la modellazione della struttura è condotta in campo elastico lineare ovvero per il tramite di schemi semplificati adottando una distribuzione equilibrata delle tensioni, eventualmente prescindendo dalla congruenza, la verifica deve essere effettuata con riferimento alle sollecitazioni risultanti su sezioni dei singoli elementi strutturali. In particolare, per elementi bidimensionali inflessi (piastre, gusci) si deve fare riferimento alle sollecitazioni specifiche, valutate cioè per unità di lunghezza degli stessi elementi. assumendo che, a seguito della deformazione, la generica sezione di ogni elemento strutturale si conservi piana, la verifica viene effettuata assicurando che i tagli ed i momenti sollecitanti di progetto siano minori dei corrispondenti valori resistenti di progetto. Questi ultimi vanno valutati in funzione dello sforzo normale agente, tenendo conto del comportamento non lineare dei materiali costituenti gli elementi strutturali, secondo il modello costitutivo semplificato. Verifiche allo stato limite di danno devono essere eseguite nei casi previsti specificamente dalla normativa. Le modalità di crisi dei materiali costituenti la struttura muraria rinforzata con materiali compositi sono: – fessurazione per trazione della muratura; – schiacciamento della muratura; – taglio-scorrimento della muratura; – rottura del composito fibrorinforzato; – delaminazione (o decoesione) del rinforzo di fRP dalla muratura. nel paragrafo successivo sarà valutata quest’ultima modalità di crisi che come per il caso dei rinforzi su strutture in c.a. rappresenta la problematica maggiore di questa tipologia di rinforzi.

t 6.3. meccanismi di rottura per delaminazione Le modalità di crisi per delaminazione possono essere schematizzate come segue: – delaminazione di estremità del rinforzo (plate end debonding); – delaminazione a partire dai giunti di malta o da fessure trasversali nella muratura (intermediate crack debonding). In una muratura rinforzata e soggetta ad uno stato tensionale che generi trazione nel rinforzo, sia alle estremità di quest’ultimo sia nelle zone di esso a cavallo di una fessura, l’interfaccia fRP – muratura è sottoposta ad elevati sforzi tangenziali.

6.3.1. Resistenza alla delaminazione radente allo Stato Limite Ultimo Il calcolo del valore ultimo della forza sopportabile dal rinforzo prima che subentri la delaminazione può essere effettuato facendo riferimento alle indicazioni presenti nelle Linee Guida del Con-

6. RInfoRzo DI stRuttuRe In MuRatuRa

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siglio Superiore dei Lavori Pubblici. Il valore ultimo della forza sopportabile dal rinforzo di fRP, prima che subentri la delaminazione, dipende, a parità di tutte le altre condizioni, dalla lunghezza, lb, della zona incollata. tale valore cresce con lb fino ad attingere un massimo corrispondente ad una ben definita lunghezza, le che viene definita lunghezza ottimale di ancoraggio e corrisponde quindi alla lunghezza minima di quest’ultimo che assicura la trasmissione del massimo sforzo di aderenza. La le, può essere calcolata mediante la formula seguente:

le =

Ef ⋅ t f 2 ⋅ fmtm

[lunghezza in mm]

(6.2)

essendo: Ef il modulo di elasticità normale del composito fibrorinforzato nella direzione della forza f; tf lo spessore del composito fibrorinforzato; fmtm la resistenza media a trazione della muratura; in mancanza di dati diretti, si può assumere fmtm = 0.10 fmk (in particolare, poiché la coesione tra fRP e muratura è generalmente assicurata all’interfaccia tra i blocchi ed il rinforzo, il valore di fmtm da considerare nella formula (6.2) è la resistenza media a trazione dei blocchi costituenti la muratura). con riferimento ad una delaminazione che coinvolga i primi strati di muratura e per lunghezze di ancoraggio maggiori o uguali a quella ottimale, la tensione di progetto nel rinforzo, ovvero il valore della massima tensione alla quale il rinforzo può lavorare nella sezione terminale di ancoraggio una volta avvenuto il trasferimento degli sforzi dalla muratura al rinforzo di fRP – vale:

f fdd =

0.17 ⋅ E f ⋅ fmk ⋅ fmtm tf γ f,d ⋅ γ M

[forze in N, lunghezze in mm]

(6.3)

essendo γf,d il coefficiente parziale indicato nella relativa tabella e γM il coefficiente parziale della muratura. La massima deformazione di progetto, εfdd, che può essere consentita al rinforzo di fRP senza che si manifestino problemi di decoesione ha per valore il rapporto tra la tensione di progetto, ffdd, ed il modulo di elasticità normale del rinforzo, Ef. nel caso di lunghezze di ancoraggio, lb, minori di quella ottimale, le, la tensione di progetto deve essere opportunamente ridotta in accordo con la relazione: f fdd,rid = f fdd ⋅

lb le

 l  ⋅ 2 − b   le 

(6.4)

Qualora il meccanismo di decoesione tra rinforzo e muratura avvenga per distacco di uno strato superficiale del mattone o del blocco di pietra, ai fini dell’effettiva disponibilità delle lunghezze lb e le, di cui sopra, si deve assumere che la lunghezza di ciascuno degli elementi costituenti la superficie di aderenza (mattoni o blocchi di pietra) contribuisca al massimo per l’80% alla formazione delle suddette lunghezze.

88

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Quando si faccia ricorso a particolari dispositivi di ancoraggio (barre trasversali di composito, fasciatura dell’estremità mediante tessuti), la forza massima di ancoraggio deve essere valutata mediante apposite indagini sperimentali.

t 6.4. rinforzo di pannelli murari Gli interventi di rinforzo con materiali compositi su pannelli in muratura possono essere realizzati con lo scopo di migliorarne la resistenza nei confronti di azioni nel piano o fuori dal piano del pannello. andiamo quindi ad analizzare alcune delle principali verifiche che possono essere effettuate sui pannelli murari rinforzati con materiali compositi. 1 2 3 4

11 10

5

9

6

8

7

7

8

6 5

9 1

10 11

figura 6.1. Rinforzo di un pannello murario

6.4.1. Verifiche per azioni fuori dal piano una delle tipologie più frequenti di crisi locale di elementi strutturali murari è rappresentata dal collasso di pannelli fuori del piano della muratura. I principali fattori che determinano questa tipologia di crisi sono: – l’azione sismica; – l’effetto della spinta di archi e di volte; – difetti di verticalità del pannello murario. La crisi per collasso fuori dal piano può manifestarsi in varie forme tra cui il ribaltamento semplice, ribaltamento per flessione verticale o per flessione orizzontale che andiamo di seguito ad analizzare.

6.4.2. Verifica per ribaltamento semplice Il ribaltamento semplice nel caso di azioni fuori dal piano consiste in un ribaltamento rispetto ad una cerniera alla base del pannello murario. tale cerniera è dovuta alla ridotta resistenza a trazione della muratura. In prima approssimazione si può assumere che la cerniera sia posizionata sul-

6. RInfoRzo DI stRuttuRe In MuRatuRa

89

la superficie esterna del pannello. Il collasso per ribaltamento semplice può avvenire in presenza di pareti non ammorsate ad altre ad esse ortogonali, né trattenute in sommità. un possibile intervento di rinforzo con materiali compositi consiste nell’inserimento di uno o più elementi orizzontali, incollati alla sommità della parete in oggetto, risvoltati sulle pareti ortogonali di estremità (ove possibile) ed ancorati ad esse. un intervento che garantisca la completa eliminazione di questa problematica può essere il cerchiaggio completo della struttura in muratura.

6.4.3. Verifica per flessione della striscia muraria verticale La crisi per collasso fuori dal piano con il fenomeno del ribaltamento per flessione di un pannello di muratura ben vincolato al piede ed in sommità, soggetto ad azioni orizzontali, può essere causata dall’effetto delle sollecitazioni di flessione che si instaurano in esso. In questo caso il collasso avviene per formazione di tre cerniere: una al piede, una in sommità e la terza posizionata ad una certa altezza del pannello. La crisi sopravviene quando, alle sollecitazioni di sforzo assiale e momento flettente, corrisponde un centro di pressione esterno alla muratura. al fine di rinforzare i setti murari per contrastare questa tipologia di crisi per ribaltamento è possibile intervenire mediante l’applicazione di materiali compositi con fibre verticali, in modo da realizzare una “muratura armata con fRP” nella quale gli sforzi di compressione associati alla flessione sono assorbiti dalla muratura e quelli di trazione dal rinforzo di fRP. nel caso di una striscia del pannello murario di larghezza unitaria rinforzata, soggetta alle seguenti azioni (valori di progetto): Pd(s) peso proprio della parte superiore del pannello; Pd(i) peso proprio della parte inferiore del pannello; Qd(s) forza sismica che compete alla parte superiore del pannello; Qd(i) forza sismica che compete alla parte inferiore del pannello; Nd sforzo normale agente sulla sommità del pannello; Qd azione dovuta ad un’ulteriore spinta orizzontale. Nd

C

hs

Pd(s)

h hi

HC,d

Qd(s)

Qd(i)

B

Qd

Pd(i) A

t

figura 6.2. Schema di calcolo per il meccanismo di collasso per flessione verticale (Linee Guida consiglio superiore dei Lavori Pubblici)

90

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La reazione esplicata dal vincolo in c può essere calcolata attraverso l’equazione di equilibrio alla rotazione intorno alla cerniera in a:

H C,d =

(

)

(

hi ⋅ 2 ⋅ Qd + Qd(S) + Qd(S) ⋅ ( 2 ⋅ h − hs ) − t ⋅ Nd + Pd(S) + Pd(i)

)

2⋅h

(6.5)

La sezione muraria in B, dove viene applicato il composito fibrorinforzato per inibire la formazione della cerniera, è soggetta ad uno sforzo normale e ad un momento flettente, rispettivamente, pari a: N Sd = N d + Pd(S) , M Sd = HC,d ⋅ hs − Qd(S) ⋅

hS 2

(6.6)

La verifica a flessione verticale consiste nel controllare che sia soddisfatta la relazione: M Sd ≤ M Rd

(6.7)

I rinforzi verticali devono essere posizionati ad un interasse, pf, soddisfacente la limitazione: pf ≤ 3⋅ t + bf

(6.8)

dove bf è la larghezza dei rinforzi adottati.

6.4.4. Verifica per flessione della striscia orizzontale La crisi per collasso fuori dal piano con il fenomeno del ribaltamento per flessione può avvenire in un pannello di muratura ben vincolato al piede ed inoltre ben ammorsato a muri trasversali in grado di esercitare un’azione di contrafforte, in questo caso la resistenza alle azioni orizzontali è garantita da un funzionamento ad arco della striscia di sommità, il valore del massimo carico orizzontale uniformemente ripartito, q, sopportabile da tale arco può essere valutato mediante la formula: 2

h q = 2 ·t · fmd L2

(6.9)

dove L è la larghezza del pannello e f hmd è la resistenza di progetto a compressione della muratura in direzione orizzontale. Per un valore di q, superiore a quello restituito dalla formula sopra indicata, il pannello collassa per rottura a compressione della muratura. In questo caso l’applicazione di rinforzi di fRP potrebbe indurre un effetto benefico. con riferimento alla striscia di altezza unitaria collocata in sommità del pannello, la crisi sopravviene quando alle sollecitazioni di sforzo assiale e di momento flettente corrisponde un centro di pressione esterno alla muratura.

6. RInfoRzo DI stRuttuRe In MuRatuRa

91

L’applicazione dei materiali compositi consente di contrastare tale meccanismo, conferendo capacità di resistenza a flessione alla striscia di altezza unitaria collocata in sommità del pannello, trasformata in una trave di muratura rinforzata con fRP.

6.4.5. Verifiche per azioni nel piano Per ciò che riguarda i pannelli murari soggetti a sollecitazioni nel piano del pannello, le verifiche da effettuare sono: verifica a pressoflessione nel piano e verifica a taglio.

6.4.6. Pressoflessione nel piano nel caso di pannelli murari soggetti a sollecitazioni nel piano del pannello è possibile incrementare la resistenza a pressoflessione nel piano del pannello disponendo i rinforzi con materiali compositi verticalmente ed in maniera simmetrica sulle due facce del pannello murario ed ancorando gli stessi alle sezioni di estremità del pannello.

6.4.7. Taglio nel caso di pannelli murari soggetti a sollecitazioni nel piano è possibile incrementare la resistenza a taglio del pannello murario tramite la posa in opera di materiali compositi. L’incremento della resistenza a taglio del pannello richiede che siano disposti sulla parete sia rinforzi capaci di assorbire la trazione generata dalla flessione, sia rinforzi disposti nella direzione del taglio, atti a generare il comportamento a traliccio. In caso di assenza di rinforzi di fRP disposti per la pressoflessione, il rinforzo del pannello a taglio può essere ottenuto applicando i rinforzi secondo le diagonali del pannello. Qualora sia garantita la formazione del traliccio resistente, la resistenza di progetto a taglio della muratura rinforzata, VRd, è calcolata come somma dei contributi della muratura, VRd,m, e del rinforzo di fRP, VRd,f, fino al valore limite VRd,max che provoca la rottura delle bielle compresse del traliccio: VRd = min{VRd,m +VRd,f,VRd,max}

(6.10)

nel caso in cui il rinforzo a taglio sia disposto parallelamente ai corsi di malta, i contributi sopra definiti possono essere valutati come segue:

essendo: γRd d t fvd

VRd,m = 1 · d · t · fvd γ Rd

(6.11)

0.6 · d · A fw ⋅ f fd VRd,f = 1 ⋅ γ Rd pf

(6.12)

il coefficiente parziale da assumersi pari a 1.20; la distanza tra il lembo compresso e il baricentro del rinforzo a flessione; lo spessore della parete; la resistenza di progetto a taglio della muratura pari a fvk/γM;

92

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Afw ffd

l’area del rinforzo a taglio disposta in direzione parallela alla forza di taglio, con passo pf misurato ortogonalmente alla direzione della forza di taglio; la resistenza di progetto del rinforzo di fRP, definita come il minimo tra la tensione di rottura del composito e la tensione nel composito alla quale si ha la decoesione dalla muratura.

La massima resistenza a taglio del pannello murario, VRd,max, corrispondente allo stato limite di compressione delle diagonali del traliccio vale: h VRd,max = 0.3· fmd ·t · d

(6.13)

dove f hmd è la resistenza a compressione di progetto della muratura nella direzione dell’azione agente, cioè parallela ai letti di malta. nel caso di parete rinforzata con soli elementi longitudinali atti ad assorbire la trazione generata dalla flessione, l’incremento di resistenza a taglio prodotto dall’incremento della risultante di compressione agente sulla muratura, può essere calcolato determinando il valore della resistenza fvk associata alla compressione media, comprensiva di quella dovuta alla flessione, agente sulla muratura.

t 6.5. rinforzo di archi e volte in muratura un’interessante applicazione dei materiali compositi nell’ambito delle strutture in muratura riguarda il rinforzo di volte che può essere realizzato su elementi voltati di numerose geometrie come ad esempio quelle a singola o doppia curvatura. Da un punto di vista statico, la stabilità di una struttura voltata è garantita quando la curva delle pressioni, ovvero il poligono funicolare del carico permanente e di quello accidentale gravanti su di essa, passa all’interno del nocciolo centrale d’inerzia di ciascuna sezione, fino a quando l’eccentricità si mantiene limitata rispetto al nocciolo centrale d’inerzia, l’arco è capace di rimanere in esercizio pur fessurandosi, se invece la curva delle pressioni, già esterna alle linee di nocciolo, fuoriuscisse anche dalle linee di intradosso o estradosso, ovvero dai bordi dell’arco, sopraggiunge la crisi per formazione di una cerniera. fino alla formazione di tre cerniere, l’arco rimane comunque stabile configurandosi secondo il noto schema di arco a tre cerniere e quindi come struttura staticamente determinata. Invece, se il numero di cerniere aumentasse, la struttura diventerebbe labile (meccanismo o cinematismo) e l’arco collasserebbe. a causa della bassissima resistenza a trazione dei conci murari costituenti le strutture voltate le sollecitazioni di trazione che si vengono a creare non sono sopportabili dagli stessi. È possibile quindi intervenire utilizzando i materiali compositi in modo da assorbire le sollecitazioni di trazione che si vengono a creare. La cerniera della muratura trasmette sforzo normale e taglio. ne consegue che, la sezione incernierata trasmette uno sforzo normale di eccentricità pari a metà dello spessore della struttura. un rinforzo di fRP contrasta il meccanismo di rotazione relativa e quindi l’apertura dei cigli fessurativi, impedendo così la formazione di cerniere sulla porzione di contorno opposta a quella su cui lo stesso rinforzo è applicato. conseguentemente, la presenza di un rinforzo all’intradosso (risp. estradosso), adeguatamente ancorato, inibisce la formazione delle cerniere sull’opposta porzione di estradosso (risp. intradosso). L’applicazione di fRP non risulta specificamente idonea per

6. RInfoRzo DI stRuttuRe In MuRatuRa

93

contrastare la rottura a taglio o a schiacciamento della muratura. scopo dell’applicazione di compositi fibrorinforzati è quello di interdire la formazione di determinate cerniere. SEZ A-A rinforzata Scala 1:50

DELIMITAZIONE AFFRESCHI

Y1

DELIMITAZIONE AFFRESCHI

Intervento di rinforzo Scala 1:50

Y2

Y4

X1

A

A

X2

figura 6.3. Rinforzo di volte in muratura

6.5.1. Volte a semplice curvatura – Volte a botte In situazioni frequenti, lo studio della volta a botte è riconducibile a quello di un arco di profondità unitaria il cui profilo corrisponde alla curva direttrice della volta. ne consegue che le volte a botte possono essere rinforzate mediante tessuti applicati lungo la direttrice, sia all’estradosso che all’intradosso. Per soddisfare i requisiti di sicurezza, il rinforzo deve essere disposto in maniera diffusa lungo tutto lo sviluppo longitudinale della volta (direzione della generatrice). Per tale motivo i rinforzi vanno posizionati ad un interasse, pf, che soddisfi la disuguaglianza: p f ≤ 3·t + b f

(6.14)

dove t è lo spessore della volta e bf è la larghezza dei rinforzi adottati. Distanze maggiori sono ammesse solo se adeguatamente giustificate.

94

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Rinforzi longitudinali, quali strisce disposte lungo le generatrici, hanno un’efficacia ridotta limitandosi ad esercitare un’azione di cucitura tra gli archi ideali formanti la volta a botte. tale azione è particolarmente importante in presenza di azioni orizzontali. Generalmente, si consiglia di disporre lungo le generatrici una quantità di rinforzo per unità di area pari al 10% di quella disposta lungo la direttrice. La predetta percentuale deve essere innalzata fino al 25% in zona sismica.

6.5.2. Volte a doppia curvatura su pianta quadrata L’intervento di rinforzo di volte a vela, ovvero volte di traslazione su pianta quadrata, spesso presenti in edifici cellulari con vani di modeste dimensioni, deve innanzitutto interessare la gabbia muraria: l’integrità e la rigidezza di quest’ultima consente alla struttura voltata di equilibrare i carichi verticali con stati tensionali di sola compressione. ove non si ritenga di poter conseguire pienamente tale risultato, i rinforzi sulla volta possono limitarsi ai “pennacchi” d’angolo, nei quali la trazione è prevista in direzione ortogonale alle diagonali del vano.

t 6.6. rinforzo di colonne in muratura Di notevole interesse nell’ambito del rinforzo di elementi in muratura è l’utilizzo di materiali compositi per il confinamento di colonne in muratura tale intervento ha lo scopo di incrementare la loro resistenza e deformazione ultima. Inoltre, lo stesso intervento può migliorare la risposta strutturale in condizioni di esercizio. Il confinamento di elementi strutturali di muratura, può essere realizzato con tessuti, lamine e barre (altrimenti dette tiranti) di materiale composito. I tessuti sono applicati sul contorno come fasciatura esterna continua (ricoprimento) o discontinua (cerchiatura); le barre sono disposte all’interno della colonna per realizzare cuciture armate opportunamente diffuse. Le cuciture sono in grado di contrastare le dilatazioni trasversali che nascono nell’elemento strutturale in conseguenza della compressione assiale.

6.6.1. Resistenza di progetto a compressione centrata dell’elemento confinato nella progettazione di un rinforzo con materiali compositi di pilastri sollecitati da sforzo normale centrato o con piccola eccentricità è necessario dimensionare il rinforzo in materiale composito in modo che il valore di progetto dell’azione assiale agente Nsd (da valutarsi, per le diverse combinazioni di carico previste, come prescritte dalla normativa vigente), ed il valore di progetto della resistenza dell’elemento confinato NRmc,d, soddisfino la disequazione: NSd ≤ NRmc,d

(6.15)

Per il calcolo di NRmc,d può essere utilizzata la seguente formula: N Rmc,d = 1 · Am · fmcd ≥ Am · fmd γ Rd

(6.16)

6. RInfoRzo DI stRuttuRe In MuRatuRa

essendo: gRd Am fccd fmcd

95

il coefficiente parziale (assunto pari a 1.10); l’area della sezione trasversale dell’elemento confinato; la resistenza a compressione della muratura non confinata; il valore di progetto della resistenza a compressione dell’elemento confinato.

come indicato dalle norme, il valore di fccd può essere calcolato con la seguente relazione: fmcd = fmd + k '· fl,eff

(6.17)

Il valore del coefficiente di incremento della resistenza k’ può essere stabilito sulla base di risultati sperimentali relativi a provini di muratura di caratteristiche analoghe a quelle considerate nell’intervento di confinamento. In alternativa è possibile assumere la seguente relazione: k' =

gm 1.000

(6.18)

essendo gm la densità di massa della muratura espressa in kg/m3. La pressione efficace di confinamento, fl,eff, è funzione della forma della sezione e delle modalità di intervento. Indicato con Vm il volume dell’elemento murario e con Vc,eff il volume della porzione efficacemente confinata, si introduce il seguente coefficiente di efficienza: keff =

Vc,eff Vm

(6.19)

in funzione del quale può essere definita la pressione efficace di confinamento. Il coefficiente di efficienza, keff, può essere espresso come prodotto di un coefficiente di efficienza orizzontale, kH, per uno di efficienza verticale, kV: fl,eff = keff · f1 = kH · kV · f1

(6.20)

L’efficacia dell’intervento di confinamento può essere altresì alterata dalla disposizione a spirale della fasciatura esterna. se αf è l’angolo di inclinazione delle fibre rispetto al piano della sezione trasversale dell’elemento, si introduce il seguente coefficiente kα: ka =

1 1 + tg2 α f

(6.21)

L’introduzione di tale coefficiente, moltiplicativo della pressione di sconfinamento, fl, penalizza la pressione efficace di confinamento, fl,eff, indotta dalla fasciatura esterna per effetto dell’inclinazione da essa presentata. Il suddetto coefficiente riguarda soltanto il contributo della fasciatura esterna eventualmente realizzata a spirale. Il contributo di tiranti disposti ortogonalmente all’asse della colonna non è invece affetto da tale coefficiente.

96

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al fine di limitare deformazioni assiali e danneggiamenti in condizioni di esercizio, è opportuno contenere l’incremento di resistenza dell’elemento confinato entro valori non superiori al 50% della resistenza, fmd, del materiale non confinato.

6.6.2. Confinamento di colonne circolari come nel caso delle colonne in c.a. il confinamento di colonne in muratura a sezione circolare consente di raggiungere notevoli incrementi della resistenza a compressione rispetto a quelli più modesti raggiungibili nel caso di sezioni quadrate o rettangolari, per le sezioni circolari, infatti, il coefficiente di efficienza orizzontale, kH, relativo alla fasciatura esterna, è pari a 1 ed il coefficiente di efficienza verticale, kV, è pari a 1 nel caso di fasciatura continua. Qualora la disposizione delle fibre sia ad elica, si deve ridurre opportunamente l’efficienza del confinamento in funzione dell’inclinazione delle fibre, introducendo un ulteriore coefficiente kα. nel caso di cucitura dell’elemento murario mediante barre di fRP, le barre disposte secondo una direzione vanno sfalsate in altezza rispetto a quelle disposte nella direzione ortogonale; inoltre, l’interasse fra le barre disposte nella stessa direzione non deve essere maggiore di D/5. La riduzione della sezione confinata nelle zone intermedie tra due strati contigui di cuciture, similmente a quanto ipotizzato per le sezioni circolari con fasciatura esterna discontinua, è da imputare al fenomeno di diffusione tensionale, schematizzabile attraverso una legge parabolica con angoli di attacco pari a 45°.

6.6.3. Confinamento di colonne quadrate o rettangolari nel caso di confinamento mediante rivestimento di fRP di elementi a sezione quadrata o rettangolare è possibile conseguire solo modesti incrementi della resistenza a compressione. applicazioni di questo genere devono pertanto essere attentamente vagliate ed analizzate. a causa dell’“effetto arco” che si manifesta all’interno della sezione, l’area di colonna effettivamente confinata risulta essere solo un’aliquota di quella complessiva; tale effetto è funzione del raggio di arrotondamento degli spigoli, rc, le norme impongono quindi un arrotondamento degli spigoli della sezione con raggio minimo di 20 mm.

figura 6.4. Confinamento di sezioni rettangolari con fasciatura esterna (Linee Guida del consiglio superiore dei Lavori Pubblici)

6. RInfoRzo DI stRuttuRe In MuRatuRa

97

La pressione di confinamento, fl, di un elemento di sezione rettangolare, di dimensioni b e d, può essere valutata mediante le relazioni presenti al paragrafo 4.6.3 delle Linee Guida del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici. L’utilizzo combinato di una fasciatura esterna e di cuciture interne realizzate con barre può contribuire ad aumentare l’area della sezione efficacemente confinata in sezioni quadrate, rettangolari (figura 6.5) o di forma più articolata.

figura 6.5. Confinamento di elementi di muratura per mezzo di tessuti, senza e con barre di FRP (Linee Guida del consiglio superiore dei Lavori Pubblici)

nel caso di cucitura dell’elemento murario mediante barre di fRP, le barre disposte secondo una direzione vanno sfalsate in altezza rispetto a quelle disposte nella direzione ortogonale. si può ritenere che l’area di muratura effettivamente confinata risulti ridotta rispetto alla sezione complessiva per l’instaurarsi di un “effetto arco” tra le estremità dei tiranti disposti secondo le due direzioni ortogonali prescelte. cy

pb h

pb

cx

b

figura 6.6. Zone di confinamento dei tiranti nella sezione trasversale e longitudinale (Linee Guida del consiglio superiore dei Lavori Pubblici)

t 6.7. sistemi di pretensionamento Gli interventi di rinforzo con materiali compositi più spesso realizzati rappresentano sistemi passivi di rinforzo che non sono quindi accoppiati ad alcun intervento di pretensionamento che potrebbe garantire un rinforzo attivo. negli anni si sono studiati, sperimentati e brevettati numerosi sistemi di rinforzo che consentono, mediante l’uso di tecnologie più o meno semplici, il tensionamento di alcuni sistemi di rinforzo con i materiali compositi.

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figura 6.7. Sistema di pretensionamento per FRP

un primo esempio di tecnologia è costituito dal sistema di tensionamento per catene in fRP studiato all’università di napoli – Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione dallo staff del Prof. I. crivelli Visconti, che mostriamo di seguito.

figura 6.8. Esploso del sistema di pretensionamento

al fine di raggiungere gli scopi prefissati è necessario effettuare le operazioni che di seguito si espongono. Per l’alloggio del sistema in oggetto è necessaria la realizzazione di un apposito scavo all’interno dell’elemento che viene contenuto tra le piastre di distribuzione del carico e che risulterà, alla fine del processo, caratterizzato da uno stato tensionale di compressione. Lo scavo in oggetto si può distinguere in due scavi principali: il primo all’interno dell’elemento su cui si opera nel quale viene alloggiato il tubo contenente la barra in materiali composito, il secondo sulle facce terminali esterne dell’elemento nel quale vengono alloggiate le piastre che servono per distribuire le sollecitazioni che avvengono come reazione alla trazione imposta sulla barra in composito fibroso. Il secondo scavo a cui si è fatto riferimento serve per far si che la geometria della superficie esterna originaria, possa essere ripristinata, tale scavo può anche non essere realizzato nel caso in cui non si abbia interesse a ripristinare la geometria del manufatto originale. entrambi gli scavi possono avere geometria comunque variabile e direttrice di scavo comunque variabile in funzione del manufatto oggetto dell’intervento e dello stato tensionale che si vuole imporre allo stesso. In seguito alla realizzazione degli scavi di cui sopra si deve procedere alla posa in opera del sistema di tensionamento che si analizza nei passaggi successivi. all’interno del primo scavo realizzato viene posizionato un tubo forato (fig. 6.8, elemento 8) che servirà per l’alloggio delle fibre e per la succes-

6. RInfoRzo DI stRuttuRe In MuRatuRa

99

siva impregnazione delle stesse. Questo tubo può essere realizzato con geometria e materiale comunque variabile. L’assenza di tale tubo non inficia gli scopi prefissati dall’invenzione: la sua funzione infatti in alcuni casi, ad esempio quando il materiale dell’elemento non è molto poroso, può essere adempiuta dalla superficie dello stesso foro realizzato in precedenza che funge sia da alloggio per le fibre sia successivamente per la resina di impregnazione. alle due estremità del tubo o comunque in prossimità delle due estremità del foro realizzato (nel caso in cui non viene utilizzato il tubo) vengono posizionati due “manicotti” che serviranno come collegamento della barra in composito al resto del sistema e per la successiva fase di tiro. tali “manicotti” possono essere forati e caratterizzati dall’essere filettati sia sulla superficie interna sia sulla superficie esterna e tali filettature possono avere caratteristiche geometriche comunque variabili in funzione della forza di tiro che si vuole imporre e del materiale sul quale viene imposto il tensionamento. La lunghezza di questi elementi può essere comunque variabile in funzione della forza di tiro che si desidera applicare. Bisogna quindi posizionare le due piastre (fig. 6.8, elementi 4/10) che garantiscono la distribuzione dei carichi che vengono determinati dal successivo tensionamento. Le piastre in oggetto possono essere realizzate in materiale metallico, materiale composito o qualsiasi materiale che consenta di garantire al pezzo le caratteristiche meccaniche necessarie alle successive fasi del tensionamento. La geometria di tali piastre può essere comunque variabile in funzione delle caratteristiche geometriche e meccaniche dell’elemento da rinforzare e in funzione della zona sulla quale si vuole distribuire lo stato tensionale. L’assenza di una o entrambe le piastre non inficia gli scopi prefissati dall’invenzione, ma la loro assenza non consente la corretta distribuzione dello stato tensionale che risulta quindi localizzato. sulla superficie esterna dei due manicotti vengono quindi avvitati due dadi aventi filettatura tale da consentire di essere avvitati sulla filettatura esterna dei manicotti. I dadi possono avere geometria esterna variabile e lunghezza variabile in funzione del carico che si intende applicare al tensionamento. all’interno del sistema così realizzato vengono quindi posizionate le fibre che verranno successivamente fatte oggetto del tensionamento. successivamente alla fase di posizionamento delle fibre è necessario effettuare un pretensionamento delle stesse che può essere anche effettuato manualmente e serve ad effettuare l’allineamento delle fibre che diversamente produrrebbero un composito con notevole riduzione delle caratteristiche meccaniche. una volta effettuato il tensionamento delle fibre, mantenendo le stesse ancora in tiro si può procedere a posizionare il sistema di impregnazione. L’impregnazione del sistema può essere realizzata sia con un sistema di pompaggio di resina sia mediante un sistema di aspirazione di resina. entrambi i sistemi sono caratterizzati da un punto di ingresso ed un punto di uscita della resina che possono essere costituiti da due tubicini, posizionati in prossimità o all’interno dei fori dei manicotti. Dopo aver posizionato i tubicini di ingresso e uscita della resina è possibile iniziare le operazioni di impregnazione, tali operazioni vengono effettuate mediante l’utilizzo di un compressore o di una pompa, che consentono l’ingresso della resina e l’impregnazione delle fibre. nel caso in cui invece di utilizzare fibre secche da impregnare vengono utilizzati profili prepolimerizzati, le operazioni da eseguire sono le stesse tenendo presente che è comunque necessario effettuare il collegamento mediante incollaggio della barra ai manicotti. In questo caso non risulta necessaria la fase di pretensionamento, e le fasi di incollaggio dei manicotti alla barra di composito possono essere effettuate in momenti diversi e anche con due sistemi separati di iniezione. nel caso si utilizzino barre prepolimerizzate, al fine di migliorare il collegamento delle stesse con i manicotti, è possibile utilizzare oltre alle tipiche barre lisce, barre aventi superficie esterna caratterizzata da geometria che ne determini l’aderenza migliorata. Dopo aver proceduto alle prece-

100

RInfoRzo stRuttuRaLe con MateRIaLI coMPosItI

denti operazioni, e dopo aver atteso il tempo necessario alla polimerizzazione della resina utilizzata, è quindi possibile iniziare le operazioni di tiro. In alcuni casi prima di effettuare tali operazioni di tiro è possibile procedere con un’ulteriore operazione che può garantire una maggiore funzionalità al sistema, tale operazione consiste nell’iniezione, all’interno dell’intercapedine presente tra il tubo di alloggio delle fibre e il foro precedentemente realizzato, di una malta da iniezione o di una resina che consentono il totale ripristino della continuità del sistema eliminando tutti i possibili fenomeni di concentrazione di carichi che potrebbero inficiare il corretto funzionamento del sistema. al fine di effettuare le operazioni di tiro, dopo aver eliminato tutti i sistemi di iniezione, è necessario utilizzare una opportuna chiave metallica (fig. 6.9, elemento 1). Dopo aver posizionato le due chiavi in modo da bloccare sia il manicotto sia il dado si passa all’effettiva operazione di tiro, tale operazione viene effettuata bloccando la chiave interna, anche mediante l’utilizzo di un ulteriore elemento che ne semplifichi il bloccaggio, e posizionando una chiave dinamometrica in uno degli appoggi appositi presenti sulla chiave esterna. Dopo aver posizionato la chiave dinamometrica si passa infine alla fase di tiro che verrà continuata fino al raggiungimento del valore di tiro desiderato che può essere determinato dai valori indicati dalla chiave.

6.7.1. Sistema di tensionamento per SRG – SRP un secondo importante esempio di tecnologia è costituito dal sistema di tensionamento per tessuti in sRG o sRP. A

B

B

A

figura 6.9. Sistema di pretensionamento per compositi SRP – FRP

Per realizzare un sistema di tensionamento per compositi tipo sRG – sRP è possibile procedere come segue. Per prima cosa è necessario provvedere alla preparazione e completa pulizia delle superfici di supporto con eliminazione totale di parti inconsistenti e di qualsiasi materiale che possa pregiudicare il buon aggrappo delle lavorazioni seguenti, e ove necessario allo smusso di eventuali angoli. Per interventi su supporti in calcestruzzo che si presentassero eccessivamente degradati con la presenza di ferri d’armatura a vista è necessario effettuare un primo intervento di ripristino strutturale con apposito passivante e malta tissotropica su supporti in muratura molto irregolari, realizzazione di piste di livellamento da effettuare con malte idrauliche appositamente formulate.

6. RInfoRzo DI stRuttuRe In MuRatuRa

101

D

D

figura 6.10. Sistema di ancoraggio e pretensionamento per compositi SRP – FRP

ad indurimento delle piste di allettamento, predisporre gli ancoraggi meccanici bloccando a sandwich ciascuna delle estremità del tessuto tra la piastra e la contro piastra metallica (step 1 e 2 dell’immagine successiva). Posizionare l’angolare sulle piastre di serraggio. avvicinare il sistema così realizzato al perforo precedentemente effettuato, facendo passare la barra filettata attraverso l’apertura di cui e provvista la parete verticale del profilo ad L.

E

E

figura 6.11. Particolare dell’angolare in acciaio

102

RInfoRzo stRuttuRaLe con MateRIaLI coMPosItI

Bloccare il sistema, stendere il tessuto sull’eventuale pista, procedere alla messa in tensione del tessuto con apposita chiave dinamometrica e fissare l’altra estremità solidarizzando la doppia piastra di ancoraggio al supporto.

t 6.8. sistemi di ancoraggio Per quanto riguarda il collegamento dei laminati alle murature si è dimostrato sperimentalmente in numerosi studi, che oltre all’adesione determinata per mezzo di resina, è consigliabile un successivo ancoraggio meccanico che può essere realizzato in materiale composito o metallico. oltre alle tradizionali piastre metalliche è possibile realizzare ancoraggi in materiale composito costituiti in sostanza da “corde” realizzate con fibre unidirezionali, spesso indicato con il nome di “fiocco”.

figura 6.12. Trefolo in CFRP

Molto spesso l’ancoraggio viene realizzato successivamente alla fase di polimerizzazione mediante foratura del composito generando il taglio delle fibre che determina una riduzione delle proprietà finali ed applicando il fiocco con una impregnazione di tipo manuale. al fine di evitare il taglio delle fibre migliorando le caratteristiche meccaniche finali del sistema è opportuno effettuare l’inserimento del trefolo in una cavità precedentemente realizzata mediante spostamento delle fibre. In questo modo la fase di impregnazione può essere coincidente e questo metodo di realizzazione del sistema garantisce una maggiore continuità all’interfaccia foro-fiocco grazie alla contemporanea polimerizzazione dei due elementi fibrosi (tessuto e trefolo). Per la realizzazione dei trefoli è sconsigliato l’utilizzo di fibre di carbonio data la bassa resistenza a taglio mentre è consigliato l’utilizzo di fibre aramidiche o fibre di acciaio. nel caso si utilizzino fiocchi in acciaio al carbonio per ancorare rinforzi realizzati con tessuti in cfRP è sempre opportuno evitare il contatto diretto tra acciaio e carbonio interponendo ad esempio tra i due uno strato di fibra di vetro.

t 6.9. Preparazione del substrato uno dei fattori di maggiore importanza nell’ambito dei sistemi di consolidamento con materiali compositi è la trasmissione degli sforzi dal supporto dell’elemento da rinforzare ai materiali di rinforzo, se tale trasferimento di carichi non è garantito viene inficiato il corretto funzionamento dei sistemi di rinforzo. In fase preliminare alla stesura del progetto di rinforzo è necessario effettuare oltre alle verifiche di caratterizzazione delle proprietà meccaniche degli elementi costituenti la struttura anche quelle relative alle proprietà meccaniche del substrato. La maggiore o minore incidenza delle caratteristiche del substrato è funzione del tipo di applicazione che si va a realizzare a seconda che ci si ri-

6. RInfoRzo DI stRuttuRe In MuRatuRa

103

ferisca ad applicazioni “per aderenza” (rinforzo a flessione o a taglio) o applicazioni “per contatto” (confinamento passivo di colonne o pilastri di muratura). al fine di incrementare le caratteristiche meccaniche del substrato è possibile intervenire preventivamente all’applicazione dei materiali compositi con un’opportuna primerizzazione realizzata con appositi prodotti. La progettazione del tipo e del numero di prove da eseguire deve essere condotta, per ciascuna applicazione, valutando: – l’importanza funzionale e strategica che assume la costruzione durante gli eventi sismici, in relazione alle conseguenze di un eventuale collasso; – la sua valenza storica e culturale; – la rilevanza strutturale dell’intervento, a seconda che riguardi elementi strutturali primari (es. volte, cupole, colonne, archi, pareti) o secondari (es. piattabande, tiranti); – l’estensione dell’intervento in rapporto alle dimensioni della struttura. Il substrato della muratura può aver subito un deterioramento fisico-chimico, fisico-meccanico, biologico o conseguente ad un impatto. In tal caso è fondamentale rimuovere interamente la muratura deteriorata. una volta che il substrato deteriorato sia stato rimosso e siano stati adottati gli opportuni provvedimenti per bloccare i processi di degrado dei materiali, nonché tutti gli altri fenomeni che siano causa di esso (ad esempio infiltrazioni d’acqua o presenza di micro vegetazione), si può procedere alla ricostruzione delle parti rimosse mediante l’utilizzo di prodotti compatibili con la muratura stessa. al ripristino delle parti di murature ammalorate è opportuno associare il livellamento di eventuali asperità superficiali superiori a 10 mm. Il livellamento può essere effettuato con stucco epossidico compatibile per asperità comprese tra i 10 mm ed i 20 mm; oppure con malta fibrorinforzata per asperità superiori ai 20 mm. se l’elemento da rinforzare presenta fessure di ampiezza superiore a 0.5 mm, è opportuno che queste ultime siano richiuse mediante iniezione prima di applicare il rinforzo. nel caso in cui si operi su una superficie di muratura che non necessiti di ripristino, ma che sia di qualità scadente, è opportuno valutare la possibilità di applicare su di essa un consolidante prima della stesura del primer. È necessario assicurarsi che le parti degli elementi interessate dal rinforzo con composito siano perfettamente pulite, rimuovendo da esse polveri, grassi, idrocarburi e tensioattivi. In tutti i casi in cui il materiale composito di rinforzo debba essere applicato su spigoli, è necessario procedere preventivamente all’arrotondamento di questi ultimi con un raggio di curvatura non inferiore a 20 mm. successivamente alla preparazione del substrato, in fase di posa in opera dei materiali compositi è necessario tenere in considerazione che i rinforzi non vanno installati su substrati che presentino un grado di umidità superficiale maggiore del 10%: tale condizione potrebbe infatti impedire la penetrazione del primer nei pori e generare bolle d’aria tali da compromettere l’aderenza ed il rinforzo, inoltre, non va installato se la temperatura ambiente e quella superficiale sono molto basse, in quanto potrebbe essere pregiudicata la perfetta stagionatura delle resine e l’impregnazione delle fibre. È sconsigliato installare il rinforzo se le suddette temperature non ricadono nell’intervallo 10-35 °c. In ambienti a bassa temperatura, se la tempistica di cantiere non consente di differire l’installazione, è opportuno riscaldare artificialmente le zone interessate dal rinforzo. Parimenti, è sconsigliato installare il rinforzo nel caso in cui la superficie muraria sia esposta a forte soleggiamento. Gli intervalli di temperatura per il corretto utilizzo delle resine devono essere indicati sulle relative schede tecniche.

104

caPItoLo 7

caraTTerizzazione e moniToraggio dei sisTemi aPPLicaTi

t 7.1. introduzione nei capitoli precedenti si è concentrata l’attenzione principalmente sulle modalità di verifica e progettazione degli interventi di rinforzo con materiali compositi evidenziando l’importanza di accurate analisi preventive di caratterizzazione delle strutture oggetto di rinforzo. al fine di garantire la realizzazione degli interventi realizzati a perfetta regola d’arte è necessario tenere in considerazione numerosi aspetti, legati alla fase di realizzazione delle opere, che andremo ad analizzare nel seguito. I sistemi di rinforzo strutturale con materiali compositi devono seguire scrupolose regole di certificazione e verifica che devono essere considerate a partire dalla fase di progetto fino al collaudo delle opere. Il progettista, infatti, determina per primo la tipologia dei materiali che devono essere utilizzati scegliendo tra un sistema di “tipologia a” o di “tipologia B” e questa scelta, come altre, va garantita e verificata da tutte le figure tecnico-professionali che seguono la realizzazione delle opere fino ad arrivare al collaudo delle stesse. Le normative tecniche, a partire dal Dt 200-04 fanno riferimento a specifiche modalità di verifica e certificazione dei materiali e della loro posa in opera ed in particolare le “Linee Guida dell’Assemblea Generale del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici” introducono l’obbligatorietà dei controlli di accettazione dei materiali, indicando che i prelievi e la preparazione dei provini devono essere svolti sotto la supervisione del Direttore dei Lavori che, successivamente, potrà consegnare i provini ad un laboratorio abilitato ai sensi dell’articolo 59 del D.P.R. n. 380/2001 per l’effettuazione di prove sperimentali e relativa certificazione. Le stesse Linee Guida chiariscono inoltre che per l’identificazione e la qualificazione dei compositi per il rinforzo strutturale non esiste ad oggi una normativa europea armonizzata, che preveda anche la marcatura ce, ma è possibile fare riferimento a specifiche tecniche di comprovata validità che garantiscano un livello di sicurezza equivalente a quello definito per i materiali tradizionali nel vigente decreto relativo alle norme tecniche per le costruzioni. Di seguito andiamo ad analizzare ed a riportare le principali indicazioni presenti nelle attuali norme tecniche in riferimento ai sistemi di verifica e certificazione da adottare nella realizzazione di un intervento di rinforzo con materiali compositi.

t 7.2. i materiali I materiali compositi utilizzati per le applicazioni di rinforzo strutturale devono essere: – identificabili per poter risalire univocamente al produttore; – qualificati e controllati secondo procedure di controllo ben definite ed applicabili al processo di produzione in fabbrica e verificati regolarmente da un ente terzo di ispezione abilitato; – accettati dal Direttore dei lavori dopo verifica della documentazione e prove di accettazione.

7. caRatteRIzzazIone e MonItoRaGGIo DeI sIsteMI aPPLIcatI

105

nella verifica delle specifiche tecniche dei materiali che vengono utilizzati in un intervento di rinforzo si deve effettuare una prima distinzione tra i laminati pultrusi prodotti in stabilimento ed i laminati prodotti in situ.

7.2.1. Laminati pultrusi nel caso si utilizzino laminati pultrusi prodotti in stabilimento, le caratteristiche che bisogna verificare sono le seguenti: – proprietà geometriche e fisiche del laminato tabella 7.1; – proprietà meccaniche tabella 7.2. tali informazioni devono essere riportate nelle schede tecniche dei prodotti utilizzati, nelle quali devono essere specificati i valori nominali ovvero una stima affidabile e sicura dei valori adottabili dal progettista. Tabella 7.1. Caratteristiche geometriche e fisiche dei compositi pultrusi (Linee Guida del consiglio superiore dei Lavori Pubblici) Proprietà fisiche del composito

unità di misura

spessore (lamine)

mm

Larghezza

mm

Lunghezza

mm

area nominale (barre, cavi)

mm2

Densità fibra

g/cm3

contenuto di fibra

%

temperatura di transizione vetrosa della resina (tg)

°c

Tabella 7.2. Caratteristiche meccaniche dei compositi pultrusi (Linee Guida del consiglio superiore dei Lavori Pubblici) Proprietà fisiche del composito

unità di misura

norma

Modulo di elasticità normale a trazione

Gpa

Iso 527-4.5:1997(e)

Resistenza a trazione – valore medio e caratteristico

Mpa

Iso 527-4.5:1997(e)

Deformazione a rottura a trazione

%

Iso 527-4.5:1997(e)

Modulo di elasticità normale a compressione (barre)

Gpa

Iso 14126:1999(e)

Resistenza a compressione (barre) – valore medio e caratteristico

Mpa

Iso 14126:1999(e)

Deformazione a rottura per compressione (barre)

%

Iso 14126:1999(e)

Resistenza a creep

Gpa

Iso 899-1:2003(e)

Rilassamento (barre, cavi) – aderenza: rensione tangenziale (barre, cavi)

Prova di pull-out

106

RInfoRzo stRuttuRaLe con MateRIaLI coMPosItI

7.2.2. Laminati prodotti in situ Quanto la fase di inglobamento della componente fibrosa nella matrice viene effettuata in cantiere mediante un processo di laminazione il composito che ne deriva viene definito composito laminato in situ, per questi compositi non è possibile stimare a priori lo spessore finale del laminato ed è indispensabile fare riferimento alle proprietà meccaniche ed all’area resistente del tessuto secco, basandosi sui dati forniti nelle schede tecniche. Lo spessore finale di un composito laminato in situ è influenzato da numerosi fattori ed in particolar modo dalla capacità tecnica degli operatori. al fine di determinarne le caratteristiche non è quindi possibile fare riferimento alle tabelle sopra riportate ed è necessario effettuare una accurata verifica di accettazione dei materiali utilizzati nel cantiere.

7.2.3. Controlli di produzione I processi di produzione dei materiali compositi devono essere caratterizzati da verifiche sperimentali effettuate con regolarità dal controllo interno della produzione ed eventualmente certificate da un ente terzo. In particolare, per quanto riguarda il sistema di gestione della qualità che sovrintende al processo di fabbricazione, questo deve essere predisposto secondo le norme unI en 9001 e certificato da un ente terzo abilitato ai sensi dell’articolo 59 del decreto del Presidente della Repubblica 6 giugno 2001, n. 380. eventuali controlli ed ispezioni di enti terzi dovranno essere invece effettuate da laboratori di prova abilitati ai sensi dell’articolo 59 del decreto del Presidente della Repubblica 6 giugno 2001, n. 380 (Testo unico delle disposizioni legislative e regolamentari in materia edilizia) o da laboratori di comprovata competenza e con attrezzature adeguate che abbiano ricevuto apposita abilitazione dal servizio tecnico centrale del consiglio superiore dei Lavori Pubblici. Le principali caratteristiche di un materiale composito sono la tensione di rottura, il modulo elastico e la deformazione ultima. In particolare, per i materiali pultrusi (barre e lamine) è importante anche la conoscenza della frazione volumetrica ovvero il volume delle fibre rispetto al volume totale del prodotto mentre per i tessuti i valori sopra riportati sono riferiti al tessuto secco.

t 7.3. Prove sperimentali come già riportato, la fase di caratterizzazione dei materiali utilizzati in cantiere, del composito prodotto in situ e dell’adesione composito-supporto è una tra gli aspetti più delicati ed importanti. Le prove sperimentali più comuni e significative che è possibile effettuare per il tessuto, il composito e l’adesivo sono elencate in tabella 7.3 come indicato nelle Linee guida per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Collaudo di Interventi di Rinforzo di strutture di c.a., c.a.p. e murarie mediante FRP redatte dal consiglio superiore dei Lavori Pubblici. Le prove t1-t6 riguardano proprietà fisiche del composito. Le prove t1-t4 sono applicabili solo al tessuto secco mentre le prove t5-t6 sono applicabili ad entrambi i tipi di composito (pultruso o laminato in situ). Le prove t7 e t8 sono riferite alle proprietà meccaniche e di aderenza dell’adesivo impiegato.

7. caRatteRIzzazIone e MonItoRaGGIo DeI sIsteMI aPPLIcatI

107

Tabella 7.3. Prove sperimentali per la caratterizzazione di materiali compositi utilizzati per il rinforzo strutturale (Linee Guida del consiglio superiore dei Lavori Pubblici) Test

Proprietà

unità di misura

metodo di prova, normativa di riferimento

Test

T1

Densità delle fibre

rfib [g/cm3]

astM D 792

facoltativo

Iso 1183-1 T2

Massa del tessuto per unità di area

px [g/m2]

Iso 3374

obbligatorio

T3

Densità della resina

rm [g/cm3]

Iso 1675

facoltativo

T4

area equivalente spessore equivalente

Art [mm2/m] teq [mm]

–

facoltativo

Iso 11667

facoltativo

Iso 1172 astM D2734

facoltativo

Iso 527-4,5

obbligatorio

Iso 4587

obbligatorio

T5

T6

T7

T8

frazione in peso delle fibre nel composito frazione in volume delle fibre nel composito Percentuale di vuoti nel composito

Pfib – Vfib – VV – Ef [Mpa] ff [Mpa] εf [%]

Modulo elastico del laminato Resistenza del laminato Deformazione a rottura del laminato Modulo elastico del laminato riferita all’area delle fibre Resistenza del laminato riferita all’area delle fibre Deformazione a rottura delle fibre

Ffib [Mpa] εfib [%]

Resistenza del gunto adesivo

fcrit

Efib [Mpa]

nell’ambito della progettazione e successiva realizzazione di un sistema di consolidamento basato sull’utilizzo di materiali compositi, il progettista, il direttore dei lavori, le imprese appaltatrici, il collaudatore ed i laboratori di prova hanno compiti ben precisi e tutti tra loro complementari.

t 7.4. il collaudo delle opere una figura importante nell’ambito di un intervento con materiali compositi è il collaudatore, quest’ultimo deve infatti verificare le ipotesi progettuali, i modelli di calcolo, l’attendibilità dei livelli di conoscenza dichiarati in progetto e la puntuale corrispondenza di quanto eseguito agli elaborati progettuali, oltre a verificare l’avvenuta accettazione dei materiali da parte del direttore dei lavori. Le prove realizzabili nell’ambito di un sistema di rinforzo con compositi sono distinguibili in prove distruttive e prove non distruttive. Di seguito si analizzano le varie tipologie di prove realizzabili come indicato nelle Linee Guida del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici.

108

RInfoRzo stRuttuRaLe con MateRIaLI coMPosItI

7.4.1. Prove semi-distruttive Possono essere eseguite sia prove di strappo normale che prove di strappo a taglio. Le prove semidistruttive vanno eseguite su testimoni, zone aggiuntive di rinforzo in parti della struttura opportunamente selezionate. tali zone, suddivise in fazzoletti di dimensioni superiori a 500*200 mm2, devono presentare un’estensione totale minima di 0.1 m2. I fazzoletti vanno realizzati all’atto del rinforzo, con gli stessi materiali e con le medesime modalità previste per il rinforzo principale, in zone in cui la rimozione del rinforzo non comporti alterazione dei meccanismi di collasso. I fazzoletti devono, inoltre, essere esposti alle stesse condizioni ambientali del rinforzo principale e, se in numero maggiore di uno, devono essere distribuiti in maniera omogenea. Il numero totale delle prove semidistruttive deve essere commisurato all’importanza dell’intervento e comunque non vanno previste meno di due prove ogni tipo di applicazione.

7.4.2. Prova di strappo normale La prova, utile per il solo accertamento delle proprietà del substrato ripristinato, viene eseguita utilizzando piastre circolari di acciaio di spessore 20 mm e con diametro pari ad almeno 3 volte la dimensione caratteristica dell’inerte del calcestruzzo del substrato, e comunque non inferiore a 40 mm. Il rinforzo deve essere tagliato attorno al bordo della piastra, prima della prova, con una fresa cilindrica retta di diametro 3 mm, rotante ad almeno 2.500 giri/min, avendo cura di non surriscaldare il composito e di ottenere l’incisione anche del substrato per uno spessore di 1-2 mm. L’applicazione può ritenersi accettabile se almeno l’80% delle prove (entrambe nel caso di due sole prove) fornisce una tensione di picco allo strappo non inferiore a 0.9-1.2 MPa ed inoltre se, prevalentemente, la crisi è localizzata al di sotto della superficie di interfaccia composito/substrato.

7.4.3. Prova di strappo a taglio La prova risulta particolarmente significativa per l’accertamento della qualità dell’incollaggio. È eseguibile solo se è possibile tirare una porzione di materiale composito nel proprio piano in corrispondenza di uno spigolo staccato dal substrato. L’applicazione può ritenersi accettabile se almeno l’80% delle prove (entrambe nel caso di due sole prove) fornisce una forza di picco allo strappo non inferiore a 24 kn.

7.4.4. Prove non distruttive Le prove non distruttive possono essere utilizzate per caratterizzare l’omogeneità dell’applicazione a partire da adeguate mappature bidimensionali della superficie rinforzata aventi risoluzione spaziale differenziata in funzione della zona del rinforzo. Possono essere eseguiti test di tipo acustico stimolato, ultrasonici ad alta frequenza, termografici e in emissione acustica.

7.4.5. Prove di tipo acustico stimolato tali prove si fondano sul diverso comportamento oscillatorio dello strato di composito in presenza o in assenza di coerenza con il substrato sottostante.

7. caRatteRIzzazIone e MonItoRaGGIo DeI sIsteMI aPPLIcatI

109

nella versione più elementare, una prova di questo tipo può essere eseguita da un tecnico esperto percuotendo la superficie del composito con una bacchetta rigida e ascoltando la sonorità che scaturisce dall’impatto. Risultati più oggettivi possono essere ottenuti con sistemi automatizzati.

7.4.6. Prove ultrasoniche ad alta frequenza Devono essere condotte impiegando metodologie in riflessione con frequenze non inferiori a 1.5 MHz e sonde con diametro non superiore a 25 mm, utilizzando la tecnica basata sulla variazione dell’ampiezza del primo picco per la localizzazione dei difetti.

7.4.7. Prove termografiche Risultano efficaci solamente in presenza di materiali di rinforzo caratterizzati da bassa conducibilità termica e non sono applicabili a rinforzi in carbonio o con fibre metalliche, a meno che non vengano utilizzati accorgimenti particolari che ne garantiscano una sensibilità adeguata. occorre, inoltre, assicurare che il riscaldamento impartito nel corso della prova non danneggi il rinforzo con temperature troppo vicine a quella di transizione vetrosa.

7.4.8. Prove in emissione acustica La tecnica, basata sull’emissione acustica (ea), consente di cogliere e seguire il verificarsi e l’evolversi di un fenomeno di danno all’interno di un elemento strutturale soggetto a carico, “ascoltando” e registrando i “rumori” generati dalla formazione di cracks o fenomeni di distacco, che si propagano nel mezzo come onde elastiche. Rientra tra i metodi di controllo e monitoraggio passivi, i quali si attivano in funzione delle condizioni presenti negli elementi strutturali in fase di esercizio. tale tecnica risulta particolarmente idonea per rilevare difetti dell’applicazione del composito alla struttura di c.a. e per rilevare l’inizio del distacco dalla struttura medesima.

7.4.9. Prove a collasso su elementi, travi e pilastri rinforzati Le prove prevedono di estrarre l’elemento strutturale ed assoggettarlo a carichi per valutarne la resistenza a taglio e/o a flessione. Le prove sono particolarmente utili per accertare problemi di localizzazione per effetto delle fessure. si dovrà accertare che il meccanismo fessurativo sia quello della struttura reale.

t 7.5. gli operatori per l’esecuzione delle prove In conformità con la normativa di riferimento unI en 473 e unI en 45013, i profili professionali degli operatori preposti alle prove devono corrispondere ai seguenti tre livelli di qualifica appresso specificati (tabella 7.4). La qualifica va anche regolata in accordo con la normativa unI en 45013 – Criteri generali riguardanti gli Organismi di Certificazione preposti alla certificazione del personale.

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RInfoRzo stRuttuRaLe con MateRIaLI coMPosItI

Tabella 7.4. Livelli di specializzazione per l’esecuzione di prove di monitoraggio e collaudo (Linee Guida del consiglio superiore dei Lavori Pubblici) Livello 1 Regolare l’apparecchiatura; eseguire le prove; registrare e classificare i risultati in relazione a criteri scritti; stendere un resoconto sui risultati. Livello 2 scegliere la modalità operativa della prova da utilizzare; definire i limiti di applicazione della prova per la quale la persona di livello 2 è qualificata; comprendere le norme e le specifiche di prova e tradurle in istruzioni pratiche di prova adattate alle condizioni reali di lavoro; regolare e tarare le apparecchiature; effettuare e sorvegliare le prove; interpretare e valutare i risultati in funzione delle norme, dei codici o delle specifiche da rispettare; redigere le istruzioni scritte di prova per il livello 1; svolgere e sorvegliare tutti gli incarichi propri di un livello 1; addestrare o guidare il personale di livello inferiore al livello 2; organizzare i risultati di una prova e redigere il relativo rapporto. Livello 3 assumere l’intera responsabilità di un laboratorio di prova e del relativo personale; stabilire e convalidare le tecniche e le procedure di prova; interpretare le norme, i codici, le specifiche e le procedure; stabilire le prove specifiche e le procedure che è opportuno utilizzare; avere la competenza per valutare ed interpretare i risultati in relazione alle norme, ai codici ed alle specifiche esistenti; avere una sufficiente conoscenza pratica dei materiali, della fabbricazione e della tecnologia dei vari prodotti interessati al fine di poter scegliere i metodi, stabilire le tecniche e collaborare alla definizione di criteri di accettazione quando non ne esistano di prestabiliti; avere una conoscenza nei diversi campi di applicazione; avere la capacità di guidare il personale di livello inferiore al livello 3.

al fine di garantire una corretta posa in opera dei sistemi di rinforzo e di evitare problematiche relative alla non corretta creazione del composito o alla non perfetta aderenza dello stesso al supporto è importante monitorare, durante l’intervento di rinforzo diversi fattori tra i quali la temperatura del rinforzo, l’umidità dell’ambiente, l’andamento di spostamenti e deformazioni, la continuità e il livello di danneggiamento delle fibre e in ultimo la presenza di difetti e distacchi dell’applicazione.

111

caPItoLo 8

modaLiTà e Tecniche di aPPLicazione

t 8.1. introduzione nel presente capitolo vengono analizzate le modalità di posa in opera di alcuni dei principali sistemi di rinforzo con materiali compositi applicati sugli elementi strutturali di maggiore interesse. Vengono di seguito analizzate le principali fasi di posa in opera dei materiali con le relative specifiche tecniche facendo riferimento a voci di capitolato tradizionali. nel caso in cui vengono realizzati rinforzi con materiali compositi realizzati in situ, le operazioni di posa in opera sono indipendenti dalla tipologia di tessuto scelta, sia esso carbonio, aramide o altro. Le grammatura e l’orditura dei tessuti può variare in funzione delle necessità progettuali ed in funzione dell’offerta delle case produttrici, per evitare difficoltà di impregnazione in cantiere si consiglia comunque l’utilizzo di tessuti aventi grammatura non superiore ai 600 g/m2, in caso siano necessarie grammature superiori si deve ipotizzare l’utilizzo di più strati sovrapposti. nel caso in cui vengono realizzati rinforzi con materiali compositi prodotti in stabilimento, le operazioni di posa in opera sono indipendenti dalla geometria degli stessi. Le lamine pultruse sono solitamente commercializzate con le geometrie indicate in tabella: Tabella 8.1. Geometrie lamine pultruse base

aLTezza

50 mm

1.40 mm

50 mm

1.20 mm

80 mm

1.40 mm

80 mm

1.20 mm

100 mm

1.40 mm

100 mm

1.20 mm

t 8.2. rinforzo di solai latero-cementizi Il rinforzo strutturale di solai latero-cementizi è uno degli interventi che più spesso viene realizzato mediante l’utilizzo di lamine pultruse o tessuti in cfRP data la rapidità dell’intervento ed i numerosi vantaggi correlati. L’intervento di consolidamento può essere necessario in diverse occasioni come fenomeni di ossidazione con conseguente riduzione della sezione utile di armatura resistente o per necessità di integrazione dell’armatura resistente ad esempio nei casi di cambio di destinazione d’uso. Il rinforzo può essere realizzato su qualsiasi tipo di solaio come i saP, i prefabbricati o altre tipologie di solai gettati in opera. Preventivamente all’intervento di consolidamento è necessario intervenire sui travetti mediante operazioni di preparazione e pulizia del supporto al fine di ottenere superfici per-

112

RInfoRzo stRuttuRaLe con MateRIaLI coMPosItI

fettamente pulite ed asciutte ed aventi buone caratteristiche meccaniche, trattando i ferri di armatura con apposite vernici passivanti dopo aver eliminato la superficie di ossido presente e ripristinando le condizioni meccanico-geometriche del calcestruzzo di supporto. Le lamine o i tessuti posti in opera vengono solitamente posizionati a tutta lunghezza all’intradosso dei travetti al fine di sopperire al deficit di momento resistente, considerando le zone terminali in cui questo risulta uguale o maggiore del momento sollecitante quali zone di ancoraggio per la delaminazione.

8.2.1. Vantaggi del rinforzo di solai latero-cementizi aumento di resistenza ultima

Maggiore durabilità della struttura

aumento della rigidezza

nessun aggravio di peso

assenza di fenomeni di ossidazione

Rapidità d’intervento

8.2.2. Principi generali Il rinforzo intradossale dei travetti di solai latero-cementizi viene solitamente realizzato mediante l’utilizzo di lamine pultruse per motivi di semplicità di posa in opera, l’utilizzo di tessuti è comunque consentito. La larghezza delle lamine è funzione della geometria del travetto ed in particolar modo della base dello stesso, l’altezza può invece variare in funzione dell’area di rinforzo necessaria. È possibile utilizzare più lamine sovrapposte ma l’utilizzo di un numero eccessivo di lamine è da evitarsi per non incorrere in fenomeni di delaminazione interlaminare, lo stesso vale per ciò che riguarda i tessuti sovrapposti. Preventivamente alla posa in opera dei rinforzi è necessario effettuare una preparazione del supporto mediante opere di spicconatura manuale, eliminazione dei materiali incoerenti o in fase di distacco e degli ossidi presenti sulle armature. successivamente è necessario intervenire per il ripristino geometrico dei travetti con apposita malta tissotropica prima di mettere in opera il rinforzo.

8.2.3. Particolari costruttivi

figura 8.1. Rinforzo di solaio Latero-cementizio con lamine in CFRP

8. MoDaLItÀ e tecnIcHe DI aPPLIcazIone

113

figura 8.2. Rinforzo di solaio latero-cementizio con lamine in CFRP e successiva applicazione di pannelli REI

8.2.4. Modalità di applicazione scheda 8.1. Rinforzo di solai latero-cementizi con lamine pultruse di fibre di carbonio rinforzo di solai latero-cementizi con lamine pultruse di fibre di carbonio Rinforzo strutturale di solai latero-cementizi mediante l’utilizzo di lamine pultruse di fibre di carbonio mediante le seguenti lavorazioni: 1. Preparazione e pulizia del supporto al fine di ottenere superfici perfettamente pulite ed asciutte ed aventi buone caratteristiche meccaniche; 2. Ripristino delle condizioni meccanico geometriche del calcestruzzo di supporto; taglio della lamina alla lunghezza desiderata mediante flex con disco diamantato; 3. eliminazione delle polveri eventualmente presenti sulla lamina; 4. applicazione di primer epossidico bicomponente sulle superfici oggetto dell’intervento di rinforzo dopo averle accuratamente pulite ed asciugate; 5. applicazione a spatola sul primer “fresco” di adesivo epossidico bicomponente per incollaggio con uno spessore di 1-2 mm; 6. applicazione a spatola sulla lamina di ad adesivo epossidico bicomponente per incollaggio con uno spessore di 1-2 mm; 7. Posa a fresco della lamina pultrusa di fibre di carbonio seguita da pressatura uniforme al supporto con un rullo di gomma in modo da eliminare qualsiasi vuoto o bolla d’aria; 8. Realizzazione sul sistema ancora “fresco” di spolveratura manuale con sabbia di quarzo per aumentare la superficie utile di aggrappo.

t 8.3. rinforzo di solai con travi in acciaio Il rinforzo strutturale di solai con travi in acciaio è un intervento spesso realizzato mediante l’utilizzo di lamine pultruse o tessuti in cfRP data la rapidità dell’intervento ed i numerosi vantaggi correlati. L’intervento di consolidamento può essere necessario in diverse occasioni come fenomeni di ossidazione con conseguente riduzione della sezione utile delle travi di armatura o per necessità di integrazione della sezione resistente ad esempio nei casi di cambio di destinazione d’uso. Preventivamente all’intervento di consolidamento è necessario intervenire sulle travi in acciaio mediante operazioni di preparazione e pulizia del supporto al fine di ottenere superfici perfettamente pulite ed asciutte ed aventi buone caratteristiche meccaniche, trattando le travi in acciaio con apposite vernici passivanti dopo aver eliminato la superficie di ossido presente con spazzolatura manuale o

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meccanica. Le lamine o i tessuti posti in opera vengono solitamente posizionati a tutta lunghezza all’intradosso delle travi al fine di sopperire al deficit di momento resistente, considerando le zone terminali in cui questo risulta uguale o maggiore del momento sollecitante quali zone di ancoraggio per la delaminazione.

8.3.1. Vantaggi del rinforzo di solai con travi in acciaio aumento di resistenza ultima

Maggiore durabilità della struttura

aumento della rigidezza

nessun aggravio di peso

assenza di fenomeni di ossidazione

Rapidità d’intervento

8.3.2. Principi generali come nel caso di rinforzo di solai latero cementizi, il rinforzo intradossale dei travetti di solai costituiti da travi in acciaio e muratura viene solitamente realizzato mediante l’utilizzo di lamine pultruse per motivi di semplicità di posa in opera, l’utilizzo di tessuti è comunque consentito. La larghezza delle lamine è funzione della geometria del travetto ed in particolar modo della base dello stesso, l’altezza può invece variare in funzione dell’area di rinforzo necessaria. È possibile utilizzare più lamine sovrapposte ma l’utilizzo di un numero eccessivo di lamine è da evitarsi per non incorrere in fenomeni di delaminazione interlaminare, lo stesso vale per ciò che riguarda i tessuti sovrapposti. Preventivamente alla posa in opera dei rinforzi è necessario effettuare una preparazione del supporto mediante azione meccanica e mediante l’utilizzo di passivanti chimici per acciaio al fine di evitare la rottura del supporto.

8.3.3. Particolari costruttivi

figura 8.3. Rinforzo di solaio con travi in acciaio con lamine in CFRP

8. MoDaLItÀ e tecnIcHe DI aPPLIcazIone

115

8.3.4. Modalità di applicazione scheda 8.2. Rinforzo di solai in muratura e travi in acciaio con lamine pultruse di fibre di carbonio rinforzo di solai in muratura e travi in acciaio con lamine pultruse di fibre di carbonio Rinforzo strutturale di solai in muratura e travi in acciaio mediante l’utilizzo di lamine pultruse di fibre di carbonio mediante le seguenti lavorazioni: 1. Preparazione e pulizia del supporto al fine di ottenere superfici perfettamente pulite ed asciutte ed aventi buone caratteristiche meccaniche; 2. taglio della lamina alla lunghezza desiderata mediante flex con disco diamantato; eliminazione delle polveri eventualmente presenti sulla lamina; 3. applicazione di primer epossidico bicomponente sulle superfici oggetto dell’intervento di rinforzo dopo averle accuratamente pulite ed asciugate; 4. applicazione a spatola sul primer “fresco” di adesi adesivo epossidico bicomponente per incollaggio con uno spessore di 1-2 mm; 5. applicazione a spatola sulla lamina di adesivo epossidico bicomponente per incollaggio con uno spessore di 1-2 mm; 6. Posa a fresco della lamina pultrusa di fibre di carbonio seguita da pressatura uniforme al supporto con un rullo di gomma in modo da eliminare qualsiasi vuoto o bolla d’aria; 7. Realizzazione sul sistema ancora “fresco” di spolveratura manuale con sabbia di quarzo per aumentare la superficie utile di aggrappo.

t 8.4. rinforzo di pilastri in c.a. un adeguato confinamento di pilastri in c.a. può determinare un miglioramento delle prestazioni dell’elemento strutturale. L’intervento di consolidamento di pilastri viene eseguito in caso di aumento di sforzo normale o in presenza di armature deteriorate. In particolare, esso consente di incrementare la resistenza ultima, la duttilità e la corrispondente deformazione ultima per elementi sollecitati da sforzo normale centrato o con piccola eccentricità e congiuntamente all’impiego di rinforzi longitudinali la resistenza ultima per membrature pressoinflesse. Il confinamento di elementi di c.a. può essere realizzato con tessuti in fRP disposti sul contorno in modo da costituire una fasciatura esterna continua (ricoprimento) o discontinua (cerchiatura). L’incremento della resistenza a compressione e della corrispondente deformazione ultima del calcestruzzo confinato con fRP dipendono dalla pressione di confinamento applicata. Quest’ultima è funzione della rigidezza del sistema e della forma della sezione trasversale dell’elemento da confinare. un sistema confinante a base di fRP (elastico fino a rottura), a differenza di un sistema di acciaio (elasto-plastico), esercita una pressione laterale sempre crescente, in senso stretto, all’aumentare della dilatazione trasversale dell’elemento confinato. tale tipologia di rinforzo consente di ottenere un aumento della resistenza ultima dell’elemento compresso senza aumentare la sezione dello stesso come nei tradizionali interventi con c.a. In questo modo si evitano variazioni nella gerarchia delle resistenze che negli interventi tradizionali a causa dell’aumento di rigidezza dell’elemento rinforzato possono determinare rotture di tipo fragile come la rottura a taglio invece della rottura tradizionale duttile che continua ad essere presente nei pilastri rinforzati con fRP.

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8.4.1. Vantaggi del rinforzo di pilastri in c.a. aumento di duttilità della struttura

Maggiore durabilità della struttura

conservazione delle geometrie originali

nessun aggravio di peso

assenza di rotture di tipo fragile (taglio)

Rapidità d’intervento

assenza di fenomeni di ossidazione

8.4.2. Principi generali Il rinforzo di pilastri in c.a. può essere realizzato sia nel caso di bassa eccentricità che presentano quindi problematiche relative principalmente alla resistenza a sforzo normale sia nel caso di presa flessione. Per questa tipologia di intervento, come per gli altri interventi di rinforzo distruttore in c.a. e preferito l’utilizzo di materiali compositi istituiti estraenti in fibra di carbonio ma è comunque possibile l’utilizzo di altre tipologie di materiali. Il rinforzo per l’incremento della resistenza a sforzo normale viene realizzato mediante il posizionamento di materiali compositi con fibre disposte radialmente alla sezione del pilastro sia esso a sezione quadrata, rettangolare o circolare, con l’attenzione di arrotondare gli spigoli dei pilastri a sezione quadrata o rettangolare. I rinforzi possono essere disposti sul supporto in maniera continua o discontinua in funzione della quantità di rinforzo necessaria, data la particolare geometria dei rinforzi da mettere in opera per questa tipologia di applicazione non è possibile utilizzare lamine pultruse per la loro rigidezza intrinseca. nel caso sia necessario un rinforzo a pressoflessione è possibile effettuare integrare il rinforzo sopra descritto con l’apposizione di materiali disposti verticalmente sulla superficie del pilastro e facendo attenzione a collegare gli stessi alle strutture portanti orizzontali mediante appositi sistemi di collegamento che siano caratterizzati da una intrinseca resistenza a taglio come ad esempio i trefoli in sRG o altre tipologie di sistemi di ancoraggio.

8.4.3. Particolari costruttivi Fase 1 20

PILAST R O IN C.A.

O LY T E X C A R B O 320UNIAX-HR

Fase 2

Fase 3

Fase 4

Fase 5

20

20

20

20

Il cerchiaggio deve essere realizzato in maniera continua o discontinua lungo tutta l'altezza del pilastro mentre deve essere continuo vicino ai nodi per un altezza di 60 cm

O LY T E X C A R B O 320UNIAX-HR

OLY T EX GLASS 320 UNI-AX HR

OLY T EX GLASS 320 UNI-AX HR

T RAVE

60

60

60

60

O LY R O P E S T EEL12

60

60

60

60

20

figura 8.4. Rinforzo per pressoflessione di pilastro in c.a.

8. MoDaLItÀ e tecnIcHe DI aPPLIcazIone

figura 8.5. Cerchiaggio discontinuo per flessione semplice di pilastro in c.a.

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figura 8.6. Pilastro rinforzato con CFRP e successiva applicazione di pannelli REI

8.4.4. Modalità di applicazione scheda 8.3. Rinforzo strutturale di pilastri in c.a. con tessuti monodirezionali di fibre di carbonio rinforzo strutturale di pilastri in c.a. con tessuti monodirezionali di fibre di carbonio ad alta resistenza/alto modulo Rinforzo strutturale di pilastri in c.a. mediante l’utilizzo di tessuti monodirezionali in fibra di carbonio ad alta resistenza/alto modulo mediante le seguenti lavorazioni: 1. Preparazione e pulizia del supporto al fine di ottenere superfici perfettamente pulite ed asciutte ed aventi buone caratteristiche meccaniche; 2. arrotondamento degli spigoli vivi dei pilastri fino ad ottenere raggi di curvatura > 2 cm; 3. Ripristino delle condizioni meccanico geometriche del calcestruzzo di supporto; 4. applicazione di primer epossidico bicomponente secondo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica; 5. applicazione sul primer “fresco” di uno strato di adesivo epossidico bicomponente per incollaggio seguendo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica al fine di eliminare le possibili imperfezioni geometriche sul supporto; 6. applicazione a pennello sul precedente strato “fresco” di stucco epossidico di un primo strato di resina epossidica bicomponente da impregnazione seguendo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica; 7. Posa in opera di tessuto monodirezionale in fibra di carbonio ad elevata resistenza/alto modulo con fibre orientate come da progetto e successivo trattamento con apposito rullo frangibolle; 8. applicazione “a fresco” di un secondo strato resina epossidica e successivo trattamento con apposito rullo frangibolle; 9. Realizzazione sul sistema ancora “fresco” di spolveratura manuale con sabbia di quarzo per aumentare la superficie utile di aggrappo.

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t 8.5. rinforzo a taglio e flessione di travi in c.a. Il rinforzo a flessione si rende necessario per elementi strutturali soggetti ad un momento flettente di progetto maggiore della corrispondente resistenza. negli elementi inflessi di strutture in c.a. il rinforzo con fRP consente di ottenere notevoli aumenti della resistenza flessionale senza aumentare la rigidezza ed il peso proprio dell’elemento rinforzato. Il rinforzo a flessione con materiali compositi può essere eseguito applicando una o più lamine, ovvero uno o più strati di tessuto, al lembo teso dell’elemento da rinforzare e può essere realizzato sia mediante lamine pultruse in fRP sia con tessuti monodirezionali impregnati in loco e va disposto nella medesima direzione delle armature preesistenti. Il rinforzo in oggetto consente un abbassamento dell’asse neutro dell’elemento rinforzato, a seguito dell’aumento di armatura ad una distanza dalla stesso ancora maggiore dell’esistente. ciò determina un aumento dell’area di cls resistente a compressione ed una diminuzione delle tensioni in zona tesa. Il miglioramento della resistenza dell’elemento è direttamente proporzionale al modulo elastico del rinforzo, si preferisce quindi in questo caso utilizzare fibre con elevato valore del modulo elastico. Il rinforzo a taglio di travi in c.a. viene realizzato mediante il posizionamento, nelle sezioni in cui il valore del taglio-sollecitante risulta maggiore di quello resistente, di tessuti monodirezionali in fRP disposti a 45/90° rispetto all’asse della trave. L’avvolgimento dei tessuti per il rinforzo a taglio può essere realizzato in funzione delle indicazioni di progetto in avvolgimento completo o su tre facce della trave.

8.5.1. Vantaggi del rinforzo a taglio e flessione di travi in c.a. aumento di resistenza ultima

nessun aggravio di peso

facilità di modellazione dei materiali

Rapidità d’intervento

assenza di fenomeni di ossidazione

8.5.2. Principi generali Il rinforzo a flessione di elementi inflessi deve essere realizzato mediante l’utilizzo di materiali caratterizzati da elevato modulo elastico, in questo caso viene quindi sconsigliato l’utilizzo di fibre di vetro o basalto. È possibile utilizzare materiali costituiti da tessuti impregnati in opera o da lamine pultruse, è inoltre possibile intervenire con sistemi differenti di rinforzo come l’nsM che consiste nella preventiva realizzazione di scanalature all’interno dell’elemento inflesso all’interno delle quali vengono disposti i rinforzi. Per incrementare la resistenza flessionale di una trave in c.a. è consigliabile disporre i materiali di rinforzo all’intradosso della stessa con le fibre tese disposte lungo il suo asse principale ma è comunque possibile disporli sulle facce laterali dell’elemento da rinforzare facendo le opportune considerazioni in fase di progettazione. al fine di incrementare la resistenza a taglio di travi in c.a. è possibile posizionare materiali di rinforzo in disposizione continua o discontinua con fibre disposte a 90 o 45 gradi rispetto all’asse principale della trave nelle sezioni in cui il taglio resistente risulta inferiore di quello sollecitante. Il rinforzo a taglio di travi in c.a. non può essere realizzato mediante l’utilizzo di lamine pultruse ma devono essere utilizzati tessuti impregnati in opera data la particolare geometria del rinforzo,

8. MoDaLItÀ e tecnIcHe DI aPPLIcazIone

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che come evidenziato nei capitoli precedenti non può essere limitato alle facce laterali della trave ma deve essere continuo quantomeno all’intradosso della stessa se non risulta possibile effettuare il completo avvolgimento della trave.

8.5.3. Particolari costruttivi

figura 8.7. Trave rinforzata a flessione con FRP

β = 90°

β

0 < β < 180°

β

figura 8.8. Trave rinforzata a taglio con FRP

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figura 8.9. Trave rinforzata con FRP e successiva applicazione di pannelli REI

8.5.4. Modalità di applicazione scheda 8.4. Rinforzo strutturale a flessione di travi in c.a. con tessuti monodirezionali di fibre di carbonio rinforzo strutturale a flessione di travi in c.a. con tessuti monodirezionali di fibre di carbonio ad alta resistenza/alto modulo Rinforzo strutturale a flessione di travi in c.a. mediante l’utilizzo di tessuti monodirezionali in fibra di carbonio ad alta resistenza/alto modulo mediante le seguenti lavorazioni: 1. Preparazione e pulizia del supporto al fine di ottenere superfici perfettamente pulite ed asciutte ed aventi buone caratteristiche meccaniche; 2. Ripristino delle condizioni meccanico geometriche del calcestruzzo di supporto; 3. applicazione di primer epossidico bicomponente secondo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica; 4. applicazione sul primer “fresco” di uno strato di adesivo epossidico bicomponente per incollaggio seguendo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica al fine di eliminare le possibili imperfezioni geometriche sul supporto; 5. applicazione a pennello sul precedente strato “fresco” di stucco epossidico di un primo strato di resina epossidica bicomponente tipo da impregnazione seguendo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica; 6. Posa in opera di tessuto monodirezionale in fibra di carbonio ad elevato modulo elastico tipo oLY teX caRBo 320 unI-aX HM con fibre orientate come da progetto e successivo trattamento con apposito rullo frangibolle; 7. applicazione “a fresco” di un secondo strato resina epossidica e successivo trattamento con apposito rullo frangibolle; 8. Realizzazione sul sistema ancora “fresco” di spolveratura manuale con sabbia di quarzo per aumentare la superficie utile di aggrappo.

scheda 8.5. Rinforzo strutturale di travi in c.a. con lamine pultruse di fibre di carbonio rinforzo strutturale di travi in c.a. con lamine pultruse di fibre di carbonio Rinforzo strutturale di travi in c.a. mediante l’utilizzo di lamine pultruse di fibre di carbonio da 100 mm mediante le seguenti lavorazioni: [segue]

8. MoDaLItÀ e tecnIcHe DI aPPLIcazIone

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

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rinforzo strutturale di travi in c.a. con lamine pultruse di fibre di carbonio Preparazione e pulizia del supporto al fine di ottenere superfici perfettamente pulite ed asciutte ed aventi buone caratteristiche meccaniche; Ripristino delle condizioni meccanico geometriche del calcestruzzo di supporto; taglio della lamina alla lunghezza desiderata mediante flex con disco diamantato; eliminazione delle polveri eventualmente presenti sulla lamina; applicazione di primer epossidico bicomponente sulle superfici oggetto dell’intervento di rinforzo dopo averle accuratamente pulite ed asciugate; applicazione a spatola sul primer “fresco” di adesivo epossidico bicomponente per incollaggio con uno spessore di 1-2 mm; applicarzione a spatola sulla lamina di adesivo epossidico bicomponente per incollaggio con uno spessore di 1-2 mm; Posa a fresco della lamina pultrusa di fibre di carbonio tipo seguita da pressatura uniforme al supporto con un rullo di gomma in modo da eliminare qualsiasi vuoto o bolla d’aria; Realizzazione sul sistema ancora “fresco” di spolveratura manuale con sabbia di quarzo per aumentare la superficie utile di aggrappo.

scheda 8.6. Rinforzo strutturale a taglio di travi in c.a. con tessuti monodirezionali di fibre di carbonio rinforzo strutturale a taglio di travi in c.a. con tessuti monodirezionali di fibre di carbonio ad alta resistenza/alto modulo Rinforzo strutturale a taglio di travi in c.a. mediante l’utilizzo di tessuti monodirezionali in fibra di carbonio ad alta resistenza/alto modulo mediante le seguenti lavorazioni: 1. Preparazione e pulizia del supporto al fine di ottenere superfici perfettamente pulite ed asciutte ed aventi buone caratteristiche meccaniche; 2. Ripristino delle condizioni meccanico geometriche del calcestruzzo di supporto; applicazione di primer epossidico bicomponente secondo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica; 3. applicazione sul primer “fresco” di uno strato di adesivo epossidico bicomponente per incollaggio seguendo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica al fine di eliminare le possibili imperfezioni geometriche sul supporto; 4. applicazione a pennello sul precedente strato “fresco” di stucco epossidico di un primo strato di resina epossidica bicomponente da impregnazione seguendo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica; 5. Posa in opera di tessuto monodirezionale in fibra di carbonio ad elevata resistenza/alto modulo con fibre orientate come da progetto e successivo trattamento con apposito rullo frangibolle; 6. applicazione “a fresco” di un secondo strato resina epossidica e successivo trattamento con apposito rullo frangibolle; 7. Realizzazione sul sistema ancora “fresco” di spolveratura manuale con sabbia di quarzo per aumentare la superficie utile di aggrappo.

t 8.6. rinforzo di strutture in muratura nella pratica progettuale nasce spesso la necessità di fornire ai pannelli murari di strutture preesistenti caratteristiche meccaniche originariamente non presenti negli stessi. I pannelli murari possono essere rinforzati con fRP al fine di ottenere aumento di resistenza a compressione, a taglio, a flessione nel piano e fuori dal piano. a differenza dei tradizionali rinfor-

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zi con rete elettrosaldata si aumenta notevolmente la durabilità dell’intervento per l’assenza di fenomeni di ossidazione, non si creano le tradizionali contro-pareti in c.a. che determinano notevoli aumenti di peso sia locali sia in fondazione della struttura e aumento della rigidezza dei pannelli con probabile rottura a taglio degli stessi. un altro notevole vantaggio dei rinforzi di muratura con fRP e dato dalla presenza degli stessi su una superficie non superiore al 50% del totale consentendo così una sufficiente traspirabilità delle murature. La disposizione dei rinforzi sulle murature dipende dalle caratteristiche meccaniche che si vogliono migliorare, può essere ad esempio disposto in direzione prevalentemente verticale per il rinforzo a flessione a +/-45° per il taglio o a +/-90°. Il rinforzo può essere realizzato su una sola faccia delle murature o su entrambe le facce, nel secondo caso si è soliti collegare le due facce del rinforzo con trefoli in fRP passanti all’interno della muratura e collegati ad entrambe le facce del rinforzo.

8.6.1. Vantaggi del rinforzo di strutture in muratura traspirabilità delle muratura rinforzata

Maggiore durabilità della struttura

Maggiore duttilità

nessun aggravio di peso

facilità di modellazione dei materiali

Rapidità d’intervento

assenza di fenomeni di ossidazione

8.6.2. Principi generali al fine di valutare l’intervento da realizzare su una struttura in muratura e di scegliere quindi i materiali più adeguati, è sempre necessario effettuare accurate analisi fisico-meccaniche della stessa, analizzando le caratteristiche del pietrame che la costituisce, dei correnti di malta e della muratura nel suo complessivo. Preventivamente al rinforzo in superficie con materiali compositi è spesso necessario intervenire mediante interventi di rinforzo delle murature come ad esempio il ripristino dei correnti di malta, l’iniezione di malte o resine all’interno delle murature o altri interventi come il tradizionale cuci-scuci, al fine di ottenere un supporto omogeneo sul quale successivamente predisporre un intervento di rinforzo con materiali compositi. I materiali utilizzabili per il consolidamento di murature sono di composizione molto variabile sia per quanto riguardala fase fibrosa, sia per quanto riguarda la matrice. Per ciò che riguarda le fibre utilizzabili non esistono particolari limitazioni e le stesse vanno scelte in funzione delle caratteristiche meccaniche del supporto e della tipologia di rinforzo che si vuole realizzare, viene comunque sconsigliato l’utilizzo di fibre con modulo elastico troppo elevato al fine di ridurre la possibilità di innesto di fenomeni di delaminazione. Le matrici utilizzabili sono le tradizionali matrici epossidiche o le più innovative matrici a base di malta o anche matrici miste costituite dall’unione di più materiali. anche per quanto riguarda la tecnologia dei materiali utilizzati per il rinforzo è possibile scegliere tra i tessuti impregnati in opera, le lamine pultruse o le barre pultruse da inserire all’interno dei correnti di malta preesistenti, riducendo così notevolmente l’impatto visivo del rinforzo.

8. MoDaLItÀ e tecnIcHe DI aPPLIcazIone

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8.6.3. Particolari costruttivi SEZ 1-1 Scala 1:20

SEZ 2-2 Scala 1:20

SEZ 3-3 Scala 1:20

ANCORAGGIO D'ANGOLO

ANCORAGGIO A "T"

Scala 1:20

Scala 1:20

LEGATURA TIPICA Scala 1:20

3

3

5

2

5

2

LEGENDA ANCORAGGI

STATO DI FATTO Scala 1:20 2 1

3

4

APPLICAZIONE IN PARETE DEL RINFORZO Scala 1:20 1 2 3 4

11 10

5

9

6

8

7

7

8

6 5

9 1

10 11

figura 8.9. Muratura rinforzata con FRP

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figura 8.10. Rinforzo di cantonale in muratura con trefoli e tessuti in FRP

8.6.4. Modalità di applicazione scheda 8.7. Rinforzo strutturale elementi in muratura con tessuti unidirezionali in fibre di acciaio al carbonio ad alta resistenza con matrice EPOXY-POZZOLANICA rinforzo strutturale elementi in muratura con tessuti unidirezionali in fibre di acciaio al carbonio ad alta resistenza con matrice ePoXY-PozzoLanica sistema di rinforzo strutturale sRG con l’utilizzo di tessuti unidirezionali in fibra di acciaio al carbonio ad alta resistenza, ottenuto mediante le seguenti lavorazioni: 2. applicazione di primer epossidico bicomponente sulle superfici oggetto dell’intervento di rinforzo dopo averle accuratamente pulite ed asciugate; 2. Ripristino delle condizioni meccanico geometriche del calcestruzzo di supporto; 3. se le superfici si presentano fortemente irregolari è necessario realizzare delle piste di livellamento utilizzando una malta idraulica antiritiro pronta all’uso; 4. Preparazione della matrice mediante l’impasto del primer epossidico bicomponente con la malta, mescolando i componenti a+B del primer seguendo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica, quando i due componenti si sono perfettamente amalgamati aggiungere la malta, secondo le percentuali presenti nella relativa scheda tecnica, sino ad ottenere un impasto omogeneo e privo di grumi; [segue]

8. MoDaLItÀ e tecnIcHe DI aPPLIcazIone

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rinforzo strutturale elementi in muratura con tessuti unidirezionali in fibre di acciaio al carbonio ad alta resistenza con matrice ePoXY-PozzoLanica 5. Dopo la preparazione della matrice va eseguita l’applicazione a spatola sulle superfici predisposte realizzando un primo strato di matrice ed applicazione del tessuto di rinforzo annegandolo all’interno del primo strato di matrice con una leggera pressione della spatola; 6. applicazione di un secondo strato di matrice facendo attenzione ad annegare completamente il rinforzo all’interno della matrice; 7. nel caso sia necessaria la successiva posa in opera di intonaci è opportuno l’effettuazione preventiva sul sistema ancora “fresco” di una spolveratura manuale con sabbia di quarzo per aumentare la superficie utile di aggrappo. scheda 8.8. Consolidamento di murature miste mediante iniezioni di malte cementizie speciali resistenti ai solfati e armatura con barre in CFRP consolidamento di murature miste mediante iniezioni di malte cementizie speciali resistenti ai solfati e armatura con barre in cfrP stuccatura di tutte le lesioni e fessure con malta di cemento additivata con resina monocomponente adesivizzante. se la muratura è intonacata, verifica della perfetta aderenza dell’intonaco al supporto per evitare insaccature in cui potrebbe andare il prodotto iniettato: 1. Perforazione orizzontale in corrispondenza dei giunti di malta della muratura con sonde diamantate a rotazione per evitare pericolose vibrazioni. Le perforazioni saranno eseguite con interasse tale da garantire una saturazione omogenea della muratura; 2. Posizionamento nelle perforazioni eseguite di barre pultruse in fibra di carbonio ad aderenza migliorata; 3. Posizionamento all’estremità delle perforazioni eseguite di tronchetti utilizzabili come iniettori, sigillati con malta antiritiro pronta all’uso, a rapido indurimento ed effetto tixotropico; 4. accurato lavaggio interno della muratura con acqua in leggera pressione attraverso gli iniettori di rame precedentemente posizionati procedendo dall’alto verso il basso; 5. Iniezione di malta idraulica pronta all’uso ad alta resistenza ai solfati con notevole fluidità senza presentare fenomeni di segregazione o di bleeding. La malta idraulica sarà iniettata a pressione variabile fra 3-4 atmosfere cominciando dal basso e procedendo verso l’alto, fino alla completa saturazione della muratura. La muratura si potrà considerare satura quando la malta uscirà dall’iniettore immediatamente sopra a quello di iniezione; 6. terminato il lavoro di iniezione, rimozione di tutti gli iniettori e preparazione della muratura per eventuali successivi interventi; scheda 8.9. Rinforzo strutturale di murature con tessuti monodirezionali di fibre di vetro rinforzo strutturale di murature con tessuti monodirezionali di fibre di vetro Rinforzo strutturale di murature mediante l’utilizzo di tessuti monodirezionali in fibra di vetro mediante le seguenti lavorazioni: 1. Preparazione e pulizia del supporto al fine di ottenere superfici perfettamente pulite ed asciutte ed aventi buone caratteristiche meccaniche; (nel caso in cui la superficie di applicazione del rinforzo si presenti molto irregolare, si provvederà a regolarizzarla con opportune malte idrauliche); 2. applicazione di primer epossidico bicomponente secondo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica; applicazione sul primer “fresco” di uno strato di adesivo epossidico bicomponente per incollaggio seguendo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica al fine di eliminare le possibili imperfezioni geometriche sul supporto; [segue]

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3.

4. 5. 6.

rinforzo strutturale di murature con tessuti monodirezionali di fibre di vetro applicazione a pennello sul precedente strato “fresco” di stucco epossidico di un primo strato di resina epossidica bicomponente da impregnazione seguendo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica; Posa in opera di tessuto monodirezionale in fibra di vetro con fibre orientate come da progetto e successivo trattamento con apposito rullo frangibolle; applicazione “a fresco” di un secondo strato resina epossidica e successivo trattamento con apposito rullo frangibolle; Realizzazione sul sistema ancora “fresco” di spolveratura manuale con sabbia di quarzo per aumentare la superficie utile di aggrappo. scheda 8.10. Rinforzo strutturale di murature con tessuti monodirezionali di fibre di carbonio

rinforzo strutturale di murature con tessuti monodirezionali di fibre di carbonio ad alta resistenza/alto modulo Rinforzo strutturale di murature mediante l’utilizzo di tessuti monodirezionali in fibre di carbonio ad alta resistenza/alto modulo mediante le seguenti lavorazioni: 1. Preparazione e pulizia del supporto al fine di ottenere superfici perfettamente pulite ed asciutte ed aventi buone caratteristiche meccaniche (nel caso in cui la superficie di applicazione del rinforzo si presenti molto irregolare, si provvederà a regolarizzarla con opportune malte idrauliche); 2. applicazione di primer epossidico bicomponente secondo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica; 3. applicazione sul primer “fresco” di uno strato di adesivo epossidico bicomponente per incollaggio seguendo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica al fine di eliminare le possibili imperfezioni geometriche sul supporto; 4. applicazione a pennello sul precedente strato “fresco” di stucco epossidico di un primo strato di resina epossidica bicomponente da impregnazione seguendo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica; 5. Posa in opera di tessuto monodirezionale in fibre di carbonio ad alta resistenza/alto modulo con fibre orientate come da progetto e successivo trattamento con apposito rullo frangibolle; applicazione “a fresco” di un secondo strato resina epossidica e successivo trattamento con apposito rullo frangibolle; 6. Realizzazione sul sistema ancora “fresco” di spolveratura manuale con sabbia di quarzo per aumentare la superficie utile di aggrappo.

t 8.7. rinforzo di archi e volte in muratura Il rinforzo di archi o volte in muratura è uno degli interventi di maggiore funzionalità nell’ambito dei rinforzi con fRP. tale intervento di rinforzo può essere realizzato sia in zona intradossale che estradossale, consentendo in i casi l’eliminazione della possibile apertura di famiglie di cerniere rispettivamente all’intradosso o all’estra tal modo si rende impossibile la condizione di ipostaticità della struttura rinforzata, che può al massimo i la sua condizione di equilibrio passando da una condizione iperstatica ad una isostatica. nel caso di i intradossali si conviene collegare il rinforzo alle muratura con sistemi di ancoraggio quali ad esempio trefoli inseriti nella muratura e collegati al rinforzo. Il posizionamento delle fasce di fRP sulle volte da rinforzare è della geometria propria della volta, varia infatti notevolmente tra volte a botte, a crociera… La stabilità di una voltata è ga-

8. MoDaLItÀ e tecnIcHe DI aPPLIcazIone

127

rantita quando la curva delle pressioni, ovvero il poligono funicolare del carico permanente e accidentale su di essa gravanti, passa all’interno del nocciolo centrale d’inerzia di ciascuna sezione “canale Qualora invece, la curva delle pressioni dovesse fuoriuscire dal predetto canale statico, a causa ad esempio i condizioni di carico, la sezione si parzializzerebbe con conseguente nascita di tensioni di trazione. se la ci pressioni, già esterna alle linee di nocciolo, fuoriuscisse anche dalle linee di intradosso o estradosso, ovvero dell’arco stesso, sopraggiungerebbe la crisi per formazione di una cerniera, la presenza degli fRP impedisce la formazione di queste cerniere e quindi il collasso della struttura, assorbendo gli sforzi di trazione presenti.

8.7.1. Vantaggi del rinforzo di archi e volte in muratura facilità di modellazione dei materiali

nessun aggravio di peso

assenza di fenomeni di ossidazione

Rapidità d’intervento

Maggiore durabilità della struttura

8.7.2.  Principi generali I principi precedentemente esposti per il rinforzo di elementi in muratura sono integralmente applicabili agli interventi di rinforzo di volte in muratura, siano essi realizzati all’intradosso o all’estradosso delle stesse. come già precedentemente evidenziato, nel caso di rinforzi disposti all’intradosso degli elementi voltati è necessario utilizzare elementi meccanici di collegamento del sistema di rinforzo al supporto al fine di sostenere le spinte a vuoto, per la realizzazione di questi elementi meccanici si suggerisce l’utilizzo di materiali intrinsecamente caratterizzati da un’opportuna resistenza a taglio come i tessuti in aramide o in acciaio e si sconsiglia quindi l’utilizzo di filati in vetro o carbonio.

8.7.3. Particolari costruttivi

figura 8.12. Rinforzo intradossale con FRP di volta a botte

128

RInfoRzo stRuttuRaLe con MateRIaLI coMPosItI

figura 8.12. Rinforzo estradossale con FRP di volta a botte

Y1

Intervento di rinforzo Scala 1:50

Y3

C

X3

X4

D

D

X5

C

figura 8.14. Rinforzo con FRP di volta a crociera

8. MoDaLItÀ e tecnIcHe DI aPPLIcazIone

129

8.7.4. Modalità di applicazione scheda 8.9. Rinforzo volte in murature con tessuti monodirezionali di fibre di carbonio rinforzo volte in murature con tessuti monodirezionali di fibre di carbonio ad alta resistenza/alto modulo Rinforzo strutturale di volte in muratura mediante l’utilizzo di tessuti monodirezionali in fibre di carbonio ad alta resistenza/alto modulo mediante le seguenti lavorazioni: 1. Preparazione e pulizia del supporto al fine di ottenere superfici perfettamente pulite ed asciutte ed aventi buone caratteristiche meccaniche (nel caso in cui la superficie di applicazione del rinforzo si presenti molto irregolare, si provvederà a regolarizzarla con opportune malte idrauliche); 2. applicazione di primer epossidico bicomponente secondo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica; 3. applicazione sul primer “fresco” di uno strato di adesivo epossidico bicomponente per incollaggio seguendo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica al fine di eliminare le possibili imperfezioni geometriche sul supporto; 4. applicazione a pennello sul precedente strato “fresco” di stucco epossidico di un primo strato di resina epossidica bicomponente da impregnazione seguendo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica; 5. Posa in opera di tessuto monodirezionale in fibre di carbonio ad alta resistenza/alto modulo con fibre orientate come da progetto e successivo trattamento con apposito rullo frangibolle; 6. applicazione “a fresco” di un secondo strato resina epossidica e successivo trattamento con apposito rullo frangibolle; 7. Realizzazione sul sistema ancora “fresco” di spolveratura manuale con sabbia di quarzo per aumentare la superficie utile di aggrappo.

t 8.8. rinforzo di strutture portanti in legno Il legno strutturale è annoverato nella normativa tecnica fra i materiali da costruzione idonei ad assolvere funzioni portanti per un tempo indefinito ed ha una lunga storia applicativa testimoniata dall’elevata durabilità delle strutture adeguatamente progettate e realizzate. nella gran parte delle città italiane sono numerosi gli esempi di edifici con coperture e solai di legno secolari, ancora perfettamente efficienti a fronte della sola manutenzione ordinaria. L’esigenza principale che negli ultimi anni ha spinto verso una sperimentazione sempre più intensa nel campo delle strutture composte legno-fRP è stata pertanto quella di conferire maggiore resistenza e rigidezza agli elementi strutturali di legno massiccio o di legno lamellare incollato, rispetto alle prestazioni che il materiale ligneo da solo è in grado di offrire materiali compositi fibrorinforzati presentano alcuni evidenti vantaggi, prestandosi ad applicazioni di semplice realizzazione e di estrema versatilità, sia per il recupero dell’esistente sia per la progettazione di nuovi elementi. Il sodalizio del legno con i materiali polimerici fibrorinforzati si presenta particolarmente riuscito in termini di compatibilità e complementarietà di caratteristiche. Basti pensare ad una delle peculiarità più apprezzate del legno, la leggerezza, che non viene assolutamente intaccata da un intervento di rinforzo con fRP. Parimenti, i difetti più vistosi del legno, come ad esempio l’elevata disomogeneità meccanica legata alla presenza di un cospicuo numero di difetti, risultano notevolmente mitigati dalla sinergia con un altro materiale strutturalmente efficiente, quale il composito fibrorinforzato. L’impiego più diffuso

130

RInfoRzo stRuttuRaLe con MateRIaLI coMPosItI

è indubbiamente quello del rinforzo di elementi lignei prevalentemente inflessi, quali singole travi, putrelle di solai o singoli elementi di sistemi strutturali più complessi, quali capriate e telai. Il rinforzo può essere costituito da lamine o fogli di varia costituzione, applicati secondo criteri tali da conseguire vantaggi in termini di resistenza, di deformabilità oppure di duttilità. altro impiego è il rinforzo di strutture per azioni nel piano, rinforzo delle unioni e di elementi prevalentemente compressi.

8.8.1. Vantaggi del rinforzo di strutture portanti in legno aumento di duttilità della struttura

Maggiore durabilità della struttura

conservazione delle geometrie originali

nessun aggravio di peso

assenza di rotture di tipo fragile (taglio)

Rapidità d’intervento

assenza di fenomeni di ossidazione

8.8.2. Particolari costruttivi

210

0

Dim 500x340 mm

0 105

0 105

320

Dim 320x300

400

200

500

500

2100

6 649

Rinforzo intradossale con FRP

figura 8.15. Rinforzo a flessione di tirante per capriata in legno con FRP

8.8.3. Principi generali nella scelta del materiale da utilizzare per il rinforzo di elementi lignei, come nei casi esposti in precedenza, vanno tenute in considerazione le finalità specifiche del sistema di rinforzo che si intende realizzare, distinguendo il caso in cui sia necessario un aumento di rigidezza dal caso in cui sia necessario un aumento della resistenza meccanica dell’elemento. Di non trascurabile importanza nella scelta dei materiali di rinforzo e della geometria degli stessi sono le proprietà fisico-meccaniche dell’elemento da rinforzare che possono variare notevolmente i particolar modo in termini di modulo elastico. un’ulteriore importante decisione in fase di progettazione è relativa alla geometria dei materiali ed al loro posizionamento. È infatti possibile posizionare i materiali di rinforzo sia sulla superficie degli elementi lignei sia in cave appositamente preparate, nel primo caso l’intervento risulta maggiormente reversibile ma nel secondo caso è possibile nascondere quasi completamente l’intervento mediante una successiva fase di stuccatura con prodotti specifici per il legno.

8. MoDaLItÀ e tecnIcHe DI aPPLIcazIone

8.8.4. Modalità di applicazione scheda 8.12. Rinforzo strutturale di travi in legno con tondi pultrusi di fibre di carbonio-vetro rinforzo strutturale di travi in legno con tondi pultrusi di fibre di carbonio-vetro Rinforzo strutturale di travi in legno mediante l’utilizzo di tondi pultrusi di fibre di carbonio mediante le seguenti lavorazioni: 1. Preparazione e pulizia del supporto al fine di ottenere superfici perfettamente pulite ed asciutte ed aventi buone caratteristiche meccaniche; 2. Realizzazione con opportuna fresa verticale di una o più scanalature orizzontali lungo l’asse della trave secondo le indicazioni del progetto; 3. taglio dei tondi pultrusi in fibra di carbonio/vetro mediante flex con disco diamantato della lunghezza indicata in progetto; 4. applicazione all’interno della scanalatura di primer epossidico bicomponente secondo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica; 5. applicazione sul primer “fresco” di uno strato di adesivo epossidico bicomponente per incollaggio seguendo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica; 6. Posa in opera dei tondi pultrusi in fibra di carbonio/vetro all’interno delle scanalature precedentemente realizzate; 7. successivamente alla polimerizzazione del rinforzo è possibile intervenire con operazioni di stuccatura e/o verniciatura con opportuni materiali. scheda 8.13. Rinforzo strutturale di travi in legno con trefoli monodirezionali in fibre di carbonio-vetro rinforzo strutturale di travi in legno con trefoli monodirezionali in fibre di carbonio-vetro Rinforzo strutturale di travi in legno mediante l’utilizzo di trefoli monodirezionali in fibra di carbonio mediante le seguenti lavorazioni: 1. Preparazione e pulizia del supporto al fine di ottenere superfici perfettamente pulite ed asciutte ed aventi buone caratteristiche meccaniche; 2. Realizzazione con opportuna fresa verticale di una o più scanalature orizzontali lungo l’asse della trave secondo le indicazioni del progetto; 3. applicazione all’interno della scanalatura di primer epossidico bicomponente secondo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica; 4. taglio dei trefoli in fibra di carbonio/vetro della lunghezza indicata in progetto; 5. applicazione sul primer “fresco” di uno strato di stucco epossidico bicomponente tipda incollaggio seguendo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica al fine di eliminare le possibili imperfezioni geometriche sul supporto; 6. Impregnazione manuale dei trefoli in fibra di carbonio/vetro con resina epossidica bicomponente da impregnazione seguendo le indicazioni presenti nella relativa scheda tecnica; 7. Posa in opera dei trefoli in fibra di carbonio/vetro opportunamente impregnati all’interno delle scanalature precedentemente realizzate; 8. successivamente alla polimerizzazione del rinforzo è possibile intervenire con operazioni di stuccatura e/o verniciatura con opportuni materiali.

131

132

caPItoLo 9

esemPi di aPPLicazione

t 9.1. real albergo dei Poveri – napoli uno dei più grandi interventi di rinforzo su edifici in muratura con fRP è quello realizzato sul real albergo dei Poveri, anche Palazzo fuga, che è il maggiore palazzo monumentale di napoli ed una delle più grandi costruzioni settecentesche d’europa. L’edificio risale alla metà del settecento. nel 1751 ferdinando fuga venne chiamato a napoli, nell’ambito del programma di rinnovamento edilizio del nuovo re carlo III di Borbone, con l’incarico di progettare il gigantesco Albergo dei Poveri rivolto ad accogliere le masse di poveri del Regno.

figura 9.1. Real Albergo dei Poveri Napoli

L’opera rimase incompiuta per cui la sua attuale mole (oltre 100.000 metri quadri di superficie utile) è solo una parte di quella che avrebbe dovuto essere una volta terminati i lavori. Il progetto di rinforzo del Real albergo dei Poveri inizia nel 1998 con un progetto del Prof. Ing. Renato sparacio che introduce l’utilizzo dei materiali compositi con fibre di vetro GfRP per il rinforzo delle volte in muratura. nei successivi lotti di lavoro, la progettazione è stata curata dall’RtP cRocI-RePeLLIn Raggruppamento temporaneo di Professionisti, capigruppo il Prof. Ing. Giorgio croci e l’arch. Didier Repellin che per il rinforzo delle volte e delle murature hanno fatto ampio uso dei materiali compositi con fibre di aramide afRP come illustrato nelle fotografie che seguono.

9. eseMPI DI aPPLIcazIone

133

figura 9.2. Rinforzo con AFRP I° livello

figura 9.3. Rinforzo con AFRP livello interrato

134

RInfoRzo stRuttuRaLe con MateRIaLI coMPosItI

t 9.2. chiesa di santa caterina – caprioli (sa) un ulteriore interessante esempio di rinforzo su edifici in muratura è l’adeguamento strutturale della chiesa di santa caterina a caprioli (sa) realizzato mediante l’utilizzo di tessuti in cfRP, al fine di incrementare la resistenza meccanica delle murature come si evince dalle fotografie.

5.7

3.5

6.39

Lesioni

figura 9.4. Chiesa di Santa Caterina a Caprioli (SA)

figura 9.5. Particolare del rinforzo con CFRP delle murature

9. eseMPI DI aPPLIcazIone

135

t 9.3. domus aurea Palazzo valentini – roma Il progetto, redatto dall’Ing. ernesto Ricciardi, ha lo scopo di realizzare la demolizione del pilastro che interessa la mezzeria dell’arco in modo da liberare l’area interessata dal plinto di sostegno del pilastro il quale invade un area di interesse archeologico come mostra nella fotografia 9.7.

figura 9.6. Palazzo Valentini, Roma

figura 9.7. Pilastro insistente su sito archeologico

È da presupporre che il pilastro sia stato creato per rinforzare l’arco o perché si riteneva che lo stesso potesse essere caricato da nuove strutture o perché lo stesso aveva dato segni di cedimento. La totale assenza di segni di dissesti fa preferire la prima delle tesi anche perché l’arco sostiene un

136

RInfoRzo stRuttuRaLe con MateRIaLI coMPosItI

muro che direttamente vi grava e l’altro arco, normale al primo (che fu costruito presumibilmente nella stessa epoca del pilastro) sostiene il muro trasversale che esiste al primo piano. La modestia dei carichi a fronte dell’imponenza dei rafforzamenti fa presumere o un accesso di prudenza o la previsione di successivi incrementi ponderali. a prescindere dalle considerazioni esposte che porterebbero a considerare la possibilità della eliminazione del pilastro senza opere aggiuntive, si opererà nella convinzione che l’eliminazione di queSoluzione con iniezioni armate e barre longitudinali pultruse Scala 1 : 50

Vista Frontale

Stato attuale

Fase 1: messa in opera di barre longitudinali incassata nella muratura Traccia nella muratura dell'arco Lamine pultruse longitudinali 2 x 2 x 7 mm x1.2 mm

55

0.00

55

10

85

85

35

35

0.00

-4.15

-4.15 85

245

80

255

85

85

80

255

Fase 3: esecuzione di iniezioni armate con barre pultruse e con pilastro demolito

Tralicciatura con barre pultruse ed iniezioni in resina epossidica

Iniezioni di resina armate con barre pultruse

85

85

35

35

0.00

-4.15

-4.15 245

255

85

80

255

85

580

Zona sottoposta interessata da scavi archeologici

Particolare dell'intradosso della volta

Particolare dell'intradosso della volta

Fori Ø 20 a quinconcio a sede di barre pultruse Ø 12

Fori Ø 20 a quinconcio a sede di barre pultruse Ø 12

100

Sezione trasversale sull'arco minore scala 1:25

3 Ø 10

30

2Ø8

20

30,4

75

20

50

20 75 20

30,4

20

20 75 20

30,4

30

15

30

15

20 75 20

30,4

20 15

30 15

30

Scala 1 : 25

20

Scala 1 : 25

°

45° 45°

245

580

30

45

85

Zona sottoposta interessata da scavi archeologici

Particolare della disposizione della chiodature nella volta Scala 1 : 25

80

20

85

85

580

Zona sottoposta interessata da scavi archeologici

Fase 2: esecuzione di iniezioni armate con barre pultruse e con pilastro non demolito

0.00

245

580

Zona sottoposta interessata da scavi archeologici

100

45°

figura 9.8. Palazzo Valentini, progetto di consolidamento con barre in CFRP

70

3 Ø 10

9. eseMPI DI aPPLIcazIone

137

sto montante che attualmente sostiene l’arco al suo centro comporterà un aumento delle sollecitazioni nell’arco stesso e ciò rende indispensabile che si provveda al suo rafforzamento creando nel suo interno un traliccio portante ideale costituito da elementi ad alta resistenza alla trazione collegati alla massa muraria che dovrà contenerli e da altri elementi aggiuntivi disposti nelle parti più sollecitate. tale risultato può essere raggiunto inserendo nell’arco lungo il suo sviluppo una doppia serie di tondi pultrusi in fibra di carbonio. una delle serie viene inclinata rispetto alla direzione del raggio dell’arco in ciascuna sezione, di 45° in senso orario e l’altra sarà inclinata, sempre rispetto alla direzione del raggio, di 45° ma questa volta in senso antiorario. In tal modo si determina una fascia resistente alle sollecitazioni di trazione ubicata all’intradosso dell’arco la cui sezione ideale scaturisce dalla composizione della risultante dell’azione delle due barre. Questa diffusa chiodatura viene estesa fino ad oltre l’estradosso dell’arco, e pertanto non solo assicurerà il sicuro ancoraggio delle barre, ma aumenterà in modo considerevole la resistenza della muratura superiore in quanto la stessa viene ad essere iniettata con materiali di pregio.

t 9.4. hotel boscolo exedra a nizza (fr) un’interessante esempio di rinforzo su edifici in c.a. con l’utilizzo di fRP è l’adeguamento strutturale dell’Hotel Boscolo exedra a nizza (fR). al fine di consentire un incremento dei carichi accidentali e un’adeguamento sismico della struttura oltre agli interventi tradizionali in c.a. sono stati realizzati numerosi rinforzi con cfRP sia sulle travi che sui pilastri della struttura come illustrato nelle fotografie che seguono.

figura 9.9. Rinforzo travi e pilastri con tessuti in CFRP

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figura 9.10. Rinforzo a taglio e flessione travi in c.a. con tessuti in CFRP

t 9.5. complesso Telecom – Pomezia (roma) un ulteriore interessante esempio di rinforzo su edifici in c.a. è l’adeguamento strutturale di uno degli edifici del complesso telecom di Pomezia (Roma). al fine di consentire un incremento dei carichi accidentali da 400 kg/m2 ad 800 kg/m2 sul solaio posto al 1° piano del fabbricato suddetto, oltre agli interventi tradizionali in c.a. sono stati realizzati numerosi rinforzi con cfRP sia sulle travi che sui pilastri della struttura come illustrato nelle fotografie che seguono.

figura 9.11. Rinforzo a momento negativo travi in c.a.

9. eseMPI DI aPPLIcazIone

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figura 9.12. Rinforzo pilastri a sezione circolare e rettangolare in c.a.

t 9.6. monumento ai martiri napoletani – napoli a seguito di atti vandalici sul monumento in oggetto sono state danneggiate due delle statue dei leoni presenti nel complesso marmoreo. La colonna dei martiri, nella piazza omonima, venne realizzata da emanuele caggiano, stanislao Lista, Pasquale Ricca, tommaso solari e antonio Busciolano, in memoria di quattro episodi della storia che ciascun leone testimonia: la rivoluzione del 1799, i martiri carbonari del 1820, i moti del 1848 e il 1860, anno dell’unità. nell’ambito di un ampio intervento di restauro del monumento, il ripristino strutturale delle statue rappresentanti il “Leone trafitto dalla spada” ed il “Leone dall’aspetto minaccioso” è stato seguito dal Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione dell’università degli studi di napoli federico II che, sotto la guida del Prof. Ing. Ignazio crivelli Visconti e in accordo con la soprintendenza speciale per il Patrimonio storico, artistico ed etnoantropologico e per il Polo Museale della città di napoli, è intervenuto a propria cura e spese nella progettazione e realizzazione del ripristino e consolidamento delle code vandalizzate. Il Progetto di ripristino del Prof. crivelli Visconti, che ha visto la partecipazione dell’Ing. claudio cigliano, dell’ing. Domenico Brigante e del tecnico andrea Barone, è stato realizzato mediante l’utilizzo innovativo di materiali compositi e di proprie tecniche speciali di intervento come illustrato nelle foto che seguono.

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figura 9.13. Monumento ai Martiri Napoletani con particolare della coda mancante

figura 9.14. Coda in CFRP del ”Leone dall’aspetto minaccioso”

9. eseMPI DI aPPLIcazIone

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t 9.7. hotel boscolo exedra a roma tra le applicazioni di cfRP di maggiore interesse, realizzate su strutture in legno, si annovera il consolidamento effettuato sulla copertura a falde del corpo di fabbrica centrale dell’Hotel exedra (Boscolo Hotel) a Roma. Il tetto, originariamente a quattro falde, costituisce l’originario coronamento del cosiddetto granaio clementino, edificio compiuto nel 1705 per volontà di papa clemente XI, a completamento di un sistema di fabbriche pubbliche a tal uopo destinate che, sin dal 1575, nell’ambito della riorganizzazione dell’annona romana, con l’erezione del deposito voluto da papa Gregorio XIII avevano gradualmente assegnato a tale funzione l’area delle antiche terme di Diocleziano. Il progetto della fabbrica settecentesca, testimoniato dall’epigrafe affissa sul portale della fronte orientale, fu commissionato all’architetto carlo fontana che, ispirato dal rispetto dell’antico che, proprio in quegli anni, veniva promosso anche dall’editto del cardinale spinola, cercò di mediare tra le esigenze meramente funzionali dettate dalla destinazione d’uso e le istanze culturali e formali legate alle preesistenze archeologiche che quella zona, diffusamente, includeva. nel XIX secolo l’organismo clementino subì diversi ampliamenti e riadattamenti; i primi seguirono forse alla scelta, compiuta nel 1834, di ospitare in quella sede le carceri ed i relativi servizi. evidentemente, in tale occasione l’originario volume fu accresciuto, addossando i nuovi corpi alla struttura, oggi centrale, sede dell’intervento in oggetto. successivamente, il complesso fu pure coinvolto nella ridefinizione tardottocentesca della cosiddetta piazza esedra, poi piazza della Repubblica, disegnata da Gaetano Koch e «reclamata dal voto unanime della città»11. attualmente, i porticati poi realizzati si protendono simmetricamente, inglobando il prospetto nord-ovest dell’exgranaio clementino.

figura 9.15. Hotel Boscolo Exedra Roma

142

RInfoRzo stRuttuRaLe con MateRIaLI coMPosItI

La struttura in oggetto si compone di 14 capriate lignee a nodo aperto, formate da puntoni (sezione di circa 320x300 mm), catena (400x300 mm), monaco (500x340 mm) e saettoni (dm medio 220 mm), poste ad interassi variabili di circa 5.90 m. Le falde di testata, di cui quella nord rimossa con inevitabili trasformazioni e sacrifici dell’apparecchiatura di sostegno, sono sorrette da ulteriori quattro travi inclinate. La piccola orditura è formata da morali e correntini lignei apparecchiati con un pianellato in cotto. L’orditura principale è attestata – vale a dire, asciata e con spigoli smussati – con una lavorazione poco accurata, soprattutto in corrispondenza dei puntoni; diversamente, correnti e correntini risultano generalmente scorzati. Pur con alcune differenziazioni, anche le ferramenta di rinforzo delle connessioni si segnalano per la generalizzata uniformità di tipologie e lavorazioni. tra monaco e catena è una staffa ad u con chiavarda; tra monaco e puntoni è un gattello ligneo chiodato, in qualche caso, come nella I capriata da nord, sostituito da una più recente staffa piatta in ferro, chiodata ad intervalli regolari. Le saette, tra le membrature sulle quali si è più intervenuto, si evidenziano come partizioni storicamente soggette a ripetuti dissesti ed, evidentemente, come pure per la piccola orditura, anche a qualche sostituzione. Le sezioni a contatto col monaco apparivano, infatti, ampiamente segnate da diffuse sconnessioni, mentre ripetute lefigura 9.16. Particolare del taglio con fresa verticale sioni ad andamento longitudinale caratterizzano la quasi totalità delle aste. fessurazioni longitudinali, scaturite da un eccesso di sollecitazioni flessionali, ricorrevano pure su alcuni correnti dell’orditura secondaria, particolarmente nella sezione compresa tra le capriate X e XI, soprattutto sulla falda di levante. Macroscopici e ripetuti cedimenti differenziali dei monaci, in qualche caso portati a filo della corda, ancora oggi ben visibili e largamente presenti, testimoniavano, inoltre, la vigenza di dissesti ormai stabilizzati di ben più antica origine, altresì contrastati da elementi di rinforzo di diversa datazione. In particolare, considerando i provvedimenti di più recente introduzione, si segnalano i presidi in acciaio disposti in mezzeria ad alcuni correnti, in qualche caso, ancora oggi caratterizzati da un insufficiente tesatura ed, in corrispondenza della fronte settentrionale della XI capriata, la vigenza di un sistema collaborante realizzato, in aderenza, con tiranti connessi ad una coppia di profilati a c bullonati, con funzione di puntoni. Il rinforzo dei correnti è stato eseguito realizzandovi incassi longitudinali, ottenuti con opportuna fresa verticale, trattamento con primer specifico, applicazione di stucco epossidico bicomponente per la regolarizzazione delle superfici, inserimento di corde in fibra di carbonio fissate con adesivo bicomponente epossidico e successiva stuccatura e riverniciatura delle superfici. Due catene sono state rinforzate, dall’intradosso, con chiodature puntuali, realizzate inserendo in appositi fori eseguiti con trapano manuale barre in cfRP, inclinate di circa 45° sull’orizzontale, ancorate con pasta di resina epossidica. Per il consolidamento a compressione dei saettoni, si è proceduto al cerchiaggio con corde in cfRP, posizionate all’interno di apposite tracce, successivamente stuccate e riverniciate. si è garantito così un aumento significativo della resistenza a compressione, contenendo le spinte radiali fatte assorbire alle corde in cfRP, in questo modo, sollecitate a trazione. L’intervento ha interessato i saettoni per un totale di 26 elementi, ciascuno di lunghezza 2,3 m. Identicamente su ognuno di

9. eseMPI DI aPPLIcazIone

143

essi, in corrispondenza della sezione intradossale di attacco al monaco, è stata inserita in appositi fori una coppia di barre in cfRP. a completamento del lavoro, si sono predisposti poi alcuni estensimetri, in corrispondenza dei correnti e dei saettoni di più problematica riabilitazione, così da monitorare con continuità eventuali ulteriori assestamenti della struttura che, ad oggi, a circa tre anni dall’esecuzione, non rivela comunque spostamenti di merito.

figura 9.17. Sistema collaborante in acciaio con tiranti e profilati, apprestato precedentemente all’intervento con CFRP

figura 9.18. Sistema di monitoraggio post-intervento

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RInfoRzo stRuttuRaLe con MateRIaLI coMPosItI

t 9.8. stazione radio base sito Le forna – Ponza (LT) Innumerevoli sono sul territorio italiano i siti realizzati per il posizionamento di strutture di telecomunicazioni, in tali siti le antenne, parabole e le strumentazioni atte alla trasmissione del segnale sono posizionate su elementi strutturali in elevazione con altezza massima spesso molto elevata, al fine di incrementare la copertura dei singoli siti. Le strutture in elevazione utilizzate sul territorio sono riassumibili in strutture a traliccio o strutture a pali, in particolare le strutture in elevazione costituite da pali verticali possono essere rinforzate con materiali compositi. In seguito all’aumento dei carichi presenti sulle singole strutture, determinati da accordi di sharing tra operatori o da necessità del singolo operatore di aumentare il numero di elementi trasmittenti presenti sul singolo sito, si determina un aumento delle sollecitazioni presunti sulle strutture di sostegno. Il consolidamento delle strutture in oggetto mediante l’utilizzo di materiali in cfRP determinano numerosi vantaggi riassumibili come segue: – assenza di nuovi carichi sulle strutture con riduzione dei costi totali di intervento per l’assenza di rinforzi in fondazione; nessun impatto geometrico sulla struttura con la conseguente riduzione dei tempi relativi l’ottenimento dei permessi necessari alle opere; – ridotti tempi di esecuzione dei lavori. Per quanto riguarda il quadro normativo di riferimento, nella progettazione di questa tipologia di rinforzi oltre alle specifiche norme tecniche nazionali i singoli operatori telefonici richiedono anche il rispetto di specifiche norme di progetto in relazione ad esempio alla deformazione massima del palo in elevazione con determinate condizioni di carico e vento che sono specifiche per ogni singolo operatore.

figura 9.19. Rinforzo con CFRP di palo in acciaio per telecomunicazioni

9. eseMPI DI aPPLIcazIone

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superato questo valore, che nelle specifiche tecniche dei maggiori gestori della telefonia varia tra 1° e 1,5°, si verifica la perdita del segnale da parte degli apparati, con le ovvie conseguenze che ne derivano. a queste circostanze si può giungere quando, in determinate condizioni, la struttura di sostegno subisce delle oscillazioni non previste in fase progettuale. I motivi per cui la struttura di sostegno, in determinate circostanze, può oscillare (vibrare) per valori superiori a quelli ammissibili vanno ricercati, principalmente, nell’alterazione della configurazione iniziale della struttura. In particolare, essendo il livello tecnologico nell’ambito delle telecomunicazioni in continuo aggiornamento, c’è l’esigenza da parte degli operatori di variare gli apparati sulla struttura di sostegno; ciò comporta, in molti casi, un aumento dei carichi sulla struttura, che comporta una perdita di rigidezza della stessa; a questa perdita di rigidezza si attribuisce la causa dell’incremento delle oscillazioni che interessano la struttura. escludendo la sostituzione dell’intera struttura, si deve ricorrere, di conseguenza, ad un intervento di consolidamento (o irrigidimento) della struttura. Di notevole interesse è l’intervento di irrigidimento della struttura con materiali compositi date le loro elevate caratteristiche meccaniche, il basso rapporto peso-resistenza, la resistenza alla corrosione e l’elevata durabilità. nella progettazione del rinforzo di questa tipologia di strutture devono essere tenute in opportuna considerazione tutte le informazioni presenti in questo capitolo come l’interposizione di uno strato di GfRP per separare l’elemento in acciaio da quello in cfRP. Di notevole importanza per garantire l’elevata durabilità del sistema di rinforzo applicato è l’applicazione di uno strato protettivo sulla superficie esterna del rinforzo. È ad esempio possibile effettuare la verniciatura della superficie esterna del rinforzo con resina poliuretanica bicomponente alifatica, che garantisce un’ottima resistenza ai raggi ultravioletti, agli agenti atmosferici, alle aggressioni chimiche, al cloro, all’usura ed alle alte temperature.

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caPItoLo 10

guida aLL’insTaLLazione e aLL’uso deL sofTware

t 10.1. introduzione al software allegato Il cD-RoM allegato alla presente pubblicazione installa tre fogli di calcolo che consentono al tecnico di effettuare con semplicità e rapidità il pre-dimensionamento di un rinforzo strutturale, così da semplificare le operazioni preliminari di calcolo e rendere sempre più accessibile l’utilizzo di queste innovative tecniche di consolidamento. Il foglio di calcolo confinamento frP consente di effettuare: – la verifica della resistenza a sforzo normale di pilastri a sezione circolare in c.a. rinforzati con fRP; – la verifica della resistenza a sforzo normale di pilastri a sezione rettangolare in c.a. rinforzati con fRP. Il foglio di calcolo flessione frP (richiede attivazione delle macro) consente di effettuare: – la verifica della resistenza a taglio di travi in c.a. rinforzate con fRP. Il foglio di calcolo Taglio frP consente di effettuare: – la verifica della resistenza flessionale di travi in c.a. rinforzate con fRP;

t 10.2. requisiti minimi hardware e software Per l’installazione ed il corretto funzionamento del software sono necessari i seguenti requisiti minimi hardware e software: – Processore a 1.00 GHz; – Microsoft Windows XP/Vista/7 (per utenti Microsoft Windows Vista e Microsoft Windows 7 sono necessari i privilegi di “amministratore”); – 20 MB liberi sull’HDD; – RaM: Microsoft Windows XP 256 MB; Microsoft Windows Vista/7 512 MB; – Microsoft excel 2000.

t 10.3. Procedura per la richiesta della password utente L’utilizzo del software è subordinato alla relativa registrazione con la password utente da richiedere con la procedura di seguito indicata: 1. collegarsi all’indirizzo internet http://www.grafill.it/pass/461_6.php 2. Inserire i codici “a” e “b” riportati alla fine del volume e cliccare su [verifica codici]. 3. compilare la maschera anagrafica inserendo un indirizzo di posta elettronica al quale Vi sarà inviata in tempo reale la password utente.

10. GuIDa aLL’InstaLLazIone e aLL’uso DeL softWaRe

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t 10.4. Procedura per l’installazione del software 1. con l’autorun abilitato inserire il cD-RoM e, alla visualizzazione della finestra di setup, cliccare su [insTaLLa iL ProdoTTo] per completare la procedura.

2. con l’autorun disabilitato inserire il cD-RoM e svolgere la seguente procedura: a] Dal pulsante [start] di Microsoft Windows selezionare [esegui]. b] nel campo [apri] digitare d:\setup\setup.exe (n.b. In genere “D” identifica l’unità cD-RoM; verificare il nome della vostra unità cDRoM da “Gestione Risorse”). c] cliccare sul pulsante [oK] per completare la procedura.

t 10.5. Procedura per la registrazione del software ottenuta la password utente con la procedura indicata nel paragrafo precedente, effettuare la registrazione del prodotto come di seguito indicato: 1. avviare il software dal seguente percorso di Microsoft Windows: [start] > [Tutti i programmi] > > [grafill] > [rinforzo strutturale con materiali compositi]

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RInfoRzo stRuttuRaLe con MateRIaLI coMPosItI

2. nella maschera di registrazione che comparirà, inserire: – [cognome]; – [nome]; – [codice a]; – [Password] e confermare cliccando sul pulsante [registra]. Il software mostrerà l’elenco dei fogli di calcolo:

n.b. Per il corretto utilizzo del foglio di calcolo flessione frP occorre attivare le macro.

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bibLiografia

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t siti web http://www.olympus-frp.com http://www.euro-composites.com http://www.plymouth.ac.uk http://www.espci.fr http://www.wikipedia.it http://www.basaltech.it http://www.kimia.it

S C H E D A D I R E G I S T R A Z I O N E D E L S O F T W A R E A L L E G AT O A L V O L U M E

RINFORZO STRUTTURALE CON MATERIALI COMPOSITI L’adesivo in questo riquadro riporta i codici “A” e “B” necessari per la REGISTRAZIONE DEL SOFTWARE

PER LA REGISTRAZIONE ON-LINE COLLEGARSI ALL’INDIRIZZO INTERNET http://www.grafill.it/pass/461_6.php

PER LA REGISTRAZIONE A MEZZO FAX, COMPLETARE LA SEGUENTE SCHEDA E TRASMETTERE LA PAGINA INTERA AL NUMERO 091.6823313

Nome ........................................................................................................................................................................................................................... Cognome ..................................................................................................................................................................................................................... Professione ................................................................................................................................................................................................................ Indirizzo ....................................................................................................................................................................................................................... C.A.P. ................... Città .............................................................................................................................. Prov. .............................................. Tel. ............................../......................................................

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GRAFILL Editoria tecnica Via Principe di Palagonia, 87/91 – 90145 Palermo o Telefono 091.6823069 o Fax 091.6823313 o Assistenza tecnica 091.6814098 o Internet http://www.grafill.it o E-mail [email protected]

Il presente volume riguarda numerosi argomenti strettamente legati alle innovative applicazioni dei materiali compositi nelle costruzioni civili, industriali e di interesse monumentale. Le tecniche di rinforzo strutturale mediante l’utilizzo dei materiali compositi, anche detti FRP, rappresentano oggi una realtà consolidata nel panorama tecnico nazionale ed internazionale, e sono parte integrante delle opere di recupero degli edifici interessati dal sisma che ha colpito l’Abruzzo. Di particolare rilevanza e a differenza con altri minori testi tecnici che affrontano problematiche costruttive, il testo si sofferma lungamente nella descrizione delle caratteristiche delle tecnologie adoperate per la realizzazione di manufatti o per interventi di ripristino strutturale in monumenti particolari o in semplici strutture comuni. Gli specifici aspetti realizzativi dei rinforzi su strutture in c.a., legno, muratura e acciaio sono approfonditamente analizzati sia per ciò che riguarda gli aspetti tecnico-progettuali sia per ciò che riguarda le fasi realizzative dell’opera e le successive caratterizzazioni meccaniche dei sistemi posti in opera. Numerosi schemi di voci di capitolato e particolari costruttivi presenti all’interno del volume forniscono un utile strumento da utilizzare direttamente nell’ambito di documentazioni tecniche di vario genere. Gli esempi riportati e le descrizioni di modalità di collaudo e monitoraggio degli interventi completano il testo, che diviene così un valido strumento per il progettista ma anche per l’utilizzatore finale. Il volume costituisce una fondamentale guida pratica per l’ingegnere, il progettista, l’architetto o qualsiasi altro tecnico voglia avvicinarsi concretamente a questa innovativa tecnica di consolidamento strutturale. Nel CD-ROM allegato sono presenti fogli di calcolo che consentono al tecnico di effettuare con semplicità e rapidità il pre-dimensionamento di un rinforzo strutturale, così da semplificare le operazioni preliminari di calcolo e rendere più accessibile l’utilizzo di queste innovative tecniche di consolidamento. I fogli di calcolo consentono di realizzare le seguenti verifiche di elementi rinforzati con FRP: – verifica della resistenza a sforzo normale di pilastri a sezione circolare in c.a. rinforzati con FRP; – verifica della resistenza a sforzo normale di pilastri a sezione rettangolare in c.a. rinforzati con FRP; – verifica della resistenza a taglio di travi in c.a. rinforzate con FRP; – verifica della resistenza flessionale di travi in c.a. rinforzate con FRP. Requisiti minimi hardware e software Processore a 1.00 GHz; MS Windows XP/Vista/7 (per utenti MS Windows Vista e MS Windows 7 sono necessari i privilegi di “amministratore”); 60 MB liberi sull’HDD; RAM: 256 MB per MS Windows XP, 512 MB per MS Windows Vista/7; MS Excel 2000.

Domenico Brigante, ingegnere, dopo la laurea ha conseguito un dottorato di ricerca. L’esperienza di laboratorio, sostenuta da una comprovata esperienza pratica di progettazione e cantiere ha condotto alla realizzazione di numerosi articoli e di tre importanti brevetti sull’argomento.

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