Materiali compositi in fibra aramidica per il consolidamento strutturale

17/02/2023 - La fibra aramidica è usata come fase di rinforzo nei materiali compositi, comunemente denominati FRP, acronimo di Fyber Reinforced Polymers, impiegati in edilizia per il consolidamento strutturale e per il miglioramento o l’adeguamento della resistenza a sollecitazioni sismiche di edifici in muratura o cemento armato.
 
I compositi a base di fibre di aramide si denotano usualmente con l’acronimo AFRP. Altre tipologie di rinforzo utilizzate sono la fibra di carbonio, la fibra di vetro e la fibra di acciaio.
 
Le fibre aramidiche sono fibre di natura organica e sono state introdotte per la prima volta nel 1971 con il nome commerciale Kevlar.

 La fibra di aramide | Cjp24, CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, via Wikimedia Commons

La struttura di un materiale composito fibrorinforzato

Un materiale composito è composto da due fasi:

1. il rinforzo: le fibre che svolgono il ruolo di elementi portanti sia in termini di resistenza che di rigidezza;
2. la matrice (di natura polimerica come le resine epossidiche o poliestere) che protegge le fibre ma funge anche da mezzo di trasferimento degli sforzi tra fibra e fibra ed eventualmente tra queste e l’elemento strutturale da rinforzare.

 
Nell’immagine seguente, che rappresenta i legami costitutivi di fibre, matrice e corrispondente composito, si nota che il composito esibisce rispetto alle fibre una rigidezza inferiore ma la medesima deformazione a rottura.

 Legami costitutivi di fibre, matrice e corrispondente composito¹
 
 

La fibra aramidica come materiale adatto all’edilizia

L’aramide viene usato in tanti settori, da quello aerospaziale a quello militare. Di seguito le caratteristiche che rendono questo materiale idoneo all’edilizia:

•  resistenza a trazione, queste fibre sono caratterizzate da una elevata resistenza a trazione, con valori intermedi tra quelli delle fibre di carbonio e quelli delle fibre di vetro e circa 10 volte superiore a quella dell’acciaio;
•  resistenza sotto carico a lungo termine;
•  elevato modulo elastico;
•  resistenza al taglio;
•  resistenza all’usura;
•  resistenza alle alte temperature e al fuoco;
•  elevata maneggevolezza;
•  basso peso specifico.

   Connettori in fibra di aramide per l’ancoraggio strutturale | Armogrip di Draco
 

La resistenza al fuoco delle fibre di aramide

“I materiali FRP realizzati con matrici polimeriche sono particolarmente sensibili all’esposizione alle alte temperature, come ad esempio quelle che possono prodursi in caso di incendio. Calore e fiamme possono compromettere la resistenza e la rigidezza dei materiali compositi.
 
La fibra aramidica ha un’elevata resistenza al calore e al fuoco, fino a 200°C. Tant’è che viene utilizzata anche in ambito aerospaziale. In ogni caso si suggerisce di proteggere gli FRP posati all’esterno con materiali resistenti al fuoco come i pannelli intumescenti o gli intonaci protettivi.

 
 

La leggerezza e la maneggevolezza della fibra aramidica: esempio applicativo

“Il sistema a base di fibra aramidica è stato utilizzato nell’intervento di ricostruzione e restauro della cupola della basilica delle Anime Sante a l’Aquila, crollata durante il terremoto del 2009.
 
Il progetto, elaborato dalla Protezione Civile, in collaborazione con la società resin proget di Rovigo e con la consulenza tecnica dei Prof. Credali e Ing. Ussia di ardea progetti e sistemi srl, ora Fibre Net s.p.a., prevedeva l’utilizzo di cerchiature con cavi ad alta resistenza, applicati da personale sospeso calato dall’alto.
 
I cavi, in numero di 30, disposti a modo di tirantature dovevano garantire una resistenza a trazione superiore a 12 tonnellate per ciascun cavo. Tuttavia, considerando una lunghezza dei cavi compresa tra 30 e 40 m, l’utilizzo di acciaio tradizionale avrebbe comportato pesi compresi tra 60-70 kg per cavo, mentre in acciaio armonico il peso poteva ridursi a 30-40 kg per cavo.

 Intervento di messa in sicurezza con cavi ad alta resistenza in Fibra di Aramide | Fibre Net

Pesi assolutamente ingestibili da un operatore appeso nel vuoto, con notevoli problemi anche di ancoraggio del cavo alla struttura.
 
Da qui l’idea di utilizzare fibre ad alta resistenza, quali il carbonio o le fibre aramidiche.
Scartato il carbonio, a causa di una più difficoltosa maneggevolezza in condizioni di “fibra secca”, cioè quando non è impregnata con una resina, la scelta è caduta sull’impiego di fibre aramidiche per le ottime proprietà meccaniche, resistenza al taglio e all’usura.
 
Con questa soluzione il cavo, a parità di resistenza a trazione (superiore alle 12 t), avrebbe avuto un peso di 85 grammi per metro pari ad un valore, per un cavo di 38 m, di 3,5 kg che sarebbero diventati 6-8 kg con i terminali esterni in acciaio, pesi assolutamente gestibili nella messa in opera”.

Soluzioni in fibre di aramide

I prodotti compositi fibrorinforzati in fibre aramidiche sono:
- connettori in fibra di aramide, ideali per realizzare ancoraggi e interconnessioni strutturali nei sistemi di rinforzo con i tessuti;
- nastri a barra piatta in fibra aramidica, impiegati per la realizzazione di ancoraggi nel restauro di antiche costruzioni
- tessuti di rinforzo in fibre aramidiche, utilizzati per il rinforzo ed il consolidamento di strutture in muratura, legno, calcestruzzo.
 
Un intervento di rinforzo strutturale, realizzato con le fibre di aramide, si configura come intervento di tipo locale, quindi agevolabile con il Sismabonus.
 

¹ L'immagine è presa dal Manuale “Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l’utilizzo di Compositi Fibrorinforzati”, redatto dal Consiglio Nazionale delle Ricerche. Roma - CNR 10 ottobre 2013 - versione del 15 Maggio 2014

Riferimento Bibliografico: Manuale “Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l’utilizzo di Compositi Fibrorinforzati”, redatto dal Consiglio Nazionale delle Ricerche. Roma - CNR 10 ottobre 2013 - versione del 15 Maggio 2014