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

Le caratteristiche meccaniche elevate, l’assenza di peso ed i piccoli spessori, consentono l’applicazione del carbonio in edilizia e per innumerevoli soluzioni di rinforzo strutturale. La comparsa delle fibre in carbonio ha dato risposta a tutti quei casi di consolidamento strutturale in cui, per ragioni tecniche od estetiche, era poco appropriato l’utilizzo dei metodi tradizionali invasivi.

Messa in sicurezza provvisoria con cerchiatura di un campanile lesionato dal terremoto, con tessuto in fibre di carbonio (Fonte: iton.it/)

Che cosa sono le fibre di carbonio

La fibra di carbonio (FRP ovvero Fiber Reinforced Polymers) è costituita da sottili filamenti di carbonio elementare che variano da quelli del carbonio amorfo a quelle della grafite cristallina. Si tratta di un materiale che viene utilizzato già dagli anni ’50 nel settore aerospaziale, aeronautico e che negli ultimi anni ha trovato applicazione anche nell’industria tessile (esiste, infatti, una lunga serie di tessuti di carbonio intrecciati con altri tipi di fibre quali tessuti misti di vetro, kevlar ecc.), nell’automobilismo (ed in particolare nei freni delle auto di Formula 1). Viene utilizzato, inoltre, per la filtrazione di gas ad alta temperatura e nei recipienti per gas compressi, oltre che per la produzione delle casse degli orologi, nel settore ittico, in quello dell’arredamento, in svariati sport. Trova, infine, largo impiego nell’edilizia.
Le fibre di carbonio sono ottenute dall’ossidazione e pirolisi termica del poliacrilonitrile, un polimero a base di acrilonitrile utilizzato anche per la produzione di materie plastiche. Attraverso procedimenti termici ad altissima temperatura, il materiale si modifica chimicamente e strutturalmente e le lunghe catene molecolari di carbonio vengono orientate lungo l'asse della fibra fornendo al materiale finale delle caratteristiche di rigidezza eccezionali.
Fibra di carbonio al posto dell’acciaio
(Fonte: casaeclima.com/)

Caratteristiche delle fibre di carbonio

Le fibre di carbonio possiedono proprietà chimiche e fisiche estremamente variabili: il 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. 
Nel settore dell’edilizia il carbonio si sta diffondendo sempre più grazie alle sue ottime peculiarità: oltre ad avere caratteristiche meccaniche e prestazioni molto elevate, possiede alta resistenza chimica e alla corrosione, ha un’elevata resistenza a strappo anche su supporti non omogenei e su superfici non planari, ha un peso molto contenuto e uno spessore di pochi millimetri (1-2 mm). Inoltre si può utilizzare in ambienti umidi poiché la percentuale di assorbimento di acqua si aggira attorno allo 0.1%.

Utilizzi delle fibre di carbonio in edilizia

Nel settore delle costruzioni civili il carbonio viene utilizzato principalmente come “armatura” di materiali tradizionali quali calcestruzzo, muratura e legno e come rinforzo di elementi strutturali esistenti di varie tipologie e materiali. Nel caso in cui sia utilizzata come “armatura” si presenta solitamente in forma di barre e reti ottenute con varia tecnologia. L’aspetto della pre-sollecitazione si presenta particolarmente interessante per l'alto rapporto resistenza /modulo di elasticità dei cavi o barre di composito. In effetti ponti presollecitati e strallati sono ormai già in uso in varie parti del mondo.
I campi d’impiego, anche in questo caso, sono numerosi:
- Rinforzi di strutture inflesse (solai, travi,…): si ottengono la riduzione delle frecce sotto carico, l’aumento della portanza, la rigenerazione della trasmissione delle tensioni interrotte da stati fessurativi. 
- Rinforzi di strutture compresse (pilastri, pile di ponte, ciminiere,…): si ottengono un incremento di resistenza a compressione e un aumento di duttilità. Tale intervento risulta particolarmente indicato per miglioramenti in campo sismico senza aumento dei pesi propri.
- Rinforzi di strutture lesionate: importanti applicazioni in tale settore sono la ricucitura di volte ed archi in muratura, cupole, murature fuori piombo, ecc
Anche l’attività di rinforzo delle infrastrutture deteriorate o danneggiate conta numerose applicazioni: le fibre di carbonio possono essere applicate con rapidità e semplicità e il loro comportamento strutturale ha finora mostrato un’ottima efficacia.  Ma il fattore che costituisce una vera e propria rivoluzione nel mondo dell’ingegneria strutturale va ricercata nell’alto rapporto tra la resistenza ed il peso di questo materiale.
Applicazione di un tessuto in fibra di carbonio
(Fonte: draco-edilizia.it/)

Rinforzi sismici e strutturali di edifici esistenti in fibra di carbonio per l’adeguamento statico e/o il miglioramento sismico

I prodotti fibrorinforzati a matrice polimerica in fibra di carbonio (CFRP - Carbon Fiber Reinforced Polymer) sono materiali compositi, eterogenei ed anisotropi, prevalentemente con comportamento elastico lineare fino al collasso.
I rinforzi sismici e strutturali con la fibra di carbonio presentano un'elevatissima resistenza alle alte temperature (oltre 1000 °C), non bruciano, sono chimicamente resistenti a qualsiasi agente chimico e non subiscono fenomeni di invecchiamento. 
In edilizia la fibra di carbonio consente di realizzare un intervento efficace, duraturo, poco invasivo e, soprattutto, reversibile e, quindi, compatibile con le esigenze di tutela e conservazione di qualunque bene architettonico: i materiali compositi fibro-rinforzati, infatti, possono essere rimossi mediante trattamento termico volto a disgregare le strutture cristalline delle resine epossidiche.

Uso del carbonio in edilizia: vantaggi e svantaggi

Uno dei principali vantaggi di un sistema di rinforzo strutturale in fibra di carbonio è la sua grande leggerezza. Le caratteristiche meccaniche della fibra di carbonio con i sistemi epossidici conferiscono alle strutture un’altissima resistenza a trazione, senza l’apporto di massa e di spessore, quindi di rigidezza, tipica dei sistemi tradizionali. Soprattutto in caso di sisma, è estremamente importante sugli edifici esistenti eseguire interventi che non modifichino la massa e la rigidezza, ma incrementino la resistenza. Un altro vantaggio dei sistemi in fibra di carbonio è la facilità di messa in opera.
Vediamo i principali svantaggi delle fibre di carbonio:
- si tratta in generale di materiali molto efficienti dal punto di vista strutturale, che tuttavia possono generare problemi di accoppiamento con altri materiali;
- Gli FRP funzionano solo a trazione. A compressione hanno resistente molto basse. Inoltre, un rinforzo posizionato in zona compressa, può essere soggetto a possibili distacchi;
- Gli FRP sono dei materiali con elevatissime prestazioni ma vanno progettati e posati in opera con le dovute conoscenze.

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