Fibre e FRP

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Composito = materiale multifase (Principio di Azione Combinata)

fase continua (MATRICE) fase diffusa (FIBRE) a dispersione (a) Geometria fase diffusa con particelle (b) con fibre (c)

● a dispersione → piccole particelle disperse bloccano le dislocazioni ⇒ limitata deformazione plastica, maggior resistenza allo snervamento, a trazione, maggior durezza [10 nm < d < 100 nm ; V > 15% ];

● con particelle → particelle rinforzanti (filler) non producono indurimento mediante interferenza del moto delle dislocazioni ma limitano il movimento della matrice in prossimità della singola particella [d > 1 µm ; 20% < V < 40% ];

● con fibre → alta resistenza e/o rigidità rispetto al peso; resistenze e moduli alti; basse densità matrice e fibre [d varia da qualche frazione di micron a qualche decimo di millimetro; V varia da pochi percento a valori dell’ordine del 70% ];

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Sfruttamento massimo delle fibre I → matrice elastica – fibre elastiche; II → matrice plastica – fibre elastiche; (diminuisce Ematrice) III → matrice plastica – fibre plastiche; (condizione rara: fibre sono o materiali incruditi [dislocazioni bloccate] o con assenza di dislocazioni [whiskers] ⇒ no deformazioni plastiche! IV → rottura materiale;

si può rompere prima la fibra o fratturarsi la matrice; la rottura può essere catastrofica o meno in base al tipo di legame fibra-matrice (parametro che il progettista può governare!)

grado di sfruttamento massimo delle fibre corte cll

=α

anisotropia permette di sfruttare completamente il materiale!

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organiche (spettro risposta + ampio!) organica (Kevlar,…) matrici minerali fibre di origine minerale (carbonio, vetro,…) metalliche metallica (acciaio, boro,…) FIBRE:

1. carbonio → alta resistenza a torsione; alto E; elevata rigidità; elevata resistenza trazione/compressione; bassa densità; eccezionale tenuta al calore in atmosfera non ossidante; coefficiente di dilatazione nullo;discreta conduttività elettrica; insensibilità a umidità e agenti corrosivi (tranne acidi ossidanti e metalli); (carbonio da PAN , carbonio da pece)

2. vetro → buone caratteristiche meccaniche (resistenza a trazione e strappo); modulo di

elasticità non elevato; buona resistenza a elevate temperature (tranne E – R); buon rapporto prestazione/costo; compatibilità con diverse matrici; (E , D , C , R , S)

3. aramidiche → elevata resistenza a trazione; bassa densità; rigidità non elevata come carbonio (elevato allungamento a rottura); resistenza a taglio e compressione debole (migliora tenacità); buona resistenza a fatica e allo shock; non particolare resistenza al calore; buon isolante termo-elettrico; buona resistenza ad agenti chimici (tranne acidi e basi forti); elevato assorbimento acqua; sensibilità ai raggi UV. (Kevlar 29 , Kevlar 49)

Fibre di carbonio, di vetro, aramidiche

Parametro Carbonio da PAN

Carbonio da pece Vetro E Vetro Ar Vetro S Aramidiche

Tenacità (GPa) 1,8 - 7,0 1,4 - 3,0 3,5 3,5 4,6 2,6 - 3,4

Modulo E (GPa) 230 - 540 140 - 820 73,5 175 86,8 55 - 127

Allungamento alla rottura (%)

0,4 - 2,4 0,2 - 1,3 4,8 2,72 5,4 2 - 4,6

Densità (g/cm3) 1,75 - 1,95 2,0 - 2,2 2,57 2,68 2,46 1,39 - 1,44

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Fibre di carbonio = “transizione” tra inorganiche e organiche (derivanti da modificazioni di fibre o peci organiche) da pece da PAN

da PAN → PAN caratterizzata da composizione chimica adeguata, particolare orientamento molecolare, determinata morfologia;

ciclizzazione – PAN ossidato (nero ignifugo) ha proprietà meccaniche modeste 220 – 260°C – controllo ritrazione della fibra (allineamento segmenti molecolari lungo asse fibra ⇒ alto E); carbonizzazione 400-1000°C – rimozione atomi da struttura e sviluppo struttura granitica; fibra contiene 90% C + 5% azoto;

da pece → residuo distillazione catrame o petrolio (idrocarburo aromatico); processo più breve del precedente!

trattamento termico 400-450°C – mesofase (cristalli liquidi), molecole orientate lungo asse fibra; estrusione 380°C - fase isotropa resa in fusibili per termofissaggio (300°C); carbonizzazione 1000°C – garantisce elevato E;

Caratteristica Fibre da PAN Fibre da Pece

Tenacità (GPa) 1,8-7,0 1,4-3,0

Modulo Elastico (GPa) 230-540 140-820

Allungamento a rottura (%) 0,4-2,4 0,2-1,3

Densità (g/cm3) 1,75-1,95 2,0-2,2

Fibre di vetro di diversi tipi che si differenziano per le loro prestazioni:

- E → utilizzato nella realizzazione di stratificati in quanto assicura buone proprietà fisico- chimiche a un prezzo contenuto; - D → permeabile alle onde elettromagnetiche;

- C → elevata resistenza chimica, particolare resistenza agli acidi;

- R ed S → elevate prestazioni meccaniche, resistenti a fatica e alle alte temperature.

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Comportamento meccanico dipende fortemente dalle tensioni di aderenza che si sviluppano all’interfaccia lamina-cls; tali

tensioni possono essere la causa di premature crisi del sistema di rinforzo, in quanto oltre al

superamento delle resistenze ultime dei singoli materiali costituenti l’elemento in c.a. rinforzato, la

rottura può avvenire per superamento della resistenza del legame di interfaccia (peeling off ).

Analisi legame d’interfaccia debonding → rottura fragile (zona ancoraggio) Modalità di crisi Delaminazione → rottura collegamento dovuta a crisi legame di aderenza lamina-cls;

Rottura all’interno dell’adesivo → resistenza a trazione di quest’ultimo è più bassa di quella del cls;

Rottura interlaminare nell’FRP → crisi legame di aderenza tra fibre e matrice;

Rottura per crisi di uno dei tre materiali (acciaio, cls , FRP).

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Il problema del taglio nelle travi in c.a. esternamente rinforzate con materiali FRP

Tension Plate Configurazioni di rinforzo Web Plate External Stirrups Messa in opera lamine FRP:

trattamento preventivo → stabilizzazione superficie mediante sabbiatura, spazzolatura o

martellinatura: garantisce alto grado di presa;

pulizia zone “omogeneizzate” → potenti getti d’acqua e successiva asciugatura;

primer → penetra nei piccoli fori ancora presenti nella superficie del cls per migliorare

base d’incollaggio;

pasta epossidica → funzione di collante;

messa in opera lamina ;

rullaggio → assicura che lamina sia impregnata di saturante;

saturante → migliora interazione lamina-cls;

rimozione resina in eccesso.

Trattamento superficiale Primer Resina epossidica Lamina FRP Resina di saturazione

Ripristino parti mancanti

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Modalità di rottura della trave

Schiacciamento del cls compresso

Scollamento lamina FRP

Snervamento acciaio interno e rottura lamina

Rottura a taglio

Rottura del copriferro

Scollamento dovuto alla fessurazione

Possibili modi di rottura di una trave in C.A. rinforzata con lamina di FRP all’intradosso

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Contributo a taglio dell’FRP è legato a diversi fattori quali:

resistenza a trazione e compressione del cls;

rigidezza della lamina ( FRPFRP E⋅ρ );

qualità della resina epossidica;

modalità di rinforzo;

Angolo di orientazione delle fibre.

Formulazioni:

◊ Triantafillou → SLU, analogia con staffe interne; rigidezza assiale del composito

inversamente proporzionale a deformazione effettiva dello stesso;

% rinforzo a taglio in FRP ( ) ( )FRPFRPFRPFRP swbt //2 ⋅⋅=ρ “quantità ottime” di materiale ⇒ strisce di FRP;

anisotropia materiale → fibre orientate il più possibile ortogonalmente a diagonali di rottura;

rottura lamina per elevate concentrazioni di tensione, non per raggiungimento tensione ultima;

◊ Khalifa → sperimentazioni con travi a T [*] , calcolo del coefficiente R di

riduzione della tensione ultima che rende nota la modalità di rottura;

- rottura lamina → R è funzione di rigidezza assiale del composito;

- distacco lamina → R è funzione di lunghezza d’incollaggio effettiva;

◊ Matthys → proposte analoghe a Triantafillou ma con modifica sostanziale:

allungamento fibre è funzione anche del rapporto (a/d);

◊ Spadea e Colotti → modello meccanico “Strut-and-Tie” calcola non solo la capacità

di resistenza a taglio ma anche la modalità di rottura; tiene conto di

aderenza lamina-cls; configurazione di rinforzo variabile tra

appoggi e mezzeria così come armatura trave;

modello Triantafillou Khalifa Matthys Spadea e Colotti

COV (%) 20,3 25,4 25,4 16,5

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[*]

I campioni utilizzati da Khalifa sono:

• BT1 → trave di riferimento;

• BT2 → trave rinforzata con lamina di CFRP, configurazione ad “U” (Web Plate + Tension

Plate) senza ancoraggio nella parte terminale, fibre orientate perpendicolarmente

all’asse longitudinale della trave;

• BT3 → trave rinforzata con una sola lamina a flessione (Tension Plate) e con lamina

doppia a taglio (Web Plate), la seconda lamina è disposta con le fibre parallele

all’asse longitudinale della trave;

• BT4 → trave rinforzata sempre con configurazione ad “U” ma questa volta con strisce di

CFRP, le fibre sono orientate come nella BT2;

• BT5 → trave rinforzata solo a taglio (Web Plate) con strisce di materiale composito come

nella BT4;

• BT6 → trave rinforzata come nella BT2 ma con ancoraggio nella parte terminale.

2 Ø13

2 Ø28

staffe Ø10

Dimensioni espresse in mm

Trave usata nella sperimentazione da Khalifa

Esempio di trave rinforzata

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Risultati ottenuti: o BT1 → la frattura dovuta a taglio inizia contemporaneamente al centro di entrambi gli

shear span, la prima frattura è quella critica; ad un incremento di carico tale frattura

si propaga provocando rapidamente la rottura della trave;

o BT2 → in questo caso la rottura inizia a causa dello scollamento della lamina, con annesso

uno strato di conglomerato, nella zona dove precedentemente (BT1) iniziava la

frattura. La resistenza a taglio è comunque migliorata senza sfruttare al massimo le

potenzialità del CFRP, provvedendo a non far scollare la lamina si avrebbe un

vantaggio ancora maggiore;

o BT3 → il comportamento di questo campione è simile a quello precedente (BT2) da cui è

facilmente deducibile che l’uso di una lamina con le fibre disposte parallelamente

all’asse longitudinale della trave, incollata sull’altra lamina a fibre ortogonali, non

dà alcun vantaggio se la rottura avviene per scollamento;

o BT4 → la frattura in questo caso si propaga come in BT1, la rottura avviene per

scollamento delle strisce lungo la diagonale di rottura con uno strato di

conglomerato aderente alle strisce; ciò avviene tra il centro della lesione e la parte

superiore della stessa; la resistenza di questa trave è molto simile a quella BT2, il

che induce a pensare che ci siano quantità “ottime” di FRP da utilizzare oltre le

quali la risposta della trave varia in maniera trascurabile;

o BT5 → la diagonale di rottura si propaga con un incremento di carico pressappoco come in

BT1 e BT4, ma lo scollamento avviene tra il centro della lesione e la parte

inferiore della stessa;

o BT6 → l’ancoraggio provoca un miglioramento significativo delle prestazioni delle

lamine, ma non sono da sottovalutare i danni provocati localmente al composito

nella parte da ancorare; in questo caso non avviene lo scollamento della lamina e la

trave si rompe a flessione, garantendo maggiore rigidezza e duttilità rispetto al

campione BT2.

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Vendite mondiali di fibre di carbonio nei compositi

Anno tonnellatecrescitaannua

%

milioni$

crescitaannua

% $/kg

1992 5890 - 374,1 - 63,5

1993 6613 12 384,9 3 58,2

1994 7894 19 461,4 20 58,5

1995 8931 13 464,8 0,7 52,0

1996 9365 5 489,2 5 52,2

1997 11762 26 621,4 27 52,8

Tessili tecnici totali nel mondo

Anno migliaiatonnellate

milioni$ $/kg % in

peso % in

valore

1985 6062 33160 5,47 100,0 100,0

1990 7844 42528 5,42 129,4 128,3

1995 9321 49963 5,36 153,8 150,7

2000 11327 60271 5,32 186,9 181,8

2005 13688 72330 5,28 225,8 218,1

MBrace FIBRE C1-30

MBrace FIBRE C5-30

MBrace FIBRE C8-30

MBrace FIBRE G-60AR

MBrace FIBRE ARAMIDE

Tipo di fibra Carbonio alta

resistenza Carbonio alto

modulo

Carbonio altissimo modulo

Vetro alcali resistente

Aramidica

Aspetto del tessuto Unidirezionale Unidirezionale Unidirezionale Unidirezionale Unidirezionale

Densità superficiale, [kgm-2

0.300 0.300 0.300 0.600 0.300

Densità, [kgm-3] 1820 1820 2100 2600 1440

Spessore equivalente di tessuto secco, [mm]

0.165 0.165 0.143 0.230 0.214

Coefficiente dilatazione termica, [K-1]

-10-7 -10-7 -10-7 5*10-6 -3.5*10-6

Resistività elettrica, [Wm]

1.6*10-5 Conduttivo

1.6*10-5 Conduttivo

1.6*10-5 Conduttivo

Isolante Isolante

Modulo elastico caratteristico a trazione, ASTM 3039 [MPa]

230000 390000 640000 65000 105000

Resistenza caratteristica a trazione, ASTM 3039, [MPa]

3430 3000 1900 1700 2800

Deformazione ultima, [%]

1.5 0.8 0.3 2.8 2.7