Materiali compositi fibrorinforzati FRP: consolidamento di strutture in C.A. e C.A.P

Come noto ai professionisti del settore delle costruzioni, l’Italia presenta un patrimonio edilizio di particolare importanza dal punto di vista storico e architettonico. Infatti, secondo i dati ISTAT dell’ultimo censimento (2011), in Italia il 74,1% degli edifici residenziali è stato costruito prima del 1980, e di questi, il 35% è stato realizzato prima del 1946.

In questo contesto, assume un ruolo sempre più importante la riabilitazione strutturale mediante l’utilizzo di nuovi materiali quali i compositi fibrorinforzati. Con l’acronimo FRP (Fiber Reinforced Polymers) si fa riferimento a un’ampia gamma di materiali composti da fibre di rinforzo immerse in una matrice polimerica, principalmente applicati ad elementi in c.a, strutture in muratura, legno e metalliche, calcolate con software dedicati al calcolo strutturale o verifiche locali, come 3Muri e Engineering Tools.

Le linee guida e la normativa a cui è possibile fare riferimento sono: il Decreto del Presidente del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici n.293 del 29.05.2019, Linea Guida per l’identificazione, la qualificazione ed il controllo di accettazione di compostiti fibrorinforzati a matrice polimerica (FRP) da utilizzarsi per il consolidamento strutturale di costruzioni esistenti, e il CNR-DT 200 R1/2013 (Consiglio Nazionale delle Ricerche) Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l’utilizzo di Compositi Fibrorinforzati.

Come vengono classificati i sistemi di rinforzo?

I sistemi di rinforzo realizzati con materiali FRP si distinguono in 3 tipologie:

• sistemi preformati (precured system) costituiti principalmente da elementi a forma di lastre sottili (lamine o nastri) preparati in stabilimento mediante processi produttivi di comprovata validità tecnologica (pultrusione), e successivamente incollati in cantiere alla membratura da rinforzare con collanti in polimeri termoindurenti forniti dallo stesso fabbricante. In questa tipologia di sistema sono escluse le barre e gli elementi di altre sezioni, differenti da quella rettangolare sottile;
• sistemi impregnati in situ (wet lay-up systems), costituiti da fogli o tessuti di fibre uni o multi-direzionali, impregnati direttamente in cantiere con resina polimerica termoindurente, che può fungere anche da adesivo del substrato interessato dall’intervento di rinforzo, fornito sempre dallo stesso fabbricante;
• sistemi preimpregnati (prepreg systems), costituiti da fogli o tessuti di fibre uni o multi-direzionali preimpregnati con resina parzialmente polimerizzata ed incollati al substrato da rinforza con (o senza) l’uso di resine aggiuntive.

Nei sistemi di rinforzo degli elementi in calcestruzzo, ricopre un ruolo di fondamentale importanza l’aderenza tra il rinforzo e il supporto. Il progetto prevede infatti la verifica di sicurezza nei confronti dei principali modi di distacco per evitare la rottura fragile del composito.

Le modalità di distacco possono essere varie, tra queste troviamo:

1. distacco di estremità. Il flow chart seguente (Fig.1) rappresenta il flusso delle operazioni per il progetto e la verifica dei rinforzi FRP a flessione;
2. distacco intermedio, causato da fessure per flessione nella trave. Ecco un ulteriore esempio di flow chart (Fig.2) che mostra la sequenza operativa per la verifica a flessione di un elemento rinforzato con FRP;
3. distacco causato da fessure diagonali da taglio nella trave;
4. distacco causato da irregolarità e rugosità della superficie di calcestruzzo.

Nel progetto e verifica a flessione, la valutazione della resistenza di una sezione rinforzata richiede che il momento resistente della sezione rinforzata, M_Rd, sia maggiore del momento sollecitante di progetto, M_Sd.

  M_Sd ≤ M_Rd

La valutazione della resistenza avviane utilizzando l’equazione di equilibrio alla traslazione della direzione dell’asse della trave e quella alla rotazione intorno all’asse passante per il baricentro delle armature tese. Data la geometria e i materiali della sezione dell’elemento da rinforzare si valuta il momento di prima fessurazione M_cr, valutando la resistenza media a trazione semplice f_ctm data dalle eq. 11.2.3.a, 11.2.3.b e 11.2.4 – NTC 2018.

La deformazione iniziale del calcestruzzo al lembo teso viene valutata come:

Per quanto riguarda, invece, il progetto e la verifica delle cerchiature, un adeguato confinamento degli elementi in c.a. può determinare un miglioramento delle prestazioni dell’elemento strutturale, consentendo di incrementare la resistenza ultima e la corrispondente deformazione ultima degli elementi sollecitati da sforzo normale centrato o con piccola eccentricità.

Secondo il metodo proposto dalla CNR-DT 200 R1/2013:

Mentre la resistenza a taglio statico dell’elemento rinforzato è valutata attraverso la seguente relazione:

Dove V_Rd,s e V_Rd,c sono, rispettivamente, il contributo dell’armatura trasversale a taglio e la resistenza della biella compressa di calcestruzzo, da valutata secondo la Normativa vigente (NTC 18); e V_Rd,f è l’incremento di resistenza apportato dal rinforzo in FRP, valutato secondo la formula 4.19 della CNR DT200 R1 2013.

Per il taglio sismico, il calcolo della resistenza a taglio della sezione viene effettuato secondo le indicazioni del paragrafo C8.7.2.3.5 della Circ. 21 gennaio 2019 n. 7 relativa alle NTC 2018.

In questo caso, l’incremento di resistenza apportato dal rinforzo in FRP deve essere sommato al contributo delle staffe V_w nell’equazione C8.7.2.8.

Come procedere con la progettazione?

Un esempio di progetto e relazione di calcolo di una struttura in c.a. può essere calcolato dal software ET Engineering Tools 3.0, software S.T.A DATA, costituito da moduli di calcolo indipendenti dedicati alle analisi di singoli elementi strutturali.

Il primo passo per cominciare l’analisi del miglioramento delle prestazioni della sezione, è stabilire le caratteristiche del calcestruzzo, acciaio e FRP, e la geometria dell’elemento stesso.

Il momento limite potrà così raggiungersi per rottura del calcestruzzo al lembo compresso o per rottura per trazione della fibra al lembo teso. L’attivazione dell’azione del rinforzo in corrispondenza delle zone nodali sarà assicurata attraverso l’adozione di soluzioni costruttive idonee. Inoltre, le fibre longitudinali impiegate per il rinforzo ad esempio a pressoflessione saranno adeguatamente confinate al fine di evitare il distacco delle stesse e l’espulsione del materiale di supporto.

L’effetto di confinamento apportato dal rinforzo si manifesta, invece, come un incremento della resistenza a compressione e della deformazione ultima a rottura del calcestruzzo dell’elemento in analisi.

Tenendo conto dei risultati che si ottengono grazie all’applicazione e agli effetti dei rinforzi, un esempio di diagramma di interazione ottenibile può essere il seguente:

Per saperne di più:

ET Engineering Tools® è una raccolta di moduli di calcolo indipendenti dedicati alle analisi di singoli elementi strutturali.

La nuova versione 3.0 oltre a essere stata aggiornata alle Norme Tecniche per le Costruzioni 2018 e alla Circolare n.7 del 21 Gennaio 2019, presenta un ambiente completamente riorganizzato che consente al progettista di avere il controllo di tutto il lavoro con un netto miglioramento della velocità di utilizzo e facilità di apprendimento.

3Muri®, grazie alla sua versatilità e concretezza, è proposto in quattro versioni completamente aggiornate: Professional, Piccole Strutture, Smart, Easy, adatte a soddisfare ogni esigenza progettuale, in maniera tale da consentire una visione sempre completa della struttura, rendendo il professionista sempre sicuro del proprio lavoro.

Articolo a cura di S.T.A. DATA srl

Articolo originariamente pubblicato su Ingegneri.cc