Kimisteel I compositi in acciaio. Un presidio attivo, resistente alle alte temperature e traspirante, ideale per il miglioramento/adeguamento sismico

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3 I N D I C E Kimisteel I compositi in acciaio Un presidio attivo, resistente alle alte temperature e traspirante, ideale per il miglioramento/adeguamento sismico I componenti del sistema Gli impieghi Tabella di orientamento alla scelta del sistema più appropriato Il consolidamento strutturale con materiali compositi è un settore nel quale KIMIA S.p.A. opera già dall inizio degli anni 80 e sul quale vanta referenze relative a opere significative, sia per dimensione che per importanza. Con la linea di prodotti KIMISTEEL, KIMIA amplia la propria gamma operativa con prodotti ad alta duttilità, elevata resistenza alle alte temperature e grande traspirabilità. Kimia ringrazia tutti i progettisti che hanno collaborato alla stesura della presente documentazione tecnica, mettendo a disposizione il loro materiale. KIMIA S.p.A. attesta la qualità dei propri materiali grazie al proprio Sistema di Qualità UNI EN ISO 9001:2008 ed alle certificazioni ottenute dai propri prodotti presso Istituti di Ricerca e Laboratori Universitari. In particolare i compositi Kimia sono stati testati presso svariati Istituti Universitari e Laboratori di Ricerca secondo le norme americane ASTM, in conformità al documento CNR-DT 200/2004.

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5 KIMISTEEL: I COMPOSITI IN ACCIAIO I sistemi KIMISTEEL per il rinforzo strutturale di opere murarie e/o in cemento armato sono costituiti da tessuti realizzati con filamenti metallici ultrasottili in acciaio al carbonio ad alta resistenza (disponibili anche in versione INOX), matrici di diversa natura (organiche, inorganiche e miste) e sistemi di ancoraggio e protezione. I sistemi KIMISTEEL sono rivoluzionari, in quanto permettono di realizzare un presidio attivo di rinforzo strutturale: possono essere infatti facilmente ancorati e pretensionati, consentendo una partecipazione attiva al comportamento strutturale degli elementi sui quali vengono applicati. KIMISTEEL unisce i vantaggi dei materiali compositi (altissimo rapporto resistenza / peso) ai vantaggi tipici dell acciaio, quali:.elevata resistenza a trazione ed a taglio;.elevata resistenza alle alte temperature;.facilità di lavorazione e ridotta sensibilità ad urti accidentali durante le operazioni di lavorazione;.possibilità di ancoraggio e pretensionamento. Nel caso di rinforzo di strutture in muratura i sistemi KIMISTEEL consentono: facilità di applicazione di elementi di connessione ed ancoraggio; altissima permeabilità al vapore quando impiegato con matrici a base di leganti idraulici; resistenza ad alte temperature ed agli incendi con sistemi adeguati di protezione; facile rimovibilità. Nel caso di rinforzo di opere in CA, i sistemi KIMISTEEL consentono: altissima resistenza meccanica a trazione ed a taglio, unita ad alta duttilità; possibilità di essere impiegato anche per rinforzi a compressione; facilità di applicazione di elementi di connessione ed ancoraggio al supporto; resistenza ad alte temperature ed agli incendi con sistemi adeguati di protezione. Nel caso di realizzazione di laterizi armati i sistemi KIMISTEEL consentono: ottima adesione al laterizio; altissima resistenza meccanica a trazione ed a taglio; possibilità di essere impiegato in zone soggette a compressione; resistenza ad alte temperature ed agli incendi con sistemi adeguati di protezione.

6 UN PRESIDIO ATTIVO, RESISTENTE ALLE ALTE TEMPERATURE E TRASPIRANTE IDEALE PER IL MIGLIORAMENTO/ADEGUAMENTO SISMICO I vantaggi dei sistemi di rinforzo KIMISTEEL si possono riassumere in: Facilità di ancoraggio e pretensionamento; Resistenza alle alte temperature; Traspirabilità; Vocazione per l'impiego in zona sismica. UN PRESIDIO ATTIVO I sistemi KIMISTEEL sono particolarmente efficaci quando si voglia realizzare un presidio attivo nel consolidamento strutturale. Uno dei limiti nell utilizzo dei compositi tradizionali in interventi di consolidamento è la difficoltà di realizzare efficaci sistemi di ancoraggio meccanico alle strutture esistenti e opere di pretensionatura per la realizzazione di presidi attivi. Per quanto riguarda l ancoraggio è noto come le fibre tradizionalmente impiegate, siano esse in carbonio, vetro, aramide o PBO, soffrano di una certa fragilità nel momento in cui vengono cimentate in modo diverso dalla semplice trazione. Tentativi di piegatura e arrotolamento delle fibre intorno a connettori portano come risultato certo la rottura delle fibre e pertanto si adoperano sistemi che non sempre riescono a realizzare un adeguato ancoraggio. I sistemi KIMISTEEL in virtù della resistenza a taglio dei filamenti in acciaio impiegati, permettono di realizzare efficacemente svariati sistemi di ancoraggio al supporto. I tessuti, ad esempio, possono essere semplicemente solidarizzati a barre metalliche o arrotolati su se stessi a formare una sorta di tondino da inghisare in fori precedentemente predisposti. Impiegando appositi sistemi di serraggio e pretensionatura (dispositivi di rotazione ai quali fissare le fibre che, con una chiave dinamometrica, possono indurre stati tensionali necessari) si possono realizzare cordolature di piano e, in generale, presidi di rinforzo attivi sin dal momento della loro applicazione, utili sia nel consolidamento di strutture in CA che murarie. LA RESISTENZA ALLE ALTE TEMPERATURE Il secondo vantaggio dei sistemi KIMISTEEL è l elevata resistenza alle alte temperature. Uno dei principali limiti nell applicazione dei compositi tradizionali (carbonio, aramide, vetro con matrici epossidiche) risiede nel loro comportamento ad alte temperature e nella necessità che la struttura, in caso di incendio, non affidi a questi materiali alcuna capacità portante.

7 E noto infatti come le matrici tipicamente usate nei compositi tradizionali abbiano temperature di transizione vetrosa poco superiori a C e, già per temperature dell ordine di C, riducano le proprie proprietà meccaniche. Anche per alcune tipologie di fibre si registrano variazioni significative delle proprietà meccaniche in funzione della temperatura, ma a valori di temperatura significativamente superiori rispetto alla matrice. Fattore di decremento della resistenza meccnica-[-] 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Riduzione delle resistenze meccaniche di tessuti e matrici in funzione della temperatura di esposizione Temperatura [ C] PBO ARAMIDE Carbonio Vetro Acciaio Malta a base di leganti idraulici Matrice epossidica FIG. 1 Ne deriva che ai compositi tradizionali non possono essere affidate capacità portanti in caso di incendio o nel caso di utilizzo in ambienti con alte temperature di esercizio (es. ambienti industriali). Inoltre i compositi costituiscono essi stessi un contributo al carico d incendio, risultando le resine di impregnazione esse stesse generalmente combustibili. I sistemi KIMISTEEL specie quando applicati con matrici inorganiche appositamente formulate, sono in grado di risolvere questa problematica. Prevedendo l uso di filamenti in acciaio (quindi incombustibili), di una matrice costituita da leganti idraulici e di un rivestimento protettivo, garantiscono resistenza alle alte temperature, nonché un contributo portante, anche in caso di incendio, per un tempo significativamente grande rispetto ai compositi tradizionali. La resistenza alle alte temperature è garantita dal fatto che i filamenti in acciaio non variano le proprie resistenze meccaniche fino a 500 C e la matrice riduce linearmente, ma in modo lieve, la propria resistenza meccanica a compressione, solo dopo i 100 C. A 200 C la matrice cementizia perde solo il 10% della propria resistenza a compressione. L utilità dei sistemi KIMISTEEL può essere meglio compresa se si fa riferimento al quadro normativo vigente in materia di resistenza al fuoco. Esso impone al progettista di verificare la capacità di una struttura di mantenere la propria funzionalità senza collassare per un tempo variabile a seconda della tipologia d uso dell edificio. E impossibile infatti mantenere la capacità portante per un tempo infinito ma è necessario che questa venga mantenuta per il tempo necessario ad evacuare la struttura stessa, al fine di contenere il più possibile la perdita di vite umane.

8 Ai materiali che hanno il compito di garantire la capacità portante della struttura, non è richiesta quindi l incombustibilità o il mantenimento in toto delle proprie resistenze meccaniche, ma la capacità di resistere senza collassare (SLU), per un tempo pari a quello richiesto da normativa per il singolo edificio in relazione alla destinazione d uso. Osservando le figure 1 e 2, si deduce come in caso di incendio la proprietà che decade più velocemente è la resistenza a trazione del CLS. Questa grandezza si assume usualmente come limite all applicabilità di interventi di rinforzo del CLS con materiali compositi (il limite è 1.5 N/mm 2 ). Considerando nello specifico la variazione di questa grandezza in funzione della classe del CLS (FIG. 2) risulta evidente come esistano limiti di temperatura differenti in relazione alla classe del CLS. Classi pari a C20/25 (R ck =20) sono al limite dell applicabilità di interventi con materiali compositi. Viceversa per CLS classi C25/30 e C40/50 il valore limite di 1.5 N/mm 2 si raggiunge con temperature di esposizione pari a ca. 270 C. Quindi affinché i materiali compositi mantengano la loro capacità adesiva al CLS, è necessario che il CLS stesso e la matrice impiegata, non raggiungano, prima dell evacuazione della struttura, questo valore. Questo valore rappresenta il limite superiore di prestazione. Non ha senso infatti che i compositi mantengano le loro proprietà oltre questa temperatura, in quanto comunque salterebbe il legame adesivo al supporto. A questo valore limite i tessuti KIMISTEEL non subiscono alcuna perdita di proprietà meccanica. La matrice riduce le proprietà meccaniche ma non più del 25%, a differenza di quanto avviene per i materiali che costituiscono un FRP tradizionale (FIG. 1). Da evidenziare come il sistema KIMISTEEL preveda, a completamento, l applicazione di un rivestimento che, già in soli 3 cm di spessore, consente, in caso di incendio, di raggiungere una temperatura nel CLS (zona a contatto con l armatura) superiore ai 200 C solo dopo 180 minuti e non dopo 30 come senza isolamento (FIG. 3). 3 Riduzione della resistenza a trazione del CLS in funzione della temperatura di esposizione 2,5 Resistenza a trazione [N/mm2] 2 1,5 1 0, Temperature [ C] C40/50 C25/30 C20/25 C16/20 FIG. 2

9 Utilizzando quindi matrici in grado di mantenere le proprietà meccaniche anche a tali temperature si ha un tempo di possibile evacuazione della struttura pari a 180 minuti. Tempo che, per la maggior parte dei casi, rappresenta la maggiore richiesta prestazionale prevista. Il progettista potrà facilmente dimensionare lo spessore del rivestimento secondo le specifiche esigenze di progetto Spessore indicativo di rivestimento richiesto per garantire un preassegnato valore di isolamento ad una soletta in CLS Spessore [cm] Tempo [minuti] Tectoria TH1 Intonaco di cemento Conglomerato cementizio FIG. 3 LA TRASPIRABILITÀ Il terzo vantaggio dei sistemi KIMISTEEL (quando applicati con matrici inorganiche) è la capacità di non alterare il comportamento igrometrico del supporto sul quale vengono applicati. Come noto, in ogni edificio, esiste una differenza tra la pressione di vapore interna all edificio stesso e quella esterna. La prima, grazie all apporto di vapore dato dalle persone e dalle attività compiute, è sempre significativamente più grande della seconda. La differenza di pressione che si può avere in fase invernale è anche di Pa, dipendentemente dall attività svolta e dalle modalità di areazione dei locali. Questa differenza di pressione comporta una costante migrazione di vapore dall interno verso l esterno di ogni edificio, con flussi che, pur variando in relazione alla tipologia di involucro, sono dell ordine di 10^-4 Kg/m 2 h Spessore d'aria equivalente di matrici di diversa natura Sd [-] Spessore [mm] Resina epossidica Malta a base di leganti idraulici Malta epossicementizia Malta tradizionale a calce aerea Sd [-] 45 0, ,2 Spessore [mm] 1,5 3 1,5 10 FIG. 4

10 Questo flusso di vapore, se incontra, nel passaggio dall interno all esterno, un materiale caratterizzato da un elevato Sd (spessore equivalente d aria: grandezza pari al prodotto dello spessore per il coefficiente di diffusione al vapore), tende ad essere adsorbito dal materiale a contatto con la zona a minore permeabilità. Questo fenomeno se prolungato nel tempo può determinare un innalzamento dei contenuti d acqua nella struttura e portare, nel caso di superfici dipinte, a viraggi cromatici. I sistemi KIMISTEEL, potendo essere impiegati con una matrice a base di leganti idraulici, si caratterizzano per Sd modesti. A differenza dei compositi tradizionali, le dimensioni del filato permettono ottima aderenza anche a matrici a base di leganti idraulici, beneficiando dei bassi valori di Sd (spessore d aria equivalente) raggiungibili con questi sistemi. La sua applicazione ad un supporto, come ad esempio una volta con superficie intradossale dipinta, non altera in nessun modo il comportamento originario della struttura ed è in grado di mantenere i contenuti d acqua nella parete entro i naturali limiti di variabilità della struttura. IMPIEGO IN ZONA SISMICA La capacità che ha una struttura di resistere ad un evento tellurico è strettamente legata alla possibilità che essa ha di dissipare l energia sismica. Ciò può avvenire solamente se la struttura entra in campo post-elastico, con la formazione di meccanismi in grado di dissipare, mediante elevate deformazioni plastiche permanenti concentrate in zone critiche (cerniere plastiche), l energia dovuta al terremoto. Da questo concetto fondamentale scaturisce il principio sul quale si basa la progettazione strutturale in zona sismica: per resistere senza crollo a sismi caratterizzati da elevate intensità, la struttura deve tenere in conto le risorse di cui può disporre oltre il proprio limite elastico. E necessario quindi realizzare strutture sismo-resistenti in grado di possedere sufficienti capacità di deformazione plastica, al fine di poter dissipare l energia sismica tramite la duttilità (locale) delle loro sezioni. Gli elementi di una costruzione devono dunque garantire la formazione di cerniere plastiche anche a seguito di interventi di rinforzo. L'acciaio ad alta resistenza impiegato nei sistemi KIMISTEEL permette di mantenere la duttilità (locale) delle sezioni e di controllare la duttilità (globale) delle strutture studiando attentamente numero e dislocazione delle cerniere plastiche (conformemente alle prescrizioni di molteplici linee guida nazionali e comunitarie).

11 I COMPONENTI DEL SISTEMA I sistemi KIMISTEEL sono costituiti da tessuti in acciaio (anche in versione inox), matrici di diversa natura, ed un sistema di protezione. I sistemi si caratterizzano per l utilizzo di tessuti in sottili trefoli di acciaio, accostati e tenuti insieme tra loro da fili in polipropilene, in modo da realizzare tessuti di diversa larghezza (KIMISTEEL 1500, KIMISTEEL INOX). I tessuti KIMISTEEL possono essere impiegati indifferentemente con matrici di diversa natura, in relazione al tipo di intervento prescelto. La matrice costituita da leganti idraulici (KIMISTEEL LM) consente di garantire allo stesso tempo buona resistenza meccanica ed elevata permeabilità al vapore. Ciò permette di evitare pericolose alterazioni dello stato igrometrico delle strutture sulle quali vengono applicati i compositi; alterazioni che possono essere anche causa di viraggi cromatici a carico delle superfici intradossali (nel caso ad esempio di rinforzi di volte), se dipinte. Questo tipo di matrice consente di realizzare un composito caratterizzato da alte resistenze meccaniche ed adeguata resistenza alle alte temperature. La particolare formulazione della matrice inorganica a base di leganti idraulici Kimisteel LM, sia in termini di curva granulometrica (appositamente studiata per avere un elevato interlocking meccanico tra la matrice ed i trefoli), sia in termini di elevato potere adesivo al supporto, nonché la presenza di additivi inibitori di corrosione, permettono di ottenere elevate prestazioni, sia di tipo meccanico che di durata. Anche per ambienti particolarmente aggressivi (pareti soggette ad umidità di risalita e/o in caso di presenza di sali, aggressioni chimiche etc), qualora non sia possibile prevedere sistemi di protezione catodica dei tessuti, è possibile garantire adeguata durabilità attraverso l'impiego del tessuto in versione INOX. La matrice mista ottenuta mescolando kimisteel LM con la resina bicomponente Kimicover FIX, è da preferire quando si vogliono unire le caratteristiche di permeabilità ad elevatissime prestazioni in termini di resistenza alle sollecitazioni ambientali. L utilizzo di una matrice mista permette infatti di garantire il mantenimento delle proprietà meccaniche del sistema anche in condizioni operative limite. La matrice organica di tipo epossidico (resina Kimitech EP-TX) è invece da preferire quando non sono presenti problemi di traspirabilità (es. strutture in CA) o quando è possibile realizzare adeguati rivestimenti per la protezione alle alte temperature.

12 GLI IMPIEGHI LE STRUTTURE MURARIE La buona qualità degli ammorsamenti delle murature, l'uso d architravi d adeguata rigidezza, la realizzazione di un reale comportamento scatolare della struttura muraria, raramente si trovano nell edilizia storica minore, e pertanto si pone la necessità di intervenire con presidi e opere atte a garantire adeguati livelli di sicurezza alle persone che vivono in queste strutture. A queste carenze si può dare risposta con i sistemi KIMISTEEL, in quanto permettono di ristabilire la connessione tra paramenti, di contrastare l eventuale spinta che potrebbe derivare da una sollecitazione sismica e di fornire maggiore resistenza al taglio a murature di scarsa fattura, con incrementi di peso modestissimi. Rispetto ai compositi tradizionali essi prevedono, tra le altre, matrici a base di leganti idraulici, risultando pertanto perfettamente compatibili sia in termini di permeabilità al vapore sia in termini meccanici (resistenze e modulo elastico) con le strutture murarie. Inoltre risulta semplice la realizzazione dei dispositivi di ancoraggio alle strutture murarie e quindi la garanzia di adesione del prodotto al supporto sul quale viene applicato. I sistemi KIMISTEEL possono essere impiegati per il rinforzo di strutture voltate, in modo da realizzare fasciature estradossali o intradossali utili a far rientrare la curva delle pressioni all interno dell ellisse di inerzia, eliminando la possibilità di cernierizzazioni locali. Trovano impiego per la realizzazione di cordolature armate in strutture murarie. A differenza dei compositi tradizionali, possono essere impiegati con dispositivi di ancoraggio e pretensionatura, in modo da realizzare contenimenti efficaci. L utilizzo di una matrice a base di leganti idraulici e l insensibilità dei tessuti KIMISTEEL alle alte temperature, fanno di questi prodotti il sistema indipensabile laddove siano richiesti requisiti superiori, in termini di resistenza al fuoco, rispetto ai compositi tradizionali o quando non sia possibilie realizzare specifici interventi di protezione dal fuoco.

13 I LATERIZI ARMATI Una delle più recenti innovazioni in campo edilizio riguarda il cosiddetto laterizio armato. Si tratta della possibilità di realizzare elementi resistenti (solai, travi) di opere edilizie e/o elementi di arredo in laterizio interponendo tra i laterizi stessi strati di materiali compositi (una matrice ed una fibra). I sistemi KIMISTEEL possono essere applicati facilmente in questo ambito per la natura dei materiali con cui è costituito (perfettamente compatibili al supporto in laterizio): quando interposti a elementi in laterizio quali tavelloni, ecc., consentono di realizzare elementi portanti caratterizzati da elevata resistenza flessionale e bassissimo peso. LE OPERE IN CA E CAP Il degrado in cui versano molte strutture in CA impone sempre più frequentemente opere di risanamento o di adeguamento. I sistemi KIMISTEEL permettono di realizzare efficacemente interventi di rinforzo strutturale su opere in CA in quanto mantengono i pregi di elevata resistenza e basso peso dei compositi tradizionali, possono essere ancorati e sottoposti a stati di pretensionamento, resistono alle alte temperature ed agli incendi. Trovano impiego nei tradizionali campi di applicazione dei materiali compositi. Si possono realizzare efficacemente rinforzi a flessione e taglio di travi e setti, confinamento di nodi, previo eventuale ripristino corticale degli stessi, così da garantire il miglioramento/adegua-mento sismico, far fronte a richieste di incremento di resistenze dovute a variazioni dei carichi accidentali in magazzini o depositi, installazione di macchinari pesanti in edifici industriali, modifiche di destinazione d'uso di edifici etc etc.. Si possono altresì realizzare opere volte a compensare danni subiti da elementi strutturali (degrado dei materiali; incendi) ed a migliorare l efficienza statica (riduzione delle deformazioni; riduzione delle tensioni nelle barre metalliche di armatura). Si possono infine realizzare opere necessarie a garantire modifiche del sistema strutturale (demolizione di parti di solette per praticare aperture; demolizioni di pareti o colonne).

14 TABELLA DI ORIENTAMENTO ALLA SCELTA DEL SISTEMA PIU' APPROPRIATO (9) 8 (7) (9) 8 (7) (9) 8 (7) (9) 8 (7) (9) 8 (7) (9) 8 (7) I valori tra parentesi si riferiscono alla versione in acciaio inossidabile, Kimisteel INOX.

15 FASI APPLICATIVE TIPO Eventuale regolarizzazione Perforazioni di estremità (o predisposizione di ancoraggi meccanici) Taglio a misura del tessuto Applicazione primo strato di malta Inserimento della prima estremità nei perfori o nel sistema di ancoraggio Stesura del tessuto lungo la direzione di progetto Inserimento della seconda estremità del tessuto in appositi perfori.....o eventuale pretensionatura e bloccaggio meccanico Ricoprimento del tessuto con un secondo strato di matrice Curare che il tessuto sia completamente immerso nella matrice prescelta Completamento delle operazioni Rispetto delle preesistenze

16 Dal 1995 Kimia S.p.A. opera in Sistema di Qualità Certificato attualmente conforme alla norma UNI EN ISO 9001: /3