Compositi SRP/SRG: caratteristiche, sperimentazione

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1 Antonio Borri, Giulio Castori, Andrea Grazini, Andrea Giannantoni Ricerca Compositi SRP/SRG: caratteristiche, sperimentazione e applicazioni L articolo introduce una nuova tipologia di materiali compositi, già presenti in realtà da tempo sul mercato USA, illustrandone le principali caratteristiche meccaniche ed i vantaggi che presentano rispetto ai tradizionali FRP Lo sviluppo della ricerca e della tecnologia,a partire dal secondo dopoguerra, ha permesso di utilizzare, in vari settori industriali, materiali diversi da quelli tradizionali, frutto dell affinamento delle conoscenze della chimica, capaci di soddisfare al meglio le sempre maggiori richieste prestazionali.tale innovazione ha coinvolto, nell ultimo decennio, anche il settore dell edilizia attraverso l introduzione degli FRP (Fiber Reinforced Polymer). Anche se esistono aree e situazioni che vedono una certa diffusione di questa tecnologia, ancora oggi l uso dei compositi è comunque considerato innovativo, e appare limitato, nella sostanza, ai casi in cui i benefici sono nettamente superiori a quelli ottenibili con materiali e tecniche tradizionali. I compositi costituiscono di fatto una nuova generazione di materiali, con caratteristiche proprie e comportamento notevolmente diverso dai materiali usualmente utilizzati nell edilizia. Ciò naturalmente ha comportato (ed ancora comporta) la necessità di studi,sperimentazioni (e norme) adeguate a valutarne le caratteristiche e a verificarne le tecniche di applicazione,per poi poterli diffondere nella pratica corrente attraverso l aggiornamento delle conoscenze nel mondo professionale ed imprenditoriale. Negli ultimi anni, la riduzione dei costi ed una maggiore attenzione per le tecniche innovative hanno agevolato l utilizzo di questa tecnologia, permettendo così ai compositi di competere con le tecniche classiche, non solo in termini prestazionali, ma anche a livello economico, specie se si considerano i tempi e le attrezzature necessarie per l intervento. Le molte esperienze fatte sul campo nella ricostruzione post sismica in Umbria, ad esempio, hanno dimostrato la praticabilità e la convenienza di questa via, a condizione di assicurare una progettazione fondata su una effettiva comprensione delle possibilità e dei limiti degli FRP, e, ovviamente, di una più che corretta esecuzione. In questo scenario, si affaccia ora una nuova generazione di compositi basata sull impiego di fibre di acciaio: gli SRP (Steel Reinforced Polymer) e gli SRG (Steel Reinforced Grout) (1), capaci di assicurare gli stessi vantaggi degli FRP (facilità di applicazione,bassa invasività,ridotti tempi di intervento,ecc.),con ulteriori interessanti particolarità. Nel presente articolo, dopo una sintetica esposizione delle caratteristiche principali di questi materiali, vengono messe in evidenza le possibili applicazioni ed i principali vantaggi rispetto ai materiali compositi tradizionali, con particolare riferimento al consolidamento degli edifici esistenti. Caratteristiche fisico-geometriche Gli SRP/SRG rappresentano una famiglia notevolmente estesa di materiali che, pur avendo i medesimi elementi costituenti,ovvero sottili fili di acciaio ad alta resistenza (Ultra High Tensile Strength Steel), continui e intrecciati a formare trefoli, a loro volta assemblati in un tessuto e impregnati a mezzo di una matrice polimerica (SRP) o cementizia (SRG),presentano caratteristiche e quindi comportamenti diversificati. Molti sono i fattori fisico-geometrici capaci di influenzare la risposta meccanica del composito.tra questi, oltre alla classe di resistenza del filamento, è determinante la scelta del diametro del filo, seguita dalla tipologia di trefolo, differente per quantità di fili impiegati e loro intreccio, e quindi dalla densità del tessuto. In questa ottica è opportuno osservare come la vera e propria novità di questi compositi risieda nell acciaio utilizzato, 52 CIL 117

2 2. I tessuti presenti in commercio sono caratterizzati da tre diversi valori di densità: bassa (4 trefoli/pollice), media (12 trefoli/ pollice), alta (23 trefoli/pollice) (da [4]). 3. Nastro con il tessuto di trefoli. Nella pagina a fianco: 1. Sezione al microscopio elettronico di un trefolo in un composito SRP: a) matrice; b) fili in acciaio (da [3]). derivante dall evoluzione di un acciaio perlitico o ipereutettoidico (con contenuti di carbonio tra lo 0,8 e lo 0,96%) sottoposto ad un processo che può essere riassunto in una prima trafilatura, seguita da rinvenimento, placcatura in ottone o zinco, trafilatura fine e taglio. Il raggiungimento di classi di resistenza elevate (comprese, ad oggi, tra i 2400 ed i 4000 MPa) con diametri ridottissimi,idonei ad un utilizzo in un materiale composito, porta comunque ad una perdita di duttilità del filo, il quale, oltre ad esporsi al rischio di rottura fragile per delaminazione (2),evidenzia un minor allungamento a rottura rispetto a fili di diametro maggiore. I singoli fili sono prodotti in diametri di 0,20-0,48 mm e, nel complesso, il trefolo ha dimensioni variabili tra 0,89-1,02 mm (quindi,tipicamente,meno di un decimo del diametro minimo di un trefolo da precompressione). Le dimensioni così ridotte dei filamenti di acciaio sono, da un lato, funzionali alla realizzazione di laminati flessibili e di spessore contenuto (tra 1,19 e 1,32 mm); dall altro, risultano essenziali per il raggiungimento di resistenze sufficientemente elevate da consentire il loro utilizzo a fini strutturali. È infatti durante il processo di trafilatura con diametri così ridotti che si osservano quei mutamenti della microstruttura dell acciaio, da cui è possibile ottenere spiccate proprietà meccaniche. La scelta relativa alla tipologia di trefolo da adottare dipende invece dall esigenza, tipica dei materiali compositi, di garantire una adeguata aderenza meccanica tra matrice ed elemento di rinforzo: è auspicabile, infatti, realizzare un composito in cui la rottura del rinforzo preceda la sua espulsione dalla matrice.perché ciò avvenga diviene indispensabile un opportuno disegno della geometria del rinforzo. L utilizzo di singoli fili di diametro ridotto causerebbe, a questo proposito, un insufficiente resistenza all interfaccia con la matrice, limitando dunque il trasferimento delle tensioni al rinforzo. Si ricorre, pertanto, a trefoli ottenuti dall intreccio di più fili in strutture simili a corde, la cui geometria è tale da presentare una superficie corrugata che fornisce un adeguato valore dell aderenza. Un ulteriore fattore che influenza le caratteristiche prestazionali del rinforzo è rappresentato dalla densità del tessuto, ovvero dal numero di trefoli presenti per unità di lunghezza.tale parametro, oltre ad incidere sulla risposta meccanica del composito (in termini di resistenza meccanica, rigidezza, ecc.), ha una sua valenza aggiuntiva legata al fatto che, potendo far variare il passo dei trefoli,consente l uso di una più ampia gamma di matrici con diversi valori della viscosità: di qui, come già anticipato, la possibilità di affiancare agli SRP, caratterizzati dall impiego di matrici polimeriche a media e bassa viscosità,i cosiddetti SRG, impregnati a mezzo di malte cementizie, ovvero a mezzo di matrici con elevato valore della viscosità. Caratteristiche meccaniche Come detto,l uso di fibre di acciaio,e in particolar modo di acciai trafilati con prestazioni particolarmente elevate in termini di resistenza (tab.1),rappresenta la vera, sostanziale innovazione del composito ed appare interessante sotto più punti di vista. In primo luogo, infatti, l acciaio consente di incrementare la duttilità dell elemento rinforzato in misura maggiore rispetto ai tradizionali rinforzi in composito, favorendo quindi più ampie prospettive di utilizzo,soprattutto nell ambito delle problematiche sismiche. Altro elemento importante è la resistenza a taglio dell acciaio, 53 RICERCA

3 4. Fasi di preparazione delle prove su triplette. 5. Tripletta dopo la rottura. che, ad esempio, può semplificare notevolmente le problematiche relative alle connessioni e agli ancoraggi. L impiego di trefoli in acciaio non richiede poi l utilizzo di particolari tipologie di resine, come accade invece per il vetro e per il carbonio, poiché alta è la compatibilità con qualsiasi tipo di matrice polimerica termoplastica o termoindurente. Con tessuti di bassa e media densità è poi possibile, come visto, l impiego di malta cementizia, con notevoli benefici in termini di costo, di resistenza al fuoco e (elemento di grande rilievo) di semplicità operativa; fattori questi che, come noto, rappresentano un limite oggettivo per l utilizzo dei materiali compositi tradizionali. Per la resistenza al fuoco, infatti, mentre nel caso delle resine, superata una temperatura compresa tra i C (a seconda del tipo di resina), il comportamento meccanico, passando da fragile e duro a plastico e malleabile,subisce un decadimento con conseguente perdita della capacità di trasferimento dei carichi al rinforzo, nelle malte cementizie, data la loro capacità di trattenere al proprio interno percentuali di acqua di cristallizzazione, si ha la possibilità di raggiungere temperature ben più elevate prima di registrare un decadimento delle proprietà meccaniche del materiale. Altro parametro da non sottovalutare,soprattutto per le sue implicazioni in termini di costi e facilità di applicazione, è il peso del laminato finito e pronto all utilizzo.nel complesso gli SRP (ma anche gli SRG) risultano, come gli altri materiali fibrorinforzati, dalle tre alle sei volte più leggeri dell acciaio. Appare evidente quindi l innovazione introdotta da un simile materiale: il contemporaneo uso di matrici più o meno viscose e fili di acciaio con diametri così ridotti consente la realizzazione di un composito leggero, e pertanto analogo a quelli tradizionali, ma con un materiale più economico, più duttile e più lavorabile rispetto ai compositi fino ad ora utilizzati. Resta poi, certo non ultimo nella scala di importanza degli argomenti, l aspetto tecnologico della messa in opera: si può qui solo ripetere e sottolineare l importanza di una corretta realizzazione di un intervento con i materiali compositi, senza la quale viene disattesa ogni aspettativa di buon funzionamento. Ma è pur vero che nelle applicazioni agli edifici in muratura esistenti è inevitabile trovarsi di fronte a superfici irregolari,con frequenti dislivelli e rugosità del materiale di base. Così, se, da un lato, l incollaggio diretto sul laterizio o sul materiale lapideo rappresenta la soluzione ottimale ai fini della aderenza,dall altro, spesso, le irregolarità sono ineliminabili. Da qui la necessità, data la facilità di rottura a taglio degli FRP, di disporre uno strato di malta di allettamento, che diventa però l anello debole nella catena dell incollaggio tra fibre e muratura.un simile problema evidentemente non sussiste per gli SRG,sia per la resistenza a taglio di tali materiali, sia perché lo strato di allettamento diventa esso stesso la matrice del composito. Si può infine osservare un ulteriore vantaggio, ancora in tema di correttezza di applicazione dei compositi.molte volte,in applicazioni di FRP come rinforzo estradossale di archi e volte si assiste, a causa della mancanza di rigidezza di questi tessuti, a pose in opera che, nella sostanza, consistono nell affogare in 1 Proprietà meccaniche dei fili e trefoli impiegati per la realizzazione degli SRP/SRG3 (da [4]). Copertura F trefolo A trefolo E filo D filo E trefolo D trefolo (mm) (mm 2 ) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) 12x 0,889 0, x2 0,889 0, S 0,914 0, Sx 1,016 0, CIL 117

4 1 20 martinetto 114 piastra di costrasto piastre d ancoraggio nastro piastra di tenuta piastra di costrasto capochiave Layout della prova sui sistemi di ancoraggio e relativo particolare della dentatura presente nella piastra di ancoraggio (misure in mm). fiumi di resina nastri raggrinziti di fibre di vetro o carbonio, con evidente inutilità di tutto l intervento: il rinforzo entrerà in funzione solo dopo aver stirato le varie grinze resinate. La rigidezza dei tessuti formati dai trefoli di acciaio degli SRG impedisce questi orrori, garantendo che il rinforzo sia correttamente posizionato. Da tutto quanto precedentemente detto si può comprendere come questa nuova tipologia di materiali possa aspirare ad un ruolo di primo piano nel panorama dei materiali compositi già presenti sul mercato, avendo (ultima ma, forse più rilevante, qualità) anche l indubbio vantaggio di una maggiore familiarità nei confronti degli operatori e delle maestranze, e di una migliore semplicità operativa (si pensi alla elasticità nei tempi di messa in opera con una malta cementizia rispetto ai tempi imposti dall impiego di una resina epossidica). Sperimentazioni e prime applicazioni Vengono qui anticipati, in modo sommario, i risultati di alcune sperimentazioni eseguite e delle prime applicazioni effettuate, rimandando a successivi articoli la descrizione completa delle varie prove. Caratterizzazione dei materiali e prove di aderenza La caratterizzazione meccanica dei trefoli metallici ha evidenziato un sostanziale accordo con la scheda tecnica fornita dal produttore. Sono state caratterizzate anche le malte (di tipo commerciale) scelte per le successive sperimentazioni in programma. Attraverso una serie di prove di aderenza è stato poi sperimentato il collegamento mediante malta cementizia tra il materiale composito di apporto e la superficie muraria. I risultati delle prove effettuate verranno riportati in una successiva nota. Si può qui anticipare, comunque, che è stata evidenziata la difficoltà di trasferire per aderenza, attraverso la malta cementizia, uno sforzo congruente con quello di crisi per trazione dei nastri metallici. Nella maggior parte delle prove è avvenuto, infatti, il distacco delle fibre dalla muratura nell interfaccia nastro-malta.solo in alcuni casi il distacco della fibra metallica è stato determinato dalla crisi a taglio del laterizio (peeling profondo ). Per incrementare l aderenza tra nastro di SRG e muratura occorre quindi ricorrere a sistemi meccanici di collegamento,oppure diminuire la densità dei trefoli metallici nel nastro in SRG. Prove su triplette Una delle caratteristiche più importanti per i materiali SRG, sia per applicazioni sulla muratura che nel campo del laterizio lamellare [7][8],riguarda la resistenza a taglioscorrimento all interno del pacchetto nastro-malta.le prove di seguito descritte hanno avuto lo scopo di verificare se la presenza del nastro, costituito dai trefoli di acciaio affiancati tra loro, poteva portare o meno ad una più facile frattura proprio per la presenza di una superficie di discontinuità (i trefoli affiancati) nel pacchetto. Si è proceduto quindi alla realizzazione di prove su triplette realizzate in conformità a quanto prescritto dalla normativa europea per i metodi di prova sulle murature UNI-EN Sono state realizzate sei prove su triplette realizzate con elementi in laterizio e malta cementizia fibrorinforzata (fig. 4), tre con il nastro interposto e tre senza. I risultati hanno mostrato una sostanziale costanza del carico di rottura,sia in presenza che in assenza del nastro. 55 RICERCA

5 7. Layout della prova sui sistemi di pretensionamento e relativo particolare del dispositivo di tensionamento mediante chiave dinamometrica. Prospetto nord. 8. Edificio oggetto di intervento di cerchiatura e di rinforzo con gli SRG. Prospetto est. Prove di ancoraggio meccanico Un ulteriore campagna di prove è stata rivolta ad investigare l efficacia di un sistema di ancoraggio del nastro (fig. 6) e di un sistema di pretensionamento dello stesso (fig. 7), ottenuti con una semplice carpenteria metallica. Sostanzialmente si tratta, nel primo caso, di due piastre metalliche, con una superficie interna zigrinata per aumentare l aderenza, tra le quali vengono serrati i trefoli (con o senza interposto uno strato di resina),e,nel secondo caso,di un sistema di tensionamento simile a quello utilizzato nei camion per i cavi di trattenuta del carico trasportato. I test condotti hanno evidenziato il buon funzionamento di entrambi i dispositivi. Per quanto riguarda l ancoraggio, l aderenza meccanica garantita dal serraggio dei bulloni è stata sufficiente ad assicurare che la crisi avvenga al di fuori del dispositivo di ancoraggio per superamento della resistenza a trazione del nastro, verificando che la zigrinatura (fig. 6) non produce alcun fenomeno di tranciamento dei trefoli, anche in assenza di resina interposta. Nel caso del sistema di tensionamento, le prove effettuate hanno dimostrato la funzionalità e la tenuta del dispositivo. Dopo aver messo in tensione mediante chiave dinamometrica (fig. 7) il nastro, arrivando a circa un quarto del suo valore di crisi, è stato portato a rottura il nastro stesso attraverso un martinetto ed una piastra di contrasto disposta all altro estremo. La rottura è avvenuta nella parte libera del nastro e non nel sistema di tensionamento, che ha tenuto perfettamente. Cerchiatura e rinforzo flessionale di un edificio reale Su un edificio attualmente in corso di ristrutturazione e destinato a residenza privata, sito nel centro storico della città di Trevi (PG), è stata eseguito un intervento di miglioramento sismico utilizzando rinforzi con SRG. La costruzione, a torre su pendio,si trova in zona sismica di prima categoria,e per essa è stato progettato un intervento con due livelli di cerchiatura orizzontale e con rinforzi flessionali verticali. Le cerchiature orizzontali, posizionate in corrispondenza dei solai, hanno il compito di collegare mutuamente le murature d ambito, al fine di un coinvolgimento globale della struttura sotto il profilo della risposta alle azioni orizzontali. I rinforzi flessionali verticali hanno invece lo scopo di conferire qualità 2 Confronto per una striscia di 10 cm di nastro di SRP con nastri in fibra di vetro, aramide e carbonio ad alta grammatura. Tipologia A rinforzo /10 cm S rottura Q rottura E composito (mm 2 ) (MPa) (MPa) (MPa) SRP 12X SRP 12X SRP 12X GFRP AFRP CFRP CIL 117

6 9. Cerchiatura in SRG: vista del sistema di tensionamento nel cantonale, prima e dopo l operazione. 10. Cerchiatura in SRG: tensionamento del nastro mediante chiave dinamometrica, bloccaggio con piastrina, taglio del nastro SRG e successivo ricoprimento con malta (sia del nastro che della piastra di ancoraggio nel cantonale). Conclusioni Le sperimentazioni sin qui eseguite hanno dimostrato in modo evidente il buon funzionamento dei compositi basati su nastri con trefoli di acciaio UHTSS, aprendo nuove ed interessanti prospettive nel settore degli interventi di consolidamento delle costruzioni murarie esistenti. In questo ambito, vantaggi economici a parte, appare di particolare rilievo la possibilità degli SRG di superare molti dei problemi degli FRP tradizionali, mantenendone peraltro i vantaggi più significativi. Note 1. Gli SRP/SRG, prodotti dalla americana Hardwire con brevetto esclusivo, utilizzano materiale di base fornito dalla Goodyear e sono disponibili e già utilizzati sul mercato USA. 2. La rottura per delaminazione, cui si fa riferimento in questo contesto, è quella modalità di rottura tipica dei fili di piccolo diametro sottoposti a torsione, distinta dunque dalla delaminazione che può caratterizzare invece la rottura di elementi con rinforzo esterno mediante fogli di composito. 3. La riduzione delle proprietà meccaniche del trefolo rispetto al singolo filo è dovuta alla particolare configurazione geometrica del primo, agli inevitabili scorrimenti che si hanno con la sollecitazione e ad una comunque non uniforme distribuzione degli sforzi tra gli elementi costituenti. di muratura armata ai maschi murari resistenti, dotandoli di capacità di contrastare le azioni di pressoflessione mediante l accoppiamento muratura in pietrame-srg. La scelta degli SRG è stata dettata da molteplici fattori, quali l elevata resistenza del materiale, la compatibilità con malte di tipo tradizionale (evitando quindi l utilizzo delle resine epossidiche),la semplicità di impiego,la possibilità di ottenere un presidio attivo mediante il conferimento di una presollecitazione, importante soprattutto per poter contare da subito sul coinvolgimento delle fibre, già poste così in tensione. Per quanto concerne le nastrature verticali, il conferimento di una pur moderata presollecitazione ha l effetto benefico di incrementare la resistenza a taglio delle murature, senza alterare le masse in gioco. L applicazione sperimentata ha dimostrato la grande semplicità e praticità di impiego del materiale SRG rispetto ai compositi tradizionali in carbonio o vetro,lasciando alle maestranze tempi di applicazione del tutto congrui, grazie ai normali tempi di presa ed indurimento delle malte tradizionali impiegate. L altro vantaggio, come detto, consiste nell aver potuto mettere in tensione il rinforzo mediante dispositivi di semplice realizzazione e di pratico utilizzo (figg. 9 e 10). Bibliografia [1] X. Huang,V. Birman,A. Nanni, G.Tunis G., Properties and potential for application of steel reinforced polymer and steel reinforced grout composites, Composites, Part B: Engineering,Volume 36, Issue 1, January 2004, pagg [2] P. Casadei, A. Nanni,T. Alkhrdaji, J.Thomas J., Performance of Double-T Prestressed Concrete Beams Strengthened with Steel Reinforced Polymer Advan-ces in Structural Engineering, An International Journal (ASCE), Accepted January [3] F. Petruzzelli, Proprietà e applicazioni dei materiali compositi di fili d acciaio (SRP e SRG),Tesi di laurea, Università degli studi di Napoli Federico II, Facoltà di Ingegneria, [4] Hardwire IIC, 2002, What is Hardwire, Pocomoke City, MD. [5] A.Prota,G.Manfredi,A.Nanni,E.Cosenza,M.Pecce,Flexural Strengthening of RC Beams using Emer-ging Materials: Ultimate Behavior, Proceedings of the International Conference FRP Composites in Civil Engineering CICE 2004 Seracino (Ed.), 8-10 December 2004, Adelaide, Australia, ISBN , pp [6] E.Wobbe, P.F. Silva, B.L. Barton, L.R. Dharani,V. Birman,A. Nanni,T. Alkhrdaji, J.Thomas,T.Tunis, Flexural Capacity of RC Beams Externally Bonded with SRP and SRG, Proceedings of Society for the Advancement of Material and Process Engineering 2004 Symposium, May 2004, Long Beach, Ca., 20 pp. [7] A. Borri,A. Grazini, Dal Multistrato al Laterizio Lamellare. Parte I: la sperimentazione, l Edilizia, n. 127, marzo/aprile/maggio 2003, pp [8] A.Borri,A.Grazini,Dal Multistrato al Laterizio Lamellare.Parte II:la modellazione, l Edilizia, n. 128, giugno/luglio RICERCA