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Prestazioni delle travi in cemento armato rinforzato con FRCM soggette a fatica
Giovanni Mantegazza
Vanessa Pino
Antonio Nanni

SOMMARIO
La matrice cementizia rinforzata con tessuto (Fabric Reinforced Cementitious Matrix - FRCM) è un sistema di materiali relativamente nuovo e sviluppato recentemente per la riparazione, la riqualificazione e la riabilitazione del cemento armato e di strutture in muratura. Le strutture in calcestruzzo come i ponti sono soggette a volumi di traffico elevati e pesi variabili sugli assi dei veicoli che causano carichi ciclici ripetuti per tutta la durata operativa della struttura. Il carico ciclico può provocare danni alla struttura, fenomeno noto come “fatica”. Poiché la tecnologia FRCM rappresenta una novità, mancano ancora ricerche sulle prestazioni a lungo termine dei sistemi FRCM per il rinforzo del cemento armato. Il presente studio si propone di indagare sperimentalmente i parametri che influenzano maggiormente le prestazioni sulla base della fatica da flessione delle travi in cemento armato rinforzate con FRCM contenente Poliparafenilene benzoisossazolo (PBO). Per gli elementi soggetti a carichi ciclici, viene sviluppata una curva del rapporto di sollecitazione rispetto al numero di cicli (S-N) allo scopo di definire il limite di resistenza delle travi rinforzate. Sono analizzate e discusse le modalità di cedimento e la durata rispetto alla fatica delle travi durante il carico ciclico.

1.0 INTRODUZIONE
1.1 Riparazione di strutture in calcestruzzo

La riparazione e la riqualificazione di strutture in cemento armato sono motivate da diversi fattori tra cui l'invecchiamento, i cambi d’uso, l’aumento dei carichi, i danni da urti, la costruzione iniziale di scarsa qualità, il rispetto dei codici e i danni da agenti ambientali (ad esempio la corrosione). In particolare, il rinforzo di strutture in cemento armato rappresenta una sfida ricorrente nelle infrastrutture di trasporto attuali. Inoltre, i ponti sono soggetti a un gran numero di carichi ripetuti dovuti al traffico veicolare. Quando sono soggetti a carichi ciclici, i materiali sono esposti al fenomeno noto come fatica [Bizindavi 2003]. Sono stati condotti molti studi per valutare le prestazioni in base alla fatica del cemento armato convenzionale ed è stato dimostrato che i cedimenti da fatica dipendono prevalentemente dall’armatura d’acciaio e raramente sono controllati dal cemento. Quando è necessario il rinforzo delle strutture soggette a fatica, occorre che il sistema riparato mantenga buone prestazioni a lungo termine rispetto alla fatica.
Tecnologie esistenti di rinforzo applicato esternamente basate su matrici organiche chiamate polimero rinforzato con fibre (FRP) e altre nuove soluzioni basate su matrici inorganiche conosciute come sistemi a matrice cementizia rinforzata con tessuto (FRCM) hanno dimostrato di riuscire ad aumentare e ristabilire la resistenza delle strutture in cemento armato. I composti FRP sono costituiti da vetro, carbonio o fibre aramidiche inseriti in una matrice polimerica. Gli ottimi risultati ottenuti con l’utilizzo di materiali compositi FRP per la riparazione e la riqualificazione sono legati al loro elevato rapporto resistenza-peso, elevata resistenza alla trazione e alle proprietà non corrosive. Nonostante tutti questi vantaggi documentati, FRP ha alcune limitazioni: comportamento inadeguato a temperature superiori alla temperatura di transizione vetrosa della resina, incapacità di legarsi ad una superficie umida, mancanza di permeabilità al vapore e degradazione se sottoposto a luce UV. Una soluzione possibile per affrontare questi limiti è rappresentata dalla sostituzione del legante organico con uno cementizio. Di conseguenza, i sistemi FRCM sono costituiti da uno o più tessuti di carbonio, vetro, aramide o Poliparafenilene benzoisossazolo (PBO) che sono inseriti fra due strati di malte cementizie. I sistemi FRCM possiedono una resistenza intrinseca al calore ed eccellente compatibilità con il substrato in calcestruzzo (vale a dire, possono essere applicati su una superficie umida e consentono la permeabilità al vapore). A differenza dei composti FRP, i tessuti asciutti implicano che le fibre non siano impregnate con resina organica. Molta ricerca è stata incentrata su strutture in cemento armato e precompresso rinforzate con FRCM sottoposte a carico monotono [Babaeidarabad et al., 2014; Pino et. al., 2015], ma pochissimi studi o addirittura nessuno sulle prestazioni soggette a fatica di cemento armato rinforzato con FRCM. Di conseguenza, il presente lavoro descrive la valutazione di 11 travi in cemento armato rinforzate con FRCM soggette a carico monotono e fatica, in cui sono esaminate le modalità di durata rispetto alla fatica e di cedimento.

1.2 PBO-FRCM come sistema di materiali
Il sistema di rinforzo FRCM della Ruredil (Ruredil X Mesh Gold) si differenzia dai compositi FRP in quanto la resina epossidica è stata sostituita da una speciale malta cementizia stabilizzata. In particolare il rinforzo FRCM a base di fibra di PBO costituisce una innovazione nel campo dei ripristini strutturali delle opere in cemento armato, le cui prestazioni meccaniche eguagliano il rinforzo C-FRP.
Ruredil X Mesh Gold presenta una certificazione di prodotto secondo la linea guida AC434 del International Code Council Evaluation Service (ICC-ES) organismo di normazione statunitense ed è conforme alla ACI 549.4R-13. Questo documento fornisce una guida per la caratterizzazione e la progettazione di sistemi FRCM In particolare il sistema RUREDIL X MESH GOLD, PBO-FRCM, è costituito da una rete asimmetrica di fibre di PBO (spessore di 0,045 mm in ordito; 0,011mm in trama), composta da rovings disposti in due direzioni ortogonali e distanziati 10 e 20 mm nelle due direzioni (un peso delle fibre di PBO nella rete è pari a 88 g/m2). Questo prodotto fa parte di un sistema comprendente la matrice cementizia RUREDIL X MORTAR 750.
Di seguito (Figura 1) vengono riportate delle prove di trazione per mostrare il legame costitutivo del sistema PBO-FRCM. I test sono stati eseguiti su bandelle tutte uguali, costituite da uno strato di composito (malta+rete+malta).


Figura 1. Comportamento a trazione di Ruredil X MESH GOLD/X MORTAR 750

 

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