FRCM ottimizzati per il rinforzo di strutture esistenti

In Italia i recenti eventi sismici hanno messo in evidenza la vulnerabilità di molti edifici storici esistenti.

I materiali FRCM (Fabric-Reinforced Cementitious Matrix) risultano, come mostrato ampiamente in letteratura, una buona soluzione per il ripristino di strutture danneggiate e per l’incremento della capacità portante degli elementi strutturali esistenti in accordo con le recenti disposizioni antisismiche.

In questo articolo vengono presentati i risultati di una campagna sperimentale volta alla caratterizzazione meccanica in trazione uniassiale e all’ottimizzazione del rinforzo (reti in vetro AR, matrici e fibre corte) in trazione diretta e allo studio del comportamento di interfaccia su supporti di diversa natura.

Optimized Fabric-Reinforced Cementitious Matrix composite for retrofitting of existing structures

FRCM (Fabric-Reinforced Cementitious Matrix) ottimizzati per il rinforzo di strutture esistenti

M. C. Rampini, G. Zani, M. Colombo, M. di Prisco

Politecnico di Milano

1 INTRODUZIONE

I recenti eventi sismici occorsi in Italia hanno messo in evidenza la vulnerabilità di un gran numero di edifici esistenti storicamente non progettati secondo normative antisismiche e, di conseguenza, la necessità di intervenire per garantire la salvaguardia del patrimonio storico nazionale.

I materiali compositi FRCM (Fabric-Reinforced Cementitious Matrix) rappresentano una buona soluzione per il rinforzo strutturale, come mostrato in letteratura (de Felice G. et al. 2015).

Questa tecnologia rispetto ad altre tipologie di rinforzo, come ad esempio i materiali FRP (Fiber Reinforced Polymer), mostra una miglior compatibilità con superfici irregolari (calcestruzzo e muratura), una maggiore lavorabilità ed una più semplice applicazione, una miglior resistenza al fuoco, una miglior permeabilità del vapore e, inoltre, minori costi di installazione.

Nei paragrafi successivi verranno presentati i ri-sultati della prima parte di una campagna sperimentale in corso di svolgimento presso il Laboratorio Prove Materiali del campus di Lecco del Politecnico di Milano in riferimento ai lavori del consorzio interuniversitario ReLUIS. L’obiettivo è quello di ottimizzare le prestazioni dei materiali FRCM, sia riguardo alla risposta in trazione, sia al comportamento di interfaccia, considerando l’applicazione su supporti di diversa natura e un opportuno grado di lavorazione superficiale.

Infine viene presentata e discussa la procedura proposta dalle nuove linee guida in fase di approva-zione per qualificare convenzionalmente i sistemi compositi FRCM.

2 MATERIALI

Le tipologie di rinforzo considerate sono quattro differenti reti in fibra di vetro alkali-resistente, le cui caratteristiche principali in direzione ordito sono riportate in Tabella 1.

Le principali differenze riguardano il passo, la quantità di vetro, indicata come grammatura non apprettata, e la tipologia di appretto utilizzata durante la fase di produzione.

I differenti appretti utilizzati sono tre: uno realizzato con una resina epossidica (“Epoxy”) e due in stirene-butadiene (“SBR”).

La differenza tra la soluzione “new” rispetto alla soluzione denominata “old” riguarda l’incremento di additivo indurente, la riduzione del quantitativo di appretto, in modo da ridurre lo scorrimento tangenziale, e l’incremento della temperatura durante la fase di produzione.

Tre differenti tipi di matrici sono stati utilizzati per la realizzazione dei sistemi compositi indagati: una matrice, HPC (High-Performance Concrete) (Rampini M.C. et al. 2018), che consiste in un calcestruzzo auto-compattante ad alte prestazioni con resistenza cubica caratteristica fcc > 90MPa e resistenza a trazione per flessione fctf > 14 MPa, e due matrici commerciali, premiscelate, tixotropiche e a ritiro compensato, TIXA e TIXB.

Le caratteristiche meccaniche dichiarate dal produttore sono fcc>45 MPa e fct > 8 MPa per la TIXA, matrice a base cementizia adatta ad applicazioni su superfici in calcestruzzo con differente grado di rugosità superficiale, e fcc > 15 MPa per la TIXB, matrice a base calce specificatamente indicata per applicazioni su supporti in muratura.

Alla matrice sono aggiunte, in quantitativo pari all’1% in volume, micro-fibre di differente natura per studiarne l’effetto in termini di durabilità e prestazioni del composito.

Si sono utilizzate fibre in PVA alcali-resistenti (diametro equivalente 0.16÷0.20 mm, lunghezza 18 mm, rapporto di aspetto pari a 90 e sforzo di snervamento di 760÷1160 MPa) e micro-fibre in acciaio (diametro 0.21 mm, lunghezza 13 mm, rapporto di aspetto pari a 62 e resistenza in trazione 2750 MPa).

Si è scelto di utilizzare le sole fibre in PVA per i compositi realizzati con matrici tixotropiche, poiché si è osservato, a seguito di risultati sperimentali preliminari, che l’aggiunta di fibre in acciaio per miscele porose incrementa la quantità di difetti, riducendo l’aderenza con la rete e l’efficienza globale del composito.

3 Caratterizzazione preliminare di materiali FRCM: PROGRAMMA SPERIMENTALE

In questa memoria verranno mostrati i risultati di una campagna sperimentale volta alla caratterizzazione preliminare di materiali FRCM mediante prove di trazione diretta su lastrine di composito e prove di strappo su singolo lato considerando differenti tipologie di supporto. I setup di prova e le dimensioni nominali dei provini sono riportate in Figura 1.

Le prove sono state eseguite mediante l’utilizzo di un martinetto elettromeccanico con una capacità massima di carico pari a 30 kN, in controllo di spostamento a velocità costante pari a 0.02 mm/s per le prove di trazione e 0.01 mm/s per le prove di strappo.

Tutte le prove sono effettuate considerando sempre le reti di rinforzo nella sola direzione ordito.

In aggiunta alla lettura dello spostamento dell’attuatore (stroke) sono stati utilizzati, nel caso della prova di strappo, 2 LVDT disposti in modo da misurare lo spostamento relativo della testa del provino rispetto al supporto (δslip).

3.1 Risultati prove di trazione diretta su composito FRCM

I risultati delle prove di trazione diretta vengono riportati in termini di sforzo sulla sezione effettiva del composito e allungamento normalizzato (stroke diviso per la lunghezza iniziale del provino).

Le curve di risposta riportate sono quelle medie relative a tre provini nominalmente identici.

3.1.1 Utilizzo di differenti appretti e matrici

L’utilizzo di un appretto di differente natura in-fluenza sia la capacità resistente della rete di rinforzo che l’efficacia della stessa all’interno del composito FRCM.

Questo è dovuto principalmente alla diversa capacità di ciascun tipo di appretto di penetrare tra i fili di tessuto e di farli lavorare in parallelo riducendo il rischio di una rottura telescopica in trazione (Cohen Z. et al. 2010).

A seguito di prove in trazione diretta sulla sola rete, è possibile notare la ridotta efficienza dei tessuti prodotti con resina SBR rispetto a quelli con resina epossidica, confrontando i valori di sforzo calcolato sull’area di rinforzo secco, riportati in Tabella 2, con il valore di sforzo ultimo resistente del filo di vetro pari a circa 2000 MPa.

Ulteriori considerazioni rispetto all’effetto di appretti differenti possono essere fatte a partire dalla risposta in trazione del sistema composito.

Si può notare come sia possibile ottenere la tipica curva trilineare in trazione (Colombo I. G. et al. 2013) soltanto mediante l’utilizzo di un appretto in resina epossidica per una rete a maglia larga, rete F2 in Figura 2, mentre, per una rete a maglia stretta e con grande quantitativo di vetro come la rete F4, sia sufficiente un appretto di tipo SBR, ma il valore di carico ultimo raggiunto sia circa il medesimo di un si-stema rinforzato con un quantitativo di vetro pari a circa la metà, rete F3 in Figura 3.

In Figura 4 sono mostrate le curve di risposta in trazione di compositi realizzati con differenti tipologie di matrici.

Si può osservare una riduzione del carico di picco sperimentale raggiunto dai compositi realizzati con matrice TIXA rispetto a quelli con matrice HPC.

Questo effetto è dovuto alla maggiore porosità della matrice tixotropica che causa una minor aderenza matrice-rete e una conseguente rottura anticipata del tessuto dovuta alla non uniforme distribuzione degli sforzi sullo stesso.

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L'ARTICOLO COMPLETO E' DISPONIBILE IN ALLEGATO

KEYWORDS: Fabric-Reinforced Cementitious Matrix materials; textile reinforced concrete; alkali-resistant glass fabric, retrofit-ting design; structural robustness; material heterogeneity / materiali a base cementizia rinforzati con reti; calcestruzzo tessile; reti in vetro alcali-resistente; progettazione ripristino strutturale, robustezza strutturale, eterogeneità del materiale