“The official version of an ACI document is the English version. A translation of an
ACI document is for the convenience of users who do not speak English. Care has been
taken to ensure that the translation is correct: however, ACI does not guarantee its
accuracy. Official interpretation of an ACI document shall be based only on the English version.”
La lingua ufficiale di qualunque documento edito dall’ACI è l’inglese. Ogni traduzione
di uno qualunque di tali documenti è fatta solo ed esclusivamente per comodità dei lettori che non hanno familiarità con la lingua inglese. La massima attenzione è stata posta
nell’assicurare la correttezza e la rispondenza della traduzione al documento originale:
tuttavia, l’ACI non può garantire tale accuratezza. L’interpretazione ufficiale di un qualunque documento edito dall’ACI dovrà essere fatta solo ed esclusivamente sulla versione in lingua inglese.
i
NOTA INTRODUTTIVA ALLA TRADUZIONE
L’American Concrete Institute International (ACI), fondato nel 1904, è un’organizzazione internazionale con
oltre 30.000 membri che si dedica alla creazione e diffusione della conoscenza delle caratteristiche e dei campi
specifici di impiego del calcestruzzo. ACI, tramite la sua struttura organizzativa suddivisa in comitati tecnici, ha
prodotto più di 400 documenti nel formato di rapporti, guide, specifiche e normative. Il più rilevante di tali documenti è quello relativo alla normativa per la progettazione di strutture in c.a. e c.a.p. (Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary). Questa normativa è riconosciuta con la sigla del comitato
che la genera (ACI 318), seguita dall’anno di promulgazione (ad esempio: 96, 99, 02). In quanto segue si farà
riferimento alla penultima versione, denominata ACI 318-99.
Di seguito è riportata la versione italiana del documento ACI 440.2R-02, redatto dal Comitato 440 dell’ACI e
pubblicato nel 2002. Alla traduzione del documento hanno partecipato docenti e ricercatori italiani coinvolti
nelle attività di ACI Italy Chapter, gruppo italiano di ACI International di recente costituitosi. E’ opportuno rilevare che la versione in lingua italiana, redatta nella convinzione di offrire un utile servizio ai potenziali utilizzatori, riporta fedelmente i contenuti del documento originale. Tuttavia, l’ACI Italy Chapter è consapevole che
talvolta la traduzione riporta la versione puramente letterale del testo in inglese, non perfettamente adattata ai
modi espressivi più tipici della lingua italiana.
Queste brevi note introduttive, non presenti nella versione originale, sono state aggiunte al fine di rendere più
agevole la comprensione del presente documento ai lettori italiani. In particolare di seguito sono forniti i cenni
sulla logica di verifica agli Stati Limite insita nelle raccomandazioni dell’ACI, effettuando un confronto con
quanto generalmente previsto dalle normative europee ed italiane. Inoltre, è effettuato un confronto tra i termini
più ricorrenti nel documento ACI e l’analoga terminologia adoperata in Europa al fine di evitare possibili confusioni generate dalla diversa simbologia adottata.
La recente ordinanza ministeriale riguardante le costruzioni in zona sismica (G.U. N. 105) (maggio 2003) ha
per la prima volta introdotto in una normativa italiana la possibilità di adoperare - sia pure nel solo caso di interventi sugli edifici esistenti, e segnatamente solo per strutture in c.a. - i materiali polimerici fibro-rinforzati, comunemente indicati con la sigla FRP, acronimo anglosassone di Fiber Reinforced Polymer.
Il documento ACI 440.2R-02 tratta per l’appunto tale argomento e si riferisce all’uso di GFRP, CFRP ed
AFRP, ossia materiali polimerici rinforzati rispettivamente impiegando fibre di vetro (G sta per “glass”), carbonio (Carbon) e fibre aramidiche (Aramid).
Le linee guida proposte da ACI constano di 5 parti e 3 appendici; queste ultime riguardano rispettivamente: le
proprietà meccaniche delle fibre; il riferimento alle normative ASTM da adoperare nella sperimentazione;
l’individuazione dei futuri sviluppi della ricerca nel settore che qui si discute.
Le 5 parti principali, invece, trattano i seguenti argomenti:
Parte 1 (capitoli 1 e 2 ) – Generalità;
Parte 2 (capitolo 3) – I materiali;
Parte 3 (capitoli 4, 5, 6 e 7) – Operazioni di trasporto, stoccaggio, posa in opera e collaudo;
Parte 4 (capitoli 8, 9, 10, 11, 12 e 13) – Prescrizioni di progetto;
Parte 5 (capitoli 14 e 15) – Esempi di progetto e bibliografia.
Gli aspetti progettuali, di cui si parla in queste brevi note informative, sono pertanto presentati nella Parte 4,
ove si fa esplicito riferimento alla normativa ACI 318-99, di cui si è detto in precedenza.
Vale la pena sottolineare alcune differenze che intercorrono tra la citata normativa statunitense e le normative
che ad oggi sono adottate in Italia (in particolare ci si riferisce all’Eurocodice 2 ed al D.M. 9/1/1996) per le
strutture in c.a. La differenza più evidente riguarda la filosofia di verifica agli stati limite. In particolare, in accordo con quanto prescritto dalle normative nostrane, la verifica si intende soddisfatta quando si ha:
Ru ≥ S d
avendo indicato con Ru la resistenza ultima e con Sd la corrispondente sollecitazione di calcolo.
Ora i valori di Sd sono ottenuti effettuando l’analisi strutturale sotto l’azione di progetto Fd (Parte Generale,
§7, D.M. 9/1/1996) ottenuta come combinazione lineare dei valori caratteristici dei carichi agenti (Gk, Pk, Qik),
tenendo conto di fattori parziali di sicurezza sui carichi γ (γg, γp, γq, in genere maggiori di 1) e dei coefficienti di
combinazione ψ (minori dell’unità).
I valori di Ru allo stato limite ultimo, corrispondono alle resistenze ottenute in accordo a prestabiliti meccanismi resistenti adoperando i valori di calcolo fd delle resistenze dei materiali, a loro volta ricavati dividendo i
valori caratteristici fk per coefficienti parziali sui materiali γm, in genere maggiori di 1.
ii
La norma americana, invece, prevede che venga verificata la seguente disuguaglianza:
φ Rn ≥ Su
avendo indicato con Rn la resistenza nominale, con φ il fattore di riduzione di tale resistenza e con Su la corrispondente sollecitazione ultima (di calcolo).
La sollecitazione Su è ottenuta, anche in tal caso, effettuando l’analisi strutturale e amplificando i carichi permanenti ed accidentali attraverso opportuni coefficienti α (presi pari a 1.4 per i carichi permanenti e 1.7 per
quelli accidentali in ACI 318-99). La riduzione sulla resistenza non viene questa volta effettuata dividendo le
resistenze caratteristiche dei materiali per i corrispondenti coefficienti parziali γ, bensì effettuando la riduzione
direttamente sulle caratteristiche della sollecitazione mediante il richiamato coefficiente φ. I meccanismi resistenti secondo i quali valutare le resistenze nominali Rn sono gli stessi previsti dalle normative europee, ma le
resistenze dei materiali da utilizzare sono i valori caratteristici.
Queste differenze possono generare anche confusioni connesse alla simbologia adoperata. Ad esempio, in accordo al D.M. 9/1/1996, la verifica allo stato limite ultimo di una membratura inflessa si esegue controllando
che:
Mu ≥ Md
ossia che il momento ultimo sia maggiore di quello di calcolo; impiegando le ACI 318-99 la stessa verifica richiede che sia soddisfatta la disuguaglianza:
φMn ≥ Mu
In questo secondo caso il simbolo Mu sta ad indicare la sollecitazione di calcolo (Md del nostro DM) e non il
valore resistente ultimo!
Infine, si vuol fissare l’attenzione su altre lievi differenze nella simbologia adottata che potrebbero dar origine
a qualche confusione. Di frequente in passato nelle nostre normative (ma anche tutt’ora su molti libri di testo) il
pedice “f” viene utilizzato per indicare grandezze geometrico-meccaniche riguardanti l’armatura metallica: accade così che con Ef spesso si indica il modulo di Young dell’acciaio, con Af l’area complessiva di tondini adoperati etc.. Nel presente documento la lettera “f” è adoperata per indicare l’FRP; quindi Ef indicherà il modulo
elastico dell’FRP, Af l’area del rinforzo esterno in FRP, etc.. Le analoghe grandezze relative all’acciaio
(“steel”) sono indicate con il pedice “s” (Es, As, etc.) coerentemente con la simbologia del D.M. 9/1/96 e
dell’Eurocodice 2.
Per ciò che concerne le caratteristiche meccaniche del rinforzo in FRP, nelle due forme di tessuti impregnati
in-situ (“manual lay-up”) o lamine pultruse (“pre-cured laminate”), vale la pena solo di ricordare che i valori
di tali grandezze (modulo elastico, resistenza ultima, deformazione ultima) così come dedotte da prove standard
(in genere ASTM), sono, o meglio dovrebbero essere, chiaramente riportate dal produttore.
Nel caso delle lamine pultruse, questi valori si riferiscono all’area del composito (fibra più resina). Nel caso
dei tessuti questi valori si riferiscono o all’area netta delle fibre (tessuto secco) o al composito finale (di nuovo,
fibra più resina). Per i tessuti, questa duplicità è il risultato del fatto che con l’impregnazione in-situ non è sempre controllabile la quantità (spessore) della resina. In ogni caso, i due metodi portano allo stesso risultato finale, perché le proprietà meccaniche sono sempre determinate da test su campioni di lamina e MAI su fibre individuali. Nella valutazione del contributo alla resistenza del rinforzo esterno offerto da più strati di tessuto, si valuta l’area complessiva del rinforzo con l’espressione seguente:
A f = nt f w f
dove tf e wf indicano, rispettivamente, spessore e larghezza del singolo strato (impregnato o non, in funzione
della scelta delle proprietà meccaniche) ed n è il numero di strati applicati nell’intervento. Per il quadro completo della simbologia riportata nel documento in oggetto si rimanda al § 1.5.
Nella lettura del testo si troveranno spesso riferimenti a documenti e norme di associazioni statunitensi quali
ACI, ASTM, ICRI etc.. Tali riferimenti sono menzionati alla fine del testo nel CAPITOLO 15.
Si fa presente, inoltre, che ogni riferimento al sistema di misura inglese (in-lb) è stato omesso e che, pertanto,
tabelle, diagrammi ed equazioni sono, tutte, espresse nel Sistema Internazionale (SI).
Preme infine sottolineare che, qualora si incontrassero termini in lingua inglese volutamente non tradotti in italiano se ne potrà trovare una loro spiegazione nel § 1.4 relativo alle definizioni ed acronimi.
iii
L’ACI Italy Chapter ha formato un comitato tecnico per la traduzione dall’inglese all’italiano di questo documento presieduto da Antonio Nanni, Renato Parretti, Andrea Prota e Roberto Realfonzo.
Di seguito si riporta la lista completa dei docenti e ricercatori che hanno contribuito alla traduzione:
Vincenza Antonucci
Paolo Casadei
Francesca Ceroni
Marco Di Ludovico
Veronica Grasso
Gian Piero Lignola
Gennaro Magliulo
Giancarlo Marcari
Enzo Martinelli
Rosario Montuori
Antonio Nanni
Emidio Nigro
Renato Parretti
M. Rosaria Pecce
Andrea Prota
Roberto Realfonzo
BIBLIOGRAFIA CITATA NELLA NOTA INTRODUTTIVA
Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri, 20 Marzo 2003; “Primi elementi in materia di criteri generali per la classificazione sismica del territorio nazionale e di normative tecniche per le costruzioni in zona
sismica”, Pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale N. 105 dell’8 Maggio 2003.
D.M.LL.PP. del 09/01/1996; “Norme tecniche per il calcolo, l’esecuzione ed il collaudo delle strutture in c.a.,
normale e precompresso e per le strutture metalliche”.
Eurocodice 2
iv
ACI 440.2R-02
Tecnologie Emergenti
Guida per il Progetto e la Costruzione di
Strutture in Cemento Armato Rinforzate
Esternamente con Sistemi in FRP
Documento a cura del Comitato 440 dell’ACI
ACI incoraggia lo sviluppo e l’appropriato impiego di tecnologie nuove ed emergenti attraverso la pubblicazione della serie delle Tecnologie Emergenti. Questa serie presenta informazioni e raccomandazioni basate su dati e test disponibili in letteratura, su una limitata esperienza ottenuta con applicazioni pratiche e sulle opinioni dei membri del Comitato. Le informazioni e raccomandazioni contenute nella guida possono essere meno sviluppate e comprovate rispetto a quelle relative ad una più matura tecnologia. Questo documento identifica aree nelle quali le informazioni citate non sono ritenute del tutto sviluppate e individua la direzione che le future ricerche dovrebbero seguire. I professionisti che usano questo documento devono essere in grado di capirne le limitazioni ed utilizzare la
loro capacità di giudizio critica tutte le volte che si preveda l’impiego di questa tecnologia emergente.
Sami H. Rizkalla
Presidente
Charles E. Bakis
Ali Ganjehlou
P.N. Balaguru
Duane J. Gee
Craig A. Ballinger
T. Russell Gentry
Lawrence C. Bank
Arie Gerritse
Abdeldjelil Belarbi
Karl Gillette
Brahim Benmokrane
William J. Gold*
Gregg J. Blaszak*
Charles H. Goodspeed, III
Gordon L. Brown, Jr.
Nabil F. Grace
Vicki L. Brown
Mark F. Green
Thomas I. Campbell
Mark E. Greenwood
Charles W. Dolan
Doug D. Gremel
Dat Duthinh
Michael S. Guglielmo
Rami M. El Hassan
Issam Elias Harik
Salem S. Faza
Mark P. Henderson
Edward R. Fyfe
Bohdan N. Horeczko
David M. Gale
Srinivasa L. Iyer
John P. Busel
Segretario
Damian I. Kachlakev
Morris Schupack
Vistasp M. Karbhari
David W. Scott
Howard S. Kliger
Rajan Sen
James G. Korff
Mohsen A. Shahawy
Michael W. Lee
Carol K. Shield
Ibrahim Mahfouz
Khaled A. Soudki
Henry N. Marsh, Jr.
Luc R. Taerwe
Orange S. Marshall
Jay Thomas
Amir Mirmiran
Houssam A. Toutanji
Ayman S. Mosallam
Taketo Uomoto
Antoine E. Naaman
Miroslav Vadovic
Antonio Nanni
David R. Vanderpool
Kenneth Neale
Milan Vatovec
Edward F. O’Neil, III
Stephanie L. Walkup
Max L. Porter
David White
*
Co-Chairs del sottocomitato che hanno preparato questo documento.
Nota: Il Comitato ringrazia Paul Kelley per il contributo dato alla stesura del documento.
Tutti i documenti e i commentari prodotti dall’ACI
sono intesi come guide per programmare, progettare,
eseguire ed ispezionare una struttura. Questo documento può essere usato da chiunque sia in grado di comprendere i concetti e i limiti in esso contenuti e che sia
disposto ad assumersi la responsabilità per l’applicazione di questa tecnologia emergente. L’American Concrete Institute non è responsabile dei contenuti del documento e non è perseguibile in caso di danni derivanti dal
suo utilizzo.
Il riferimento a questo documento non è permesso
nei documenti contrattuali. Se le informazioni presenti
in questa guida sono ritenute meritorie di menzione da
parte del progettista nei documenti contrattuali, esse
devono essere riformulate in linguaggio prescrittivo e
successivamente inglobate nei documenti contrattuali.
I sistemi in materiale composito (FRP, Fiber-reinfortced polymer) per il rinforzo di strutture in calcestruzzo stanno emergendo come valida alternativa alle tecniche di rinforzo tradizionali come il placcaggio con piatti in acciaio, l’allargamento
di sezione e la precompressione esterna. I sistemi di rinforzo
in materiale composito usano gli FRP come ulteriore elemento
di rinforzo da applicare esternamente all’elemento. I sistemi
in FRP offrono vantaggi rispetto ai metodi tradizionali: sono
leggeri, relativamente facili da installare e resistenti alla corrosione. A causa delle particolari caratteristiche degli FRP,
specifiche linee guida sono necessarie per l’analisi e la comprensione del comportamento di elementi rinforzati con questi
sistemi.
ACI 440.2R-02 è in uso dal Luglio, 2002.
Copyright © 2002, American Concrete Institute.
Tutti i diritti riservati. E’ vietata la riproduzione anche parziale in
qualsiasi forma e con qualsiasi mezzo (comprese fotocopie e microfilm).
440.2R-1
440.2R-2
ACI COMMITTEE REPORT
Questo documento offre informazioni di carattere generale
relative allo sviluppo storico e all’impiego degli FRP come
materiale di rinforzo; descrive le caratteristiche dei materiali
in FRP ed offre le interpretazioni e le raccomandazioni che il
Comitato ha sviluppato sul progetto, l’esecuzione, e l’ispezione
per il rinforzo esterno di strutture in calcestruzzo. Le linee
guida qui riportate sono fondate sulla conoscenza guadagnata
in tutto il mondo attraverso ricerche di laboratorio, lavori
analitici e applicazioni pratiche di sistemi in FRP usati per il
rinforzo esterno di strutture in calcestruzzo.
Parole chiave: fibre aramidiche; ponti; edifici; fibre di carbonio; calcestruzzo; corrosione; ampiezza delle fessure; fessurazione; cicli di carico; abbassamenti; lunghezza di ancoraggio;
resistenza sismica; fatica; fiber-reinforced polymer; flessione;
fibre di vetro; taglio; tensioni, analisi strutturale; progetto;
torsione.
CAPITOLO 6 – ISPEZIONE, VALUTAZIONE ED
ACCETTAZIONE.......................................................... 19
6.1 – Ispezioni .....................................................19
6.2 – Verifica e accettazione ...............................20
CAPITOLO 7 – MANUTENZIONE E
RIPARAZIONE….......................................................... 21
7.1 – Considerazioni generali ..............................21
7.2 – Ispezioni .....................................................21
7.3 – Riparazione del sistema di rinforzo ............21
7.4 – Riparazione del manto protettivo ...............22
PARTE 4 – LINEE GUIDA PER IL PROGETTO .22
CAPITOLO 8 – CONSIDERAZIONI GENERALI PER
IL PROGETTO…. ......................................................... 22
PARTE 1 – GENERALE.........................................3
8.1 – Filosofia di progetto ...................................22
8.2 – Limiti del rinforzo ......................................22
8.3 – Scelta del sistema in FRP più idoneo .........24
8.4 – Valori di progetto delle proprietà meccaniche
dei sistemi in FRP ...............................................25
CAPITOLO 1 – INTRODUZIONE ................................. 3
CAPITOLO 9 – RINFORZO A FLESSIONE............... 26
INDICE
1.1 – Scopo e limitazioni ...................................... 3
1.2 – Applicazione e utilizzo ................................ 4
1.3 – Utilizzo di sistemi in FRP............................ 5
1.4 – Definizioni ed acronimi ............................... 6
1.5 – Notazioni ..................................................... 8
CAPITOLO 2 – INFORMAZIONI PRELIMINARI.... 10
2.1 – Evoluzione Storica..................................... 10
2.2 – Sistemi di rinforzo esterno in FRP disponibili
sul mercato.......................................................... 10
PARTE 2 – MATERIALI .......................................11
CAPITOLO 3 – MATERIALI COSTITUENTI E
PROPRIETA’…….......................................................... 11
3.1 – Materiali costituenti ................................... 11
3.2 – Proprietà fisiche ......................................... 12
3.3 – Proprietà meccaniche................................. 12
3.4 – Comportamento nel tempo......................... 13
3.5 – Durabilità ................................................... 14
3.6 – Qualificazione dei sistemi in FRP.............. 15
PARTE 3 – REQUISITI COSTRUTTIVI................15
CAPITOLO 4 – TRASPORTO, STOCCAGGIO ED
USO………………………………………………………15
4.1 – Trasporto.................................................... 15
4.2 – Stoccaggio ................................................. 15
4.3 – Uso............................................................. 15
CAPITOLO 5 – INSTALLAZIONE.............................. 16
5.1 – Qualifiche dell’installatore ........................ 16
5.2 – Considerazioni ambientali ......................... 16
5.3 – Attrezzature ............................................... 16
5.4 – Preparazione superficiale........................... 16
5.5 – Mescolamento delle resine......................... 17
5.6 – Applicazione dei materiali costituenti il
rinforzo ............................................................... 18
5.7 – Allineamento degli FRP ............................ 19
5.8 – Strati multipli e lunghezze di ancoraggio .. 19
5.9 – Polimerizzazione delle resine .................... 19
5.10 – Protezione temporanea............................. 19
9.1 – Considerazioni generali ..............................26
9.2 – Resistenza nominale ...................................27
9.3 – Duttilità.......................................................28
9.4 – Stato limite di esercizio ..............................28
9.5 – Rottura per creep e limiti tensionali per fatica
28
9.6 – Sezione rettangolare a semplice armatura ..29
CAPITOLO 10 – RINFORZO A TAGLIO ................... 31
10.1 – Considerazioni generali ............................31
10.2 – Schemi di fasciatura .................................31
10.3 – Resistenza nominale .................................32
10.4 – Contributo del rinforzo in FRP alla
resistenza a taglio ................................................32
CAPITOLO 11 – SFORZO NORMALE CENTRATO
ED INCREMENTO DELLA DUTTILITA’................. 33
11.1 – Compressione assiale................................33
11.2 – Rinforzo a trazione ...................................35
11.3 – Duttilità.....................................................35
CAPITOLO 12 – DETTAGLI PER IL RINFORZO .... 36
12.1 – Aderenza e delaminazione........................36
12.2 – Le sovrapposizioni ...................................36
CAPITOLO 13 – DISEGNI ESECUTIVI E
DOCUMENTI DI PROGETTO .................................... 37
13.1 – Norme per il progetto ...............................37
13.2 – Disegni esecutivi e specifiche di progetto 38
13.3 – Documenti di progetto..............................38
PARTE 5 – ESEMPI PROGETTUALI ..................39
CAPITOLO 14 – CASI SVOLTI ................................... 39
14.1 – Calcolo della resistenza a trazione di un
sistema in FRP considerando l’area netta delle
fibre e l’area totale del laminato ..........................39
14.2 – Calcolo della resistenza a trazione di sistemi
wet lay-up e pre-cured in FRP.............................39
14.3 – Rinforzo a flessione di una trave interna in
c.a… ....................................................................41
14.4 – Rinforzo a taglio di una trave interna a T in
c.a… ....................................................................44
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
14.5 – Rinforzo a taglio di una colonna esterna in
c.a….................................................................... 46
CAPITOLO 15 – BIBLIOGRAFIA ............................... 48
15.1 – Codici e normative................................... 48
15.2 – Bibliografia citata nel documento............ 49
15.3 – Ulteriore bibliografia ............................... 52
PARTE 6 - APPENDICI ........................................53
APPENDICE A – PROPRIETA’ DELLE FIBRE DI
CARBONIO, VETRO E ARAMIDE ............................. 53
APPENDICE B – SOMMARIO DELLE
METODOLOGIE DI PROVA STANDARD ................ 54
APPENDICE C – RICERCHE FUTURE ..................... 54
PARTE 1 – GENERALE
CAPITOLO 1 – INTRODUZIONE
Il rinforzo o la riabilitazione di strutture in c.a. esistenti, sia nel caso di incrementi dei carichi di progetto, che
per sopperire ad un livello di danno esistente, o ancora,
per incrementare la duttilità strutturale, sono stati tradizionalmente realizzati impiegando materiali e tecniche
convenzionali. Alcune delle tecniche tradizionalmente
impiegate prevedono l’applicazione esterna di piatti in
acciaio, l’incamiciatura mediante calcestruzzo o profilati
metallici e l’utilizzo di cavi esterni post-tesi.
I materiali compositi nati dal connubio di fibre e di
una matrice di resina polimerica, anche noti come polimeri fibro-rinforzati (FRP), sono emersi, di recente, come un’alternativa alle tecniche tradizionali, che prevedono l’uso di materiali convenzionali. Nello spirito di
questo documento, per “sistema in FRP” si intende il
sistema costituito dalle fibre e dalle resine che costituiscono il laminato vero e proprio, dalle resine utilizzate
per l’incollaggio del laminato al supporto in calcestruzzo, e dagli eventuali manti di protezione del rinforzo. I
manti di protezione utilizzati esclusivamente per motivi
estetici non sono considerati parte del sistema in FRP.
I materiali in FRP presentano caratteristiche di leggerezza, resistenza alla corrosione ed un’elevata resistenza
a trazione. Sono disponibili in svariate forme, dai laminati prodotti mediante un processo industriale ai tessuti
non impregnati che possono essere facilmente applicati a
elementi di forma qualsiasi a cui sono resi aderenti attraverso l’applicazione di resine polimeriche. Il modesto
spessore del sistema in FRP lo rende preferibile in quelle
applicazioni dove è necessario salvaguardare l’aspetto
estetico non modificando la fruizione degli spazi.
Il crescente interesse nei confronti dei materiali in
FRP per il rinforzo e la riabilitazione strutturale è attribuibile a numerosi fattori. Sebbene il costo di tali materiali sia elevato rispetto a quelli tradizionali, quali calcestruzzo e acciaio, i costi di manodopera e di attrezzature
per la loro installazione risultano spesso inferiori. I materiali in FRP possono inoltre essere utilizzati in zone di
difficile accesso in cui le tecniche tradizionali potrebbero
risultare di difficile applicazione: ad esempio, nel caso
del rinforzo dell’intradosso di una soletta in corrispon-
440.2R-3
denza della zona di passaggio degli impianti tecnologici.
La conoscenza, derivante da studi di ricerca a livello
mondiale, da analisi teoriche, e da applicazioni pratiche
dei sistemi in FRP, costituisce la base di questo documento. Le indicazioni contenute in questo documento
forniscono procedure progettuali che tengono conto della
novità nell’impiego dei materiali compositi e quindi forniscono margini di sicurezza più elevati di quanto avviene in analoghi documenti che trattano materiali convenzionali.
Le problematiche per le quali sono necessarie ulteriori
approfondimenti sono evidenziate nell’APPENDICE C.
1.1 – Scopo e limitazioni
Il presente documento fornisce una guida per la scelta,
la progettazione e l’applicazione di sistemi in FRP per il
rinforzo di strutture in c.a.. Inoltre, nel testo sono riportate informazioni utili concernenti le proprietà dei materiali, il controllo di qualità e la manutenzione dei sistemi in
FRP utilizzati per il rinforzo. Tali indicazioni possono
essere adoperate per la scelta di un sistema in FRP avente la funzione, per citare un esempio, di incrementare la
resistenza o la rigidezza di travi in c.a. o la duttilità di
colonne.
Il lavoro di ricerca svolto in tale settore negli ultimi
vent’anni è alla base del presente documento. Esso include studi analitico-sperimentali ed applicazioni pratiche di rinforzo strutturale. Le procedure di progettazione, basate sulle conoscenze derivanti dagli studi menzionati, come detto, considerano margini di sicurezza adeguati alla novità della tecnologia. Tuttavia, è importante
sottolineare che queste procedure, in molteplici casi, non
sono state completamente sviluppate e testate. Col tempo
se ne prevede la loro rielaborazione al fine di incrementarne l’accuratezza. Per il momento, è importante evidenziare le aree del documento che richiedono ulteriori
approfondimenti.
L’elevata durabilità e le prestazioni nel tempo dei materiali in FRP sono state e sono tutt’ora oggetto di ricerca. Risulta ancora difficile predire il comportamento nel
tempo dei sistemi di rinforzo realizzati con materiali in
FRP in quanto non sono al momento disponibili dati
riguardanti le prestazioni nel lungo termine. Le linee
guida di progetto qui riportate tengono conto della durabilità e del degrado legato a fattori ambientali utilizzando coefficienti di riduzione scelti in base alle caratteristiche dell’ambiente, mentre i fenomeni di fatica e deformazione viscosa sono considerati ponendo limitazioni
sui valori delle tensioni di lavoro. Futuri sviluppi nella
ricerca condurranno alla modifica di tali coefficienti di
riduzione ed ad una più appropriata definizione delle
condizioni ambientali e di carico ai quali tali coefficienti
si riferiscono. Anche l’interazione tra le condizioni ambientali e di carico richiede ulteriori approfondimenti.
Particolare cautela deve essere osservata nel caso di applicazioni in condizioni ambientali e di carico estreme
Il presente documento fornisce indicazioni solo per
quei materiali in FRP per i quali i fattori ambientali non
influenzano il valore del modulo elastico a trazione considerato in fase progettuale. Tipicamente, per i sistemi in
440.2R-4
ACI COMMITTEE REPORT
FRP il modulo elastico non è influenzato dalle condizioni ambientali. Tuttavia, vi possono essere delle fibre,
resine, o una combinazione di esse per cui tale considerazione non è valida.
L’attenzione della ricerca è spesso focalizzata su problematiche relative all’aderenza tra il sistema in FRP ed
il supporto in c.a..
Nel caso di rinforzo a flessione e a taglio possono aversi meccanismi di rottura per distacco che governano
la resistenza dell’elemento rinforzato. Benché la gran
parte dei meccanismi di rottura prematura siano oggi
noti, è necessario sviluppare metodi e modelli più accurati per la loro previsione. Le procedure di progetto impongono significativi limiti sul livello di deformazione
raggiungibile nel materiale FRP (e dunque sul livello
tensionale) per tenere conto, in modo cautelativo, delle
modalità di rottura prematura suddette. E’ prevedibile
che in futuro vi siano disponibili procedure di progetto
che tengano conto direttamente delle modalità di rottura
premature
Il documento fornisce indicazioni per una definizione
appropriata dei dettagli costruttivi e delle tecniche di
applicazione dei sistemi in FRP, tali da prevenire crisi
dovute a rotture premature. Le fasi di preparazione del
supporto e l’ancoraggio del sistema in FRP sono di fondamentale importanza per il raggiungimento dei livelli di
resistenza predetti dalle procedure del presente documento. Alcune ricerche sono state condotte sui vari metodi di ancoraggio ed è importante sottolineare, tuttavia,
che esso è di difficile realizzazione essendo i materiali
compositi fragili ed anisotropi. Per tale motivo, ogni
metodologia di ancoraggio andrebbe attentamente valutata prima dell’applicazione.
Le formule di progetto, fornite nel presente documento, derivano da studi sperimentali condotti principalmente su elementi di dimensioni moderate mentre non sono
state eseguite prove su elementi di grosse dimensioni.
Di conseguenza è necessaria particolare cautela in tutti
quei casi che riguardano rinforzi di strutture molto grandi o nelle zone di estinzione1 degli elementi strutturali.
Questo documento riguarda solamente il rinforzo utilizzato per garantire incrementi della resistenza a trazione. In generale non si raccomanda l’utilizzo di tali sistemi per il rinforzo a compressione agente nella direzione
delle fibre, sebbene i materiali in FRP siano in grado di
sopportare tali sforzi. I problemi per i quali è preferibile
evitare di considerare il contributo a compressione degli
FRP riguardano sia fenomeni di micro-instabilità delle
fibre che analoghi fenomeni di instabilità dei laminati
derivanti da deficienze nell’ancoraggio al supporto in
calcestruzzo. Il documento non prende in considerazione
le problematiche relative ai processi di produzione, controllo di qualità e manutenzione relative all’uso dei materiali compositi, né sono prese in analisi le indicazioni
relative alla progettazione di tali processi.
Questo documento non riguarda le applicazione al ca1
Le zone di estinzione sono rappresentate dalle regioni di un elemento strutturale nelle quali non è applicabile la teoria del De
Saint Venant.
so delle murature (blocchi di calcestruzzo, laterizi e mattoni in argilla). Tuttavia la ricerca ha mostrato che i sistemi in FRP possono essere utilizzati per il rinforzo di
elementi in muratura e numerose indicazioni contenute
nel presente documento potrebbero essere applicate a tali
casi (Trantafillou 1998b; Ehsani et al. 1997; e Marshall
et al. 1999).
1.2 – Applicazione e utilizzo
I sistemi in FRP possono essere utilizzati sia per il
consolidamento o per il ripristino della resistenza di elementi strutturali danneggiati che per la riabilitazione o
il rinforzo di elementi strutturali nel caso in cui sia necessario procedere ad una variazione di destinazione
d’uso o porre rimedio ad errori progettuali o di costruzione. Prima ancora di definire il tipo di sistema in FRP,
il progettista dovrebbe valutare se è il caso di adoperare
un tale sistema per il rinforzo della struttura in oggetto.
Per la valutazione dell’affidabilità del sistema in FRP
per una specifica applicazione, il progettista dovrebbe
effettuare un’analisi della struttura esistente, valutandone
la capacità di sopportare i carichi, le carenze strutturali e
le cause ad esse connesse, e la condizione del supporto
in calcestruzzo. L’analisi dovrebbe includere un’indagine diagnostica, la revisione del progetto o dello stato di
fatto della costruzione, ed una analisi strutturale in base
a quanto prescritto nel documento ACI 364.1R. La documentazione della struttura esistente dovrebbe essere analizzata, prendendo in considerazione i disegni, le specifiche progettuali, la tipologia costruttiva, le informazioni relative alle prove effettuate sulla struttura, ai consolidamenti realizzati, ed alla manutenzione dell’edificio
nel tempo. Il progettista dovrebbe effettuare indagini
sull’edificio secondo quanto definito nella documentazione ACI 437R o altri documenti disponibili. La resistenza a trazione del calcestruzzo, relativamente allo
strato superficiale laddove sarà applicato il sistema in
FRP, deve essere valutata conducendo una prova di
“pull-off” in accordo con l’ACI 503R. Inoltre, le indagini diagnostiche dovrebbero riguardare:
• Dimensioni degli elementi strutturali esistenti;
• Posizione, dimensioni, e cause delle lesioni e dei distacchi del calcestruzzo;
• Posizione ed estensione della corrosione delle armature;
• Quantità e posizionamento dell’armatura;
• Resistenza a compressione del calcestruzzo;
• Integrità del calcestruzzo, specialmente del copriferro, con particolare attenzione per le zone del supporto dove il sistema in FRP sarà installato.
La capacità portante va determinata con metodi analitici, o con altri metodi affidabili, sulla base delle informazioni derivanti dalle indagini diagnostiche, dai calcoli
e dai disegni di progetto. Se ritenute necessarie, si possono effettuare prove di carico o d’altro tipo durante la
procedura di valutazione.
Il progettista deve consultare la letteratura disponibile
e trarre informazioni utili dai produttori dei materiali in
FRP, in modo da assicurarsi che il sistema in FRP scelto
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
ed l’eventuale manto protettivo siano adeguati alle esigenze specifiche del caso in esame.
1.2.1 Limiti del rinforzo – Una parte di progettisti e
produttori di materiali in FRP raccomandano di limitare
l’incremento di capacità portante che può essere ottenuto
utilizzando gli FRP. La filosofia che sta dietro a questo
suggerimento implica che la perdita del rinforzo esterno
in FRP non dovrebbe causare il collasso dell’elemento.
Indicazioni specifiche, tra cui quelle relative alla combinazione di carichi per l’analisi dell’elemento in cui si è
perso il rinforzo in FRP, sono presenti nella PARTE 4.
I sistemi in FRP utilizzati per incrementare la resistenza di elementi esistenti dovrebbero essere progettati seguendo le indicazioni della PARTE 4; esse includono
un’esaustiva discussione sulle limitazioni all’incremento
dei carichi, gli effetti che la temperatura e i fattori ambientali hanno sugli FRP e l’importanza che le condizioni delle armature in acciaio rivestono sull’integrità del
sistema composito finale.
1.2.2 Sicurezza all’incendio – Le strutture rinforzate
con sistemi in FRP devono rispettare le normative relative agli edifici e a quelle antincendio. Le percentuali di
diffusione di fumo e fiamme libere devono essere determinate in base al documento ASTM E 84. Al fine di
ridurre la diffusione di fumo e fiamme si possono utilizzare dei manti protettivi. Si assume che la resistenza dei
sistemi in FRP si annulli durante un incendio, considerando la bassa resistenza di tali materiali alle alte temperature. Per tale motivo l’elemento strutturale, privo del
rinforzo, deve essere in grado di sopportare i carichi durante l’incendio. Le indicazioni relative alla combinazione di carico e alla metodologia di calcolo della resistenza
all’incendio sono riportate nella PARTE 4 di questo documento.
1.2.3 Massima temperatura in fase di esercizio – Le
caratteristiche fisiche e le proprietà meccaniche delle
resine che costituiscono il sistema in FRP sono influenzate dalla temperatura e, al di sopra della temperatura indicata con Tg - che segna il passaggio allo stato vetroso, si verificano danni permanenti nel materiale. La temperatura Tg segna il passaggio della resina da uno stato
rigido-fragile ad uno stato plastico. Tale passaggio si
traduce in un degrado delle proprietà del laminato. La
temperatura Tg è propria di ogni sistema FRP e varia da
60 a 80 °C per i sistemi FRP comunemente esistenti in
commercio. La temperatura massima di servizio di un
materiale in FRP non dovrebbe eccedere tale valore di Tg
fornito dal produttore.
1.2.4 Minimo valore di resistenza del supporto in calcestruzzo – I sistemi in FRP sono efficaci solo se applicati su calcestruzzo integro e non dovrebbero essere utilizzati per applicazioni su elementi strutturali contenenti
barre d’armatura corrose o calcestruzzo ammalorato, a
meno che il supporto non sia riparato secondo le indicazioni riportate più avanti nella Sezione 5.4. L’entità del
degrado del calcestruzzo così come il deterioramento e
la corrosione delle armature esistenti devono essere attentamente considerati e valutati prima dell’applicazione
del sistema in FRP. Alcune cause di degrado del calcestruzzo possono essere imputate alle reazioni alcaline,
440.2R-5
alla formazione di ettringite, alla carbonatazione, alla
fessurazione longitudinale causata dalla corrosione delle
barre di acciaio e alla fessurazione interlaminare in corrispondenza delle barre di rinforzo.
Lo stato e la resistenza del supporto in calcestruzzo
devono essere attentamente valutati per decidere sull’idoneità del rinforzo esterno con i materiali compositi.
L’aderenza tra il materiale di rinforzo ed il supporto in
calcestruzzo dovrebbe soddisfare le raccomandazioni
dell’ACI 503R o della Sezione 3.1 della Guida ICRI Numero 03733.
La resistenza del supporto in calcestruzzo esistente è
di fondamentale importanza per tutte quelle applicazioni
in cui l’aderenza è un parametro essenziale; tra esse possono certamente essere menzionati i rinforzi a flessione e
a taglio. Il calcestruzzo deve essere caratterizzato da una
resistenza tale da garantire il trasferimento, per aderenza
appunto, degli sforzi dal rinforzo esterno in FRP alla
sezione in c.a.. La resistenza minima, risultante dalla
prova di pull-off come definito nell’ACI 503R o nell’ASTM D4541, dovrebbe essere pari ad almeno 1.4
MPa. Il rinforzo mediante sistemi in FRP non dovrebbe
essere effettuato nel caso in cui la resistenza a compressione (f’c) del supporto di calcestruzzo sia minore di 17
MPa. Per applicazioni in cui l’aderenza non è essenziale
ed è solo necessario un contatto intimo tra calcestruzzo e
materiale di rinforzo come, ad esempio, le fasciature di
colonne e pilastri, tali limitazioni possono essere trascurate. In tali applicazioni, lo stato tensionale e deformativo dell’FRP è causato dalla deformazione laterale o dilatazione della sezione di calcestruzzo.
L’uso di sistemi in FRP non arresta eventuali processi
corrosivi già in atto nell’armatura in acciaio al tempo
dell’installazione del rinforzo esterno. Qualora la corrosione dell’acciaio o il degrado del supporto in calcestruzzo siano evidenti, l’applicazione dell’FRP non è
consigliata a meno che tali fenomeni non siano adeguatamente prevenuti.
1.3 – Utilizzo di sistemi in FRP
Il presente documento si riferisce a sistemi in FRP disponibili in commercio che consistono nella particolare
combinazione di fibre e resine applicati mediante specifiche procedure. Tali sistemi nascono dallo sviluppo di
tecnologie che si fondano sulla caratterizzazione dei materiali e su prove sperimentali. Combinazioni di fibre e
resine non testate in laboratorio potrebbero dar luogo sia
a proprietà diverse da quelle pubblicizzate che a incompatibilità tra i materiali. Ogni sistema in FRP deve essere
verificato mediante una caratterizzazione derivante da
prove sperimentali in modo da garantire le prestazioni
del sistema in applicazioni simili, anche per metodo di
applicazione.
In ogni caso, è raccomandabile l’applicazione di sistemi in FRP che si fondano su test di caratterizzazione
dei materiali e su prove sperimentali. L’uso di sistemi
non comprovati sperimentalmente deve essere evitato. A
tutt’oggi sono in fase di sviluppo metodologie di analisi
per sistemi in FRP a cura di diverse organizzazioni tra
cui ASTM, ACI, ICRI e ISIS (Intelligent Sensing for
440.2R-6
ACI COMMITTEE REPORT
Innovative Structures). Alcune di tali metodologie disponibili sono riportate nell’APPENDICE B.
1.4 – Definizioni ed acronimi
Le definizioni (in inglese e italiano) riportate in seguito chiariscono i termini relativi ai sistemi in FRP che non
sono comunemente utilizzati per il c.a.. Tali definizioni
sono relative a questo documento e non necessariamente
applicabili ad altri documenti dell’ACI.
AFRP - polimero rinforzato con fibre aramidiche.
(Batch) Lotto - Quantità di materiale miscelato istantaneamente o durante un processo continuo.
(Binder) Legante - Trattamento chimico applicato a
fibre distribuite in modo casuale, in modo da garantire
integrità a relativi tessuti, matasse e strati. Specifici tipi
di leganti si utilizzano per favorire la compatibilità chimica con le numerose resine utilizzate.
(Bond-critical application) Applicazioni critiche
per l’aderenza - Applicazioni di sistemi in FRP per il
rinforzo di elementi strutturali basati sull’aderenza tra
tali materiali ed il supporto in calcestruzzo. Ad esempio
si può menzionare il rinforzo a flessione e a taglio di
travi e solette.
(Catalyst) Catalizzatore - Una sostanza che accelera
una reazione chimica e ne consente l’avanzamento in
condizioni più favorevoli di quelle richieste. Tale sostanza non viene modificata dalla reazione stessa. Vedere anche Attivatori o Indurenti.
CFR - Codice di Normative Federali.
CFRP - Polimero rinforzato con fibre di carbonio (tra
cui polimeri rinforzati con grafite).
(Composite) Materiale Composito - Una combinazione di due o più materiali differenti in forma e composizione su scala macroscopica. Nota: I materiali costituenti mantengono le proprie caratteristiche, nel senso
che non si disciolgono o si fondono completamente
l’uno nell’altro, sebbene agiscano in modo combinato. I
componenti possono essere, dunque, identificati, ed è
possibile individuare una superficie di interfaccia.
(Concrete substrate) Supporto in Calcestruzzo - Il
supporto è costituito dal calcestruzzo esistente e da qualsiasi materiale cementizio utilizzato per consolidare o
ripristinare il calcestruzzo esistente. Il supporto può essere costituito solo da materiale esistente, solo da quello
utilizzato per il ripristino, o da una combinazione di entrambi. Il supporto include la superficie su cui si applica
il sistema in FRP.
(Contact-critical applications) Applicazioni critiche
per contatto - Applicazioni di sistemi in FRP basati sul
contatto tra il supporto in calcestruzzo ed i materiali
FRP. Generalmente, tali applicazioni consistono in interventi di fasciatura realizzata mediante l’uso di materiali compositi lungo l’intero perimetro della sezione.
Frequentemente, in tali casi l’aderenza tra il supporto in
calcestruzzo ed il sistema in FRP è garantita per rendere
più agevole l’applicazione, ma non si fa affidamento su
di essa per assicurare le prestazioni richieste al sistema.
Un esempio di tali applicazioni è il confinamento di colonne in zona sismica.
(Creep-rupture) Rottura per creep - Riduzione gra-
duale in funzione del tempo della resistenza a trazione
per condizioni di carico continue che conducono alla
crisi della sezione.
(Cross-link) Reticolazione – Legame chimico tra molecole dei polimeri. Nota: All’aumentare del numero dei
legami per molecola di polimero, la resistenza ed il modulo elastico aumentano a spese della duttilità.
(Cure of FRP systems) Polimerizzazione dei sistemi
in FRP - Il processo che induce una variazione irreversibile delle proprietà delle resine termoindurenti a seguito di reazioni chimiche. La polimerizzazione prevede
solitamente l’aggiunta di agenti che favoriscono la reticolazione o iniziatori con o senza l’azione di calore e
pressione. Si ha polimerizzazione completa quando la
resina raggiunge specifiche proprietà; d’altra parte la
polimerizzazione risulta incompleta qualora non si ottengano tali proprietà.
(Curing agent) Agente di polimerizzazione - Agente
catalizzatore o reagente che, aggiunto ad una resina, ne
induce la polimerizzazione. Possono definirsi anche indurenti o attivatori.
(Debonding) Delaminazione - Distacco in corrispondenza dell’interfaccia tra il supporto ed il materiale applicato.
(Degradation) Degrado - Degrado delle proprietà
meccaniche del materiale.
(Delamination) Delaminazione - Distacco lungo una
direzione parallela alla superficie dell’elemento; un esempio è la separazione tra gli strati che costituiscono il
sistema in FRP.
(Development length, FRP) Lunghezza di ancoraggio dell’FRP - lunghezza necessaria per il trasferimento
delle tensioni dal calcestruzzo al materiale in FRP, in
modo da garantire lo sviluppo della capacità del sistema
in FRP. Tale lunghezza è funzione della resistenza del
calcestruzzo e della rigidezza del rinforzo in FRP.
(Durability, FRP) Durabilità, FRP - La capacità di
un materiale di resistere ad agenti ambientali, ad attacchi
chimici, all’abrasione e ad altre condizioni che si potrebbero verificare in fase di esercizio.
(E-glass) Vetro-E - Tipologia di materiale vetroso,
avente come composizione borosilicato di allumina e
calcio con un contenuto alcalino al massimo pari al
2.0%. Tale fibra è utilizzata per il rinforzo dei polimeri.
(Epoxy) Epossidica - Polimero termoindurente prodotto della reazione di una resina epossidica con un indurente amminico. (Vedere anche Resina Epossidica).
(Epoxy resin) Resina Epossidica - Sostanze organiche utilizzate per la produzione di rivestimenti speciali o
adesivi per il calcestruzzo come leganti in malte di resine
epossidiche e calcestruzzo.
(Fabric) Tessuto - Tessuto bidimensionale costituito
da fibre. Il tessuto può essere intrecciato, non intrecciato,
in forma di maglia o cucito. Molteplici strati di tessuto
possono essere cuciti tra di loro. Le caratteristiche del
tessuto sono influenzate dalle proprietà e dalla direzione
delle fibre nonché dalle modalità di realizzazione del
tessuto stesso.
(Fiber) Fibra – Qualsiasi oggetto di forma filiforme
naturale o sintetico di origine minerale o organica. Nota:
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
Tale termine è solitamente riferito ad elementi caratterizzati da una lunghezza almeno 100 volte più grande del
diametro.
(Fiber, aramid) Fibra aramidica - Fibre organiche
fortemente orientate derivanti da poliammidi aventi anelli aromatici.
(Fiber, carbon) Fibra di Carbonio - Fibra prodotta
mediante un processo di riscaldamento di un materiale
contenente una elevata percentuale di carbonio, come
rayon, polyacrylonitrile (PAN) o pece in ambiente inerte.
(Fiber, glass) Fibra di Vetro - Fibra ottenuta dalla
fusione di un prodotto inorganico che è raffreddato senza
il processo di cristallizzazione. Tali fibre si suddividono
in quelle alcalino-resistenti (Vetro-AR), fibre di utilizzo
generico (Vetro-E), ed ad alta resistenza (Vetro-S).
(Fiber content) Contenuto di fibre - La quantità di
fibre contenuta in un composito. Nota: Tale parametro è
spesso espresso come frazione percentuale volumetrica o
in peso nel composito.
(Fiber fly) Fibra libera - Piccoli filamenti che si
staccano dai fili di fibre durante il trattamento e diventano aerei; solitamente identificati come una polvere fastidiosa.
Fiberglass - Materiale composito costituito da fibre di
vetro e resina.
(Fiber-reinforced polymer (FRP)) Polimero rinforzato con fibre (FRP) - termine generico per indicare un
materiale composito costituito da una matrice polimerica
rinforzata con un tessuto, filamenti di fibre, o qualsiasi
altra forma di fibre. Vedere Materiali Compositi.
(Fiber volume fraction) Frazione volumetrica delle
fibre – Rapporto tra il volume di fibre ed il volume del
composito.
(Fiber weight fraction) Frazione ponderale di fibre
- Rapporto tra il peso delle fibre e quello del composito.
(Filament) Filamento - Vedere Fibra.
(Filler) Riempitivo - Sostanza inerte che, aggiunta
ad una resina, ne modifica le proprietà o ne diminuisce
costi o densità. Talvolta tale termine si utilizza per indicare additivi particellari. Il riempitivo è anche detto carica.
(Fire retardant) Ritardanti di fiamma - Sostanze
chimici utilizzate per proteggere la resina dall’azione del
fuoco; la protezione al fuoco si può realizzare mediante
l’aggiunta di tali materiali alle resine o mediante rivestimenti della superficie stessa del sistema in FRP.
(Flow) Flusso - Movimento della resina non polimerizzata per effetto della pressione o della gravità.
FRP - polimero rinforzato con fibre; in passato definito come materiale plastico fibro-rinforzato.
GFRP - Polimero rinforzato mediante fibre di vetro.
(Glass fiber) Fibre di vetro - Filamento singolo ottenuto mediante trafilatura o filatura di vetro fuso attraverso un piccolo foro. Un filamento continuo è una fibra di
grandi dimensioni o lunghezza indefinita. Un fiocco di
fibra è relativamente corto, di lunghezza inferiore a 0.70
mm, in funzione del processo di formatura o filatura.
(Glass transition temperature (Tg)) Temperatura di
transizione vetrosa (Tg ) - Punto medio dell’intervallo
di temperature in cui i materiali amorfi (come il vetro o
440.2R-7
polimeri altamente reticolati) passano da (o ad) uno stato
fragile, vetroso ad (o da) uno stato plastico.
(Grid, FRP) Griglia in FRP - Rete rigida bidimensionale (nel piano) o tridimensionale (spaziale) in FRP costituenti un reticolo utilizzabile per il rinforzo di sezioni
in c.a.
(Hardener) Indurente - 1) sostanza chimica (tra cui
fluorosilicati o silicati di sodio) applicati alle pavimentazioni di calcestruzzo per ridurre usura e polvere; o 2)
sostanza chimica che, in forma di adesivo bicomponente o di rivestimento, induce la polimerizzazione della resina.
(Impregnate) Impregnato – Saturazione delle fibre
con la resina in polimeri fibro-rinforzati.
(Initiator) Attivatori - Radicali liberi, gruppi di atomi
aventi almeno un elettrone spaiato, utilizzati per iniziare
il processo di polimerizzazione (curing) di resine poliesteri insature e di vinilesteri. I perossidi sono le sostanze
più comuni utilizzati come sorgenti di radicali liberi.
(Interface) Interfaccia - Superficie di confine tra due
mezzi diversi e fisicamente distinguibili. In relazione
alle fibre, area di contatto tra fibre ed il rivestimento.
(Interlaminar shear) Taglio Interlaminare - Forza
di taglio che produce uno spostamento relativo lungo
l’interfaccia di due lamine poste all’interno di un laminato.
(Laminate) Laminato - Uno o più strati di fibre tenute insieme in una matrice di resina polimerizzata.
(Layup) - Processo di installazione del materiale di
rinforzo in FRP.
(Mat) Griglia - Materiale fibroso per rinforzo di polimeri, costituito da spezzoni di filamenti orientati casualmente; fibre corte (con o senza una struttura portante), o filamenti lunghi disposti casualmente e tenuti insieme attraverso uno strato di legante.
(Matrix) Matrice - Nel caso di polimeri rinforzati con
fibre, materiali che consentono l’unione delle fibre, il
trasferimento di carico alle stesse, e la protezione nei
riguardi di agenti ambientali e di danni superficiali.
(Monomer) Monomero - Molecola organica di peso
molecolare relativamente basso che, reagendo con altri
componenti a basso peso molecolare, con se stessa o in
entrambi i modi, da luogo ad un polimero solido.
MSDS - Scheda di sicurezza del materiale.
OSHA - Amministrazione per la sicurezza e la salute
sul lavoro.
PAN - Poliacrilonitrile, fibra precursore utilizzata per
ottenere fibre in carbonio.
(Phenolic) Fenolica - Resina termoindurente prodotta
attraverso la condensazione di un alcool aromatico con
un aldeide, in particolar modo di un fenolo con un formaldeide.
(Pitch) Pece - Petrolio o catrame di carbone, utilizzati
per la produzione di fibre di carbonio.
(Ply) Strato - Singolo strato di tessuto; più strati pultrusi costituiscono un laminato.
(Polyester) Poliestere - Ampio gruppo di resine sintetiche, prodotte principalmente facendo reagire un acido
dibasico con alcool diidrossido; comunemente preparate
per miscelazione, a temperatura ambiente, di un mono-
440.2R-8
ACI COMMITTEE REPORT
mero avente un gruppo vinilico ed un catalizzatore con
radicali liberi. Utilizzato come legante per malte di resine e calcestruzzo, laminati (soprattutto in fibra di vetro)
ed adesivi. Comunemente denominate “poliesteri non
sature”.
(Polymer) Polimero - Composto organico ad alto peso molecolare, naturale o sintetico, strutturato attraverso
la ripetizione di celle unitarie.
(Polymerization) Polimerizzazione - La reazione attraverso cui due o più molecole di una stessa sostanza si
combinano formando un composto contenente gli stessi
elementi nelle stesse proporzioni ma con un peso molecolare maggiore.
(polyurethane) Poliuretano - Prodotto derivante dalla
reazione di un isocianato con un’ampia classe di componenti aventi l’idrogeno come gruppo attivo; utilizzato per
realizzare rivestimenti rigidi e resistenti all’abrasione.
(Postcuring, FRP) Post-polimerizzazione, FRP - Fase di polimerizzazione aggiuntiva ad elevata temperatura
capace di incrementare il livello di reticolazione del polimero, consentendo un miglioramento delle proprietà
finali di un laminato o di un polimero.
(Pot life) Tempo di applicazione - Arco temporale, in
cui una miscela liquida o plastica deve essere utilizzata
dopo la fase di preparazione.
(Prepreg) Preimpregnato - Fibra o strato di fibre
contenente resina caratterizzata da una consistenza appiccicaticcia. Più strati di preimpregnato sono polimerizzati comunemente mediante applicazione di pressione e
calore; si parla anche di fibre o tessuti preimpregnati.
(Pultrusion) Pultrusione - Processo continuo per la
manifattura di compositi a sezione costante. Il processo
consiste nel tirare il materiale fibroso, che funge da rinforzo. Le fibre passano attraverso un bagno di resina
dove vengono impregnate e, successivamente, in uno
stampo avente la forma dell’oggetto da realizzare, dove
la resina subisce il processo di polimerizzazione.
(Resin) Resina - Materiale rigido o semirigido a temperatura ambiente, avente solitamente punto di fusione o
temperatura di transizione vetrosa maggiore di quella
ambiente.
(Resin content) Contenuto di resina - Quantità di resina presente in un laminato, espresso in termini percentuali o in riferimento alla massa o al volume totale.
(Roving) Matassa - Numero di fili, trefoli o estremità
di fibre raccolte parallelamente l’una all’altra in un rotolo con intrecciatura scarsa o nulla.
(Sheet, FRP) Lamina in FRP - Strato di fibre secche
e flessibili utilizzato per essere impregnate per la realizzazione di sistemi in FRP. I tessuti unidirezionali in FRP
sono costituiti da fibre continue allineate in una sola direzione e tenute insieme in uno stesso piano in modo tale
da creare uno strato di lunghezza e larghezza finita.
(Shelf life) Tempo di stoccaggio del prodotto - Arco
temporale in cui il materiale imballato può essere conservato e rimanere utilizzabile.
(Sizing) - Trattamento superficiale o rivestimento che
si effettua ai filamenti al fine di migliorare l’adesione tra
filamento e resina e conferire lavorabilità e durabilità.
(Sustained stress) - Tensione dovuta ai carichi agenti
non fattorizzati includendo i carichi fissi e l’aliquota dei
carichi accidentali continuamente presenti sulla struttura.
(Thermoset) Termoindurente - resina formata mediante reticolazione di catene di polimeri. Nota: un termoindurente non può essere fuso e riciclato in quanto le
catene polimeriche formano un reticolo tridimensionale.
(Tow) - Fascio di filamenti continui non intrecciati.
(Vinyl ester) Vinilestere - Resina termoindurente
contenente i gruppi vinile ed estere, e polimerizzabile
per addizione attivata mediante formazione di radicali
liberi. Le resine vinilesteri sono utilizzate come leganti
per laminati di fibre ed adesivi.
VOC - Composti organici volatili; ogni composto del
carbonio ad esclusione del monossido di carbonio, diossido di carbonio, acido carbonico, carburi metallici o
carbonati e carbonato di ammonio, che partecipa a reazioni fotochimiche atmosferiche quali la diminuzione
dell’ozono nell’atmosfera (buco dell’ozono).
(Volum fraction) Frazione volumetrica - Valore
compreso tra 0 e 1 fornito dal rapporto tra il volume di
un componente all’interno di un composito ed un volume base preso come riferimento; ad esempio frazione
volumetrica in fibre.
(Wet layup) Processo di applicazione in opera - Metodologia di realizzazione in opera di un laminato ottenuta impregnando con una resina liquida un tessuto.
(Wet-out) - Impregnazione Processo di rivestimento
o impregnazione di matasse di fibre, di filamenti o tessuti in cui tutti i vuoti tra i fili ed i filamenti sono riempiti
mediante resine; rappresenta anche la condizione in cui
si raggiunge tale stato.
(Witness panel) Pannello campione - Piccolo campione di FRP, prelevato in sito da un area che risulti non
critica nelle condizioni di esercizio della costruzione. Il
pannello può essere in un secondo momento testato ai
fini della determinazione e della conferma delle proprietà meccaniche e fisiche del particolare sistema in
FRP installato.
(Yarn) Filato - Assemblaggio di filamenti intrecciati,
fibre o fili, aventi lunghezza continua in modo da ottenere prodotti tessili.
1.5 – Notazioni
Af
= n tf wf , area del rinforzo esterno in FRP
(mm2)
Afv
= area del rinforzo a taglio in FRP (mm2)
Ag
= area della sezione in calcestruzzo (mm2)
As
= area dell’armatura in acciaio (mm2)
Ast
= area totale dell’armatura in aciaio (mm2)
b
= larghezza della sezione rettangolare (mm)
bw
= larghezza dell’anima per sezioni a T o diametro per sezioni circolari (mm)
c
= profondità dell’asse neutro (mm)
CE
= coefficiente di riduzione ambientale
d
= altezza utile (mm)
df
= altezza utile del rinforzo a taglio in FRP
come mostrato in Fig. 10.2, (mm)
Ec
= modulo elastico del calcestruzzo (MPa)
Ef
= modulo elastico dell’FRP, (MPa)
Es
= modulo elastico dell’acciaio, (MPa)
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
fc
f′c
f′cc
ff
ff,s
ffe
f*fu
ffu
f fu
fl
fs
fs,s
fy
h
Icr
k
kf
k1
k2
Le
ldf
Mcr
Mn
Ms
Mu
n
p*fu
p fu
Pn
r
Rn
= Stato tensionale nel calcestruzzo, (MPa)
= resistenza caratteristica a compressione del
calcestruzzo, (MPa)
= resistenza a compressione apparente del
calcestruzzo confinato, (MPa)
= stato tensionale nel rinforzo in FRP, (MPa)
= stato tensionale di esercizio nel rinforzo in
FRP, (MPa)
= stato tensionale efficace nell’FRP; stato
tensionale raggiunto alla rottura della sezione, (MPa)
= resistenza a trazione ultima dell’FRP come
riportato dal produttore, (MPa)
= resistenza a trazione ultima di progetto
dell’FRP, (MPa)
resistenza a trazione ultima media
=
dell’FRP, (MPa)
= pressione di confinamento dovuta all’FRP,
(MPa)
= stato tensionale nell’armatura in acciaio,
(MPa)
= stato tensionale di esercizio nell’armatura
in acciaio, (MPa)
= tensione di snervamento dell’acciaio,
(MPa)
= altezza della sezione, (mm)
= momento di inerzia della sezione fessurata,
(mm4)
= rapporto tra la profondità dell’asse neutro e
l’altezza utile della sezione
= Rigidezza per unità di larghezza e per singolo strato di rinforzo in FRP, (N/mm) kf =
Ef tf
= coefficiente di modificazione per κv che
tiene conto della resistenza del calcestruzzo
= coefficiente di modificazione per κv che
tiene conto dello schema di rinforzo
= lunghezza di ancoraggio attiva per il rinforzo a taglio in FRP, (mm)
= lunghezza di ancoraggio per il rinforzo a
flessione in FRP, (mm)
= momento di fessurazione, (Nmm)
= momento nominale della sezione, (Nmm)
= momento dovuto ai carichi di servizio,
(Nmm)
= momento ultimo dovuto ai carichi agenti,
(Nmm)
= numero di strati del rinforzo in FRP
= resistenza ultima a trazione per larghezza
unitaria e per singolo strato di rinforzo in
FRP, (N/mm) p*fu = f*fu tf
= resistenza ultima a trazione media per larghezza unitaria e per singolo strato di rinforzo in FRP, (N/mm)
= resistenza assiale nominale associato ad un
dato valore di eccentricità, (N)
= raggio di arrotondamento degli spigoli di
una sezione quadrata o rettangolare confinata con FRP, (mm)
= resistenza nominale di un elemento
Rnθ
SDL
sf
SLL
tf
Tg
Vc
Vn
Vs
Vf
Vu
wf
α
αL
αT
β1
εbi
εc
ε'cc
εcu
εf
εfe
ε∗fu
εfu
ε fu
εs
εsy
φ
γ
κa
440.2R-9
= resistenza nominale di un elemento soggetto ad elevate temperature dovute a incendio
= Sollecitazione dovuta ai carichi permanenti
= Passo del rinforzo a taglio in FRP come
definito in Figura 10.2, (mm)
= sollecitazione dovuta ai carichi accidentali
= spessore nominale di uno strato di rinforzo
in FRP, (mm)
= temperatura di transizione vetrosa, (C)
= contributo del calcestruzzo alla resistenza a
taglio, (N)
= taglio nominale della sezione, (N)
= contributo a taglio dell’armatura metallica,
(N)
= contributo a taglio del rinforzo in FRP, (N)
= sollecitazione a taglio dovuta ai carichi
agenti fattorizzati, (N)
= larghezza del rinforzo in FRP, (mm)
= angolo di inclinazione delle staffe o delle
spirali, gradi
= coefficiente di dilatazione termica longitudinale, (mm/mm/C)
= coefficiente di dilatazione termica trasversale, (mm/mm/C)
= rapporto tra la profondità dello stress block
equivalente rispetto a quella dell’asse neutro
= deformazione nel supporto in calcestruzzo
al momento dell’installazione del rinforzo
in FRP (trazione positiva), (mm/mm)
= deformazione del calcestruzzo, (mm/mm)
= massima deformazione utilizzabile del calcestruzzo confinato con FRP, (mm/mm)
= massima deformazione utilizzabile del calcestruzzo (0.003), (mm/mm)
= deformazione del rinforzo in FRP,
(mm/mm)
= deformazione efficace del rinforzo in FRP;
deformazione corrispondente alla crisi della
sezione, (mm/mm)
= deformazione ultima del rinforzo in FRP
fornita dal produttore, (mm/mm)
= deformazione ultima di progetto del rinforzo in FRP, (mm/mm)
= deformazione media ultima del rinforzo in
FRP ottenuta su una popolazione di 20 o
più prove di trazione secondo la ASTM D
3039, (mm/mm)
= deformazione dell’armatura metallica,
(mm/mm)
= deformazione di snervamento dell’armatura
metallica, (mm/mm)
= coefficiente di riduzione della resistenza
= moltiplicatore della resistenza cilindrica f'c
che consente di determinare il valore di
tensione dello stress block per il calcestruzzo
= coefficiente di efficienza per il confinamento in FRP (dipendente dalla forma della
sezione)
440.2R-10
κm
κv
ρf
ρg
ρs
σ
ψf
ACI COMMITTEE REPORT
= coefficiente di riduzione del contributo a
flessione del rinforzo in FRP
= coefficiente di riduzione del contributo a
taglio del rinforzo in FRP
= percentuale geometrica del rinforzo in FRP
= rapporto tra l’area di armatura metallica
longitudinale e l’area della sezione di un
elemento compresso
= percentuale geometrica di armatura metallica
= deviazione standard
= ulteriore coefficiente di riduzione della
resistenza specifico per il rinforzo in FRP
CAPITOLO 2 – INFORMAZIONI PRELIMINARI
I sistemi di rinforzo esterno in FRP sono stati utilizzati in tutto il mondo sin dalla metà degli anni ottanta per il
rinforzo e la riabilitazione di strutture esistenti in calcestruzzo. Negli ultimi anni il numero di interventi realizzati con questa tecnologia è aumentato drasticamente
(Bakis et al. 2002). Il rinforzo esterno mediante l’utilizzo
di sistemi in FRP tipicamente include elementi strutturali
diversi quali, ad esempio, travi, solette, colonne, muri,
elementi di connessione (nodi), ciminiere, volte, cupole,
gallerie, silos, condotte, e sistemi di travature. Tali sistemi sono stati utilizzati anche nel rinforzo di murature,
strutture in legno ed in acciaio. L’idea di rinforzare strutture in calcestruzzo con l’ausilio di materiali esterni non
è certamente nuova. I sistemi di rinforzo in FRP si svilupparono come alternativa alle tradizionali tecniche di
rinforzo esterno quali, ad esempio, la placcatura in acciaio e il confinamento di colonne sia attraverso profili
metallici che incamiciature in calcestruzzo. Lo sviluppo
iniziale di sistemi di rinforzo esterno in FRP su strutture
in calcestruzzo ebbe inizio negli anni ottanta sia in Europa che in Giappone.
2.1 – Evoluzione Storica
In Europa i sistemi in FRP si svilupparono come alternativa ai sistemi di placcaggio in acciaio. Il placcaggio
di elementi strutturali in calcestruzzo mediante piatti in
acciaio applicati in zona tesa si dimostrò una valida ed
efficace tecnica per incrementarne la resistenza a flessione (Fleming e King 1967). Tale tecnica è stata utilizzata, in molteplici casi ed in tutto il mondo, per rinforzare ponti ed edifici. Tuttavia, siccome i piatti in acciaio
utilizzati per il rinforzo esterno sono suscettibili alla corrosione e possono, quindi, causare distacchi tra il materiale aggiunto e il supporto in calcestruzzo, sono pesanti
e richiedono ingombranti equipaggiamenti per la loro
installazioni, studiosi e ricercatori hanno ben visto la
possibilità di sostituire l’acciaio con gli FRP. I primi
risultati sperimentali relativi all’applicazione dei materiali in FRP per la riabilitazione di strutture in calcestruzzo si riscontrarono in Germania nel 1978 (Wolf e
Miessler 1989). L’attività di ricerca condotta in Svizzera
condusse alle prime applicazioni di sistemi di rinforzo
esterno in FRP per il rinforzo a flessione di ponti in calcestruzzo (Meier 1987; Rostasy 1987).
Nel 1980 in Giappone furono applicati, per la prima
volta, sistemi in FRP per ottenere un’azione di confinamento su colonne in c.a. (Fardis e Khalili 1981; Katsumata et al. 1987). Un improvviso aumento nell’uso degli
FRP si registrò in Giappone dopo il terremoto di Hyogoken Nanbu nel 1995 (Nanni 1995).
Gli Stati Uniti hanno mostrato sin dal 1930 un continuo interesse nei riguardi delle tecniche di rinforzo mediante materiali compositi per strutture in calcestruzzo.
Soltanto negli anni ottanta, tuttavia, la ricerca e lo sviluppo di tali materiali per la riabilitazione strutturale
divenne una realtà concreta grazie alle iniziative del National Science Foundation (NSF) e del Federal Highway
Administration (FHWA). Le attività di ricerca riguardarono diversi campi di applicazione e differenti condizioni ambientali. I risultati delle prime ricerche ed applicazioni nel campo del rinforzo e della riabilitazione strutturale mediante FRP sono riportati nell’ACI 440-96 e negli
atti delle maggiori conferenze sui compositi (Japan Concrete Institute 1997; Neale 2000; Dolan et al. 1999; Sheheta et al. 1999; Saadatmanesh ed Ehsani 1998; Benmokrane e Rahman 1998; Neale e Labossière 1997; Hassan
e Rizkalla 2002). Lo sviluppo di codici e norme nei riguardi dei sistemi di rinforzo esterno in FRP sono attualmente in corso in Europa, Giappone, Canada e Stati
Uniti. Nell’ultimo decennio, la Japan Society of Civil
Engineers (JSCE), il Japan Concrete Institute (JCI) e il
Railway Technical Research Institute (RTRI) hanno
pubblicato numerosi documenti relativi all’uso di FRP
in strutture in calcestruzzo.
In Europa è stato recentemente pubblicato un bollettino relativo alle norme progettuali per il rinforzo esterno
in FRP su strutture in c.a. a cura del Task Group 9.3
dell’International Federation for Structural Concrete
(FIB, 2001). Sono stati altresì attivi nella redazione di
direttive sull’uso di sistemi in FRP sia la Canada Standard Association che l’ISIS. Nel 2000 è stata completata
la Sezione 16, “Fiber Reinforced Concrete”, del Canadian Highway Bridge Desgn Code” (CSA S806-02) e
recentemente è stato approvato il codice “Design and
Construction of Building Components with Fiber Reinforced Polymers” (CSA S806-02).
Negli Stati Uniti stanno diventando disponibili per
l’industria delle costruzioni manuali per la progettazione
mediante sistemi in FRP (AC125 1997; CALTRANS
1996; Hawkins et al. 1998).
2.2 – Sistemi di rinforzo esterno in FRP disponibili sul mercato
Esistono diverse tipologie di sistemi in FRP che includono sia i sistemi che richiedono l’applicazione in opera
(i cosiddetti sistemi wet lay-up) che quelli che provengono da processi di prefabbricazione (sistemi pre-cured).
Le diverse tipologie possono essere distinte in riferimento a come vengono consegnate in cantiere ed al loro procedimento di installazione. La migliore tipologia del
sistema in FRP dovrebbe essere scelta di volta in volta
sulla base sia del miglior trasferimento dei carichi possibile che sulla facilità di applicazione. Le tipologie più
comuni di sistemi in FRP per il rinforzo di elementi
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
strutturali sono di seguito riportate:
2.2.1 Sistemi applicati in opera (wet lay-up) – Consitono in tessuti di fibre mono o multidirezionali impregnati in sito in una resina saturante. Tale resina, insieme
al primer e al putty, garantisce l’aderenza tra i tessuti in
FRP e la superficie del calcestruzzo. In questi sistemi la
polimerizzazione delle resine avviene direttamente in
cantiere ed in tal senso possono essere paragonati al calcestruzzo gettato in opera. Di seguito se ne riportano le
tipologie più comuni:
1. Tessuti in fibra unidirezionale in cui le fibre sono
per lo più predisposte in un'unica direzione nel piano;
2. Tessuti in fibra multidirezionale in cui le fibre sono
orientate in almeno due direzioni nel piano; e
3. Bandoli di fibra avvolti o applicati meccanicamente
sulla superficie del calcestruzzo da rinforzare. Tali fibre
vengono impregnate in una resina direttamente in cantiere durante le operazioni di avvolgimento.
2.2.2 Sistemi pre-impregnati (pre-preg) – Consistono
in tessuti di fibre unidirezionali o multidirezionali non
polimerizzati e parzialmente o totalmente pre-impregnati
in una resina direttamente dall’azienda produttrice. Tali
sistemi possono essere applicati sulla superficie di calcestruzzo con o senza l’applicazione di una resina aggiuntiva a seconda della tipologia di intervento da effettuare.
Tali sistemi sono saturati in stabilimento e, come nel
caso dei sistemi applicati in opera, sono polimerizzati in
cantiere. E’ opportuno consultare i produttori in merito
alle modalità di stoccaggio, scadenza e alle procedure di
polimerizzazione. Le tre tipologie più comuni sono di
seguito riportate:
1. Tessuti in fibra unidirezionale pre-impregnati in cui
le fibre sono per lo più predisposte in un'unica direzione
nel piano;
2. Tessuti in fibra multidirezionale prei-mpregnati in
cui le fibre sono orientate in almeno due direzioni nel
piano; e
3. Rotoli di fibre avvolti o applicati meccanicamente
sulla superficie del calcestruzzo. Tali fibre vengono impregnate direttamente in cantiere durante le operazioni di
avvolgimento.
2.2.3 Sistemi prefabbricati (pre-cured) – I sistemi prodotto di processi industriali si presentano in un’ampia
gamma di forme. In genere l’applicazione sulla superficie di calcestruzzo avviene attraverso l’utilizzo di un
adesivo e di un primer e putty. E’ opportuno consultare i
produttori in merito alle procedure di installazione. Le
tre tipologie più comuni sono di seguito riportate:
1. Laminati unidirezionali, sono in genere consegnati
in cantiere sotto forma di elementi rettilinei o avvolti in
rotoli;
2. Griglie multidirezionali, tipicamente consegnate in
cantiere in rotoli;
3. Laminati a profilo curvilineo, generalmente consegnati in cantiere sotto forma di segmenti circolari che
possono essere tagliati longitudinalmente in modo tale
da poter essere utilizzati come fasciatura per colonne ed
altri elementi strutturali. Più elementi possono essere
sovrapposti per fornire adeguato confinamento in caso di
eventi sismici.
440.2R-11
2.2.4 Altre tipologie in FRP – Altre tipologie quali
barre rigide, cavi e trefoli flessibili (Saadatmanesh e
Tannous 1999; Dolan 1999; Fukuyama 1999; ACI 440R96 e ACI 440.1R-01) non sono trattate in questo documento.
PARTE 2 – MATERIALI
CAPITOLO 3 – MATERIALI COSTITUENTI E
PROPRIETA’
In questo capitolo si presentano le proprietà fisiche e
meccaniche dei materiali in FRP per il loro utilizzo come
rinforzo esterno nelle strutture in c.a.. Si analizzano inoltre altri fattori che hanno importanza sulle proprietà degli FRP come la durata dei carichi, la temperatura e
l’umidità.
I sistemi di rinforzo con FRP possono essere realizzati
con diverse tecnologie (wet lay-up, pre-peg, pre-cured).
Le caratteristiche dei materiali in FRP dipendono da
numerosi fattori, quali volume delle fibre, tipo di fibra,
tipo di resina, orientamento delle fibre, e controllo di
qualità durante la produzione. Le caratteristiche del materiale descritte in questo capitolo sono generali e non
applicabili a tutti i prodotti commercialmente disponibili.
Molte istituzioni, tra cui ASTM, ACI e ISIS, stanno mettendo a punto metodi di prova standard per la caratterizzazione di alcuni prodotti in FRP. Nel frattempo è opportuno che il progettista acquisisca dal produttore dello
specifico sistema FRP che intende usare le necessarie
informazioni sulle principali caratteristiche e sulla loro
applicabilità.
3.1 – Materiali costituenti
I materiali che costituiscono i sistemi in FRP disponibili in commercio per la riparazione e il rinforzo di elementi in calcestruzzo inclusi le resine (primer, putty,
saturant), gli adesivi e le fibre, sono stati messi a punto
basandosi sui risultati di prove sperimentali su materiali
e strutture.
3.1.1 Resine – Per i sistemi in FRP può essere utilizzata un’ampia gamma di resine polimeriche comprendenti
primer, putty, saturant e adesivi. I tipi di resine più comunemente utilizzate, tra cui le resine epossidiche, vinilestere e poliestere, sono state sviluppate per essere impiegate in un vasto campo di condizioni ambientali. I
produttori di sistemi in FRP attualmente in commercio
utilizzano resine con le seguenti caratteristiche:
• Compatibilità ed adesione al supporto in calcestruzzo;
• Compatibilità ed adesione al sistema composito in
FRP;
• Resistenza ai fattori ambientali, inclusi, ma non limitati a, umidità, salinità dell’acqua, temperature estreme e attacchi chimici normalmente associati
all’esposizione del calcestruzzo;
• Capacità di riempimento;
• Lavorabilità;
• Arco temporale di utilizzo dell’FRP consistente con
l’applicazione;
440.2R-12
ACI COMMITTEE REPORT
•
•
Compatibilità e adesione alle fibre; e
Sviluppo di proprietà meccaniche adeguate per il
composito in FRP.
3.1.1.1 Primer – Il Primer è utilizzato per penetrare lo
strato più superficiale del calcestruzzo allo scopo di migliorare l’adesione del materiale di rinforzo al supporto.
3.1.1.2 Putty – Il putty è utilizzato per riempire modeste imperfezioni del supporto su cui viene fatta l’applicazione, quali piccoli fori, e per garantire una superficie
liscia su cui fare aderire il sistema in FRP. Il riempimento dei vuoti superficiali previene inoltre la formazione di
bolle durante la polimerizzazione del saturant.
3.1.1.3 Saturant – Il saturant si usa per impregnare le
fibre, per farle aderire perfettamente alla superficie e per
consentire il trasferimento degli sforzi da una fibra
all’altra. Inoltre ha la funzione di adesivo per il sistema
FRP wet lay-up, garantendo il trasferimento degli sforzi
tra calcestruzzo e il sistema in FRP stesso.
3.1.1.4 Adesivo – Gli adesivi sono utilizzati per incollare le lamine in FRP dei sistemi pre-cured sul calcestruzzo garantendono il trasferimento degli sforzi. Gli
adesivi sono utilizzati anche per collegare tra loro più
strati di lamine pre-cured in FRP.
3.1.1.5 Strati protettivi - Lo strato protettivo è utilizzato per proteggere il rinforzo in FRP da possibili aggressioni dell’ambiente esterno. Tali strati sono generalmente applicati sulla superficie esterna del sistema di rinforzo dopo la polimerizzazione del saturant.
3.1.2 Fibre – Per i sistemi in FRP sono comunemente
utilizzate fibre continue di vetro, aramide o carbonio. Le
fibre forniscono resistenza e rigidezza al sistema di rinforzo. I campi di variazione tipici dei valori delle proprietà delle fibre sottoposte a trazione sono riportati
nell’APPENDICE A. Una descrizione più dettagliata
delle fibre è fornita dall’ACI 440R.
3.2 – Proprietà fisiche
3.2.1 Densità – I materiali compositi hanno una densità che varia da 1.2 a 2.1 g/cm3, che è da quattro a sei
volte minore di quella dell’acciaio (
3.2.2Tabella 3.1). Il basso valore della densità comporta una riduzione dei costi di trasporto, una minore
incidenza del peso proprio sui carichi della struttura e
un’agevole movimentazione dei materiali in cantiere.
3.2.3 Coefficienti di espansione termica – I materiali
in FRP unidirezionali presentano coefficienti di espansione termica differenti in direzione longitudinale e trasversale, in funzione del tipo di fibra, di resina e della
percentuale volumetrica di fibra presente. Nella Tabella
3.2 sono elencati i coefficienti di espansione termica
longitudinali e trasversali. Si noti che un coefficiente di
espansione termica negativo indica che il materiale si
contrae al crescere della temperatura e che si espande al
diminuire della temperatura. Ad esempio, il calcestruzzo
ha un coefficiente di espansione termica che varia da
7x10-6 a 11x10-6/°C) e di solito si considera isotropo
(Mindess and Young, 1981). L’acciaio ha un coefficiente
di espansione termica di 11x10-6/°C. Si veda la Sezione
8.3.1 per le indicazioni progettuali che tengono in conto
dei coefficienti di espansione termica.
3.2.4 Effetti dell’elevata temperatura – Al di sopra
della temperatura Tg, il modulo elastico di un polimero si
riduce significativamente a causa di una modificazione
della sua struttura molecolare. Il valore di Tg dipende dal
tipo di resina, ma di solito varia in un intervallo compreso tra 60 a 80°C. In un materiale composito, le fibre, che
hanno migliori proprietà termiche rispetto alle resine,
riescono a sostenere un certo carico in direzione longitudinale finchè la temperatura limite non è raggiunta. Questo può avvenire a temperature prossime a 1000°C per
fibre di vetro e 175°C per fibre aramidiche. Le fibre di
carbonio sono in grado di resistere a temperature oltre i
275°C. A causa della riduzione del trasferimento degli
sforzi tra le fibre che dipende dalla resina, le proprietà
del composito nel suo insieme tendono comunque a deteriorarsi. Alcuni risultati sperimentali hanno dimostrato
che temperature di 250°C, molto più alte dei valori di Tg
delle resine, possono ridurre la resistenza a trazione di
GFRP e CFRP di oltre il 20% (Kumahara et al., 1983).
Altre proprietà legate alla capacità di trasferimento degli
sforzi attraverso la resina, quali la resistenza a flessione,
si riducono significativamente per temperature più basse
(Wang and Evans, 1995).
Per applicazioni di sistemi in FRP dove l’aderenza è
un aspetto critico, le proprietà del polimero all’interfaccia fibra-calcestruzzo sono essenziali per garantire
l’aderenza tra i due materiali. In ogni caso, per temperature prossime alla Tg, le proprietà del polimero degradano in modo rilevante, ed il composito comincia a perdere
la sua capacità di trasferire gli sforzi dalle fibre al calcestruzzo.
3.3 – Proprietà meccaniche
Comportamento a trazione – Nel caso di sollecitazioni di trazione pura, i materiali in FRP non mostrano alcun comportamento plastico (snervamento) prima della
rottura.
Il comportamento a trazione dei materiali composti da
un solo tipo di fibra è caratterizzato da una relazione
tensione-deformazione di tipo elastico-lineare fino a
rottura, che avviene in maniera improvvisa e con modalità che potrebbero essere catastrofiche.
Tabella 3.1 – Valori tipici della densità degli FRP
confrontati con l’acciaio, (g/cm3)
Acciaio
7.9
GFRP
1.2÷2.1
CFRP
1.5÷1.6
AFRP
1.2÷1.5
Tabella 3.2 – Valori tipici del coefficiente di dilazione
termica per gli FRP
Direzione
Longitudinale, αL
Trasversale, αT
Coefficienti di dilatazione termica
(x10-6/°C)
GFRP
CFRP
AFRP
6÷10
-1÷0
-6÷-2
19÷23
22÷50
60÷80
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
La resistenza a trazione e la rigidezza di un materiale
in FRP dipendono da diversi fattori. Poiché le fibre in un
composito rappresentano il costituente che porta la maggior parte del carico, il tipo, l’orientazione e la quantità
di esse ne governano le proprietà meccaniche. A causa
del ruolo primario delle fibre, le proprietà di un sistema
di rinforzo sono a volte riportate con riferimento all’area
netta delle fibre. In altri casi, le proprietà sono relative
all’area totale della lamina (sistemi pre-cured).
L’area totale di un sistema in FRP è calcolata con riferimento a tutta la sezione trasversale del composito, che
comprende tutte le fibre e la resina. L’area totale è generalmente utilizzata per lamine pultruse in FRP (precured), per le quali lo spessore è costante ed il rapporto
tra fibre e resina è controllato in stabilimento.
L’area netta di un sistema FRP è calcolata sulla base
dell’area nota di fibre, trascurando la larghezza totale e
lo spessore del sistema composito; pertanto la resina
viene trascurata. L’area netta di fibre è generalmente
utilizzata per esprimere le proprietà dei sistemi wet layup, che sono ottenuti da tessuti di fibre con applicazione
delle resine in sito. Per come sono applicati, i sistemi
wet lay-up presentano una percentuale controllata di
fibre ed un contenuto variabile di resina.
Quando le proprietà di sistemi in FRP sono espresse
con riferimento all’area totale, le dimensioni degli spessori sono più elevate, e i valori delle resistenze e dei moduli elastici sono più bassi; se le proprietà fanno riferimento all’area netta, allora gli spessori dei tessuti sono
molto più piccoli e i valori delle resistenze e dei moduli
elastici sono più elevati. Indipendentemente dal modo
con cui si valutano le proprietà di un sistema in FRP, la
resistenza in termini di capacità portante (ffuAf) e la rigidezza (AfEf) restano costanti. (Il calcolo delle proprietà
di un sistema FRP utilizzando l’area totale o l’area netta
è illustrato nella PARTE 5). Le proprietà valutate con
riferimento all’area netta non sono le proprietà delle fibre nude (trattate individualmente). Le proprietà di un
sistema in FRP devono essere caratterizzate per il composito considerato nel suo insieme, tenendo conto dell’efficienza del sistema fibre-resina, della struttura e della metodologia utilizzata per creare il composito stesso e
non valutando le proprietà delle singole fibre. La valutazione delle proprietà meccaniche di tutti i sistemi in
FRP, indipendentemente dal tipo, dovrebbe essere basata
sulla realizzazione di prove sperimentali su campioni di
lamine a contenuto noto di fibre.
Le proprietà a trazione di alcuni sistemi di rinforzo in
FRP disponibili sul mercato sono riportate nell’APPENDICE A. In ogni caso le proprietà a trazione di
alcuni particolari sistemi possono essere richieste ai produttori stessi. I produttori devono fornire una resistenza
ultima a trazione, definita secondo queste linee guida,
come il valore medio della resistenza a trazione valutata
su un insieme di prove sperimentali meno tre volte la
*
deviazione standard f fu = f fu − 3σ ed analogamente
(
)
per la deformazione ultima a rottura ( ε
*
fu
)
= ε fu − 3σ .
Queste resistenze a trazione ottenute su base statistica
440.2R-13
prevedono una probabilità del 99.87% che i valori indicati siano superati (Mutsuyoshi et al., 1990). Il modulo
elastico deve essere calcolato come modulo secante tra i
valori di deformazione 0.003 e 0.006, secondo le indicazioni della norma ASTM D 3039. Per determinare le
proprietà ultime a trazione si deve considerare un numero minimo di 20 provini uguali. Inoltre il produttore deve
fornire una descrizione del metodo utilizzato per ottenere
queste proprietà, incluso il numero delle prove sperimentali, i valori medi e le deviazioni standard.
3.3.1 Comportamento a compressione – I sistemi in
FRP non dovrebbero essere utilizzati come rinforzo a
compressione a causa della mancanza di sufficienti prove sperimentali che ne confermino la validità in questo
tipo di applicazioni. Anche se si suggerisce di non fare
affidamento su tali sistemi per resistere alle tensioni di
compressione, la sezione seguente presenta informazioni
relative al comportamento degli FRP in compressione.
Alcune prove sperimentali su lamine in FRP per il rinforzo di elementi in calcestruzzo hanno mostrato che la
resistenza a compressione è minore di quella a trazione
(Wu, 1990). Le modalità di rottura di lamine in FRP
sollecitate a compressione longitudinale comprendono la
crisi per trazione in direzione trasversale, microinstabilità delle fibre o crisi per taglio. La modalità di
rottura dipende dal tipo di fibre, dalla percentuale volumetrica delle fibre e dal tipo di resina. Per GFRP, CFRP
e AFRP (Wu, 1990) sono state rilevate rispettivamente
resistenze a compressione pari al 55, 78 e 20% della
resistenza a trazione. In genere le resistenze a compressione sono più elevate per materiali con resistenze a trazione più elevate, eccetto nel caso dell’AFRP, dove le
fibre mostrano un comportamento non lineare in compressione per valori delle tensioni relativamente bassi.
Il modulo elastico a compressione è di solito più basso
del modulo elastico a trazione. Prove sperimentali su
campioni contenenti una percentuale volumetrica di fibre
E-glass tra il 55 ed il 60% in una matrice di vinilestere o
di resina poliestere hanno fornito moduli elastici a compressione variabili tra 34 e 48 GPa (Wu, 1990). In base a
tali risultati, il modulo elastico a compressione è approssimativamente pari all’80, 85 e 100% del modulo elastico a trazione rispettivamente per GFRP, CFRP e AFRP
(Ehsani, 1993).
3.4 – Comportamento nel tempo
3.4.1 Rottura dovuta al creep – I materiali in FRP
soggetti ad un carico costante nel tempo possono improvvisamente rompersi dopo un periodo di tempo definito come tempo di permanenza sotto carico. Questo tipo
di rottura è nota come rottura per creep. Al crescere del
rapporto tra la tensione di trazione presente nel materiale
e la resistenza a breve termine della lamina in FRP, la
vita della lamina sotto carico decresce. Il tempo di permanenza sotto carico (endurance limit) decresce anche in
presenza di condizioni ambientali sfavorevoli, quali l’alta temperatura, l’esposizione ai raggi ultravioletti, l’elevata alcalinità e cicli secco-umido o gelo-disgelo.
In genere, le fibre di carbonio sono le meno suscettibili a rottura per creep, le fibre di aramide sono moderata-
440.2R-14
ACI COMMITTEE REPORT
mente sensibili e le fibre di vetro sono le più sensibili.
Alcune prove sperimentali sulla rottura per creep sono
state condotte su barre di diametro 6 mm in FRP con
fibre di carbonio, vetro e aramide. Tali barre sono state
provate per differenti livelli di carico a temperatura ambiente. I risultati indicano che esiste una relazione lineare tra la resistenza a rottura per creep ed il logaritmo del
tempo a tutti i livelli di carico investigati. I rapporti tra la
tensione all’atto della rottura per creep dopo 50,000 ore
(circa 50 anni) e la resistenza ultima a trazione iniziale di
barre in GFRP, AFRP e CFRP calcolati per estrapolazione sono rispettivamente pari a 0.3, 0.47 e 0.91 (Yamaguchi et al. 1997). Valori similari sono stati riscontrati anche in altre prove (Malvar 1998).
Nella sezione di queste linee guida dedicata alla progettazione sono fornite alcune indicazioni sul valore
limite della tensione nel materiale per evitare la rottura
per viscosità. Quanto più la tensione di lavoro nell’FRP
è al di sotto del valore limite di rottura per viscosità,
tanto più la resistenza dell’FRP è disponibile per incrementi del carico di natura intermittente.
3.4.2 Fatica – Negli ultimi 30 anni è stato prodotto un
notevole quantitativo di dati relativi al comportamento a
fatica ed alla previsione della vita utile dei materiali
compositi (National Research Council 1991). Nell’arco
di questo periodo di tempo, le ricerche hanno riguardato
principalmente i materiali del settore aerospaziale. Malgrado le differenze esistenti in termini di qualità tra i
materiali per il settore aerospaziale e quelli di tipo più
commerciale, si possono comunque fare alcune considerazioni generali sul comportamento a fatica dei materiali
in FRP. Se non viene specificato altrimenti, i seguenti
risultati sono basati sul comportamento di materiali monodirezionali con una percentuale volumetrica di fibra di
circa il 60% e soggetti a cicli di trazione sinusoidali caratterizzati da:
• Frequenza sufficientemente bassa per non causare
surriscaldamento del materiale;
• Condizioni di laboratorio ambientali;
• Rapporto di tensione (rapporto tra la minima e la
massima tensione di trazione applicata) di 0.1; e
• Direzione di applicazione del carico parallela all’allineamento principale delle fibre.
Condizioni di prova in cui temperatura e contenuto di
umidità nei materiali in FRP sono più elevati di quelli
sopra specificati generalmente determinano un degrado
del comportamento a fatica.
Fra tutti i tipi di compositi in FRP utilizzati per applicazioni per le infrastrutture, i materiali in CFRP sono i
meno soggetti a crisi per fatica. Per il CFRP un valore
tipico del limite di resistenza a fatica è variabile tra il 60
e il 70% della resistenza ultima a trazione iniziale in
condizioni statiche. Diagrammando la tensione in funzione del logaritmo del numero di cicli a rottura, la riduzione, per materiali in CFRP, è in genere di circa il 5%
della resistenza iniziale statica per ogni dieci anni di vita.
Per un milione di cicli, la resistenza a fatica è di solito
compresa tra il 60 ed il 70% della resistenza ultima statica iniziale ed è relativamente indipendente dal grado di
umidità e dalla temperatura di esposizione della struttura
in calcestruzzo rinforzata, a meno che la resina o l’interfaccia fibra-resina non risultino notevolmente degradate
a seguito degli attacchi degli agenti ambientali.
I risultati di prove di laboratorio in condizioni ambiente (Mandell e Meier, 1983) su singole fibre di vetro hanno evidenziato l’insorgere di una rottura ritardata dovuta
a fenomeni di corrosione, indotti dalla propagazione di
difetti superficiali in presenza di quantità anche modeste
di umidità. Quando le fibre di vetro si trovano inglobate
in una matrice per formare il materiale composito si osserva un decadimento di circa il 10% della resistenza
statica iniziale a trazione per ogni decade della vita utile
dovuto a fenomeni di fatica (Mandell 1982). Tale comportamento a fatica si attribuisce all’interazione fibrafibra e si assume che non sia dipendente dal meccanismo
di corrosione descritto per le singole fibre. Di solito non
è possibile definire nessun chiaro livello di sollecitazione
limite per fatica. I fattori ambientali possono giocare in
tal senso un ruolo importante ai fini del comportamento
a fatica a causa della sensibilità del vetro all’umidità,
agli ambienti alcalini ed agli attacchi di soluzioni acide.
Le fibre aramidiche, per le quali sono disponibili numerose informazioni sulla durabilità, mostrano un buon
comportamento a fatica. Trascurando in questo contesto
che tutte le fibre aramidiche presentano una durabilità
piuttosto modesta se sottoposte a sforzi di compressione,
il comportamento a fatica di un tessuto impregnato in
fibre aramidiche è eccellente. Il degrado della resistenza
a trazione per decade di vita utile è approssimativamente
compreso tra il 5 e il 6% (Roylance e Roylance, 1981).
Mentre non è stato definito un limite di resistenza per
l’AFRP in genere, per cavi commerciali in AFRP utilizzati per applicazioni in elementi in calcestruzzo, prove
della durata di 2 milioni di cicli hanno comportato una
riduzione della resistenza compresa tra il 54 e il 73%
della resistenza ultima a trazione (Odagiri et al. 1997).
Sulla base di questi risultati, Odagiri suggerisce che la
massima tensione debba essere contenuta tra lo 0.54 e lo
0.73 della resistenza a trazione. Dal momento che la
pendenza del diagramma tensione applicata-logaritmo
del tempo è per l’AFRP simile alla pendenza del diagramma tensione-logaritmo della vita utile per carichi
ciclici, le singole fibre sembrano andare in crisi per raggiungimento di una deformazione limite e per un fenomeno di crisi per creep. Questo fenomeno di limitazione
della vita utile nelle barre di AFRP presenti in commercio è accelerato dall’esposizione ad umidità e temperature elevate (Roylance e Roylance 1981; Rostasy 1997).
3.5 – Durabilità
Molti sistemi in FRP mostrano una riduzione delle
proprietà meccaniche dopo l’esposizione ad alcuni fattori ambientali, tra i quali temperatura, umidità ed attacchi
chimici. L’esposizione alle condizioni ambientali, la
durata dell’esposizione, il tipo e la formulazione delle
resine, il tipo di fibre ed i metodi usati per la loro polimerizzazione sono solo alcuni dei fattori che influenzano
l’entità del degrado riscontrabile nelle proprietà meccaniche. Questi fattori sono discussi in dettaglio nella Sezione 8.3. Le proprietà meccaniche indicate dai produtto-
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
ri sono basate su prove sperimentali condotte in ambienti
protetti e pertanto non considerano gli effetti delle condizioni ambientali nei quali l’elemento rinforzato si troverà. Tali proprietà devono essere modificate in base ai
dati riportati nella Sezione 8.4.
3.6 – Qualificazione dei sistemi in FRP
Ai fini della progettazione, i sistemi in FRP devono
essere qualificati sia sulla base dei risultati forniti da
prove sperimentali di laboratorio che su prove eseguite
su elementi strutturali che attestino la bontà del sistema
in uso per una data applicazione. Il risultato di prove di
durabilità in condizioni ambientali simili a quelle in cui
si verrà a trovare l’elemento rinforzato sono, di nuovo,
un’essenziale informazione che può pregiudicare o meno
l’impiego di un dato prodotto. I dati forniti dai produttori
che dimostrano come i sistemi in FRP proposti riescano
a soddisfare tutte le specifiche di progetto sia in termini
di caratteristiche meccaniche che fisiche, quali ad esempio la resistenza a trazione, la durabilità, la resistenza a
fenomeni di viscosità, la buona aderenza al supporto e il
valore della temperatura Tg, devono essere tenute in debito conto, ma non devono essere considerate come l’unica fonte per una completa caratterizzazione dei materiali.
Non si dovrebbero utilizzare sistemi compositi che
non sono stati completamente caratterizzati. Le proprietà
meccaniche dei sistemi in FRP devono essere determinate sulla base di prove sperimentali su lamine realizzate
secondo procedure rappresentative del loro tipo di impiego. Esse devono essere ottenute secondo procedure
sperimentali conformi a quanto riportato nell’APPENDICE B. Modifiche delle procedure standard di
prova sono permesse per simulare reali condizioni di
installazione.
Specifici programmi di qualificazione dei materiali richiedono la realizzazione di un numero di prove di laboratorio sufficiente per misurare la ripetibilità e l’affidabilità di alcune proprietà critiche. Si raccomanda pertanto
la sperimentazione su serie multiple di campioni. Prove
sperimentali strutturali particolari possono essere utilizzate per valutare l’efficienza e le prestazioni del sistema
in specifiche applicazioni.
PARTE 3 – REQUISITI COSTRUTTIVI
CAPITOLO 4 – TRASPORTO, STOCCAGGIO ED USO
4.1 – Trasporto
I singoli componenti di un sistema in FRP devono essere imballati e trasportati in conformità a tutte le norme
e i regolamenti federali e statali sull’imballaggio e il
trasporto. L’imballaggio, l’etichettatura e il trasporto di
resine termoindurenti sono regolate dal CFR 49. Molti
materiali nel capitolo C (CFR 49), sotto “Hazardous
Materials Regulations”, sono classificati corrosivi, infiammabili o velenosi.
440.2R-15
4.2 – Stoccaggio
4.2.1 Modalità di conservazione – Per garantire le proprietà e la sicurezza dei singoli componenti di un sistema
in FRP, i materiali devono essere conservati rispettando
le indicazioni del produttore. Alcuni elementi, tra cui i
reagenti, gli induritori, i promotori, i catalizzatori, e i
solventi utilizzati per la pulizia degli utensili, devono
rispettare alcune disposizioni di sicurezza e devono
essere conservati secondo le prescrizioni del produttore e
dell’OSHA. I catalizzatori e i promotori (generalmente i
perossidi) devono essere stoccati separatamente.
4.2.2 Tempo di conservazione – Le proprietà dei singoli componenti delle resine utilizzate negli FRP possono alterarsi nel tempo, con la temperatura o con l’umidità. Tali condizioni ambientali possono alterare la reattività della miscela e le proprietà della resina sia nella fase
indurita sia nello stato antecedente il mescolamento. Il
produttore garantisce che le proprietà dei singoli componenti delle resine soddisfino i requisiti minimi dichiarati
sulle etichette dei prodotti e sulle brochure tecniche fino,
e non oltre, alla data di scadenza.
Qualsiasi componente scaduto, deteriorato o alterato
non dev’essere adoperato. Tutto il materiale giudicato
non adoperabile deve essere smaltito secondo le prescrizioni indicate dal produttore e conformemente alle normative ambientali statali e federali.
4.3 – Uso
4.3.1 Certificati di conformità – I certificati di conformità di tutti gli elementi e componenti devono essere
richiesti al produttore e disponibili in cantiere.
4.3.2 Fonti di informazione – Informazioni dettagliate
sull’uso e sui potenziali pericoli derivanti dall’installazione degli FRP possono essere reperite da varie fonti;
fra esse si citano: documenti editi dall’ACI e dall’ICRI,
le note tecniche e le guide dei produttori, le linee guida
OSHA, e altri documenti governativi. Il documento ACI
503R rappresenta il manuale specifico sull’uso sicuro di
composti epossidici.
4.3.3 Rischi generali di utilizzo – La categoria delle
resine termoindurenti comprende le resine poliestere
insature, le vinilestere, le epossidiche, e le poliuretaniche. Insieme a queste si adoperano generalmente gli induritori, i reagenti, i perossidi, gli isocianati, e gli additivi. Particolari precauzioni sono necessarie nell’impiego
di resine termoindurenti o dei loro componenti per scongiurare alcuni problemi quali:
• Irritazione della pelle, come ustioni, infiammazioni,
prurito;
• Sensibilizzazione della pelle, con reazioni allergiche
simili a quelle causate dall’ortica, dai materiali isolanti o altre allergie;
• Inalazione dei vapori organici dei solventi usati per
la pulizia degli strumenti, dei monomeri, e dei diluenti;
• Esplosioni o incendio dei materiali infiammabili
esposti a fonti di calore, fiamme, scintille, elettricità
statica, sigarette, o altre fonti di incendio se la con-
440.2R-16
ACI COMMITTEE REPORT
centrazione nell’aria raggiunge determinati livelli;
Reazioni esoterme della miscela che possono causare incendi o danni alle persone; e
• Sviluppo di polveri prodotte dall’usura o manipolazione degli FRP induriti (consultare la documentazione fornita dal produttore per i rischi specifici).
A causa della complessità delle resine termoindurenti
e degli altri materiali è necessario leggere attentamente
le etichette e i documenti di corredo con cui tali prodotti
giungono in cantiere (MSDS) prima di adoperarli. La
CFR 16, parte 1500, regolamenta l’etichettatura delle
sostanze pericolose ed anche delle resine termoindurenti.
La ANSI Z-129 fornisce ulteriori indicazioni su classificazioni e precauzioni.
4.3.4 Dispositivi di protezione individuale – Sono indicati abiti e guanti, in gomma o plastica, “monouso” per
maneggiare le fibre e le resine. I guanti devono resistere
alle resine ed ai solventi.
Nel mescolamento e nell’applicazione di resine e solventi devono essere adoperati occhiali o maschere di
sicurezza. Protezioni per la respirazione, quali maschere
per la polvere o respiratori, devono essere adoperate
quando vi sono fibre volatili, polveri o vapori organici, o
quando si mescolano o si applicano le resine (se prescritto dal produttore dell’FRP).
4.3.5 Sicurezza sul luogo di lavoro – Il luogo di lavoro
dovrebbe essere ben ventilato. Le superfici non trattate
dovrebbero essere protette contro macchie e versamenti
di resina. Ciascun componente del sistema in FRP presenta prescrizioni specifiche per il trasporto e lo stoccaggio in condizioni di sicurezza. Consultare il produttore per le indicazioni del caso. Alcune resine sono potenzialmente pericolose quando se ne mescolano i componenti. Consultare la documentazione del produttore per
la preparazione e le note MSDS per i rischi connessi. Le
resine che induriscono all’aria producono calore che, a
sua volta, accelera le reazioni. Nei contenitori dove si
mescola la resina possono avvenire reazioni incontrollate, con esalazioni, fiamme, o ebollizioni violente. Perciò
detti contenitori devono essere tenuti sempre sotto controllo.
4.3.6 Pulizia e smaltimento – Si devono adottare particolari precauzioni se si adoperano solventi infiammabili
per la pulizia. Sono disponibili anche solventi che non
presentano problemi di infiammabilità. Tutti i materiali
di risulta devono essere smaltiti nel rispetto dell’ambiente.
•
CAPITOLO 5 – INSTALLAZIONE
Le modalità di installazione dei sistemi in FRP sono
state sviluppate dai singoli produttori e spesso differiscono le une dalle altre. Spesso le procedure differiscono
anche nell’ambito di uno stesso sistema in funzione delle
condizioni della struttura su cui si interviene. Questo capitolo presenta alcune linee guida generali sull’installazione dei sistemi in FRP. L’installazione dei sistemi in
FRP deve essere eseguita da personale specializzato.
Difformità nell’applicazione rispetto alle procedure
fornite del produttore non possono essere ammesse senza
il consenso del produttore stesso.
5.1 – Qualifiche dell’installatore
L’installatore del sistema in FRP deve mostrare competenza nella preparazione delle superfici e nell’applicazione del rinforzo. La qualifica può essere provata sia
attraverso la documentazione dell’attività formativa, sia
attraverso altre applicazioni similari già eseguite o, ancora, attraverso la preparazione superficiale e l’applicazione dell’FRP su porzioni “campione” della stessa struttura
che dovrà essere rinforzata. I produttori dei sistemi in
FRP o i loro agenti devono accuratamente provvedere
alla formazione degli installatori per l’applicazione dei
propri prodotti.
5.2 – Considerazioni ambientali
Temperatura, umidità relativa e condensa superficiale
durante l’installazione alterano le prestazioni dei sistemi
in FRP. La temperatura superficiale del calcestruzzo, la
temperatura dell’aria, l’umidità relativa e il punto di rugiada devono essere scrupolosamente controllati.
I primer, le resine impregnanti e gli adesivi non devono essere applicati su superfici fredde o gelate. Quando
la temperatura superficiale del calcestruzzo scende al di
sotto di un valore minimo definito dal produttore del
sistema in FRP, si può avere una impregnazione delle
fibre e un indurimento incompleti pregiudicando l’efficacia dell’intervento. E’ possibile utilizzare sorgenti di
calore per riscaldare l’ambiente e la superficie del calcestruzzo durante l’installazione. Tale sorgente deve essere
pulita e non contaminare la superficie e il sistema in FRP
prima dell’avvenuto indurimento.
E’ buona norma che resine ed adesivi non siano utilizzati su superfici umide o bagnate a meno che non siano
appositamente formulati. I sistemi in FRP non devono
essere applicati su superfici in calcestruzzo sulle quali si
può avere trasmissione di vapore acqueo. Il passaggio di
vapore attraverso la superficie del calcestruzzo e lo strato di resina non ancora indurito causa la formazione di
bolle d’aria che compromettono l’aderenza del sistema
di rinforzo al supporto.
5.3 – Attrezzature
Ogni sistema in FRP prevede un’attrezzatura specifica
per l’applicazione del materiale. L’attrezzatura comprende gli strumenti per l’impregnazione delle resine e i
materiali e gli equipaggiamenti eventualmente necessari
per il sollevamento e il posizionamento del rinforzo.
Tutte le attrezzature devono essere pulite ed in buono
stato. Il personale addetto all’installazione deve essere
preparato e capace di utilizzare l’attrezzatura richiesta
per le fasi di cantiere. Ogni operazione richiede l’uso di
dispositivi di protezione individuale: guanti, maschera,
occhiali e tute. Tutto il materiale e le attrezzature devono
essere disponibili in cantiere in quantità sufficiente per
garantire la continuità delle operazioni di installazione e
il controllo di qualità.
5.4 – Preparazione superficiale
Il comportamento degli elementi in calcestruzzo rinforzati o riparati con FRP dipende in gran parte dalle
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
qualità del supporto e dalla preparazione e rifinitura della superficie del calcestruzzo. Una preparazione superficiale inadeguata può causare il distacco o la delaminazione del sistema di rinforzo prima del raggiungimento
delle resistenza ultima ipotizzata in fase progettuale. Le
linee guida generali di questo capitolo possono applicarsi
a tutti i sistemi in FRP. I singoli produttori forniscono
indicazioni specifiche per un determinato sistema in
FRP. La preparazione del supporto può generare rumore,
polvere e ed essere causa di interruzione delle attività nei
luoghi di intervento.
5.4.1 Riparazione del supporto – Tutti i problemi relativi alle condizioni iniziali del calcestruzzo che possono
compromettere la riuscita dell’intervento devono essere
presi in considerazione prima della preparazione superficiale. I metodi di riparazione e preparazione superficiale
sono illustrati nell’ACI 546R e nell’ICRI 03730. Tutte le
riparazioni devono essere conformi ai disegni e alle specifiche di progetto. E’ necessario consultare il produttore
circa la compatibilità tra i materiali adoperati per la riparazione e il sistema in FRP.
5.4.1.1 Problemi di corrosione – E’ buona norma non
applicare il rinforzo esterno in FRP su elementi in c.a. in
cui si teme ci siano armature in acciaio corrose. L’espansione causata dalla corrosione può compromettere l’integrità strutturale del rinforzo esterno in FRP ed è di difficile valutazione. Tutti i fenomeni che possono generare
corrosione nelle armature devono essere attentamente
valutati e le parti eventualmente corrose devono essere
bonificate prima della applicazione del sistema di rinforzo.
5.4.1.2 Iniezione delle lesioni – Alcuni produttori fanno notare che la presenza di lesioni aventi larghezze di
0.3 mm o più possono influenzare le prestazioni dei sistemi in FRP, causando il distacco o la rottura delle fibre. In conformità al documento ACI 224.1R, è quindi
opportuno eseguire iniezioni a pressione di resina epossidica tutte le volte che l’ampiezza delle lesioni supera
gli 0.3 mm. Per prevenire la corrosione delle armature in
acciaio è comunque opportuno iniettare o sigillare le
lesioni di minore ampiezza che si trovano in ambiente
aggressivo. Le ampiezze critiche delle fessure in relazione alle varie possibilità di esposizione sono fornite nell’ACI 224R.
5.4.2 Preparazione superficiale – La preparazione superficiale varia in funzione del sistema in FRP adoperato. In genere si ha distinzione tra applicazioni che necessitano dell’aderenza (bond-critical) da quelle nelle quali
è invece indispensabile solo il contatto (contact critical).
Le applicazioni basate sull’aderenza, come il rinforzo a
flessione o a taglio di travi, necessitano di un forte legame adesivo tra sistema in FRP e supporto in calcestruzzo. Le applicazioni per contatto, invece, richiedono solo
che vi sia un contatto intimo tra il sistema in FRP e il
calcestruzzo; esse generalmente non richiedono la presenza dell’adesivo sebbene spesso lo si adotti per semplificare l’installazione.
5.4.2.1 Applicazioni fondate sull’aderenza (bondcritical) – La preparazione superficiale in questo tipo di
applicazioni è regolata dall’ACI 546R e dall’ICRI
440.2R-17
03730. La superficie da rinforzare deve essere ben pulita
e priva di materiale sciolto o incoerente. Quando le fibre
rivestono spigoli vivi, questi devono essere arrotondati
con un raggio minimo di 15 mm per prevenire sia l’insorgere di concentrazioni tensionali nel sistema di rinforzo che la formazione di vuoti tra FRP e calcestruzzo.
Qualora gli spigoli presentassero un contorno irregolare
si dovrebbe procedere ad una loro regolarizzazione attraverso l’uso dei resine quali il putty. Le irregolarità, gli
spigoli con rientranze, le superfici concave, i corpi estranei inglobati possono alterare le prestazioni del sistema
di rinforzo e devono essere attentamente considerati. Le
citate asperità superficiali dovrebbero essere rimosse
prima dell’installazione del sistema in FRP. Gli spigoli
con rientranze e le superfici concave richiedono speciale
accortezza per garantire l’aderenza tra sistema in FRP e
il supporto in calcestruzzo.
La preparazione superficiale può essere eseguita con
tecniche abrasive o utilizzando acqua ad alta pressione.
Eventuale polvere, sporco, olio ed ogni altra cosa che
potrebbe alterare l’aderenza tra rinforzo e calcestruzzo
dovrebbero essere rimossi. Piccole cavità e vuoti superficiali dovrebbero essere resi visibili durante la preparazione superficiale. Al termine della fase di preparazione
superficiale è buona norma pulire e proteggere la superficie ottenuta per evitare che si depositino nuovamente
elementi che potrebbero alterare l’aderenza.
Il grado di finitura superficiale dovrebbe essere come
specificato nell’ICRI. E’ buona norma consultare il produttore dell’FRP qualora fosse necessario avere una migliore qualità della finitura superficiale. Le irregolarità
superficiali, incluso le linee delle casseforme, non dovrebbero eccedere 1 mm o quanto raccomandato dal
produttore del sistema in FRP. Esse possono essere levigate con procedimenti abrasivi o con trattamento ad acqua ad alta pressione.
Le superfici da rinforzare con FRP devono essere asciutte in conformità con quanto prescritto dal produttore
del sistema in FRP. La presenza di acqua nei pori impedisce la penetrazione della resina e quindi riduce l’ingranamento meccanico. La condensa deve essere valutata
secondo le indicazioni del documento ACI 503.4.
5.4.2.2 Applicazioni fondate sul contatto (contactcritical) – Negli interventi di confinamento di elementi
in calcestruzzo, la preparazione superficiale deve garantire il contatto intimo tra la superficie del calcestruzzo e
il rinforzo esterno. Gli elementi da fasciare devono presentare superfici piane o convesse per garantire un adeguato caricamento del sistema in FRP. Le irregolarità devono essere riparate con un materiale compatibile con il
calcestruzzo esistente. I materiali con resistenza e con
modulo elastico più piccoli del calcestruzzo, come l’intonaco, potrebbero compromettere l’efficacia del sistema
del rinforzo e devono essere rimossi.
5.5 – Mescolamento delle resine
La preparazione della resina (mixing) deve essere conforme alle procedure messe a punto dal produttore del
sistema in FRP. Tutti i componenti della resina devono
essere alla temperatura indicata e devono essere perfet-
440.2R-18
ACI COMMITTEE REPORT
tamente mescolati nelle opportune proporzioni fino ad
ottenere un composto uniforme. I componenti delle resine hanno colori molto diversi tra loro e la preparazione
può considerarsi completa quando non vi sono più striature nel composto. Le resine devono essere mescolate
per il tempo prescritto e fino al raggiungimento della
uniformità del colore. Il produttore deve fornire le quantità di resina che può essere preparate in funzione del
tempo di impiego, il rapporto tra i componenti, le modalità di preparazione ed i tempi ottimali di mescolamento.
L’attrezzatura per la preparazione comprende piccoli
miscelatori elettrici o frullini, ma è anche possibile mescolare le resine a mano. Le quantità di resina di volta in
volta preparate devono essere tali da poter essere installate entro il tempo di applicazione (pot life). Trascorso
tale tempo, le resine non devono essere più utilizzate a
causa dell’aumento della viscosità che diminuisce sia la
loro capacità di penetrazione nella superficie del calcestruzzo che la capacità di impregnazione delle fibre.
5.6 – Applicazione dei materiali costituenti il rinforzo
L’applicazione di alcune resine può causare esalazioni.
I sistemi in FRP dovrebbero essere scelti in relazione al
loro impatto ambientale, considerando l’emissione di
prodotti organici volatili e tossici.
5.6.1 Primer e putty – Quando richiesto, il primer deve
essere applicato su tutte le superfici sulle quali installare
il rinforzo. Il primer deve essere applicato uniformemente su tutta la superficie con il grado di copertura consigliato dal produttore. Deve essere protetto dalla polvere,
dall’umidità, e da altri agenti nocivi prima dell’applicazione del sistema in FRP.
Il putty deve essere applicato dopo il primer secondo
gli spessori suggeriti dal produttore. Tipicamente esso si
presenta come una pasta epossidica un po’ più densa
rispetto alle altre resine e dovrebbe essere utilizzato solo
per riempire eventuali vuoti o per lisciare eventuali asperità della superficie prima dell’applicazione degli altri
materiali.
Prima dell’applicazione del saturant o dell’adesivo, il
primer ed il putty devono aver raggiunto il livello di polimerizzazione ottimale suggerito dal produttore del sistema che si sta utilizzando. Nel caso in cui l’applicazione del saturant o dell’adesivo avvenga su primer e
putty già completamente polimerizzati, potrebbe essere
necessario procedere ad un’ulteriore preparazione superficiale qualora richiesto dal produttore del sistema in
FRP.
5.6.2 Sistemi wet lay-up – I sistemi in FRP di tipo wet
lay-up sono generalmente installati a mano adoperando
fibre secche e resine impregnanti (saturant), seguendo le
indicazioni del produttore. La resina impregnante deve
essere applicata uniformemente su tutte le superfici che
riceveranno il rinforzo. Le fibre possono essere anche
impregnate separatamente con un macchinario adeguato
prima dell’applicazione sulla superficie in calcestruzzo.
Le fibre del rinforzo devono essere pressate delicatamente sullo strato di resina impregnante non ancora indurita secondo le modalità previste dal produttore del
sistema in FRP. Eventuale aria intrappolata deve essere
eliminata prima che la resina faccia presa. La quantità di
resina utilizzata deve essere tale da garantire la perfetta
impregnazione delle fibre.
L’applicazione di ulteriori strati di materiale di rinforzo deve essere fatta prima che l’ultima mano di saturant
abbia terminato la fase di polimerizzazione. Qualora
l’ultima mano di saturant sia completamente polimerizzata, è necessario procedere ad una leggera sabbiatura o
utilizzare specifici solventi raccomandati dal produttore
del sistema in FRP.
5.6.3 Sistemi applicati meccanicamente – Tali sistemi
fanno uso di bobine di materiale di rinforzo (le fibre vere
e proprie) che possono arrivare in cantiere sia sotto forma di materiale pre-impregnato non completamente polimerizzato che di fibre secche le quali riceveranno la
resina direttamente in cantiere.
L’impiego di macchinari automatici è particolarmente
conveniente quando si tratta di fasciare elementi verticali
quali pilastri o colonne. Tali macchinari sono in grado
di avvolgere le fibre sia orizzontalmente sia secondo
predeterminate inclinazioni. La macchina è sistemata
vicino alla colonna e ne avvolge il perimetro salendo e
scendendo lungo la colonna stessa.
Dopo la fasciatura i sistemi pre-impregnati dovrebbero
polimerizzare a temperature elevate. Generalmente si dispone una sorgente di calore intorno alla colonna ad una
opportuna temperatura e per il tempo raccomandato dal
produttore. La temperatura è controllata per garantire la
qualità del processo. Il rinforzo non presenta alcuna
giunzione poiché il tessuto è continuo. Durante tutte le
fasi descritte è opportuno seguire scrupolosamente le
indicazioni fornite dal produttore del sistema FRP.
5.6.4 Sistemi pre-cured – I sistemi pre-cured includono piastre, laminati ed elementi simili a reti elettrosaldate e sono generalmente applicati mediante l’uso di adesivi. L’adesivo deve essere distribuito uniformemente sulla superficie che riceverà il rinforzo. Fanno eccezione
alcune applicazioni di confinamento del calcestruzzo in
cui non è richiesta intima aderenza tra sistema in FRP e
supporto.
Le superfici che ricevono i sistemi pre-cured devono
essere pulite e trattate secondo le raccomandazioni del
produttore. Eventuale aria intrappolata deve essere eliminata prima della polimerizzazione dell’adesivo. La
quantità di adesivo applicata deve garantire la perfetta
aderenza sia tra il materiale di rinforzo e il supporto che
tra gli eventuali, successivi, strati del rinforzo stesso.
5.6.5 Manti protettivi – I manti protettivi devono essere compatibili con il sistema di rinforzo in FRP e applicati secondo le raccomandazioni del produttore. Generalmente non devono essere impiegati solventi per la
pulizia delle superfici da rivestire a causa dell’effetto
deleterio che questi hanno sulle resine. Il produttore del
sistema in FRP deve approvare l’uso dei materiali di pulizia superficiale prima dell’applicazione del manto protettivo.
I manti dovrebbero essere ispezionati periodicamente
ed essere soggetti a manutenzione per garantirne l’efficacia nel tempo.
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
5.7 – Allineamento degli FRP
L’orientamento degli FRP e la sequenza di sovrapposizione sono importanti parametri per una corretta realizzazione del rinforzo e dovrebbero essere specificati dal
progettista. Una differenza, anche di soli 5°, della direzione delle fibre rispetto al progetto può causare una
sostanziale riduzione delle prestazioni del rinforzo. Deviazioni dalla direzione specificata nel progetto delle
fibre possono essere permesse solo previa approvazione
da parte del progettista.
I tessuti in FRP devono essere installati in modo da
garantire l’orientamento previsto in sede progettuale
mantenendone rettilinee le fibre. Qualsiasi piega, attorcigliamento o grave difetto nei tessuti dev’essere comunicato al progettista.
5.8 – Strati multipli e lunghezze di ancoraggio
L’applicazione di più strati di materiale di rinforzo è
consentita a condizione che risultino tutti perfettamente
impregnati, che la resistenza a taglio della resina sia tale
da garantire il trasferimento degli sforzi tangenziali tra
gli strati e che l’aderenza tra sistema in FRP e calcestruzzo sia sufficiente. Per luci notevoli è possibile utilizzare più elementi di varia lunghezza per garantire un
trasferimento continuo dei carichi purché siano eseguite
sovrapposizioni di adeguata lunghezza. Le sovrapposizioni devono essere sfalsate, a meno che non sia diversamente specificato dal progettista. Il dimensionamento
delle sovrapposizioni, includendo la lunghezza di sovrapposizione, deve essere basato su studi e ricerche
sperimentali e deve essere installato seguendo le raccomandazioni del produttore. Le sovrapposizioni e l’applicazione multistrato non sono sempre possibili a causa
delle caratteristiche specifiche dei alcuni sistemi in FRP.
Indicazioni specifiche sulle sovrapposizioni sono fornite
nel CAPITOLO 12.
5.9 – Polimerizzazione delle resine
Il fenomeno di polimerizzazione delle resine è funzione del tempo e della temperatura ambiente. Le resine che
polimerizzano all’aria possono impiegare diversi giorni
per indurire completamente. Temperature eccezionali o
fluttuanti possono ritardare o accelerare il processo di
indurimento. I produttori di sistemi in FRP forniscono
resine speciali per queste condizioni ambientali.
I sistemi che prevedono elevate temperature di polimerizzazione necessitano che le resine vengano riscaldate
ad una opportuna temperatura e per un determinato intervallo di tempo.
Tutte le resine devono seguire il processo di indurimento in conformità alle raccomandazioni del produttore. Non è possibile alterarne la loro composizione chimica in cantiere.
La polimerizzazione di uno strato già applicato dovrebbe essere controllata prima dell’applicazione dello
strato successivo. L’installazione degli strati successivi
deve essere interrotta se si riscontra un’anomalia nella
presa.
440.2R-19
5.10 – Protezione temporanea
Temperature sfavorevoli, esposizione diretta a pioggia,
polvere o sporco, eccessiva esposizione al sole, umidità
elevata o atti vandalici possono danneggiare un sistema
in FRP in fase di installazione alterando la fase di presa
delle resine. Protezioni temporanee realizzate, ad esempio, con teli di plastica, potrebbero rendersi necessarie
durante l’installazione finché la resina non abbia fatto
presa. Se sono richiesti dei puntelli temporanei, questi
devono essere rimossi solo quando il sistema in FRP ha
fatto perfettamente presa, in modo che l’elemento strutturale rinforzato possa sopportare i carichi di progetto.
Se si sospetta che il sistema in FRP possa aver subito
danneggiamento durante la fase di installazione, è necessario avvisare il progettista e consultare il produttore del
sistema.
CAPITOLO 6 – ISPEZIONE, VALUTAZIONE
ED ACCETTAZIONE
La certificazione di qualità e i controlli di qualità sono
eseguiti dai produttori dei sistemi in FRP, dall’impresa
installatrice, e da altri soggetti coinvolti nell’intervento.
Il programma di controllo di qualità riguarda tutte le
fasi del progetto del rinforzo. Il livello del controllo di
qualità richiesto, le metodologie d’indagine e le modalità
di conservazione dei dati sono strettamente connesse alla
complessità e all’importanza del progetto. La certificazione di qualità è ottenuta in seguito ad una serie di indagini e prove sperimentali effettuate sul sistema in FRP
installato. Le specifiche di progetto devono indicare i
criteri per poter sviluppare un programma di certificazione di qualità in cui siano contenute: le misure di sicurezza per la messa in opera dei materiali compositi, le
modalità di preparazione delle superfici in calcestruzzo e
le indicazioni operative di applicazione degli FRP, i metodi d’indagine e d’ispezione di detti sistemi, le disposizioni relative alla polimerizzazione dei materiali, i campioni per la certificazione di qualità, e gli adempimenti
specificati nella Sezione 13.3.
6.1 – Ispezioni
I sistemi in FRP devono essere controllati secondo
quanto stabilito dalle normative tecniche. In assenza di
tali prescrizioni, le ispezioni dovrebbero essere effettuate
da ispettori qualificati o da ingegneri abilitati, esperti
nelle procedure di installazione dei materiali compositi.
Detti tecnici devono eseguire controlli giornalieri degli
interventi e produrre appositi rapporti avendo cura di
precisare:
- Data e durata dell’installazione;
- Condizioni ambientali quali temperatura dell’aria e
umidità relativa al momento dell’applicazione;
- Temperatura superficiale del calcestruzzo;
- Condizioni superficiali secondo quanto riportato in
ACI 503.4;
- Modalità di preparazione del supporto in calcestruzzo e grado di finitura secondo i campioni esempio dell’ICRI;
- Descrizione qualitativa della pulizia superficiale
440.2R-20
ACI COMMITTEE REPORT
del supporto;
Tipologia della sorgente di calore ausiliaria eventualmente impiegata;
- Ampiezza delle fessure non iniettate;
- Numero di prelievi costituiti da fibre o da laminati
pre-cured e indicazioni sommarie sulla posizione di
ciascun prelievo nella struttura;
- Numero di prelievi di resina, rapporti e tempi di
miscelazione, descrizione qualitativa delle resine,
includendo primer, putty, saturant e adesivi per
ciascun giorno;
- Osservazioni sulle modalità di polimerizzazione
delle resine;
- Conformità delle applicazioni alle prescrizioni di
progetto;
- Dettagli sui risultati dei test di aderenza tipo pulloff, in termini di resistenza dell’interfaccia, modalità di rottura e posizione nell’ambito della struttura;
- Proprietà fisico-meccaniche del materiale composito in FRP installato, da valutarsi con prove in sito
su pannelli dimostratori in FRP, se richiesto;
- Posizione e dimensioni delle delaminazioni e dei
vuoti; e
- Stato di avanzamento dei lavori.
Il rapporto sui controlli effettuati dagli ispettori e la relativa documentazione di prova devono essere trasmesse
all’ingegnere responsabile delle prove di controllo di
qualità o al committente. La documentazione raccolta,
nonché i risultati di eventuali prove su pannelli dimostratori in FRP dovrebbero essere conservati per un periodo
non inferiore a 10 anni, o per un periodo diversamente
specificato dall’ingegnere responsabile dei controlli.
Dovrebbe essere cura dell’impresa installatrice conservare dei campioni di resina e mantenere memoria delle date
di installazione dei prodotti.
-
6.2 – Verifica e accettazione
I sistemi in FRP dovrebbero essere verificati e accettati o non accettati sulla base della conformità o meno con
le specifiche di progetto. I seguenti aspetti dovrebbero
essere valutati nella fase di verifica: proprietà dei materiali in FRP e loro tolleranze dimensionali, modalità di
installazione, presenza di delaminazioni, modalità di
maturazione della resina e adesione dell’FRP al supporto
in calcestruzzo. Le tolleranze dimensionali includono
l’orientamento delle fibre, lo spessore al finito, l’orientamento dei tessuti o dei laminati, la larghezza e l’interasse
del rinforzo, i raggi di curvatura e le lunghezze di sovrapposizione.
La verifica dei sistemi in FRP dovrebbe essere effettuata attraverso la realizzazione di pannelli dimostratori
in FRP e prove tipo pull-off. Sono altresì consentite
prove in sito allo scopo di accertare sul campo la validità
della tecnica di rinforzo adottata (Nanni e Gold, 1998).
6.2.1 Materiali - Prima della messa in opera, il produttore del sistema in FRP dovrebbe allegare ad ogni fornitura la certificazione delle proprietà fisico-meccaniche di
tutti i materiali previsti nel progetto. Dovrebbe inoltre
procedere ad una marchiatura del prodotto fornito dalla
quale risulti inequivocabilmente il riferimento all’azienda produttrice, allo stabilimento, al tipo di materiale. Per
progetti di particolare complessità è consentito eseguire
prove supplementari sui materiali impiegati. Dette prove
sono volte a valutare le proprietà meccaniche del composito, la temperatura di transizione vetrosa Tg delle resine, la resistenza all’interfaccia fibra/matrice e composito/supporto in calcestruzzo. Le prove possono effettuarsi presso laboratori ufficiali, in accordo con il programma di controllo di qualità. Le prove sui tempi di lavorabilità e di indurimento delle resine sono di solito condotte in sito. Qualora un materiale sottoposto a prova non
soddisfi i requisiti minimi specificati dall’ingegnere responsabile dei controlli, il materiale dovrebbe essere
scartato.
I pannelli dimostratori possono essere usati per valutare il modulo di elasticità e la resistenza a trazione, la
resistenza delle sovrapposizioni, i tempi di indurimento e
la Tg dei sistemi in FRP messi in opera secondo le procedure che si sarebbero seguite nell’applicazione di cantiere. Durante la fase di cantiere possono essere realizzati in sito elementi piani di predeterminate dimensioni e
spessore, secondo un predeterminato programma di
campionamento. A maturazione avvenuta, le prove fisico-meccaniche sui detti elementi devono essere eseguite
presso un Laboratorio Ufficiale. La resistenza e il modulo elastico del materiale in FRP possono essere valutati in accordo con le norme ASTM D 3039 e ISIS (1998).
Tutte le proprietà da esaminare dovrebbere essere espressamente indicate. L’ingegnere responsabile dei
controlli ha facoltà di modificare il numero di prove
stabilito o rinunciare ad esse.
I sistemi in FRP che includono sistemi pre-cured e sistemi applicati meccanicamente, non si prestano alla
realizzazione di piccoli elementi piani. In tal caso il
progettista può prevedere prove su pannelli o campioni
forniti dal produttore stesso. La resistenza a trazione, il
modulo elastico e la resistenza delle sovrapposizioni dei
materiali in FRP possono anche determinarsi con prove
esplosive su elementi anulari fabbricati in sito, in accordo con la norma ISIS (1998).
Durante l’applicazione, dovrebbero essere confezionati e conservati campioni di resina in accordo con le specifiche del programma di prove per la valutazione del
livello di polimerizzazione raggiunto dal materiale.
6.2.2 Orientamento delle fibre – L’orientamento delle
fibre o dei laminati pre-cured dovrebbero essere sottoposti ad indagine visiva. Per i materiali applicati con la
tecnica wet lay-up dovrebbero essere controllate le aree
ove le fibre deviano dal configurazione rettilinea originale, producendo ingobbamenti. I disallineamenti delle
fibre o dei laminati pre-cured superiori a 5 gradi (circa
80 mm/m) dovrebbero essere indicati nel rapporto da
inviare all’ingegnere responsabile dei controlli per la
verifica e l’accettazione.
6.2.3 Delaminazioni – I sistemi in FRP dovrebbero essere controllati nei riguardi dei fenomeni di delaminazione e di formazione di bolle d’aria fra i vari strati del
composito o tra esso e il supporto in calcestruzzo. Gli
strumenti d’indagine devono essere in grado di accertare
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
l'eventuale presenza di delaminazioni localizzate di almeno 1300 mm2. Possono impiegarsi metodi quali sondaggi acustici, metodi agli ultrasuoni, termografie.
Dovrebbero essere valutati gli effetti delle delaminazioni o di altre anomalie sull’integrità e sul comportamento strutturale del sistema in FRP. Inoltre dovrebbero
essere annotate la posizione e dimensione di eventuali
delaminazioni, nonché il rapporto relativo tra aree delaminate e area complessiva coperta con FRP.
I criteri generali da seguire per l’accettazione dei sistemi applicati con la tecnica del wet lay-up sono:
• Zone delaminate inferiori ciascuna a 1300 mm2 sono
consentite purché la singola area di delaminazione
sia inferiore del 5% dell’intera area delaminata e
non siano presenti più di 10 delaminazioni localizzate per 1 m2.
• Delaminazioni inferiori a 16,000 mm2 possono essere riparate con iniezioni di resina o con la sostituzione degli strati di FRP, a seconda della posizione e
del numero complessivo delle delaminazioni; e
• Delaminazioni maggiori di 16,000 mm2 possono
incidere negativamente sul comportamento del sistema in FRP. Dovrebbero pertanto essere riparate
ritagliando l’area delaminata e sostituendola con un
tessuto costituto da un numero equivalente di strati
di fibre.
6.2.4 Polimerizzazione delle resine – Il livello di polimerizzazione raggiunto dalla resina può essere misurato in laboratorio su pannelli dimostratori in FRP o su
campioni di resina, in accordo alle prescrizioni fornite
dalla norma ASTM D 3418. Il controllo in cantiere del
livello di polimerizzazione delle resine applicate può
essere valutato mediante prove di caratterizzazione fisica
volte a valutare il comportamento al tatto e l’indurimento raggiunte dalle superfici trattate, o mediante prove di
durezza su campioni di resina confezionati e conservati
in accordo con le specifiche del programma di prove. Il
produttore del sistema in FRP dovrebbe essere consultato per la definizione del requisiti di polimerizzazione per
la verifica dei campioni di resina. Per i sistemi pre-cured,
le prove di indurimento dell’adesivo possono essere effettuate in accordo con le indicazioni fornite dal produttore stesso.
6.2.5 Resistenza dell’adesione – Per applicazioni critiche dal punto di vista dell’aderenza si dovrebbero effettuare prove di aderenza su campioni estratti secondo le
modalità indicate dalle norme ACI 503R o ASTM D
4541 o ISIS (1998), specificando il numero di campioni
previsti. La resistenza a trazione lungo la superficie di
adesione deve essere superiore a 1.4 MPa e la modalità
di rottura deve interessare il supporto in calcestruzzo.
Resistenze minori e crisi tra l’FRP e il calcestruzzo, o tra
gli strati di FRP devono essere indicate nel rapporto da
trasmettere al responsabile dei controlli per la verifica e
l’accettazione.
6.2.6 Spessori al finito – Piccoli campioni del diametro di 13 mm possono essere estratti per accertare lo
spessore al finito del laminato o il numero di strati di
tessuto applicati. Possono essere utilizzate, a tal fine,
anche i campioni utilizzati per i test di aderenza. In ogni
440.2R-21
caso, dovrebbe essere specificato il numero di campioni
necessari. E’ opportuno evitare di estrarre campioni in
corrispondenza di zone molto sollecitate o di sovrapposizioni del rinforzo. I fori risultanti dall’estrazione dei
campioni devono essere riempiti con malta o con putty e
successivamente livellati. Se richiesto, uno strato di
FRP delle dimensioni variabili da 100 a 200 mm può
essere sovrapposto alla malta o al putty precedentemente
applicati. Questa sovrapposizione dovrebbe avvenire secondo i protocolli di installazione suggeriti del produttore.
CAPITOLO 7 – MANUTENZIONE E
RIPARAZIONE
7.1 – Considerazioni generali
Il committente dovrebbe periodicamente effettuare
ispezioni e verifiche sul sistema in FRP impiegato per il
rinforzo o l’adeguamento di strutture in calcestruzzo. Le
cause di eventuali danneggiamenti o deficienze riscontrate in seguito alle ispezioni periodiche devono essere
individuate e tenute debitamente in conto, prima di procedere a qualunque intervento di riparazione o di manutenzione.
7.2 – Ispezioni
7.2.1 Ispezione preliminare – L’ispezione visiva può
riguardare i seguenti fenomeni: debonding, peeling, formazione di bolle d’aria, fessure, irregolarità ed altre anomalie del sistemi in FRP. Prove ad ultrasuoni, sondaggi acustici, prove termografiche possono essere impiegate per l’individuazione di fenomeni di delaminazione in atto.
7.2.2 Prove – Il collaudo potrà avvenire con prove di
trazione tipo pull-off (Sezione 6.2.5) o con metodologie
di prova convenzionali.
7.2.3 Valutazione – I risultati delle ispezioni visive e
delle prove sperimentali possono essere impiegate sia
per la valutazione di eventuali danni che per la verifica
dell’integrità del sistema di rinforzo. Alla verifica possono allegarsi indicazioni sulle modalità di ripristino e di
prevenzione di potenziali fenomeni di degrado.
7.3 – Riparazione del sistema di rinforzo
Il metodo da impiegarsi nella riparazione del sistema
di rinforzo è strettamente legato al tipo di materiale, alle
cause e al livello di danno o degrado raggiunto. Gli interventi di riparazione del sistema in FRP devono essere
intrapresi solo in seguito ad un’accurata indagine sulle
cause dei danni.
Danni di minore entità come, ad esempio, fessurazioni
localizzate o abrasioni del rinforzo in FRP, possono essere riparati anche incollando ulteriori strati di FRP sulle
zone danneggiate. Essi devono possedere le stesse caratteristiche in termini di spessore e orientamento delle
fibre del rinforzo originario e vanno installati seguendo
le specifiche fornite dal produttore. Danni di maggiore
entità come, ad esempio, fenomeni di peeling e debonding che riguardano ampie zone possono richiedere l’a-
440.2R-22
ACI COMMITTEE REPORT
sportazione delle regioni interessate e il successivo ripristino del supporto in calcestruzzo seguito dalla sostituzione del rinforzo.
7.4 – Riparazione del manto protettivo
Nei casi in cui il manto protettivo debba essere sostituito si può procedere preliminarmente ad un controllo
del rinforzo in FRP rispetto a eventuali danni o deterioramenti. La protezione superficiale può poi essere sostituita seguendo le indicazioni fornite dal produttore.
PARTE 4 – LINEE GUIDA PER IL PROGETTO
CAPITOLO 8 – CONSIDERAZIONI GENERALI
PER IL PROGETTO
In questo capitolo sono presentate le linee guida generali per eseguire il progetto del rinforzo con materiali
compositi. Tali raccomandazioni si basano sui principi
generali di progetto delle strutture in c.a. normale e precompresso illustrate nel documento ACI 318-99 e sulle
conoscenze specifiche del comportamento meccanico dei
materiali compositi.
I sistemi di rinforzo in FRP devono essere progettati
per resistere a sforzi di trazione e non di compressione
soddisfacendo contemporaneamente la congruenza tra le
deformazioni del rinforzo e quelle del supporto di calcestruzzo sul quale sono applicati. È comunque accettabile
per un rinforzo in FRP progettato per resistere a soli
sforzi di trazione che possa essere soggetto anche a sforzi di compressione qualora questi ultimi siano dovuti o
all’inversione del diagramma dei momenti o a modifiche
nella distribuzione dei carichi. Il contributo della resistenza a compressione del rinforzo in FRP dovrà, comunque, essere trascurato.
8.1 – Filosofia di progetto
Le raccomandazioni qui fornite per il calcolo del rinforzi con sistemi in FRP sono basate sui principi del metodo agli stati limite. Questo approccio garantisce di
avere un sufficiente grado di sicurezza sia nei confronti
degli stati limite di esercizio (controlli sull’ampiezza
delle fessure e sulle deformazioni) che nei riguardi degli
stati limite ultimi (collasso dell’elemento strutturale, rottura del rinforzo e comportamento a fatica). Nel calcolare la resistenza nominale dell’elemento da rinforzare
devono esserne individuate sia le possibili modalità di
rottura sia le deformazioni e tensioni associate a ciascun
materiale che concorre alla resistenza dell’elemento rinforzato. Per determinare il comportamento in esercizio di
un elemento rinforzato si ricorre ai principi base quali
l’omogeneizzazione della sezione e l’impiego nei calcoli
di sezioni parzializzate.
Il rinforzo con FRP deve essere progettato sia dal punto di vista della resistenza che del comportamento in
esercizio, facendo riferimento alle indicazioni contenute
nella normativa ACI 318-99 ed adottando i coefficienti
di sicurezza in essa definiti. Ulteriori coefficienti di sicurezza dettati dall’impiego degli FRP sono consigliati da
questa guida per tener conto del minore livello di conoscenza associato a questi materiali da costruzione innovativi rispetto a quelli convenzionali quali il c.a. ed il
c.a.p. Il progettista potrebbe decidere di adottare coefficienti di sicurezza ancora più conservativi qualora ritenesse opportuno coprire incertezze legate alle resistenze
dei materiali o alle condizioni del supporto rispetto a
quelle considerate in questa guida.
Qualora i materiali FRP siano impiegati per l’adeguamento sismico di una struttura può essere appropriato
adottare indicazioni progettuali (Paulay e Priestley 1992)
tali per cui la struttura riesca ad attingere la sua completa
resistenza e contemporaneamente sia in grado di sopportare gli sforzi di taglio associati all’evento sismico. I
sistemi in FRP, particolarmente se impiegati per il rinforzo di colonne, devono essere progettati per garantire
la necessaria resistenza alle sollecitazioni sismiche, attraverso la dissipazione dell’energia assorbita ed il controllo delle deformazioni nelle sezioni in cui è massimo
lo sforzo di taglio. Fatta eccezione per singoli casi nei
quali la committenza può richiedere al progettista di
soddisfare specifici requisiti prestazionali, il progetto del
rinforzo per l’adeguamento sismico deve avere come
principale obbiettivo la sicurezza delle persone, consentendo alla struttura di danneggiarsi in modo da essere in
grado di dissipare energia. Come conseguenza di tale filosofia progettuale, elementi rinforzati con FRP possono
richiedere ulteriori ristrutturazioni o addirittura la completa sostituzione, qualora questo sia possibile, in seguito
ad un evento sismico. Si deve infine prestare particolare
attenzione nel riutilizzare una struttura danneggiata da
un evento sismico, in particolar se essa ha subito eventuali incendi.
8.2 – Limiti del rinforzo
Particolare attenzione deve essere prestata alla definizione dei limiti per il rinforzo. Tali limiti sono imposti
per tutelare il progettista da possibili collassi prematuri
della struttura causati dalla perdita del rinforzo dovuta a
incendi, atti di vandalismo o altre cause che ne possano
inficiare l’integrità. Alcuni progettisti e produttori di
sistemi in FRP, a tal fine, suggeriscono di verificare che
l’elemento non rinforzato sia in grado di resistere comunque ad una certa aliquota dei carichi. Adottando
questo approccio, e nel caso in cui il rinforzo in FRP
venga danneggiato, la struttura dovrebbe essere ancora
in grado di resistere ai carichi di esercizio senza crollare.
A questo scopo, il Comitato che ha redatto il documento
ha fissato come limite minimo del carico che la struttura
esistente deve essere in grado di sopportare il valore
espresso dall’Eq. (8.1).
(φ Rn )existing ≥ (1.2 S DL + 0.85 S LL )new
(8.1)
Limiti più dettagliati per strutture che devono garantire
una certa classe di resistenza al fuoco sono indicati nel
paragrafo 8.2.1.
8.2.1 Resistenza al fuoco – Il livello di rinforzo che
può essere ottenuto mediante l’impiego di sistemi in
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
FRP è spesso dettato dalle leggi vigenti che fissano la
classe di resistenza al fuoco della struttura in esame. Sia
le resine polimeriche impiegate nei sistemi di rinforzo
wet lay-up e pre-preg che gli adesivi polimerici utilizzati per l’incollaggio delle lamine pre-cured perdono la
loro integrità strutturale qualora siano esposti a temperature maggiori della temperatura di transizione vetrosa Tg
del polimero col quale sono realizzati. La temperatura di
transizione vetrosa dipende dai legami chimici che costituiscono il polimero; per le resine e gli adesivi generalmente adottati in pratica, valori tipici di Tg variano da 60
a 80 ºC. Siccome durante un incendio si raggiungono
temperature più elevate di quelle alle quali i sistemi in
FRP sono in grado resistere, gli FRP non sono considerati capaci di resistere al fuoco. La protezione del rinforzo con materiali intumescenti è generalmente poco fattibile a causa dei notevoli spessori di materiale che sarebbe necessario installare.
Benché i sistemi in FRP abbiano una bassa resistenza
al fuoco, la combinazione del rinforzo con l’elemento
strutturale in c.a. può garantire una certa capacità di resistenza al fuoco. Questo aspetto è attribuibile all’insita
resistenza al fuoco dell’elemento in c.a.. La tensione di
snervamento dell’armatura in acciaio si riduce, cosi come si abbatte la resistenza a compressione del calcestruzzo, inficiando la resistenza complessiva dell’elemento. Tale concetto è adottato dal comitato ACI 216R
per calcolare la classe di resistenza al fuoco di elementi
in c.a. e c.a.p.. Il documento ACI 216R suggerisce inoltre limiti che assicurano un ragionevole livello di sicurezza nei confronti del collasso globale della struttura in
caso d’incendio.
Estendendo tali concetti alle strutture rinforzate con
FRP si possono adottare limitazioni sulla quantità di rinforzo applicabile ad un elemento strutturale in modo che,
in caso di incendio, l’elemento così rinforzato non subisca un collasso prematuro. Si può, infatti, calcolare la
resistenza dell’elemento strutturale considerando le proprietà dei materiali (acciaio e calcestruzzo) opportunamente ridotte, e senza tenere conto del rinforzo in FRP.
Tale valore può essere quindi confrontato con il valore
dei carichi di progetto agenti per controllare che la struttura non collassi sotto l’azione dei carichi d’esercizio in
presenza delle elevate temperature generatesi in caso di
incendio.
Il valore della massima sollecitazione ammissibile per
una generica sezione rinforzata con FRP, per una determinate classe di resistenza al fuoco, deve soddisfare
l’Eq. (8.2). Gli effetti dei carichi permanenti SDL e accidentali devono essere determinati in base all’analisi dei
carichi agenti sulla struttura in oggetto. Se l’impiego del
sistema in FRP ha come obbiettivo quello di aumentare
il valore dei carichi che la struttura deve sopportare, ad
esempio incrementando quelli accidentali, il valore di
SLL deve tener conto del nuovo valore assunto dal carico
accidentale.
( Rnθ )existing ≥ S DL + S LL
(8.2)
La resistenza nominale di una sezione, indicata con
440.2R-23
Rnθ, facente parte di un elemento strutturale soggetto ad
elevate temperature, può essere calcolata facendo riferimento alle linee guida descritte nel documento ACI
216R. Tale resistenza deve essere calcolata considerando
il periodo di tempo definito dalla classe di resistenza al
fuoco per quella struttura – ad esempio una resistenza al
fuoco di due ore – e non deve tenere conto del contributo
dell’FRP. Essa, inoltre, dovrebbe tener conto anche del
peggioramento delle caratteristiche meccaniche dei materiali quali acciaio e calcestruzzo.
La resistenza al fuoco degli FRP può essere migliorata
mediante l’utilizzo di materiali intumescenti ed isolanti.
Tali soluzioni non sono ancora diffuse per applicazioni
in cantiere, ma potrebbero diventarlo nel prossimo futuro. Se infatti tali metodi d’isolamento, attraverso un adeguata campagna sperimentale, dimostreranno la loro
efficacia nell’aumentare la classe di resistenza al fuoco
degli FRP, senza compromettere la resistenza al fuoco
dell’intera struttura sulla quale vengono impiegati, allora
si potrà modificare l’Eq. (8.2) per fare in modo che essa
consideri il contributo dell’FRP alla resistenza nominale
della sezione esistente. Le prove da condurre per determinare la resistenza al fuoco dei sistemi in FRP dovrebbero fare uso del cosiddetto criterio dell’end-point (punto finale) caratterizzato dal raggiungimento della temperatura di transizione vetrosa del polimero. In altre parole,
la classe di resistenza al fuoco di un determinato sistema
in FRP dovrebbe essere definita in funzione del tempo
necessario affinché i polimeri impiegati come resine e/o
adesivi raggiungano la relativa temperatura di transizione vetrosa. La norma ASTM E 119 fornisce le indicazioni necessarie per simulare in laboratorio un incendio
avente le caratteristiche più idonee a determinare tali
proprietà in termini di tempo e calore sviluppato.
8.2.2 Resistenza strutturale complessiva – Se da un lato i sistemi in FRP sono in grado di fornire un elevato
contributo al miglioramento delle prestazioni strutturali
di elementi soggetti a flessione, taglio e pressoflessione,
dall’altro, e in alcune situazioni specifiche come quelle
controllate dal punzonamento o dalla resistenza a schiacciamento delle fondazioni, il loro contributo è pressoché
trascurabile. È perciò necessario verificare che tutti gli
elementi strutturali facenti parte della struttura rinforzata
siano in grado di sopportare l’incremento dei carichi per
i quali si è progettato il rinforzo. Inoltre è necessario
verificare che per l’elemento strutturale rinforzato, nel
caso in cui dovesse essere sovraccaricato, non si inneschino rotture per taglio (crisi fragile) ma si attivino, invece, rotture per flessione, assicurando così duttilità alla
struttura.
8.2.3 Applicazioni sismiche – Gran parte della ricerca
indirizzata allo studio del comportamento sismico di elementi strutturali rinforzati con FRP si è concentrata sul
rinforzo di colonne. I materiali compositi vengono principalmente impiegati per il miglioramento della resistenza a compressione del conglomerato mediante confinamento, per la riduzione delle lunghezze di sovrapposizione dei ferri previste dalle norme in vigore e per incrementare la resistenza al taglio (Priestley et al. 1996).
Attualmente sono disponibili poche informazioni per il
440.2R-24
ACI COMMITTEE REPORT
rinforzo di strutture intelaiate in zona sismica. Nel
CAPITOLO 11 vengono individuate alcune limitazioni
all’impiego degli FRP nel rinforzo a taglio e flessione
per strutture in zona sismica.
Qualora il progetto di rinforzo interessi travi o solai di
edifici situati in zone sismiche2 di classe 3 e 4, è necessario valutare la resistenza e la rigidezza sia della trave (o
del solaio) che delle colonne per assicurarsi che la formazione delle cerniere plastiche avvenga lontano sia
dalle colonne che dal nodo (Mosallam et al. 2000).
8.3 – Scelta del sistema in FRP più idoneo
8.3.1 Considerazioni ambientali – Le condizioni ambientali nelle quali si effettua l’intervento di rinforzo
giocano un ruolo fondamentale nel determinare la durabilità delle resine e delle fibre impiegate. Le proprietà
meccaniche, quali - ad esempio - la resistenza e la deformazione ultime a trazione ed il modulo elastico di
alcuni sistemi in FRP tendono a degradare qualora vengano esposti a particolari condizioni ambientali (ambiente alcalino o marino, agenti chimici, raggi ultravioletti,
alte temperature, elevata umidità, cicli di gelo e disgelo).
Conseguentemente, i valori di tali proprietà che sono
indispensabili per eseguire il progetto di rinforzo, devono inevitabilmente tenere conto di tale processo di degrado così come illustrato nel paragrafo 8.4.
Il progettista dovrebbe quindi scegliere il sistema in
FRP che meglio si adatta alle condizioni ambientali nelle
quali si trova a dover operare. Di seguito sono elencati i
principali fattori che possono influenzare il comportamento dei materiali compositi esposti a particolari condizioni ambientali. Maggiori informazioni possono essere ottenute dai singoli produttori di sistemi in FRP.
• Ambiente alcalino/acido: Il comportamento nel tempo di un particolare sistema in FRP in ambiente alcalino o acido è funzione della matrice polimerica e del
tipo di fibra che lo compongono. Una fibra di carbonio
che non sia impregnata di resina, quindi completamente esposta all’ambiente esterno, presenta una buona resistenza sia agli ambienti alcalini che a quelli acidi,
mentre una fibra di vetro non protetta tende a degradarsi nel tempo. Per questi motivi, l’applicazione di
una matrice polimerica sulla fibra secca ha la funzione
di ritardare il processo di degrado, isolando la fibra
dall’ambiente acido/alcalino. Conseguentemente, il sistema in FRP utilizzato per il rinforzo deve prevedere
la scelta di un’adeguata resina che sia resistente sia agli ambienti alcalini che acidi. In questa ottica va sottolineato che l’impiego di fibre di carbonio risulta comunque preferibile rispetto a quelle di vetro, qualora
l’intervento di rinforzo venga eseguito in un ambiente
che si presenta con un elevato grado di alcalinità o umidità.
• Dilatazione termica: I sistemi in FRP possono avere
proprietà di dilatazione termica che sono diverse da
2
La classificazione delle zone sismiche qui citata si riferisce alla
classificazione del territorio americano pubblicata su: “Minimum
Design Loads for Buildings and Other Structures”, ASCE 7-98
Edito da American Society of Civil Engineers.
quelle del calcestruzzo. Per di più tali proprietà differiscono anche fra le fibre stesse e le resine usate per realizzare il materiale composito. In particolare le fibre di
carbonio hanno un coefficiente di dilatazione termica
che è praticamente nullo mentre quelle di vetro hanno
un comportamento molto più simile a quello del calcestruzzo. Le resine polimeriche impiegate nella realizzazione dei sistemi in FRP hanno tipicamente un coefficiente di dilatazione termica che si aggira intorno a
cinque volte quello del calcestruzzo. Il calcolo delle
deformazioni dovute a differenziali termici è difficile
da realizzare in quanto esse variano in funzione di fattori quali l’allineamento delle fibre, la percentuale di
fibra rispetto al volume totale del composito (volume
di resina più volume di fibra) e lo spessore di adesivo
impiegato per l’incollaggio del rinforzo al supporto di
calcestruzzo. Le ricerche condotte fino ad ora (Motavalli et al. 1993; Soudki e Green 1997; Green et al.
1998) hanno comunque dimostrato che le differenze di
dilatazione termica nei vari materiali non alterano
l’ancoraggio delle fibre al supporto se le variazioni
termiche sono contenute nel range ± 28 ºC.
• Conduttività elettrica: Le fibre aramidiche e le fibre
di vetro hanno buone proprietà isolanti, a differenza di
quelle di carbonio che invece sono ottimi conduttori.
A questo proposito, onde evitare che il rinforzo realizzato con fibre in carbonio possa innescare un processo
di corrosione galvanica sulla preesistente armatura in
acciaio, si deve provvedere a far sì che il rinforzo e
l’armatura preesistente non entrino in contatto diretto.
8.3.2 Condizioni di carico – Dal momento che le condizioni di carico alle quali è soggetto l’elemento da rinforzare hanno una notevole influenza sul comportamento
a lungo termine del rinforzo, è necessario analizzare a
priori la struttura e scegliere il tipo di sistema in FRP che
più si addice alle condizioni previste in esercizio.
A tale riguardo di seguito sono illustrate le condizioni
di carico che possono avere un impatto più o meno considerevole sulle proprietà meccaniche del materiale composito a seconda del tipo di fibra che si utilizza. Per
informazioni più dettagliate è comunque necessario fare
riferimento al produttore del sistema in FRP scelto.
• Comportamento in caso di impatto: Le fibre aramidiche e quelle di vetro presentano proprietà migliori
rispetto a quelle di carbonio.
• Rottura per creep e comportamento a fatica: Le
fibre di carbonio sono quelle che meglio si comportano sia sotto l’azione di carichi costanti che possono
indurre rotture per creep, sia nei confronti di sollecitazioni di fatica dovute a carichi ciclici. Le fibre di vetro
invece risentono notevolmente di entrambe queste
condizioni di carico.
8.3.3 Considerazioni sulla durabilità – Il problema
della durabilità nei materiali compositi è uno dei principali problemi attualmente in fase di studio (Steckel et al.
1999a). Il progettista deve quindi scegliere il sistema in
FRP che meglio si addice all’ambiente nel quale si realizza l’intervento di rinforzo. Le prove che consentono di
valutare la durabilità dei vari sistemi in FRP includono
prove cicliche ad elevate temperature ed umidità, prove
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
in ambiente alcalino, cicli di gelo e disgelo ed esposizione ai raggi ultravioletti.
Qualora il rinforzo copra completamente la superficie
esterna di un elemento in calcestruzzo, indipendentemente dal tipo di sistema in FRP impiegato, sarebbe opportuno studiare gli effetti risultanti da: cicli di gelo e
disgelo, corrosione delle armature metalliche, reazione
alcali-silice degli inerti, presenza di acqua tra il rinforzo
ed il supporto in calcestruzzo, pressioni generate dalla
presenza di vapori e diffusione dei vapori di umidità
(Souki e Green 1997; Christensen et al. 1996; Toutanji
1999). Dal momento che molti sistemi in FRP costituiscono una sorta di barriera al vapore sulla superficie del
calcestruzzo, è necessario progettare il sistema in modo
che esso consenta l’evaporazione dell’umidità dall’elemento.
8.3.4 Considerazioni sulla scelta del tipo di protezione
– Uno manto protettivo può essere applicato direttamente sull’ultimo strato del rinforzo per proteggerlo da particolari condizioni ambientali. Lo spessore del manto protettivo va determinato in funzione delle caratteristiche
del materiale composito e deve quindi rispondere ad
esigenze di protezione specifiche rispetto a condizioni
ambientali quali eccessi di umidità, ambiente marino,
alte temperature, impatto ed esposizione ai raggi ultravioletti oppure atti di vandalismo o altre condizioni contingenti al luogo nel quale si trova l’elemento da rinforzare. Lo scopo di tali manti protettivi è appunto quello di
ritardare il processo di degrado che inevitabilmente interessa le proprietà meccaniche dei vari sistemi in FRP. A
questo scopo è opportuno ispezionare periodicamente
tale film protettivo onde evitare che col tempo possa degradarsi.
I manti protettivi o l’eventuale incremento dello strato
più esterno di resina impiegato per l’impregnazione delle
fibre possono proteggere le fibre anche da eventuali danni provocati da impatto o abrasione. Nel caso in cui il
rinforzo interessi elementi strutturali che possono essere
facilmente impattati, ulteriori livelli di protezione potrebbero rendersi necessari. Laddove si ritenga che l’azione di carichi abrasivi o da impatto sia di entità piuttosto bassa, i manti protettivi più utilizzati sono generalmente composti da malte cementizie o polimeriche.
8.4 – Valori di progetto delle proprietà meccaniche dei sistemi in FRP
A meno che non venga menzionato specificatamente,
le proprietà meccaniche dei materiali fornite dal produttore, quali ad esempio la resistenza a trazione, non tengono conto degli effetti di lunga durata che particolari
condizioni ambientali possono avere sulle fibre e sulle
resine che compongono il sistema in FRP. Pertanto, partendo da tali valori caratteristici vanno derivati quelli di
calcolo mediante opportuni coefficienti che tengono conto degli effetti negativi dovuti alle condizioni ambientali.
Le equazioni dalla (8.3) alla (8.5) forniscono le relazioni in base alle quali è possibile determinare le proprietà meccaniche che vanno impiegate in fase di progetto del rinforzo. Il valore di progetto della resistenza a
trazione del sistema in FRP deve essere calcolata utiliz-
440.2R-25
zando i coefficienti di riduzione ambientale riportati in
Tabella 8.1, che sono funzione del tipo di fibra utilizzata
e dell’ambiente al quale il rinforzo è esposto:
f fu = CE f fu*
(8.3)
Analogamente, il valore di progetto della deformazione ultima deve anch’esso essere ridotto attraverso lo
stesso coefficiente ambientale secondo l’Eq (8.4):
ε fu = CE ε *fu
(8.4)
Dal momento che i materiali compositi hanno un
comportamento elastico lineare fino a rottura, il valore di
progetto del modulo elastico può essere facilmente calcolato attraverso la legge di Hooke. L’espressione con la
quale calcolare il modulo elastico, fornita dall’Eq. (8.5),
evidenzia che esso è indipendente dal coefficiente di
riduzione ambientale. Il valore ottenuto applicando tale
relazione coincide con quello indicato dal produttore:
Ef =
f fu
ε fu
(8.5)
La durabilità e la resistenza al degrado ambientale di
un sistema in FRP dipende dal tipo di fibra e resina che
lo costituiscono. I coefficienti di riduzione ambientale
riportati dalla Tabella 8.1 sono stati stimati in maniera
molto conservativa a seconda del tipo di fibra, facendo
riferimento ai diversi processi di degrado di ciascuna di
esse.
Dal momento che tali valori sono stati ottenuti dall’estrapolazione di risultati sperimentali, non appena saranno disponibili nuovi risultati la Tabella 8.1 verrà aggiornata di conseguenza, senza modificare però la filosofia
con la quale tali coefficienti vanno usati. Dal produttore
del sistema in FRP si potrebbero ottenere ulteriori informazioni riguardo il comportamento del sistema adottato in funzione dell’utilizzo, o meno, di manti protettivi.
Come evidenziato dai valori della Tabella 8.1, se il
rinforzo in FRP è esposto ad ambiente poco aggressivo,
ad esempio all’interno di edifici, il coefficiente di riduzione ambientale è prossimo all’unità.
Tabella 8.1 – Fattori di riduzione ambientale, CE, in
funzione del tipo di esposizione e della fibra utilizzata
Condizione di
esposizione
Interna
Esterna (ponti, colonne, e parcheggi)
Aggressiva (industrie chimiche e di
smaltimento rifiuti)
Tipo di fibra
e resina
Carbonio/epossidica
Vetro/epossidica
Aramidica/epossidica
Carbonio/epossidica
Vetro/epossidica
Aramidica/epossidica
Carbonio/epossidica
Vetro/epossidica
Aramidica/epossidica
CE
0.95
0.75
0.85
0.85
0.65
0.75
0.85
0.50
0.70
440.2R-26
ACI COMMITTEE REPORT
Qualora invece l’intervento venga realizzato in ambiente aggressivo caratterizzato da elevata umidità, da
cicli di gelo e disgelo, da ambiente marino o alcalino, o
da una qualsiasi combinazione di questi, si adottano coefficienti minori. Nel caso in cui prove di laboratorio
dimostrino che l’impiego di un particolare manto protettivo è in grado di limitare i processi di degrado legati ad
una determinata condizione ambientale, il coefficiente
ambientale potrebbe essere maggiorato se tale protezione
è presente per tutto il periodo di vita atteso del sistema in
FRP.
CAPITOLO 9 – RINFORZO A FLESSIONE
L’applicazione in corrispondenza del lembo teso di un
elemento in calcestruzzo inflesso di un rinforzo in FRP,
avente le fibre disposte parallelamente all’asse dell’elemento, da luogo ad un incremento della resistenza a flessione di quest’ultimo. Sperimentalmente sono stati osservati incrementi della resistenza complessiva variabili
dal 10 al 160% (Meier and Kaiser 1991; Ritchie et al.
1991; Sharif at al. 1994). Nella pratica, tuttavia, dovendo
tener conto della duttilità raggiunta a rottura e dello stato
limite di esercizio, si può contare su incrementi della resistenza generalmente compresi nell’intervallo 5÷40%.
Non è possibile estendere le indicazioni riportate in
questo capitolo a telai in c.a. soggetti ad azioni sismiche,
per quelle zone sedi di possibili formazioni di cerniere
plastiche. Il progetto degli interventi di rinforzo a flessione con FRP, in tal caso, deve necessariamente tener
conto del comportamento globale del telaio rinforzato,
comportamento sensibilmente condizionato dalla riduzione della duttilità rotazionale causata, nelle zone suddette, dall’intervento di rinforzo. Inoltre, in tal caso,
dovrebbe essere attentamente valutato l’effetto che, sul
rinforzo in FRP, hanno i carichi ciclici.
9.1 – Considerazioni generali
Questo capitolo presenta le linee-guida per il progetto
del rinforzo a flessione mediante sistemi in FRP applicati al lembo teso di elementi in c.a. ed è concepito per il
caso specifico di sezioni rettangolari in c.a. ordinario,
aventi armature disposte solo in corrispondenza delle
zone tese. Tuttavia, i concetti generali descritti nel seguito possono essere estesi a sezioni non rettangolari (sezioni a T e ad I) e ad elementi strutturali aventi armature
metalliche anche in zona compressa. Nel caso di elementi precompressi, per valutare il contributo dell’FRP, dovrebbe essere considerata la congruenza delle deformazioni, con riferimento allo stato di deformazione
dell’elemento sollecitato. In tal caso, è necessario considerare anche quei meccanismi di collasso che prevedono
la rottura dei cavi di precompressione.
9.1.1 Ipotesi – Per la valutazione della resistenza a
flessione di una sezione rinforzata adoperando un sistema in FRP vengono fatte le seguenti ipotesi:
• i calcoli di progetto sono basati sulle dimensioni
reali, sulla disposizione delle armature interne e sulle proprietà dei materiali dell’elemento strutturale
esistente da rinforzare;
•
le deformazioni nell’armatura e nel calcestruzzo
sono direttamente proporzionali alla distanza
dall’asse neutro (principio di conservazione delle sezioni piane);
• perfetta aderenza tra il rinforzo esterno in FRP ed il
calcestruzzo;
• la deformazione a taglio all’interno dello strato di
adesivo viene trascurata in quanto lo strato di adesivo è molto sottile con piccole variazioni nel suo
spessore;
• la massima deformazione utilizzabile nel calcestruzzo è pari a 0.0033;
• la resistenza a trazione del calcestruzzo viene trascurata; e
• il rinforzo in FRP ha un legame costitutivo tensionedeformazione elastico lineare fino a rottura.
E’ opportuno chiarire che alcune delle precedenti ipotesi sono necessarie per conseguire una certa facilità
computazionale, anche se le stesse possono non riprodurre fedelmente il comportamento effettivo. Ad esempio, la deformazione a taglio nello strato di adesivo responsabile tra gli scorrimenti relativi tra il rinforzo in
FRP ed il supporto non è in realtà nulla. Le approssimazioni insite nelle suddette ipotesi, tuttavia, non influenzano significativamente il valore della resistenza di un
elemento rinforzato con FRP. Un ulteriore coefficiente
di riduzione della resistenza (presentato nella Sezione
9.2) compenserà, a vantaggio di sicurezza, le varie discrepanze.
9.1.2 Resistenza a taglio della sezione – Quando un
rinforzo in FRP viene usato per incrementare la resistenza a flessione di un elemento strutturale, è importante
verificare che l’elemento sia effettivamente capace di
sopportare carichi maggiori, ossia, che gli sforzi di taglio
associati ai nuovi carichi, siano sopportabili senza che si
produca una rottura per taglio. La verifica a taglio comporta la valutazione della resistenza dell’elemento strutturale ed il confronto di questa con la sollecitazione di
taglio indotta dai carichi ad essa applicati. Nel caso che
da tale verifica scaturisse la necessità di fornire una resistenza a taglio aggiuntiva, possono essere utilizzate lamine in FRP orientate trasversalmente all’asse dell’elemento, come descritto nel CAPITOLO 10.
9.1.3 Deformazione esistente nel supporto – Il supporto su cui l’elemento in FRP viene applicato risulta in
genere soggetto a deformazioni dovute a tutti i carichi
agenti prima della realizzazione del rinforzo stesso, inclusi il peso proprio ed eventuali carichi accidentali, a
meno che tali carichi non vengano preventivamente rimossi. Queste deformazioni dovrebbero essere considerate come deformazioni iniziali e dovrebbero, pertanto,
essere escluse dal calcolo della deformazione nell’elemento in FRP (Arduini e Nanni 1997; Nanni et al. 1998).
Il livello di deformazione iniziale sul supporto, εbi, può
3
Questo valore di deformazione coincide con la massima deformazione assunta dalle normative ACI per elementi in calcestruzzo
non rinforzati (cfr. ACI 318-99); la massima deformazione (o
“deformazione ultima”) definita dalle normative europee per il
calcestruzzo vale εcu = 0.0035.
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
essere determinato da una analisi elastica dell’elemento
struttrale esistente, considerando tutti i carichi agenti
sull’elemento al momento della realizzazione del rinforzo. Si raccomanda che l’analisi elastica dell’elemento
strutturale esistente sia basata sulle proprietà della sezione parzializzata.
9.2 – Resistenza nominale4
La verifica di sicurezza allo stato limite ultimo richiede che la resistenza a flessione di progetto di un elemento strutturale sia maggiore della sollecitazione flettente
di calcolo (ossia dovuta ai carichi agenti fattorizzati)
come indicato dall’Eq. (9.1):
φMn ≥ Mu
(9.1)
La resistenza a flessione di progetto, φMn, si ricava
dalla resistenza nominale dell’elemento strutturale, Mn,
moltiplicata per il coefficiente di riduzione φ; la sollecitazione flettente di calcolo, Mu, si ottiene dalla combinazione delle sollecitazioni prodotte dai carichi di progetto
(per esempio, αDLMDL + αLLMLL + …)5. Questa guida
raccomanda che la sollecitazione flettente di calcolo in
una sezione venga valutata adoperando coefficienti parziali sulle azioni (α), come richiesto dalle norme ACI
318-99. Inoltre, per la valutazione della resistenza di
progetto, si raccomanda l’uso dei coefficienti di riduzione della resistenza (φ) riportati nelle stesse norme e di un
ulteriore coefficiente di riduzione ψf - pari a 0.85 - da
applicare al contributo flessionale del solo rinforzo in
FRP. L’uso dell’ulteriore coefficiente di riduzione è illustrato nella Eq. (9.11). Questo coefficiente di riduzione
aggiuntivo viene introdotto per tener conto della più incerta affidabilità, in termini statistici, relativa alle strutture rinforzate con FRP rispetto a quelle tradizionali.
La resistenza a flessione nominale di un elemento in
calcestruzzo rinforzato con FRP può essere determinata
sulla base della congruenza delle deformazioni, dell’equilibrio delle azioni interne e della modalità di rottura.
9.2.1 Modalità di rottura – La resistenza a flessione di
una sezione dipende dalla modalità di rottura. Per una
sezione rinforzata con FRP dovrebbero essere esaminate
le seguenti modalità di rottura (GangaRao e Vijay 1998):
• schiacciamento del calcestruzzo in compressione
prima dello snervamento dell’armatura metallica;
• snervamento dell’acciaio in trazione seguito dalla
rottura del rinforzo in FRP;
• snervamento dell’acciaio in trazione seguito dallo
schiacciamento del calcestruzzo;
4
Per la migliore comprensione delle modalità di verifica allo stato
limite ultimo secondo la normative ACI si faccia riferimento alle
brevi note introduttive riportate all’inizio di questo documento.
5
Secondo la simbologia adoperata dalla normativa ACI 318-99
con αDL e αLL si indicano i fattori di amplificazione dei carichi
permanenti (DL=Dead Load) ed accidentali (LL=Live Load) rispettivamente. Conseguentemente con MDL e MLL si indicano le
sollecitazioni flettenti dovute all’applicazione di tali carichi.
440.2R-27
•
•
delaminazione per taglio/trazione del copriferro; e
perdita di aderenza del rinforzo in FRP dal supporto
in calcestruzzo.
La rottura per schiacciamento del calcestruzzo compresso si ha convenzionalmente quando la deformazione
raggiunge il limite massimo pari εc=εcu =0.003. E’ possibile avere rottura del rinforzo in FRP se la sua deformazione raggiunge il limite di progetto (εf=εfu) prima
che avvenga lo schiacciamento del calcestruzzo.
Analogamente, la rottura per delaminazione o quella
causata dalla perdita di aderenza del sistema in FRP si
verifica quando lo sforzo assorbito dall’FRP supera la
resistenza del calcestruzzo. Pertanto, al fine di prevenire
tali modalità di rottura, è necessario limitare al di sotto di
una soglia stabilita il livello di deformazione raggiunto
nell’FRP. A tal fine, viene introdotto un coefficiente κm,
che in ogni caso non può essere assunto maggiore di
0.90, che moltiplica la deformazione di rottura del laminato in FRP. L’Eq. (9.2) fornisce l’espressione di tale
coefficiente:
⎧ 1 ⎛
nE f t f ⎞
⋅ ⎜1 −
⎪
⎟ ≤ 0.90 per nE f t f ≤ 180000
⎪ 60ε fu ⎝ 360000 ⎠
κm = ⎨
1 ⎛ 90000 ⎞
⎪
⎪ 60ε ⋅ ⎜⎜ nE t ⎟⎟ ≤ 0.90 per nE f t f > 180000
fu ⎝
f f ⎠
⎩
(9.2)
Nell’Eq. (9.2) con n è indicato il numero di strati di
FRP che si hanno in corrispondenza della sezione per la
quale si sta valutando la resistenza a flessione. Il termine
κm assume valori tanto minori quanto maggiore è la rigidezza unitaria nEftf. Così, la limitazione di deformazione diventa più severa all’aumentare della rigidezza del
laminato e ciò in accordo con le risultanze sperimentali,
che mostrano come rinforzi dotati di rigidezza più elevata determinino maggiori problemi di delaminazione. Per
rinforzi con rigidezza unitaria nEftf maggiore di 180000
N/mm, l'origine dell’equazione viene dall’imposizione di
uno sforzo massimo piuttosto che da una limitazione
sulla deformazione. La rigidezza unitaria del rinforzo è
indipendente dalla larghezza del laminato e ciò si giustifica dal fatto che ad un incremento di larghezza dell’FRP
corrisponde un incremento proporzionale della superficie
utile per l’aderenza.
Le espressioni riportate per il coefficiente κm sono di
tipo empirico, ossia basate su esperienze di laboratorio e
su indicazioni fornite da professionisti esperti del settore.
Ulteriori ricerche inerenti la meccanica del fenomeno di
aderenza del rinforzo a flessione potranno condurre in
futuro a metodi più accurati per la predizione della delaminazione, fornendo delle modifiche opportune dell’Eq. (9.2) per tener conto, verosimilmente, non solo
della rigidezza del rinforzo, ma anche della rigidezza
dell’elemento strutturale a cui esso è incollato. Nel frat-
440.2R-28
ACI COMMITTEE REPORT
tempo, il Comitato6 raccomanda l’uso dell’Eq. (9.2) per
limitare la deformazione nell’elemento in FRP e prevenirne la delaminazione.
9.2.2 Livello di deformazione nel rinforzo in FRP – E’
importante determinare il livello di deformazione nel
rinforzo in FRP allo stato limite ultimo. Poiché i materiali in FRP hanno un comportamento elastico-lineare
fino a rottura, il livello di deformazione nell’elemento di
FRP governerà il livello di tensione sviluppato nello
stesso materiale. Il massimo livello di deformazione (deformazione efficace) che può essere raggiunto nel rinforzo dipende dalla modalità di rottura (schiacciamento del
calcestruzzo, rottura del rinforzo, oppure crisi nell’aderenza tra FRP e supporto) e può essere valutato utilizzando l’Eq. (9.3), ossia tenendo conto del principio di
conservazione delle sezioni piane, avendo cura di depurare la deformazione così ottenuta della quantità εbi che
rappresenta la deformazione iniziale del supporto (come
descritta nella Sezione 9.1.3):
⎛ h−c ⎞
⎟ − ε bi ≤ κ mε fu
⎝ c ⎠
ε fe = ε cu ⎜
(9.3)
9.2.3 Livello di tensione nel rinforzo in FRP – Il massimo livello di tensione che può essere sviluppato nel
rinforzo (tensione efficace) può essere desunto dalla deformazione efficace, assumendo un comportamento perfettamente elastico:
f fe = E f ε fe
(9.4)
9.3 – Duttilità
Il rinforzo a flessione con sistemi in FRP ha come
conseguenza la riduzione di duttilità dell’elemento strutturale originale. In alcuni casi la perdita di duttilità è
trascurabile. Per mantenere un grado di duttilità sufficiente, è necessario controllare che il livello di deformazione nell’acciaio sia pari ad almeno lo 0.005 indipendentemente dalla modalità di rottura, ciò in accordo con
quanto previsto nel Capitolo 2 della norma ACI 318-99.
L’approccio seguito in questo documento si inquadra
nella filosofia dell’Appendice B di tale norma, secondo
la quale una sezione a bassa duttilità deve essere compensata da una maggiore riserva di resistenza. La suddetta maggiore riserva di resistenza è assicurata applicando
nel caso di sezioni fragili un coefficiente di riduzione
della resistenza, φ, pari a 0.70, valore inferiore, pertanto,
allo 0.90 utilizzato per sezioni duttili.
L’Eq. (9.5) fornisce il coefficiente di riduzione della
resistenza che deve essere usato per il rinforzo a flessio7
ne con materiali compositi. In essa, εs rappresenta la
deformazione nell’acciaio allo stato limite ultimo, mentre con εsy è indicata la deformazione di snervamento:
6
Per comitato si intende l’ACI Committee 440, Fiber Reinforced
Polymer, che ha redatto il presente documento.
7
Da notare che la normativa ACI, a differenza di quella italiana,
non pone un limite massimo per la deformazione dell’acciaio.
0.90
⎧
⎪
0.20 ε s − ε sy
⎪
φ = ⎨0.70 +
0.005 − ε sy
⎪
⎪
0.70
⎩
(
)
per ε s ≥ 0.005
per ε sy < ε s < 0.005
(9.5)
per ε s ≤ ε sy
L’andamento del coefficiente di riduzione al variare
della deformazione εs è riportato nella Figura 9.1.
9.4 – Stato limite di esercizio
Sotto l’azione dei carichi di servizio un elemento strutturale dovrebbe soddisfare le prescrizioni della norma
ACI 318-99 per ciò che concerne gli aspetti funzionali
(limitazione delle frecce e dell’ampiezza delle fessure).
Il contributo del rinforzo esterno in FRP nelle verifiche
di esercizio può essere valutato attraverso l’analisi della
sezione omogeneizzata.
Al fine di evitare deformazioni anelastiche in esercizio, le armature metalliche interne devono essere lontane
dal valore che ne produce lo snervamento. Per questo, la
tensione di esercizio nell’acciaio è limitata all’80% della
tensione di snervamento, come mostrato nell’Eq. (9.6):
f s , s ≤ 0.80 f y
(9.6)
9.5 – Rottura per creep e limiti tensionali per
fatica
Al fine di evitare la rottura del rinforzo in FRP per
creep o la rottura dovuta a tensioni cicliche e di fatica,
occorre controllare i livelli tensionali raggiunti nel rinforzo. Tali tensioni possono essere calcolate mediante
un’analisi elastica.
I fenomeni di rottura per creep e per fatica per gli FRP
sono stati descritti nella Sezione 3.4 in funzione del tipo
di fibra utilizzato.
Come si è visto nella Sezione 3.4.1, gli studi scientifici
hanno mostrato che le fibre di vetro, di aramide e di carbonio possono sostenere, rispettivamente, tensioni pari al
30%, 47% e 91% della propria resistenza senza che si
verifichi la rottura per creep (Yamaguchi et al. 1997).
Al fine di evitare la crisi di un elemento strutturale rinforzato con FRP per effetto di creep e fatica, devono essere imposti opportuni limiti tensionali al rinforzo. Il
livello di tensione nel rinforzo in FRP può essere calcolato mediante un’analisi elastica supponendo che la sezione inflessa sia sollecitata dal momento flettente dovuto a tutti i carichi sostenuti (peso proprio più la porzione
sempre presente dei carichi accidentali) cui si deve
sommare il momento massimo indotto dal carico ciclico
(Figura 9.4). Per mantenere un adeguato livello di sicurezza, il livello tensionale così raggiunto deve essere limitato secondo quanto espresso dalla Eq. (9.7). I valori
di sicurezza dei livelli tensionali indotti dal carico sostenuto e da quello ciclico sono forniti nella Tabella 9.1.
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
440.2R-29
Deformazione
ultima nell’acciaio
Figura 9.1 – Il coefficiente di riduzione della resistenza in funzione della deformazione dell’acciaio.
Asse
neutro
Sezione in c.a.
Stato deformativo
Stato tensionale
(distribuzione nonlineare delle tensioni)
Stato tensionale
(distribuzione equivalente
da usarsi nei calcoli)
Figura 9.2 – Stato deformativo e tensionale ultimo per sezione rettangolare.
Tali valori sono basati sui limiti di tensione precedentemente stabiliti nella Sezione 3.4.1 adottando un coefficiente di sicurezza pari a 1/0.60:
f f , s ≤ Soglia di tensione dovuta ai
carichi sostenuti + quelli ciclici
(9.7)
9.6 – Sezione rettangolare a semplice armatura
Al fine di mostrare un’applicazione delle prescrizioni
riportate in questo capitolo, di seguito è presentato l’esempio applicativo degli stessi concetti per il caso di una
sezione rettangolare a semplice armatura (non precompressa).
9.6.1 Resistenza ultima – La Figura 9.2 illustra la distribuzione delle tensioni e delle deformazioni interne
per una sezione rettangolare inflessa allo stato limite
ultimo.
La procedura di calcolo utilizzata per ottenere la resistenza ultima deve soddisfare la condizione di compatibilità delle deformazioni e l’equilibrio degli sforzi interni
e considerare la modalità di rottura della sezione. Posso-
no essere messe a punto molte procedure di calcolo che
soddisfano queste condizioni. La procedura descritta in
questo paragrafo è una di queste ed ha carattere iterativo.
La procedura iterativa si articola nelle seguenti fasi:
- scelta di un valore di tentativo per la profondità dell’asse neutro c;
- calcolo delle deformazioni nei vari materiali utilizzando l’ipotesi di conservazione delle sezioni piane;
- calcolo dei corrispondenti livelli di tensione nei materiali;
- controllo dell’equilibrio delle forze interne.
Se le risultanti delle tensioni interne non sono equilibrate, la profondità dell’asse neutro deve essere corretta
e la procedura deve essere ripetuta.
Tabella 9.1 – Valori ammissibili delle tensioni dovuti
ai carichi sostenuti e ciclici per rinforzi in FRP.
Stato
Tensionale
Limite
GFRP
0.20 ffu
Tipo di fibra
AFRP
0.30 ffu
CFRP
0.55 ffu
440.2R-30
ACI COMMITTEE REPORT
Per qualsiasi valore della profondità dell’asse neutro c,
la deformazione nell’elemento in FRP può essere calcolata mediante l’Eq. (9.3) presentata nella Sezione 9.2.2 e
riportata per comodità qui di seguito:
⎛ h−c ⎞
⎟ − ε bi ≤ κ mε fu
⎝ c ⎠
ε fe = ε cu ⋅ ⎜
(9.3)
Tale equazione tiene conto della modalità di crisi in
funzione della posizione assunta per l’asse neutro. Nel
caso in cui il limite è dato dal primo termine dell’equazione, la crisi della sezione avviene per schiacciamento
del calcestruzzo. Se il limite è fornito dal secondo termine, la crisi della sezione è determinata dalla crisi
dell’FRP (per rottura o per perdita di aderenza).
Il livello di tensioni nel rinforzo in FRP può essere
trovato in funzione del livello di deformazione assumendo un comportamento perfettamente elastico come già
osservato nell’Eq. (9.4) qui di seguito riportata per comodità:
f fe = E f ε fe
⎛ d −c ⎞
⎜ h−c ⎟
⎝
⎠
f s = Es ε s ≤ f y
(9.9)
Sulla base del valore di tentativo assunto per la profondità dell’asse neutro è possibile valutare le deformazioni e, quindi, le tensioni nell’elemento di FRP e nelle
armature metalliche; è possibile effettuare allora il controllo dell’equilibrio interno utilizzando la Eq. (9.10):
As f s + A f f fe
γ f c′β1b
(9.10)
I termini γ e β1 nell’Eq. (9.10) sono parametri che definiscono un diagramma di tensioni rettangolare nel calcestruzzo8, equivalente all’effettiva distribuzione non lineare. Se lo schiacciamento del calcestruzzo rappresenta
la condizione limite (prima o dopo lo snervamento
dell’acciaio), γ e β1 possono essere assunti come il valo8
(9.11)
9.6.2 Tensioni nell’acciaio per carichi di servizio – Il
livello di tensione nell’armatura metallica può essere
calcolato sulla base di una analisi elastica della sezione
in c.a. parzializzata come indicato nella Eq. (9.12).
f s,s =
(9.8)
Avendo assunto per l’acciaio un legame elastico-perfettamente plastico e nota la sua deformazione, εs, la
tensione è facilmente determinabile come segue:
c=
β c⎞
βc⎞
⎛
⎛
M n = As f s ⎜ d − 1 ⎟ + ψ f A f f fe ⎜ h − 1 ⎟
2
2 ⎠
⎝
⎠
⎝
(9.4)
Noto il livello di deformazione nel rinforzo in FRP, è
possibile determinare la deformazione nell’armatura tesa
non presollecitata utilizzando l’ipotesi di conservazione
della sezione piana:
ε s = ( ε fe + ε bi )
re associato allo stress block di Whitney (γ=0.85 e β1
dalla Sezione 10.2.7.3 della norma ACI 318-99)9. Se si
verifica la crisi per rottura del rinforzo in FRP,
l’asportazione del copriferro o la perdita di aderenza del
rinforzo stesso, lo stress block di Whitney darà risultati
ragionevolmente accurati. Inoltre, metodi di calcolo che
considerino una distribuzione non-lineare delle tensioni
nel calcestruzzo potrebbero essere utilizzati.
L’effettiva profondità dell’asse neutro è determinata
dal simultaneo soddisfacimento delle Eq. (9.3), (9.4),
(9.8), (9.9) e (9.10), imponendo l’equilibrio degli sforzi
interni e la congruenza delle deformazioni.
Il valore nominale del momento flettente della sezione
rinforzata con FRP può essere calcolato con l’Eq. (9.11).
In tale equazione il contributo alla resistenza flessionale
offerto dal rinforzo in FRP è modificato introducendo un
ulteriore coefficiente di riduzione ψf. Si raccomanda di
assumere ψf=0.85.
Nella terminologia ACI questa distribuzione semplificata delle
tensioni nel calcestruzzo compresso è indicata con il termine
“stress block”; tale dizione è spesso utilizzata anche nei testi in
lingua italiana.
(
)
⎡ M + ε A E h − kd ⎤ ( d − kd ) E
bi f
f
s
3 ⎦⎥
⎣⎢ s
As Es d − kd ( d − kd ) + Af E f h − kd ( h − kd )
3
3
(9.12)
(
)
(
)
L’andamento delle deformazioni e delle tensioni nella
sezione in c.a. è mostrata nella Figura 9.3. In maniera
analoga a quanto si fa per le usuali sezioni in c.a., la profondità kd dell’asse neutro in condizioni di servizio può
essere valutata ponendo pari a zero il momento statico
della sezione omogeneizzata.
L’area omogeneizzata del rinforzo in FRP può essere
ottenuta moltiplicando l’area del rinforzo stesso per il
coefficiente di omogeneizzazione del composito rispetto
al calcestruzzo. Sebbene questo metodo ignori la differenza tra la deformazione iniziale del rinforzo in FRP e
quella del supporto, tale differenza non influenza in maniera rilevante la profondità dell’asse neutro nel campo
di risposta elastica dell’elemento.
La tensione nell’acciaio dovuta ai carichi di servizio,
calcolata secondo l’Eq. (9.12), va confrontata con i limiti
descritti nella Sezione 9.5.
9
Nello stress block definito dalla norma ACI 318-99 si considera
la tensione γ f’c=0.85 f’c con un diagramma rettangolare di profondità efficace β1 c . Il coefficiente β1 è pari a 0.85 per resistenze del
calcestruzzo f’c fino a 27.6 N/mm2 ; per resistenze superiori a 27.6
N/mm2, il valore di β1 – che deve essere comunque non minore di
0.65 - è ridotto proporzionalmente secondo la seguente relazione:
β1 = 0.85 − 0.05 ⋅
f 'c − 27.6
6.9
≥ 0.65
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
Asse
neutro
Figura 9.3 – Stato deformativi e pensionale in campo
elastico.
Mf = Momento dovuto ai carichi ciclici
Mc= Momento dovuto ai carichi
permanenti ed accidentali continuamente
presenti sulla struttura
Mc
Ms
M
f
Momento indotto
Tempo
Figura 9.4 – Illustrazione dei momenti da utilizzare per
la verifica dei limiti tensionali nel rinforzo in FRP.
9.6.3Tensioni nell’FRP per carichi di servizio – Il livello di tensione nel rinforzo in FRP può essere calcolato
utilizzando l’Eq. (9.13), in cui il valore di fs,s è quello
ottenuto dall’Eq. (9.12) mentre Ms (nell’Eq. (9.12)) è
ottenuto sommando al momento dovuto a tutte le azioni
permanenti (peso proprio, sovraccarichi permanenti e la
parte permanente dei sovraccarichi accidentali) il momento massimo indotto in un ciclo di carico a fatica,
come mostrato in Figura 9.4. L’equazione (9.13) fornisce la tensione del rinforzo in FRP in campo elastico
dovuta al momento applicato:
⎛ E f ⎞ h − kd
− ε bi E f
f f ,s = f s,s ⎜
⎟
⎝ Es ⎠ d − kd
(9.13)
440.2R-31
della resistenza a taglio ottenuta mediante l’applicazione
di un rinforzo esterno in FRP nella direzione ortogonale
all’asse di elementi in c.a.. L’incremento di resistenza a
taglio dovuto all’FRP dipende dalla geometria della trave o della colonna, dallo schema di rinforzo e dalla resistenza del calcestruzzo originario, ma deve comunque
essere limitata secondo le indicazioni fornite nel
CAPITOLO 8.
Il rinforzo a taglio con FRP può rendersi necessario in
corrispondenza delle zone di formazione di cerniere plastiche o, ancora, per migliorare il comportamento a flessione in campo post-elastico di telai inflessi soggetti a
carichi sismici predisponendo una fasciatura completa
della sezione. Per rinforzi esterni in FRP realizzati installando strisce di materiale composito ortogonali all’asse
dell’elemento, la massima distanza tra gli assi del rinforzo non dovrebbe eccedere la somma di d/4 più la larghezza del rinforzo stesso.
10.2 – Schemi di fasciatura
Nella Figura 10.1 si illustrano le tre tipologie di fasciature utilizzate per incrementare la resistenza a taglio di
travi a sezione prismatica o rettangolare o di colonne. La
completa fasciatura della sezione con FRP su tutti e
quattro i lati è lo schema più efficace ed è comunemente
utilizzato per applicazioni su colonne, per le quali
l’accesso a tutti i lati è generalmente garantito. Per applicazioni su travi, invece, la presenza della soletta rende
in genere impraticabile l’accesso all’estradosso dell’elemento da rinforzare, non permettendone una fasciatura
completa. In tal caso, l’incremento di resistenza a taglio
può essere ottenuto attraverso una parziale fasciatura con
FRP lungo tre oppure due lati dell’elemento.
Sebbene si sia riscontrato che tutte e tre le tecniche incrementano la resistenza a taglio dell’elemento, lo schema che prevede la fasciatura completa è il più efficace,
seguito dallo schema di fasciatura su tre lati (U-wrap).
La tensione nell’elemento di FRP dovuta ai carichi di
servizio calcolata con l’Eq. (9.13) va confrontata con i
limiti indicati nella Sezione 9.5.
CAPITOLO 10 – RINFORZO A TAGLIO
E’ stato dimostrato che i sistemi in FRP sono in grado
di incrementare la resistenza a taglio di travi e colonne
esistenti in c.a. attraverso una fasciatura totale o parziale
degli elementi (Malvar et al. 1995; Chajes et al. 1995;
Norris et al. 1997; Kachlakev and McCurry 2000).
L’applicazione di fibre in direzione trasversale all’asse
dell’elemento o perpendicolare ad eventuali fessure taglianti è efficace per incrementare la resistenza a taglio
(Sato et al. 1996). L’incremento di resistenza a taglio
sposta la rottura della sezione verso meccanismi di crisi
di tipo flessionale, notoriamente più duttili rispetto a
quelli taglianti.
10.1 – Considerazioni generali
Questo capitolo fornisce i criteri per la progettazione
Completamente
fasciata
Fasciature
su tre lati
Fasciature
su due lati
Figura 10.1 – Tipici schemi di rinforzo a taglio con
FRP.
Figura 10.2 – Illustrazione dei parametri geometrici
utilizzati nel rinforzo a taglio con FRP.
440.2R-32
ACI COMMITTEE REPORT
L’applicazione del rinforzo su due soli lati dell’elemento
è lo schema meno efficiente.
Per tutti gli schemi di fasciatura citati, il sistema di rinforzo in FRP può essere realizzato in maniera continua
lungo la lunghezza dell’elemento o applicando un numero discreto di strisce.
Come già discusso nella Sezione 8.3.3, particolare attenzione deve essere posta nell’impiego di rinforzi continui in FRP che, fasciando completamente l’elemento,
ne prevengono la naturale traspirazione.
10.3 – Resistenza nominale10
La verifica di sicurezza allo stato limite ultimo richiede che la resistenza a taglio di progetto, φVn, di un elemento strutturale sia maggiore della sollecitazione tagliante di calcolo, Vu, (ossia dovuta ai carichi agenti fattorizzati) come indicato nell’Eq. (10.1), in analogia a
quanto riportato nella Sezione 9.2 relativa al rinforzo a
flessione:
φVn ≥ Vu
(10.1)
La resistenza a taglio nominale di un elemento in calcestruzzo rinforzato con FRP viene calcolata sommando
il contributo del rinforzo in FRP ai contributi dell’armatura metallica (staffe, ferri piegati o spirali) e del calcestruzzo. Un ulteriore coefficiente di riduzione, ψf, è applicato al contributo del sistema in FRP come riportato
nell’Eq. (10.2):
φVn = φ (Vc + Vs + ψ f V f
)
(10.2)
Il coefficiente ψf vale 0.85 per quelle applicazioni in
cui l’aderenza è un parametro essenziale. Per rinforzi in
cui l’aderenza non è critica, esso può essere assunto pari
a 0.95. Queste raccomandazioni sono riassunte nella
Tabella 10.1.
10.4 – Contributo del rinforzo in FRP alla resistenza a taglio
Nella Figura 10.2 si illustrano i parametri geometrici
utilizzati nella valutazione del contributo alla resistenza
a taglio fornito dal rinforzo in FRP. Esso dipende dall’orientamento delle fibre e dalle ipotesi fatte sul quadro
fessurativo dell’elemento (Khalifa et al. 1998).
Il contributo alla resistenza a taglio dovuto al rinforzo
può essere determinato calcolando la risultante delle
trazioni nell’FRP a cavallo della fessura. Tale contributo
è fornito dall’Eq. (10.3):
Tabella 10.1 – Ulteriore coefficiente di riduzione per
il rinforzo a taglio con FRP.
ψf = 0.95
ψf = 0.85
10
Vedi Nota 4.
Elementi completamente fasciati
Fasciature su due o tre lati
Vf =
A fv f fe ( sin α + cos α ) d f
sf
(10.3)
dove
Afv = 2nt f w f
(10.4)
Lo stato tensionale ultimo nel rinforzo a taglio è direttamente proporzionale al livello di deformazione in esso
raggiungibile. L’Eq. (10.5) fornisce tale relazione in funzione della deformazione effettiva, εfe, nel rinforzo:
f fe = ε fe E f
(10.5)
10.4.1 Deformazione effettiva nell’FRP – La deformazione effettiva è la massima deformazione che può essere raggiunta nell’FRP in corrispondenza del carico ultimo e dipende dalla modalità di rottura del sistema FRP e
da quella dell’elemento in c.a. rinforzato. Il progettista
deve considerare tutte le possibili modalità di rottura ed
utilizzare un valore della deformazione ultima che sia
rappresentativo della crisi dell’elemento. Nei paragrafi
che seguono si riportano indicazioni sulla determinazione del valore della deformazione effettiva per differenti
configurazioni del rinforzo.
10.4.1.1 Elementi completamente fasciati – Per colonne in c.a. o travi completamente fasciate con FRP si è
osservato che la perdita della resistenza a taglio dovuta
al fenomeno dell’ingranamento degli inerti avviene per
un valore di deformazione nelle fibre che è inferiore alla
deformazione ultima delle fibre stesse. Per evitare questa
modalità di rottura prematura, la massima deformazione
di progetto dovrebbe essere limitata allo 0.4% secondo
quanto riportato nell’Eq. (10.6(a)):
ε fe = 0.004 ≤ 0.75ε fu
(10.6(a))
(Per fasciature complete sull’intera sezione trasversale)
Questa limitazione sulla deformazione è fondata sia su
prove sperimentali (Priestley et al. 1996) che sull’esperienza maturata sul campo. Valori più elevati delle deformazioni non dovrebbero essere utilizzati.
10.4.1.2 Elementi rinforzati secondo lo schema Uwrap o rinforzati su due soli lati – E’ stato osservato che
sistemi in FRP che non prevedono una fasciatura completa dell’intera sezione (cioè lamine applicate solo su
due o tre lati) sono soggetti a fenomeni di delaminazione
che precedono il verificarsi della perdita dell’ingranamento degli inerti. Per questa ragione si dovrebbero analizzare attentamente le tensioni di aderenza per determinare l’efficacia di tali sistemi e l’effettivo livello di deformazione che può essere raggiunto (Triantafillou
1998a). La deformazione effettiva può essere calcolata
utilizzando un coefficiente, κv, che, tenendo conto di
questo fenomeno, riduce la deformazione sviluppabile
nel rinforzo secondo la relazione seguente:
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
La lunghezza attiva Le rappresenta il valore della lunghezza del rinforzo che è necessario assicurare affinché
sia possibile il trasferimento delle tensioni di aderenza
tra FRP e supporto in calcestruzzo. Essa è data dall’Eq.
(10.8):
Le =
23,300
( nt
f
Ef
)
0.58
⎧ d f − Le
⎪
⎪ df
k2 = ⎨
⎪ d f − 2 Le
⎪ d
f
⎩
180
225
50
Bonded
to 2suSides
Fasciature
2 lati
Bonded
to 3suSides
Fasciature
3 lati ("U" Wrap)
Fasciature
complete
Completely Wrapped
40
270
270
225
um
180
30
135
20
90
10
45
0
0
Figura 10.3 – Confronto tra i risultati sperimentali ed i
risultati forniti dalla procedura di progetto proposta.
(10.8)
Il coefficiente κv contiene anche due fattori correttivi,
k1 e k2, che tengono conto rispettivamente della resistenza a compressione del calcestruzzo e del tipo di schema
di fasciatura utilizzato. Le espressioni di tali fattori correttivi sono fornite nelle Eq. (10.9) e (10.10).
⎛ f' ⎞
k1 = ⎜⎜ c ⎟⎟
⎝ 27 ⎠
135
Design
FRP del
Shear
Contribution,
(kN)
φ ψf V f kN
Contributo
rinforzo
in FRP (teorico)
(10.7)
90
D
at
k1k2 Le
≤ 0.75
11,900ε fu
45
n
κv =
0
60
es
ig
Il coefficiente κv è funzione della resistenza a compressione del calcestruzzo, del tipo di schema di fasciatura utilizzato e della rigidezza del rinforzo. Esso può
essere calcolato utilizzando le Equazioni da (10.7) a
(10.10) (Khalifa et al. 1998):
Contributo
del rinforzo
in FRP
(sperimentale)
Experimental
FRP Shear
Contribution
(kN)kN
D
ε fe = κ v ε fu ≤ 0.004
(10.6(b))
(Per sistemi U-wrap o lamine su due soli lati)
440.2R-33
2/3
(10.9)
fasciature ad U
(10.10)
fasciature su due lati
La metodologia che ha portato alla determinazione di
κv è stata convalidata su elementi rinforzati nei quali gli
sforzi tangenziali sono predominanti rispetto a quelli
flessionali (ad esempio, travi semplicemente appoggiate
soggette a carichi monotoni). Sebbene tale metodologia
non sia stata confermata per rinforzi in aree soggette ad
un regime combinato di elevate tensioni flessionali e
taglianti o in regioni dove l’anima è generalmente compressa (regioni a momento negativo), i valori di κv riportati nell’Eq. (10.7) sono ritenuti ancora cautelativi.
Le procedure di progetto illustrate in questo capitolo
sono state sviluppate combinando i risultati di analisi
teoriche e sperimentali. Tali procedure sono poi state
confrontate con i risultati di molte ricerche come riportato nella Figura 10.3 (Khalifa et al. 1999).
L’impiego di ancoraggi meccanici alle estremità possono essere utilizzati per garantire il trasferimento di più
elevati sforzi di trazione (Khalifa et al. 1999). L’efficacia di tali ancoraggi, unitamente al valore dello sforzo da
essi sostenibile, dovrebbero essere comprovati attraverso
prove sperimentali.
In nessun caso, comunque, la deformazione effettiva
nel rinforzo in FRP deve superare il valore di 0.004.
10.4.2 Passo del rinforzo – Per valutare il contributo
alla resistenza a taglio del rinforzo effettuato utilizzando
elementi discontinui in FRP è necessario porre estrema
cura nella scelta dell’interasse di tali elementi. Esso dovrebbe essere conforme con i limiti proposti nel documento ACI 318-99 per il rinforzo a taglio realizzato con
armatura metallica. L’impiego di sistemi di rinforzo discreti dovrebbe essere verificato con prove sperimentali
su elementi strutturali (Hutchinson et al. 1998).
10.4.3 Limiti del rinforzo – La resistenza a taglio complessiva deve essere calcolata come somma del contributo del rinforzo a taglio in FRP e del rinforzo a taglio in
acciaio. Questa resistenza deve comunque essere limitata
in base a quanto stabilito nella Sezione 11.5.6.9 del documento ACI 318-99. Tale limite è riportato nell’Eq.
(10.11).
Vs + V f ≤ 0.66 f c′bw d
(10.11)
CAPITOLO 11 – SFORZO NORMALE CENTRATO ED INCREMENTO DELLA DUTTILITA’
Per effetto del confinamento, la cerchiatura con materiale FRP degli elementi in calcestruzzo compressi induce un aumento della resistenza a compressione. Inoltre,
l’applicazione per adesione di sistemi in FRP può anche
portare un incremento della resistenza a trazione (dipendentemente dalla direzione delle fibre). Il confinamento
è utilizzato anche per incrementare la duttilità di elementi presso-inflessi.
11.1 – Compressione assiale
I sistemi in FRP possono essere usati per incrementare
la resistenza a compressione di elementi in c.a. esercitando un azione di confinamento mediante una fasciatura
in FRP (Nanni e Bradford 1995, Toutanji 1999). Il confinamento di un elemento in c.a. è ottenuto mediante
440.2R-34
ACI COMMITTEE REPORT
l’orientamento delle fibre in direzione perpendicolare
all’asse dell’elemento. Con tale orientamento, le fibre
svolgono un’azione similare a quella prodotta da staffe o
tiranti in acciaio. Il contributo alla resistenza a compressione assiale dovuto a fibre eventualmente disposte parallelamente all’asse longitudinale dell’elemento dovrebbe essere trascurato.
Il confinamento determina l’incremento sia della resistenza che della massima deformazione a compressione
del calcestruzzo (Seible et al. 1997). La fasciatura in
FRP fornisce un confinamento passivo all’elemento
compresso a partire dalla fase di fessurazione e di dilatazione laterale dell’elemento stesso; prima di ciò il sistema in FRP è scarico. Per questa ragione l’intima connessione tra la fasciatura in FRP e il calcestruzzo rappresenta un punto critico.
La resistenza a compressione assiale di un elemento
con fasciature in FRP per il quale non siano importanti i
fenomeni di instabilità può essere calcolata utilizzando la
resistenza del calcestruzzo confinato espressa dal’Eq.
(11.1).
Per le applicazioni di carattere non sismico, l’incremento della resistenza assiale dovrà essere limitato come
chiarito nella Sezione 11.1.2. Lo spostamento verticale,
la dilatazione della sezione, la fessurazione e le limitazioni della deformazione della fasciatura in FRP possono
limitare l’entità dell’aumento di resistenza a compressione che può essere ottenuta con tale rinforzo. La richiesta in termini di sollecitazione assiale di un elemento
in c.a. rinforzata con FRP dovrebbe essere valutata adoperando le combinazioni di carico previste dall’ACI 31899, mentre la resistenza a compressione assiale dovrebbe
essere calcolata utilizzando i coefficienti φ di riduzione
della resistenza forniti, per il caso di staffe e spirali in
acciaio, sempre dalla norma ACI 318-99.
Nel caso di elementi non precompressi armati con una
staffatura a spirale si ha:
φ Pn = 0.85φ ⎡0.85ψ f f cc' ( Ag − Ast ) + f y Ast ⎤
⎣
⎦
(11.1(a))
Nel caso, invece, di elementi non precompressi armati
con staffe, risulta:
φ Pn = 0.80φ ⎡0.85ψ f f cc' ( Ag − Ast ) + f y Ast ⎤
⎣
⎦
(11.1(b))
Si raccomanda, inoltre, di assumere un’ulteriore coefficiente di riduzione ψf pari a 0.95. La resistenza del
calcestruzzo relativa a elementi di sezione circolare avvolti con fasciature in FRP mediante le quali è applicata
una pressione laterale fl, può essere stimata mediante
l’Eq. (11.2) (Mander et al. 1988) sviluppata in origine
per il caso di confinamento fornito da una cerchiatura in
acciaio:
⎡
⎤
f
f
f cc' = f c' ⎢ 2.25 1 + 7.9 l' − 2 l' − 1.25⎥
fc
fc
⎢⎣
⎥⎦
(11.2)
E’ importante notare che, essendo l’Eq. (11.2) sviluppata per il caso di cerchiature in acciaio, questo modello
è riferito al caso di una pressione di confinamento costante, che corrisponde alla tensione di snervamento
dell’acciaio. Tuttavia è stato dimostrato (Spoelstra e
Monti 1999) che questa equazione può essere applicata
anche nel caso di un calcestruzzo confinato con FRP. La
pressione di confinamento deve essere in tal caso considerata linearmente variabile, ossia ad un incremento della deformazione della fasciatura in FRP deve corrispondere un incremento proporzionale della pressione di
confinamento. Pertanto, per valutare il legame
costitutivo
completo
tensione-deformazione
del
calcestruzzo confinato con FRP, è necessario correlare la
deformazione di compressione del calcestruzzo
(deformazione longitudinale) con la deformazione
dell’FRP (deformazione trasversale). La deformazione
nella fasciatura in FRP può quindi essere usata per
determinare la pressione di confinamento e, di conseguenza, l’incremento della resistenza a compressione nel
calcestruzzo. Per determinare sia il valore di picco della
tensione che la resistenza del calcestruzzo confinato può
essere adoperato anche un approccio più semplice. La
resistenza del calcestruzzo confinato può essere valutata
inserendo nell’Eq. (11.2) la pressione di confinamento
fornita in funzione della reale deformazione massima
che può essere raggiunta nella fasciatura in FRP, data
dall’Eq. (11.3).
κ a ρ f f fe κ a ρ f ε fe E f
(11.3)
=
fl =
2
2
Se l’elemento è soggetto contemporaneamente a taglio
e compressione, la deformazione massima nella fasciatura in FRP dovrebbe essere limitata in accordo con quanto
riportato nell’Eq. (11.4).
ε fe = 0.004 ≤ 0.75ε fu
(11.4)
11.1.1 Sezioni circolari – La miglior efficacia della fasciatura in FRP si ottiene per elementi a sezione circolare. Quando le fibre sono disposte in direzione trasversale
all’asse dell’elemento, il sistema in FRP fornisce una
pressione circonferenziale confinante uniforme, ossia
che si oppone all’espansione radiale dell’elemento compresso. La pressione di confinamento fornita da una fasciatura in FRP installata su un elemento circolare di diametro h può essere determinata dall’Eq. (11.3) calcolando la percentuale geometrica del rinforzo mediante l’Eq.
(11.5).
ρf =
4ntf
h
(11.5)
Per le sezioni circolari il coefficiente di efficienza ka
può essere assunto pari a 1.0.
11.1.2 Sezioni non circolari – La sperimentazione ha
mostrato che il confinamento mediante fasciatura in FRP
di elementi quadrati o rettangolari può fornire solo incrementi marginali della resistenza a compressione.
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
Stanti le molte incertezze su questo tipo di applicazioni,
allo stato attuale non vengono fornite raccomandazioni
sull’uso dell’FRP. Applicazioni di questo genere devono
essere attentamente vagliate e analizzate. In nessun caso
si dovrebbe fare affidamento sul contributo a compressione di fasciature in FRP con fibre orientate longitudinalmente.
11.1.3 Considerazioni relative allo stato limite di servizio – Per livelli di carico prossimi al carico ultimo,
possono manifestarsi danneggiamenti del calcestruzzo
sotto forma di significative fessurazioni in direzione
radiale. La fasciatura in FRP contiene il danneggiamento
e consente di preservare l’integrità strutturale della colonna. In ogni caso questo tipo di danneggiamento dovrebbe essere evitato sotto carichi di servizio. In tal modo, la fasciatura in FRP agirà solo in occasione di sovraccarichi temporanei.
Per essere sicuri che in esercizio non si abbia fessurazione radiale, la deformazione trasversale del calcestruzzo deve rimanere al di sotto di quella di fessurazione.
Ciò corrisponde a limitare la tensione del calcestruzzo a
0.65 f’c. Inoltre, per evitare deformazioni plastiche sotto
carichi ciclici o di lunga durata, la tensione nell’acciaio
non deve superare 0.6 fy.
Contenendo, in esercizio, la tensione del calcestruzzo
entro i limiti specificati, la tensione nella fasciatura in
FRP risulterà relativamente bassa. La fasciatura raggiunge livelli significativi di tensione solo quando la deformazione trasversale del calcestruzzo è superiore a quella
di fessurazione. Siccome le fasciature in FRP fornisce un
confinamento passivo, la tensione nella fasciatura sotto
carichi di sevizio non dovrebbe mai superare la tensione
limite di rottura per viscosità.
Inoltre, dovrebbe essere valutata l’entità delle deformazioni assiali sotto carichi di esercizio al fine di stimarne l’effetto sulle prestazioni dell’elemento strutturale.
11.2 – Rinforzo a trazione
I sistemi in FRP possono essere utilizzati anche al fine
di incrementare la resistenza a trazione di un elemento in
calcestruzzo. Poiché i sistemi in FRP hanno un comportamento elastico-lineare, il loro contributo a trazione è
direttamente correlato al livello di deformazione raggiunto e può essere calcolato applicando la legge di Hooke.
Il livello di trazione attingibile dall’FRP è limitato dalla resistenza a trazione di progetto e dalla possibilità di
trasferire per aderenza le tensioni al supporto (Nanni et
al. 1997).
La deformazione reale dell’FRP può essere determinata sulla base del criterio fornito nel caso di rinforzo a
taglio dalle equazioni (10-6)-(10.9). Il valore k1 nell’Eq.
(10.7) può essere assunto pari ad 1.0. Per sviluppare il
livello di deformazione richiamato, è necessario prevedere una lunghezza di ancoraggio pari ad almeno 2Le
(con Le lunghezza di ancoraggio attiva) per il rinforzo a
taglio precedentemente definita dall’Eq. (10.8)
11.3 – Duttilità
Per effetto del confinamento si ha un incremento della
440.2R-35
deformazione ultima a compressione del calcestruzzo
che si traduce in un incremento di duttilità della sezione
(Seible et al. 1997).
Inoltre, la fasciatura in FRP svolge anche la duplice
funzione di limitare il fenomeno di instabilizzazione
delle barre longitudinali compresse e di migliorarne
l’ancoraggio nei tratti di sovrapposizione. Per le applicazioni in zona sismica, la fasciatura in FRP dovrebbe essere dimensionato in modo da fornire una adeguata pressione laterale di confinamento, cioè tale da garantire
deformazioni massime a compressione del calcestruzzo
compatibili con le richieste di duttilità dell’elemento
rinforzato.
Nel caso di sezioni circolari confinate con FRP, la deformazione massima a compressione può essere determinata mediante l’Eq. (11.6) (Mander et al. 1998) :
ε =
'
cc
(
1.71 5 f cc' − 4 f c'
)
(11.6)
Ec
In accordo con l’ACI 318-99, anche le sollecitazioni di
taglio dovrebbero essere valutate secondo quanto riportato nel CAPITOLO 10 al fine di prevenire rotture di tipo fragile.
11.3.1 Elementi a sezione circolare – Nel caso di elementi a sezione circolare confinati con FRP, la massima
deformazione a compressione del calcestruzzo che è
possibile utilizzare può essere determinata sostituendo
nell’Eq. (11.6) il valore di f’cc ricavato utilizzando le
equazioni dalla (11.2) alla (11.5) e ponendo ka=1.0.
11.3.2 Elementi a sezione non circolare – Il confinamento delle sezioni quadrate e rettangolari contribuisce a
migliorare la duttilità di elementi compresse senza fornire alcun contributo significativo alla resistenza assiale.
Nel caso di elementi a sezione quadrata o rettangolare
confinati con FRP, la massima deformazione a compressione del calcestruzzo che è possibile utilizzare può essere determinata sostituendo nell’Eq. (11.6) il valore di f’cc
ricavato utilizzando le equazioni dalla (11.2) alla (11.4).
La percentuale geometrica del rinforzo in FRP nel caso di sezioni rettangolari può essere ricavata dall’Eq.
(11.7):
ρf =
2n t f ( b + h )
(11.7)
bh
Il coefficiente di efficienza, κa, nel caso di elementi a
sezione non circolare dovrebbe essere determinato in
funzione della geometria, del rapporto fra i lati e della
distribuzione delle armature. Per determinare tale coefficiente è possibile utilizzare l’Eq. (11.8) (Restrepo e De
Vino 1996), nella quale r è il raggio di arrotondamento
degli spigoli della sezione, che deve risultare compatibile con le dimensioni riportate nel CAPITOLO 12.
( b − 2r ) + ( h − 2r )
2
κa = 1−
(
3bh 1 − ρ g
)
2
(11.8)
440.2R-36
ACI COMMITTEE REPORT
In mancanza di prove sperimentali che ne dimostrino
l’efficacia, l’effetto di confinamento dovuto alla fasciatura con FRP dovrebbe essere trascurato per sezioni rettangolari aventi rapporto b/h maggiore di 1.5, ovvero per
sezioni aventi dimensioni dei lati, b o h, maggiori di 900
mm.
CAPITOLO 12 – DETTAGLI PER IL RINFORZO
Questo capitolo fornisce una guida per le regole di dettaglio degli interventi di rinforzo esterno realizzati con
FRP. In generale, il dettaglio dipenderà dalla geometria
delle strutture, dallo stato e dalla qualità del calcestruzzo
e dall’entità dei carichi che devono essere portati dall’elemento rinforzato. Molte delle modalità di rottura premature possono essere evitate seguendo queste prescrizioni di carattere generale:
- Non applicare il rinforzo su spigoli interni;
- Prevedere un raggio minimo di 13 mm quando il tessuto viene applicato in corrispondenza di uno spigolo esterno;
- prevedere un’adeguata lunghezza di ancoraggio in direzione delle fibre in caso di sovrapposizioni.
12.1 – Aderenza e delaminazione
L’effettiva distribuzione delle tensioni d’interfaccia in
un laminato in FRP è complicata dalla fessurazione del
supporto in calcestruzzo. La distribuzione elastica delle
tensioni normali e tangenziali d’interfaccia lungo un
laminato in FRP installato su calcestruzzo integro (nessuna fessurazione presente) sono mostrate nella Figura
12.1. Le tensioni “normali” sono quelle ortogonali rispetto al piano del laminato.
Per un sistema in FRP installato secondo le prescrizioni della PARTE 3 di questa guida, il punto debole nell’interfaccia calcestruzzo/FRP è rappresentato proprio
dal calcestruzzo. L’integrità e la resistenza a trazione del
supporto in calcestruzzo saranno gli elementi limitanti
l’efficacia complessiva del sistema di rinforzo utilizzato.
12.1.1 Delaminazione – La perdita di aderenza di un
laminato opportunamente installato può dipendere da
carenze nella superficie di incollaggio tra FRP e calcestruzzo. Il calcestruzzo non è in grado di sopportare le
tensioni tangenziali e normali d’interfaccia; di conseguenza si ha un fenomeno di delaminazione nel rinforzo
con conseguente asportazione di un sottile strato di calcestruzzo.
La superficie di aderenza dovrebbe essere calcolata
sulla base della capacità del calcestruzzo di resistere agli
sforzi normali e tangenziali. Dal momento che i fenomeni di delaminazione o di crisi di interfaccia hanno caratteristiche di rottura fragile, si raccomanda l’utilizzo di un
fattore di riduzione della resistenza di aderenza pari a
0.50. Sono disponibili in letteratura metodi analitici per
il calcolo delle tensioni d’interfaccia (Blaschko et al.
1998, Brosens e Van Gemert 1997, Maeda et al. 1997).
Ancoraggi meccanici possono essere efficaci per aumentare il trasferimento delle tensioni tangenziali (Khalifa et al. 1999). Le prestazioni di qualsiasi sistema di
ancoraggio deve essere comprovata attraverso prove sperimentali.
12.1.2 Asportazione del copriferro – Anche l’asportazione del copriferro può dipendere dalle tensioni normali
che si attingono all’interfaccia tra laminato e calcestruzzo. Per questo tipo di delaminazione, la presenza dell’armatura metallica costituisce un elemento di discontinuità tra le due porzioni di calcestruzzo che si trovano rispettivamente sopra e sotto il piano delle armature. In
casi come questo, la delaminazione del rinforzo esterno
avviene con la completa asportazione del copriferro come evidenziato nella Figura 12.2 (questo fatto può essere
aggravato se sono stati utilizzati acciai che abbiano ricevuto trattamenti superficiali anticorrosivi).
La crisi per asportazione del copriferro è legata in parte al livello tensionale che si attinge nel punto terminale
del laminato in FRP. Per scongiurare questo tipo di rottura evitando complesse analisi teoriche, si possono seguire indicazioni di carattere generale per il corretto posizionamento del punto di interruzione del laminato. Esse sono:
• Per travi semplicemente appoggiate, gli strati del rinforzo dovrebbero estendersi per una distanza d (≥
150mm) oltre il punto corrispondente al raggiungimento del momento di prima fessurazione, Mcr, come
indicato nella Figura 12.3a). Inoltre, se la sollecitazione di taglio dovuta ai carichi agenti fattorizzati è, nel
punto terminale del rinforzo, maggiore di 2/3 della resistenza a taglio fornita dal calcestruzzo (Vu>0.67Vc),
il laminato in FRP dovrebbe essere ancorato con un’armatura trasversale per prevenire la crisi per delaminazione del copriferro.
• Per le travi continue rinforzate con più strati, lo strato
più corto di FRP dovrebbe terminare ad una distanza
pari a d/2 o 150mm oltre il punto di momento nullo.
Gli strati successivi dovrebbero essere sfalsati come
mostrato nella Figura 12.3b) e dovrebbero essere arrestati a non meno di 150mm oltre il punto di interruzione dello strato precedente. Per esempio, se la progettazione richiede un sistema in FRP composto da tre strati, quello a diretto contatto col calcestruzzo dovrebbe
terminare almeno 450mm o 300mm + d/2 oltre il punto di momento nullo. Queste prescrizioni si ritengono
valide sia nelle regioni a momento positivo che negativo.
12.2 – Le sovrapposizioni
Le sovrapposizioni dei laminati in FRP dovrebbero essere effettuate soltanto se previste nei disegni o nelle
specifiche tecniche o se autorizzati dal progettista seguendo le indicazioni fornite dal produttore. Le fibre dei
sistemi in FRP dovrebbero essere continue ed orientate
nella direzione della sforzo di trazione. La continuità
della fibra può essere mantenuta attraverso la sovrapposizione di più strati di materiale di rinforzo secondo la
direzione prevalente delle fibre. La lunghezza di sovrapposizione richiesta dipende dalla resistenza a trazione e
dallo spessore del rinforzo e dal valore dell’aderenza tra
gli strati sovrapposti. E’ necessario che la lunghezza di
sovrapposizione sia tale per cui si abbia rottura a trazione del rinforzo in FRP prima che si inneschino rotture
premature per delaminazione.
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
Fine del rinforzo
440.2R-37
Mezzeria della trave
Tensioni tangenziali di interfaccia
Figura 12.2 – Delaminazione causata dalla rottura del
copriferro in corrispondenza del piano delle armature
longitudinali.
Distanza misurata lungo l’FRP
Tensioni normali
Figura 12.1 – Distribuzione teorica delle tensioni normali e tangenziali lungo il rinforzo in FRP (Roberts and
Haji-Kazemi 1989; Malek et al. 1998).
Asse di
mezzeria
Asse di
mezzeria
M=0
M=Mcr
M=M u
M=M u
150 150
df
d 150
(a) Trave semplicemente appoggiata
150 150
df
d/2 150
(b) Trave continua
Figura 12.3 - Rappresentazione grafica delle lunghezze di ancoraggio di un sistema di tre strati di rinforzo in FRP.
Il valore della lunghezza di sovrapposizione dovrebbe
essere fornita dal produttore e verificata in laboratorio
tramite opportune prove sperimentali.
I sistemi in FRP utilizzati per il confinamento di elementi compressi dovrebbero essere progettati in modo da
garantire un appropriato sviluppo delle zone di sovrapposizione in modo da far sì che la rottura avvenga al di
fuori di tali zone.
Per laminati in FRP unidirezionali, le sovrapposizioni
sono richieste soltanto nella direzione delle fibre e non
sono necessarie nella direzione ad esse ortogonale. I
sistemi in FRP costituiti da più tessuti unidirezionali
sovrapposti orientati in più di una direzione o da tessuti
multidirezionali richiedono sovrapposizioni in più di una
direzione per mantenere la continuità delle fibre e la resistenza globale del rinforzo.
CAPITOLO 13 – DISEGNI ESECUTIVI E
DOCUMENTI DI PROGETTO
13.1 – Norme per il progetto
Dal momento che non esiste ancora una normativa nazionale che preveda l’impiego degli FRP per il rinforzo
esterno, è possibile che altri codici o normative possano
influenzare la selezione, il progetto e l’installazione di
un dato sistema in FRP. Ad esempio, fonti normative
inerenti le problematiche sulla protezione al fuoco potrebbero influenzare la scelta del rivestimento esterno da
utilizzarsi per la protezione del sistema di rinforzo. Tutte
le operazioni progettuali dovranno essere eseguite sotto
la supervisione di un ingegnere abilitato che abbia familiarità con le proprietà e i metodi di applicazione del
sistema di rinforzo.
440.2R-38
ACI COMMITTEE REPORT
13.2 – Disegni esecutivi e specifiche di progetto
Il progettista dovrà presentare una relazione a corredo
del progetto che riassuma tutti i calcoli effettuati, mettendo in evidenza le ipotesi e le assunzioni fatte per il
computo del rinforzo, allegandone i disegni esecutivi e le
specifiche di progetto. Tali documenti dovranno includere al loro interno le seguenti informazioni che sono
essenziali per le operazioni di cantiere:
• Il sistema in FRP scelto;
• Il posizionamento del rinforzo rispetto alla struttura
esistente;
• Le dimensioni e l’orientamento delle fibre di ciascuno
strato;
• Numero di strati e sequenza di applicazione;
• Posizione e lunghezza degli strati che si sovrappongono;
• Note generali riguardo i carichi di progetto e i valori
delle deformazioni dell’FRP;
• Proprietà meccaniche dei sistemi in FRP e del supporto in calcestruzzo sul quale installare il rinforzo;
• Distinta delle fasi di preparazione della superficie sulla
quale applicare il rinforzo, facendo attenzione ad indicare le note sullo smussamento degli spigoli e sulle
tolleranze massime delle irregolarità presenti sulla superficie del supporto;
• Procedure riguardanti l’installazione del sistema in
FRP includendo eventuali limitazioni riguardanti le
temperature massime e minime e il massimo livello di
umidità accettabile, così come la descrizione delle fasi
temporali che è necessario seguire per l’applicazione
dei singoli strati;
• Procedure per la polimerizzazione delle resine del
sistema in FRP;
• Laddove ritenuto necessario, indicare i materiali adottati per la protezione del rinforzo;
• Specifiche per la spedizione, lo stoccaggio e il trattamento dei vari componenti;
• Controlli di qualità, di accettazione e procedure di
ispezione;
• Prove in cantiere, se ritenute necessarie, per determinare la qualità del rinforzo.
13.3 – Documenti di progetto
Il produttore del sistema in FRP scelto, l’impresa che
installa il rinforzo, i responsabili per il controllo della
qualità e tutte le parti interessate al progetto, dovranno
provvedere a far pervenire al progettista le informazioni
necessarie a stabilire la qualità del prodotto, la certificazione dell’impresa e qualsiasi altro documento richiesto.
13.3.1 Produttore del sistema in FRP – Il produttore
del sistema di rinforzo dovrà far pervenire al progettista
la seguente documentazione:
• Le schede tecniche del sistema in FRP indicanti le
proprietà fisiche, meccaniche e chimiche e tutti i componenti usati per la realizzazione del laminato;
• Le proprietà a trazione del sistema in FRP specificando le modalità utilizzate per ottenere tali proprietà, ad
esempio indicando se si riferiscono all’area netta delle
fibre o a quella totale del laminato (resina più fibra), le
modalità di prova e gli algoritmi statistici adottati per
riportare tali proprietà;
• Le istruzioni per l’installazione, lo stoccaggio e le
specifiche generali riguardanti ciascun materiale. Nelle istruzioni per l’istallazione, il produttore deve anche
specificare come preparare la superficie sulla quale si
dovrà installare il sistema in FRP;
• Manuali MSDS inerenti la sicurezza dei vari materiali;
• Le procedure per il controllo di qualità dei materiali e
le loro certificazioni;
• Dati sulle prove di durabilità del sistema in FRP in
relazione all’ambiente nel quale si eseguirà il rinforzo;
• Risultati sperimentali di test realizzati su elementi
strutturali rinforzati con il sistema in FRP adottato,
simulanti condizioni analoghe a quelle adottata nel
progetto;
• Elenco di altri progetti realizzati con il sistema in FRP
in questione.
13.3.2 Impresa esecutrice del rinforzo – L’impresa che
realizza l’installazione del sistema in FRP dovrà far pervenire al progettista la seguente documentazione:
• Certificazione dell’idoneità dell’impresa all’installazione del sistema in FRP scelto;
• Elenco dei lavori precedenti realizzati dall’impresa,
con particolare riferimento a quelli nei quali l’installazione sia simile a quella da realizzare nel lavoro in esame;
• Certificazione che attesti la competenza dell’impresa
alle operazioni di preparazione della superficie (ad es.
sabbiatura) sulla quale installare il rinforzo;
• Le procedure per il controllo di qualità includendo
tutta la documentazione che l’impresa utilizza per il
controllo giornaliero del cantiere.
13.3.3 Ispettore del sistema in FRP – Se, per il controllo di qualità dei lavori, ci si affida ad un ente privato,
i documenti che dovrebbero essere richiesti a quest’ultimo dovranno comprendere:
• Una lista delle persone qualificate a tale compito;
• Esempi di modulistica per le ispezioni;
• Una lista dei lavori precedenti nei quali ciascun individuo in elenco ha svolto il compito di responsabile
del controllo di qualità.
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
440.2R-39
PARTE 5 – ESEMPI PROGETTUALI
CAPITOLO 14 – CASI SVOLTI
14.1 – Calcolo della resistenza a trazione di un sistema in FRP considerando l’area netta delle fibre e
l’area totale del laminato
Questo esempio illustra il calcolo delle proprietà del materiale basandosi sulla definizione dell’area netta di fibre e sull’area totale del laminato. Come evidenziato nella Sezione 3.3.1, entrambi i metodi sono validi per la determinazione delle
proprietà del materiale. Tuttavia, è necessario sottolineare l’importanza dell’utilizzo della medesima procedura per il progetto del sistema in FRP (ad esempio, se si utilizza lo spessore totale del laminato, la resistenza dovrà essere valutata considerando lo spessore totale del laminato).
Il laminato utilizzato per le prove sperimentali è costituito da due strati di tessuto di un sistema in FRP costituito da fibre
in carbonio unidirezionali su di una matrice di resina epossidica, posta in opera con il sistema wet lay-up. Noto il contenuto
di fibra del sistema FRP scelto, l’area netta di fibre per strato è pari a 0.1651 mm2 per millimetro di larghezza dello strato.
In seguito al trattamento di polimerizzazione del sistema, sono stati ricavati dall’elemento, cinque pannelli di 5 cm di larghezza. I provini sono stati testati a trazione fino a rottura in accordo con le prescrizioni ASTM D 3039. I risultati sono
stati riportati nella Tabella 14.1 che segue:
Tabella 14.1 – Risultati delle prove di trazione su provini in FRP
Provino
Numero
T-1
T-2
T-3
T-4
T-5
Media
Larghezza del
provino, mm
50
50
50
50
50
50
Spessore del provino
(misurato), mm
1.397
1.575
1.753
1.346
1.549
1.524
Carico di rottura
(misurato), kN
79.2
72.9
74.3
74.3
77.4
75.6
Calcolo delle proprietà
considerando l’area di fibre
Calcolo di Af , utilizzando
⎛
mm 2 ⎞
Af = ( 2 ) ⎜ 0.1651
lo spessore del tessuto di
⎟ ( 50 mm )
mm ⎠
⎝
fibre:
Af = 16.5 mm 2
Af = nt f w f
Calcolo delle proprietà
considerando l’area totale del laminato
Calcolo di Af utilizzando
Af = (1.524 mm )( 50 mm )
lo spessore medio del laminato:
Af = 76.2 mm 2
Af = nt f w f
Calcolo della resistenza a
trazione media in base all’area di fibre:
Calcolo della resistenza a
trazione in base all’area
del laminato:
f fu =
N medio
Af
Calcolo del valore medio
della resistenza a trazione
del sistema in FRP per unità di larghezza considerando l’area di fibre:
p
fu
=
f
A
fu f
w
f
f fu
75.6 kN
kN
=
= 4.6
2
16.5 mm
mm 2
(
⎛
kN ⎞
2
⎜ 4.6
⎟ 16.5 mm
mm2 ⎠
⎝
p =
fu
50 mm
kN
p fu = 1.5
mm
f fu =
)
N medio
Af
Calcolo del valore medio
della resistenza a trazione
del sistema in FRP per
unità di larghezza considerando l’area del laminato:
p
fu
=
f
A
fu f
w
f
f fu =
75.6kN
kN
= 1.0
76.2 mm 2
mm 2
(
⎛
kN ⎞
2
⎜1.0
⎟ 76.2 mm
mm 2 ⎠
⎝
p =
fu
50 mm
kN
p = 1.5
fu
mm
)
14.2 – Calcolo della resistenza a trazione di sistemi wet lay-up e pre-cured in FRP
Sono considerati due diversi sistemi in FRP per il rinforzo di elementi in c.a. Di tali sistemi sono note le proprietà meccaniche fornite dai rispettivi produttori. Il sistema A è costituito da tessuto di fibre asciutte in carbonio unidirezionali ed
applicate mediante l’uso di resina epossidica in opera (wet lay-up). Il sistema B è composto da laminato pultruso di fibre di
carbonio e resina epossidica applicati alla superficie del c.a. mediante una resina epossidica (adesivo). Le indicazioni relative ai sistemi in FRP citati sono fornite dai produttori e riportate in Tabella 14.2. La revisione delle schede relative ai sistemi in FRP, fornite dai produttori, permette il confronto tra la resitenza a trazione dei due sistemi considerati.
440.2R-40
ACI COMMITTEE REPORT
Tabella 14.2 – Descrizione e proprietà dei due tipi di sistemi in FRP
Sistema A
(Indicazioni dalla scheda dati)
Tipo di Sistema: Uno strato di tessuto di fibre asciutte, unidirezionali
Sistema B
(Indicazioni dalla scheda dati)
Tipo di Sistema: laminato pultruso a fibre unidirezionali
Tipo di Fibre: carbonio ad alta resistenza
Resina Polimerica: epossidica
Tipo di Fibre: carbonio ad alta resistenza
Resina Polimerica: epossidica
Il Sistema A è realizzato mediante la tecnica wet lay-up, che
consiste nella saturazione del tessuto di fibre di carbonio e
nella successiva applicazione all’elemento mediante l’uso
della resina epossidica, direttamente in sito.
Proprietà meccaniche *†‡
tf = 0.330 mm
f*fu = 3800 MPa
ε*fu = 1.7%
Ef = 228 GPa
Il Sistema B è realizzato mediante l’applicazione del laminato pultruso al supporto di calcestruzzo utilizzando come
adesivo la resina epossidica.
Proprietà meccaniche *†
tf = 1.270 mm
f*fu = 2620 MPa
ε*fu = 1.7%
Ef = 150 GPa
Note relative al Sistema A:
* Le proprietà riportate sono basate su prove effettuate su 20 o più campioni testati in accordo con ASTM D 3039.
Note relative al Sistema B:
* Le proprietà riportate, sono basate su prove effettuate su 20 o più campioni testati in accordo con ASTM D 3039.
† Le proprietà riportate, sono state ricavate statisticamente sottraendo al
valore medio della tensione di trazione e della deformazione le tre deviazioni standard.
† Le proprietà riportate, sono state ricavate statisticamente sottraendo al
valore medio della tensione di trazione e della deformazione le tre deviazioni standard.
‡ Lo spessore si basa sull’area di fibre per singolo strato di tessuto. La
resina non è considerata. Lo spessore del sistema FRP è solitamente variabile tra 1.5 e 1.8 mm per strato.
Dato che i dati riportati per entrambi i sistemi sono basati su osservazioni statistiche, è possibile confrontare direttamente
sia le resistenze a trazione che i moduli elastici dei due sistemi. Lo schema di confronto è riportato di seguito:
Procedura
Passo 1A – Calcolo della resistenza a trazione per larghezza unitaria per il sistema A
p*fu = f fu* t f
p*fu = ( 3800 MPa )( 0.330 mm ) = 1254 MPa
Passo 1B – Calcolo della resistenza a trazione per larghezza unitaria per il sistema B
p*fu = f fu* t f
p*fu = ( 2620 MPa )(1.27 mm ) = 3327 MPa
Passo 2A – Calcolo della modulo elastico per
larghezza unitaria per il sistema A
k f = Ef tf
Passo 2B – Calcolo della modulo elastico per
larghezza unitaria per il sistema B
k f = Ef tf
Passo 3 – Confronto tra i due sistemi
Resistenze a trazione:
⎧ Sistema A
p* = ⎨
fu
⎩ Sistema B
Rigidezze:
⎧ Sistema A
kf = ⎨
⎩ Sistema B
Calcoli
kN ⎞
kN
⎛
0.33 mm ) = 75.2
k f = ⎜ 228
2 ⎟(
mm
mm ⎠
⎝
kN ⎞
kN
⎛
1.27 mm ) = 191
k f = ⎜150
2 ⎟(
mm
mm
⎝
⎠
p* (System B) 3327 N/mm
fu
=
= 2.65
*
p (System A) 1254 N/mm
fu
→ tre strati di tessuto del Sistema A sono necessari per ogni laminato del
Sistema B per ottenere una resistenza a trazione equivalente.
k (System B) 191 kN/mm
f
=
= 2.54
k (System A) 75.2 kN/mm
f
→ tre starti di tessuto del Sistema A sono necessari per ogni laminato del
Sistema B per ottenere una rigidezza equivalente.
Poichè le procedure di progetto riportate nel presente documento pongono dei limiti alla deformazione del materiale
FRP, ne deriva che la resistenza ultima non viene mai raggiunta e dunque tale parametro non deve essere utilizzato come
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
440.2R-41
termine di confronto dei due sistemi in FRP. Nella scelta di differenti sistemi in FRP per una specifica applicazione di rinforzo, il confronto deve essere basato sulla rigidezza equivalente. Inoltre, ogni sistema in FRP considerato deve essere tale
da sviluppare il livello deformativo relativo al livello tensionale richiesto per l’applicazione specifica, senza raggiungere la
crisi del materiale, εfu > εfe.
In molti casi è possibile variare la larghezza delle strisce di FRP invece che il numero di strati (ad esempio, utilizzare
maggiori larghezze delle strisce per sistemi con spessori modesti e vice versa). In tali casi, il calcolo della rigidezza equivalente non conduce ad una diretta comparazione dei due sistemi. In generale, sistemi in FRP caratterizzati da uno spessore
modesto (basso ntf) e da strisce di larghezza maggiore (alto wf) sono più efficaci in quanto danno luogo a minori tensioni di
aderenza. L’esatta equivalenza, tuttavia, è solo perseguibile svolgendo tutti i calcoli (riportati nei capitoli 9, 10 e 11 del
documento) per ogni sistema.
14.3 – Rinforzo a flessione di una trave interna in c.a.
Una trave in c.a. semplicemente appoggiata la cui armatura longitudinale è costituita da 3 barre di acciaio φ28 (Figura
14.1), si trova in un deposito non occupato ed è soggetta ad un incremento del 50% del sovraccarico accidentale.
Un’analisi della trave esistente indica che essa è dotata della sufficiente resistenza a taglio per sopportare l’incremento di
carico e soddisfa le verifiche allo Stato Limite di Servizio sia in termini di deformabilità che di fessurazione. Tuttavia, la
sua resistenza flessionale non è adeguata a sopportare i sovraccarichi accidentali.
Lunghezza della trave, l
Larghezza della trave, w
d
h
f’c
fy
φMn senza FRP
Barre in acciaio
Figura 14.1 – Trave semplicemente appoggiata rinforzata con FRP
7.30 m
30 cm
55 cm
60 cm
35 MPa
414 MPa
355 kNm
3φ28
Nella Tabella 14.3 sono riportati sinteticamente i valori dei carichi esistenti e di quelli nuovi ed i rispettivi momenti
flettenti nella mezzeria della trave.
Ci si propone di rinforzare la trave in c.a. utilizzando il sistema in FRP descritto nella Tabella 14.4. Nello specifico, due
strati larghi 30 cm e lunghi 7.00 e 7.30 m devono essere incollati all’intradosso della trave utilizzando la tecnica del wet
lay-up.
Tabella 14.3 – Carichi e corrispondenti momenti
Carichi/
Momenti
Carichi permanenti, wDL
Carichi accidentali, wLL
Carichi non fattorizzati, (wDL + wLL)
Limite di rinforzo, (1.2wDL +0.85wLL)
Carichi fattorizzati, (1.4wDL +1.7wLL)
Momento dovuto ai carichi permanenti, MDL
Momento dovuto ai carichi accidentali, MLL
Momento di esercizio, Ms
Momento limite di rinforzo, (1.2MDL +0.85MLL)
Momento ultimo fattorizzato, Mu
Carichi
esistenti
14 N/mm
17 N/mm
31 N/mm
non disponibile
48.5 N/mm
93.3 kNm
113.2 kNm
206.5 kNm
non disponibile
323.1 kNm
Carichi di nuovo
progetto
14 N/mm
26 N/mm
40 N/mm
38.9 N/mm
63.8 N/mm
93.3 kNm
173.2 kNm
266.5 kNm
259.2 kNm
425.1 kNm
Tabella 14.4 – Proprietà del sistema in FRP riportate dal produttore*
*
Spessore di uno strato, tf
Resistenza ultima a trazione, f*fu
Deformazione a rottura, ε*fu
Modulo di elasticità, Ef
1.0 mm
620 MPa
0.017 mm/mm
37 GPa
Proprietà riferite al laminato (fibra + resina)
Il livello di rinforzo adottato è ragionevole nel senso che rispetta il criterio di rinforzo limite individuato dall’Eq. (8.1).
440.2R-42
ACI COMMITTEE REPORT
La resistenza flessionale della sezione non rinforzata (φMn)senza FRP = 355 kNm è maggiore del limite imposto per la resistenza minima (1.2 MDL+0.85 MLL)carichi di nuovo progetto = 259 kNm. I calcoli di progetto utilizzati per verificare l’intervento di
rinforzo possono essere condotti come segue.
Procedura
Passo 1 – Calcolo delle proprietà di progetto dell’FRP
La trave è posizionata in uno spazio interno e
per il rinforzo saranno utilizzate fibre di carbonio. Perciò il fattore di riduzione ambientale è preso pari a 0.95 come suggerito dalla
Tabella 8.1.
f fu = CE f fu*
Calcoli
f fu = ( 0.95 )( 620MPa ) = 589 MPa
ε fu = ( 0.95 )( 0.017 mm / mm ) = 0.0162 mm / mm
ε fu = CE ε *fu
Passo 2 – Calcoli preliminari
(a) Proprietà del calcestruzzo:
β1 dalla Sezione 10.2.7.3 dell’ACI
318-99 (Vedi anche Nota 9)
Ec = 4733 f c'
(b) Rapporto geometrico dell’acciaio esistente:
A
ρs = s
bd
(c) Area e rapporto geometrico dell’FRP
utilizzato come rinforzo esterno:
A f = nt f w f
ρf =
Af
bd
Passo 3 – Valutazione dello stato deformativo esistente di intradosso
Lo stato deformativo esistente è calcolato
assumendo la trave fessurata e che il solo
carico presente nel momento del rinforzo sia
il carico permanente. L’analisi della sezione
fessurata da k = 0.34 (vedere più oltre Passo
12) e Icr = 2451x106 mm4:
M (h − kd )
ε bi = DL
I cr Ec
Passo 4 – Valutazione del coefficiente che
tiene conto dell’aderenza FRP-calcestruzzo
Tale coefficiente adimensionale, κm, è calcolato utilizzando l’Eq. (9.2). Siccome risulta
nEftf<180000, l’espressione da usare è la seguente:
n Ef tf ⎞
1 ⎛
κm =
⎜1 −
⎟ ≤ 0.90
60ε fu ⎝ 360, 000 ⎠
Passo 5 – Stima della profondità dell’asse
neutro, c
Come valore iniziale di tentativo si assume
c=0.2d. Questo valore sarà poi verificato attraverso la condizione di equilibrio alla traslazione orizzontale
β1 = 1.09 − 0.008 f c' = 0.81
Ec = 4733 35 MPa = 28000 MPa
As = 3(615 mm 2 ) = 1845 mm 2
ρs =
1845 mm 2
= 0.0112
(300 mm)(550 mm)
A f = (2 strati )(1 mm)(300 mm) = 600 mm 2
ρf =
600 mm 2
= 0.0036
(300 mm)(550 mm)
ε bi =
(93300 kNmm)[600 mm − (0.34)(550 mm)]
= 0.00057
(2451× 106 mm 4 )(28 kN / mm 2 )
κm =
1
⎛ 2(37000 MPa )(1 mm) ⎞
1−
⎟ = 0.82 < 0.90
60(0.0162) ⎜⎝
360000
⎠
c = ( 0.20 )( 550 mm ) = 110 mm
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
Passo 6 – Valutazione dell’effetivo livello
di deformazione nel rinforzo in FRP
La deformazione effettiva nell’FRP la si determina attraverso l’Eq. (9.3):
⎛ h−c ⎞
ε fe = 0.003 ⎜
⎟ − ε bi ≤ κ m ε fu
⎝ c ⎠
Si noti che, per l’assunta posizione dell’asse
neutro, lo schiacciamento del calcestruzzo è
la modalità di rottura che si ottiene dato che
la prima limitazione dell’equazione sopra
riportata è quella che controlla. Se la seconda limitazione governasse, allora la rottura
avverrebbe per rottura del rinforzo esterno in
FRP.
Passo 7 – Calcolo della deformazione nell’acciaio esistente
Lo stato deformativo nell’acciaio può essere
valutato usando la similitudine dei triangoli
attraverso l’Eq. (9.8):
⎛ d −c ⎞
ε s = ε fe + ε bi ⎜
⎟
⎝ h−c ⎠
Passo 8 – Valutazione dello stato tensionale nell’acciaio e nell’FRP
Le tensioni sono calcolate usando le Equazioni (9.9) e (9.4).
f s = Es ε s ≤ f y
(
440.2R-43
⎛ 600 mm − 110 mm ⎞
⎟ − 0.00057 = 0.0128 < 0.82(0.0162) = 0.0133
110 mm
⎝
⎠
ε fe = 0.003 ⎜
⎛ 500 mm − 110 mm ⎞
⎟ = 0.011
⎝ 600 mm − 110 mm ⎠
ε s = ( 0.0128 + 0.00057 ) ⎜
)
f s = ( 206000 MPa )( 0.011) = 2266 MPa > 414 MPa
Percio ' f s = 414 MPa
f fe = ( 37000 MPa )( 0.0128 ) = 474 MPa
f fe = E f ε fe
Passo 9 – Calcolo delle forze interne e controllo della condizione di equilibrio
La condizione di equilibrio è verificata controllando l’assunzione iniziale fatta per c attraverso l’Eq. (9.10). Dato che la condizione
di rottura è per schiacciamento del calcestruzzo, γ può essere preso pari a 0.85.
As f s + Af f fe
c=
g f c′β1 b
Passo 10 – Determinare un nuovo valore di
c finché la condizione di equilibrio è verificata
Ripetendo i passi da 6 a 9 si determina la
posizione dell’asse neutro, c, che soddisfa la
condizione di equilibrio alla traslazione verticale. Il risultato dell’ultima iterazione è riportato qui sotto:
c = 139mm
ε s = 0.00887
f s = 414 MPa
ε fe = 0.00995
f fe = 368 MPa
(1845 mm ) ( 414 MPa ) + ( 600 mm ) ( 474 MPa ) = 145 mm ≠ 110 mm
2
c=
2
( 0.85 )( 35 MPa )( 0.81)( 300 mm )
→Bisogna scegliere un nuovo valore di c e ripetere i passi da 6 a 9 finché
la condizione di equilibrio non sia soddisfatta.
(1845 mm ) ( 414 MPa ) + ( 600 mm ) ( 368 MPa ) = 136 mm ≈ 139 mm
2
c=
2
( 0.85)( 35 MPa )( 0.81)( 300 mm )
→Il valore scelto per l’ultima iterazione di c è accettabile.
440.2R-44
ACI COMMITTEE REPORT
Passo 11 – Calcolo della resistenza a flessione della sezione
La resistenza a flessione la si calcola utilizzando l’Eq. (9.11). Un ulteriore coefficiente
di riduzione, ψf = 0.85, viene applicato al
contributo del rinforzo esterno in FRP. Dato
che εs = 0.0086 > 0.005, il coefficiente di
riduzione della resistenza φ può essere assunto pari a 0.90 come riportato nell’Eq. (9.5).
⎡
⎛
⎣
⎝
φ M n = φ ⎢ As f s ⎜ d −
β1c ⎞
β c ⎞⎤
⎛
+ ψ A f f fe ⎜ h − 1 ⎟ ⎥
2 ⎟⎠
2 ⎠⎦
⎝
Passo 12 – Controllo delle tensioni di esercizio nell’acciaio e nell’FRP
(a) La posizione dell’asse neutro per sezione
fessurata sotto carichi di esercizio può essere
calcolata attraverso la seguente equazione:
2
Ef ⎞
Ef ⎛ h ⎞⎞
⎛ E
⎛ Es
+ ρf
k = ⎜ ρs s + ρ f
⎟ + 2 ⎜ ρs
⎟
E
E
E
Ec ⎜⎝ d ⎟⎠ ⎠
c
c ⎠
c
⎝
⎝
⎡
⎤
⎛
( 0.81)(139 mm ) ⎞
⎢ 1845 mm 2 ( 414 MPa ) ⎜⎜ 550 mm −
⎥
⎟⎟ +
2
⎢
⎥
⎝
⎠
φ M n = 0.90 ⎢
⎥=
⎛
( 0.81)(139 mm ) ⎞ ⎥
⎢
2
⎟⎟ ⎥
⎢( 0.85 ) 600 mm ( 368 MPa ) ⎜⎜ 600 mm −
2
⎝
⎠⎦
⎣
= 431234320 Nmm = 431.2 kNm > M u = 425.1 kNm
→La sezione rinforzata è in grado di sostenere i nuovi carichi.
(
(
(
)
⎡ M + ε A E h − kd ⎤ ( d − kd ) E
s
3 ⎦⎥
⎣⎢ s bi f f
As Es d − kd ( d − kd ) + A E h − kd ( h − kd )
f f
3
3
f s,s ≤ 0.80 f y
f s, s =
(
)
(
)
(c) Calcolo della tensione nell’FRP attraverso
l’Eq. (9.13) e controllo che risulti inferiore al
limite riportato nella Tabella 9.1.
⎛ E f ⎞ ⎛ h − kd ⎞
f f ,s = f s,s ⎜
⎟⎜
⎟ − ε bi E f
⎝ E s ⎠ ⎝ d − kd ⎠
Limite di esercizio = 0.55 f fu
)
2
⎛
206
37 ⎞
206
37 ⎛ 600 ⎞ ⎞
⎛
k = ⎜ 0.011
+ 0.0036 ⎟ + 2 ⎜ 0.011
+ 0.0036 ⎜
⎟
28
28 ⎠
28
28 ⎝ 500 ⎟⎠ ⎠
⎝
⎝
206
37 ⎞
⎛
− ⎜ 0.011
+ 0.0036 ⎟ = 0.34
28
28 ⎠
⎝
kd = (0.34)(550 mm) = 187 mm
⎡
187 mm ⎞ ⎤
⎛
2
⎢ 226500 kNm + ( 0.00057 ) 600 mm ( 37 MPa ) ⎜ 600 mm −
3 ⎟⎠ ⎥⎦
⎝
⎣
( 550 mm − 187 mm )( 206 MPa )
(
Ef ⎞
⎛ E
− ⎜ ρs s + ρ f
⎟
Ec ⎠
⎝ Ec
(b) Calcolo dello stato tensionale di esercizio
nell’acciaio attraverso l’Eq. (9.12) e verifica
che risulti inferiore del limite suggerito dall’Eq. (9.6).
)
f s,s =
⎡
⎤
187 mm ⎞
⎛
2
( 550 mm − 187 mm ) ⎥
⎟
⎢ 1845 mm ( 206 MPa ) ⎜ 550 mm −
3 ⎠
⎝
⎢
⎥
⎢
⎥
187
mm ⎞
⎛
2
( 600 mm − 187 mm ) ⎥
⎢ + 600 mm ( 37 MPa ) ⎜ 600 mm −
⎟
3 ⎠
⎝
⎣
⎦
= 283 MPa < (0.80)(414 MPa) = 331 MPa
(
)
(
f s,s
)
)
→Il livello tensionale di esercizio nell’acciaio è nei limiti suggeriti.
⎛ 37 kN / mm 2
f f , s = (283 MPa) ⎜
2
⎝ 206 kN / mm
− ( 0.00057 )( 37, 000 MPa ) =
⎞ ⎛ 600 mm − 187 mm ⎞
⎟⎜
⎟
⎠ ⎝ 550 mm − 187 mm ⎠
= 36.7 MPa < (0.55)(589 MPa ) = 324 MPa
→Il livello tensionale di esercizio nell’FRP è nei limiti suggeriti.
Nel dettagliare l’intervento di rinforzo in FRP, bisogna precisare che il rinforzo stesso deve terminare ad una distanza
minima di “d” dopo il punto nel quale si raggiunge un momento pari al valore del momento di prima fessurazione. Inoltre,
il taglio allo stato limite ultimo in corrispondenza della sezione terminale dovrebbe essere confrontato con i 2/3 della resistenza a taglio del solo calcestruzzo. Se il taglio è maggiore dei due terzi della resistenza a taglio del calcestruzzo, si suggerisce l’uso di una fasciatura ad U dell’estremità del rinforzo per prevenire problemi di delaminazione.
14.4 – Rinforzo a taglio di una trave interna a T in c.a.
Una trave in c.a. con sezione a T (f’c=20 MPa), situata in un edificio adibito ad uffici, è soggetta ad un incremento dei
carichi accidentali. Un’analisi della trave con le armature esistenti ha evidenziato che la trave è ancora verificata ai fini
della resistenza a flessione, mentre la resistenza a taglio è inadeguata a sopportare l’incremento dei carichi accidentali. In
base dell’analisi condotta, la resistenza a taglio nominale fornita dal calcestruzzo è Vc=162 kN a la resistenza a taglio nominale fornita dall’armatura metallica è pari a Vs=87.2 kN. La resistenza a taglio di progetto della trave esistente è quindi
φVn,esistente=0.85(161.9 kN+87.2 kN)=212 kN. La resistenza a taglio richiesta, comprensiva dell’incremento dei carichi accidentali, ad una distanza “d” dall’appoggio è Vu=267 kN. La Figura 14.2 mostra il diagramma del taglio con indicata la
sezione a partire dalla quale è richiesto l’ulteriore incremento della resistenza a taglio.
Il rinforzo a taglio aggiuntivo in FRP è progettato come mostrato in Figura 14.3 e le sue caratteristiche principali sono
riassunte in Tabella 14.5. Ogni striscia in FRP è costituita da uno strato (n=1) di tessuto di carbonio applicato secondo la
tecnologia del wet-lay-up. Le proprietà meccaniche dei materiali, secondo quanto dichiarato dal produttore, sono riportate
nella Tabella 14.6.
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
Incremento della
domanda che deve essere
assorbita dall'FRP
φV n, esistente
267 kN
212 kN
Asse di mezzeria
della trave
Tabella 14.5 – Parametri utilizzati per il rinforzo esterno in FRP
d
df
Larghezza di ciascun tessuto, wf
Interasse di ciascun tessuto, sf
Lunghezza della zona da rinforzare
6.7 kN
Vu
d
1.80 m
Spessore del singolo tessuto, tf
Resistenza ultima a trazione, f*fu
Deformazione di rottura, ε*fu
Modulo di elasticità, Ef
30 cm
*
1.80 m
Proprietà riferite alla sola fibra
Figura 14.3 – Il rinforzo a taglio realizzato in FRP.
I calcoli di progetto per il dimensionamento di tale rinforzo a taglio sono riportati a seguire.
Procedura
Passo 1 – Calcolo delle proprietà di progetto
dell’FRP
La trave si trova in uno spazio interno e per il
rinforzo saranno utilizzate fibre di carbonio.
Perciò il fattore di riduzione ambientale è preso pari a 0.95 come suggerito dalla Tabella
8.1.
f fu = CE f fu*
Calcoli
f fu = ( 0.95 )( 3800 MPa ) = 3610 MPa
ε fu = ( 0.95 )( 0.017 mm / mm ) = 0.016 mm / mm
ε fu = CE ε *fu
Passo 2 – Valutazione della deformazione
efficace nel rinforzo in FRP
Lo stato deformativo nelle fasciature ad U in
FRP è determinato utilizzando il coefficiente
di riduzione κv. Tale coefficiente lo si determina usando le Equazioni da (10.7) a (10.10).
23,300
Le =
0.58
n tf Ef
(
)
⎛ f ⎞
k1 = ⎜⎜ ⎟⎟
⎝ 27 ⎠
'
c
2/3
⎛ d f − Le ⎞
k2 = ⎜
⎟
⎜ df ⎟
⎝
⎠
k1k2 Le
κv =
≤ 0.75
11,900ε fu
La deformazione effettiva nell’FRP può essere
calcolata con l’Eq. (10.6(b)).
ε fe = κ v ε fu ≤ 0.004
Le =
23,300
(
)
⎡(1)( 0.17 mm ) 228, 000 kN / mm 2 ⎤
⎣
⎦
⎛ 20 MPa ⎞
k1 = ⎜
⎟
⎝ 27 ⎠
55 cm
40 cm
25 cm
30 cm
180 cm
Tabella 14.6 – Proprietà del sistema in FRP riportate
dal produttore*
55 cm
40 cm
Figura 14.2 – Diagramma del taglio. Il rinforzo in FRP
deve correggere la carenza evidenziata dalla zona tratteggiata.
25 cm
440.2R-45
2
3
0.58
= 0.82
⎛ 400 mm − 50.8 mm ⎞
k2 = ⎜
⎟ = 0.873
400 mm
⎝
⎠
( 0.82 )( 0.873)( 50.8mm )
= 0.19 ≤ 0.75
κv =
11,900 ( 0.016 )
ε fe = 0.19 ( 0.016 ) = 0.003 ≤ 0.004
= 50.8 mm
0.17 mm
3800 MPa
0.017 mm/mm
228000 MPa
440.2R-46
ACI COMMITTEE REPORT
Passo 3 – Calcolo del contributo del rinforzo
in FRP alla resistenza a taglio della sezione
L’area del rinforzo in FRP può essere calcolata
come segue:
A fv = 2nt f w f
A fv = 2 (1)( 0.17 mm )( 250 mm ) = 85 mm 2
La tensione efficace nell’FRP può essere valutata utilizzando la legge di Hooke:
f fe = ε fe E f
Vf =
Il contributo offerto dall’FRP alla resistenza a
taglio si calcola a partire dall’Eq. (10.3):
Afv f fe (sin α + cos α ) d f
Vf =
sf
Passo 4 – Calcolo della resistenza a taglio
della sezione
La resistenza a taglio può essere calcolata a
partire dall’Eq. (10.2) con ψf=0.85 quando si
utilizzino fasciature ad U:
φVn = φ (Vc + Vs + ψ f V f
)
f fe = ( 0.003)( 228000 MPa ) = 684 MPa
(85 mm ) ( 684 MPa )(1)( 400 mm ) = 77.5 kN
2
( 300 mm )
φVn = 0.85 ⎡⎣162 kN + 87.2 kN + ( 0.85 )( 77.5 kN ) ⎤⎦
φVn = 267.8 kN > Vu = 267 kN
→La sezione rinforzata è in grado di sostenere l’aumento dello sforzo
di taglio.
14.5 – Rinforzo a taglio di una colonna esterna in c.a.
Per una colonna quadrata di lato 60 cm si richiede un incremento di resistenza al taglio di 267 kN (∆Vu=267 kN). La colonna è situata in un parcheggio multipiano e sperimenta una grande variazione nelle condizioni climatiche ed ambientali.
Di seguito si propone un metodo di rinforzo utilizzando fasciature esterne in GFRP. Le proprietà del sistema di rinforzo
sono riportate in Tabella 14.7. In quanto segue vengono mostrate le procedure di calcolo utilizzate per progettare il rinforzo.
Tabella 14.7 – Proprietà del sistema in FRP così come riportate dal produttore*
*
Spessore del singolo tessuto, tf
Resistenza ultima a trazione, f*fu
Deformazione di rottura, ε*fu
Modulo di elasticità, Ef
1.3 mm
552 MPa
0.020 mm/mm
28 GPa
Proprietà riferite al laminato (fibra + resina)
Procedura
Passo 1 – Calcolo delle proprietà di progetto
dell’FRP
La colonna si trova in uno spazio esterno e per
il rinforzo saranno utilizzate fibre di vetro.
Perciò il fattore di riduzione ambientale è preso pari a 0.65 come suggerito dalla Tabella
8.1.
f fu = CE f fu*
Calcoli
f fu = ( 0.65 )( 552 MPa ) = 359 MPa
ε fu = ( 0.65 )( 0.020 mm / mm ) = 0.013 mm / mm
ε fu = CE ε *fu
Passo 2 – Valutazione della deformazione
efficace nel rinforzo in FRP
Lo stato deformativo per una fasciatura completa con FRP lo si determina a partire dall’Eq.
(10.6(a)).
ε fe = 0.004 ≤ 0.75ε fu
La deformazione effettiva nell’FRP può essere
calcolata con l’Eq. (10.6(b)).
ε fe = κ v ε fu ≤ 0.004
ε fe = 0.004 < 0.75(0.013) = 0.010
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
Passo 3 – Calcolo dell’area di FRP necessaria
Il contributo a taglio richiesto al rinforzo esterno in FRP può essere calcolato in base all’incremento di resistenza che si deve ottenere.
Si ricorda di tenere in conto sia il contributo
del fattore di riduzione della resistenza, φ, che
l’ulteriore coefficiente che penalizza il contributo dell’FRP, ψf.
∆Vu
V f , richiesta =
φ (ψ f )
V f , richiesta =
267 kN
= 331 kN
0.85 ( 0.95 )
Afv , richiesta =
( 331 kN ) s f
= 5⋅ sf
( 0.004 ) ( 28 kN / mm2 ) (1)( 600 mm )
440.2R-47
L’area necessaria di FRP può essere trovata
riscrivendo l’Eq. (10.3). L’area richiesta la si
lascia espressa in funzione dell’interesse sf del
rinforzo.
V f , richiesta ⋅ s f
A fv , richiesta =
ε fe E f (sin α + cos α )d f
Passo 4 – Determinazione del numero di
strati e della larghezza ed interasse delle
fasciature richieste
Il numero di strati necessario può essere espresso in funzione della larghezza ed interessa adottato per la fasciature come segue:
A fv , richiesta
n=
2t f w f
n=
5⋅ sf
2 (1.3 mm ) ⋅ w f
= 1.9
sf
wf
→Usare due strati (n=2) continui lungo l’assse verticale della colonna
(sf=wf).
440.2R-48
ACI COMMITTEE REPORT
CAPITOLO 15 – BIBLIOGRAFIA
15.1 – Codici e normative
I codici e le normative di seguito riportate sono le ultime
edizioni disponibili nel momento in cui questo documento è stato preparato. Poiché questi documenti sono aggiornati di frequente, il lettore dovrebbe far riferimento
all’ultima versione disponibile in commercio.
American Concrete Institute
201.1R
Guide for Making a Condition Survey
of Concrete in Service
216R
Guide for Determining the Fire Endurance of Concrete Elements
224R
Control of Cracking in Concrete Structures
224.1R
Causes, Evaluation, and Repair of
Cracks in Concrete Structures
318-99
Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary
364.1R
Guide for Evaluation of Concrete
Structures Prior to Rehabilitation
437R
Strength Evaluation of Existing Concrete Buildings
440R-96
State-of-the-Art Report on Fiber Reinforced Plastic (FRP) Reinforcement for
Concrete Structures
440.1R-01
Guide for the Design and Construction
of Concrete Reinforced with FRP Bars
503R
Use of Epoxy Compounds with Concrete
503.4
Standard Specification for Repairing
Concrete with Epoxy Mortars
546R
Concrete Repair Guide
American National Standards Institute (ANSI)
Z-129.1
Hazardous Industrial Chemicals Precautionary Labeling
American Society for Testing and Materials (ASTM)
D 696
Test Method for Coefficient of Linear
Thermal Expansion of Plastics Between
-30 C and 30 C
D 2240
Test Method for Rubber Hardness Durometer Hardness
D 2583
Test Method for Indentation Hardness
of Rigid Body Plastics by means of a
Barcol Impressor
D 3039
Test Method for Tensile Properties of
Fiber Resin Composites
D 3165
Test Method for Strength Properties of
Adhesives in Shear by Tension Loading
of Single Lap Joint Laminated Assemblies
D 3418
Test Method for Transition Temperatures of Polymers by Thermal Analysis
(DTA or DSC)
D 3528
Test Method for Strength Properties of
Double Lap Shear Adhesive Joints by
D 4065
D 4541
E 84
E 119
Tension Loading
Practice for Determining and Reporting Dynamic Mechanical Properties of
Plastics
Test Method for Pull off Strength of
Coatings using Portable Adhesion
Tester
Test Method for Surface Burning
Characteristics of Building Materials
Standard Test Methods for Fire Test of
Building Construction and Materials
Canadian Standards Association (CSA)
CSA S806-02 Hazardous Industrial Chemicals
Precautionary Labeling
Code of Federal Regulations
CFR 16, Part Hazardous Substances and Articles;
1500
Administration and Enforcement Regulations
CFR 49,
Transportation
Chapter C
International Conference of Building Officials (ICBO)
AC125
Acceptance Criteria for Concrete and
Reinforced and Unreinforced Masonry
Strengthening Using Fiber-Reinforced
Composite Systems
International Concrete Repair Institute (ICRI)
ICRI 03730
Guide for Surface Preparation for the
Repair of Deteriorated Concrete Resulting from Reinforcing Steel Corrosion
ICRI 03733
Guide for Selecting and Specifying Materials for Repairs of Concrete Surfaces
International Federation for Structural Concrete
FIB 2001
Externally Boned FRP Reinforcement
for RC Structures
Queste pubblicazioni possono essere richieste alle seguenti organizzazioni:
American Concrete Institute
P.O. Box 9094
Farmington Hills, MI 48333
American National Standards Institute
11 West 42nd Street
New York, NY 10036
ASTM
100 Barr Harbor Drive
West Conshohocken, PA 19428
Canadian Standards Association
178 Rexdale Blvd.
Toronto - ON
M9W 1R3 Canada
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
Code of Federal Regulations
Government Printing Office
732 N. Capitol St. N.W.
Washington, D.C. 20402
International Conference of Building Officials
5360 Workman Mill Road
Whittier, CA 90601-2298
International Concrete Repair Institute
1323 Shepard Drive, Suite D
Sterling, VA 21064
15.2 – Bibliografia citata nel documento
Arduini, M., and Nanni, A., 1997, “Behavior of PreCracked RC Beams Strengthened with Carbon FRP
Sheets,” Journal of Composites in Construction, V.
1, No. 2, pp. 63-70.
Bakis, C.E.; Bank, L.C.; Brown, V.L.; Cosenza, E.; Davalos, J.F.; Lesko, J.J.; Machida, A.; Rizkalla, S.H.;
and Triantifillou, T.C. 2002 “Fiber-Reinforced
Polymer Composites for Construction-State-of-theArt Review,” Journal of Composites in Construction, V. 6, No. 2, pp. 73-87.
Benmokrane, B., and Rahman, H., Eds., 1998, Durability of Fiber Reinforced Polymer (FRP) Composites
for Construction, University of Sherbrooke, Canada.
Blaschko, M.; Niedermeier, R.; and Zilch, K., 1998,
“Bond Failure Modes of Flexural Members
Strengthened with FRP,” Proceedings of the Second
International Conference on Composites in Infrastructure, January 1998, Tucson, Ariz., V. 1, pp.
315-327.
Brosens, K., and Van Gemert, D., 1997, “Anchoring
Stresses Between Concrete and Carbon Fibre Reinforced Laminates,” Non-metallic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures, Proceedings of the
Third International Symposium, Oct., V. 1, pp. 271278.
Brosens, K., and Van Gemert, D., 2001, “Anchorage of
Externally Bonded Reinforcements Subjected to
Combined Shear/Bending Action,” Proceedings of
the International Conference on FRP Composites in
Civil Engineering, Hong Kong, China, pp. 589-596.
CALTRANS Division of Structures, 1996, Prequalification Requirements for Alternative Column Casings
for Seismic Retrofit (Composites), Section 10.1,
California Department of Transportation.
Chajes, M.; Januska, T.; Mertz, D.; Thomson, T.; and
Finch, W., 1995, “Shear Strengthening of Reinforced Concrete Beams Using Externally Applied
Composite Fabrics,” ACI Structural Journal, V. 92,
No. 3, pp. 295-303.
Christensen, J.B.; Gilstrap, J.M.; and Dolan, C.W., 1996,
“Composite Materials Reinforcement of Masonry
Structures,” Journal of Architectural Engineering,
V. 2, No. 12, pp. 63-70.
Dolan, C., 1999, “FRP Prestressing in the USA,” Concrete International, V. 21, No. 10, pp. 29-32.
Dolan, C.W., Rizkalla, S.H., and Nanni, A. (Editors),
440.2R-49
1999, Fourth International Symposium on Fiber Reinforced Polymer Reinforcement for Reinforced
Concrete Structures. American Concrete Institute,
SP-188, Farmington Hills, Michigan.
Ehsani, M.R., 1993, “Glass-Fiber Reinforcing Bars,”
Alternative Materials for the Reinforcement and
Prestressing of Concrete, J.L. Clarke, Blackie Academic & Professional, London, England, pp. 35-54.
Ehsani, M.; Saadatmanesh, H.; and Al-Saidy, A., 1997,
“Shear behavior of URM retrofitted with FRP overlays,” Journal of Composites for Construction, V. 1,
No. 1, pp. 17-25.
Fardis, M.N., and Khalili, H., 1981, “Concrete Encased
in Fiberglass Reinforced Plastic,” ACI Journal,
78(6), pp. 440-446.
Fleming, C.J., and King G.E.M., 1967, “The Development of Structural Adhesives for Three Original
Uses in South Africa”, RILEM International Symposium, Synthetic Resins in Building Construction,
Paris, pp.75-92.
Fukuyama, H., 1999, “FRP Composites in Japan,” Concrete International, V. 21, No. 10, pp. 29-32.
GangRao, H.V.S., and Vijay, P.V., 1998, “Bending Behavior of Concrete Beams Wrapped with Carbon
Fabric,” Journal of Structural Engineering, V. 124,
No. 1, pp. 3-10.
Green, M.; Bisby, L.; Beaudoin,Y.; and Labossiere, P.,
1998, “Effects of Freeze-Thaw Action on the Bond
of FRP Sheets to Concrete,” Proceedings of the
First International Conference on Durability of
Composites for Construction, Oct., Sherbrooke,
Quebec, pp. 179-190.
Hassan, T., and Rizkalla, S., 2002, “Flexural Strengthening of Prestressed Bridge Slabs with FRP Systems”
PCI Journal, Vol. 47, No. 1, pp. 76-93
Hawkins, G.F.; Steckel, G.L.; Bauer, J.L.; and Sultan,
M., 1998, “Qualification of Composites for Seismic
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PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
PARTE 6
440.2R-53
resina. Le proprietà riportate nella Tabella A.1 sono rappresentative, quindi, di sistemi FRP monodirezionali le
cui proprietà sono riferite all’area netta delle fibre (netfiber area) (Sezione 3.3.1).
La Tabella A.2 riporta gli intervalli dei valori delle
proprietà a trazione dei laminati in CFRP, GFRP e
AFRP con percentuali in volume di fibra variabili tra il
40% e il 60%. Le proprietà sono valutate con riferimento
all’area lorda del laminato (Sezione 3.3.1). Le proprietà
riportate si riferiscono a tessuti monodirezionali, bidirezionali e con fibre orientate nella direzione ±45°. Nella
Tabella A.2 è indicato anche l’effetto della variazione
dell’orientamento delle fibre rispetto alla resistenza della
lamina nella direzione 0°.
- APPENDICI
APPENDICE A – PROPRIETA’ DELLE FIBRE DI
CARBONIO, VETRO E ARAMIDE
La Tabella A.1 riporta gli intervalli dei valori delle
proprietà a trazione delle fibre di carbonio, vetro, e aramide. I valori tabulati derivano dalla sperimentazione su
yarns o strands di fibre impregnati eseguita in conformità alle metodologie di prova del “Suppliers of Advanced
Composite Materials Association” 16-90. Gli yarns o
strands di fibre sono impregnati di resina, polimerizzati,
e testati. Le proprietà riportate nelle tabelle sono valutate
con riferimento all’area delle fibre ignorando l’area della
Tabella A.1 – Valori tipici delle proprietà di trazione per sistemi FRP
Tipo di fibra
Carbonio
Uso generico
Alta resistenza
Altissima resistenza
Alto modulo
Altissimo modulo
Vetro
Vetro-E
Vetro-S
Aramide
Uso generico
Alte prestazioni
Modulo elastico, GPa
Resistenza a trazione, MPa
Deformazione a rottura, %
220÷240
220÷240
220÷240
340÷520
520÷690
2050÷3790
3790÷4820
4820÷6200
1720÷3100
1380÷2400
1.2
1.4
1.5
0.5
0.2
69÷72
86÷90
1860÷2680
3440÷4140
4.5
5.4
69÷83
110÷124
3440÷4140
3440÷4140
2.5
1.6
Tabella A.2 – Proprietà di trazione per laminati in FRP con contenuto di fibre compreso tra il 40 e il 60% in volume
Descrizione del sistema in FRP
(orientamento delle fibre)
Carbonio alta resistenza e resina
epossidica, gradi
0
0/90
+45/-45
Vetro-E e resina epossidica,
gradi
0
0/90
+45/-45
Aramide alte prestazioni e resina epossidica, gradi
0
0/90
+45/-45
Modulo di elasticità, GPa
Proprietà a 0° Proprietà a 90°
Resistenza a trazione, MPa
Proprietà a 0° Proprietà a 90°
Deformazione a
rottura (0°), %
100÷140
55÷76
14÷28
2÷7
55÷75
14÷28
1020÷2080
700÷1020
180÷280
35÷70
700÷1020
180÷280
1.0÷1.5
1.0÷1.5
1.5÷2.5
20÷40
14÷34
14÷21
2÷7
14÷35
14÷20
520÷1400
520÷1020
180÷280
35÷70
520÷1020
180÷280
1.0÷3.0
2.0÷3.0
2.5÷3.5
48÷68
28÷34
7÷14
2÷7
28÷35
7÷14
700÷1720
280÷550
140÷210
35÷70
280÷550
140÷210
2.0÷3.0
2.0÷3.0
2.0÷3.0
Note:
Le proprietà dei compositi in FRP sono riferite a sistemi aventi un contenuto di fibre pari al 50% in volume e spessori di 2.5 mm. In genere, i sistemi precured hanno un contenuto in fibre compreso tra il 40 e il 60% (sempre in volume), mentre per i sistemi wet lay-up è compreso tra il 25 e 40%. Siccome il
contenuto di fibra influenza le proprietà del composito finale, i sistemi pre-cured possiedono migliori qualità meccaniche rispetto ai sistemi ottenuti con la
tecnica del wet lay-up.
Zero gradi rappresenta un tessuto unidirezionale.
Zero/90 gradi (oppure +45/-45 gradi) rappresentano tessuti con fibre ordite nelle due direzioni specificate, dove 0 è la direzione del carico e 90 la direzione ad esso ortogonale.
440.2R-54
ACI COMMITTEE REPORT
La Tabella A.3 riporta le resistenze a trazione di alcuni
sistemi in FRP disponibili in commercio. La resistenza
dei laminati monodirezionali dipende dal tipo e dalla
grammatura delle fibre.
I valori delle resistenze ultime forniti in queste tabelle
non sono utilizzabili per la progettazione.
Aderenza tessutocalcestruzzo: tensione
tangenziale
Aderenza tessutocalcestruzzo-adesivo:
tensione normale
Coefficiente di
dilatazione termica
Temperatura di
transizione vetrosa
Tabella A.3 – Resistenze a trazione(a) di alcuni sistemi
in FRP disponibili in commercio
Descrizione del
sistema in FRP, fibra/resina,
tipo di tessuto
Uso generico, carbonio/epossidica, unidirezionale
Alta resistenza, carbonio/epossidica, unidirezionale
Alto modulo, carbonio/epossidica, unidirezionale
Uso generico, carbonio/epossidica, bilanciato
Vetro-E/epossidica,
unidirezionale
Vetro-E/epossidica,
bilanciato
Aramide/epossidica,
unidirezionale
Alta resistenza, carbonio/epossidica, unidirezionale
pre-cured
Vetro-E/vinilestere,
unidirezionale pre-cured
Peso del
tessuto,
g/m3
Resistenza a
trazione(b),
kN/mm
200÷400
500÷620
230÷620
320÷960
300
600
300
180
900÷350
720÷230
300
120
420
700
2380(c)
3300
1700
(c)
Durezza superficiale
Lamine
piatte
pultruse
Durezza superficiale
1580
(a)
I valorti mostrati non devono essere usati per il progetto
Valori ultimi di resistenza a trazione per larghezza unitaria di tessuto
(c)
Peso del laminato pre-cured
(b)
APPENDICE B – SOMMARIO DELLE METODOLOGIE DI PROVA STANDARD
Sono ancora in preparazione le metodologie di prova
ASTM per l’analisi del comportamento strutturale dei
sistemi in FRP utilizzati per il rinforzo esterno di strutture in c.a. Alcune di queste metodologie già pubblicate
possono essere usate anche per i materiali compositi. I
materiali in FRP possono essere testati in conformità alle
metodologie di prova elencate nella Tabella B.1. Le prove di caratterizzazione della durabilità possono essere
eseguite secondo la metodologia esistente purché si esegua una specifica preparazione del provino. In base ai
dati prodotti con le metodologie di prova elencate è possibile procedere alla qualificazione e all’accettazione dei
sistemi in FRP.
Tabella B.1 – Metodi di prova per sistemi in FRP
FRP da
Tessuti
secchi e
prepreg
Proprietà
Resistenza a trazione,
deformazione e
modulo elastico
Aderenza tessuto-adesivo:
tensione tangenziae
Metodo di prova
ISIS, ASTM D
3039
ISIS
Resistenza di provino
ad anello
Resistenza a trazione,
deformazione e
modulo elastico
Aderenza lamina-adesivo:
tensione tangenziale
Aderenza laminacalcestruzzo: tensione
tangenziale
Aderenza laminacalcestruzzo: tensione
normale
Coefficiente di
dilatazione termica
Temperatura di
transizione vetrosa
Lamine
curve
prefabbricate
Resistenza a trazione,
deformazione e
modulo elastico
Aderenza lamina-adesivo:
tensione tangenziale
Aderenza laminacalcestruzzo: tensione
tangenziale
Aderenza laminacalcestruzzo: tensione
normale
Coefficiente di
dilatazione termica
Temperatura di
transizione vetrosa
ISIS
ISIS
ASTM D 696
ASTM D 4065
ASTM D 2583,
D 2240, D 3418
ISIS
ISIS, ASTM D
3039
ISIS, ASTM D
3165, D 3528
ISIS
ISIS
ASTM D 696
ASTM D 4065
ASTM D 2583,
D 2240, D 3418
ISIS, ASTM D
3039
ISIS, ASTM D
3165, D 3528
ISIS
ISIS
ASTM D 696
ASTM D 4065
APPENDICE C – RICERCHE FUTURE
Come evidenziato all’interno del testo, vi sono alcuni
settori di ricerca che non sono ancora stati del tutto esplorati o la cui comprensione risulta ancora parziale; nei
riguardi di quest’ultimi sono, dunque, necessarie future
ricerche tese sia alla determinazione di ulteriori informazioni sia ad una definitiva validazione sperimentale.
In questa appendice si riporta una lista degli argomenti
di ricerca sui quali sono necessari futuri approfondimenti:
Materiali
PROGETTO E COSTRUZIONE DI SISTEMI IN FRP PER IL RINFORZO ESTERNO
•
Conferma che la distribuzione normale (Gaussiana)
rappresenti la resistenza a trazione di sistemi di rinforzo in FRP;
• Metodi di ignifugazione dei sistemi in FRP;
• Comportamento alle alte temperature degli elementi
rinforzati mediante FRP;
• Comportamento alle basse temperature degli elementi rinforzati mediante FRP;
• Resistenza a fuoco (determinazione della classe di
appartenenza) di elementi in calcestruzzo rinforzati
con FRP;
• Effetti di diversi coefficienti termici tra sistemi in
FRP e sottostrato;
• Rottura per creep e durata di sistemi in FRP;
• Decadimento di resistenza e rigidezza in condizioni
ambientali aggressive.
Sforzo assiale/Flessione
• Comportamento a compressione di elementi non
circolari fasciati con sistemi in FRP;
• Comportamento di elementi rinforzati con sistemi in
FRP orientati nella direzione del carico assiale;
• Miglioramento della deformazione effettiva a flessione;
• Incidenza della resistenza del calcestruzzo sul comportamento di elementi rinforzati con FRP;
• Incidenza del calcestruzzo alleggerito sul comportamento di elementi rinforzati con FRP;
•
440.2R-55
Comportamenti di elementi soggetti a flessione rinforzati a trazione e compressione con FRP;
• Massima ampiezza delle fessure e previsione delle
frecce di elementi in calcestruzzo rinforzati con sistemi in FRP;
• Comportamento della freccia a lungo termine in
relazione ad elementi in calcestruzzo rinforzati con
sistemi in FRP.
Taglio
• Contributo di resistenza a taglio del calcestruzzo di
elementi rinforzati attraverso sistemi in FRP;
• Deformazione effettiva di sistemi in FRP non completamente fasciati attorno alla sezione;
• Uso di sistemi in FRP per il rinforzo a punzonamento in sistemi bidirezionali.
Dettagli costruttivi
• Prestazioni di ancoraggi in FRP.
Nel testo è specificatamente indicato che ulteriori prove
sono necessarie per determinare le seguenti proprietà di
sistemi in FRP:
• Coefficienti e caratteristiche di aderenza;
• Rotture per creep e problematiche connesse con carichi di lunga durata;
• Caratteristiche a fatica;
• Coefficiente di espansione termica;
• Resistenza a taglio;
• Resistenza a compressione.