Rinforzo di travi e pilastri di strutture in c.a. mediante l’utilizzo di polimeri fibrorinforzati (FRP)

In questo articolo vengono descritte le criticità nei confronti delle azioni sismiche di travi, pilastri e nodi di strutture intelaiate in calcestruzzo armato realizzate dai primi anni del secolo scorso fino all’introduzione delle norme tecniche in materia sismica: vengono analizzate e valutate le principali cause di danno su questi elementi strutturali, tra le quali possiamo enumerare la scarsa, se non assente, presenza (secondo i dettami attuali) di armature longitudinali e trasversali, il posizionamento errato o sfavorevole di tamponamenti non strutturali nonché la presenza di pilastri spesso troppo esili rispetto alle travi di solaio.

Focalizzando l’attenzione su questi aspetti e valutando il comportamento degli elementi esistenti in c.a. contestualizzati nella moderna zonizzazione sismica sarà possibile intervenire efficacemente con tecniche che prevedono l’utilizzo dei materiali compositi fibrorinforzati FRP.

L’impiego di FRP per risolvere le criticità di travi e pilastri in strutture in calcestruzzo armato

A partire dagli anni 30 del secolo scorso, la tecnologia costruttiva del calcestruzzo armato si è imposta in maniera massiccia come sistema costruttivo per l’edilizia pluripiano a scopo residenziale, scolastico e direzionale. Nel secondo dopoguerra e soprattutto a partire dagli anni 50, con lo sviluppo industriale, l’edilizia ha subito una notevole spinta con la realizzazione di nuovi quartieri nelle città utilizzando il calcestruzzo armato poiché più speditivo rispetto alla muratura.

La maggior parte di queste costruzioni sono state progettate per la residenza. In epoca moderna, l’esigenza di variare destinazione d’uso in diversi edifici passando ad attività direzionali e/o pubbliche richiede un maggiore impegno alla struttura, per l’incremento dei carichi variabili e/o dei sovraccarichi permanenti dovuti a impianti, nuovi pavimenti, controsoffitti, ecc. In aggiunta, le norme tecniche dell’epoca della costruzione non sempre erano sufficientemente cautelative per garantire adeguati livelli di sicurezza, per cui spesso, in sede di rifunzionalizzazione dell’edificio, è necessaria l’esecuzione di interventi di rinforzo strutturale. 

Trattandosi di strutture costituite da telai piani disposti nella direzione longitudinale collegati da solai in latero-cemento nella direzione trasversale, gli interventi riguardano i solai, spesso sottodimensionati o degradati da fenomeni di sfondellamento, le travi e i pilastri.

Per i solai si possono adottare le tecniche di rinforzo discusse in un precedente articolo dell'autore (Gattesco 2021), per le travi e per i pilastri si possono applicare rinforzi basati sull’impiego di polimeri fibrorinforzati FRP descritti nel dettaglio nel presente articolo.
 

Le travi, normalmente necessitano di essere rinforzate sia per incrementare la resistenza flessionale delle sezioni soggette al massimo momento flettente, sia per aumentare la resistenza a taglio delle zone soggette ad elevate sollecitazioni taglianti.

Per i pilastri, invece, può essere richiesto un incremento del confinamento del calcestruzzo in prossimità dei nodi, zone spesso sprovviste di un’adeguata staffatura. Se è richiesto un significativo incremento della resistenza dei pilastri, è necessario un intervento con incamiciatura (camicia metallica o in calcestruzzo armato).

Inoltre, i vari terremoti che si sono succeduti in Italia e nel mondo hanno messo in evidenza significative criticità di comportamento degli edifici formati con telai in calcestruzzo armato, soprattutto perché all’epoca della costruzione il sito sul quale sono stati realizzati non era classificato a rischio sismico e nella progettazione non erano stati adottati criteri antisismici. 

Queste strutture sono quindi vulnerabili all’eccitazione sismica, sia perché pilastri e travi sono sottodimensionati per resistere alle conseguenti sollecitazioni ma anche perché i collegamenti tra travi e pilastri (nodi) non sono progettati per garantire adeguate capacità di rotazione plastica e di conseguenza sono caratterizzati da una scarsa capacità dissipativa. Inoltre, spesso i telai delle costruzioni esistenti sono privi di staffature nella zona nodale (Figura 1 a,b) ed hanno una ridotta staffatura nei pilastri (Figura 1 b,c) e nelle travi in prossimità della zona nodale.

Figura 1. Esempi di cedimento nodo trave-pilastro: a,b) assenza staffatura nel nodo, b,c) ridotta staffatura nel pilastro in prossimità del nodo.

In questi casi è necessario provvedere al rinforzo della zona nodale, conferendo un’adeguata resistenza a taglio, e a confinare le estremità di travi e pilastri, per scongiurare lo scalzamento di calcestruzzo (Figura 1). Anche questi interventi di rinforzo possono essere eseguiti efficacemente utilizzando polimeri rinforzati con fibre di carbonio disposte in una direzione o in più direzioni.

Compositi in matrice polimerica e fibre lunghe FRP

I materiali compositi in argomento sono costituiti da matrici polimeriche e normalmente da fibre lunghe continue di carbonio o vetro, e sono comunemente denominati FRP (Fiber Reinforced Polymers). Questi materiali sono utilizzati ampiamente in vari settori da molti anni; da circa due decadi sono entrati nell’attenzione del mondo delle costruzioni civili, soprattutto per interventi di rinforzo di strutture esistenti in calcestruzzo armato, muratura, legno (CNR DT 200 R1/2013).

I sistemi utilizzati per questi scopi sono:

• a) sistemi preformati, costituiti prevalentemente da lamine sottili ottenute per pultrusione;
• b) sistemi impregnati in situ, costituiti da tessuti di fibre impregnati in opera con resine polimeriche/epossidiche.

Nel primo caso, le lamine vengono prodotte in stabilimento e portate in cantiere, dove vengono tagliate a misura e incollate al substrato utilizzando resine epossidiche. Nel secondo caso, invece, si utilizzano dei tessuti secchi uni o multi direzionali che vengono adeguatamente impregnati in situ con resine epossidiche o polimeriche, che fungono anche da adesivo con il substrato.

Le prestazioni di elementi in calcestruzzo armato rinforzati con l’utilizzo di questi materiali sono fortemente dipendenti dall’aderenza tra composito e calcestruzzo in quanto il meccanismo per delaminazione è di tipo fragile. E’ quindi necessario dedicare particolare attenzione a questo meccanismo per ritardare la sua attivazione rispetto ai meccanismi di collasso principali dell’elemento strutturale rinforzato.

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L'articolo continua con la trattazione del meccanismo di rottura per delaminazione e dei possibili interventi di RINFORZO DI STRUTTURE A TELAIO IN CALCESTRUZZO ARMATO che riguardano: 

• a) l’incremento della resistenza a flessione;
• b) l’incremento della resistenza a taglio;
• c) il confinamento del calcestruzzo alle estremità di travi e pilastri;
• d) il miglioramento delle prestazioni dei nodi di strutture in zona sismica. 

FIBRE NET: gli specialisti del rinforzo strutturale                         

Idee, passione, esperienza e ingegno italiano in continua evoluzione

La storia di FIBRE NET inizia nel 2001 con una visione: sviluppare un prodotto del tutto nuovo non presente sul mercato, una rete in GFRP (Glass Fiber Reinforced Polimer). Nasce RI-STRUTTURA, la risposta evoluta alla classica rete elettrosaldata che, diversamente dal sistema tradizionale, consente di rispettare la compatibilità muraria soprattutto negli edifici storici garantendo un miglioramento strutturale omogeneo e diffuso oltre alla durabilità e reversibilità dell’intervento.
Da allora, forte di un’intensa attività di R&S supportata da Università e istituti di ricerca, l’evoluzione dell’azienda ha portato all’ideazione, sviluppo e industrializzazione di diversi sistemi per il rinforzo strutturale in materiale composito fibro rinforzato, certificati e validati che sono andati a migliorare le performance di intervento dei sistemi tradizionali.
Oggi l’azienda produce presso i propri stabilimenti prodotti e sistemi compositi fibrorinforzati che trovano largo utilizzo in edilizia e nel settore infrastrutturale, nel consolidamento, nel miglioramento e adeguamento sismico e nella messa in sicurezza di strutture esistenti.

Non solo produzione

FIBRE NET si pone come partner specializzato, in grado di affiancare enti, progettisti ed imprese nelle scelte più opportune, efficaci e sostenibili mirate al consolidamento, al miglioramento e adeguamento strutturale, al mantenimento della durabilità del bene.
Al compimento dei suoi primi 20 anni, FIBRE NET è riconosciuta come produttore di riferimento di materiali innovativi e sistemi tecnologicamente avanzati, come promotore nella ricerca e sviluppo e nella formazione culturale, come player dalla solida competenza progettuale ed esecutiva.
Aspetti, questi, che delineano una realtà aziendale operativa, dinamica e intraprendente, costituita da un team giovane e tecnicamente preparato che fa della passione per il proprio lavoro la spinta verso l’innovazione.
FIBRE NET mette a disposizione dei propri partners laboratori, attrezzature e competenza per l’esecuzione di prove, anche on-site, per la diagnosi delle problematiche, per la caratterizzazione meccanica e chimica di materiali e cicli di intervento.