Sistemi di rinforzo FRCM:analisi sperimentale del comportamento strutturale, valutazione della durabilità e sviluppo di matrici innovative

Abstract

L’impiego di compositi fibrorinforzati per il rinforzo e l’adeguamento sismico di strutture esistenti risulta una tecnologia sempre più utilizzata. Recentemente, ai sistemi di rinforzo in FRP (Fiber Reinforced Polymers), si sono affiancati sistemi basati sull’impiego di matrici di tipo inorganico, generalmente a base minerale, cementizia o di calce, identificati come FRCM (Fabric Reinforced Cementitious Matrix). I motivi che hanno favorito il rapido diffondersi dei sistemi a matrice inorganica, rispetto agli FRP, sono: una maggiore resistenza alle alte temperature, possibilità di applicazione su superfici umide, la permeabilità al vapore, reversibilità e compatibilità con il supporto. Essi inoltre consentono il rispetto dei criteri di conservazione richiesti nelle applicazioni per il patrimonio culturale. In questo contesto inoltre, la possibilità di utilizzare matrici alternative a quelle disponibili risulta di notevole interesse. A dispetto però della loro ampia diffusione, esistono a tutt’oggi informazioni non esaustive sulle problematiche di interfaccia su substrato in muratura, loro caratterizzazione meccanica, durabilità e applicazioni per il confinamento di colonne murarie. Il presente lavoro è pertanto finalizzato a fornire un ulteriore contributo per la caratterizzazione dei compositi FRCM. In particolare le attività sono state finalizzate a: 1) valutare il comportamento meccanico di sistemi di rinforzo in fibra di basalto a bassa (B2-FRCM) e ad alta densità (B4-FRCM) mediante prove a trazione e di aderenza a taglio di tipo diretto; 2) valutare il degrado delle prestazioni meccaniche di sistemi di rinforzo in fibra di basalto (B-FRCM) di cui al punto 1), in fibra di carbonio (C-FRCM) e in fibra di acciaio (S-FRCM) per effetto di trattamenti termici ad alta temperatura; 3) valutare l’efficacia del confinamento di colonne in muratura mediante sistemi di rinforzo B4-FRCM, S-FRCM e PBO-FRCM; 4) progettare una matrice inorganica innovativa appartenente alla famiglia dei leganti ad attivazione alcalina e valutarne l’impiego in sistemi fibrorinforzati. Il comportamento a trazione del sistema di rinforzo in fibra di basalto (B4-FRCM) è di tipo trilineare con una significativa estensione della fase di fessurazione, in conseguenza della sua particolare tessitura. Ciò comporta, una traslazione nell’attivazione delle proprietà meccaniche del rinforzo. Le prove di aderenza a taglio diretto, eseguite su supporto in muratura, sono caratterizzate per il composito B2-FRCM dalla rottura dei fasci all’estremo caricato, con percentuale di sfruttamento delle proprietà meccaniche del rinforzo pari al 93%. Per il composito B4-FRCM la rottura risulta, invece, caratterizzata dalla progressiva delaminazione all’interfaccia rinforzo-matrice con percentuali di sfruttamento pari al 75% e con lunghezza efficace di aderenza pari a circa 200 mm. Per tale composito, infine, è stato possibile individuare il legame di aderenza, calibrato e validato sulle evidenze sperimentali, con l’obiettivo di poter fornire un utile contributo alla conduzione di simulazioni numeriche. L’analisi del degrado dovuto all’esposizione ad alte temperature è stato condotto mediante prove di aderenza a taglio diretto su supporto in muratura a seguito di trattamenti termici condotti a 100 °C, 300 °C e 500 °C. Si è proceduto analizzando la risposta carico-scorrimento e valutando in particolare la variazione delle tensioni di picco e le modalità di rottura. Test effettuati a temperatura ambiente sono stati utilizzati come riferimento. Il composito C-FRCM ha mostrato valori di tensione di picco, per ogni temperatura investigata, più elevati rispetto agli altri sistemi di rinforzo, seguito dal composito B2-FRCM mentre per il composito con rete ad alta densità (B4-FRCM) sono stati misurati valori della tensione più bassi fino alla temperatura di 300 °C. A seguito del trattamento a 500 °C entrambi i sistemi in basalto mostrano valori confrontabili delle tensioni di picco. Il composito S-FRCM ha mostrato, altresì, significative variazioni della tensione di picco a seguito dei trattamenti a 300 °C e a 500 °C. I valori della tensione di picco a 500 °C per i compositi B2-FRCM, B4-FRCM, C-FRCM e S-FRCM sono rispettivamente pari a 270 MPa, 240 MPa, 514 MPa e 180 MPa corrispondenti a un decadimento del 74%, 65%, 61% e 76%. I compositi C-FRCM e B4-FRCM fino alla temperatura di esposizione di 300 °C esibiscono scorrimenti globali elevati e paragonabili, ma dovuti a differenti modalità di rottura, per comportamento telescopico il primo e delaminazione e conseguente distacco all’interfaccia rinforzo-matrice per il secondo. A 500 °C il composito C-FRCM continua a presentare il medesimo comportamento, mentre il composito B4-FRCM mostra una rottura caratterizzata dal cedimento dei fasci di fibra con importante riduzione dello scorrimento globale. Il composito B2-FRCM mostra una rottura caratterizzata dal cedimento dei fasci per tutte le temperature testate e conseguentemente limitati scorrimenti. Per il composito S-FRCM, è stata riscontrata una variazione della modalità di crisi: distacco del rinforzo e dello strato di matrice esterno osservato a 20 °C e 100 °C e rottura all’interfaccia con il supporto e conseguente distacco del composito a 300 °C e 500 °C. Tale variazione incide significativamente sullo scorrimento globale di tale composito. L’efficacia del confinamento di colonne in muratura è stata valutata in termini di: influenza di diverse tipologie di rinforzi, variazioni di resistenza al variare del numero degli strati di rinforzo (1, 2 e 3 layer), influenza della disposizione degli strati in sovrapposizione, effetto di carichi eccentrici, modalità di rottura e duttilità. Dai risultati sperimentali ottenuti è emerso in generale un aumento della resistenza all’aumentare del grado di confinamento e disposizione continua dell’overlap. Tali incrementi risultano essere pari al 47%, 93% e 184% per i sistemi di rinforzo in acciaio (S-FRCM) e al 99%, 155% e 186% per i sistemi di rinforzo in fibra di PBO (PBO-FRCM). Le colonne confinate con sistema di rinforzo in basalto (B4-FRCM) hanno evidenziato un incremento di resistenza pari al 45% e al 30%, rispettivamente per 1 e 2 layer. La modalità di rottura del sistema in acciaio (S-FRCM) è caratterizzata dal distacco del rinforzo in corrispondenza degli strati in sovrapposizione. Le modalità di crisi riscontrate, per sistemi di rinforzo PBO-FRCM, avvengono, invece, per cedimento dei fasci di fibra con 1 layer di rinforzo e per apertura significativa della lesione localizzata in corrispondenza dello spigolo interessato dall’overlap per le configurazioni multilayer. La modalità di rottura, nel caso del sistema B4-FRCM avviene per cedimento dei fasci di fibra in corrispondenza degli spigoli in presenza di 1 layer e per distacco dello strato in sovrapposizione in presenza di 2 layer di rinforzo. Il distacco impedisce di sviluppare una maggiore pressione di confinamento. Poiché il confinamento con sistema S-FRCM è realizzato mediante accostamento di più fasce lungo l’altezza della colonna, è stato valutato l’effetto della disposizione alternata degli overlap su facce opposte con 1 layer di rinforzo anche in presenza di 25 mm e 50 mm di eccentricità di carico. Ciò ha determinato un incremento pari al 108% per carico centrato e incrementi pari a 28% e 25% per carichi eccentrici. La rigidezza risulta significativamente aumentata per il confinamento in acciaio con 2 e 3 layer di rinforzo e per 1 layer con disposizione alternata degli strati di sovrapposizione. Tale incremento risulta trascurabile per 1 layer con overlap continuo in acciaio e le colonne confinate con fibra di basalto e PBO. Dai risultati ottenuti si evince, inoltre, un incremento della capacità deformativa assiale e laterale maggiore per i sistemi confinati con rinforzo in fibra di basalto e PBO a parità di layer di rinforzo. La definizione della matrice ad attivazione alcalina ha previsto l’uso di sottoprodotti e scarti industriali quali loppa d’altoforno, fly ash e cenere da biomassa, e di origine naturale quali il metacaolino. L’utilizzo di sistemi ternari loppa, fly ash e cenere da biomassa ha permesso di ottenere buone caratteristiche allo stato fresco e meccaniche anche in presenza di soluzioni attivatrici a moderato contenuto di alcali, silicato e additivi. Sono stati ottenuti valori della resistenza a flessione e a compressione pari a 5.48 MPa e 32.4 MPa. I risultati delle prove a trazione e di aderenza a taglio diretto per la valutazione di un composito fibrorinforzato in basalto hanno evidenziato un comportamento confrontabile con quello esibito utilizzando la matrice commerciale