Fibre di carbonio e materiali compositi caratteristiche e vantaggi

Esempi di Utilizzo
delle
Fibre di Carbonio

F.R.P.
Caratteristiche tecniche

La Normativa vigente
per l’utilizzo degli
FRP e delle
Fibre di Carbonio

Fibre di Carbonio e materiali compositi
Caratteristiche e Vantaggi

• Progettabilità totale

  Possiamo progettare il materiale in base all’intervento e non il contrario.
  
  

• Risparmio dei costi sin dal progetto

  Mettiamo in progetto solo il materiale che necessita, affinché, in base al calcolo, lavori nella direzione e nel modo che occorre alle esigenze di quello specifico edificio. Non ci interessa che si vendano tanti mq. di carbonio, ma che si risolva il problema.
  
  

• Elevate prestazioni meccaniche di resistenza

  Nessun altro materiale da costruzione, o adattabile alle costruzioni, a parità di peso e dimensioni, ha le capacità di resistenza dei materli compositi.
  
  

• Sagomabilità e adattabilità di forma

  Volte o pilastri, archi o travi, possiamo sagomare il rinforzo in fibra di carbonio con estrema precisione sulla base della forma del supporto sul quale andrà applicato. La direzionalità del rinforzo garantisce la risposta diretta alla provenienza delle sollecitazioni sull’elemento strutturale.
  
  

• Durabilità nel tempo

  Il sistema composito con le fibre di carbonio garantisce una durata pressoché illimitata: non subisce trasformazioni chimiche nel tempo (come il calcestruzzo) non è soggetto a processi di ossidazione (come l’acciaio da costruzione) non è aggredibile da agenti atmosferici (piogge acide) non è aggredibile in ambienti salini (località di mare). In casi limite se protetto da idoneo sistema coibente, risulta praticamente inattaccabile.
  
  

• Leggerezza del rinforzo applicato alle strutture

  Nessun incremento di peso o aggravio di carichi sulla struttura rinforzata. Anche più strati di rinforzo in carbonio non superano mai lo spessore di 1/3 mm.
  
  

• Bassissima invasività

  Si può intervenire “chirurgicamente” su edifici esistenti, senza sgomberare civili abitazioni o chiudere totalmente al pubblico strutture di pubblica fruizione. Se previsto, su può intonacare o controsoffittare la struttura, e dunque l’intervento risulta praticamente invisibile.
  
  

• Cantierabilità estremamente facilitata

  Il comune nastro in fibra di carbonio pesa circa 320 grammi a metro quadrato !! Le resine si trasportano in barattoli da 1 kg. cadauno. Nessun deposito di materiale ingombrante, intralcio ridotto nei cantieri per gli altri operatori.
  
  

• Tempi ridotti e velocità di posa in opera

  In poche ore si possono applicare grandi quantità di rinforzo, riducendo i disagi per l’utente finale ed i tempi di esecuzione per le imprese.
  
  

• Possibilità di verifica della qualità del rinforzo applicato

  La Direzione dei Lavori o il committente possono verificare in diretta la perfetta esecuzione del rinforzo strutturale, tramite moderni ed efficaci sistemi, come le Termografie all’Infrarosso oppure le prove ultrasoniche.

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Nuova normativa antisismica

Adeguamento sismico e messa in sicurezza di edifici esistenti, publici e privati, in Cemento Armato e Muratura con materiali compositi e fibre di carbonio.
Adeguamento sismico di opere infrastrutturali come ponti, viadotti, siano essi in muratura, in .c.a. in precompresso, in legno ed in acciaio.

Consolidamento di strutture in cemento armato

Ripristino delle capacità portanti di elementi strutturali, dovute al degrado o corrosione dei ferri d'armatura. Rinforzo a flessione ed a taglio di travi in c.a. a vista ed a spessore. Reintegro della funzione strutturale delle staffe, insufficienti o degradate. Cerchiaggio x il rinforzo di pilastri di tutte le dimensioni e forme. Aumento della resistenza a compressione del calcestruzzo nei pilastri. Rinforzo di solai in c.a, anche per aumenti di carico imprevisti. Collegamenti strutturali dei nodi trave – pilastro. Irrigidimenti di piano su solai in c.a. con collegamento alla struttura verticale. Ripristino delle capacità portanti di elementi strutturali danneggiati (ad esempio urto di mezzi nei ponti o sottopassaggi, incendi, infiltrazioni di acqua, ecc.). Cambio di destinazione d'uso dell'edificio, ove occorra aumentare la capacità portante ad esempio di travi e solai, oppure incrementare le prestazioni dei pilastri senza ingrossarli.

Consolidamento di strutture in muratura e miste

Rinforzo a flessione ed a taglio di elementi strutturali in muratura.
Recupero e/o aumento della capacità portante di pannelli murari.
Rinforzo di colonne e pilastri in mattoni di qualsiasi forma.
Connessioni strutturali tra muratura e struttura in c.a.
Cerchiaggio di contenimento interno ed esterno di strutture in muratura.
Creazione di cordoli alleggeriti in materiali compositi da integrare nella muratura.
Consolidamento strutturale di murature disomogenee, lesionate o danneggiate.
Ripristino della continuità strutturale tra elementi orizzontali o curvi ed elementi verticali.

Strutture voltate, cupole ed archi

Recupero e restauro strutturale di:
Volte a botte, volte a crociera, volte a vela, volte a cupola, volte a padiglione, volte miste.
Archi a tutto sesto, archi ribassati, archi rampanti, arco a sesto acuto o ellittico ecc.
Rinforzo di cupole a ombrello, estradossate e di qualsiasi tipologia architettonica.
Tutte le tipologie di intervento di consolidamento su strutture voltate possono essere eseguite all'intradosso ed all'estradosso, in base alle possibilità di accesso alla struttura stessa da consolidare.
All'occorrenza è possibile anche l'eliminazione delle chiavi di volta.

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F.R.P. Caratteristiche tecniche

L’applicazione di materiali compositi fibrorinforzati (FRP) rappresenta la soluzione tecnologica più evoluta per gli interventi di consolidamento statico, di rinforzo e riabilitazione strutturale, di miglioramento ed adeguamento sismico.
E' la soluzione ideale per la messa in sicurezza di edifici residenziali, ospedalieri, scolastici, sportivi, commerciali ed industriali.
I vantaggi degli FRP sono molteplici: leggerezza, elevate proprietà meccaniche, caratteristiche anticorrosive.
I compositi si adattano bene anche ad applicazioni in cui è necessario preservare le caratteristiche estetiche della struttura originaria (edifici di interesse storico o artistico) o in casi in cui i rinforzi tradizionali sarebbero di difficile applicazione per limitatezza dello spazio a disposizione.
Gli FRP garantiscono eccezionali risultati in termini di sicurezza, riducendo al minimo i problemi di invasività e di ingombro garantendo la totale reversibilità.

I prodotti fibrorinforzati a matrice polimerica a fibre continue in carbonio
(CFRP - Carbon Fiber Reinforced Polymer)
sono materiali compositi, eterogenei ed anisotropi, che mostrano un comportamento prevalentemente elastico lineare fino al collasso.

Le fibre di carbonio sono usate per la fabbricazione di compositi ad elevate prestazioni e si distinguono per il loro alto modulo di elasticità (240, 390 o 640 GPa) e per la loro elevata resistenza a trazione (4200-4800 MPa).

Esibiscono un comportamento a rottura intrinsecamente fragile e, a confronto con le fibre di vetro (GFRP) e con quelle arammidiche (AFRP), le fibre di carbonio risultano essere le meno sensibili ai fenomeni di scorrimento viscoso (creep) e di fatica, e sono contraddistinte da una modesta riduzione della resistenza a lungo termine.

Le fibre di carbonio si distinguono in: fibre ad Alta Tenacità (HT), fibre ad alto modulo (HM) e fibre ad altissimo modulo (UHT).

Le fibre di carbonio, aventi un diametro di pochi micron, sono assemblate in un filo che può essere caratterizzato dal numero di fibre componenti il filo o dal loro peso: 3 k = 3000 fibre (200 Tex); 6 k = 6000 fibre (400 Tex); 12 k = 12000 fibre (800 Tex).

Le fibre di carbonio presentano un'elevatissima resistenza alle alte temperature
(oltre 1000 °C), non bruciano, sono chimicamente resistenti a qualsiasi agente chimico e non subiscono fenomeni di invecchiamento.

Nel seguente diagramma si propone un confronto tra le più comuni fibre di rinforzo in relazione al comportamento a trazione monoassiale

Un ulteriore confronto tra le più comuni fibre di rinforzo può essere effettuato in relazione ai valori del modulo e della resistenza, rapportati alla densità (valori “specifici”).



Nei compositi fibrorinforzati le fibre svolgono il ruolo di elementi portanti sia in termini di resistenza che di rigidezza, mentre la matrice, oltre a proteggere le fibre, funge da elemento di trasferimento degli sforzi tra le fibre e tra queste ultime e l’elemento strutturale a cui il composito è stato applicato. La maggior parte dei compositi è costituita da fibre che posseggono una elevata resistenza e rigidezza, mentre la loro deformazione a rottura è inferiore a quella della matrice. Nella seguente figura sono descritti qualitativamente i legami costitutivi di fibre, matrice e corrispondente composito. Quest’ultimo presenta una rigidezza inferiore a quella delle fibre e perviene a rottura in corrispondenza di una deformazione, coincidente con quella di rottura delle fibre. Superata tale deformazione, infatti, non è possibile un completo trasferimento degli sforzi dalle fibre alla matrice.

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La Normativa vigente
per l’utilizzo degli FRP e delle Fibre di Carbonio

Con l'entrata in vigore delle nuove Norme Tecniche sulle Costruzioni (NTC di cui al D.M. 14.01.2008) e le relative Istruzioni (di cui alla Circolare n. 617/2009 del 02.02.2009), il quadro normativo relativo alla progettazione, al calcolo, all'esecuzione ed al controllo di interventi di rinforzo/consolidamento /adeguamento sismico mediante l'utilizzo di materiali compositi fibrorinforzati FRP è notevolmente modificato.
Il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), nel periodo 2004-2007, ha emanato le Linee Guida di riferimento per il settore, frutto dell’interesse scientifico di molti ricercatori operanti nei campi della Meccanica delle Strutture, delle Costruzioni, della Riabilitazione Strutturale e dell'Ingegneria Sismica
Difatti le Norme Tecniche per le Costruzioni, nella loro ultima e definitiva versione, recepiscono e ritengono coerente con le stesse Norme, il contenuto di importanti Documenti Tecnici emanati dal CNR, e precisamente:

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. e in c.a.p., strutture murarie
 
CNR DT 201/2005 - Studi preliminari finalizzati alla redazione di Istruzioni per Interventi di Consolidamento Statico di Strutture Lignee mediante l'utilizzo di Compositi Fibrorinforzati

CNR DT 202/2005 - Studi preliminari finalizzati alla redazione di Istruzioni per Interventi di Consolidamento Statico di Strutture Metalliche mediante l'utilizzo di Compositi Fibrorinforzati

CNR DT 203/2006 - Istruzioni per la progettazione, l'esecuzione ed il controllo di strutture di calcestruzzo armato con barre di materiale composito fibrorinforzato

CNR DT 205/2007 - Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Strutture realizzate con Profili Pultrusi di Materiale Composito Fibrorinforzato (FRP)

Tali Documenti (scaricabili nella sezione Normative e Documenti Tecnici di questo sito), vengono considerati le autentiche linee guida per la progettazione e l’uso degli F.R.P. tecnologie divenute particolarmente idonee alle esigenze dettata dalla stessa Normativa Antisismica.
In particolare il D.T. 200 del 2004, Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l’utilizzo di Compositi Fibrorinforzati, nella versione più aggiornata del 2008, viene ancora oggi considerato il testo più importante, e contiene le linee guida specifiche per la progettazione, il calcolo e gli accorgimenti da adottare nell’utilizzo degli FRP.

I documenti tecnici citati rappresentano la sintesi tra la ricerca scientifica italiana e quella internazionale, tra cui le Istruzioni giapponesi (JSCE - 1997), quelle americane (ACI 440 - 2000) e quelle europee (FIP-CEB - 2001), in particolare:
FIP-CEB FIB Bulletin 14/2001 - Externally Bonded FRP Reinforcement for RC Structures - Design and use of externally bonded fibre reinforced polymer reinforcement (FRP EBR) for reinforced concrete structures (Task Group 9.3 FRP).

A questi ultimi documenti rimanda esplicitamente la vigente Normativa italiana:

Ordinanza P.C.M. n° 3274 del 20/3/2003
Testo integrato dell'Allegato 2 - Edifici - come modificato dall'O.P.C.M. 3431 del 3/5/2005
- Cap. 11.3 - Edifici in cemento armato - Par. 11.3.3.3 Placcatura e fasciatura in materiali fibrorinforzati.
- Cap. 11.5 - Valutazione della sicurezza di edifici in muratura - Par. 11.5.6.2 Tipo di Intevento

Circolare n. 617 del 2/2/2009 - Istruzioni per l’Applicazione Nuove Norme Tecniche Costruzioni di cui al Decreto Ministeriale 14 gennaio 2008
Cap. C8 - Costruzioni Esistenti - Par. C8.7.1.8 Criteri per la scelta dell'intervento
  All. C8A.5 - Criteri per gli interventi di consolidamento di edifici in muratura
- Par. C8A.5.1 Interventi volti a ridurre le carenze dei collegamenti
- Par. C8A.5.2 Interventi sugli archi e sulle volte
- Par. C8A.5.3 Interventi volti a ridurre l'eccessiva deformabilità dei solai
  All. C8A.7 - Modelli di capacità per il rinforzo di elementi in calcestruzzo armato.
- Par. C8A.7.3 Placcatura e fasciatura in materiali compositi.

L’uso di idonei materiali compositi (o altri materiali resistenti a trazione) nel rinforzo sismico di elementi in c.a. è finalizzato agli obiettivi seguenti:
- aumento della resistenza a taglio di pilastri e pareti mediante applicazione di fasce con le fibre disposte secondo la direzione delle staffe;
- aumento della resistenza nelle parti terminali di travi e pilastri mediante applicazione di fasce con le fibre disposte secondo la direzione delle barre longitudinali ed opportunamente ancorate;
- aumento della duttilità nelle parti terminali di travi e pilastri mediante fasciatura con fibre continue disposte lungo il perimetro;miglioramento dell’efficienza delle giunzioni per sovrapposizione, sempre mediante fasciatura con fibre continue disposte lungo il perimetro;
Ai fini delle verifiche di sicurezza degli elementi rafforzati con FRP si possono adottare le Istruzioni CNR-DT 200/04.

Riteniamo tuttavia che il documento più importante in assoluto, per chi progetta interventi con fibre di carbonio e materiali compositi siano le linee guida per la progettazione, l’esecuzione ed il collaudo di interventi di rinforzo di strutture di c.a., c.a.p. e murarie mediante frp, documento redatto ed approvato da Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici in data 24 luglio 2009.