Prof. L. Credali - ARDEA Progetti e Sistemi; Ing. A. Valva Libero Professionista D.T. Resinproget Prof. R. Poluzzi Università di Bologna. Premessa.

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1 Conferenza AICO - Realizzazioni e Sviluppo di Tecnologie di Restauro e di Recupero Strutturale con Materiali Compositi Innovativi (FRP)- Fiera del Restauro Ferrara Venerdì 5 Aprile 2002 Recupero strutturale di opere murarie nel Complesso della Basilica di S. Antonio Padova e nel Complesso di Venaria Reale Torino, mediante rinforzi ibridi: fibra di carbonio fibra aramidica Prof. L. Credali - ARDEA Progetti e Sistemi; Ing. A. Valva Libero Professionista D.T. Resinproget Prof. R. Poluzzi Università di Bologna Premessa. L impiego di materiali compositi, in particolare l uso di fibre di carbonio, nel recupero strutturale di edifici storici, iniziato in Italia a partire dal 1997, con alcuni interventi significativi, fra i quali si ritiene di citare ad esempio il restauro della Corte Benedettina di Legnaro, dove per la prima volta sono state applicate su grande scala queste tecnologie (1), ha trovato in questi ultimi anni una notevole diffusione nel settore, divenendo sempre più di uso generale tra gli addetti ai lavori. Come conseguenza si è verificata una maggiore apertura verso i materiali compositi con importanti sviluppi di studi e ricerche,condotte presso Laboratori specializzati ed Università, con una maggiore comprensione delle problematiche legate a queste tecnologie e con una rinnovata capacità di individuare nuove soluzioni capaci di risolvere in modo semplice e veloce,molti problemi difficilmente affrontabili con tecniche tradizionali (2) (3) C 1300 C 1500 C 1800 C Fig 1 : Immagine della struttura della grafite in una fibra di carbonio- Nel processo di grafitizzazione ad alta temperatura, la struttura si evolve fino ad una forma lamellare formata dai piani degli anelli di pura grafite (4). Infatti la grande potenzialità dei materiali compositi deriva dalla possibilità di progettare il materiale e di sviluppare nuovi sistemi in funzione di specifici problemi. Sotto questo aspetto i materiali compositi hanno portato ad un importante rivoluzione nel concetto di progettazione: infatti, mentre per i materiali tradizionali il materiale viene scelto dal progettista come tale, in base alle sue caratteristiche, prescindendo dalle tecniche di produzione, i materiali compositi offrono la possibilità di progettare prima il materiale e successivamente il componente, tenendo in forte considerazione l applicazione finale. Se tutto ciò comporta ovviamente una complicazione del sistema, rappresenta sicuramente la grande opportunità per queste tecnologie di affermarsi sul mercato 1

2 Cosi accanto all impiego di fibre di carbonio altre soluzioni possono essere vantaggiosamente individuate: impiego di altre tipologie di fibre, impiego di componenti semplici quali barre e lamine in composito appositamente progettate, impiego di componenti strutturali più complessi leggeri e capaci di svolgere più funzioni in un componente unico. Nella presente nota si è voluto prestare particolare attenzione all impiego di fibre aramidiche, in combinazione a fibre di carbonio, allo studio di sistemi di rinforzo basati sulla combinazione di questi due tipi di fibre ed alla loro applicazione in due importanti opere di recupero strutturale nel Complesso della Basilica di S. Antonio Padova e nel Complesso di Venaria Reale Torino. Le Fibre Aramidiche. Le fibre aramidiche, contrariamente alle fibre di carbonio che nella loro forma finale presentano la struttura inorganica della grafite (fig 1), sono delle fibre derivate da polimeri a struttura organica,caratterizzata da anelli aromatici legati da legami ammidici (fig 2),inoltre tali polimeri, in virtù della loro peculiare struttura chimica, appartengono alla categoria dei polimeri a cristalli liquidi (LCP- Liquid Crystal Polymers), del tipo liotropico. Fig.2 : Struttura chimica di fibre aramidiche. Fig.3 :Struttura Lamellare e propagazione della frattura in fibre aramidiche. Queste particolari strutture polimeriche, sono in grado di sviluppare in soluzione(polimero liotropico) o allo stato fuso (polimero termotropico) delle meso fasi, cioè delle fasi che conservano una elevata cristallinità anche in questi particolari stati fisici della materia. Durante la produzione della fibra per estrusione (Spinning),queste meso fasi subiscono un notevole processo di orientamento, creando all interno della fibra stessa delle zone ad elevata cristallinità (lamelle) fortemente orientate, che sono le maggiori responsabili delle peculiari caratteristiche di queste fibre (4). In pratica queste fibre presentano al loro interno un sistema di auto rinforzo sviluppato dallo stesso materiale polimerico che le compone. In virtù di questa struttura,non comune ai più tradizionali materiali polimerici, le fibre aramidiche presentano altissime proprietà meccaniche, unite ad una notevole capacità di sopportare le deformazioni, in grado di sviluppare una grande energia di deformazione, una grande resistenza agli urti ed una grande capacità di assorbire l energia vibrazionale, dovuta al particolare meccanismo di deformazione e di propagazione della frattura (fig.3) Queste caratteristiche sono largamente sfruttate nelle tradizionali applicazioni dei materiali compositi quali: protezione e difesa balistica, componenti sottoposti ad elevate vibrazioni ( ruote per moto da corsa, sci, scocche auto sportive,componenti meccanici) ed in applicazioni navali per componenti soggetti a possibili urti e lacerazioni ( scafi, canoe, vele). 2

3 I Sitemi Ibridi Fibre di Carbonio- Fibre Aramidiche In tabella 1 e fig.4, sono riportate le caratteristiche delle fibre di carbonio e delle fibre aramidiche; per il carbonio è stato considerato il tipo HT, ad alta tenacità, mentre per le fibre aramidiche si è considerato il tipo T, che presenta un carico di rottura ed un modulo tra i più elevati per questo tipo di fibra. Fibre Tab1:Caratteristiche di Fibre di Carbonio HT e delle Fibre Aramidiche e di un rinforzo ibrido GK. Tensione di rottura a trazione (Mpa) (Kg/mm 2 ) Modulo elastico a trazione (Gpa) Carbonio HT Aramidiche T Valore Medio* nel Rinforzo GK 310 UHT (Kg/mm 2 ) Allungamento a rottura (%) 2 2,9 2,5-3 Densità (g/cm 3 ) 1,8 1,44 1,62 * Valore medio calcolato sulla base dei rapporti volumetrici fra le fibre del 50/50. Osservando questi dati, si evidenzia un diverso valore del modulo elastico fra le due fibre, con un maggiore allungamento a rottura per le fibre aramidiche, che comporta un una loro maggiore capacità di assorbire energia alla rottura e di conseguenza tutte quelle caratteristiche descritte nel paragrafo precedente. 6 5 Acciaio Fig.4 :Diagramma carico deformazione per rinforzi ibridi e fibre tal quali Tensione a Trazione (MPa) x CARBONIO GV 330 UHT FTS GK 310 UHT ARAMIDICO T Deformazione (%) Il diverso comportamento delle due fibre è anche ben evidenziato nel grafico di fig 5 dove viene riportata la curva carico deformazione in flessione per compositi unidirezionali di fibre di carbonio,fibre di vetro e fibre aramidiche. La possibilità di utilizzare fibre aramidiche quali sistemi di rinforzo di strutture edili, ed in particolare nelle murature, risulta particolarmente interessante in quanto si può trarre vantaggio da un minore modulo elastico, 3

4 che più si avvicina a quello della muratura, una maggiore capacità di sopportare le deformazioni,ed una minore fragilità tipica dei materiali compositi a base di sola fibra di carbonio. Tab2 :Caratteristiche del rinforzo in carbonio Betontex FTS- GV 330 HT e del rinforzo ibrido Betontex FTS- GK 310 U-HT Tipo di rinforzo BETONTEX FTS GV 330 HT BETONTEX FTS GK310 U-HT Peso di Fibra nel nastro (g/m 2 ) Composizione: Fibra Carbonio/ Fibra Aramidica (in volume) 100/0 50/50 Modulo Elastico a Trazione (Gpa) Spessore della fibra per il 0, calcolo(mm) Carico di rottura del nastro (kg/cm) * *Carico di rottura del nastro riferito ad una larghezza unitaria di 1 cm.. Da parte nostra si è optato per l impiego della fibra aramidica in un sistema ibrido,in cui le fibre aramidiche sono state combinate con le fibre di carbonio, realizzando in tale modo un rinforzo che possa trarre vantaggio dall effetto sinergico dei due tipi di fibra. Sistemi ibridi fibre di carbonio /fibre aramidiche sono ben noti (5) nel settore dei compositi tradizionali e l effetto sinergico tra i due tipi di fibra viene ben evidenziato soprattutto nel meccanismo della rottura, e nella minore fragilità, come ad esempio riportato nella fig. 6,dove viene rappresentato l andamento della resistenza all urto di una struttura ibrida fibra di carbonio / fibra aramidica a diverse composizioni. E evidente che questi dati fanno riferimento a situazioni estreme, che se comuni in applicazioni tradizionali dei compositi, difficilmente si verificano nelle applicazioni in edilizia e quindi di poca significatività nelle condizioni normali di carico, ma che tuttavia rappresentano un ulteriore margine di sicurezza in presenza di possibili eventi eccezionali(il riferimento anche al sisma è ovvio ), o in presenza di strutture sottoposte a continue vibrazioni, quali quelle generate da un traffico pesante, in vicinanza del manufatto. Te Tensione di rottura a flessione (Mpa) Resistenza IZOD (Joule/cm 2 ) Aramide (%) Deformazione a flessione (%) Fig. 5: Comportamento alla flessione di Fibre di Carbonio, Vetro e Aramidiche. Fig. 6: Resistenza IZOD di sistemi Ibridi Fibra di Carbonio/Fibra Aramidica. 4

5 Nelle applicazioni considerate il materiale di rinforzo utilizzato è costituito da un ibrido al 50 % in frazione volumetrica di fibre di carbonio e 50% di fibre aramidiche, le cui caratteristiche sono riportate in tabella 2. Si tratta di un rinforzo unidirezionale di circa 300g/m2 di peso di fibra con un modulo elastico medio, calcolato pari a circa 170 Gpa, un carico di rottura di 3800 Mpa ed una deformazione a rottura del 2,5-3 %. L andamento di un grafico carico /deformazione di questo rinforzo rispetto alle fibre tal quali è riportato in fig 4. Interventi Gli interventi di maggiore interesse eseguiti con questa tipologia di rinforzo sono : a) - il rinforzo strutturale di murature ; b) -il rinforzo strutturale dell intradosso di volte in muratura. -Timpano della Biblioteca di S. Antonio Padova L intervento ha riguardato i due timpani di sostegno al tetto della biblioteca del complesso della Basilica di S.Antonio a Padova, costituiti da un muro di forma triangolare, con una base di 13,6 m ed una altezza 3,3 m ed una larghezza di 40 cm, sovrastanti la volta che copre la biblioteca. Il timpano sul lato Ovest presenta al centro un vano di accesso, mentre il timpano posto sul lato Est si presenta privo di aperture. Il muro fortemente degradato, richiedeva un intervento di ripristino strutturale e di messa in sicurezza che doveva essere considerato nell ambito della ristrutturazione generale dell edificio che peraltro presentava un forte sbandamento del tetto che coinvolgeva le capriate e le murature. I lavori hanno interessato: -Ripristino del tetto: le capriate sono state sollevate e riposte nel loro piano mediante martinetti ; i muri laterali sono stati collegati con inserimento di catene di controventamento. - Consolidamento dei timpani di sostegno al tetto: queste murature, fortemente degradate e deformate non consentivano un consolidamento tradizionale, mediante infiltrazioni con calce, per la presenza, nel vano della biblioteca posto sotto la volta, di dipinti importanti che si sarebbero danneggiati in caso di una probabile permeazione incontrollata della calce nella parte sottostante. Si è pertanto ritenuto più opportuno intervenire con un armatura di rinforzo con fibre ad alto modulo, secondo uno schema progettuale elaborato dal Prof. Giorgio Croci dell Università di Roma. Seguendo le indicazioni del progettista la scelta del rinforzo è caduta sul sistema ibrido carbonio aramidico, descritto in precedenza,in quanto si è ritenuto opportuno utilizzare un rinforzo più capace di assecondare e contenere le deformazioni del supporto, grazie alla elevata elasticità, accompagnata da una grande deformabilità, aspetto particolarmente utile per comportamenti in condizioni limite. Lo schema di laminazione del rinforzo è riportato in fig. 7, si è utilizzato un concetto di armatura classica a telaio con fasce verticali e fasce orizzontali che agiscono da ripartitori di carico. 5

6 In totale sono state posizionate ai due lati del muro N 4 fasce orizzontali e N 28 fasce verticali, larghe 20 cm, costituite da un primo strato di un rinforzo in carbonio unidirezionale da 300g/m2 GV 330 HT e da un secondo strato di un rinforzo unidirezionale ibrido GK 320 HT da 275 g/m2 ( tab.2). 3,30m Rinforzi in Fibra di Carbonio e Ibridi Carbonio / Aramidica 13,60 m Fig.7: Schema laminazione rinforzo, lato Ovest interno del timpano. Il primo strato di carbonio ha la funzione di bloccare la fessurazione, il secondo strato di rinforzo ibrido ha la funzione di migliorare l elasticità del sistema. Tra le fasce poste ai due lati del muro sono stati creati degli elementi passanti, mediante un sistema misto costituito da una barra in fibra di carbonio accompagnata da due nastri sempre in carbonio, che risvoltati sulle fasce e laminati tra i due strati di rinforzo vanno a creare un più efficace collegamento tra le due facce della muratura (Fig.8: Sistema Ardfix ), dando migliore garanzia di continuità alla struttura. Fig.8: Schema Ardfix di collegamento tra le fasce di rinforzo poste ai lati della muratura. 6

7 Le barre di collegamento sono state poste con un intervallo di cm, inclinate di 45. I rinforzi in fibra sono stati applicati previa preparazione del fondo, seguito da una rasatura con malte del tipo epossidico bicomponente tixotropizzate ed utilizzando per la laminazione resine epossidiche bicomponenti del tipo Conchem LC 2001 (primer) e Conchem LC202 (Resina). Sull ultimo strato di resina, a resina non ancora indurita, e stata applicata della sabbia quarzifera, per consentire il successivo aggrappo dell intonaco. Nelle figure seguenti sono riportate alcune immagini dell intervento. Fig.9: Lato esterno Est cuspide timpano. Fig.10: Fase di applicazione sul lato esterno. Fig.11 Lato intero Ovest sinistro. Fig.12:Lato interno Ovest destro. 7

8 Nelle fig , viene riportato il particolare della laminazione sul vano di ingresso dal lato Ovest, i particolari dei risvolti delle cuciture attraverso la muratura e il riporto di sabbia per l aggrappo dell intonaco. Fig.13: Particolare laminazione sul vano di ingresso lato Ovest. Si notano i risvolti dei passanti di cucitura. Fig.14: Riporto di sabbia su resina fresca, per aggrappo intonaco. - Volte delle Scuderie Venaria Reale (To) L intervento riguarda strutture a volta,di rilevanti dimensioni, 12 metri di luce, delle Scuderie nell ambito del complesso monumentale di Venaria Reale ( Torino ). Fig. 15 : Vista estradossale delle volte delle scuderie del complesso monumentale di Venaria Reale(To). Gli spazi sovrastanti dette volte (fig. 15), destinati a depositi di materiale museale, richiedevano l adozione di sovraccarichi permanenti ed accidentali di rilievo. L articolato sistema di volte, presentava catene originali estradossali e ulteriori catene alle reni, manifestamente aggiunte in un secondo tempo. 8

9 Di queste ultime era prevista la eliminazione, per un conveniente sfruttamento degli ampi volumi sottostanti. Il problema statico della resistenza del sistema di volte si presentava quindi in termini impegnativi, tanto da richiedere accurate analisi del globale comportamento strutturale. La presenza di situazioni di esercizio caratterizzate da significative tensioni di trazione nella muratura,ha suggerito di sostituire più tradizionali tecniche di iniezione e impregnazione delle murature stesse con l applicazione di rinforzi in fibre ad alto modulo; a tali materiali è affidato il compito di fornire forti resistenze a trazione,nell ipotesi di cedimento delle risorse spesso profuse dalla muratura, sulle quali non è lecito fare affidamento (resistenze a trazione per l'appunto ). Fig.16 : Schema laminazione dei rinforzi all intradosso delle volte. Fig,17 : Vista dell intradosso della volta con i rinforzi posizionati ai lati del parziale tamburo posto tra due lunette successive. L intervento,previo potenziamento delle tirantature estradossali, è quindi consistito nell applicazione di nastri di rinforzo ad alta tenacità, nelle posizioni geometricamente e staticamente più proprie, nel complesso sistema voltato, graduando il rinforzo stesso nelle zone più caricate.si è utilizzato un solo strato nelle due zone a raggio di curvatura inferiore e due strati nella zona centrale a raggio di curvatura più elevato. Lo schema della laminazione è riportato in fig.16. 9

10 L applicazione dei rinforzi è stata fatta all intradosso ai lati del parziale tamburo della volta, impostato sulle colonne,fra due grandi lunette in successione (fig. 17 ). Sono stati impiegati due nastri di rinforzo, di larghezza pari a 20 cm, secondo lo schema riportato, in modo da realizzare una sovrapposizione nella zona centrale più cimentata. Come materiale di rinforzo è stato utilizzato un sistema unidirezionale ibrido carbonio /aramidico del tipo GK 320 HT con le caratteristiche riportate in tab. 2. I rinforzi in fibra sono stati applicati previa preparazione del fondo,seguito da una rasatura con malte del tipo epossidico bicomponente tixotropizzate, a forte potere di penetrazione nelle murature, ed utilizzando per la laminazione resine epossidiche bicomponenti del tipo Conchem LC 2001 (primer) e Conchem LC202 (Resina). Sull ultimo strato di resina, a resina non ancora indurita, e stata applicata della sabbia quarzifera, per consentire il successivo aggrappo dell intonaco. Fig.18 : Vista delle fasi di applicazione del rinforzo. Si può osservare sul lato sinistro del tamburo il fondo di rasatura con malta epossidica, a destra il rinforzo già applicato. Fig.19: Vista intradosso volte ad intervento concluso prima dell applicazione dell intonaco. A conclusione dell intervento di rinforzo, si è proceduto al taglio delle catene alle reni, dopo avere disposto un opportuno monitoraggio, che ha verificato il rilascio dello stato di tensione presente nelle catene ed ha controllato l assenza di deformazione globale del complesso. 10

11 Conclusioni Gli esempi riportati mostrano come, utilizzando appieno le conoscenze sviluppate nei settori tradizionali dei materiali compositi,sia possibile individuare e mettere a punto soluzioni innovative per il recupero strutturale di opere edili di grandissimo prestigio. Il potenziale mostrato dai materiali compositi è molto rilevante ed una accurata integrazione tra le tecnologie dei compositi e le tecnologie del restauro, può portare ad individuare nuove ed importanti soluzioni capaci di risolvere problematiche anche notevolmente complesse. Cosi da parte nostra ci stiamo movendo verso lo studio di nuovi sistemi di rinforzo che comprendono la messa a punto di componenti in composito, progettati su misura, con le caratteristiche richieste dall applicazione finale con l obiettivo di ottimizzare al meglio l effetto del rinforzo, di semplificare la tecnologia di messa in opera, di integrare più funzioni in un unico componente. Bibliografia: 1-R.Poluzzi, L. Credali, E. Schiavina : Impiego di fibre di carbonio nella ristrutturazione statica ed architettonica del complesso ex-corte Benedettina di Legnaro (Pd) Secondo Seminario AICO SAIE (1999). 2-R.Poluzzi : Verifiche sperimentali sui benefici ottenibili nel rinforzo di membrature di cemento armato con applicazioni di fibre sintetiche -Atti Giornate AICAP- Torino (1999). 3- L.Credali : Rinforzi per edilizia Betontex,- XXVI Convegno ATE- Strutture in Composito- Milano 21 Giugno L Edilizia,8, 82, (1999) 4-H.H.Yang : Aromatic High Strength Fibers,- SPE Monograph Series-John Willey & Sons,(1989). 5-N.L. Hancox : Fibre Composite Hybrid Materials,- Applied Science Publishers,London- (1981). Ringraziamenti Si ringraziano per gli importanti contributi : -Prof. Giorgio Croci- Università di Roma, progettazione intervento S.Antonio (Pd). -Consorzio: Impresa Schiavina Impresa Adanti, lavori di Venaria Reale-(To). -Impresa : Resinproget, applicazioni dei rinforzi a S.Antonio- (Pd) e Venaria Reale-(To). 11