Fibre di carbonio (FRP) per il consolidamento e rinforzo di strutture in cemento armato

Le fibre di carbonio sono sistemi moderni ricorrentemente adottati in edilizia, per il consolidamento e il rinforzo di strutture in cemento armato.

Trovano largo impiego in diversi contesti strutturali di edifici già esistenti, ottenendo rinforzi con il massimo beneficio e il minimo ingombro.

Cosa sono le fibre di carbonio?

I sistemi in fibre di carbonio (FRP – Fiber Reinforced Polymers) sono materiali compositi fibrorinforzati in matrice polimerica.

Sono costituiti dalle fibre di carbonio, che rappresentano il materiale di rinforzo principale, e da una matrice, normalmente una resina, che si occupa di legare insieme e proteggere le fibre di carbonio.

A seconda della specifica applicazione, le fibre possono essere utilizzate in diversi formati: filamenti, unidirezionali, tessuti o nastro.

Le fibre vengono poi immerse o rivestite con una resina termoindurente, così da conferire resistenza strutturale al composito.

Applicazioni e utilizzi delle fibre di carbonio per il consolidamento strutturale

I sistemi in fibre di carbonio sono spesso utilizzati per interventi di rinforzo e consolidamento di strutture e solai in cemento armato, come travi, pilastri, ponti, per:

• ripristinare la funzionalità strutturale,
• mettere in sicurezza edifici colpiti dal sisma o per sicurezza preventiva, nell’ambito degli interventi di adeguamento o miglioramento sismico, ottenendo anche un passaggio di una o più classi sismiche,
• incrementare i carichi della struttura, senza aumentarne peso e volume,
• cambi di destinazione d’uso, che richiedono aumenti delle portate di carico,
• consolidare strutture degradate a livello locale o nell’ambito del ripristino di armature corrose nel cemento armato,
• rinforzare le strutture a seguito di incendi,
• adeguare le strutture alle normative vigenti.

Vantaggi e benefici delle fibre di carbonio

I rinforzi strutturali in fibre di carbonio sono ideali in varie applicazioni, rispetto ad altri materiali, perché presentano diverse caratteristiche vantaggiose, come:

• leggerezza
  Le fibre di carbonio sono molto leggere, ma, allo stesso tempo, resistenti. Il peso e il carico complessivo strutturale risultano ridotti e si previene, così, il cedimento precoce delle strutture, aumentandone la durabilità,
• elevata prestazione, resistenza meccanica e rigidità
  Hanno un’elevata resistenza alla trazione, che supera quella di materiali, quali l’acciaio e l’alluminio. In questo modo, è possibile ottenere strutture sottili e leggere, in grado di sopportare carichi pesanti, senza deformazioni, sopperendo alla mancata resistenza portante delle strutture ammalorate,
• alta resistenza alla corrosione, agli agenti chimici ed esterni
  A differenza di materiali metallici, come l’acciaio, le fibre di carbonio non si corrodono, se esposte a umidità o ad agenti atmosferici aggressivi, e non si ossidano e non subiscono deterioramento in ambienti salini,
• buone proprietà isolanti e capacità di isolamento termico
• elevata durabilità
  Sono in grado di resistere a sollecitazioni, e, quindi, sono adatte per applicazioni su strutture soggette a carichi nel tempo o sottoposte a vibrazioni,
• invisibilità e capacità di adesione alle forme
  Grazie allo spessore molto limitato, non sono invasive, si adattano alle varie forme strutturali su cui ne è prevista l’applicazione, non aumentano la massa e l’ingombro delle strutture, e, pertanto, non ne modificano la geometria,
• reversibilità
  Se necessario, possono essere rimosse anche a distanza di anni,
• velocità di applicazione.

In base al progetto specifico, possono essere applicate in maniera molto pratica e rapida anche su grandi superfici, così da contenere i disagi.

Rispetto ai sistemi di consolidamento tradizionali, dunque, le fibre di carbonio consentono di ottenere un rinforzo resistente, con un peso e un ingombro ridotti, senza alterare la geometria delle strutture o incrementarne la volumetria.

Progettazione dei rinforzi strutturali con fibre di carbonio

Quando si utilizzano i rinforzi in fibre di carbonio nei progetti di consolidamento di strutture esistenti, è importante che la progettazione sia effettuata da figure di professionisti competenti e specializzati.

Prima di tutto, è fondamentale, infatti, effettuare un’analisi accurata dei carichi e delle sollecitazioni, che agiranno sulla struttura. Quest’analisi consentirà di determinare la quantità e la disposizione dei rinforzi necessari.

Non solo, è fondamentale anche scegliere i materiali, con la selezione delle giuste fibre di carbonio e della resina adatta per il composto. La combinazione dei materiali, infatti, deve essere ben ottimizzata, per ottenere la resistenza desiderata.

Normalmente, è possibile predisporre sistemi impregnanti in situ, che prevedono l’uso di fibre impregnate e incollate al supporto con resina, oppure sistemi performanti costituiti da lamine preparate in stabilimento e incollate alle strutture da rinforzare.

Inoltre, il progettista deve anche definire l’orientamento delle fibre di carbonio, per massimizzare la distribuzione delle sollecitazioni e minimizzare le deformazioni, così da sfruttare a pieno la resistenza e la rigidità strutturale, in modo che la forza sia distribuita uniformemente.

In molti casi, le fibre di carbonio vengono integrate con altri materiali, come metalli o materiali compositi. La progettazione deve garantire un’adeguata adesione e compatibilità tra questi materiali.

Inoltre, le condizioni ambientali a cui la struttura è esposta è un altro importante aspetto, che il progettista deve considerare. È necessario, infatti, prevedere idonee misure per proteggere le fibre di carbonio da esposizioni a sostanze chimiche, corrosive e da agenti atmosferici aggressivi.

La resistenza strutturale deve essere sempre valutata a lungo termine, pertanto, la progettazione deve prevedere anche test e validazioni, che confermino che la struttura soddisfi le specifiche prestazionali e di sicurezza.

Il progettista deve tener conto che il rinforzo in FRP sarà applicato su strutture che sono già deformate, pertanto dovrà garantire che le stesse saranno in grado di resistere ai carichi che dovranno sopportare.

Procedure per il consolidamento di strutture esistenti con fibre di carbonio

Una volta definito il progetto, si procede con le operazioni di applicazione delle fibre di carbonio, che, normalmente, vengono combinate con resine epossidiche. I passaggi della messa in opera, in genere, sono i seguenti:

• preparazione del supporto da rinforzare
  Prima di procedere con l’applicazione dei rinforzi in FRP, è necessario preparare il supporto su cui saranno applicati. Si provvede alla pulizia del supporto e delle superfici da qualsiasi materiale in fase di distacco, residui, parti ammalorate, incoerenti o degradate, mediante adeguate tecniche di pulitura, quali idroscarifica e sabbiatura, in modo tale da ottenere una superficie sana e compatta.
  In presenza di fenomeni di corrosione sui ferri d’armatura, è importante provvedere alla rimozione della ruggine e trattarli con una malta passivante. A seguire, vanno riscostruite le eventuali parti mancanti del copriferro, con specifiche malte premiscelate.
  La superficie dovrà presentarsi perfettamente regolare, per ottenere un’accurata adesione.
• applicazione di un primer
  Terminata la fase di pulizia delle superfici, si procede con l’applicazione di un primer, che ha la funzione di:
  • eliminare polvere residua, che potrebbe compromettere la corretta adesione dei rinforzi e delle resine,
  • agevolare e garantire l’adesione degli strati di resina successivi,
  • aumentare la resistenza dei supporti,
  • preservare gli strati di resina di incollaggio dall’umidità e limitare il passaggio di acqua.
• applicazione di una resina di incollaggio
  A seguire, si procede con l’applicazione di un adesivo tixotropico, ovvero una miscela di resina e indurente.
• incollaggio delle fibre di carbonio
  L’applicazione delle fibre di carbonio avviene con la posa del tessuto fino ad annegamento nella resina di incollaggio, così da far fuoriuscire le fibre.
• impregnazione delle fibre di carbonio in resina
  Terminata la fase di applicazione delle fibre di carbonio, si provvede ad impregnare il tutto con una resina epossidica in più mani, a seconda della situazione specifica, e ad effettuare un’eventuale protezione con idonea malta premiscelata e ciclo di verniciatura finale.

L’uso delle fibre di carbonio per le Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC)

Attualmente, le Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC 2018) non presentano riferimenti normativi per i rinforzi con sistemi in fibre di carbonio.

Tuttavia, sono state pubblicate delle linee guida, denominate “Linee Guida per l’identificazione, la qualificazione ed il controllo di accettazione di compositi fibrorinforzati a matrice polimerica (FRP) da utilizzarsi per il consolidamento strutturale di costruzioni esistenti”, che forniscono proprio le procedure relative ai sistemi in fibre di carbonio, assicurando la possibilità di impiegare tale tecnica, seguendo le normative di riferimento.

Il loro impiego negli interventi di consolidamento strutturale, infatti, prevede il CIT, ovvero il Certificato di Idoneità Tecnica dell’Impiego, che viene rilasciato dal Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici.

Quali sono i costi da sostenere per il consolidamento strutturale con le fibre di carbonio?

Il consolidamento strutturale mediante l’impiego di sistemi in fibre di carbonio prevede costi variabili a seconda delle dimensioni, della complessità e delle specifiche applicazioni.

L’analisi dei costi viene effettuata, tenendo conto di diversi fattori, quali:

• quantità di fibre di carbonio necessarie
  Il costo del materiale sarà variabile in base alla quantità necessaria, che dipende dalle dimensioni e dalla portata del progetto,
• tipo di composito
  Il costo può variare a seconda del tipo di fibra di carbonio utilizzato (unidirezionale o tessuto) e se sono necessari eventuali integrazioni di resine specifiche o trattamenti superficiali,
• progettazione
  La progettazione è essenziale per garantire che i rinforzi siano applicati correttamente e soddisfino gli standard di sicurezza. I costi comprendono calcoli strutturali, simulazioni e pianificazioni, con l’impiego di professionisti e ingegneri specializzati ed esperti nel settore,
• manodopera necessaria per l’installazione delle fibre di carbonio
  Comprende la preparazione delle superfici, l’applicazione delle fibre di carbonio e la verifica della qualità del lavoro,
• attrezzature speciali
  Potrebbe rendersi necessario l’impiego di attrezzature specializzate, a seconda delle casistiche,
• test e verifiche
  Dopo l’installazione, è fondamentale eseguire dei test di adesione, con Pull-off, per verificare che i rinforzi siano stati applicati correttamente e che la struttura sia conforme agli standard di sicurezza,
• costi ambientali e di sicurezza
  È essenziale assicurarsi che il progetto sia conforme alle normative ambientali di sicurezza. Questo può comportare costi aggiuntivi, come la gestione dei rifiuti o la messa in sicurezza del cantiere,
• tempo di fermo impianto
  Possono esserci delle casistiche in cui, durante le opere di rinforzo, bisognerà sospendere le attività produttive temporaneamente.

L’implementazione di rinforzi in fibre di carbonio comporta dei costi iniziali, da cui, però, derivano vantaggi a lungo termine, perché garantiscono una maggiore durabilità delle strutture, una riduzione dei costi di manutenzione e un miglioramento delle prestazioni strutturali.

Conclusioni

Per il corretto consolidamento delle strutture, è importante che le fibre di carbonio siano adeguatamente progettate e applicate da tecnici specializzati.

Italsave mette a disposizione le proprie competenze con personale ben formato e specializzato nelle opere di rinforzo strutturale, e si occupa dell’installazione dei sistemi in fibre di carbonio a partire dal progetto fino alla corretta applicazione, ottenendo, così, strutture consolidate e rinforzate, con il minimo ingombro e il massimo risultato.

Contattaci per il consolidamento e rinforzo delle tue strutture »