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Materiali rinforzati

Materiali rinforzati con fibre a matrice polimerica Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.

Con il termine Fibre Reinforced Polymers o FRP o materiali fibrorinforzati a matrice polimerica ( o semplicemento materiali fibrorinforzati) si indica una vasta gamma di materiali compositi [1] ;costituiti da una matrice polimerica di natura organica con la quale viene impregnato un rinforzo in fibra continua con elevate proprietà meccaniche.

Di recente sviluppo e commercializzazione sono invece i materiali compositi ottenuti da una matrice inorganica, costituita da un legante idraulico pozzolanico, e da reti di fibra, in genere carbonio.



Storia

Già nell'antichità si era capito che accoppiando diversi materiali fra di loro si ottenevano prodotti finiti con caratteristiche migliori, un esempio sono i mattoni realizzati con argilla e paglia essicati al sole utilizzati dalle civiltà della Mesopotamia .

Per avere i primi materiali compositi in FRP bisogna aspettare il XX secolo, infatti nei primi anni '40 viene prodotto la primo manufatto (una barca) in vetroresina .

Negli anni ' 60 compaiono le fibre di carbonio ad alta resistenza e di boro; mentre nei primi anni ' 70 vede la luce la fibra in aramide con il nome commerciale di kevlar .

Proprietà e vantaggi

Come tutti i materiali compositi, gli FRP hanno un comportamento anisotropo ed eterogeneo ma garantiscono un comportamento elastico lineare fino al collasso.

Questi materiali presentano diverse peculiarità che variano in funzione della tipologia del singolo FRP e che ne determinano il campo di applicazione. Comunque tutti i prodotti fibrorinforzati presentano caratteristiche comuni quali:

  • elevata leggerezza
  • elevata resistenza meccanica
  • elevate resistenza alla corrosione
  • elevata coibenza temica
  • elevate proprietà dielettriche e amagnetiche
Comportamento statico

Le fibre hanno una elevata resistenza a trazione e rappresentano pertanto gli elementi resistenti del materiale fibrorinforzato.

Infatti quando un materiale fibrorinforzato subisce uno sforzo assiale di trazione, gli sforzi veri e propri vengono assorbiti dalle fibre mentre alla matrice polimerica si demanda il solo compito di distribuzione degli stessi fra le fibre determinando così una uniformità di sollecitazione tra queste.

La resina ha inoltre la funzione di protezione delle fibre dall’usura nonché quella di assicurare un loro buon allineamento.

Tipologia delle fibre
tessuto in CFRP

Le fibre utilizzate per la produzione di FRP devono avere o alta resistenza meccanica o elevato modulo elastico a seconda della problematica da affrontare.

Le più comuni sono di:

  • carbonio : il materiale fibrorinforzato è conosciuto come CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer). Le fibre possno essere:
    • ad alto modulo elastico: modulo elastico: 390 - 760 GPa ; resistenza a trazione: 2400 - 3400 MPa ;
    • ad alta resistenza: modulo elastico: 240 - 280 GPa; resistenza a trazione: 4100 - 5100 MPa;
  • vetro [2] : il materiale fibrorinforzato viene denominato GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) o in italiano PRFV (Poliestere Rinforzato con Fibra di Vetro). Le fibre di vetro possono essere;
    • tipo E: modulo elastico: 72 GPa; resistenza a trazione: 3445 MPa a temperatura ambiente [3]
    • tipo S: modulo elastico: 87 GPa; resistenza a trazione: 4890 MPa a temperatura ambiente [3]
  • aramide (vedi kevlar ): il materiale fibrorinforzato è noto come AFRP (Aramidic Fiber Reinforced Polymer). Tali fibre hanno: modulo elastico: 60 -180 GPa; resistenza a trazione: 3600 -3800 MPa.

Meno usate sono le fibre di boro o quelle ceramiche.

Le fibre sono costituite da filamenti continui molto sottili (diametro circa 10 μm) che commercialmente sono disponibili sotto varie forme, tra le quali le più comuni sono:

  • singolo filamento ( monofilament )
  • fascio di filamenti o cavo di filatura ( tow ): formato da migliaia di filamenti paralleli fra di loro assemblati senza torsione;
  • filo o filato ( spun yarn ): ottenuto da migliaia di filamenti paralleli fra loro assemblati mediante torsione;
  • filo assemblato ( roving ): filo ottenuto assemblando senza torsione un certo numero di spun yarn disposti parallelamente fra loro.
Tipologia della matrice polimerica

Nei FRP la matrice è normalmente costituita da resine di tipo termoindurente [4] ;, generalmente epossidica o al poliestere

Pultrusione

La pultrusione ( dall'inglese pultrusion: pull + extrusion ) è il processo produttivo mediante il quale vengono realizzati alcuni manufatti in FRP.
Tale tecnologia consiste in un processo di estrusione simile a quello utilizzato per la produzione dei laterizi .
Con la pultrusione vengono prodotti esclusivamente lamine, profilati e barre di varia forma e sezione.
Profilati pultrusi vengono ad esempio utilizzati in edilizia per la realizzazione di infissi .

Applicazioni

In commercio è presente una vasta gamma di prodotti FRP in forma di lamine, nastri, tessuti, barre, profilati utilizzati in vari settori quali:

  • elettrico ed energetico: es. reti per la delimitazione e il confinamento di trasformatori , linee elettriche ad alta tensione, centrali e stazioni elettriche;
  • industriale;
  • dei trasporti(campo automobilistico, ferroviario, navale e aeroportuale, aerospaziale ecc.): es. reti per il rinforzo di manti stradali soggetti a traffico pesante;
  • civile e in specialmodo nel campo delle costruzioni (strutture in muratura, calcestruzzo armato , c.a.p. , metalliche e legno).
Calcestruzzo rinforzato con FRP

I calcestruzzi rinforzati con FRP si ottengono associando alle strutture in calcestruzzo armato normale o precompresso tessuti, barre, lamine e nastri in materiale composito fibrorinforzato.

L'associazione dei due materiali in edilizia è utilizzata sempre più di frequente per il recupero di strutture esistenti, evitando così la demolizione delle stesse. Comunque i matreriali FRP trovano impiego anche nella realizzazione di nuove costruzioni.

Recupero strutturale

I casi più frequenti sono:

  • ripristino della durabilità e della capacità portante (consolidamento) di strutture ammalorate;
  • strutture per cui, nel corso della loro vita, sono variati i carichi accidentali di progetto;
  • strutture staticamente non idonee a causa di errori di progettazione o realizzazione;
  • adeguamento delle strutture a seguito di variazioni delle normative vigenti (es. normativa sismica);
  • riparazioni di strutture a seguito di evento sismico.

In campo simico, gli FRP permettono di aumentare la capacità portante e/o la duttilità di una struttura senza l'introduzione di nuove masse sismiche.

Tecnologie adottate

Le tecnologie più utilizzate per il recupero strutturale sono:

  • Manual Lay Up : consiste nell'impregnare tessuti secchi unidirezionali o pluridirezionali direttamente in opera utilizzando resine epossidiche che hanno la funzione sia di matrice che di adesivo al substrato strutturale. È attualemente la tecnologia più diffusa.
  • Plate Bolding o metodo di placcatura: consiste nell' incollaggio strutturale con resine epossidiche di lamine poltruse (generalmente di forma rettangolare) direttamente sul substrato, opportunamente livellato, delle membrature in calcestruzzo armato normale o precompresso da consolidare. Questo metodo si basa sul più classico beton plaque in cui le lamine utilizzate sono in acciaio (incollate e/o bullonate).
  • Near Surface Mounted Bars o NSM : consiste nell'incolaggio strutturale con resine epossidiche di barre cilindriche poltruse. In questo caso si procede a creare nello spessore di calcestruzzo che costituisce il copriferro , apposite scanalature dove vengono posizionate le barre in FRP e successivamente incollate.

Le resine epossidiche utilizzate come adesivo garantiscono sia una ottima adesione fra il calcestruzzo e il materiale FRP che una adeguata trasmissione degli sforzi di taglio tra i due materiali senza che si manifestino pericolosi fenomeni viscosi che determinano scorrimenti relativi fra i due materiali.

Applicazioni principali

Per i consolidamenti e/o rinforzi strutturali la fibra più utilizzata è quella di carbonio (poliacrilonitrile) che garantisce elevate proprietà meccaniche.

I materiali fibro rinforzati devono essere utilizzati per lavorare esclusivamente a trazione, infatti:

  • per il consolidamento di pilastri o colonne ( in genere per elementi prevalentemente compressi) è molto utilizzata la tecnologia del wrapping che consiste del cerchiare o fasciare la membratura con nastri in FRP applicati sulla supericie della struttura con la tecnologia manual lay up . Infatti il confinamento del calcestruzzo ha lo scopo di incrementare la resistenza a rottura e la duttilità del conglomerato cementizio.
  • per il consolidamento delle strutture inflesse quali le travi e i solai si utilizza frequentemente la tecnologia plate bolding , applicando le lamine poltruse in zona tesa in modo da sfruttare l'elevata resistenza a trazione del materiale composito [5] . Vengono utilizzati anche tessuti applicati in zona tesa con la tecnologia manual lay up . Inoltre con l'utilizzo dei tessuti si possono eliminare eventuali scompensi nei confronti del taglio mediante fasciatura delle testate delle travi sempre con tessuti applicati con la tecnologia manual lay up . Meno frequente è l'utilizzo di barre cilindriche poltruse applicate in zona tesa con la tecnologia near surface mounted bars
Rottura per delaminazione

Nella progettazione di una struttura inflessa in calcestruzzo armato rinforzato con FRP è necessario evitare il meccanismo di rottura per delaminazione.

La rottura per delaminazione si innesca quando la struttura raggiunge la sua crisi prima del raggiungimento del suo stato limite ultimo a flessione e/o taglio, a seguito della perdita di aderenza fra il materiale composito e la superficie della membratura in calcestruzzo armato.

Questo meccanismo di rottura è di tipo fragile e pertanto si manifesta in maniera improvvisa.

La rottura per delaminazione a seconda dei casi si può innescare:

  • all'interno dell'adesivo;
  • all'interno dello strato di rinforzo in FRP;
  • all'interno del calcestruzzo con asportazione di lamine di conglomerato dello spessore pari normalmente a pochi millimetri ma in alcuni casi può interessare l'intero copriferro .
Nuove costruzioni

Nel campo nelle nuove costruzioni i materiali FRP, non hanno avuto lo sviluppo sperato.

Questi materiali pur avendo una elevata leggerezza e resistenza meccanica in confronto ai classici materiali da costruzione presentano diversi limiti di applicazione:

  • fragilità dei sistemi di connessione tra vari elementi;
  • impossibilità di lavorazione per ottenere pezzi speciali ( realizzazione di staffe e ferri sagomati nelle strutture in c.a. );
  • elevati costi.

Si è provato ad utilizzare dei profilati in FRP in sostituzione di quelli in acciaio per la realizzazione di carpenterie metalliche e delle barre in FRP in sostituzione della tradizionale armatura in acciaio (solo sotto forma di barre dritte o di reti di ripartizione dei carichi) per la realizzazione di struttura in calcestruzzo armato.

Normativa di riferimento
  • CNR DT 200/2004 “Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l’utilizzo di Compositi Fibrorinforzati”.
  • Protezione Civile “Linee guida per la riduzione della vulnerabilità di elementi non strutturali”.
Note
  • ^ generalmente si definisce materiale composito quello generato dall'unione due (o più) materiali, dette fasi, con caratteristiche fisico- chimiche diverse (che mantengono invariate anche dopo la loro unione) e che una una volta uniti contribuiscono mutuamente a fornire proprietà meccaniche e fisiche supeiriori a quelle delle singole fasi prese separate. I due componenti vengono chiamati matrice e rinforzo . Il calcestruzzo armato è a tutti gli effetti un materiale composito
  • ^ la vetroresina è il materiale FRP più diffuso al mondo ed è costituito da fibre di vetro in una matrice di resina poliestere o vinilestere
  • ^ a b David Hartmann, Mark E. Greenwood e David M. Miller High Strength Glass Fibers, scaricabile da [1] Table 2
  • ^ le resine termoindurenti sono meno viscose di quelle termoplastiche
  • ^ In questo caso è fondamentale il ruolo dell'adesivo che deve garantire l'aderenza fra calcestruzzo e materiale composito fino al collasso per flessione e/o taglio della membratura il calcestruzzo armato rinforzato con FRP
  • Voci correlate