Cosa sono i materiali compositi e quali gli ambiti di applicazione?

29/09/2021 - “Un materiale composito è un sistema costituito da due o più fasi, le cui proprietà e prestazioni sono progettate in modo tale da essere superiori a quelle dei materiali costituenti che agiscono indipendentemente.”
 
Una delle due fasi è il ‘rinforzo’, essa è discontinua ed è la fase più rigida e più forte; mentre la fase meno rigida e più debole è chiamata ‘matrice’, che a sua volta è continua.
 
“Le proprietà di un composito dipendono dalle proprietà dei costituenti, dalla geometria e distribuzione delle fasi. Uno dei parametri più importanti è il volume (o il peso) del rinforzo.
La distribuzione del rinforzo determina le caratteristiche del sistema. La geometria e l'orientamento del rinforzo, invece, influiscono sull'anisotropia del sistema. La matrice, dall'altra parte, è il costituente principale per reggere i carichi e definisce le proprietà meccaniche del materiale."
 
I materiali compositi sono utilizzati per l’adeguamento e il rinforzo strutturale di strutture in muratura o cemento armato. A differenza dei metodi tradizionali, i materiali compositi risultano essere ‘più leggeri’ a parità di resistenza apportata; quindi, determinano un ridotto incremento dei carichi. Sono materiali reversibili, caratteristica rilevante quando si interviene su edifici di pregio storico. Inoltre, a seconda dello spessore e del peso specifico cambia la loro resistenza a trazione.
 

Materiali compositi: gli FRP

FRP è l’acronimo di Fiber Reinforced Polymers ossia materiali compositi fibrorinforzati in matrice polimerica.
Il rinforzo è costituito da fibre con elevate proprietà meccaniche come il carbonio, il vetro o l’aramide. Invece, la matrice è di natura organica, la resina epossidica.
 
Il sistema FRP è formato da 3 strati: primer (la matrice), tessuto di armatura e adesivo; esso viene incollato al substrato interessato dall’intervento di rinforzo. I sistemi FRP possono essere impregnati in situ o essere pre-impregnati, si parla in questo caso di FRP preformati e si presentano sotto forma di lamelle.
 
Entrambi i sistemi sono certificati secondo la norma di riferimento, che per gli FRP è il Decreto del Presidente del Consiglio Superiore dei LL.PP. n.293 del 29 maggio 2019, al quale è allegata la Linea Guida per la identificazione, la qualificazione ed il controllo di accettazione di compositi fibrorinforzati a matrice polimerica (FRP) da utilizzare per il consolidamento strutturale di costruzioni esistenti.
 
La matrice, ovvero il primer, fa lavorare in modo omogeneo tutti i filamenti della fibra, oltre che proteggerla.
 
Gli FRP possono essere usati per interventi di tipo puntuale e i campi di impiego sono diversi:
- rinforzo pilastri;
- rinforzo travi in c.a.;
- rinforzo di archi, volte e cupole;
- rinforzo di strutture murarie snelle (torri, campanili, ecc.);
- antiribaltamento di pannelli in muratura o a sezione il cls armato.
 

Materiali compositi: gli FRCM

FRCM è l’acronimo di Fiber Reinforced Cementitious Matrix. A differenza degli FRP la matrice dei sistemi FRCM è unicamente di tipo inorganico quindi a base di calce o cementizia (malta) . Il rinforzo invece è costituito da una rete o da elementi monodirezionali organizzati su un supporto a rete.
 
La rete di rinforzo può essere realizzata con fibre continue di una o più delle seguenti tipologie di materiali:
- acciaio ad alta resistenza;
- aramide;
- basalto;
- carbonio;
- poliparafenilenbenzobisoxazolo (PBO);
- vetro alcali-resistente (AR).
 
Anche per gli FRCM con decreto n. 627 del 3 dicembre 2019 del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici sono state pubblicate le Linee Guida per la progettazione, l’esecuzione e la manutenzione di interventi di consolidamento strutturale.
 
Per quanto concerne le limitazioni geometriche le linee guida stabiliscono che:
“- il rinforzo deve essere realizzato impiegando una rete costituita da maglie della dimensione massima di 30x30 mm;
- la rete deve essere annegata in uno spessore di malta compreso tra 5 mm e 15 mm.
- lo spessore della malta di 15 mm può essere superato soltanto se in fase di progettazione si preveda la sovrapposizione di più strati di rete;
- la malta può raggiungere al massimo i 30 mm."
 
Un intervento di rinforzo con sistemi compositi FRCM si sviluppa in uno spessore massimo di 3 cm e lavora principalmente in adesione al supporto, per questo motivo è definito sistema a basso spessore.
 
Gli FRCM sono usati sia per interventi di tipo puntuale che per interventi estesi. I campi di impiego dei sistemi FRCM riguardano sia le strutture in muratura che quelle in cemento armato.
 
“Per le strutture in muratura è possibile realizzare rinforzi di pannelli a flessione e a taglio, rinforzi su superfici curve come archi e volte, cordolature di piano e sommitali e il confinamento di pilastri e colonne. Per le strutture in cemento armato è possibile eseguire rinforzi a flessione e taglio di travi, setti e pilastri, il confinamento di pilastri e il rinforzo di nodi trave-pilastro," così come interventi di anti-sfondellamento o di rinforzo strutturale dei solai in latero-cemento.
 
Un esempio applicativo del sistema FRCM è il consolidamento strutturale della Rocca di Sant’Apollinare a Spina di Marsciano, in provincia di Perugia.
 

Materiali compositi: i CRM

CRM è l’acronimo di Composite Reinforced Mortars. In questo caso la matrice è sempre di natura inorganica, malte cementizie e/o di calce. Invece la parte di rinforzo è costituita da reti in materiale composito, reti preformate di FRP, resistenti al taglio.
 
La differenza sostanziale, rispetto agli FRCM, sta nella geometria del sistema
- la luce della maglia della rete è minimo 30x30 mm e comunque non superiore a quattro volte lo spessore della malta;
- lo spessore della malta varia tra 30 e 50 mm, superati i 50 mm siano nel campo delle soluzioni di rinforzo di tipo ‘tradizionale’.
 
Lo spessore della malta, sempre maggiore ai 30 mm, classifica i CRM come sistemi ad alto spessore.
 
Con un sistema CRM si realizzano i cosiddetti intonaci armati, che a differenza delle soluzioni tradizionali rinforzano senza aumento della massa. Si tratta di interventi di tipo esteso e secondo le linee guida del Consiglio dei Lavori Pubblici, pubblicate con il decreto n. 292 del 29 maggio 2019, la stratigrafia di un intonaco armato prevede la posa della malta in cui è annegata la rete in FRP e l’inserimento di connettori ad L preformati e dello stesso materiale della rete di rinforzo. A questo si aggiungono dei ‘fazzoletti’ di rete per un ulteriore rinforzo del sistema.
 
L’intonaco armato realizzato con sistema CRM può essere impiegato per il rinforzo di pannelli in muratura o volte.
 

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Bibliografia: Domenico Brigante, Consolidamento strutturale con materiali compositi: rinforzi con sistemi FRP, FRCM e CRM. Palermo, Grafill, 2020