Rinforzo a flessione di travi con sistemi ibridi acciaio-FRP: analisi e tecniche

1. Cosa sono i materiali FRP?

Gli FRP sono materiali compositi avanzati costituiti da due componenti principali:

1. Fibre: Elementi resistenti, lunghe e continue, immerse nella matrice. Possiedono proprietà meccaniche significativamente superiori all’acciaio da costruzione comune, con un comportamento elastico-lineare fino a rottura e resistenze molto elevate.
2. Matrice: Generalmente una resina polimerica termoindurente (es. epossidica) che ingloba le fibre, garantisce la coesione del materiale, protegge le fibre e permette il trasferimento degli sforzi.

Le proprietà meccaniche finali del composito dipendono fortemente dal tipo di fibra utilizzata e dalla sua frazione volumetrica.

I materiali FRP trovano vasto impiego nel consolidamento strutturale grazie a numerosi vantaggi.

2. Perché rinforzare a flessione le travi?

Il rinforzo a flessione di una trave è necessario quando il momento flettente agente (sollecitante) supera il momento resistente della sezione, per cause quali:

• Aumento dei carichi di esercizio.
• Degrado dei materiali (corrosione armature, deterioramento calcestruzzo).
• Adeguamento a normative più recenti e restrittive.
• Errori di progettazione o costruzione originali.

L’applicazione di rinforzi FRP può portare a:

• Incremento della soglia di comportamento elastico.
• Aumento del momento resistente in condizioni di servizio.
• Incremento del carico di rottura ultimo.

3. Sistemi di rinforzo a flessione con FRP

Esistono principalmente due approcci per utilizzare gli FRP nel rinforzo a flessione: come armatura interna (spesso in configurazione ibrida) o come rinforzo applicato esternamente.

3.1 Sistema ibrido interno acciaio-FRP

Questo approccio prevede l’uso combinato di barre d’armatura tradizionali in acciaio e barre in FRP (tipicamente aramide, vetro o carbonio) all’interno del getto di calcestruzzo, fin dalla costruzione o come integrazione in interventi di rifacimento.

• Ricerca e sviluppo: Studi teorici e sperimentali hanno analizzato il comportamento di travi armate con sistemi ibridi (es. acciaio + barre aramidiche), valutando fessurazione, deformazioni (curve carico-freccia) e momenti ultimi.
• Efficacia: I risultati mostrano che questi sistemi possono migliorare resistenza, rigidezza e duttilità, con prestazioni variabili in base ai parametri meccanici e geometrici (percentuali di armatura acciaio/FRP, tipo di FRP).
• Potenziale futuro: L’uso di barre FRP in sostituzione parziale o totale dell’acciaio è visto come uno scenario promettente per infrastrutture più durature e sostenibili.

3.2 Rinforzo esterno (EBR – Externally Bonded Reinforcement)

È la tecnica più diffusa e consolidata per il rinforzo di elementi esistenti. Consiste nell’incollare elementi FRP (lamine pultruse o tessuti impregnati in situ) sulla superficie esterna dell’elemento da rinforzare, tipicamente all’intradosso della trave per il rinforzo a flessione positiva.

• Procedura:
  1. Preparazione del supporto: Rimozione di parti ammalorate, pulizia, irruvidimento e regolarizzazione della superficie del calcestruzzo (spesso con stucchi epossidici). La qualità del supporto è fondamentale.
  2. Applicazione adesivo: Stesura di un primer e di una resina epossidica compatibile.
  3. Posa del rinforzo: Applicazione delle lamine o dei tessuti FRP, seguita da rullatura per eliminare aria e garantire l’adesione. Nel caso di tessuti, si procede all’impregnazione con resina.
• Posizionamento: Il rinforzo va applicato nelle zone dove il momento sollecitante supera quello resistente.
• Ancoraggio: È essenziale estendere il rinforzo oltre la zona strettamente necessaria per una lunghezza di ancoraggio adeguata (min. 20 cm, ma da calcolare secondo normativa) per permettere il trasferimento graduale degli sforzi ed evitare distacchi prematuri alle estremità.

3.3 Sistemi di ancoraggio specifici per EBR

La criticità principale dell’EBR è il rischio di delaminazione (distacco del rinforzo dal supporto), che impedisce lo sviluppo della piena capacità resistente. Per mitigare questo rischio, specialmente in zone ad alta sollecitazione o alle estremità del rinforzo, si possono usare sistemi di ancoraggio aggiuntivi:

• “Ventagli” di fibra: Fasci di fibre impregnate inseriti in fori e aperti a ventaglio sulla superficie.
• Piastre metalliche: Elementi in acciaio incollati o bullonati sopra l’estremità del rinforzo FRP.
• Connettori/fiocchi FRP: Elementi FRP trasversali che “cuciono” il rinforzo al substrato.
• Tecnica NSM (Near-Surface Mounted): Inserimento di barre o lamine FRP in scanalature pre-tagliate nel copriferro e riempite con resina/malta. Offre maggiore protezione al rinforzo e migliore ancoraggio rispetto all’EBR semplice.

4. Comportamento strutturale e modalità di rottura

• FRP vs acciaio: Le fibre FRP hanno comportamento elastico-lineare fino a rottura, a differenza dell’acciaio che presenta un plateau plastico. Questo implica che il rinforzo FRP contribuisce all’assorbimento degli sforzi fino al suo limite elastico, che coincide con la rottura.
• Duttilità: Il rinforzo esterno con FRP (EBR) tende a ridurre la duttilità complessiva dell’elemento rinforzato rispetto a un elemento armato tradizionalmente. La rottura diventa più fragile.
• Rottura del rinforzo FRP: La rottura del sistema di rinforzo FRP esterno raramente avviene per il raggiungimento della resistenza a trazione della fibra stessa. Più comunemente, si verifica per delaminazione (o debonding), ovvero il distacco del rinforzo dal substrato.

5. Aspetti progettuali e normativi

La progettazione di un intervento di rinforzo a flessione con FRP richiede un approccio rigoroso:

• Verifiche: È necessario verificare la sezione rinforzata agli stati limite ultimi (flessione, taglio) e agli stati limite di esercizio (tensioni, fessurazione, deformazioni). Particolare attenzione va posta alla verifica del meccanismo di delaminazione.
• Calcolo della freccia: Può essere eseguito integrando il diagramma delle curvature lungo la trave. Le curvature vanno valutate tramite un’analisi non lineare della sezione che consideri il comportamento fessurato del calcestruzzo, il contributo irrigidente del calcestruzzo teso (tension stiffening), e il comportamento dei materiali (calcestruzzo, acciaio, FRP).
• Effetti a lungo termine: Per le verifiche agli stati limite di esercizio, si devono considerare gli effetti della viscosità del calcestruzzo (creep) utilizzando coefficienti di omogeneizzazione opportuni per breve e lungo termine.
• Certificazione e linee guida:
  • I sistemi di rinforzo FRP devono possedere il Certificato di Valutazione Tecnica (CVT) rilasciato dal Servizio Tecnico Centrale (STC) del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici per poter essere impiegati.
  • La progettazione e il dimensionamento devono seguire le indicazioni fornite da specifiche linee guida nazionali e internazionali, come le istruzioni CNR-DT 200 R1/2013 in Italia (“Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l’utilizzo di Compositi Fibrorinforzati”).

6. Conclusioni

I sistemi di rinforzo a flessione che impiegano materiali FRP, sia come armatura ibrida interna (acciaio-FRP) sia come rinforzo applicato esternamente (EBR), rappresentano soluzioni tecnologicamente avanzate ed efficaci per incrementare la capacità portante delle travi in calcestruzzo armato.

• I sistemi ibridi interni offrono potenziali vantaggi in termini di durabilità e integrazione strutturale, sebbene la loro applicazione sia più legata a nuove costruzioni o interventi invasivi.
• Il rinforzo esterno (EBR) è una tecnica consolidata e versatile per le strutture esistenti, capace di fornire incrementi significativi di resistenza. Tuttavia, la sua efficacia è strettamente dipendente dalla prevenzione della rottura fragile per delaminazione.

In entrambi i casi, una progettazione accurata, che tenga conto del comportamento non lineare dei materiali, degli effetti a lungo termine, dei dettagli costruttivi (preparazione del supporto, ancoraggi), e l’utilizzo di materiali certificati secondo le normative vigenti, sono prerequisiti fondamentali per garantire la sicurezza e l’efficacia dell’intervento di rinforzo.