Rinforzo di un telaio in calcestruzzo armato con FRP

5	
1. INTRODUZIONE 
L’Italia presenta un patrimonio edilizio particolarmente vario ed importante, costituito da 
costruzioni di rilevante importanza storica ed architettonica, oltre che realizzazioni più 
recenti di muratura, di c.a., di c.a.p. e di acciaio. 
La maggior parte di queste ha superato di molto i trent’anni, per cui necessitano di interventi 
di riabilitazione strutturale. 
Il calcestruzzo potrebbe risultare strutturalmente inadeguato per molte differenti ragioni, per 
esempio a causa del deterioramento dei materiali, di una progettazione o una messa in 
opera inadeguata, una mancanza di manutenzione o a causa di eventi accidentali come i 
terremoti. 
Le soluzioni possibili sono la demolizione e ricostruzione della struttura o il rinforzo.  
L’utilizzo di rinforzi in FRP (Fiber Reinforced Polymers) costituisce un’efficace soluzione per 
la riabilitazione strutturale di elementi in calcestruzzo armato. 
Di questi materiali sono riconosciute l’elevata reversibilità, la contenuta invasività, la 
versatilità di applicazioni, adattabilità alla geometria della struttura, leggerezza e facilità di 
posa.  
L’utilizzo degli FRP (Fiber Reinforced Polymer) nel campo dell’ingegneria civile riguarda 
quindi essenzialmente il settore del restauro delle strutture degradate o danneggiate e 
quello dell’adeguamento statico delle strutture edificate in zona sismica, settori nei quali si 
incontrerebbero notevoli difficoltà sia progettuali che esecutive ricorrendo alle tecniche 
tradizionali. 
 
Il presente lavoro di tesi presenta innanzitutto una trattazione generale riguardo i materiali 
fibrorinforzati, comprendente i vari componenti, le tecniche di produzione e di applicazione, 
le proprietà meccaniche e qualche breve cenno storico.  
Successivamente viene ripreso un telaio proposto in “Manuale dei materiali compositi nelle 
costruzioni Ed. 05/2010 di Fischer - Sistemi di fissaggio”, del quale vengono svolti i calcoli 
di verifica strutturale per alcuni elementi significativi. Di questi vengono calcolate le 
resistenze nella configurazione non rinforzata e rinforzata, utilizzando un opportuno foglio 
di calcolo in Excel elaborato appositamente per lo svolgimento della presente tesi di laurea.
7	
1. I MATERIALI 
 
I materiali compositi a matrice polimerica (Fiber Reinforced Polymers o FRP) sono materiali 
compositi, eterogenei ed anisotropi, con un comportamento prevalentemente elastico 
lineare fino al collasso. 
In questo capitolo vengono riportate alcune informazioni essenziali per una conoscenza di 
base di questi materiali, delle loro componenti e delle loro proprietà fisiche e meccaniche.  
 
 
1.1 I compositi 
In generale per materiale composito si intende una combinazione di due o più componenti 
di natura diversa e macroscopicamente distinguibili, che contribuiscono mutuamente a 
fornire proprietà meccaniche e fisiche complessivamente superiori a quelle dei suoi singoli 
costituenti.  
Ciascun costituente mantiene la propria identità nel composto finale senza dissolversi o 
fondersi completamente nell’altro, dando origine ad un materiale non omogeneo. I 
componenti principali sono dunque due:  
• la matrice, o fase continua, meccanicamente più debole, che ha principalmente il 
compito di dare forma al materiale e legare la fase dispersa; 
• 
il rinforzo, o fase dispersa, caratterizzato da elevate prestazioni meccaniche, che ha 
il compito di assorbire gli sforzi.  
I materiali compositi costituiti da un rinforzo fibroso con caratteristiche meccaniche molto 
superiori rispetto a quelle della matrice sono chiamati compositi fibrorinforzati: gli FRP sono 
quindi materiali compositi fibrorinforzati costituiti da una fase continua di natura polimerica 
ed una fase dispersa caratterizzata da fibre lunghe.  
I compositi per il rinforzo strutturale sono disponibili in diverse geometrie: dalle lamine 
pultruse, caratterizzate da una disposizione unidirezionale delle fibre ed utilizzate 
preferibilmente su superfici regolari, ai tessuti bidirezionali, facilmente adattabili alla forma 
dell’elemento strutturale da rinforzare.
8	
1.2 Fibre dei compositi FRP 
Le fibre sono l’elemento che fornisce al composito rigidezza e resistenza. Esse costituiscono 
quindi la fase dispersa di un materiale composito fibrorinforzato, che solitamente comprende 
un’alta percentuale in volume, compresa tra il 20% e il 70% rispetto alla fase continua. 
Le fibre maggiormente utilizzate per il rinforzo strutturale sono le fibre di carbonio, da cui 
appunto deriva l’acronimo CFRP (Carbon fiber-reinforced polymer), che vengono preferite 
a quelle di vetro e a quelle arammidiche.  
 
  1.2.1 Fibre di vetro 
Sono fibre caratterizzate da elevata resistenza comunemente utilizzate in campo navale ed 
industriale per la produzione di compositi con prestazioni medio-alte. 
Le fibre di vetro mostrano un modulo di elasticità inferiore a quello delle fibre di carbonio o 
a quello delle fibre arammidiche ed offrono una resistenza all’abrasione relativamente 
modesta. Inoltre presentano una forte attitudine allo scorrimento viscoso ed una modesta 
resistenza a fatica. 
 
  1.2.2 Fibre di carbonio 
Sono fibre utilizzate per la creazione di compositi ad elevate prestazioni. Si distinguono per 
il loro alto modulo di elasticità normale e per la loro elevata resistenza.  
Mostrano un comportamento a rottura tipicamente fragile, con assorbimento di energia 
relativamente modesto anche se le tensioni di rottura sono elevate. 
A confronto con le fibre di vetro e con quelle arammidiche, le fibre di carbonio risultano meno 
sensibili ai fenomeni di scorrimento viscoso e di fatica e sono caratterizzate da una modesta 
riduzione della resistenza a lungo termine. 
 
1.2.3 Fibre arammidiche 
Le fibre arammidiche sono fibre di natura organica. 
Esse si distinguono per l’elevata tenacità e per la loro resistenza alle operazioni di 
manipolazione. 
Il modulo di elasticità normale e la resistenza a trazione sono intermedi tra quelli delle fibre 
di vetro e quelli delle fibre di carbonio. 
La loro resistenza a compressione è pari a circa 1/8 di quella a trazione, infatti l’elevata 
anisotropia che le caratterizza favorisce lo snervamento localizzato, con conseguente 
instabilità e formazione di piegature, per carichi di compressione. 
Le fibre arammidiche possono degradarsi per esposizione prolungata alla luce solare, con 
perdita della resistenza a trazione fino al 50%, inoltre risultano molto sensibili all’umidità. 
Il comportamento viscoso è simile a quello delle fibre di vetro, ma con resistenza a rottura 
molto più elevata. 
La resistenza sotto carico a lungo termine è simile a quella delle fibre di vetro, mentre la 
deformazione a lungo termine risulta molto più marcata e progressiva nel tempo.
9	
1.3 Matrici dei compositi FRP 
Le matrici più utilizzate per la fabbricazione dei compositi fibrorinforzati sono quelle 
polimeriche a base di resine termoindurenti. 
Tali resine si presentano liquide, successivamente, quando miscelate con un opportuno 
reagente, polimerizzano fino a diventare un solido vetroso. 
I vantaggi da esse portati sono diversi: bassa viscosità allo stato fluido che permette una 
relativa facilità di impregnazione delle fibre, ottime proprietà adesive, buona resistenza agli 
agenti chimici. 
I principali svantaggi sono invece: sensibilità all’umidità in fase di applicazione sulla 
struttura, modesta fragilità, limitata ampiezza del campo di temperature di esercizio. 
Poiché il materiale viene miscelato a partire dai diversi componenti direttamente in cantiere 
e poiché assume le sue caratteristiche strutturali finali attraverso una reazione chimica, esso 
dovrebbe sempre essere applicato da personale specializzato. 
 
1.3.1 Resine epossidiche 
Sono caratterizzate da una buona resistenza all’umidità ed agli agenti chimici e da ottime 
proprietà adesive.  
La temperatura massima di esercizio dipende dalla formulazione e dalla temperatura di 
reticolazione. Per temperature superiori a 60°C bisognerà tenere conto di variazione delle 
caratteristiche meccaniche. 
Non esistono limiti significativi per la temperatura minima di esercizio. 
 
1.3.2 Resine poliestere 
Sono caratterizzate da viscosità, resistenza meccanica e proprietà adesive inferiori rispetto 
a quelle delle epossidiche. 
A temperatura ambiente si presenta solitamente in stato solido. Per poter essere impiegata 
deve quindi essere disciolta in un opportuno solvente, che riduce la viscosità della resina e 
facilita il processo di impregnazione delle fibre. 
 
 1.3.3 Altri tipi di resine 
Le temperature di esercizio piuttosto basse, la tendenza di assorbire umidità e la modesta 
tenacità delle resine sopra elencate ha portato allo sviluppo di compositi a matrice 
termoplastica. 
Tali resine hanno la proprietà, una volta riscaldate fino ad una certa temperatura, di fluire, 
permettendo quindi di modificare la forma dei componenti. 
Rispetto alle resine termoindurenti, quelle termoplastiche sono più tenaci e presentano 
temperature di esercizio più elevate. 
Il loro scarso utilizzo in campo civile è dovuto alla loro viscosità elevata che richiede 
apparecchiature di lavorazione complesse e costose. 
 
 
1.4 Adesivi 
La messa in opera di alcuni tipi di rinforzo strutturale a base di FRP richiede l’utilizzo di 
adesivi. 
La scelta dell’adesivo viene fatta in base alla natura del substrato della struttura e del 
materiale di rinforzo. 
Solitamente le schede tecniche dei materiali da rinforzo riportano indicazioni sul tipo di
10	
adesivo da utilizzare in funzione della natura della struttura che si intende rinforzare. 
Per il corretto utilizzo degli adesivi è importante il trattamento superficiale da eseguire prima 
della loro applicazione. 
Esistono molte tipologie di adesivi, naturali o sintetici. I più adatti per i materiali compositi 
sono gli adesivi a base di resine epossidiche. 
 
 
 1.5 Proprietà meccaniche 
Nei compositi fibrorinforzati le fibre svolgono il ruolo di elementi portanti, sia in termini di 
resistenza che di rigidezza. 
La matrice trasferisce gli sforzi tra le fibre ed eventualmente tra queste e l’elemento 
strutturale da rinforzare.  
Nella maggior parte dei casi le fibre presentano valori di deformazione a rottura inferiore a 
quelli della matrice. 
In figura sono rappresentati qualitativamente i legami costitutivi di un materiale 
fibrorinforzato e delle sue fasi costituenti: matrice e fibre. 
Il composito mostra una rigidezza inferiore rispetto alle fibre, ma la stessa deformazione a 
rottura, superata la quale diviene impossibile il trasferimento degli sforzi dalla matrice alle 
fibre.
11	
Testi consultati: 
• Capitolo 7 (Appendice A) di Consiglio Nazionale delle Ricerche, "CNR - DT 
200/2004: Istruzioni per la progettazione, l'esecuzione ed il controllo di interventi di 
consolidamento statico mediante l'utilizzo di compositi fibrorinforzati"; 
 
 
• MAPEI, “Manuale del rinforzo strutturale – Sistemi e soluzioni all’avanguardia per il 
ripristino, il rinforzo statico e sismico di edifici mediante l’impiego di materiali 
compositi fibrorinforzati” 
 
Siti consultati: 
• https://it.m.wikipedia.org/wiki/Materiali_rinforzati_con_fibre_a_matrice_
polimerica 
 
• www.mapei.com
13	
2. TECNICHE DI PRODUZIONE 
 
In questo capitolo vengono descritti i principali processi produttivi dei compositi FRP di 
interesse per l’Ingegneria Civile. 
 
 2.1 Pultrusione 
La pultrusione è processo utilizzato principalmente per la produzione di lamine 
fibrorinforzate. 
Si articola in tre fasi: 
• Formatura; 
• Impregnazione; 
• Consolidamento. 
	
Schema	di	funzionamento	della	pultrusione 
Resina e fibre vengono immessi separatamente in un macchinario che trascina le fibre 
attraverso i vari stadi di produzione. 
Le fibre vengono prelevate da un gruppo di rocchetti e vengono convogliate, da un 
rastrelliere che ne uniforma la disposizione, in un bagno di resina in cui avviene 
l’impregnazione. 
Le fibre impregnate vengono poi immesse in uno stampo riscaldato dove si consolidano 
sotto pressione. Qui, per effetto della pressione, vengono eliminati i vuoti presenti tra le 
fibre. 
Dallo stampo esce la matrice solidificata, il composito viene quindi avviato verso una sega 
circolare che taglia il prodotto nella lunghezza desiderata. 
I compositi pultrusi sono leggeri, resistenti alla corrosione ed hanno sezione costante.