PRETENDI L'ITALIA
PREMESSA: L utilizzo dei materiali compositi in Ingegneria e Architettura per il recupero, rinforzo, protezione e messa in sicurezza strutturale, sta crescendo rapidamente in particolare negli ultimi anni, soprattutto dopo i numerosi e catastrofici eventi sismici. In particolare i tessuti in fibra (carbonio, vetro, aramide, acciaio, ma oggi anche lino, canapa, basalto ed altri in fase di sperimentazione) sono particolarmente duttili e flessibili da applicare, hanno elevatissime resistenze, bassa invasività e buona reversibilità senza danno alcuno alla struttura interessata. Le fibre vengono applicate utilizzando resine e malte; la loro funzione si esplica solo e soltanto quando la struttura rinforzata viene sottoposta a carichi (statici e/o dinamici) aggiuntivi rispetto a quelli presenti al momento dell applicazione del rinforzo ed a maturazione avvenuta delle resine e delle malte. In sostanza, l intervento (ed il sistema) rimane inerte fino a quando non viene mutato lo stato di sollecitazione degli elementi strutturali oggetto del rinforzo. In alcuni casi questo comportamento a chiamata può essere complessivamente insufficiente anche perché entra in azione con un seppur infinitesimo ritardo e dunque concede alle strutture rinforzate quelle deformazioni e/o quegli inneschi che in molti casi, sarebbe opportuno evitare. APPLICAZIONI: Nel caso delle strutture ed elementi in c.a. o c.a.p. che dovessero trovarsi in condizioni di sottodimensionamento delle armature a flessione dovute ad errori progettuali e/o di realizzazione (armatura originale insufficiente) o di cambio di destinazione d uso (incremento dei carichi permanenti e/o accidentali), sarebbe molto utile ed opportuno disporre di sistemi, materiali e tecnologie che possano (anche scaricando parzialmente la struttura) applicare delle azioni di segno contrario a quelle a cui è sottoposta normalmente la struttura, generando un nuovo elemento composto dove parte delle azioni sono indotte da una pretensione delle fibre (di qualunque tipologia e materiale costituenti).
Se ad esempio volessimo rinforzare una trave in c.a. o c.a.p., un solaio in c.a., in laterocemento, in legno o acciaio, etc si potrebbe scaricare, ad esempio, con l applicazione di martinetti oleodinamici) l elemento ottenendo così una calcolata riduzione dei tassi di trazione in essere sia sull acciaio costituente l armatura originale che quelli di compressione sul calcestruzzo. Allo stesso tempo si potrebbe applicare un tessuto inizialmente secco in fibra (carbonio, aramide, vetro, acciaio, basalto, canapa, lino, etc ) di caratteristiche adeguate; una volta ancorato opportunamente alla struttura (azione e reazione) verrebbe impregnato ad esempio di resina ed incollato al sottofondo ben preparato dell elemento da rinforzare. Una volta raggiunta la maturazione si procederebbe allo scarico della forza applicata ai due estremi del tessuto, il quale immediatamente trasferirebbe tangenzialmente, attraverso la resina, gli sforzi di pensionamento applicati al sistema in prima fase. Il risultato sarebbe quello di ottenere un elemento resistente a comportamento diverso da quello originale, in cui anche la fibra applicata partecipa, immediatamente ed attivamente, con un grado di collaborazione tanto più alto quanto maggiore è lo stato di sollecitazione tensionale applicato in fase di intervento. I vantaggi derivanti dal metodo sono rilevanti, permettendo il rinforzo, recupero, messa in sicurezza anche di elementi che altrimenti verrebbero probabilmente demoliti. Nel caso di strutture in muratura, gli eventi sismici catastrofici in varie aree del mondo, a cui abbiamo assistito anche ultimamente, confermano che generalmente le strutture più vulnerabili sono quelle in muratura, con tutte le distinzioni del caso e le sicure eccezioni. Ora immaginiamo un elemento e/o un edificio con murature portanti, non solo di tipo civile e abitativo ma istituzionale (ospedali, caserme, scuole, etc.) o meglio storico-artisticomonumentale che magari già evidenzi stati fessurativi (sicuramente già presenti e diffusi in molte situazioni). Usando la pretensione delle fibre, secondo quanto già descritto in precedenza, e seguendo gli schemi e i grafici successivi, si otterrebbero numerosi vantaggi dei quali due fondamentali:
1. Presidiare attivamente gli stati fessurativi presenti e intercettati dai tessuti pretensionati. 2. Impedire e/o contrastare a es. azioni dinamiche poiché l entrata in azione dell efficacia del sistema non è a chiamata come nel caso di applicazione ordinaria dei compositi, ma istantanea proprio grazie alla prontezza di risposta dei tessuti pretensionati.
DESCRIZIONE DEL DISPOSITIVO Nel dispositivo in oggetto si possono distinguere i seguenti componenti: Una piastra di contrasto posta a una delle due estremità della striscia di tessuto da pretendere. Una piastra di ammorsaggio che permette afferrare il tessuto tramite adesione e applicargli lo spostamento imposto tramite la traslazione della barra filettata. La piastra presenta due asole nelle quali si inseriscono due viti con rondelle che hanno lo scopo di tenere il tessuto attaccato al substrato, anche quando si lavora sopra testa.
Una barra filettata M16 passo 2 che converte il moto rotatorio, imposto all'estremità per mezzo di una chiave, in moto traslatorio sulla striscia di tessuto da pretendere. La barra è collegata alla piastra di ammorsaggio tramite un giunto a cerniera con un perno il quale è fissato tramite due anelli di bloccaggio. Piastra di contrasto con manicotto di alloggiamento della vite di tiro. All'estremità della barra è calettato un dado che ruotato impone la traslazione alla barra filettata. Tra il dado e il manicotto della piastra è presente un cuscinetto reggispinta. PROGETTAZIONE E DIMENSIONAMENTO DELL INTERVENTO
FASE 1: INDIVIDUAZIONE DELLE PROPRIETÁ DEL SUBSTRATO Una volta individuato il tipo di problematica strutturale da risolvere (rinforzo a flessione, taglio, incatenamenti, fasciature perimetrali, etc...) e scelto il tipo di fibra da utilizzare, è necessario conoscere dal punto di vista meccanico il substrato sul quale sarà applicato il rinforzo, al fine di dimensionare in modo corretto il sistema. Le proprietà del substrato da conoscere sono la rottura del materiale a compressione (Rck) e taglio che devono essere misurate sperimentalmente o, nel caso di calcestruzzo, quest'ultimo parametro può essere derivato del Rck secondo normativa, con la seguente equazione:, FASE 2: DIMENSIONAMENTO DELL'INTERVENTO DI RINFORZO Per il dimensionamento del sistema di rinforzo si farà riferimento alla procedura presente nel documento tecnico CNR DT 200/2010. Le verifiche da eseguire per garantire la riuscita dell'intervento sono le seguenti: a) Verifica a rottura del materiale preteso b) Verifica di collasso per delaminazione dal substrato del composito. Entrambe le verifiche vanno effettuate qualora si decida di rimuovere le piastre di contrasto dall'estremità, viceversa basterà effettuare la verifica al punto a. a) verifica a rottura del materiale Le proprietà del materiale sono stimate secondo la seguente relazione: X d X k m dove è la generica proprietà del materiale, è assunto uguale a 1,1 e il coefficiente tiene conto degli effetti di esposizione ambientale e degli effetti a lungo termine in maniera moltiplicativa: Tali coefficienti sono tabulati nelle seguenti tabelle:
Condizione di esposizione Tipo di fibra / resina ηa Vetro / Epossidica 0.75 Interna Aramidica / Epossidica 0.85 Carbonio / Epossidica 0.95 Acciaio/Epossidica 0.75 Vetro / Epossidica 0.65 Esterna Aramidica / Epossidica 0.75 Carbonio / Epossidica 0.85 Acciaio/Epossidica 0.65 Vetro / Epossidica 0.50 Ambiente aggressivo Aramidica / Epossidica 0.70 Carbonio / Epossidica 0.85 Acciaio/Epossidica 0.50 Modalità di carico Tipo di fibra / resina ηl Persistente (carico a lungo termine) Vetro / Epossidica 0.30 Aramidica / Epossidica 0.50 Carbonio / Epossidica 0.80 Ciclico (fatica) Tutte 0.50 Confrontando il valore di sforzo caratteristico del materiale, abbattuto con gli opportuni coefficienti, con lo sforzo di trazione di progetto, deve essere verificata la seguente relazione: b) verifica a delaminazione
Qualora si decida di eliminare le piastre di estremità, dopo la maturazione della resina, è necessario eseguire un controllo sulla delaminazione di estremità del rinforzo dal substrato con la seguente equazione: 0,68 2 Γ dove è il carico di delaminazione d'estremità, è il modulo elastico della fibra, è lo spessore fisico del tessuto e Γ è l'energia specifica di frattura definita nel seguente modo: Γ 0,031 essendo e rispettivamente la resistenza media a compressione e trazione del calcestruzzo e un coefficiente definito nel seguente modo: 1,67 1 400 dove è larghezza della striscia di rinforzo. Quindi la verifica alla delaminazione è soddisfatta se la seguente relazione risulta verificata: FASE 3: DIMENSIONAMENTO DELLE PIASTRE DI CONTRASTO Una volta che è stato verificato il soddisfacimento della fase 2, si può procedere a dimensionare il sistema di pretensionamento, in particolare le piastre di contrasto d'estremità montate tramite incollaggio. La dimensione del lato della piastra si determina tramite la seguente equazione: dove F è la forza di pretensionamento che si desidera applicare, L è la lunghezza e è la larghezza della piastra. Il valore ottenuto di L deve essere approssimato per eccesso a quella della
dimensione della piastra più vicino disponibile (100, 200, 300 mm) (es.: L=232 mm calcolata, la piastra da utilizzare sarà quella da 300 mm). MESSA IN OPERA DEL SISTEMA Il sistema fin ora descritto può essere configurato in due modi: con solo il sistema di monitoraggio estensimetrico (tav. 1) o con l aggiunta di una cella di carico (tav. 2) per misurare in tempo reale il carico effettivo agente. FASE 4: PREPARAZIONE DEL SUBSTRATO Preparazione del sottofondo strutturale con larghezza adeguata (in base alla dimensione trasversale della fibra) e profondità regolare e cotante (qualche millimetro) ad eccezione della zona ove interferisce la cella di carico e comunque sempre delle zone d interferenza con il dado e la chiave di serraggio all estremità del sistema. Preparazione del binario rasato con stucco epossidico, malta di calce idraulica naturale NHL5 o betoncino in funzione del substrato FASE 5: INSTALLZAZIONE DELLE PIASTRE DI CONTRASTO 1. Predisposizione dell estremità del tessuto al di sotto della piastra
2. Forare il substrato e il tessuto in corrispondenza dei fori presenti sulla piastra e inserire i tasselli (da 6 mm) nei fori. 3. Incollare la piastra e il tessuto sul substrato con una resina epossidica che abbia caratteristiche meccaniche a taglio superiori a quelle del substrato. 4. Fissare la piastra al substrato con le viti tramite gli appositi tasselli inseriti precedentemente. 5. Predisposizione della piastra di reazione a destra del sistema (incollata al sottofondo con resina epossidica e tasselli) con manicotto (ancorato alla stessa) contenente la barra filettata di tiro che, all'estremità, avrà i dadi di serraggio. Barra filettata Dadi di serraggio FASE 6: INCOLLAGGIO DEL TESSUTO ALLA PIASTRA DI AMMORSAGGIO
Predisposizione del tessuto e incollaggio alla piastra di ammorsaggio alla sua estremità libera. Qualora sia previsto l'utilizzo della cella di carico essa andrà frapposta tra la vite di pretensionamento e la piastra di ammorsaggio. Piastra di ammorsaggio Cella di carico (opzionale) Vite di pretensionamento FASE 7: MATURAZIONE DELLA RESINA Attesa della maturazione degli incollaggi, che varierà a seconda del tipo di resina e delle condizioni ambientali, avendo particolare cura a garantire una temperatura minima di 5 C durante la fase di reticolazione. FASE 8: APPLICAZIONE DELLA STRUMENTAZIONE ESTENSIMETRICA Applicazione di strain-gauges e/o trasduttori meccanici alla mezzeria del tessuto ed eventualmente uno all estremità per verificare che la distribuzione delle tensioni sia uniforme su tutta la striscia. La misura delle deformazioni fornisce in maniera indiretta lo stato di sollecitazione presente nel tessuto secondo la seguente relazione: dove è il modulo elastico della fibra, è la larghezza del tessuto, t lo spessore equivalente del tessuto e la deformazione misurata.
Trasduttore meccanico di spostamento FASE 9: TENSIONAMENTO DEL TESSUTO L'applicazione del carico di tensionamento è attuata tramite rotazione della barra filettata. Il monitoraggio della tensione applicata viene effettuata tramite cella di carico (qualora sia prevista) o misura delle deformazioni del tessuto. Durante la prima fase di tiro, il carico potrebbe diminuire a causa degli assestamenti del sistema e potrebbe essere necessario tendere nuovamente il tessuto fino al valore di progetto. FASE 10: IMPREGNAZIONE DEL TESSUTO Applicare uno strato uniforme di resina epossidica per l'impregnazione (tipo FIDSATURANT HMT) tramite rullo frangibolle, avendo particolare cura a rendere omogenea l'impregnazione. Una volta terminata l'impregnazione è necessario controllare nuovamente se vi sono state perdite del carico di pretensionamento ed eventualmente correggerle prima che la resina abbia raggiunto il punto di gelo. Una volta raggiunta la forza di pretensione di progetto il sistema viene bloccato tramite dado posto all'estremità della barra filettata.
Impregnazione del tessuto tramite resina epossidica FASE 11: RIMOZIONE DEL SISTEMA A maturazione avvenuta della resina e dunque a sistema stabile, si procederà al taglio trasversale della fibra a sinistra in corrispondenza del filo destro della piastra di ancoraggio, a destra in corrispondenza del filo sinistro della doppia piastra in acciaio utilizzata per il collegamento all apparecchiatura di pretensionamento. Le piastre di ancoraggio e di reazione potranno essere rimosse per permettere un eventuale sovrapposizione allo scopo di dare una continuità all intervento nelle zone adiacenti da rinforzare. Questo taglio produrrà l immediato trasferimento di azioni tangenziali dalla fibra al sottofondo strutturale attraverso la resina, con gli effetti di cui abbiamo parlato in premessa e negli esempi precedenti. Il controllo delle deformazioni in fase di taglio del tessuto avverrà mediante la lettura dello/degli strain-gauges che sono rimasti sempre attivi e funzionanti durante tutto il periodo di maturazione della resina e nella fase di taglio.