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PROGETTAZIONE INTERVENTO DI SICUREZZA SISMICA

Miglioramento e adeguamento antisismico con fibre di carbonio

progettazione

La progettazione degli interventi di sicurezza sismica, finalizzati alla riduzione del rischio delle costruzioni esistenti, viene eseguita in conformità alle Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC18 di cui al D.M. 17.01.2018) ed alla relativa Circolare n. 7/2019.

Tali Norme prevedono l’impiego di materiali compositi rinforzati con fibre di carbonio (CFRP – Carbon Fiber Reinforced Polymer) tra i criteri di progettazione degli interventi di riparazione, miglioramento ed adeguamento sismico di costruzioni in muratura ed in cemento armato.

Le fibre di carbonio (CFRP) rappresentano la soluzione tecnologica più evoluta negli interventi di rinforzo strutturale finalizzati alla riduzione del rischio sismico. E’ una tecnica altamente innovativa, leggera, non invasiva, di rapida esecuzione, dalle elevatissime caratteristiche meccaniche che consente, ai sensi delle recenti normative, di rinforzare il sistema strutturale di tutti gli edifici, anche quelli prefabbricati ad uso produttivo.

Le fibre di carbonio, che possono essere applicate a tutti i materiali tradizionali, rappresentano la soluzione con il miglior rapporto qualità-prezzo per interventi di adeguamento e miglioramento sismico di strutture esistenti: ottimizzando l’intervento secondo il principio “della giusta misura e del minimo intervento“, la tecnica delle fibre di carbonio risulta la più efficace per il miglioramento sismico di strutture esistenti.

APPLICAZIONI DELLE FIBRE DI CARBONIO

Le fibre di carbonio offrono numerose applicazioni d’intervento. In particolare è possibile realizzare:

Consolidamento di solaio in fibre di carbonio Rinforzo strutturale di solaio in fibre di carbonio
Consolidamento di solaio in fibre di carbonio Rinforzo dei nodi trave-pilastro Consolidamento di solaio in fibre di carbonio Miglioramento della capacità sismica Rinforzo di murature con fibre di vetro

  • CONSOLIDAMENTO DI VOLTE E SOLAI

  • RINFORZO A FLESSIONE DI TRAVI

  • RINFORZO A PRESSOFLESSIONE DI TRAVI E PILASTRI

  • RINFORZO DEI NODI TRAVE-PILASTRO, TRAVE-TRAVE E PILASTRO-FONDAZIONE

  • RINFORZO A TAGLIO DI TRAVI E PILASTRI

  • RINFORZO A TORSIONE DI TRAVI E PILASTRI

  • RINFORZO A COMPRESSIONE DI PILASTRI E MURATURE

  • CONFINAMENTO DI PILASTRI E SETTI

  • RIPRISTINO STRUTTURALE A SEGUITO DI INCENDIO

  • INCREMENTO DELLA DUTTILITÀ DELLE SEZIONI TERMINALI DI TRAVI E PILASTRI

  • INCREMENTO DELLA CAPACITÀ DEFORMATIVA GLOBALE DI UNA STRUTTURA

  • INCREMENTO DELLA CAPACITÀ PORTANTE DI TRAVI, SOLAI, VOLTE, ARCHI, PILASTRI, SETTI E MURATURE

  • IRRIGIDIMENTO DI SOLAIO NEL PROPRIO PIANO

  • MIGLIORAMENTO DELLA CAPACITÀ SISMICA DELL’EDIFICIO

  • CONFINAMENTO DI PIANO CON COLLEGAMENTO DELLE SOMMITÀ DEI MURI

  • REALIZZAZIONE DI SISTEMI RETICOLARI REMOTI SPAZIALI (ASTE TESE IN CFRP + BIELLE IDEALI)

  • REALIZZAZIONE DI CONTROVENTI REMOTI (ASTE TESE IN CFRP + BIELLE IDEALI)

INTERVENTI DI RINFORZO STRUTTURALE IN FIBRE DI CARBONIO PER LA RIDUZIONE DEL RISCHIO SISMICO

www.fibredicarbonio.it

VANTAGGI

I vantaggi delle fibre di carbonio CFRP sono molteplici: leggerezza, elevate proprietà meccaniche, durabilità nel tempo e caratteristiche anticorrosive.

Le fibre di carbonio consentono una Progettabilità totale, grazie alla direzionalità del rinforzo ed alla totaleadattabilità di forma dei tessuti.

Le fibre di carbonio si adattano bene anche ad applicazioni in cui è necessario preservare le caratteristiche estetiche della struttura originaria (edifici di interesse storico o artistico) o in casi in cui i rinforzi tradizionali sarebbero di difficile applicazione per limitatezza dello spazio a disposizione.

Le fibre di carbonio garantiscono eccezionali risultati in termini di sicurezza, riducendo al minimo i problemi di invasività e di ingombro, garantendo la totale reversibilità.

Le fibre di carbonio, che risentono di una modestissima riduzione di resistenza nel tempo, consentono di conservare l’originale distribuzione sia delle masse sia delle rigidezze della struttura esistente, senza alterarne il comportamento.

CARATTERISTICHE TECNICHE

Nei compositi fibrorinforzati le fibre svolgono il ruolo di elementi portanti sia in termini di resistenza che di rigidezza, mentre la matrice, oltre a proteggere le fibre, funge da elemento di trasferimento degli sforzi tra le fibre e tra quest’ultime e l’elemento strutturale a cui il composito è applicato.

I compositi sono costituiti da fibre che posseggono un’elevata resistenza e rigidezza, mentre la loro deformazione a rottura è inferiore a quella della matrice.

Nella seguente figura sono descritti qualitativamente i legami costitutivi di fibre, matrice e corrispondente composito. Quest’ultimo presenta una rigidezza inferiore a quella delle fibre e perviene a rottura in corrispondenza di una deformazione coincidente con quella di rottura delle fibre. Superata tale deformazione, infatti, non è più possibile un completo trasferimento degli sforzi dalle fibre alla matrice.

SFORZO – DEFORMAZIONE

Nel seguente diagramma si propone un confronto del diagramma sforzo-deformazione tra le più comuni fibre di rinforzo in relazione al comportamento a trazione monoassiale.

sforzo deformazione fibre carbonio

RESISTENZA – MODULO ELASTICO

Un ulteriore confronto tra le più comuni fibre di rinforzo può essere effettuato in relazione ai valori del modulo elastico e della resistenza, rapportati alla densità (valori “specifici”).

QUADRO NORMATIVO

Le Norme Tecniche sulle Costruzioni (NTC08 di cui al D.M. 14.01.2008) e della relativa Circolare n. 617 del 02.02.2009, prevedono l’impiego di materiali compositi fibrorinforzati in carbonio o vetro tra i criteri per gli interventi di riparazione, miglioramento ed adeguamento sismico di strutture in muratura e cemento armato.

Al riguardo si vedano:

ORDINANZA P.C.M. N° 3274 DEL 20/3/2003

Testo integrato dell’Allegato 2 – Edifici – come modificato dall’O.P.C.M. 3431 del 3/5/2005

  • Cap. 11.3 – Edifici in cemento armato
      1. § 11.3.3.3 – Placcatura e fasciatura in materiali fibrorinforzati
  • Cap. 11.5 – Valutazione della sicurezza di edifici in muratura
      1. § 11.5.6.2 – Tipo di Intervento

CIRCOLARE N. 617 DEL 2/2/2009

Istruzioni per l’Applicazione Nuove Norme Tecniche Costruzioni di cui al Decreto Ministeriale 14 gennaio 2008

  • Cap. C8 – Costruzioni Esistenti
      1. § C8.7.1.8 – Criteri per la scelta dell’intervento (costruzioni in muratura)
      2. § C8.7.2.6 – Modelli di capacità per il rinforzo di edifici in cemento armato
  • All. C8A.5 – Criteri per gli interventi di consolidamento di edifici in muratura
    1. § C8A.5.1 – Interventi volti a ridurre le carenze dei collegamenti
    2. § C8A.5.2 – Interventi sugli archi e sulle volte
    3. § C8A.5.3 – Interventi volti a ridurre l’eccessiva deformabilità dei solai
  • All. C8A.7 – Modelli di capacità per il rinforzo di elementi in calcestruzzo armato
  1. § C8A.7.3 – Placcatura e fasciatura in materiali compositi

Per la progettazione ed i calcoli dell’intervento di rinforzo mediante l’utilizzo di compositi fibrorinforzati le NTC08 rimandano espressamente ai seguenti documenti redatti dal Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR):

CNR-DT 200 R1/2013

Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l’utilizzo di Compositi Fibrorinforzati – Materiali, strutture di c.a. e di c.a.p., strutture murarie

CNR-DT 201/2005

Studi preliminari finalizzati alla redazione di Istruzioni per Interventi di Consolidamento Statico di Strutture Lignee mediante l’utilizzo di Compositi Fibrorinforzati

CNR-DT 202/2005

Studi preliminari finalizzati alla redazione di Istruzioni per Interventi di Consolidamento Statico di Strutture Metalliche mediante l’utilizzo di Compositi Fibrorinforzati

CNR-DT 203/2006

Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Strutture di Calcestruzzo Armato con Barre di Materiale Composito Fibrorinforzato

CNR-DT 205/2007

Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Strutture realizzate con Profili Pultrusi di Materiale Composito Fibrorinforzato (FRP)

Il documento più utilizzato a livello internazionale, sintesi delle varie ricerche e normative, tra cui le Istruzioni giapponesi (JSCE – 1997) e quelle americane (ACI 440 – 2000) è:

FIP-CEB FIB BULLETIN 14/2001

Externally Bonded FRP Reinforcement for RC Structures – Design and use of externally bonded fibre reinforced polymer reinforcement (FRP EBR) for reinforced concrete structures (Task Group 9.3 FRP)

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FIBRE DI CARBONIO NEGLI EDIFICI SOGGETTI A VINCOLO DELLA SOPRINTENDENZA

L’intervento con fibre di carbonio risulta conforme alle vigenti normative per la progettazione sismica ed il miglioramento sismico degli edifici soggetti a vincolo di salvaguardia da parte della Soprintendenza.

Come indicato nel Capitolo 6 “Criteri per il miglioramento sismico e tecniche di intervento” della Direttiva P.C.M. del 9.2.2011 “Valutazione e riduzione del rischio sismico del patrimonio culturale con riferimento alle Norme tecniche per le costruzioni di cui al decreto del Ministero delle infrastrutture e dei trasporti del 14 gennaio 2008” (G.U. n. 47 del 26-2-2011 – Suppl. Ordinario n.54), l’intervento in fibre di carbonio CFRP

  • Conserva il funzionamento strutturale iniziale, evitando di alterare l’originale distribuzione delle masse e delle rigidezze (cfr. par. 6.1)
  • Si integra con la struttura esistente, evitando tutte le opere di demolizione-sostituzione e di demolizione-ricostruzione (cfr. par. 6.1)
  • Consente di conseguire elevati livelli di sicurezza sismica, con interventi minimali sul manufatto storico e, soprattutto, interventi in grado di trasformare in modo non permanente l’edificio (cfr. par. 6.1)

Le fibre di carbonio consentono di realizzare un intervento di adeguamento o miglioramento sismico efficace, duraturo, poco invasivo e, soprattutto, reversibile, pertanto compatibile con le esigenze di tutela e conservazione di qualunque bene architettonico: i materiali compositi rinforzati con fibre di carbonio, infatti,possono essere rimossi mediante trattamento termico volto a disgregare le strutture cristalline delle resine epossidiche.

Peraltro, in luogo delle resine epossidiche, quale matrice per l’incollaggio dei tessuti in fibre di carbonio, può essere utilizzata specifica malta idraulica di natura inorganica, esente da solventi, a base cementizia o pozzolanica.

SCHEDE TECNICHE

TESSUTI IN FIBRA DI CARBONIO

I prodotti fibrorinforzati a matrice polimerica in fibra di carbonio (CFRP – Carbon Fiber Reinforced Polymer) sono materiali compositi, eterogenei ed anisotropi, prevalentemente con comportamento elastico lineare fino al collasso.

La fibra di carbonio ha un comportamento a rottura di tipo fragile e, a confronto con la fibra di vetro (GFRP) e con quella arammidica (AFRP), risulta essere le meno sensibili ai fenomeni di scorrimento viscoso (creep) e di fatica. E’ inoltre contraddistinta da una modesta riduzione della resistenza a lungo termine.

La fibra di carbonio, avente un diametro di pochi micron, è assemblata in tessuti per l’edilizia tramite fili, caratterizzati dal numero di fibre che lo compongono o dal loro peso: 12 k = 12000 fibre (800 Tex); 24 k = 24000 fibre (1600 Tex).

I rinforzi sismici e strutturali con la fibra di carbonio presentano un’elevatissima resistenza alle alte temperature (oltre 1000 °C), non bruciano, sono chimicamente resistenti a qualsiasi agente chimico e non subiscono fenomeni di invecchiamento.

In edilizia la fibra di carbonio consente di realizzare un intervento efficace, duraturo, poco invasivo e, soprattutto, reversibile e, quindi, compatibile con le esigenze di tutela e conservazione di qualunque bene architettonico: i materiali compositi fibro-rinforzati, infatti, possono essere rimossi mediante trattamento termico volto a disgregare le strutture cristalline delle resine epossidiche.

In luogo delle resine epossidiche, quale matrice per l’incollaggio dei tessuti e delle reti in fibra di carbonio, nell’edilizia storica e/o tutelata può essere utilizzata una specifica malta idraulica di natura inorganica, esente da solventi, a base cementizia e/o pozzolanica.

TESSUTO UNI-DIREZIONALE TERMOSALDATO IN FIBRA DI CARBONIO DA 220 G/M2

Tensione di rottura a trazione 4800 MPa
Modulo elastico a trazione 240 GPa
Allungamento a rottura 1,90%
Densità 1,8 g/m3
Peso carbonio 200 g/m2
Termosaldatura in vetro 20 g/m2
Direzione fibre 0°
Sezione resistente 1,1 mm2/cm
Spessore equivalente a secco 0,11 mm
Larghezze standard 8, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50 cm

TESSUTI IN FIBRA DI VETRO

I prodotti fibro-rinforzati a matrice polimerica in fibra di vetro (GFRP – Glass Fiber Reinforced Polymer) sono materiali compositi, eterogenei ed anisotropi, ad elevate prestazioni, che mostrano un comportamento prevalentemente elastico lineare fino al collasso.

Le fibre di vetro utilizzate sono di tipo AR, ossia con contenuto di ossido di zirconio superiore al 19% per garantire un’elevata resistenza agli alcali, ai sensi delle Norma UNI EN 15422. Le fibre di vetro AR garantiscono un’elevata durabilità, quando inserite in malte idrauliche a base cementizia o a base calce.

Le reti in fibra di vetro sono ideali per il rinforzo strutturale “armato” della muratura.

Le fibre di vetro GFRP sono particolarmente consigliate per:

  • Eseguire il rinforzo strutturale ed l’adeguamento sismico di manufatti in muratura (pareti, archi, volte, ecc.)
  • Incrementare la resistenza a taglio dei paramenti murari
  • Ripristinare le fessurazioni esistenti
  • Ridristribuire gli sforzi

In luogo delle resine epossidiche, quale matrice per l’incollaggio dei tessuti e delle reti in fibra di vetro, negli edifici storici può essere utilizzata malta idraulica di natura inorganica, esente da solventi, a base cementizia e/o pozzolanica.

RETE BI-ASSIALE TERMOSALDATA IN FIBRE DI VETRO DA 220 G/M2

Tensione di rottura a trazione 2000 MPa
Modulo elastico a trazione 73 GPa
Allungamento a rottura 3,50%
Densità 2,5 g/m3
Peso vetro 2 x 100 g/m2
Termosaldatura in vetro 20 g/m2
Direzione fibre 0° e 90°
Dimensione maglia 12 x 12 mm
Carico a rottura dir. 0°/90° 66 kN/m
Larghezze standard 50, 100 cm

MATRICI

MATRICI EPOSSIDICHE

Resina epossidica bicomponente a media viscosità, esente da solventi, per la laminazione ad umido (wet-lay up) del primo strato, con contestuale impregnazione e adesione dei tessuti orizzontali e verticali

Resistenza a compressione a 7 gg. > 50 MPa (UNI EN196-1)
Resistenza a trazione > 30 MPa (ASTM D 638)
Adesione al supporto  > 3 MPa (rottura del supporto)

C-FRCM (Carbon Fiber Reinforced Cementitious Matrix)

  • Totale reversibilità e compatibilità con i materiali originari degli edifici di interesse storico-artistico (con vincolo della Soprintendenza)
  • Elevata resistenza alle alte temperature: dopo l’indurimento della matrice, il sistema non è influenzato dalla temperatura esterna, a differenza degli FRP la cui resina perde le proprietà adesive fra 120°C e 200°C in funzione della sua temperatura di transizione vetrosa. I prodotti FRCM sono classificati  come materiali che non danno nessun contributo ad incrementare il fuoco, anche con incendio pienamente sviluppato. Inoltre, non provocano fumi tossici e non formano gocce incandescenti, potenzialmente molto pericolosi per le persone durante un incendio
  • La posa può avvenire anche su supporti umidi e in condizioni di umidità ambientale: la matrice inorganica non viene influenzata dall’umidità (anzi, la matrice è idraulica) che, invece, è da evitare con le resine organiche
  • L’applicazione può avvenire anche su superfici scabre e irregolari: non richiede una rasatura preliminare, necessaria invece per i sistemi FRP
  • Ampio campo di condizioni ambientali per l’applicabilità: temperatura di posa tra 5°C e 35°C, mentre gli FRP hanno range leggermente più ristretto (T>15°C)
  • Atossicità delle matrici impiegate per gli operatori e per l’ambiente: sono infatti assimilabili ad una malta inorganica tradizionale, mentre le resine epossidiche sono nocive per inalazione e per contatto con la pelle e richiedono adeguate protezioni per gli operatori, quali maschere respiratorie e guanti
  • Le murature non perdono la traspirabilità con le matrici idrauliche, a differenza delle matrici epossidiche

Malta inorganica stabilizzata di natura pozzolanica

Resistenza a compressione > 20 MPa
Resistenza a flessione > 3,5 MPa
Modulo elastico > 7000 MPa

PIOLI IN CARBONIO

BARRA DIAMETRO 8 mm IN FIBRA DI CARBONIO IMPREGNATE CON RESINA VINILESTERE CON FINITURA IN SABBIA DI QUARZO

Tensione di rottura a trazione del carbonio 4000 MPa
Modulo elastico del carbonio 240 GPa
Allungamento a rottura del carbonio 1,60%
Densità del carbonio 1,8 ± 0,05 g/cm3
Resistenza a trazione della resina 75 MPa
Allungamento a rottura della resina 4,30%
Densità della resina 1,0 ± 0,1 g/cm3
Struttura della sabbia sferoidale naturale trigonale
Densità della sabbia 2,65 ± 0,10 g/cm3
Granulometria della sabbia 0,06 / 0,25 mm
Diametro della barra 7,5 mm
Sezione nominale della barra 44 mm2
Sezione delle fibre nella barra 26 mm2
Resistenza a trazione media della barra 2300 MPa
Modulo elastico a trazione della barra 130 GPa (ASTM D3039)
Resistenza a trazione caratteristica della barra 1800 MPa (ASTM D3039)
Deformazione ultima media 1,8 % (ASTM D3039)
Carico ultimo 100 kN

Via G. Galilei, 50 – Brescia

+39.(0)30.66.60.491

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+39.339.811.29.22

ides.srl@pec.it