GUIDA AI PRODOTTI BETONTEX I CONNETTORI ARDFIX PER IL RINFORZO DI STRUTTURE EDILI LA TECNOLOGIA ARDFIX NELLA PROGETTAZIONE DEI RINFORZI IN FRP

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1 LE GUIDE BETONTEX GUIDA AI PRODOTTI BETONTEX I CONNETTORI ARDFIX PER IL RINFORZO DI STRUTTURE EDILI LA TECNOLOGIA ARDFIX NELLA PROGETTAZIONE DEI RINFORZI IN FRP CONSENTE AL PROGETTISTA DI CREARE IL CONNETTORE SU MISURA DURANTE L APPLICAZIONE DEL RINFORZO, IN MODO SEMPLICE ED ECONOMICO, CON LA GARANZIA DEI RISULTATI Edizione Settembre 2012 ARDEA PROGETTI E SISTEMI SRL. VIA E. CRISTONI 58 (LA MERIDIANA) CASALECCHIO DI RENO (BO) ITALY PH: 0039/051/ FAX: 0039/051/ ardeaprogetti@betontex.it WEBSITE:

2 Premessa E ben noto, a chi da tempo utilizza sistemi di rinforzo basati sull impiego di materiali compositi (FRP), che il limite di queste tecnologie è dovuto al possibile distacco del rinforzo dalla struttura (Debonding). Il distacco del composito può avvenire a seguito della deformazione dalla struttura, quando questa risulta sottoposta ad un carico, ed è causato dalle forze di taglio che si generano all interfaccia struttura rinforzo. Il distacco può avvenire per: - distacco dell adesivo, - distacco del substrato a cui è stato fatto aderire il rinforzo. Nel primo caso, assolutamente da evitare, occorre utilizzare sistemi adesivi (resine epossidiche o adesivi IPN) di provata efficienza, curando in particolar modo la qualità dell applicazione. A tal riguardo è importante per l operatore verificare la qualità del sistema (fibra-matrice) di rinforzo, come previsto dalla normativa, sia in laboratorio sia in situ, mediante prove di strappo tipo pull-off o di strappo tangenziale. In tutti i casi, in virtù della qualità del substrato, si deve ottenere il distacco di quest ultimo. Nel secondo caso il limite ultimo del rinforzo applicato a una struttura è funzione della resistenza a taglio del substrato e quindi delle caratteristiche meccaniche. Questo limite, facilmente riscontrabile nel caso di un substrato a base di calcestruzzo mediante una verifica della sua resistenza, diventa difficilmente determinabile quando il sistema di rinforzo viene applicato su substrati di scarsa qualità, eterogenei o difficilmente classificabili, quali ad esempio le murature datate di molti edifici storici. Poiché anche nel caso di un supporto a base di calcestruzzo di alta qualità il limite risulta comunque l adesione al supporto e non la resistenza ultima del rinforzo, ne deriva che le fibre vengono utilizzate per una frazione delle loro caratteristiche meccaniche e difficilmente si riesce ad attingere al valore di rottura caratteristico. La possibilità di utilizzare dei connettori consente di annullare l effetto di distacco substrato-rinforzo, offrendo un enorme vantaggio in termini di maggiore sicurezza dell applicazione, di migliore resa del rinforzo e di possibili economie per riduzione della quantità di materiale applicato, in virtù della sua maggiore efficienza. Le attuali tecnologie presenti sul mercato sono costituite da numerosi sistemi di connessione che possono portare, in tutti i casi, a buoni risultati; tuttavia nella scelta del connettore occorre considerare alcuni criteri di importanza fondamentale per ottenere un risultato ottimale: - capacità di riportare i carichi di trazione che si esercitano sul rinforzo all interno della struttura per uno spessore significativo (connettore cieco) o in tutto lo spessore (connettore passante); - capacità di distribuire i carichi su una superficie più ampia possibile, evitando concentrazioni di carico; - capacità di assumere il carico del rinforzo in modo distribuito in tutta la sua lunghezza, con un passo da definire di volta in volta. - applicabile sempre a resina fresca e insieme al rinforzo, evitando messe in opera in tempi successivi, evitando di applicare nuova resina su resina già indurita e garantendo continuità alla matrice.

3 Fig. 1 Schema sistema Ardfix 1. La tecnologia Ardfix La tecnologia Ardfix, messa a punto da Ardea Progetti e Sistemi srl secondo il Brevetto IT , è di semplice messa in opera e consiste in un piolo di diametro (φ) 7-10 mm inserito nella struttura, accompagnato da uno o più nastri unidirezionali di opportuna larghezza previamente impregnati con resina, essendo tali nastri di lunghezza superiore a quella del piolo. La parte di tessuto eccedente la lunghezza del piolo viene risvoltata sulla faccia esterna della struttura. Nella fase successiva viene laminato il rinforzo sopra al connettore così da ottenere un ancoraggio che enfatizzi l aderenza ed eviti di forare il nastro di rinforzo. Come da schemi allegati, il connettore può essere passante o non passante. Il sistema Ardfix prevede diverse fasi applicative (vedi figg ) a) Esecuzione di un foro φ mm, della lunghezza L prevista dal progetto. b) Preparazione di due strisce di nastro in CFRP di larghezza 50 mm (questi nastri possono essere forniti da Ardea srl in rotoli da m) disposte a croce sul foro e previamente impregnate con resina epossidica.

4 c) Inserimento del tondino in fibra di carbonio o in fibra di vetro φ 7-10 mm trattato in superficie con resina epossidica, avendo cura che il tondino entrando nel foro spinga all interno i due nastri previamente impregnati e disposti a croce. Si deve osservare che in questa fase del procedimento è il nastro impregnato di resina che porta la resina all interno del foro, evitando di dovere iniettare resina nel foro stesso, con notevole risparmio di materiale. d) saturazione del foro con resina epossidica, risvolto dei codini dei nastri che fuoriescono dal foro sul supporto e successiva applicazione di un fazzoletto di tessuto unidirezionale con disposizione della fibra a 90 rispetto alla disposizione della fibra prevista per il rinforzo, saturazione con resina fresca del tutto ed applicazione finale del rinforzo longitudinale come da progetto. Fig. 2 Sistema Ardfix passante e non passante 2. Verifiche in laboratorio e in cantiere 2.1 Prove su travi in calcestruzzo L efficacia del connettore ottenuto con questa tecnologia è stata verificata in una campagna di sperimentazione presso l Università di Firenze, utilizzandolo su travi di calcestruzzo rinforzate con nastri unidirezionali a base di fibre di carbonio tipo HT (Alta Tenacità) e tipo HM (Alto Modulo). Dimensioni travi: 2000 x 200 x 200 mm Tipo di calcestruzzo impiegato: Rck 30 MPa armate con n. 4 barre φ 12 e staffe φ 8 ogni 20 cm. La sperimentazione presso l Università di Firenze ha previsto l esecuzione di prove di flessione a quattro punti su travi in c.c.a. con diverse configurazioni e combinazioni di rinforzi e connettori; sono state provate n. 6 travi di cui si riporta una breve descrizione:

5 Fig. 3 Programma Prove Travetti in calcestruzzo con e senza Ardfix Il test è stato eseguito in zona tesa con tre strati di rinforzo da 300 g/m 2 in carbonio del tipo HT (E modulo = 240 GPa) in un primo test e con tre strati in carbonio da 300 g /m 2 in carbonio tipo HM (E modulo = 390 GPa) in un secondo test, con una sezione complessiva di carbonio applicata nei due casi di 49,5 mm 2. In particolare sulle travi T5 e T6 sono stati applicati connettori Ardfix con un passo rispettivamente di 20 e 30 cm. Sulle travi T3 e T4 sono state applicate delle fasce a U larghe 10 cm, sempre con un passo rispettivamente di 20 e 30 cm, secondo una tecnologia normalmente utilizzata in questo tipo di applicazione. I risultati delle prove sono riassunti nel seguente grafico e nelle immagini delle figg La trave TQ, priva di rinforzo, si rompe a valori normali sottoposta a un carico di circa 30 kn. La trave T1 unicamente rinforzata con il carbonio in zona tesa si rompe ad un carico ultimo di circa 65 kn, con delaminazione del rinforzo. Le travi T3 et4, con le fasce a U, presentano un carico ultimo di circa 90 kn, con tranciatura delle fasce a U e successiva delaminazione del rinforzo.

6 Fig. 4 Risultati Prove Flessione su travetti Rottura del rinforzo in CFRP L efficacia del connettore ottenuto con questa tecnologia è stata verificata in una campagna di sperimentazione presso l Università di Firenze. Utilizzato su travi di calcestruzzo con applicazione di rinforzi a base carbonio tipo HT (Alta Tenacità) e carbonio tipo HM (Alto Modulo). Risultati: nessuna delaminazione

7 Fig. 5 Immagine prova travetto con rottura del rinforzo in mezzeria, senza delaminazione Fig. 6 Rottura rinforzo in mezzeria, in prova a flessione di travetti in c.a. Nelle travi T4 et5, contrariamente ai casi precedenti, si verifica la rottura in mezzeria dei tre strati di rinforzo, senza alcuna delaminazione e distacco dello stesso dal supporto rinforzo. La presenza del connettore tipo Ardfix permette di superare il limite di aderenza supporto-rinforzo e di sfruttare tutta la resistenza del rinforzo esterno applicato, eliminando il problema della delaminazione. Tale risultato è estremamente interessante per l uso di armature esterne in materiale composito, in quanto il connettore elimina tutte le incertezze legate al supporto e permette di utilizzare al massimo le potenzialità offerte dai materiali compositi fibrorinforzati. Il carico ultimo di queste travi risulta compreso tra 85 e 90 kn; a tale valore, la rottura del carbonio può essere calcolata pari a una forza compresa tra 148 e 175 kn, corrispondente a un valore di tensione compreso tra 3000 e 3500 MPa (praticamente equivalente al valore teorico). Valori e andamenti del tutto analoghi sono stati riscontrati nelle prove con fibre ad alto modulo (HM). Un analoga serie di prove con travi di dimensione 5600 x 500 x 250 mm, condotte presso il Dipartimento prove sismiche dell Università di Atene, ha confermato gli stessi risultati presentando andamenti similari, con rottura del rinforzo applicato alla trave senza delaminazione dal substrato.

8 Prove eseguite presso il Dipartimento di Ingegneria Sismica dell Università di Atene.

9 2.2 Prove di collaudo in cantiere (prova di taglio diretto) Il connettore Ardfix è stato sottoposto a prova di collaudo in cantiere secondo la modalità rappresentata in fig. 7. Fig. 7 Schema di prova del connettore Ardfix in cantiere Prima dell esecuzione della prova, il connettore è stato isolato dal resto del rinforzo mediante un taglio. Nelle figg. 9, 10 e 11 si distinguono le varie fasi della rottura. Fig. 8 Schema applicazione di un connettore Ardfix con rinforzo Betontex GV330 U-HT. Schema di tiro.

10 Il tiro è stato misurato con l ausilio di una chiave dinamometrica; il risultato della prova è riportato nelle figg Nella fig. 11 si è verificata la rottura del rinforzo. Delaminazione della malta di ripristino Fig. 9 Delaminazione parziale della malta di ripristino. Fig. 10 Delaminazione parziale del calcestruzzo. Delaminazione del supporto in cls Fig. 11 Rottura del rinforzo. Fig. 11 Rottura del rinforzo a strappo. Rottura del rinforzo Rottura del rinforzo ad ad un carico di un carico di circa 120kN circa 120kN

11 Tabella 1 - Risultati prove di taglio diretto del connettore Fasi di prova Carico di Rottura (kn) Modalità di crisi Note Fase 1 9,0 Rottura malta Fase 2 Fase 3 14,0 120,0 Rottura cls Rottura rinforzo Il connettore è stato completamente isolato tagliando il rinforzo Considerando che il rinforzo risulta costituito da un solo nastro di GV330 U-HT di larghezza 20 cm fissato da due connettori Ardfix, ciascun connettore incide su una larghezza del rinforzo di 10 cm, a cui corrisponde un carico di rottura pari a 60 kn, che equivale al valore di resistenza a trazione del rinforzo pari al valore calcolato di 57,75 kn (100 mm x 0,165 mm x 3500 MPa). Fig. 12 Schema di delaminazione e rottura del rinforzo in prove di strappo tangenziale in cantiere.

12 Esaminando le immagini delle figg si può osservare come inizialmente si verifichi una prima delaminazione del rinforzo (per distacco della malta di ripristino dal substrato) in prossimità del taglio praticato per isolare l area connettori dal resto del rinforzo. Una seconda fase di delaminazione avviene per distacco del supporto in cls a un valore di carico di circa 14 kn In queste due fasi di parziale delaminazione è interessante notare che la delaminazione parte dal rinforzo sul lato tagliato e viene bloccata dalla presenza dei due connettori Ardfix Successivamente, a un valore di carico pari a 120 kn, si ha rottura del rinforzo a un valore coerente con la sua resistenza ultima, pari a 200 x 0,177 x 3500 = 123,9 kn Da questa prova, anche con il conforto della coerenza dei risultati numerici, si può osservare il perfetto funzionamento del connettore Ardfix, in grado di garantire l adesione bloccando la delaminazione generata dalle scarse proprietà meccaniche del supporto e di sfruttare al massimo le caratteristiche meccaniche del rinforzo esterno in FRP. Il connettore Ardfix permette di annullare tutte le incertezze legate alla qualità del supporto. 3. Applicazioni L applicazione di connettori, e in particolare del connettore Ardfix, trova una sua utilità in particolare nelle seguenti situazioni: - nel rinforzo di strutture in conglomerato cementizio armato e in muratura, in presenza di supporti di scarsa qualità o dove è necessario incrementare la sicurezza rispetto al distacco del rinforzo dal supporto - come sistema di ancoraggio dei rinforzi a taglio e a flessione - nel confinamento di pilastri con sezioni allungate I connettori Ardfix sono utilizzati da oltre 10 anni, sempre con risultati positivi, con oltre m lineari applicati. 3.1 Applicazione su supporti di scarsa qualità È il caso più facilmente verificabile nella pratica corrente. Il connettore può essere sia del tipo cieco che passante. Nel caso di armatura di setti murari inseriti in strutture in cls è normalmente preferibile utilizzare connettori passanti; nel caso di pareti ad alto spessore in laterizio, in pietrame e/o murature miste, il passo e la profondità del connettore dipendono dalla qualità del substrato. Nella cerchiatura di edifici un passo ragionevole può essere indicato tra i 70 e i 100 cm, con una profondità non inferiore ai 20 cm.

13 Fig. 13 Esempio di applicazione di connettori Ardfix su una parete della Basilica di Alba (CN) Nella fig. 13 viene riportata la disposizione dei connettori sulla parete di un edificio storico (Basilica di Alba, Cuneo); sui connettori disposti con un passo di circa 50 cm e una profondità di 40 cm, sarà applicato successivamente un nastro di rinforzo unidirezionale GV330 UHT larghezza 20 cm, in numero di 3 strati. 3.2 Uso combinato del connettore con il nastro Betontex GV330 U-HT La combinazione del connettore tipo Ardfix con il nastro GV330 U-HT permette di superare alcuni limiti esecutivi per particolari rinforzi come nel caso del rinforzo a taglio di travetti, rappresentato nella fig. 14. Applicazioni Connettori Ardfix Nastri in fibra di carbonio Betontex GV320U-HM Progetto Fig. 14 Applicazione di connettori Ardfix in un solaio in laterocemento

14 3.3 Confinamento di pilastri La tecnologia Ardfix può essere utilizzata non solo per enfatizzare l aderenza e per garantire l ancoraggio dei rinforzi ma può rappresentare una valida alternativa quando si presenta la necessità di realizzare confinamenti di strutture rettangolari allungate in cui il rapporto fra i due lati b/d è > 2. E noto che l area di cls effettivamente confinata è solo un aliquota dell area totale e la motivazione è da attribuirsi all effetto arco che si manifesta all interno della sezione. In una sezione rettangolare con b/d < 2 la sezione di cls confinato è la seguente: In una sezione rettangolare con b/d > 2 la sezione di cls confinato è la seguente: È altresì noto che in sezioni rettangolari con b/d > 2 l effetto confinamento può essere migliorato mediante barre trasversali che riportino la sezione verso la forma ideale quadrata. Naturalmente il numero di barre, il passo e la loro disposizione geometrica devono essere opportunamente definiti. In presenza di barre la sezione di cls confinato diventa: Le barre sono rese solidali con il cls mediante adesivo epossidico privo di ritiro.

15 Ai sensi del capitolo 12 del D.M. del 14/01/2008 la normativa cogente per quanto concerne il rinforzo di strutture in c.a., c.a.p., e murature con materiali compositi fibrorinforzati è il documento CNR DT 200/2004. Tale documento definisce le procedure di calcolo e di verifica, i criteri per l'identificazione, il controllo di qualità e l'accettazione dei materiali compositi fibrorinforzati. CARATTERISTICHE COMPONENTI STRUTTURALI NEL CONNETTORE ARDFIX NASTRO BETONTEX IN FIBRA DI CARBONIO TIPO GV330 U-HT Larghezza 50 mm Peso Fibra 320 g/m 2 Tipo Fibra di Carbonio Tenax UTS Resistenza a trazione della fibra 3500 MPa Modulo elastico a trazione della fibra 240 GPa N. nastri inseriti nel connettore 4 Totale sezione della fibra di carbonio dei nastri 34 mm 2 Carico di rottura a trazione dei 4 nastri inseriti nel 119 kn connettore BARRA BETONTEX IN CARBONIO TIPO ELIPS F8 ELIPS F10 Diametro medio barra 7,5 mm 9,5 mm Sezione media barra 44 mm 2 70 mm 2 Tipo fibra nella barra Tenax UTS Sezione fibra nella barra 25 mm 2 40 mm 2 Carico di rottura medio a trazione della barra 79 kn 130 kn Resistenza a trazione media riferita sezione barra 3100 MPa Modulo elastico a trazione medio riferito sezione barra 130 GPa Per quanto riguarda le resine si prega di fare riferimento alla scheda tecnica N. 7 (Betontex Resine).

16 IL CONNETTORE ARDFIX MODALITA DI APPLICAZIONE I Materiali Nastro UD GV330 U HT Barra ELIPS F8 10 Resine Betontex RC01 e RC02 L Applicazione (TUTTO A RESINA FRESCA) PRATICARE UN FORO SUL SUPPORTO APPLICARE PRIMER RC01 APPLICARE SUL FORO DUE NASTRI DI GV330 U HT LARGHI 5 cm IMPREGNATI CON RESINA RC02 INSERIRE UNA BARRA NEL FORO SPINGENDO I NASTRI NEL FORO RIPIEGARE I CODINII SUL SUPPORTO APPLICARE UN NASTRO DI GV330 U HT IN DIREZIONE ORTOGONALE CON RESINA RC02 SUL SUPPORTO APPLICARE UN NASTRO DI GV330 U HT DI RINFORZO COME DA PROGETTO IN DIREZIONE LONGITIDINALE SUL SUPPORTO