Quando una struttura esistente non supera le verifiche richieste dalla Normativa vigente, la soluzione è progettare degli interventi di rinforzo. Il recupero del patrimonio edilizio esistente rappresenta un tema cruciale su cui gli operatori della filiera dell’edilizia stanno concentrando una crescente attenzione, dal risanamento di travi in legno a interventi strutturali sugli edifici. Alle ragioni di convenienza economica, va aggiunta inoltre una rinnovata sensibilità complessiva nei confronti di un impiego più razionale delle risorse, delle prestazioni energetiche e della sicurezza degli edifici.
I Materiali Fibrorinforzati (FRP)
Esistono diverse tipologie di rinforzi che è possibile mettere in opera. La sigla FRP sta per Fyber Reinforced Polymers. Si tratta di materiali compositi costituita da matrici polimeriche e fibre di carbonio, vetro o arammide. I materiali FRP sono caratterizzati da elevate proprietà meccaniche e da una notevole leggerezza, nonchè un’ottima resistenza alla corrosione.
Forme e Processi di Produzione
I composti in FRP sono disponibili sotto forma di lamine pultruse o sotto forma di tessuti con disposizione bidirezionale delle fibre. La pultrusione consiste nell’impregnare le fibre in un serbatoio di resina e indurire la matrice polimerica attraverso il passaggio in uno stampo riscaldato. La linea di produzione è molto semplice.
La laminazione a umido (wet lay-up) è una delle più semplici e tradizionali tecniche utilizzate per la preparazione dei compositi in situ.
Proprietà Meccaniche degli FRP
Le fibre che costituiscono gli FRP hanno delle proprietà meccaniche straordinarie rispetto ai comuni materiali da costruzione. Sono davvero su un altro pianeta se si considerano i livelli di resistenza che riescono a raggiungere. Per darti un’idea delle elevate proprietà meccaniche dei diversi tipi di fibra ti riporto un digramma tensione-deformazione di confronto. Come puoi vedere, rispetto all’acciaio da costruzione, le proprietà meccaniche sono nettamente superiori.
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C’è però un elemento che riporta le proprietà meccaniche degli FRP nel comune mondo dei materiali da costruzione. Si tratta della matrice polimerica. Gli FRP non sono costituiti solo da fibre, ma dall‘unione fra fibre e matrice polimerica. Se le fibre hanno proprietà meccaniche eccezionali, lo stesso non si può dire per la matrice polimerica. Dall’unione delle fibre con la matrice polimerica nascono gli FRP.
Cosa succede quando si mettono insieme fibre dalle proprietà straordinarie con una matrice polimerica dalle basse proprietà? Dipende. Gioca un ruolo determinante la percentuale volumetrica con le quali si mescolano questi due elementi. Come puoi vedere nell’immagine sotto, il legame costitutivo dell’FRP avrà un modulo elastico compreso fra quello della fibra e della matrice polimerica.
Rinforzo a Flessione con FRP
Il rinforzo di una trave a flessione si rende necessario quando il momento resistente della trave è inferiore al momento sollecitante. Un cambio di destinazione d’uso della struttura; i carichi accidentali di progetto della nuova destinazione possono essere superiori, per esempio nel caso di passaggio da abitazione ad uffici con funzioni pubbliche. In entrambi i casi il calcolo del momento resistente dell’elemento esistente va eseguito considerando il livello di conoscenza che si intende raggiungere.
Il CNR DT200, al par. 3.3.4, prescrive che l’incremento del momento resistente utilizzando gli FRP non può essere superiore al 50%. Applicare un rinforzo in FRP equivale ad aumentare l’armatura tesa dell’elemento da rinforzare. Infatti il tessuto o il laminato in FRP sono in grado di assorbire i soli sforzi di trazione.
Prima di applicare il rinforzo in FRP bisogna rimuovere le parti di calcestruzzo ammalorato. Bisogna poi ricostruire le parti di calcestruzzo ammalorato che sono state rimosse. Il rinforzo in FRP va applicato in quelle zone in cui il momento sollecitante supera il momento resistente della trave. In genere il tipo di rottura più frequente è quella nel substrato di calcestruzzo. I diversi modi di distacco sono rappresentati nella figura di seguito.
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Quando progetti o verifichi un rinforzo a flessione di una trave, devi tener presente che il rinforzo andrà applicato su una struttura già sollecitata e di conseguenza già deformata. Infatti all’atto dell’applicazione del rinforzo, oltre al peso proprio della struttura, agiranno i carichi permanenti non strutturali (massetto, pavimento, intonaco, incidenza tramezzi etc.) a meno che questi non vengano totalmente rimossi prima dell’applicazione del rinforzo. Il progettista dovrà tenere conto dei carichi che agiranno sulla struttura quando verrà messo in opera il rinforzo e dovrà tener conto dello stato deformativo iniziale. Il rinforzo in FRP verrà messo in opera su un substrato già deformato ed esibirà la sua efficacia solo per i carichi che agiranno dopo la messa in opera del rinforzo. Ci sarà una deformazione differenziale fra l’armatura tesa in acciaio e il rinforzo in FRP. Di tale deformazione bisognerà tener conto nel calcolo delle tensioni nei materiali per la ricerca dell’asse neutro della sezione allo Stato Limite Ultimo.
06.10 I rinforzi strutturali con FRP
Rinforzo di Elementi Lignei: Attenzioni Specifiche
Il consolidamento e rinforzo di elementi lignei mediante l’applicazione di lamine in materiali quali acciaio o composti fibrorinforzati (FRP) necessita di particolare attenzione sia nelle fasi di progetto che di posa in opera. Innanzitutto si devono porre in opera sistemi di rinforzo che non inducano col tempo degrado del legno di tipo biologico. L’intervento effettuato deve consentire lo scambio di umidità con l’ambiente esterno, evitando dannosi accumuli di condensa, che può portare ad un rapido degrado biologico dell’elemento ligneo.
Il collegamento rigido con piastre metalliche in direzione trasversale alla direzione di fibratura può essere problematico anche a causa del comportamento igroscopico del legno, venendosi a determinare uno stato di coazione e la fenditura del materiale che non è libero di deformarsi a causa della presenza dell’elemento metallico, che viene a configurarsi come un vincolo rigido.
Tecniche di Connessione e Calcolo
Per solidarizzare il materiale di rinforzo (piastre metalliche o FRP) al legno si possono adottare connessioni metalliche o connessioni incollate (in genere mediante utilizzo di adesivi a base epossidica). Si deve però tener conto che è difficile ottenere una buona aderenza tra piastre d’acciaio lisce e la colla (si legga: Johansson, »Barre d’acciaio incollate«, Manuale del legno strutturale, volume 2, Mancosu Editore) e che in generale possono insorgere tensioni di trazione perpendicolari alla linea di colla, i cui valori possono attingere livelli tali da provocare il distacco prematuro della lamina.
Valori Kser proposti dall’eurocodice (tali valori possono essere calcolati moltiplicando per 2 il valore di Kser per connessioni legno-legno) valori presenti in letteratura: è il caso ad esempio dei valori proposti da Gelfi e Giuliani al riguardo di pioli infissi a secco nel legno e saldati al piatto metallico.
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Si può quindi procedere al calcolo con le regole di calcolo per le strutture composte a connessione cedevole (si veda l’appendice B dell’Eurocodice 5), ipotizzando per entrambi i materiali un comportamento elastico-lineare.
Normative di Riferimento per il Legno
Per quanto riguarda i profili resistenti degli elementi strutturali di legno si deve far riferimento alle norme UNI EN 338, UNI 11035 e UNI 11119, alle quali si rimanda per approfondimenti. Per quanto riguarda la valutazione delle caratteristiche meccaniche di elementi in opera si può far riferimento in particolare alla norma UNI 11119:2004.
La norma UNI 11119:2004 (Beni culturali - Manufatti lignei - Strutture portanti degli edifici - Ispezione in situ per la diagnosi degli elementi in opera) stabilisce procedure e requisiti per la diagnosi dello stato di conservazione e la stima della resistenza e della rigidezza di elementi lignei in opera nelle strutture portanti di edifici compresi nell’ambito dei beni culturali, attraverso l’esecuzione di ispezioni in situ e l’impiego di tecniche e metodologie di prova non distruttive. Tale norma precisa le deroghe ammissibili allo scopo di rendere applicabile agli elementi strutturali lignei in opera il metodo della classificazione secondo la resistenza, anche quando le condizioni operative sono significativamente diverse da quelle riscontrabili nella normale classificazione dei segati a piè d'opera.
Ad esempio la UNI 11035 (parti 1 e 2) descrive una metodologia di classificazione applicabile anche a elementi strutturali in opera, purché siano soddisfatte tuttavia una serie di condizioni che non sempre è possibile riscontrare (in particolare la visibilità e accessibilità dell'elemento devono essere estese ad almeno 3 lati e ad una delle due testate).
Elenco delle Norme Rilevanti:
- UNI EN 338
- UNI 11035-1:2003
- UNI 11035-2:2003
- UNI 11119:2004
Strumenti e Supporti per la Progettazione
Da lunedì prossimo sarà disponibile la nuova versione 5.0 di Ver.Sez., l’applicazione per la verifica di sezioni in cemento armato. La caratteristica principale della nuova versione ha a che fare proprio con l’argomento del post di oggi. Ci saranno dei moduli dedicati al rinforzo in FRP a flessione e a taglio.
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