Come rinforzare una trave a flessione utilizzando gli FRP

Quando una struttura esistente non supera le verifiche richieste dalla Normativa vigente, la soluzione è progettare degli interventi di rinforzo. Esistono diverse tipologie di rinforzi che è possibile mettere in opera. Nel post di oggi voglio parlarti dei rinforzi in FRP, delle eccezionali proprietà che li distinguono e di come rinforzare una trave a flessione utilizzando dei tessuti o delle lamine.

La sigla FRP sta per Fyber Reinforced Polymers. Si tratta di materiali compositi costituita da matrici polimeriche e fibre di carbonio, vetro o arammide. Le sigle di questi materiali cambiano a seconda del tipo di fibra che contengono:

  • CFRP per le fibre di carbonio;
  • GFRP per le fibre di vetro;
  • AFRP per le fibre arammidiche.

I materiali FRP sono caratterizzati da elevate proprietà meccaniche e da una notevole leggerezza, nonchè un’ottima resistenza alla corrosione. I composti in FRP sono disponibili sotto forma di lamine pultruse (ti spiego fra poco cosa vuol dire) o sotto forma di tessuti con disposizione bidirezionale delle fibre. Questi ultimi hanno il vantaggio di potersi adattare a superfici curve o comunque non regolari.

I sistemi di rinforzo realizzati in FRP si possono distinguere in:

  • sistemi preformati costituiti da componenti di varia forma (lamine, nastri, barre o altro) preparati in stabilimento mediante pultrusione ed incollati all’elemento strutturale da rinforzare;
  • sistemi impregnati in situ costituiti da fogli o tessuti di fibre uni o multi-direzionali impregnati con una resina che può fungere anche da adesivo con il substrato di calcestruzzo interessato;
  • sistemi preimpregnati costituiti da fogli o tessuti di fibre uni o multi-direzionali preimpregnati con resina parzialmente polimerizzata ed incollati al substrato da rinforzare con l’uso di resine aggiuntive.

 

Come si producono gli FRP

Le principali tecniche di produzione degli FRP per l’impiego in ambito civile sono le tre seguenti:

  • Pultrusione;
  • Laminazione;
  • Wet lay-up.

Pultrusione

La pultrusione consiste nell’impregnare le fibre in un serbatoio di resina e indurire la matrice polimerica attraverso il passaggio in uno stampo riscaldato. La linea di produzione è molto semplice, ti riporto un’immagine qui sotto. Attraverso questa tecnica è possibile produrre laminati per rinforzi strutturali, ma anche barre di armatura e profili sagomati (a “C”, ad “U”, a doppio “T” etc.)

Produzione di FRP tramite pultrusione

Laminazione

La laminazione può essere eseguita a partire da fibre secche che vengono impregnate di resina durante l’applicazione. La fase successiva della laminazione prevede la preparazione di un sacco da vuoto che avvolge e comprime il laminato da produrre.

Un esempio di applicazione della laminazione in campo civile è rappresentato dal confinamento di colonne o dal rinforzo a taglio di travi mediante l’applicazione di un tessuto secco (o un pre-impregnato) sulla superficie delle membrature con successiva impregnazione di resina mediante rullatura.

 

Wet lay-up

La laminazione a umido (wet lay-up) è una delle più semplici e tradizionali tecniche utilizzate per la preparazione dei compositi in situ. Essa si articola in due fasi:

  • fase di stratificazione;
  • fase di polimerizzazione.

La stratificazione consiste nel disporre manualmente, su uno specifico supporto, uno strato di tessuto che viene successivamente impregnato di resina premiscelata al catalizzatore. L’impregnazione è realizzata manualmente con rulli o pennelli ed è seguita da un’accurata rullatura finalizzata alla compattazione del materiale ed all’eliminazione delle bolle d’aria in esso intrappolate.

La fase di polimerizzazione segue la stratificazione e si sviluppa a temperatura ambiente ed in tempi brevi senza la necessità di riscaldare la superficie del composito.

Proprietà meccaniche degli FRP

Le fibre che costituiscono gli FRP hanno delle proprietà meccaniche straordinarie rispetto ai comuni materiali da costruzione. Sono davvero su un altro pianeta se si considerano i livelli di resistenza che riescono a raggiungere. Per darti un’idea delle elevate proprietà meccaniche dei diversi tipi di fibra ti riporto un digramma tensione-deformazione di confronto. Potrai vedere un paragone con il legame costitutivo dell’acciaio da costruzione

Legami costitutivi dei diversi tipi di fibra e dell’acciaio da costruzione

Come puoi vedere, rispetto all’acciaio da costruzione (curva rossa in figura), le proprietà meccaniche sono nettamente superiori. Le fibre hanno un comportamento elastico fino a rottura e resistenze molto più alte rispetto all’acciaio.

C’è però un elemento che riporta le proprietà meccaniche degli FRP nel comune mondo dei materiali da costruzione. Si tratta della matrice polimerica. Gli FRP non sono costituiti solo da fibre, ma dall‘unione fra fibre e matrice polimerica. Se le fibre hanno proprietà meccaniche eccezionali, lo stesso non si può dire per la matrice polimerica. Ti riporto sotto una tabella di confronto.

Proprietà meccaniche delle fibre, della matrice polimerica e dell’acciaio da costruzione

Come puoi vedere la matrice polimerica ha un modulo di elasticità circa 100 volte inferiore a quello dell’acciaio ed una resistenza a rottura circa 6 volte inferiore.

Dall’unione delle fibre con la matrice polimerica nascono gli FRP. Cosa succede quando si mettono insieme fibre dalle proprietà straordinarie con una matrice polimerica dalle basse proprietà? Dipende. Gioca un ruolo determinante la percentuale volumetrica con le quali si mescolano questi due elementi. Come puoi vedere nell’immagine sotto, il legame costitutivo dell’FRP avrà un modulo elastico compreso fra quello della fibra e della matrice polimerica. Lo stesso vale per la resistenza.

Legame costitutivo di fibra, matrice e corrispondente composito

Maggiore sarà la frazione volumetrica (Vfib in figura sotto) di fibre, più le proprietà meccaniche dell’FRP si avvicineranno a quelle delle fibre.

Legame costitutivo del composito al variare della frazione volumetrica di fibre

 

Come rinforzare un trave con gli FRP

Dopo una breve parentesi sulle tecniche di produzione e proprietà degli FRP, veniamo al punto chiave di questo post: come si rinforza una trave a flessione?

Il rinforzo di una trave a flessione si rende necessario quando il momento resistente della trave è inferiore al momento sollecitante. Il motivo potrebbe essere:

  • un cambio di destinazione d’uso della struttura; i carichi accidentali di progetto della nuova destinazione possono essere superiori, per esempio nel caso di passaggio da abitazione ad uffici con funzioni pubbliche. In questo caso si passerebbe da 200 kg/mq a 300 kg/mq per i carichi accidentali;
  • armatura insufficiente; se la struttura è molto datata, l’armatura disposta in fase di realizzazione può non essere adeguata per resistere alle sollecitazioni dovute all’azione sismica prevista delle NTC2008.

In entrambi i casi il calcolo del momento resistente dell’elemento esistente va eseguito considerando il livello di conoscenza che si intende raggiungere. Il rinforzo può essere eseguito applicando al lembo teso della trave una o più lamine preformate oppure uno o più strati di tessuto impregnati in situ.

Il CNR DT200 prescrive che l’incremento del momento resistente utilizzando gli FRP non può essere superiore al 50%. Ciò vuol dire che se il momento sollecitante massimo che deriva dall’analisi della struttura esistente supera il doppio del momento resistente, saprai fin da subito che non potrai ricorrere agli FRP per eseguire il rinforzo. 

Dove applicare il rinforzo

Applicare un rinforzo in FRP equivale ad aumentare l’armatura tesa dell’elemento da rinforzare. Infatti il tessuto o il laminato in FRP sono in grado di assorbire i soli sforzi di trazione. Il rinforzo in FRP viene applicato dopo un’adeguata preparazione del substrato di calcestruzzo e successiva applicazione di resine epossidiche o poliestere.

Prima di applicare il rinforzo in FRP bisogna rimuovere le parti di calcestruzzo ammalorato. Se l’armatura metallica presenta fenomeni di corrosione, bisogna rimuovere il copriferro, spazzolare i ferri di armatura e mettere in opera idonee sostanze per bloccare il fenomeno di corrosione. 

Bisogna poi ricostruire le parti di calcestruzzo ammalorato che sono state rimosse. Eventuali asperità della superficie devono essere livellate mediante utilizzo di apposito stucco epossidico. 

Rinforzo di una trave con FRP

Il rinforzo in FRP va applicato in quelle zone in cui il momento sollecitante supera il momento resistente della trave. Bisogna garantire una sufficiente lunghezza di ancoraggio dell’FRP prolungando la lamina o il tessuto oltre la zona che necessita del rinforzo per una lunghezza di almeno 20 cm.

Come si rompe un rinforzo in FRP

La rottura del rinforzo in FRP è una rottura di tipo fragile e consiste nel distacco del laminato o del tessuto dal substrato su cui è applicato. La rottura può avvenire:

  • all’interfaccia fra adesivo e calcestruzzo;
  • all’interno dell’adesivo;
  • nel substrato di calcestruzzo
  • all’interno del rinforzo in FRP – per esempio per distacco fra strati sovrapposti di rinforzo (delaminazione).

Ti riporto sotto un’immagine riepilogativa delle diverse tipologie di rottura.

Tipologie di rottura del rinforzo in FRP

In genere il tipo di rottura più frequente è quella nel substrato di calcestruzzo. L’adesivo infatti ha una resistenza a taglio molto più elevata di quella del calcestruzzo se il rinforzo è stato messo correttamente in opera.

Il collasso del rinforzo a flessione di una trave può avvenire secondo uno dei quattro modi che ti elenco di seguito:

  • Modo 1: distacco di estremità;
  • Modo 2: distacco intermedio causato della presenza di fessure per flessione nella trave;
  • Modo 3: distacco causato da fessure diagonali da taglio nella trave;
  • Modo 4: distacco causato da irregolarità e rugosità nella superficie di calcestruzzo.

I diversi modi di distacco sono rappresentati nella figura di seguito. Il documento tecnico CNR-DT200 prende in considerazione solo i modi 1 e 2 come modi di collasso del rinforzo a flessione essendo questi quelli che si presentano più di frequente nella pratica.

I modi di collasso del rinforzo a flessione di una trave

 

Ricorda che stai rinforzando una struttura già deformata

Quando progetti o verifichi un rinforzo a flessione di una trave, devi tener presente che il rinforzo andrà applicato su una struttura già sollecitata e di conseguenza già deformata. Infatti all’atto dell’applicazione del rinforzo, oltre al peso proprio della struttura, agiranno i carichi permanenti non strutturali (massetto, pavimento, intonaco, incidenza tramezzi etc.) a meno che questi non vengano totalmente rimossi prima dell’applicazione del rinforzo. Agiranno inoltre i carichi accidentali a meno che la struttura non venga totalmente sgomberata prima di applicare il rinforzo.

Il progettista dovrà tenere conto dei carichi che agiranno sulla struttura quando verrà messo in opera il rinforzo e dovrà tener conto dello stato deformativo iniziale. Il rinforzo in FRP verrà messo in opera su un substrato già deformato ed esibirà la sua efficacia solo per i carichi che agiranno dopo la messa in opera del rinforzo. All’atto della messa in opera il tessuto o il laminato in FRP sarà praticamente indeformato e di conseguenza scarico.

Ci sarà una deformazione differenziale fra l’armatura tesa in acciaio e il rinforzo in FRP. Di tale deformazione bisognerà tener conto nel calcolo delle tensioni nei materiali per la ricerca dell’asse neutro della sezione allo Stato Limite Ultimo. Lo stato deformativo iniziale della struttura può essere invece trascurato se il momento sollecitante all’atto della messa in opera del rinforzo è minore del momento di fessurazione.

Conclusioni

Spero che quest’articolo abbia fatto chiarezza sulle proprietà meccaniche degli FRP, su come vada applicato il rinforzo e su come questo contribuisca ad aumentare la resistenza a flessione.

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Novità – Ver.Sez. 5.0

Da lunedì prossimo sarà disponibile la nuova versione 5.0 di Ver.Sez. l’applicazione per la verifica di sezioni in cemento armato. La caratteristica principale della nuova versione ha a che fare proprio con l’argomento del post di oggi. Ci saranno dei moduli dedicati al rinforzo in FRP a flessione e a taglio. Tieni d’occhio la tua mail nei prossimi giorni, ti fornirò qualche dettaglio in più.

Al prossimo articolo.

Marco.