I Materiali Compositi FRP

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2 I Materiali Compositi FRP La linea BETONTEX è un sistema completo per il rinforzo strutturale in edilizia con materiali compositi (FRP). I materiali compositi, spesso definiti con l acronimo FRP (Fibers Reinforced Polymers), sono costituiti da una matrice polimerica (Resina) e da una fibra continua di rinforzo. La matrice polimerica ha la funzione di dare forma al pezzo, nonché di proteggere e trasferire i carichi alla fibra. La fibra ha la funzione di sopportare i carichi trasferiti dalla matrice e di conferire al pezzo adeguate proprietà meccaniche. Le fibre possono essere disposte in tutte le direzioni, secondo i dati di progetto, in modo da ottimizzare le proprietà meccaniche del composito nelle direzioni desiderate. In una forma preferita, nelle applicazioni in edilizia, si utilizzano rinforzi unidirezionali, in cui le fibre sono disposte in una sola direzione (Fig 1). In alcuni casi può essere opportuno utilizzare rinforzi bidirezionali, con disposizione delle fibre a: 0-90, oppure rinforzi multiassiali, con disposizione delle fibre a: 0-90 ; ±45. I sistemi di rinforzo BETONTEX, prodotti con una tecnologia sviluppata e brevettata da Ardea Progetti e Sistemi srl, sono costituiti da nastri mono e multidirezionali a base di fibre di carbonio o fibre ad alto modulo, mantenute nella loro corretta posizione da una leggerissima fibra di vetro termosaldata a caldo, specificamente progettati per applicazioni in edilizia. Le proprietà meccaniche di un materiale composito sono collegate alla direzione ed alla quantità di fibra contenuta nel composito, espressa in frazione volumetrica. Per un composito unidirezionale si possono indicare le seguenti relazioni: σc = σf Vf + σm Vm (a) Ec = Ef Vf + Em Vm (b) dove σc, σf e σm sono rispettivamente i carichi di rottura del composito, della fibra e della matrice; Ec, Ef e Em sono i moduli elastici del composito, della fibra e della matrice; Vf e Vm sono rispettivamente le frazioni volumetriche della fibra e della matrice nella direzione considerata. Nelle applicazioni in edilizia, in favore di sicurezza, è buona norma considerare unicamente il contributo alle proprietà meccaniche dato dalla fibra, considerando nullo il contributo dato dalla matrice e dalle fibre poste in direzione diversa da quella considerata, per cui le relazioni (a) e (b) diventano: σc = σf Vf (c) Ec = Ef Vf (d) I relativi carichi per un determinato rinforzo risultano: σc Ac = σf Af (e) Ec Ac = Ef Af (f) essendo Ac ed Af rispettivamente le sezioni del composito e la sezione della fibra. Fig. 1 1

3 Le Fibre Nei materiali compositi si utilizzano principalmente fibre aventi altissime proprietà meccaniche, nettamente superiori a quelle possedute dai materiali tradizionali. Le fibre normalmente utilizzate sono: fibre di carbonio, fibre aramidiche, fibre di vetro. Tipo di fibra Carbonio HT Carbonio HM Carbonio UHM Aramidica Vetro (E) ADV Tensione di rottura a trazione (MPa) (Kg/mm 2 ) Modulo elastico a trazione (GPa) (Kg/mm 2 ) Allungamento a rottura (%) 2,0 1,1 0,5 2,9 3,5 Densità (g/cm 3 ) 1,78 1,80 2,10 1,44 2,5 Fibre di Carbonio Le fibre di carbonio si distinguono in: fibre ad Alta Tenacità (HT), fibre ad Alto Modulo (HM), fibre ad Altissimo Modulo (UHM). Le fibre di carbonio, aventi un diametro di pochi μ, sono assemblate in un filo che può essere caratterizzato dal numero di fibre componenti il filo o dal loro peso: 3K = fibre (200Tex); 6K = fibre (400Tex), 12k = fibre (800 Tex) (*). Le fibre di carbonio presentano un elevatissima resistenza alle alte temperature (oltre i C), non bruciano, sono chimicamente resistenti a qualsiasi agente chimico, né subiscono fenomeni di invecchiamento. Fibre Aramidiche Le fibre aramidiche, caratterizzate da una grande capacità di assorbimento dell energia di deformazione e di smorzamento dell energia vibrazionale (vibration dumping), presentano contemporaneamente elevate caratteristiche di resistenza a rottura, un elevata deformabilità nonché un alto modulo elastico. Le fibre aramidiche sono sensibili agli agenti esterni (luce ed umidità) e presentano fenomeni di Creep (deformazione sotto carico costante) dei quali è necessario tenere conto. Se ne consiglia l impiego in miscela con fibre di carbonio o fibre di vetro (compositi ibridi). Da sole possono rappresentare un buon presidio di resistenza che può essere richiamato in caso di eventi eccezionali (sisma). Fibre di Vetro Le fibre di vetro nel tipo Adv presentano una più elevata resistenza agli alcali. Più economiche delle fibre di carbonio ed aramidiche, presentano una buona deformabilità ed una buona resistenza alla compressione. (*) Tex = Unità di misura del peso di un filato espresso in g (grammi) per 1000 ml di filo. 2

4 I Rinforzi Rinforzi Esterni - EBF (Externally Bonded Fibers): quando il rinforzo viene applicato all esterno della struttura. Appartengono a tale tipologia: i nastri di tipo unidirezionale, le reti biassiali, i nastri bi e multiassiali e le lamine prodotte con procedimenti di laminazione diretta o con processi di pultrusione. I nastri si distinguono nelle varie tipologie per: il tipo di fibra utilizzato, il peso della fibra per unità di superficie, lo spessore o la sezione della fibra. Le lamine si distinguono per: dimensione, tipo di fibra utilizzato, sezione della fibra. L uso delle lamine può essere preferito in applicazioni su travi di larghezza ridotta, cm, quando possono essere richieste sezioni di fibra importanti. In altri casi è preferibile l uso di nastri che possono presentare larghezze comprese tra 10 e 50 cm ed essere opportunamente sovrapposti in modo da raggiungere i valori di sezione di fibra richiesti dall applicazione. Rinforzi Interni - IBF (Internally Bonded Fibers): quando il rinforzo viene applicato all interno della struttura. Appartengono alla presente tipologia: le barre che vengono utilizzate per inghisaggio in fori opportunamente preparati nella struttura. Rinforzi misti - EIBF (Externally-Internally Bonded Fibers): quando il rinforzo esterno è collegato con rinforzi interni in una struttura tridimensionale, (Sistema Ardfix). Appartengono a questa tipologia: sistemi di collegamento e di connessione realizzati con impiego combinato di barre e nastri, secondo il metodo Ardfix. Applicazioni Le applicazioni coprono diverse tipologie di intervento su opere in calcestruzzo e muratura: - Rinforzo e riqualificazione di travi e pilastri e strutture in cemento armato; - Rinforzo e recupero di volte e gallerie; - Recupero e restauro strutturale di murature, contenimento della fessurazione; - Recupero e restauro di archi e porticati; - Interventi per il miglioramento sismico; - Recupero e ristrutturazione di tubature e condotte, pali, passerelle, vasche e serbatoi; - Costruzioni di strutture in composito. Realizzazioni I rinforzi Betontex hanno trovato applicazione in: Ponti stradali ed autostradali; Rinforzo strutturale di travi, colonne e pilastri in calcestruzzo; Restauro di edifici in muratura; Rinforzo e restauro di archi e porticati; Rinforzo e messa in sicurezza di archi e gallerie; Recupero e ristrutturazione di condotte, tubature, vasche e cisterne, pali, passerelle, balconate; Costruzione di lamine ed elementi strutturali preformati. 3

5 Alcuni Schemi di Applicazioni TRAVI Rinforzo a flessione Il rinforzo a flessione di travi in c.a., c.a.p., legno o acciaio, viene eseguito con l apporto di un armatura esterna costituita da tessuti preimpregnati lamine o laminati in situ. Il rinforzo dovrà essere progettato per l incremento di momento resistente necessario per rispettare i coefficienti di sicurezza previsti dalla normativa vigente. La tipologia di materiale dipenderà essenzialmente dal tipo di calcolo eseguito. Nel caso di un calcolo agli stati limiti ultimi si potrà utilizzare il tessuto unidirezionale termosaldato tipo Betontex GV330U-HT (E = 240 GPa), che ha un elevato carico ultimo di rottura ed elevata deformazione ultima. Nel caso invece, di un calcolo per gli stati limite di esercizio dove sia l acciaio sia il calcestruzzo compresso rimangono all'interno dei valori di deformazione limite elastica, si potrà utilizzare per il rinforzo il tessuto unidirezionale termosaldato tipo Betontex GV320U-HM che, avendo un modulo elastico E = 390 GPa, a parità di deformazione garantisce una tensione di lavoro maggiore. Per cui, nota la sollecitazione (ΔM), la geometria della sezione, le caratteristiche geometriche e meccaniche del rinforzo, il calcolo potrà essere eseguito come armatura in zona tesa per una sezione parzializzata di cui è nota la posizione dell asse neutro. Il fattore principale da tenere sotto controllo, per il buon esito del rinforzo a flessione di una trave, è l aderenza del rinforzo al supporto. Ciò può consentire di evitare fenomeni prematuri di delaminazione del tessuto o debonding del copriferro per valori di carico molto inferiori al carico di rottura. I campi di crisi allo SLU per flessione di una sezione potranno essere influenzati dalla delaminazione del rinforzo (zona B) per sezione fortemente rinforzate, ovvero per snervamento dell acciaio (zona A) per sezioni debolmente rinforzate. L adesione può essere migliorata mediante staffature ad U posizionate con la fibra in direzione orizzontale. Talvolta può essere opportuno utilizzare un sistema di fissaggio, costituito da barre e tessuti in carbonio, denominato ARD- FIX, il quale permette di interessare una porzione maggiore del calcestruzzo di interfaccia e di ottenere un adesione resina su resina in grado di garantire valori di distacco maggiori rispetto all adesione resina calcestruzzo. Il rinforzo a flessione di una trave con materiali compositi fibrorinforzati, per la natura stessa di tali materiali, anche se modifica l indice di rigidità della trave EJ, ha generalmente un effetto modesto sulla deformabilità della stessa. 4

6 Rinforzo a taglio Il rinforzo a taglio può essere eseguito con l'utilizzo di staffe, realizzate dall accoppiamento di tessuti unidirezionali termosaldati Betontex e sistema di ancoraggio Ardfix oppure tramite fasce orizzontali poste ai lati della trave e staffature ad U in corrispondenza dell appoggio. Trave in CA con rinforzo longitudinale realizzato con tessuti Betontex Trave in CA con rinforzo longitudinale realizzato con tessuti Betontex e fasce ad U per ancoraggio Trave in CA con rinforzo longitudinale realizzato con tessuti Betontex e barre in CFRP ARDFIX (passo da calcolare) Trave in CA con rinforzo longitudinale e rinforzo a taglio realizzato con tessuti Betontex (passo da calcolare) 5

7 Rinforzo a taglio Cerchiatura pilastri L incremento di resistenza ottenibile con una cerchiatura esterna può essere stimato con la classica formula fcc d = fcd + keff fl indicando con fl la pressione di confinamento dovuta all effetto cerchiante, con fcc d la resistenza del calcestruzzo cerchiato, con fcd la resistenza di calcolo del calcestruzzo. Il coefficiente keff, detto coefficiente di efficienza, è funzione del rapporto tra il volume efficacemente confinato e quello totale dell elemento. Naturalmente, l effetto della cerchiatura varia in funzione della sezione da cerchiare: l'effetto è massimo nella sezione circolare, che ben si presta ad essere cerchiata, mentre nella valutazione dell'effetto cerchiante delle sezioni quadrate e rettangolari è necessario tenere conto che il nucleo resistente è individuato dalle parabole tangenti alle diagonali. Con particolari accorgimenti è possibile aumentare l area del calcestruzzo confinato. Nel caso dei pilastri quadrati è necessario che gli angoli siano smussati con un raggio minimo di curvatura pari ad almeno 2 cm. In caso di carichi eccentrici è possibile che la struttura richieda, oltre alla fasciatura, un incremento di armatura longitudinale realizzabile con l'applicazione di fasce verticali opportunamente vincolati al resto della struttura. 6

8 Murature Rinforzo di paramenti murari La muratura per sua natura è un materiale non resistente a trazione, pertanto sollecitazioni esterne che determinano stati tensionali di trazione innestano meccanismi di crisi tipici di queste strutture. Il rinforzo con materiali compositi fibrorinforzati, poiché fornisce la resistenza a trazione che la muratura intrinsecamente non possiede, deve essere progettato e posizionato in zona tesa. Premesso che le modalità di crisi dei materiali costituenti la muratura possono essere: - Fessurazione per trazione della muratura; - Schiacciamento della muratura; - Taglio-scorrimento della muratura; la presenza dei rinforzi Betontex modifica completamente il meccanismo di rottura e consente alla muratura di raggiungere valori di carico altrimenti non raggiungibili. Anche nel caso del rinforzo di strutture murarie l adesione del rinforzo al supporto è di importanza cruciale per evitare fenomeni di delaminazione o debonding dalla muratura, rotture di tipo fragile e per valori di carico inferiori a quelli di crisi del materiale. Alcuni dei principali problemi relativi alle strutture in muratura, dai quali derivano i principali problemi dell intera struttura quando è sottoposta ad azioni sismiche, sono gli ammorsamenti e la connessione fra maschi murari e muri di spina. Gli interventi di cerchiatura per confinamento dei pannelli murari effettuati con materiali compositi fibrorinforzati permettono di ripristinare il corretto funzionamento scatolare ed una migliore risposta sismica dell intera struttura incrementandone la resistenza e la rigidezza degli elementi senza l apporto di masse significative. Rinforzo di volte La crisi delle strutture voltate è quasi sempre dovuta all instaurarsi di un cinematismo connesso alla formazione di cerniere intradosso-estradosso che trasformano la struttura da iperstatica a isostatica fino a renderla labile. La volta è in una configurazione equilibrata quando la linea delle pressioni rimane all interno dello spessore. Quando la risultante delle forze interne fuoriesce dal nocciolo centrale d inerzia della sezione questa si parzializza, ossia si genera una distribuzione delle compressioni secondo un andamento triangolare. Tuttavia la volta, pur fessurandosi, rimane in una configurazione equilibrata. Se invece la curva delle pressioni esce dalla sezione si ha la formazione di cerniere sul contorno, e non possono stabilirsi configurazioni equilibrate della volta. Il problema può essere analizzato con il teorema cinematico dell analisi limite: fra gli infiniti cinematismi ammissibili il cinematismo cogente è quello cui è associato il moltiplicatore dei carichi più basso. Sulla base dei risultati sperimentali presenti in letteratura, e possibile affermare che la crisi per meccanismo è tipica delle volte non rinforzate, mentre, in presenza di rinforzi, dipende essenzialmente dalla loro disposizione. Per rinforzi disposti sull intero arco di intradosso o estradosso della volta vengono inibiti tutti i possibili meccanismi di collasso e pertanto la verifica può essere eseguita con l applicazione del teorema cinematico, nella forma valida per le volte rinforzate. 7

9 Murature La presenza del rinforzo permette di conseguire i seguenti obiettivi: 1. bloccare la formazione delle cerniere tipiche delle strutture voltate con la conseguente formazione di un cinematismo che porta al collasso la struttura; 2. collegare fra loro le diverse parti strutturali conferendo loro una rigidezza adeguata; 3. dotare la muratura di una resistenza a trazione, che altrimenti non avrebbe; 4. conferire una maggiore resistenza alla struttura rispetto a possibili fenomeni sismici, aumentando resistenza e rigidezza degli elementi strutturali senza un apporto significativo di massa. Nel dimensionamento del rinforzo molteplici sono i fattori da tenere particolarmente in considerazione: la tessitura della muratura, il controllo della sollecitazione di compressione della muratura, la delaminazione del tessuto e debonding della muratura per rinforzi disposti sull arco d intradosso. 8

10 I prodotti Il sistema BETONTEX comprende: Nastri mono e multidirezionali Lamine (laminazione diretta e pultruse) Barre pultruse 9 Tipo di rinforzo Resine epossidiche Sistemi di Ancoraggio Ardfix Sistemi di rinforzo del legno Ardwood BETONTEX GV-HT e GV-HM - Rinforzi unidirezionali in fibra di carbonio Tipo Carbonio (Tex) n fili/cm Peso in fibra (g/m 2 ) GV 240 U-HT HT 800Tex 240 1, , GV 330 U-HT HT 800Tex 320 1, , GV 430 U-HT HT 800Tex 400 2, , GV 320 U-HM HM 600Tex 300 1, , GV 420 U-HM HM 600Tex 400 2, , (*) Sezione di fibra in mm 2 per cm di larghezza del nastro Tipo di rinforzo Tipo di rinforzo Sezione fibra nel nastro (*) (mm 2 /1 cm) Carico di rottura (N/mm 2 ) (kg/mm 2 ) Modulo elastico (kn/mm 2 ) (kg/mm 2 ) BETONTEX GK-HT - Rinforzi unidirezionali in ibridi carbonio-aramidica BETONTEX KV-HT - Rinforzi unidirezionali in fibra aramidica Larghezza nastro (cm) GK 310 U-HT 1/ , (*) Sezione di fibra in mm 2 per cm di larghezza del nastro Tipo Aramidico T 2200 (Tex) n fili Peso in fibra (g/m 2 ) KV 230 U-HT dtex 230 1, KV 300 U-HT dtex 300 2, ,0 KV 400 U-HT dtex 400 2, ,5 (*) Sezione di fibra in mm 2 per cm di larghezza del nastro Tipo di rinforzo Tipo Carbonio HT Aramidico T2200 Rapporto Volumetrico Peso in fibra (g/m 2 ) Sezione fibra nel nastro (*) (mm 2 /1cm) Sezione fibra nel nastro (*) (mm 2 /1 cm) Carico di rottura (N/mm 2 ) (kg/mm 2 ) Carico di rottura (N/mm 2 ) Modulo elastico (kn/mm 2 ) (kg/mm 2 ) Modulo elastico (kn/mm 2 ) (kg/mm 2 ) BETONTEX VV-HT - Rinforzi unidirezionali in fibra di vetro Tipo Vetro (Tex) / n fili/cm Peso in fibra (g/m 2 ) Larghezza nastro (cm) Larghezza nastro (cm) VV 320 U-HT ADVTex , , VV 630 U-HT ADVTex 600 2, , (*) Sezione di fibra in mm 2 per cm di larghezza del nastro Sezione fibra nel nastro (*) (mm 2 /1cm) Carico di rottura (N/mm 2 ) (kg/mm 2 ) Modulo elastico (kn/mm 2 ) (kg/mm 2 ) Larghezza nastro (cm)

11 I prodotti Tipo di rete Betontex Wire BETONTEX BIAX e MULTIAX HT - Rinforzi biassiali e multiassiali in fibra di carbonio Tipo di rete Bentotex Biax-Multiax (*) Tipo Fibra n fili/cm a 0 /±45 /90 Peso in fibra Totale a 0 /±45 /90 (g/m 2 ) Sezione fibra nel nastro (**) a 0 /±45 /90 (mm 2 /1cm) Carico di rottura nastro (***) a 0 /±45 /90 (N/cm) (kg/cm) BIAX 330 HT Carbonio HT 800Tex 300 0,84/0/0, /0/ /0/2 150/0/ /0/244 BIAX HT Carbonio HT 800Tex 170 0,44/0/1, /0/ /0/3,8 80/0/ /0/560 MULTIAX 400 HT Carbonio HT 800Tex 400 0,45/0,58-0,58/0, / / /1,3-1,3/1,3 85/ / / /204 MULTIAX 600 HT Carbonio HT 800Tex 600 0,84/0,84-0,84/0, / / ,8/1,8-1,8/1,8 150/ / / /255 (*) Si considera a 90 la direzione della pezza (ordito) e 0 la direzione ortogonale (trama), le direzioni ±45 di conseguenza. (**) Sezione di fibra per cm di larghezza del nastro nelle diverse direzioni della fibra. (***) Carico di rottura del nastro per cm di larghezza nelle diverse direzioni della fibra. BETONTEX-LAMINA Lamine prodotte con tecnologia per laminazione diretta con sezione di fibra e lunghezza a specifica Tipo Betontex - Lamina Tipo Fibra n fili x TEX /cm a 0-90 BETONTEX WIRE - Reti termosaldate bidirezionali Tipo di Fibra di Carbonio Dimensioni maglia (mm) RC 225-TH12 Carbonio HT ,56/0, / ,25x / /180 RC 170-TH12 Carbonio HT ,47/0, / x800 85/85 150/150 RV 125-TH12 Vetro E(ADV) ,24/0,24 390/ x300 60/60 40/40 RV 220-TH12 Vetro E(ADV) ,40/0,40 650/ ,8x /66 (*) Sezione di fibra in mm 2 per cm di larghezza del nastro Larghezza (mm) Peso in fibra Totale 0-90 (g/m 2 ) Sezione fibra nel nastro (*) a 0-90 (mm 2 /1cm) Sezione delle fibre di Carbonio (mm 2 ) Carico di rottura nastro a 0-90 (N/cm) (kg/cm) Modulo elastico della fibra (N/mm 2 ) Larghezza nastro (cm) Larghezza nastro (cm) Modulo x sezione (Nx1000) BL 5-5HT HT BL 6-5HT HT BL 8-5HT HT BL10-5HT HT BL12-5HT HT BL15-5HT HT BL 5-6HT HT BL 6-6HT HT BL 9-6HT HT BL12-6HT HT BL 6-5HM HM BL 9-5HM HM BL12-5HM HM BL 5-7HM HM

12 I prodotti Tipo Lamina Pulflex BETONTEX-PULFLEX Lamine pultruse in rotoli da ml Larghezza / Spessore Sezione delle Fibre di carbonio (mm 2 ) Modulo elastico della fibra (N/mm 2 ) Modulo x sezione (kn) PULFLEX /1, PULFLEX /1, PULFLEX /1, BETONTEX ELIPS F10 Barra (Tondino) in fibra di carbonio pultruso per sistema Ardfix ELIPS F10 Unità di misura Valore Diametro mm 9,5 Densità g/cm 3 1,5 c.a. Rapporto Volumetrico fibra /resina n 58/42 Frazione Volumetrica Fibra Vf 0,58 Sezione Fibra mm 2 40 Modulo elastico della fibra kn/mm Carico di rottura della fibra N/mm Carico di Rottura della Barra N (kg) (13.300) Modulo x sezione kn

13 Le resine Nei compositi per applicazioni in edilizia si utilizzano quasi esclusivamente resine del tipo bicomponente a base di polimeri epossidici, le quali comprendono pertanto una resina base (Componente A) ed un induritore (Componente B). Queste resine sono state opportunamente ottimizzate per coprire tutte le esigenze di applicazione e vengono prodotte in diverse tipologie: Primer RC 01: Resina a bassa viscosità, ad elevata capacità di penetrazione, finalizzata alla preparazione delle superfici all adesione successiva del rinforzo. Rasanti RC 20 - RC 30: Resine opportunamente addensate, da utilizzare a spatola, ideali per uniformare la superficie e renderla idonea all applicazione del rinforzo. Sono fornite in due tipologie: RC 20 per bassi spessori (1-2mm) o RC 30 per alti spessori (2-10 mm). Adesivi Impregnanti RC 02: Resine con funzione adesiva ed impregnante, opportunamente tixotropizzate, ottimizzate per l applicazione dei nastri o dei tessuti nei rinforzi esterni. Adesivi per Lamine e Barre RC 30: Resine fortemente addensate idonee all'applicazione di lamine o per inghisaggio delle barre. BETONTEX RESINE SISTEMI DI RESINE EPOSSIDICHE BICOMPONENTI Caratteristiche dei sistemi Tipo di sistema RC 01 RC 02 RC 20 RC 30 Rapporto di catalisi 2 : 1 2 : 1 2 : 1 4 : 1 Catalisi in peso R/C 100 : : : : 25 Tempo di gelo a 20 C minuti minuti minuti minuti Tempo di indurimento a 20 C minuti minuti minuti minuti Tempo di indurimento totale ore ore ore ore Proprietà meccaniche Adesione al calcestruzzo MPa > 3 con rottura del cls > 3 con rottura del cls > 3 con rottura del cls > 3 con rottura del cls Resistenza a trazione MPa > 35 > 35 > 45 > 45 Modulo a trazione GPa > 2,5 > 2,5 > 3 > 3 Allungamento a trazione % > 2,8 > 2,5 2 2 Resistenza a flessione MPa > 45 > 45 > 40 > 40 Modulo a Flessione GPa > 2 > Resistenza a taglio MPa > 25 > 25.. Peso specifico sistema g/cm 3 1,12 1,1 1,65-1,75 1,6 1,7 Temperatura applicazione 5 35 C 5 35 C 5 35 C 5 35 C 12

14 Modalità Applicative Messa in Opera I rinforzi, in forma di nastri, reti e tessuti vengono utilizzati per laminazione diretta e contemporaneo incollaggio al substrato, mediante resine epossidiche bicomponenti. Le lamine e le barre (inghisaggio), vengono unicamente incollate al supporto, sempre con resine epossidiche bicomponenti e non richiedono impregnazione essendo già materiali preformati. Le resine epossidiche utilizzate sono opportunamente formulate e certificate per questo tipo di impiego. Si sconsiglia l uso di altre tipologie di resina o di resine preparate per altri tipi di utilizzo che non siano state specificatamente certificate per queste applicazioni. L applicazione di nastri, reti e tessuti secchi comprende i seguenti passaggi: 1. Preparazione del substrato mediante rimozione delle parti incoerenti, ricostruzione di zone mancanti, pulizia della superficie. Per l applicazione dei rinforzi esterni occorre che la superficie si presenti perfettamente liscia e planare in modo da consentire un adesione ottimale ed omogenea delle fibre e delle lamine, priva di vuoti o cavità. La ricostruzione di parti mancanti potrà essere realizzata con malte tradizionali ad alta resistenza o con rasanti di tipo epossidico per alti spessori (RC 30). 2. Stesura di una mano di primer (RC 01) mediante rullo o pennello, in ragione di circa 300g/m 2 di superficie da trattare. Lasciare maturare il primer per almeno 1hr, senza superare le 3hr, e passare alla fase successiva. 3. Ulteriore lisciatura della superficie, mediante rasatura con rasante a basso spessore (RC 20) o ad alto spessore (RC 30) a seconda delle necessità. 4. Applicazione di una prima mano di resina adesivo-impregnante (RC 02). 5. Applicazione del nastro/rete/tessuto, e successiva rullatura mediante rulli speciali scanalati antibolle. 6. Applicazione di una seconda mano di resina adesivo-impregnante (RC 02) e successiva rullatura come al punto Per l applicazione di più strati sovrapposti ripetere le operazioni La finitura può essere realizzata mediante spolvero di sabbia quarzifera su resina fresca, per consentire e facilitare il successivo aggrappo dell intonaco, o mediante verniciatura con vernici protettive resistenti agli agenti esterni. L applicazione delle lamine comprende la preparazione del supporto come da punti di cui sopra: la lamina viene fatta aderire al supporto utilizzando come adesivo la resina RC 30, che sarà applicata a spatola al 50% sulla lamina e al 50% sul supporto. Dopo circa 30 minuti di maturazione le due parti vengono unite sostenendo la lamina con opportuni supporti. Le barre vengono applicate mediante inghisaggio in fori di opportune dimensioni, con resina RC

15 Modalità Applicative Sovrapposizioni Nella messa in opera dei nastri unidirezionali si consiglia di non applicare elementi di lunghezza superiore ai 5 ml. Elementi di maggiore lunghezza potranno essere ottenuti sormontando le estremità per circa 15 cm. Tale lunghezza di sormonto è sufficiente a dare continuità alla struttura. L=15 Per ottenere le sezioni di fibra richieste dal progetto, è possibile sovrapporre più nastri fino a raggiungere i valori di sezione richiesti. Sovrapposizioni fino a 6-7 strati sono utilizzate nella pratica corrente. Eventuali sormonti di più nastri sovrapposti dovranno essere sfalsati. Il valore di sormonto di 15 cm è coerente con la relazione: L = Cf / τr (g) dove: Cf = Carico di rottura del nastro in (N/cm) τr = Resistenza al taglio della resina in (N/cm 2 ) L = Lughezza di sormonto in (cm) I nastri unidirezionali non richiedono sormonti quando sono affiancati. SI NO I nastri biassiali e multiassiali devono essere sormontati in tutte le direzioni. Le lamine non ammettono sovrapposizione e sormonti e devono essere applicate per tutta la loro lunghezza in un pezzo unico. La sezione della fibra nella lamina deve essere coerente con il progetto, pertanto si sconsiglia di sovrapporre più lamine. 14

16 Modalità Applicative Modalità di crisi per delaminazione e Lunghezza di Ancoraggio Con riferimento alle strutture in c.a., il meccanismo di crisi per delaminazione del rinforzo è in generale di tipo fragile. Nelle recenti disposizioni regolamentari in materia di sicurezza strutturale, tale meccanismo di crisi si rende auspicabile che sia successivo a quello di collasso per flessione o taglio dell elemento rinforzato, secondo quanto concepito dal criterio della gerarchia delle resistenze (Capacity Design). Le modalità di crisi per delaminazione del rinforzo in composito possono essere classificate secondo 4 categorie: - Modalità 1 (Delaminazione di estremità): si manifesta nelle zone di estremità del rinforzo, ossia in quelle zone alle quali si attribuisce manifestamente la funzione di ancoraggio, per una lunghezza di cm, e dove le tensioni di scorrimento sono molto elevate. Tale meccanismo di delaminazione è di tipo fragile, soprattutto per le lamine per le quali, la cospicua rigidezza flessionale può indurre significativi sforzi di trazione in direzione normale all azione tangenziale. - Modalità 2 (Delaminazione causata da fessure per flessione nella trave): le discontinuità del supporto per fessure da flessione e/o flessione+taglio generano concentrazioni tensionali all interfaccia e sono causa di delaminazione completa o parziale del rinforzo. - Modalità 3 (Delaminazione causata da fessure diagonali da taglio): tale tipo di fessurazione produce uno spostamento relativo delle facce afferenti alle fessure inclinate. La componente verticale dello spostamento mobilita, all interfaccia cls-frp, sforzi di trazione particolarmente elevati, con conseguente pericolo di delaminazione. - Modalità 4 (Delaminazione causata da irregolarità e rugosità della superficie di adesione): la delaminazione può avere origine in modo localizzato e propagarsi all'intero sviluppo del rinforzo. Il legame di aderenza tra rinforzo e calcestruzzo viene generalmente espresso sotto forma di relazione tra la tensione tangenziale e il competente scorrimento. In tale corrispondenza intervengono, generalmente, le caratteristiche meccaniche dei materiali a contatto nonché la geometria del rinforzo e dell elemento strutturale. Secondo quanto prescritto dal recente CNR DT 200/2004, nella condizione di verifica allo SLU, per la modalità 1 di crisi per delaminazione, la lunghezza ottimale di ancoraggio si valuta dalla relazione l e = E f.t f 2.f ctm (mm) (h) dove Ef, tf, fctm, sono, rispettivamente, il modulo elastico a trazione della fibra, lo spessore del rinforzo e la resistenza media a trazione del cls. Nel caso di modalità 2, invece, lo stesso documento tecnico prescrive una procedura semplificata per la verifica allo SLU, basata su un valore limite della deformazione dell FRP secondo la relazione: εf,max k cr. k c γ Rd 2 Γ Fd (%) E f t f (i) dove in tal caso: kcr kc γ Rd = 5,0 (in mancanza di dati specifici) = coefficiente correttivo di natura sperimentale e dipendente dallo stato della superficie di applicazione del rinforzo. Usualmente di valore unitario, è quantificato in 0,67 nel caso di superfici non compatte; = coefficiente parziale, che tiene conto delle incertezze insite nel modello considerato, è funzione del tipo di sollecitazione e della modalità applicativa. 15

17 Modalità Applicative ΓFd = energia specifica di rottura di progetto data come: 1 Γ Fd = k b. γ c f ck. fctm (l) Per la verifica allo SLE il valore della tensione tangenziale all interfaccia, calcolata con la formula tecnica di Jourawski, viene amplificata per un coefficiente Kid (>_1) che tiene conto della concentrazione di tensioni tangenziali e normali nelle zone terminali. Il valore limite della tensione resistente è data da: f bd = k b. f ctk γ b (m) dove il coefficiente γ b vale 1,0 per la combinazione di carico rara e 1,2 per la combinazione di carico frequente. Per migliorare l effetto dell ancoraggio, prove sperimentali condotte da Ardea Progetti e Sistemi Srl indicano essere particolarmente efficace l uso di connettori tipo Ardfix i quali opportunamente dimensionati, sono in grado di evitare qualsiasi fenomeno di distacco e delaminazione, modificando il meccanismo di rottura, spostando lo stato limite ultimo del debonding alla rottura del rinforzo. Eventualmente, sistemi di staffatura con fasce trasversali possono dare risultati positivi. Piolature e Rinforzi Passanti Ardfix La tecnologia Ardfix, sistema messo a punto e brevettato dalla società Ardea Progetti e Sistemi Srl, consiste nell utilizzo combinato di barre pultruse in carbonio e tessuti unidirezionali termosaldati Betontex per l ancoraggio dei rinforzi, per il loro collegamento, per il contenimento delle tensioni di interfaccia rinforzo-supporto e per il rinforzo a taglio della struttura. Lo schema di applicazione è schematizzato nelle seguenti immagini: ARDFIX PASSANTE ARDFIX NON PASSANTE 16

18 ARDWOOD ARDWOOD è un sistema di rinforzo per strutture lignee con elementi confinati in fibra di carbonio messo a punto e brevettato dalla società Ardea Progetti e Sistemi Srl. Il sistema ARDWOOD consiste nel rinforzare l estradosso della trave lignea mediante l'utilizzo di elementi in legno confinati con fibra di carbonio. L'elemento confinato aumenta la resistenza a compressione e la rigidezza della trave, modificando significativamente il momento di inerzia. I vantaggi della tecnologia ARDWOOD sono: Leggerezza Scarsa invasività Elevate prestazioni meccaniche, con aumento di rigidezza dell elemento rinforzato Facilità di messa in opera Sinergia con la struttura esistente Forte riduzione della freccia Il sistema può essere combinato con rinforzi in fibra di carbonio in zona tesa e solidarizzato alla trave esistente tramite connettori ARDFIX. I rinforzi BETONTEX ben si prestano all applicazione per il recupero strutturale di travi e capriate in legno. Le possibilità applicative e le soluzioni proponibili sono le più svariate. In generale, l applicazione di rinforzi all intradosso porta ad un incremento di portata del 15 30%, senza sensibile modifica della freccia. Volendone aumentare la rigidezza è opportuno intervenire all estradosso della trave con aggiunta di inerzia. 17

19 ARDWOOD LA SOCIETÀ ARDEA È DISPONIBILE A FORNIRE ADEGUATA ASSISTENZA TECNICA ALLA PROGETTAZIONE ED ALLA MESSA IN OPERA DEI SISTEMI BETONTEX. L'ULTRADECENNALE ESPERIENZA DI ARDEA PROGETTI E SISTEMI SRL NEL SETTORE DEI MATERIALI COMPOSITI E DELLE LORO APPLICAZIONI IN EDILIZIA RAPPRESENTA UNA GARANZIA DI GRANDI RISULTATI, GRAZIE ALLA PROGETTAZIONE DI APPLICAZIONI INNOVATIVE, SPECIFICAMENTE FINALIZ- ZATE A SOLUZIONI EFFICACI ED ECONOMICHE DI PROBLEMI COMPLESSI, TALVOLTA DIFFICILMENTE AFFRONTABILI TRAMITE SISTEMI TRADIZIONALI 18

20 ARDEA Progetti e Sistemi srl Agenzia per la Campania Geom Stefano Lancellotti - cell tel lancellotti@edilan.it - La presente guida non rappresenta un manuale di progettazione la quale dovrà essere sempre eseguita da un tecnico abilitato. La tipologia e le caratteristiche tecniche dei materiali potranno subire delle variazioni a seguito di ns. valutazioni tecniche.