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Uso del carbonio in edilizia

Uso del carbonio in edilizia: consolidamento e rinforzo strutturale con fibre in carbonio

Le elevate caratteristiche meccaniche, il peso ridotto ed i piccoli spessori, hanno consentito l’uso del carbonio in edilizia e nel settore delle costruzioni attraverso le fibre di carbonio, come nei casi di consolidamento strutturale in cui per varie ragioni era poco appropriato l’utilizzo dei metodi tradizionali invasivi.


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Uso del carbonio in edilizia (foto di MichaelGaida - Fonte: https://pixabay.com)

I vari utilizzi del carbonio

Il carbonio in edilizia viene usato attraverso le fibre di carbonio (FRP ovvero Fiber Reinforced Polymers). Queste fibre di carbonio sono costituite da sottili filamenti di carbonio amorfo a da frammenti in grafite cristallina. Il carbonio è un materiale molto resistente che veniva utilizzato già dagli anni ’50 nel settore aerospaziale, aeronautico per poi espandersi anche nel settore tessile e nell’automobilismo (per esempio nella realizzazione dei freni delle auto di Formula 1) oppure per realizzare casse di orologi, arredamento e oggetti per lo sport come biciclette, racchette da tennis, sci, canne da pesca, etc. in fibre di carbonio). Il carbonio infatti pur essendo molto molto leggero (per esempio nella realizzazione di bici da corsa professionali il peso è fondamentale) è molto molto resistente, ma ha lo svantaggio che è molto costoso.

Da qualche anno però il carbonio, proprio per le sue qualità e caratteristiche meccaniche, ha trovato impiego nel settore dell'edilizia attraverso le fibre di carbonio, ottenute attraverso l'ossidazione e la pirolisi termica di un polimero utilizzato per la produzione di materiale plastico, che vengono inserite nell'impasto del calcestruzzo. Attraverso procedimenti termici ad altissima temperatura, le fibre di carbonio si modificano chimicamente acquisendo caratteristiche di rigidezza eccezionali.


Caratteristiche delle fibre di carbonio

Come abbiamo visto le fibre di carbonio possiedono un'elevata resistenza ed elevate caratteristiche meccaniche pur essendo molto leggero. Il loro modulo di elasticità varia da circa 350 kg/cm2, che si colloca a metà di quello delle fibre di vetro o dell’alluminio, fino a 7000 kg/cm2, ovvero maggiore di ben tre volte rispetto a quello dell’acciaio. Grazie a queste caratteristiche l'evoluzione della tecnologia e la sperimentazione e ricerca a nuovi materiali hanno portato all'uso del carbonio in edilizia; infatti fra le varie cose il carbonio possiede un'elevata resistenza chimica e alla corrosione, ha un’alta resistenza a strappo il tutto in uno spessore di pochi millimetri. Infine si è diffuso l'uso del carbonio in edilizia in quanto si può utilizzare in ambienti umidi poiché la percentuale di assorbimento di acqua si aggira attorno allo 0.1%.

Dobbiamo inoltre sottolineare che le fibre di carbonio sono anche molto resistenti alle alte temperature (oltre 1000 °C) e sono chimicamente resistenti a qualsiasi agente chimico senza subire fenomeni di invecchiamento; inoltre possono essere applicate con rapidità e semplicità. Ma forse la caratteristica che più di tutte ha portato all'uso del carbonio in edilizia e in particolare nel campo dell'ingegneria strutturale è il suo elevato rapporto tra la resistenza ed il peso di questo materiale.


Utilizzi delle fibre di carbonio in edilizia

Nel settore dell'edilizia il carbonio viene utilizzato come “armatura” di materiali tradizionali quali calcestruzzo, muratura e legno sotto forma di barre o reti e come rinforzo di elementi strutturali esistenti. A questo proposito l'uso del carbonio in edilizia trova diversi campi di impiego come: rinforzi di strutture inflesse, rinforzi di strutture compresse e rinforzi di strutture lesionate. Nel primo caso si ottengono la riduzione delle frecce sotto carico e l'aumento della portanza, nel secondo caso si aumenta la resistenza a compressione e la duttilità ed è utile per migliorare le strutture in zona sismica senza aumentare il peso proprio della struttura, mentre nel terzo caso si utilizzano per esempio per sistemare strutture in muratura che hanno subito dei danni come lesioni. Le fibre di carbonio vengono anche utilizzate per la realizzazione dei ponti strallati grazie al l'elevato rapporto resistenza/modulo di elasticità dei cavi.


Vantaggi e Svantaggi

Il carbonio ha trovato largo impiego in molti settori fin dagli anni '50 quando è stato scoperto questo materiale. Sempre più con l'evolversi della tecnologia sempre più si è diffuso l'uso del carbonio in edilizia e nel settore delle costruzioni e dell'ingegneria strutturale. Il carbonio, utilizzato in edilizia sotto forma di fibre di carbonio, è un materiale che presenta moltissimi vantaggi, molti dei quali già descritti in questo articolo e un solo grande svantaggio, ovvero il prezzo. Infatti il carbonio ad oggi è un materiale molto costoso per questo viene utilizzato solo in determinati casi.

Ma vediamo ora di elencare qual sono i principali vantaggi delle fibre di carbonio usate in edilizia:

  • grande leggerezza e peso contenuto;
  • aumenta notevolmente la resistenza a trazione senza aumentare la massa o lo spessore e quindi di rigidezza;
  • efficace negli interventi di recupero o nuove costruzioni in zone sismiche;
  • facilità di messa in opera;

Il carbonio usato in edilizia non ha solo vantaggi ma anche qualche svantaggio, oltre al prezzo elevato, fra cui:

  • possono generare problemi di accoppiamento con altri materiali;
  • le fibre di carbonio funzionano bene solo a trazione e non a compressione;
  • le strutture che prevedono le fibre di carbonio vanno progettate bene e le fibre di carbonio vanno posate in opera con le dovute conoscenze.

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