L utilizzo di materiali fibrorinforzati per interventi su strutture esistenti in accordo alle NTC del DM 2008 Carlo Poggi - Giulia Fava Dipartimento di Ingegneria Strutturale Politecnico di Milano
Compositi fibrorinforzati per le costruzioni 2 Sommario presentazione 1 Gli FRP per il rinforzo strutturale. 2 La situazione normativa oggi. 3 Le norme di domani in Italia - Europa. 4 Il controllo dei materiali. 5 Il controllo delle applicazioni.
Sistemi di rinforzo per le costruzioni 3 Sistemi di Rinforzo Preformati precured systems ottenibili mediante pultrusione o laminazione forma e sezione variabile applicazione mediante adesivi. Impregnati in situ wet layup systems tessuti UD o multidirezionali da impregnare Preimpregnati prepreg systems fogli di fibre UD o tessuti multidirezionali impregnati di resina parzialmente polimerizzata accorgimenti per stoccaggio e manipolazione
I materiali compositi 4 metri Progettazione multiscala 10-0 10-1 10-2 10-3 [cm] [mm] 10-4 [100 mm] 10-5 [10 mm]
Le dimensioni nei compositi 5 Calcestruzzo Barre acciaio Adesivo epossidico TRAMA CFRP Sezione trasversale di un tessuto impregnato ORDITO
2.2.2.1 Diagrammi sforzi deformazioni delle fibre 6 proprietà fibre Comportamento lineare fino a rottura. Moduli elastici molto diversi. Diversa deformazione ultima. L aumento di rigidezza comporta minore resistenza.
2.3.1 Proprietà meccaniche sistemi rinforzo 7 dalle proprietà dei componenti alle proprietà del sistema di rinforzo Fibre elemento portante elevata rigidezza e resistenza f fib,max FIBRA Composito rigidezza e resistenza inferiori alle fibre Resina Trasferimento sforzi Protezione delle fibre Bassa resistenza e rigidezza f m,max FRP MATRICE rottura FRP fib,max m,max per deformazione pari a εfib,max
Compositi fibrorinforzati per le costruzioni 8 Sommario presentazione 1 Gli FRP per il rinforzo strutturale. 2 La situazione normativa oggi. 3 Le norme di domani in Italia - Europa. 4 Il controllo dei materiali. 5 Il controllo delle applicazioni.
La situazione normativa D.M. 2008 9 Possibilità di utilizzo di materiali innovativi ( in particolare fibrorinforzati) Situazione normativa attuale Norme Tecniche che riguardano il rinforzo delle strutture esistenti Norme Tecniche per le Costruzioni D.M. 2008
La situazione normativa D.M.2008 10
La situazione normativa D.M.2008 11 Linee guida del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici Linee Guida per la Progettazione, l Esecuzione ed il Collaudo di Interventi di Rinforzo di Strutture di cemento armato, cemento armato precompresso e murarie mediante FRP Preparate da un gruppo di lavoro istituito presso il CSLLPP così costituito : Prof. Luigi Ascione (Università di Salerno); Prof. Edoardo Cosenza (Università di Napoli Federico II ) Coordinatore ; Prof. Gaetano Manfredi (università di Napoli Federico II ); Prof. Giorgio Monti (università di Roma La Sapienza ); Prof. Giovanni Plizzari (Università di Brescia); Prof. Carlo Poggi (Politecnico di Milano). Approvate dal Consiglio Sup. LL PP il 24/07/2009. Reperibili su www.ateservizi.it
La situazione normativa D.M.2008 12 Linee guida del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici Diventano parte integrante delle attuali Norme Tecniche per le Costruzioni (D.M. 14 gennaio 2008) Si affiancano alle già note Linee Guida CNR DT200 relative ai rinforzi esterni con FRP che erano richiamate nelle Norme Tecniche per le Costruzioni nel cap 8.6 e nel cap. 12 con riferimento ai materiali non tradizionali per interventi su strutture esistenti.
Il Documento CNR DT200/2004 13 Documento CNR-DT 200/2004 Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l utilizzo di Compositi Fibrorinforzati Materiali, strutture in c.a. ed in c.a.p., strutture murarie Disponibile sul sito del Consiglio Nazionale Ricerche www.cnr.it ==>> Attività ==>> Normazione e Certificazione
Il Documento CNR DT200/2004 14 1 Premessa 2 Materiali Documento CNR-DT 200/2004 3 4 Concetti basilari del progetto di rinforzo e problematiche speciali Rinforzo di strutture di C.A. e C.A.P. (interventi in zona sismica) 5 Rinforzo di strutture murarie 6 Appendici : tecniche di produzione ; prove; esempi di progettazione
Struttura del Capitolo 2 del DT200/2004 15 2.1 Introduzione 2.2 I componenti 2.3 Sistemi di rinforzo 2.4 Qualificazione 2.5 Accettazione 2.6 Trasporto e stoccaggio Schede tecniche Fibre e tessuti Matrici - Resine Adesivi Preformati Impregnati in situ Preimpregnati Il Documento CNR-DT 200/2004 individua le competenze e le responsabilità di tutte le parti coinvolte (progettista, produttori, applicatori, direttori dei lavori, collaudatori, laboratori di prova)
2.5.1 Compiti e responsabilità degli operatori 16 PROGETTISTA : - deve indicare qualità, caratteristiche geometriche, meccaniche e fisiche dei costituenti il sistema di rinforzo, criteri di accettazione e requisiti minimi - deve specificare criteri di accettazione dei materiali per il direttore dei lavori definendo le prove in base all importanza e all entità dell intervento - indicare prove di verifica della qualità dell installazione IMPRESE e APPLICATORI : - fornire prodotti conformi alle prescrizioni del progettista, - controllare adeguatezza delle schede tecniche in accompagnamento - controllare i certificati di collaudo dei lotti di produzione. LABORATORI di PROVA : - possedere provata esperienza nel campo dei compositi, - possedere attrezzature idonee alla caratterizzazione di fibrorinforzati, - rilasciare rapporti di prova dettagliati, - fare riferimento a norme specifiche per i materiali fibrorinforzati.
2.5.1 Compiti e responsabilità degli operatori 17 DIRETTORE dei LAVORI : - stabilire quali e quanti prelievi e prove effettuare, - controllare corrispondenza tra materiale fornito e prescrizioni del progettista, - se viene fornito il sistema completo: può richiedere l esecuzione di prove sperimentali per valutare la qualità dei materiali forniti e verificare la corrispondenza dei risultati con i valori dichiarati dal produttore (facoltativo) - se i singoli componenti del sistema di rinforzo sono forniti da produttori diversi e non sono state verificate le caratteristiche del sistema completo: ha l obbligo di richiedere una serie di prove di caratterizzazione del materiale composito ottenuto per controllare la compatibilità dei componenti impiegati e di predisporre prove di accettazione del sistema globale installato. COLLAUDATORE : - verificare la qualità dei materiali impiegati, - analizzare i risultati delle eventuali prove di accettazione.
Compositi fibrorinforzati per le costruzioni 18 Sommario presentazione 1 Gli FRP per il rinforzo strutturale. 2 La situazione normativa oggi. 3 Le norme di domani in Italia - Europa. 4 Il controllo dei materiali. 5 Il controllo delle applicazioni.
La normativa per FRP nei prossimi anni 19 Linee guida del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici Linee Guida per la Qualificazione e Certificazione dei materiali fibrorinforzati utilizzati per il rinforzo strutturale Preparate da un gruppo di lavoro istituito presso il CSLLPP : Coordinatore Ing. Pietro Baratono del Ministero Infrastrutture Prof. Luigi Ascione (Università di Salerno); Prof. Carlo Poggi (Politecnico di Milano). Numerosi rappresentanti delle industrie, applicatori ed associazioni. Si prevede di sottoporlo all approvazione del Consiglio Sup. LL PP entro dicembre 2011
La normativa per FRP nei prossimi anni 20 Norme Europee del TC250 Nominata una commissione internazionale WG4 membri Europei ed Italiani Coordinatore : Prof. Luigi Ascione (Università di Salerno); rappresentanti Italiani : Prof. Andrea Benedetti (Università di Bologna) delegato UNI Prof. Carlo Poggi (Politecnico di Milano) delegato UNI Prima riunione a Salerno il 21 Ottobre 2011
Compositi fibrorinforzati per le costruzioni 21 Sommario presentazione 1 Gli FRP per il rinforzo strutturale. 2 La situazione normativa oggi. 3 Le norme di domani in Italia - Europa. 4 Il controllo dei materiali. 5 Il controllo delle applicazioni.
2.5 Accettazione - CNR DT200/2004 22 Dal documento CNR-DT 200/2004 I materiali fibrorinforzati da utilizzarsi per il consolidamento di strutture devono essere assoggettati ad una serie di controlli che assicurino un livello adeguato delle caratteristiche meccaniche e fisiche in analogia a quanto avviene per gli altri materiali da costruzione. Le prove meccaniche e fisiche devono essere eseguite da Laboratori Qualificati che dispongano di tutte le attrezzature necessarie e che abbiano comprovata esperienza nella caratterizzazione dei materiali compositi. Accettazione dei materiali Accettazione delle applicazioni
Prova su tessuto secco 2.5 Accettazione Materiali 23 Accettazione dei materiali impiegati nel rinforzo in FRP Obiettivo : verificare la qualità dei materiali che costituiscono il rinforzo Prove sui componenti e sul composito Tessuto secco Adesivi e resine Composito formato in situ Pultruso prodotto in fabbrica Caratteristiche meccaniche e fisiche
COKIT - Controllo di accettazione 24 Il controllo di accettazione di materiali fibrorinforzati per il rinforzo strutturale COKIT: un sistema per la caratterizzazione di materiali compositi per le costruzioni A cura e distribuito da autori Giulia Fava, Carlo Poggi Politecnico di Milano
COKIT - Controllo di accettazione 25 Istruzioni per prelievo materiali Tessuto e matrice Istruzione per preparazione provini Lamelle in alluminio >> Lap shear test Tavoletta di laminazione >> Campione di laminato
Prove meccaniche di caratterizzazione 26 La caratterizzazione meccanica degli FRP Tensile Test Bending Test Shear Test ILSS Test
Prove di accettazione del materiale 27 Test Proprietà Unità di misura normativa di Test riferimento ASTM D T1 Densità delle fibre ρ fib [g/cm 3 ] 792 ISO 1183 - facoltativo 1 T2 Peso del tessuto per unità di area p x [g/m 2 ] ISO 3374 COKIT T3 Densità della resina ρ m [g/cm 3 ] ISO 1675 facoltativo T4 Area equivalente A rt [mm 2 /m] Spessore equivalente t eq [mm] --- facoltativo T5 Frazione in peso delle fibre nel composito P fib --- Frazione in volume delle fibre nel composito V fib --- ISO 11667 facoltativo
Prove di accettazione del materiale 28 Test Proprietà Unità di misura T6 Percentuale di vuoti nel composito V v --- Rigidezza del laminato E f [MPa] normativa di riferiment o ASTM D2734 Test facoltativo COKIT Resistenza del laminato f f [MPa] facoltativo T7 T8 Deformazione a rottura laminato (a trazione) Rigidezza del laminato riferita all area netta fibre Resistenza della fibra riferita all area netta fibre ISO 527-4-5 ε f [%] facoltativo E fib [MPa] COKIT f fib [MPa] facoltativo Deformazione a rottura ε fib [%] facoltativo Resistenza del giunto adesivo f crit [MPa] ISO 4587 COKIT
COKIT - Controllo di accettazione 29 Verifiche eseguibili a) Caratteristiche fisiche del tessuto utilizzato. b) Caratteristiche meccaniche del laminato composito preparato in cantiere. c) Proprietà meccaniche dell adesivo strutturale impiegato per l incollaggio del rinforzo.
Tessuti per il rinforzo strutturale 30 a) Caratteristiche fisiche del tessuto utilizzato. Tessuti unidirezionali Tessuto bidirezionale in vetro
COKIT prelievi in cantiere 31 b) Caratteristiche meccaniche del laminato composito preparato in cantiere. Strumenti per la preparazione dei campioni
Prove di trazione su campioni 32 Sistemi Impregnati in situ Wet lay-up l w 0 l 0
La preparazione dei campioni in cantiere 33 Accorgimenti da adottare per la preparazione dei provini Parallelismo e regolarità delle superfici tavoletta su cui stendere il tessuto da impregnare. Orientazione degli strati (plies): sequenza di laminazione. Eliminazione dei vuoti all interno del laminato. Protezione delle superfici: tessuto in peel-ply da appoggiare sul laminato per eliminare la resina in eccesso ed evitare il contatto accidentale con altri oggetti. Contenuto di resina : stessa tecnica utilizzata per l intervento e possibilmente con la stessa quantità di resina. Curing : simile a quello dell intervento di rinforzo strutturale.
La preparazione dei campioni in cantiere 34 Lo scopo delle prove del sistema COKIT è quello di verificare che i risultati ottenuti su campioni prelevati in cantiere siano confrontabili con i valori nominali e quindi accettabili. Il laminato preparato in cantiere deve essere costituito almeno da tre strati sovrapposti di tessuto dimensioni minime di 15 cm 30 cm o comunque tali da ricavare 3 provini almeno di dimensione 250 mm 20 mm. l provino devono essere comunque di dimensioni tali da assicurare una rottura lontana dagli afferraggi. Sono suggeriti provini di dimensioni almeno pari a 250 mm 15 mm per laminati unidirezionali e a 250 mm 25 mm per altri tipi di laminati.
Le caratteristiche di filato, tessuto, laminato 35 FILATO: f filato ; ε u,filato ; E filato TESSITURA TESSUTO: f tess ; ε u,tess ; E tess Valori meccanici di resistenza, deformazione ultima, rigidezza. LAMINAZIONE PROVE LABORATORIO LAMINATO: f f ; ε u,f ; E f (sezione del laminato) f fib ; ε u,fib ; E fib (sezione delle fibre) RIELABORAZIONE STATISTICA Valori nominali caratteristici f fib,nom ; ε fib,nom ; E fib,nom
Le caratteristiche di filato, tessuto, laminato 36 Caratteristiche meccaniche di filato, tessuto e laminato f filato, E filato riferiti al filato secco fornito in rotoli f tess, E tess f f, E f riferiti al tessuto secco fornito in rotoli o stuoie ottenuti per un laminato riferiti all area del composito (fibra+resina) f fib, E fib ottenuti per un laminato riferiti alla sola area delle fibre (t eq ) f fib,nom Valori nominali forniti dal produttore E fib,nom f fib,d, E fib,d valori di progetto per un laminato riferiti alla sola area delle fibre (t eq )
La prova di trazione 37 Quantità ricavabili da una prova di trazione carico di rottura F u ; deformazione ultima del composito ε u ; sforzo di rottura riferito all area del provino, f f = F u / A f ; sforzo di rottura riferito all area netta delle fibre, f fib = F u / A fib ; modulo elastico riferito all area del provino, E f ; modulo elastico riferito all area netta delle fibre, E fib. A f : sezione del composito (larghezza x spess provino) A fib : sezione delle sole fibre nel composito (largh x spess equival tessuto x numero strati) Relazione tra quantità riferite al composito o alle fibre f fib f f A A fib f, E fib E f A fib A f
Un esempio di tessuto unidirezionale 38 Esempio di un tessuto unidirezionale CARATTERISTICHE DEL FILATO No di filamenti per filato 12k Diametro nom. filamento 6 µm Densità 1.82 g/cm 3 Area trasversale 0.329 mm 2 Peso 600 mg/m Tex 600 Modulo elasticità 395 GPa E filato Resistenza del filamento 4410 MPa f filato Allungamento a rottura 1.2 % ε u,filato Num di filati CARATTERISTICHE DEL TESSUTO 6.6/cm Grammatura 400 g/m 2 ± 5% Densità 1.81 g/cm 3 Spessore di progetto t eq 0.22
Un esempio di tessuto unidirezionale 39 VALORI NOMINALI DEL TESSUTO Resistenza a trazione 2600 N/mm 2 f fib,nom Deformazione ultima 0.7% ε u,fib,nom Modulo elasticità trazione 380 GPa E fib,nom ipotesi di sistema tipo A No fattori conversione ambientale f fib, d E fib, d fib, d ffib, nom 0.90 f 1.10 fib, nom 0.90 1.10 E fib, nom fib, nom fib, nom VALORI DI PROGETTO DEL TESSUTO Resistenza a trazione 2360 N/mm 2 f fib,d Deformazione ultima 0.64% ε u,fib,d Modulo elasticità trazione 380 GPa E fib,d
Risultati delle prove di trazione 40 Provino Largh [mm] Spess. [mm] A f [mm 2 ] A fib [mm 2 ] 1G 19.17 2.59 49.65 12.65 2G 19.32 2.75 53.13 12.75 3G 19.27 2.75 52.99 12.72 Media 19.25 2.69 51.92 12.70 σ f [ MPa ] 800 600 400 200 PROVA 2 PROVA 3 PROVA 1 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 ε f [%] Provino F max [kn] ε fu [%] E f [GPa] f f [MPa] E fib [GPa] f fib [MPa] 1G 39.62 0.82 97.15 798 381 3132 2G 40.60 0.81 94.13 764 392 3183 3G 41.15 0.86 89.85 776 374 3232 Media 40.46 0.83 93.71 779 382 3182 St.Dev. 0.78 0.03 3.67 17.24 9.07 50.00 C.o.V 0.019 0.032 0.039 0.022 0.024 0.016
2.3.3 Sistemi impregnati in situ 41 c) Proprietà meccaniche dell adesivo strutturale impiegato per l incollaggio del rinforzo.
Caratterizzazione del giunto adesivo 42 t t a w L a Non è una caratterizzazione dell adesivo ma una verifica dell efficienza dell adesivo in un sistema costituito da elementi con proprietà controllate. I risultati non possono essere estesi ad altri aderendi La rottura interessa spesso l interfaccia metallo-adesivo.
Verifiche sul giunto adesivo 43 1. La tensione tangenziale massima corrispondente alla rottura del provino P u deve risultare superiore alla resistenza alle tensioni tangenziali dell adesivo. max > 0 tensione tangenziale ultima del materiale dichiarata dal produttore 2. Lo sforzo equivalente deve essere maggiore del valore della resistenza a trazione dell adesivo dichiarata dal produttore. VM > 0 tensione ultima del materiale
Compositi fibrorinforzati per le costruzioni 44 Sommario presentazione 1 Gli FRP per il rinforzo strutturale. 2 La situazione normativa oggi. 3 Le norme di domani in Italia - Europa. 4 Il controllo dei materiali. 5 Il controllo delle applicazioni.
2.5 Accettazione applicazioni 45 Accettazione delle applicazioni Obiettivo : verificare la qualità del sistema di rinforzo Tecniche di controllo Controlli non distruttivi Controlli limitatamente distruttivi Controlli periodici e monitoraggio Tipo di verifica Omogeneità dell applicazione Caratteristiche meccaniche materiali ed adesivi Controllo delle varie fasi dell applicazione
Prove non distruttive Prove semi-distruttive Monitoraggio Controlli dell applicazione FRP 46 Prove soniche Ultrasuoni Termografia Emissione acustica Strappo normale (pull off) Strappo a taglio Strappo inclinato Strappo con rotazione Sensori integrati Tecniche utilizzate nel campo aeronautico
Prove non distruttive Prove non distruttive per controlli FRP 47 Indagini soniche 1 2 3 4 5 6 Settore murature LPM-DIS 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Velocità Sonica (m/s) 4350 4200 4050 3900 3750 3600 3450 3300 3150 3000 2850 2600 2450 2300 2150 2000 1850 1700 1550 1400 1250 1100 950 800 650 500 350 31 32 33 34 35 36
Prove non distruttive Prove non distruttive per controlli FRP 48 Ultrasuoni Courtesy of F.Bastianini (Venezia)
Prove non distruttive Prove non distruttive per controlli FRP 49 Ultrasuoni La riflessione avviene all interfaccia tra materiali che presentano diversa impedenza acustica Si lavora ad alte frequenze in quanto gli spessori sono piccoli (0.1 mm) Localizzazione di difetti artificiali Courtesy of G.Pascale (UNIBO)
Prove semi-distruttive Prove semi-distruttive per controlli FRP 50 Prove pull-off Prove di aderenza a strappo valida per vari supporti ed FRP (intonaci, malte, gessi e vernici).
Prove semi-distruttive Prove di strappo Prove semi-distruttive per controlli FRP 51 Prove di aderenza a strappo su campioni simili all applicazione reale.
Prove semi-distruttive Prove semi-distruttive per controlli FRP 52 Prove di strappo Prove di aderenza a strappo su campioni simili all applicazione reale. Pu = 0.4P Pu = P
Il documento COKIT : Controllo accettazione 53 Disponibile sul sito www.lpm.polimi.it Laboratorio Prove Materiali Politecnico di Milano Piazza Leonardo da Vinci, 32 20133 Milano Tel : 02-2399 4210 ; Fax : 02-2399 4211 Accettazione materiale: Via Celoria 3-20133 Milano (8:30 12:00)