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Edilizia civile e industriale, Consolidamenti strutturali, Restauri conservativi, Consulenza e progettazione

Rinforzi Strutturali in FRP

Consolidamento, miglioramento e adeguamento di immobili mediante applicazione di FRP

Rinforzi Strutturali in FRPLa sigla F.R.P. (Fiber Reinforced Polymers) indica un’ampia varietà di materiali compositi costituiti da una matrice polimerica di natura organica o inorganica, utilizzata quale impregnante di un rinforzo in fibra continua con elevate proprietà meccaniche.

I materiali compositi presentano le seguenti caratteristiche:?

-       sono costituiti da due o più materiali di natura diversa e facilmente distinguibile;

-       almeno due dei materiali presentano caratteristiche fisiche e meccaniche ampiamente diverse tra loro, in modo da trasmettere al composito proprietà differenti da quelle dei costituenti di partenza.?I compositi fibrorinforzati a matrice polimerica soddisfano entrambe queste caratteristiche: essi sono infatti costituiti da una matrice polimerica di natura organica e da fibre di rinforzo.?

-       si tratta in generale di materiali molto efficienti dal punto di vista strutturale, che tuttavia possono generare problemi di accoppiamento con altri materiali.

-       i compositi sono di fatto un continuo non omogeneo e, nella maggior parte dei casi, anisotropo.

-       Gli FRP funzionano solo a trazione. A compressione hanno resistente molto basse. Inoltre, un rinforzo posizionato in zona compressa, può essere soggetto a possibili delaminazioni (distacco).

-       Le resine che si utilizzano per l’applicazione non permettono la traspirazione della muratura

-       Gli FRP sono dei materiali con elevatissime prestazioni ma vanno progettati e posati in opera con le dovute conoscenze.

-       Spesso, prima dell’applicazione dei rinforzi, è necessario intervenire sulla struttura con tecniche tradizionali quali le iniezioni con boiacche o le barriere allo sbarramento orizzontale

 

SCHEMA RIASSUNTIVO RINFORZI FRP E PRINCIPALI IMPIEGHI

Tipo

Utilizzo

 

CARBONIO

Fibre e tessuti unidirezionali

Calcestruzzo; Muratura; Acciaio; Legno

Tessuti uni-bi-quadri-direzionali

Calcestruzzo; Muratura

Lamelle CFK

Calcestruzzo; Acciaio; (muratura;legno)

 

ARAMIDE TESSUTO

Tessuti uni-bi-direzionali

Muratura; Calcestruzzo; (Legno)

 

VETRO TESSUTO RETE

Tessuti uni-bi-direzionali

Muratura

 

MATRICI

Le matrici più utilizzate per la fabbricazione dei compositi fibrorinforzati sono quelle polimeriche a base di resine termoindurenti. Tali resine sono disponibili in forma parzialmente polimerizzata e si presentano liquide o pastose a temperatura ambiente. Per miscelazione con un opportuno reagente esse polimerizzano (reticolano) fino a diventare un materiale solido vetroso.

I vantaggi da esse presentati sono diversi: sono caratterizzate da una bassa viscosità allo stato fluido e quindi da una relativa facilità di impregnazione delle fibre, da ottime proprietà adesive, dalla possibilità di avere formulazioni che reticolano a temperatura ambiente, da una buona resistenza agli agenti chimici, dall’assenza di una temperatura di fusione, ecc.

I principali svantaggi sono invece rappresentati dall’ampiezza del campo di temperature di esercizio, limitato superiormente dalla temperatura di transizione vetrosa, dalla modesta tenacità a frattura (comportamento “fragile”) e dalla sensibilità all’umidità in fase di applicazione sulla struttura. Le resine termoindurenti più utilizzate nei compositi fibrorinforzati per il settore civile sono le epossidiche.

RINFORZI

I compositi possono generalmente essere ricondotti a differenti classi in funzioni della diversità “di forma” e di “distribuzione” del rinforzo; si possono distinguere:

-       compositi rinforzati da un materiale che funge da semplice riempitivo della resina

-       compositi lamellari: il rinforzo si trova in forma di scaglie e lamelle piatte

-       compositi particellari: il rinforzo ha forma di particelle

-       compositi laminati: sono costituiti da strati (o lamine) sovrapposti e contenenti ognuno un rinforzo continuo o discontinuo, disposto secondo varie orientazioni

-       compositi fibrosi: il rinforzo è in forma di fibre continue o discontinue

I compositi fibrosi più utilizzati nell’ingegneria delle costruzioni sono barre, cavi e piatti, c.d. Compositi Monodirezionali costituti, quindi, da fibre continue in gran parte disposte in direzione longitudinale. Nel caso di fibre monodirezionali si avrà una spiccata anisotropia delle proprietà elastiche e meccaniche del materiale, negli altri casi un minor grado di anisotropia con forte attenuazione dei valori di punta.

Quando l’orientazione è bidimensionale, c.d. Compositi Bidirezionali, si evidenziano resistenze diverse nelle varie angolazioni secondo cui sono disposte le fibre. La distribuzione delle fibre può inoltre essere tridimensionale, tale implica l’isotropia del composito. In tali casi si riduce sostanzialmente la resistenza complessiva del materiale rispetto alla disposizione unidirezionale.

Le tipologie di fibre maggiormente utilizzate per la produzione di materiali compositi in campo edile sono essenzialmente tre: Carbonio; Vetro; Aramide.

Fibre di carbonio o CFRP:

Sono fibre usate per la fabbricazione di compositi ad elevate prestazioni e si distinguono per l’alto modulo di elasticità normale e l’elevata resistenza. Esibiscono un comportamento a rottura intrinsecamente fragile con un assorbimento di energia relativamente modesto, anche se i carichi di rottura sono elevati. A confronto con quelle di vetro ed aramidiche, le fibre di carbonio risultano essere le meno sensibili ai fenomeni di creep e di fatica e sono contraddistinte da una modesta riduzione di resistenza a lungo termine. La struttura cristallina della grafite è di tipo esagonale, con gli atomi di carbonio organizzati in strutture essenzialmente planari, tenute insieme da forze trasversali di interazione del tipo Van der Waals, di gran lunga più deboli rispetto a quelle che agiscono tra gli atomi di carbonio nel piano (legami covalenti). Per il suddetto motivo il modulo di elasticità normale e la resistenza sono estremamente elevati nelle direzioni planari, mentre risultano notevolmente inferiori nella direzione trasversale (comportamento anisotropo). La moderna tecnologia di produzione delle fibre di carbonio si basa essenzialmente sulla pirolisi, cioè la decomposizione termica in assenza di ossigeno di sostanze organiche, dette precursori, tra i quali i più usati sono le fibre di poliacrilonitrile (PAN) e di rayon.

Fibre di vetro o GFRP:

Sono fibre originariamente utilizzate in campo navale ed industriale per la fabbricazione di compositi con prestazioni medio-alte, tuttavia oggi sono di comune utilizzo anche in campo edile. Si distinguono per la loro elevata resistenza.?Il vetro è composto principalmente da silice (SiO2) in struttura tetraedrica (SiO4). Ossidi di alluminio ed altri ioni metallici sono aggiunti in varie proporzioni per facilitare le operazioni di lavorazione o per modificare alcune proprietà (ad esempio le fibre di vetro S rispetto alle E mostrano una maggior resistenza a trazione).?Le fibre di vetro sono anche disponibili in forma di foglio sottile, che prende il nome di mat. Un mat può essere costituito sia da fibre continue che da fibre corte (cioè fibre discontinue di lunghezza tipica compresa tra 25 e 50 mm) disposte casualmente nel piano e tenute assieme da un legante chimico. Le fibre di vetro hanno un modulo di elasticità normale inferiore a quelle di carbonio ed aramidiche (circa 70 GPa per le fibre di vetro E) ed una resistenza all’abrasione relativamente modesta, che richiede una certa cautela nelle operazioni di manipolazione prima dell’impregnazione. Presentano una modesta resistenza allo scorrimento viscoso e a fatica.?Per promuovere l’adesione tra fibre e matrice e per proteggere le fibre dall’azione degli agenti alcalini e dell’umidità, le fibre sono sottoposte a trattamenti di ensimaggio (sizing) con sostanze aventi funzione di compatibilizzante. Trattamenti di questo tipo sono molto importanti ai fini della durabilità e della resistenza a fatica (statica e dinamica) del materiale composito.

Fibre aramidiche o AFRP:

Le fibre aramidiche sono fibre di natura organica, costituite da poliammidi aromatiche in forma estremamente orientata. Introdotte per la prima volta nel 1971 col nome commerciale di Kevlar®, queste fibre si distinguono per l’elevata tenacità e per la loro resistenza alle operazioni di manipolazione. Il modulo di elasticità normale e la resistenza a trazione sono intermedi tra quelli delle fibre di vetro e quelli delle fibre di carbonio. Le fibre aramidiche possono degradarsi per esposizione prolungata alla luce solare, con perdita della resistenza a trazione fino al 50% e possono risultare sensibili all’umidità.?Il comportamento viscoso (creep) è simile a quello delle fibre di vetro, ma rispetto a queste ultime la resistenza a rottura è molto più elevata. Anche la resistenza a fatica flessionale è più elevata di quella delle fibre vetro.?La tecnologia di produzione delle fibre aramidiche si basa sull’estrusione ad alta temperatura ed alta velocità del polimero in soluzione con successivo raffreddamento veloce ed essiccamento. E’ possibile sottoporre le fibre così prodotte ad un trattamento di orientazione a caldo per avvolgimento su bobine in rotazione ad elevata velocità allo scopo di migliorarne le caratteristiche meccaniche.

 

 

TIPO FRP

Valori Medi

Sensibilità all'umidità

Creep

Coefficiente di riduzione

Resistenza (Mpa)

Modulo (Gpa)

Allungamento (%)

Fatt. Ambientale

Lunga Durata

CARBONIO

2500-4000

240-640

0,3-1,7

Assente

Assente

0,85

0,80

ARAMIDE

3000

120

2-3

Elevata

Medio

0,70

0,50

VETRO AR

3000

70

3-4

Bassa

Alto

0,50

0,30

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