Cosa sono i sistemi compositi nel consolidamento strutturale

Nel campo del consolidamento e del rinforzo strutturale, si usano sistemi compositi, cioè combinazioni di una fase resistente (fibra) e di una matrice (che “lega” la fibra al supporto strutturale).

L’obiettivo è migliorare la capacità di resistenza e duttilità (cioè la capacità di deformarsi senza rottura) di elementi murari, pilastri, pareti, volte, solai, ecc.

Quando si parla di “consolidamento murario”, l’obiettivo è ripristinare o migliorare la capacità portante, rigidezza, resistenza a trazione o taglio, e migliorare la risposta sismica di muri esistenti che presentano fessurazioni, danni, degradazioni, carenze strutturali. I sistemi compositi sono strumenti moderni per intervenire in modo relativamente poco invasivo, rispetto a “rifare da zero”.

Nel “ripristino strutturale”, si può intervenire su parti danneggiate (lesioni, zone degradate, cavillature) con malte strutturali, rinforzi locali, zone di confinamento. In questi interventi, spesso si combinano tecniche tradizionali (malte, iniezioni, cuciture) con sistemi compositi per ottenere prestazioni adeguate.

I sistemi compositi sono quindi mezzi progettuali per eseguire:

• rinforzo a flessione / pressoflessione di pannelli murari
• rinforzo a taglio di maschi murari
• confinamento di colonne / pilastri murari
• rinforzo di archi, volte, elementi curvi
• interventi di antiribaltamento e antisfondellamento
• miglioramento della resistenza globale in ambito sismico

La scelta tra uno sistema o l’altro dipende da: stato della muratura, esigenze geometriche, vincoli architettonici, compatibilità dei materiali, spessore ammissibile, costi, durabilità richiesta, normative vigenti e certificazioni dei sistemi.

Gli acronimi sotto elencati, si riferiscono a vari tipi di sistemi compositi usati in edilizia per consolidare, rinforzare o “riparare” strutture esistenti.

Vediamoli uno per uno:

FRP : Fiber Reinforced Polymer

• Significato: “materiali compositi fibrorinforzati con matrice polimerica”.
• Composizione: fibre (carbonio, vetro, aramide, basalto ecc.) impregnate o incorporate in una matrice polimerica (resina epossidica, resina vinilestere, ecc.).
• Modalità di applicazione: viene spesso applicato su superfici esistenti come “placcaggio esterno” (lamine, tessuti, fogli) usando resine epossidiche strutturali per farli aderire al supporto.
• Vantaggi:
  • Eccellente resistenza a trazione.
  • Spessori molto ridotti, peso contenuto.
  • Applicabile anche su elementi in cemento armato, travi, pilastri, pareti murarie, ecc
• Limiti / criticità:
  • Compatibilità con murature storiche: le resine polimeriche possono non essere “compatibili” con strutture molto antiche o con esigenze di traspirabilità.
  • Sensibilità al calore o al fuoco (a seconda della resina).
  • Rigidità elevata: il materiale rinforzante può essere molto rigido rispetto alla muratura storica.

L’FRP è una tecnologia “classica” nei rinforzi strutturali con materiali compositi e oggi largamente utilizzata quando si mira a elevata prestazione meccanica con spessore ridotto.

FRCM : Fiber Reinforced Cementitious Matrix

• Significato: matrice cementizia / inorganica fibrorinforzata con fibre → “rete/fibre + malta inorganica (cementizia/calce)” = Fiber Reinforced Cementitious Matrix
• Composizione:
  • Rete di fibre: può essere in carbonio, vetro AR (vetro alcalino resistente), basalto, acciaio UHTSS, aramide, PBO, ecc.
  • Matrice inorganica: malta cementizia, calce idraulica o calce + pozzolana, compatibile con materiali “tradizionali” della costruzione storica.
  • Spesso si usano anche connettori (ancoranti chimici o meccanici) per trasferire gli sforzi fibra → massetto → muratura.
• Campo di uso: molto indicato per il consolidamento strutturale di murature esistenti, in particolare per edifici storici o murature in laterizio/pietra, dove occorre compatibilità, traspirabilità e minore invasività.
• Spessore tipico: per una singola rete, lo spessore netto del rinforzo varia tra circa 5 mm e 15 mm (al netto della rendicontazione del supporto), se si usano più reti lo spessore totale può arrivare a circa 30 mm.
• Vantaggi:

• Migliore compatibilità con le murature storiche, grazie alla natura “inorganica” della matrice
• Traspirabilità: riduce problemi di umidità interna.
• Migliore comportamento al fuoco rispetto a materiali polimerici.
• Elevato rapporto resistenza/peso

• Possono essere applicati con maestranze tradizionali (con l’uso di malte strutturali)
• Svantaggi / attenzioni:
  • Le reti e le fibre devono essere resistenti agli alcali (se la matrice è cementizia) per evitare degradazione.
  • L’interfaccia fibra/matrice/supporto deve essere ben curata per garantire l’aderenza.
  • Lo spessore aggiunto (anche se contenuto) può essere maggiore di quanto ottenibile con FRP in alcuni casi.

Le Linee Guida sul consolidamento con FRCM emesse dal Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici definiscono criteri di progettazione, esecuzione e collaudo per questi sistemi.

CRM : Composite Reinforced Mortar

• Significato: “intonaco armato composito”, ovvero malta strutturale rinforzata con rete composita → Composite Reinforced Mortar.
• Composizione:
  • Rete preformata in materiali compositi (es. in fibra di vetro alcali-resistente, carbonio, basalto)
  • Malta strutturale: malta a base cementizia o calce, progettata per uso strutturale
  • Connettori: elementi di ancoraggio che trasferiscono lo sforzo tra rete e muratura, spesso in fibra (o acciaio)
• Caratteristiche e impieghi:
  • Spessore maggiore rispetto ai sistemi FRCM: tipicamente tra 30 e 50 mm (al netto del livellamento del supporto) secondo le normative del settore.
  • Utilizzato per rinforzo strutturale in elementi murari: maschi murari a taglio o flessione, cassoni murari, archi, volte, tamponamenti da antisfondellamento, ecc.
  • È una evoluzione (o variante moderna) dell’antenato “intonaco armato” (che impiegava reti elettrosaldate in acciaio) con vantaggi dei materiali compositi.
  • I sistemi CRM possono essere certificati (CVT — Certificato di Valutazione Tecnica) secondo normative italiane per garantire prestazioni e durabilità.
• Vantaggi:
  • Permette spessori “alto spessore” rispetto ad FRCM, utile quando la muratura è molto irregolare o deteriorata.
  • Utilizzo di reti compositi evita problemi di corrosione tipici delle reti metalliche tradizionali.
  • Buona prestazione meccanica grazie alla combinazione rete + malta + ancoranti.
• Limiti / attenzione:
  • Più invasivo in termini di spessore rispetto ad altri sistemi (es. FRCM).
  • Occorre un controllo preciso dell’adesione fibra/malta/supporto e la corretta posa dei connettori.
  • Non sempre è adatto per ogni tipo di muratura (specialmente in edifici storici molto delicati), si valuta compatibilità.

Altri acronimi comuni:

SRG : Steel Reinforced Grout

• Sistema a base di reti in acciaio inox o galvanizzato immerse in una matrice inorganica (malta).
• Alternativa agli FRCM, in contesti dove è preferibile l’uso dell’acciaio.
• Usato per rinforzi a taglio, flessione, confinamento.

TRM : Textile Reinforced Mortar

• Simile all’FRCM, ma spesso usato in ambito accademico o internazionale.
• Rete tessile (in fibre) + malta inorganica.
• L’acronimo è usato come sinonimo (non sempre perfetto) di FRCM.

CRM migliorato

• Evoluzione del CRM tradizionale, con miglioramenti nella connessione alla muratura e nella prestazione sismica.
• Non sempre codificato da un acronimo separato, ma spesso si trova in letteratura tecnica.

UHPFRC : Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete

• Calcestruzzo fibrorinforzato ad altissime prestazioni.

• Non è un sistema “composito esterno” in senso stretto, ma usato per nuove piastre, integrazioni strutturali o jacketing (intervento di confinamento con malte o calcestruzzo armato, con o senza fibre).
• Elevatissima resistenza meccanica e durabilità.

HPFRCC : High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites

• Categoria ampia che include materiali cementizi fibrorinforzati con alta duttilità.
• Comprende materiali tipo ECC.

ECC : Engineered Cementitious Composite

• Materiale cementizio "ingegnerizzato" con fibre, molto deformabile (tipo pseudo-ductile).
• Usato per riparazioni, integrazioni e giunzioni.

GFRP / CFRP / AFRP / BFRP – sottotipi di FRP

• GFRP – Glass Fiber Reinforced Polymer
• CFRP – Carbon Fiber Reinforced Polymer
• AFRP – Aramid Fiber Reinforced Polymer
• BFRP – Basalt Fiber Reinforced Polymer

Questi non sono sistemi a sé, ma indicano i diversi tipi di fibre usate nei compositi FRP.