I Fiber Reinforced Polymers (o FRP o materiali fibrorinforzati a matrice polimerica o semplicemente materiali fibrorinforzati) costituiscono una vasta gamma di materiali compositiGeneralmente si definisce materiale composito quello generato dall'unione due (o più) materiali, dette "fasi", con caratteristiche fisico- chimiche diverse (che mantengono invariate anche dopo la loro unione) e che una volta uniti contribuiscono mutuamente a fornire proprietà meccaniche e fisiche superiori a quelle delle singole fasi prese separate. I due componenti vengono chiamati "matrice" e "rinforzo". Il calcestruzzo armato è a tutti gli effetti un materiale composito, costituiti da una matrice polimerica di natura organica con la quale viene impregnato un rinforzo in fibra continua con elevate proprietà meccaniche. Si distinguono dai compositi fibrorinforzati a matrice inorganica (FRCM), in cui la matrice inorganica, a base di cemento o di calce viene rinforzata con reti realizzate con fibre continue.
Sono il materiale ad oggi più utilizzato per gli interventi di miglioramento strutturale degli edifici esistenti: nell'area del cratere dell'Aquila, per esempio, i FRP sono stati utilizzati come tecnologia prevalente nel 58% degli interventi
L'uso degli FRP in Italia è regolamentato dal Consiglio Superiore dei LL.PP. (vedi di seguito il paragrafo relativo).
Storia Già nell'antichità si era capito che accoppiando diversi materiali fra di loro si ottenevano prodotti finiti con caratteristiche migliori: un esempio sono i mattoni realizzati con argilla e paglia essiccati al sole, utilizzati dalle civiltà della Mesopotamia.
Per avere i primi materiali compositi in FRP bisogna aspettare il XX secolo: infatti solo nei primi anni quaranta viene prodotto il primo manufatto (una barca) in vetroresina.
Negli anni sessanta compaiono le fibre di carbonio ad alta resistenza e di boro; mentre nei primi anni settanta vede la luce la fibra aramidica, con il nome commerciale di kevlar.
Proprietà e vantaggi Come tutti i materiali compositi, gli FRP hanno un comportamento anisotropo ed eterogeneo, ma mostrano un comportamento prevalentemente elastico lineare fino al collasso.
Questi materiali presentano diverse peculiarità, che variano in funzione della tipologia del singolo FRP e che ne determinano il campo di applicazione. Comunque tutti i prodotti fibrorinforzati presentano caratteristiche comuni quali: elevata leggerezza elevata resistenza meccanica elevate resistenza alla corrosione elevata coibenza termica elevate proprietà dielettriche e amagnetiche Comportamento statico Le fibre hanno una elevata resistenza a trazione e rappresentano pertanto gli elementi resistenti del materiale fibrorinforzato.
Infatti, quando un materiale fibrorinforzato subisce uno sforzo assiale di trazione, gli sforzi veri e propri vengono assorbiti dalle fibre, mentre alla matrice polimerica si demanda il solo compito di distribuzione degli stessi fra le fibre, determinando così un'uniformità di sollecitazione tra queste.
La resina ha inoltre la funzione di protezione delle fibre dall'usura, nonché quella di assicurare un loro buon allineamento.
I materiali FRP sono caratterizzati da un comportamento perfettamente elastico lineare fino alla rottura.
Tipologia della matrice polimerica Negli FRP la matrice polimerica è normalmente costituita da resine di tipo termoindurenteLe resine termoindurenti sono meno viscose di quelle termoplastiche, generalmente resine epossidiche e più raramente in poliestere e in poliuretano.
Tipologia delle fibre
Le fibre utilizzate per la produzione di FRP devono avere o alta resistenza meccanica o elevato modulo elastico, a seconda della problematica da affrontare.
Le più comuni sono di: carbonio: il materiale fibrorinforzato è conosciuto come CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer). Le fibre possono essere: ad alto modulo elastico: modulo elastico: 390 - 760 GPa; resistenza a trazione: 2400 - 3400 MPa; ad alta resistenza: modulo elastico: 240 - 280 GPa; resistenza a trazione: 4100 - 5100 MPa; vetroLa vetroresina è il materiale FRP più diffuso al mondo ed è costituito da fibre di vetro in una matrice di resina poliestere o vinilestere; il materiale fibrorinforzato viene denominato GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) o, in italiano, PRFV (Poliestere Rinforzato con Fibra di Vetro). Le fibre di vetro possono essere; tipo E: modulo elastico: 72 GPa; resistenza a trazione: 3445 MPa a temperatura ambiente David Hartmann, Mark E. Greenwood e David M. Miller, High Strength Glass Fibers, scaricabile da Table 2 tipo S: modulo elastico: 87 GPa; resistenza a trazione: 4890 MPa a temperatura ambiente aramide (vedi kevlar): il materiale fibrorinforzato è noto come AFRP (Aramidic Fiber Reinforced Polymer). Tali fibre hanno: modulo elastico: 60 -180 GPa; resistenza a trazione: 3600 -3800 MPa. Meno usate sono le fibre di boro e quelle ceramiche.
Le fibre sono costituite da filamenti continui molto sottili (diametro circa 10 µm) che commercialmente sono disponibili sotto varie forme, tra le quali le più comuni sono: singolo filamento (monofilament) fascio di filamenti o cavo di filatura (tow): formato da migliaia di filamenti paralleli fra di loro, assemblati senza torsione; filo o filato (spun yarn): ottenuto da migliaia di filamenti paralleli fra loro, assemblati mediante torsione; filo assemblato (roving): filo ottenuto assemblando senza torsione un certo numero di spun yarn, disposti parallelamente fra loro.
le fibre prima del loro utilizzo vengono trasformate in tessuti o pultrusi. Tessuti Le fibre impiegate per il rinforzo della matrice polimerica possono venire trasformate in tessuti realizzati per mezzo di telai analoghi a quelli utilizzati nella realizzazione dei prodotti tessili tradizionali.Dal punto di vista della configurazione geometrica si possono distinguere in: tessuti monoassiali - costituiti da fibre o fasci di fibre disposte tutte parallelamente (ordito) e tenute assieme da una trama di filamenti che possono essere dello stesso materiale delle fibre dell'ordito o, più spesso, da un materiale diverso (es. nylon o poliestere) tessuti biassiali - vengono ottenuti intrecciando fasci di fibre secondo due direzioni ortogonali. Possono essere realizzati utilizzando sia fibre dello stesso tipo nelle due direzioni che fibre di natura diversa (es. carbonio in una direzione e aramide nell'altra). In quest'ultimo caso il tessuto viene definito “ibrido”. tessuti multiassiali - vengono ottenuti disponendo le fibre secondo più direzioni variamente inclinate tra di loro. In commercio esistono tessuti triassiali, con fasci di fibre intessuti lungo tre direzioni inclinate di 120° l'una rispetto all'altra, e tessuti quadriassiali caratterizzati dalla presenza di quattro diversi ordini di fibre inclinati di 135° l'uno rispetto all'altro. Oltre alla configurazione geometrica, un tessuto è caratterizzato dai seguenti parametri: grammatura (g/m2); larghezza (mm, cm, m); sezione resistente unitaria (mm2/m); resistenza a trazione (MPa); modulo elastico (MPa); allungamento a rottura (%). i tessuti così ottenuti vengono impregnati in opera con le resine polimeriche.
Elementi Pultrusi La pultrusione (dall'inglese pultrusion: pull + extrusion) è il processo produttivo mediante il quale vengono realizzati alcuni manufatti in composito. Tale tecnologia consiste in un processo di estrusione simile a quello utilizzato per la produzione dei laterizi durante il quale le fibre vengono tirate per garantir il loro perfetto allineamento prima di essere impregnate con la matrice polimerica. Un impianto di pultrusione comprende di regola: una stazione di svolgimento delle bobine di fibra continua; una vasca per l'impregnazione delle fibre con la resina polimerica; una stazione di formatura e stagionatura accelerata a caldo o a microonde per consentirne la rapida polimerizzazione; un sistema di cingoli o ganasce che servono ad esercitare la forza di trazione e a consentire l'avanzamento del prodotto; una stazione di taglio del prodotto finito nella lunghezza voluta. Con pultrusione si realizzano esclusivamente manufatti a sezione costante e con fibre tutte orientate in un'unica direzione. Pertanto con questa tecnologia si producono esclusivamente lamine, profilati e barre di varia forma e sezione. Profilati pultrusi vengono, ad esempio, utilizzati in edilizia per la realizzazione di infissi.
Applicazioni In commercio è presente una vasta gamma di prodotti FRP in forma di lamine, nastri, tessuti, barre, profilati, utilizzati in vari settori quali: elettrico ed energetico: es. reti per la delimitazione e il confinamento di trasformatori, linee elettriche ad alta tensione, centrali e stazioni elettriche; industriale; dei trasporti (campo automobilistico, ferroviario, navale e aeroportuale, aerospaziale ecc.): es. reti per il rinforzo di manti stradali soggetti a traffico pesante; civile e in special modo nel campo delle costruzioni (strutture in muratura, calcestruzzo armato, c.a.p., metalliche e legno). Calcestruzzo rinforzato con FRP I calcestruzzi rinforzati con FRP si ottengono associando alle strutture in calcestruzzo armato normale o precompresso tessuti, barre, lamine e nastri in materiale composito fibrorinforzato.
L'associazione dei due materiali in edilizia è utilizzata sempre più di frequente per il recupero di strutture esistenti, evitando così la demolizione delle stesse. Comunque i materiali FRP trovano impiego anche nella realizzazione di nuove costruzioni. Recupero strutturale I casi più frequenti sono:
ripristino della durabilità e della capacità portante (consolidamento) di strutture ammalorate; strutture per cui, nel corso della loro vita, sono variati i carichi accidentali di progetto; strutture staticamente non idonee a causa di errori di progettazione o realizzazione; adeguamento delle strutture a seguito di variazioni delle normative vigenti (es. normativa sismica); riparazioni di strutture a seguito di evento sismico. In campo sismico, gli FRP permettono di aumentare la capacità portante e/o la duttilità di una struttura senza l'introduzione di nuove masse sismiche. Tecnologie adottate Le tecnologie più utilizzate per il recupero strutturale sono: manual lay up: è attualmente la tecnologia più diffusa, consiste nell'impregnare tessuti secchi unidirezionali o pluridirezionali direttamente in opera utilizzando resine epossidiche che hanno la funzione sia di matrice che di adesivo al substrato strutturale. Questa tecnologia può essere secondo due metodologie: dry lay up - adatto per lavori ridotti, consiste essenzialmente in una prima fase in cui viene steso con un pennello o un rullo sul supporto in calcestruzzo un primer epossidico molto fluido che crea le migliori condizioni per l'adesione del tessuto, successivamente si applica il primo strato di tessuto con le fibre allineate lungo la direzione voluta e infine si impregna il tessuto mediante una resina epossidica fluida applicata anche questa con rullo o pennello. Con la stessa sequenza si applicano i successivi strati; wet lay up - più idoneo all'esecuzione di lavori su grandi superfici., rispetto al metodo precedente, subito dopo aver steso il primer si applica il tessuto preventivamente tagliato nella misura desiderata e immerso direttamente in una vaschetta contenente la resina epossidica fluida. plate bonding o metodo di placcatura: consiste nell'incollaggio strutturale con resine epossidiche di lamine poltruse (generalmente di forma rettangolare) direttamente sul substrato, opportunamente livellato, delle membrature in calcestruzzo armato normale o precompresso da consolidare. Questo metodo si basa sul più classico beton plaque in cui le lamine utilizzate sono in acciaio (incollate e/o bullonate).