FRP - Fiber Reinforced Polymers | Calcestruzzo Armato | Rinforzi Strutturali
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Dimensionamento di rinforzo composito FRP

In questo articolo analizziamo quali sono le indicazioni che forniscono le istruzioni tecniche CNR DT 200 R1 2013, per determinare le tensioni di progetto dei materiali compositi a matrice epossidica, meglio noti con l’acronimo FRP. Ricordiamo che tali materiali compositi si ottengono dall’accoppiamento di due distinti tipologie di materiali, dette fasi, e presentano caratteristiche meccaniche intermedie tra quelle specifiche dei materiali di origine.

Legame costitutivo materiale composito FRP

Nei compositi a fibra continua le fibre svolgono il ruolo di elementi portanti sia in termini di resistenza che di rigidezza. La matrice, oltre a proteggere le fibre, funge da mezzo di trasferimento degli sforzi tra fibra e fibra ed eventualmente tra queste e l’elemento strutturale da rinforzare. Il composito esibisce rispetto alle fibre una rigidezza inferiore, ma la medesima deformazione a rottura. Infatti, una volta superata tale deformazione, diviene impossibile il trasferimento degli sforzi dalla matrice alle fibre.

A tale scopo si evince come risulti inopportuno adottare le tensioni del tessuto di rinforzo a rottura per il dimensionamento del sistema di rinforzo, poiché come vediamo dal diagramma la tensione di rottura a trazione del materiale composito FRP è notevolmente più bassa rispetto a quella associata alla fibra.

Diagramma sforzo deformazione materiale composito, estratto da CNR DT 200.
Diagramma sforzo deformazione materiale composito, estratto da CNR DT 200.

La tabella seguente ci permette di comprendere meglio le grandezze in gioco, mettendo direttamente a confronto le proprietà meccaniche delle Fibre con le proprietà meccaniche del materiale composito FRP.

Confronto caratteristiche meccaniche materiale composito con fase in fibra, estratto da CNR DT 200 Meccanismo di rottura sistema composito FRP.
Confronto caratteristiche meccaniche materiale composito con fase in fibra, estratto da CNR DT 200 Meccanismo di rottura sistema composito FRP.

Con questa prima analisi potremmo quindi giungere alla conclusione che è opportuno dimensionare il rinforzo secondo le grandezze ultime a trazione (sforzo, deformazione), associate al materiale composito FRP.

Questo approccio sarebbe corretto se idealmente il sistema di rinforzo fosse in grado di esprimere tutta la tensione arrivando a rottura; essendo però a contatto con una superficie, calcestruzzo o muratura in genere, il meccanismo di collasso del composito si instaura tra il primo strato di adesivo epossidico e la parte corticale del supporto.

La rottura comporta il distacco completo del composito e una asportazione di spessore variabile di supporto. Altri compositi invece vedono l’instaurarsi della rottura tra i due strati di matrici o per scorrimento del tessuto di rinforzo all’interno del composito. Vediamo di seguito quanto viene indicato all’interno delle CNR DT 200 R1/2013 per i compositi FRP: CNR DT 200 R1/2013 cap 4.1.1 Meccanismi di rottura per distacco dal supporto.

In linea di principio il distacco del composito dal supporto può prodursi all’interno dell’adesivo, tra calcestruzzo ed adesivo, nel calcestruzzo o all’interno del rinforzo (ad esempio tra strati sovrapposti di composito). Nel caso di rinforzi posti correttamente in opera, poiché la resistenza a taglio dell’adesivo è in genere molto più elevata di quella del calcestruzzo, la rottura si produce all’interno di quest’ultimo con asportazione di uno strato di materiale di spessore variabile da pochi millimetri fino ad interessare l’intero copriferro.

Individuazione della zona di collasso su elemento in calcestruzzo armato rinforzato con composito FRP, Istruzioni tecniche CNR DT 200 R1/2013.
Individuazione della zona di collasso su elemento in calcestruzzo armato rinforzato con composito FRP, Istruzioni tecniche CNR DT 200 R1/2013.

Un altro aspetto cruciale da tenere in considerazione per il dimensionamento del sistema composito FRP, riguarda la zona di applicazione del materiale sull’elemento oggetto dell’intervento. Rimanendo sempre nello stesso paragrafo vengono riproposti i modi di collasso che possono verificarsi in presenza di un elemento in cemento armato soggetto a flessione:

“Il collasso per distacco dal supporto del rinforzo a flessione applicato all’intradosso di una trave può avvenire in uno dei seguenti quattro modi:

  • Modo 1 (Distacco di estremità);
  • Modo 2 (Distacco intermedio, causato da fessure per flessione nella trave);
  • Modo 3 (Distacco causato da fessure diagonali da taglio nella trave);
  • Modo 4 (Distacco causato da irregolarità e rugosità della superficie di calcestruzzo).
    In quanto più frequenti, nel prosieguo si farà riferimento esclusivamente ai modi 1 e 2.”

Modi di collasso su trave in calcestruzzo armato rinforzata con composito FRP, Istruzioni tecniche CNR DT 200 R1/2013.
Modi di collasso su trave in calcestruzzo armato rinforzata con composito FRP, Istruzioni tecniche CNR DT 200 R1/2013.

Per un elemento inflesso, per esempio una trave su cui insiste un carico distribuito, come rappresentato nello schema di qui sopra, le zone in cui può instaurarsi il collasso e il distacco sono principalmente due: in prossimità dell’estremità del tessuto e nella parte intermedia dello stesso. Sulla base di questi due meccanismi come vedremo verranno definite le rispettive tensioni di progetto.

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Nel pdf troverai:
Calcolo della lunghezza di ancoraggio e della tensione di delaminazione per un sistema composito FRP
Classificazione dei sistemi compositi FRP ed utilizzo degli elementi di connessione

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