Il rinforzo per mezzo di polimeri fibrorinforzati (FRP) è stato studiato ampiamente negli scorsi decenni e alcuni studi hanno portato alle prime linee guida di progettazione per il calcestruzzo rinforzato. ACI 440.2R-08 (ACI Committee 440 2008) [1], European fib-T.G. 9.3 (fib T.G. 9.3 2001) [2], CNR-DT 200-04 (CNR, Commissione incaricata di formulare pareri in materia di normativa tecnica relativa alle costruzioni 2004) [3] sono esempi di tali linee guida. Il rinforzo mediante compositi cementizi è una tecnica più recente riguardo alla quale sono disponibili in letteratura pochissime informazioni, specialmente in relazione alle fibre d’acciaio e alle formulazioni dei codici di progettazione su questi tipi di applicazioni di rinforzo. Inoltre, sono molto rare le indagini sperimentali su elementi a flessione in scala reale [4]. Alcuni esempi di studi su compositi a matrice cementizia si possono trovare in [5-9], mentre applicazioni sperimentali recenti di malte per riparare elementi strutturali esistenti, sviluppate all’Università di Padova, si possono trovare in [10,11].
Questo articolo descrive l’indagine sperimentale condotta su quattro travi TT prefabbricate precompresse, prese da un edificio industriale esistente, dove erano usate come elementi del tetto.
Una di queste è stata presa come trave TT non rinforzata di controllo, mentre le altre sono state rinforzate mediante tecniche diverse, ovvero (1) con uno strato di laminato CFRP incollato con resina epossidica in fondo alle anime, (2) con fibra di carbonio in matrice cementizia e (3) con fibra d’acciaio in matrice cementizia. Per ogni prova è stata adottata una configurazione di carico a quattro punti (fig.1).
Ogni materiale coinvolto nello studio è stato caratterizzato meccanicamente. In particolare, sono stati presi campioni cilindrici di calcestruzzo e sono stati estratti e testati opportuni provini del rinforzo in acciaio.
Programma sperimentale
Geometria delle travi TT
Le travi oggetto dello studio hanno una lunghezza di 1167 cm, una larghezza di 128,5 cm e un’altezza di 40 cm (con uno spessore dell’ala di 5 cm). Ogni anima ha una larghezza di 9,5 cm e il suo asse è a 510 cm dal punto medio della sezione trasversale. Ognuna delle anime include staffe di Φ5/200 mm e un rinforzo longitudinale di acciaio ordinario da 2Φ5 sul lato superiore e 2Φ5 sul lato inferiore, due cavi con un diametro di 1/2” e due con un diametro di 3/8” collocati come in Figura 2.
Configurazioni di rinforzo
Una delle travi (di qui in poi indicata con TT00) è stata tenuta quale trave TT non rinforzata di controllo, per confrontare il suo comportamento con quello delle travi rinforzate.
La trave indicata con TTcl è stata rinforzata per mezzo di un laminato in carbonio incollato all’estremità inferiore delle anime. Il laminato in carbonio denominato CFK 150/200 ha uno spessore di 1,4 mm e una larghezza di 50 mm. Esso è stato incollato seguendo la lunghezza delle anime fino a una distanza di circa 10 cm dai supporti. La superficie in calcestruzzo è stata preparata/levigata prima dell’applicazione del rinforzo. Sono stati applicati uno strato di primer in resina e uno strato di resina epossidica (denominata Resin 90) e il laminato CFRP, accuratamente pulito, è stato infine applicato sopra l’adesivo e pressato per mezzo di un martello in gomma.
La terza trave TT (indicata con TTcf) è stata rinforzata con due strati di fibra di carbonio di tipo C-NET 200U incollata al lato inferiore e alla parte bassa della superficie laterale delle anime per mezzo di una malta cementizia. Si è scelto di applicare due strati di fibre di carbonio per raggiungere una resistenza alla flessione teorica vicina a quella della trave rinforzata precedente. La fibra ha uno spessore di 0,117 mm. La malta Concrete Rock usata per quest’applicazione include aggregati fini, leganti inorganici e fibre polimeriche. La superficie in calcestruzzo è stata levigata meccanicamente prima dell’applicazione per migliorare l’adesione. Il secondo strato è stato applicato su di un’ulteriore stesura di malta posta sul primo strato. Una copertura finale di malta è stata applicata per proteggere le fibre.
La quarta trave TT (indicata con TTsf) è stata rinforzata con uno strato di fibra d’acciaio di tipo Steel Net 190, incollata al fondo e alla parte inferiore delle anime per mezzo della malta cementizia usata per la trave precedente. Le fibre d’acciaio hanno uno spessore di 0,22 mm. La procedura per il rinforzo è simile a quella della trave precedente. In Figura 3 sono mostrate le tre configurazioni di rinforzo.
Caratterizzazione del materiale
Ogni materiale coinvolto nel programma sperimentale è stato testato per ricavarne le principali proprietà fisiche. Sono stati estratti campioni adeguati della trave TT esistente per caratterizzare il calcestruzzo e le barre d’acciaio di rinforzo. Questi campioni, dopo un processo di rettifica meccanica, sono stati equipaggiati di strumenti di misura e testati a compressione per ottenere la resistenza alla compressione, fc, e il modulo elastico, Ec, secondo le norme ASTM C42/C42M [12] e Eurocode 2 [13]. I valori medi ottenuti dai test sono: fc = 59.9 MPa e Ec = 41809 MPa.
Delle barre d’acciaio dalle ali e anime delle travi sono stati estratti e soggetti a prove di trazione adeguati provini. Sono stati ottenuti i seguenti valori medi della tensione di snervamento e del carico massimo di rottura: fy = 612 MPa e fu = 647 MPa. Non è stato possibile estrarre i cavi d’acciaio, perciò per i calcoli sono stati assunti dei valori tipici.
I laminati in carbonio sono stati testati a trazione per ottenere i valori medi del carico massimo di rottura, della massima deformazione e del modulo elastico. Sono stati ottenuti i seguenti risultati: massimo carico ff = 2539 MPa, massima deformazione e f = 0,0165, modulo elastico Ef = 168000 MPa.
Per quanto riguarda le fibre in carbonio, sono state assunte le caratteristiche meccaniche date dal produttore. Le fibre d’acciaio sono state caratterizzate meccanicamente per mezzo di prove a trazione su singole fibre. Il valore medio della resistenza a trazione di una singola fibra è risultato fu,sf = 3156 MPa.
La malta usata per gli esperimenti è la stessa per le fibre di carbonio e d’acciaio ed è stata caratterizzata a compressione e flessione secondo la UNI EN 1015-11 2007 [14]. I provini prismatici avevano una sezione trasversale quadrata con lato di 40 mm e lunghezza di 160 mm. I risultati hanno fornito un valore medio della resistenza a rottura per flessione Fflex = 8437 N e un valore medio della resistenza a compressione della malta fc,mortar = 39,3 MPa.
Risultati sperimentali
Il carico è stato applicato usando una configurazione di carico a quattro punti, applicando la forza nelle posizioni corrispondenti agli assi delle anime. I supporti sono stati realizzati usando due travi d’acciaio e uno strato di gomma è stato collocato tra le travi e i supporti per evitare fenomeni di cedimento localizzato.
Le travi TT prefabbricate precompresse sono state equipaggiate con trasduttori di spostamento induttivi (LVDT) per misurare le deflessioni, trasduttori di deformazione DD1 sul calcestruzzo per misurare le ampiezze delle fratture e le deformazioni da compressione, ed estensimetri sul laminato CFRP (solo nella trave TTcl).
Nella figura 4 sono mostrati i diagrammi del carico in funzione della deflessione per la trave di controllo e per quelle rinforzate. La trave di controllo TT00 ha mostrato la tipica rottura a flessione con significative deflessioni alla frattura. Il carico massimo delle travi di controllo era di 140 kN. In figura 5 è mostrata la trave TT00 prossima alla frattura.
La trave TT prefabbricata precompressa TTcl, rinforzata per mezzo di un laminato CFRP incollato al fondo delle anime, è stata equipaggiata con 10 estensimetri collocati sui laminati CFRP in varie posizioni. La deflessione sulla mezzeria è stata misurata per mezzo di 2 LVDT. Sono stati usati 4 DD1 per misurare la deformazione a compressione del calcestruzzo sulla mezzeria. Due di questi sono stati collocati sopra l’ala, gli altri due sulle facce laterali dell’ala.
La frattura è avvenuta improvvisamente a un carico di 189 kN, con una corrispondente deflessione sulla mezzeria di 214,5 mm. Il cedimento è stato causato dall’improvviso scollamento lungo 2/3 dello span di uno dei 2 laminati CFRP incollati alle anime. La superficie di calcestruzzo era particolarmente scrostata vicino alla mezzeria (fig.6).
La terza trave TT prefabbricata precompressa (TTcf), rinforzata per mezzo di 2 strati di fibre di carbonio in matrice cementizia, sono state equipaggiate con LVDT per misurare le deflessioni e di trasduttori di deformazione DD1 sul calcestruzzo per misurare le ampiezze delle fratture e le deformazioni da compressione.
Il collasso della trave TTcf è stato causato dal distacco del composito cementizio nei pressi della mezzeria. È stata osservata una trama di crepe diffuse e alcune porzioni della copertura in malta erano scrostate, specialmente nei pressi della mezzeria. Alcuni parti delle fibre di carbonio erano completamente spezzate (fig.7). Il carico massimo della trave TTcf era 169,2 kN, mentre la corrispondente deformazione alla mezzeria era 200,9 mm.
La quarta trave TT prefabbricata precompressa (TTsf), rinforzata per mezzo di uno strato di fibra d’acciaio in matrice cementizia, è stata equipaggiata con LVDT per misurare deflessioni e trasduttori di deformazione DD1 sul calcestruzzo per misurare le ampiezze delle fratture e le deformazioni di compressione. La trave TTsf ha ceduto a causa di uno scollamento delle fibre d’acciaio, partito dall’estremità della trave e propagatosi lungo il suo asse. La rete di fibre d’acciaio era particolarmente danneggiata sui bordi delle anime (fig.8). Il carico massimo era 173,6 kN, mentre la corrispondente deflessione alla mezzeria era 196,3 mm.
Conclusioni
I risultati dello studio hanno mostrato che la modalità di rottura nella trave con laminati incollati esternamente e in quelle con compositi cementizi era completamente diversa, e che il rinforzo in compositi cementizi fornisce un contributo significativo alla resistenza flessionale delle travi sia con fibre in carbonio sia d’acciaio. In particolare, le travi rinforzate hanno mostrato un aumento di carico massimo pari al 35% per la trave TTcl (con laminato incollato esternamente con resina epossidica), al 20% per la trave TTcf (con fibre di carbonio e malta cementizia), e al 24% per la trave TTsf (con fibre d’acciaio e malta cementizia) rispetto alla trave di controllo.
di Carlo Pellegrino – Tommaso D’Antino – Paolo Franchetti – Francesca Da Porto – Università di Padova, Dipartimento di Costruzioni e Trasporti
Giorgio GIACOMIN – G&P Intech s.r.l.
Ringraziamenti
Gli autori ringraziano Francesco Meneghel e Nicola Pesce per i loro contributi nelle prove sperimentali durante l’attività inerente le loro tesi di laurea e i tecnici del Laboratorio per le Prove sui Materiali Strutturali del Dipartimento di Costruzioni e Trasporti dell’Università di Padova, in particolare Renzo Segafreddo, per il loro contributo nell’esecuzione delle prove. Infine, si ringrazia anche il supporto economico di G&P Intech S.r.l.
