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I MATERIALI COMPOSITI

FIBRORINFORZATI IN EDILIZIA

CARATTERISTICHE, APPLICAZIONI E QUADRO NORMATIVO

ing. Francesco Monni

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MATERIALE COMPOSITO: materiale costituito dall’abbinamento di due o più materiali diversi (denominati FASI) che rimangono distinguibili tra loro (le leghe metalliche non sono un composito).

PERCHE’ CREARE UN MATERIALE COMPOSITO?

L’unione dei materiali costituenti il composito offre prestazioni migliori di quelle che si possono ottenere dai singoli materiali

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Anche in natura si hanno esempi di materiali compositi:

LEGNO = FIBRE DI CELLULOSA + LIGNINA OSSA UMANE = FIBRE DI COLLAGENE + IDROSSIAPATITE

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L’idea non è nuova nemmeno nel mondo dei materiali da costruzione, si pensi alla tecnica di impastare TERRA E PAGLIA ed al CALCESTRUZZO ARMATO.

Il calcestruzzo è un materiale fragile: scarsa resistenza a trazione, buona resistenza a compressione.

La presenza di armatura metallica, migliora il comportamento nei confronti degli sforzi di trazione (es. flessione).

L’acciaio è invece l’anello debole nei problemi di durabilità, ma viene protetto dal calcestruzzo.

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Generalmente i materiali compositi sono costituiti da una FASE CONTINUA, detta MATRICE, in cui è dispersa una FASE DISCONTINUA, il RINFORZO (a volte si può ritrovare nel composito una INTERFASE, costituita dall’interfaccia tra rinforzo e matrice e dei FILLER, ossia riempitivi che riducono il contenuto di matrice).

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CLASSIFICAZIONE DEI COMPOSITI:

- compositi rinforzati con particelle: PARTICELLARI

- compositi rinforzati con fibre: FIBRORINFORZATI

- compositi STRUTTURALI (pannelli sandwich)

FIBRORINFORZATI: compositi dati dall’unione di FIBRE annegate in una MATRICE che solitamente è una resina (ma non solo)

FIBRE: conferiscono RESISTENZA e RIGIDEZZA al composito, in pratica sopportano i carichi.

MATRICE: LEGA e PROTEGGE le fibre, TRASFERISCE i carichi alle fibre e tra le fibre.

• Perché si usano le FIBRE? Perché lo stesso materiale usato nella conformazione di fibra microscopica ha qualità superiori che impiegato a livello macroscopico.

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Comparsi negli anni ‘40, i materiali compositi sono stati inizialmente utilizzati solo in quei settori dove era richiesta una elevata resistenza o rigidezza specifica e dove il costo del materiale non costituiva un problema rilevante.

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FIBRE IMPIEGATE IN EDILIZIA:

- FIBRE DI CARBONIO

- FIBRE DI VETRO

- FIBRE ARAMIDICHE

- FIBRE DI ACCIAIO

MATRICI IMPIEGATE IN EDILIZIA:

RESINE POLIMERICHE TERMOINDURENTI:

- RESINE EPOSSIDICHE

- RESINE POLIESTERE O VINILESTERE

FRP = Fiber Reinforced Polymers

- MATRICI CEMENTIZIE

FRCM = Fiber Reinforced Cementitiuos Matrix

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CARATTERISTICHE DI UN COMPOSITO FIBRORINFORZATO:

• elevata TENSIONE DI ROTTURA

• elevata resistenza alla CORROSIONE

• LEGGEREZZA (trascurabile aumento delle masse in gioco)

• VERSATILITA’ e VELOCITA’ DI APPLICAZIONE

• NON INVASIVITA’ e parziale REVERSIBILITA’ dell’intervento

RESTAURO STATICO DELLE STRUTTURE DEGRADATE

MIGLIORAMENTO/ADEGUAMENTO SISMICO DELL’ESISTENTE

ANCHE DI CARATTERE STORICO E MONUMENTALE

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CONFRONTO TRA LE PROPRIETA’ DELLE FIBRE E QUELLE DELL’ACCIAIO DA COSTRUZIONE:

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CONFRONTO TRA LE FIBRE: COMPORTAMENTO A TRAZIONE MONOASSIALE

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CONFRONTO TRA LE FIBRE: VALORI DEL MODULO E DELLA RESISTENZARAPPORTATI ALLA DENSITÀ (VALORI “SPECIFICI”).

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- ETEROGENEITA’: non trovo in ogni punto lo stesso materiale

poiché la scala delle applicazioni nel campo delle costruzioni è molto più grande rispetto a quella della microstruttura del composito, possiamo SCHEMATIZZARE IL MATERIALE COME OMOGENEO (con caratteristiche che dipendono dal rapporto in volume tra le fibre e la matrice)

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- ANISOTROPIA: non ha lo stesso comportamento in tutte le direzioni

- in particolare alle fibre vanno affidati solo sforzi di TRAZIONE nella direzione delle fibre

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Possiamo eliminare gli effetti dell’anisotropia sovrapponendo strati successivi di composito ognuno con fibre orientate diversamente (in commercio si trovano prodotti con fibre orientate in piu’ direzioni).

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- LEGAME COSTITUTIVO ELASTICO LINEARE: il composito che scaturisce dall’unione dei costituenti, mostra un legame costituitvo con prestazioni intermedie a quelle di questi sia per rigidezza che per deformabilità ma con andamento comunque elastico lineare fino a rottura.

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TIPOLOGIE DI FIBRORINFORZATI:

• SISTEMI PREFORMATI: PULTRUSI o LAMINATI da incollare

• SISTEMI IMPREGNATI IN SITU: TESSUTI o NASTRI di fibre che vengono impregnati da una matrice (resina) che, a seguito della sua polimerizzazione svolge anche la funzione di adesivo.

• SISTEMI PRE-IMPREGNATI: fogli, tessuti o nastri pre-impregnati con resina parzialmente polimerizzata

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MODALITA’ APPLICATIVE: • PREPARAZIONE DEL SUPPORTO

(rimozione strati superficiali e livellamento delle superfici)

• EVENTUALE STESURA DEL PRIMER (prodotto che favorisce l’adesione della resina)

• STESURA DEL PRIMO STRATO DELLA MATRICE

• STESURA DELLE FIBRE SU MATRICE FRESCA

• STESURA DEL SECONDO STRATO DI MATRICE EVENTUALI FINITURE SUPERFICIALI (sabbiatura con sabbia al quarzo)

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LIMITAZIONE DELL’IMPIEGO DELLE RESINE A CAUSA DI:

• PRESENZA DI UNA TEMPERATURA DI TRANSIZIONE VETROSA SPESSO VICINA ALLE CONDIZIONI OPERATIVE

• NECESSITA’ DI UNA PERFETTA PLANARITA’ DELLE SUPERFICI DELLE STRUTTURE DA RINFORZARE

• ASSENZA DI UMIDITA’ NEL SUBSTRATO

• UTILIZZO DI MANO D’OPERA SPECIALIZZATA

• DEGRADO DEGLI ATTREZZI DA LAVORO

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APPLICAZIONI:

- RINFORZO E RECUPERO DI STRUTTURE IN C.A.

- RINFORZO E RECUPERO DI STRUTTURE IN MURATURA

- RINFORZO E RECUPERO DI STRUTTURE IN PIETRA

- RINFORZO E RECUPERO DI STRUTTURE IN LEGNO

OBIETTIVI:

- INCREMENTO DELLA RESISTENZA A FLESSIONE

- INCREMENTO DELLA RESISTENZA A TAGLIO

- CONFINAMENTO ELEMENTI COMPRESSI

- ELIMINAZIONE DEI MECCANISMI DI COLLASSO

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RINFORZO E RECUPERO DI STRUTTURE IN C.A.: FLESSIONE

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RINFORZO E RECUPERO DI STRUTTURE IN C.A.: TAGLIO

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RINFORZO E RECUPERO DI STRUTTURE IN C.A.: CONFINAMENTO

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RINFORZO E RECUPERO DI STRUTTURE IN MURATURA

• intervento su un complesso di elementi strutturali (scatola muraria), non solo sul singolo elemento strutturale

• obiettivo: impedire l’evolversi di meccanismi di collasso

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utilizzabili anche per opere provvisionali

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Inserimento di tiranti o catene (a) o integrazioni materiche (b) che realizzano un contrasto all’evoluzione del meccanismo

• CERCHIATURA DELL’EDIFICIO (a) se intervengo sul complesso

• PLACCAGGIO o RISTILLATURA DEI GIUNTI (b) se intervengo sull’elemento

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Cerchiatura dell’edificio

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Rinforzo a taglio di pannelli murari

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Rinforzo di pannelli murari: placcaggio o ristillatura dei giunti

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Rinforzo di pannelli murari con rete bidirezionale in fibra e matrice cementizia

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Rinforzo di archi e volte

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Rinforzo di archi e volte: attenzione alle spinte a vuoto

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Cerchiatura di cupole

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RIFERIMENTI NORMATIVI La progettazione con FRP non è espressamente normata nelle NTC 08, ma al cap. 8.6 delle stesse si sottolinea la possibilità di utilizzare per interventi sulle costruzioni esistenti “materiali non tradizionali, purchè nel rispetto di normative e documenti di comprovata validità, ovvero quelli elencati al cap. 12”

cap. 12 NTC 08: “Per quanto non diversamente specificato nella presente norma, si intendono coerenti con i principi alla base della stessa, le indicazioni riportate nei seguenti documenti:

- Eurocodici strutturali pubblicati dal CEN, con le precisazioni riportate nelle Appendici Nazionali o, in mancanza di esse, nella forma internazionale EN;

- Norme UNI EN armonizzate i cui riferimenti siano pubblicati su Gazzetta Ufficiale dell’Unione Europea;

- Norme per prove, materiali e prodotti pubblicate da UNI.

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Inoltre, in mancanza di specifiche indicazioni, a integrazione delle presenti norme e per quanto con esse non in contrasto, possono essere utilizzati i documenti di seguito indicati che costituiscono riferimenti di comprovata validità:

- Istruzioni del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici;

- Linee Guida del Servizio Tecnico Centrale del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici;

- Linee Guida per la valutazione e riduzione del rischio sismico del patrimonio culturale e successive modificazioni del Ministero per i Beni e le Attività Culturali, come licenziate dal Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici e ss. mm. ii.;

- Istruzioni e documenti tecnici del Consiglio Nazionale delle Ricerche (C.N.R.).

Possono essere utilizzati anche altri codici internazionali, purché sia dimostrato che garantiscano livelli di sicurezza non inferiori a quelli delle presenti Norme tecniche”.

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Attualmente, di fatto in Italia, le norme di riferimento per la progettazione di rinforzi con materiali compositi sono il documento approvato dal CNR DT 200/2004: “Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l’utilizzo di Compositi Fibrorinforzati” e le “Linee guida per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Collaudo di Interventi di Rinforzo di strutture di c.a., c.a.p. e murarie mediante FRP”, documento approvato il 24 luglio 2009 dall’assemblea Generale del CSLLPP.

Le Istruzioni CNR-DT 200/2004 e le Linee Guida 2009, messe a punto unendo le conoscenze e l’esperienza dei produttori, degli utilizzatori (progettisti e costruttori), degli esponenti del mondo universitario e quelli delle professioni rispondono all’esigenza nazionale di conoscenza e di standardizzazione e forniscono un quadro normativo organico per il progetto di elementi e di strutture, sia di c.a. che di muratura, rinforzate con FRP, seguendo un approccio alla sicurezza congruente con l’assetto normativo degli Eurocodici.

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Completano il quadro della normativa riferita ai materiali compositi i seguenti documenti emanati dal CNR:

- DT 201/2005 “Studi preliminari finalizzati alla redazione di Istruzioni per Interventi di Consolidamento Statico di Strutture Lignee mediante l’utilizzo di Compositi Fibrorinforzati”.

- DT 202/2005 “Studi preliminari finalizzati alla redazione di Istruzioni per Interventi di Consolidamento Statico di Strutture Metalliche mediante l’utilizzo di Compositi Fibrorinforzati”.

- DT 203/2006 “Istruzioni per la progettazione, l’esecuzione ed il controllo di strutture di calcestruzzo armato con barre di materiale composito fibrorinforzato”.

- DT 204/2006 “Istruzioni per la progettazione, l’esecuzione ed il controllo di strutture di calcestruzzo fibrorinforzato”

- DT 205/2007 “Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Strutture realizzate con Profili Pultrusi di Materiale Composito Fibrorinforzato (FRP)”

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QUADRO TEMPORALE

L’OPCM 3274 del 20 Marzo 2003 ha normato, per la prima volta in Italia, l’impiego dei materiali compositi fibrorinforzati nella mitigazione della vulnerabilità sismica degli edifici esistenti di c.a. (vedi par. 11.3.4.3)

L’OPCM 3431 del 03 Maggio 2005 fa riferimento alle Istruzioni CNR-DT 200/2004 sui criteri da adottare per la progettazione, l’esecuzione ed il controllo di interventi di consolidamento statico con FRP.

La Circolare del Ministero per i Beni e le Attività Culturali del 05 Giugno 2007: “Linee guida per la valutazione e riduzione del rischio sismico del patrimonio culturale con riferimento alle norme tecniche per le costruzioni” riconosce come operazione tecnica consentita quella effettuata con i materiali compositi.

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CRITERI PER GLI INTERVENTI (secondo le Linee Guida BBCC 2007)

I criteri per la scelta degli interventi seguono la logica dei principi della conservazione. La valutazione della sicurezza e una chiara comprensione della struttura vengono posti alla base delle decisioni e delle scelte degli interventi.

L’intervento non deve essere finalizzato solo al raggiungimento di un appropriato livello di sicurezza della costruzione, ma deve garantire anche:

• COMPATIBILITÀ e DURABILITÀ

• INTEGRAZIONE (e NON TRASFORMAZIONE) della struttura

• RISPETTO DI CONCEZIONE E TECNICHE ORIGINARIE della costruzione

• NON-INVASIVITÀ

• REVERSIBILITÀ / removibilità (ove possibile),

• MINIMIZZAZIONE dell’intervento

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LINEE GUIDA BBCC - riferimenti espliciti all’uso dei compositi: - INTERVENTI VOLTI A RIDURRE LE CARENZE DEI COLLEGAMENTI

CERCHIATURE ESTERNE - CUCITURE ARMATE - PERFORI ARMATI - COLLEGAMENTI TRAVI SOLAIO-MURATURE - CORDOLI IN SOMMITÀ.

- INTERVENTI VOLTI AD INCREMENTARE LA RESISTENZA NEI MASCHI MURARI

- INTERVENTI VOLTI A RIDURRE LE SPINTE DI ARCHI E VOLTE ED AL LORO CONSOLIDAMENTO

- INTERVENTI VOLTI A RIDURRE L’ECCESSIVA DEFORMABILITÀ DEI SOLAI ED AL LORO CONSOLIDAMENTO

- INTERVENTI IN COPERTURA

- INTERVENTI VOLTI AD INCREMENTARE LA RESISTENZA DEGLI ELEMENTI MURARI RISTILATURA ARMATA DEI GIUNTI - DIATONI ARMATI - PLACCAGGIO

- INTERVENTI SU ELEMENTI NON STRUTTURALI

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CRITERI E TIPI DI INTERVENTO (secondo le NTC 2008) Cap. 8.7.4 “Per tutte le tipologie di costruzioni esistenti gli interventi di consolidamento vanno applicati, per quanto possibile, in modo regolare ed uniforme. L’esecuzione di interventi su porzioni limitate dell’edificio va opportunamente valutata e giustificata, considerando la variazione nella distribuzione delle rigidezze e delle resistenze e la conseguente eventuale interazione con le parti restanti della struttura. Particolare attenzione deve essere posta alla fase esecutiva degli interventi, in quanto una cattiva esecuzione può peggiorare il comportamento globale delle costruzioni. La scelta del tipo, della tecnica, dell’entità e dell’urgenza dell’intervento dipende dai risultati della precedente fase di valutazione, dovendo mirare prioritariamente a contrastare lo sviluppo di meccanismi locali e/o di meccanismi fragili e, quindi, a migliorare il comportamento globale della costruzione”.

Per quanto riguarda le NTC 2008 riferimenti espliciti all’uso dei compositi vengono riportati nelle “Istruzioni per l’applicazione delle Norme Tecniche per le Costruzioni di cui al D.M. 14 gennaio 2008”, circolare del CSLLPP del 26 febbraio 2009 (ed in particolare nel cap. C8A.5 per quanto rigurda la muratura e nel C8A.6 per quanto riguarda il C.A.) del suddetto documento.

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Istruzioni per l’applicazione delle NTC 2008 - C8A.5: “Criteri per gli interventi di consolidamento degli edifici in muratura”

C8A.5.1 INTERVENTI VOLTI A RIDURRE LE CARENZE DEI COLLEGAMENTI: Inserimento di tiranti - Cerchiature esterne - Collegamenti locali per garantire un’adeguata ammorsatura - Perforazioni armate con barre in materiale composito - Cordoli in sommità in muratura armata con materiale resistente a trazione

C8A.5.2 INTERVENTI SUGLI ARCHI E SULLE VOLTE: è possibile il ricorso a tecniche di placcaggio all'estradosso con fasce di materiale composito. Il placcaggio all’intradosso con materiali compositi è efficace se associato alla realizzazione di un sottarco, in grado di evitare le spinte a vuoto, o attraverso ancoraggi puntuali,diffusi lungo l’intradosso.

C8A.5.3 INTERVENTI VOLTI A RIDURRE L’ECCESSIVA DEFORMABILITÀ DEI SOLAI: inserimento di rinforzi con materiali compositi, fissate al tavolato con andamento incrociato.

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C8A.5.4 INTERVENTI IN COPERTURA: rinforzo dei nodi con elementi resistenti a trazione

C8A.5.6 INTERVENTI VOLTI AD INCREMENTARE LA RESISTENZA NEI MASCHI MURARI: ristilatura armata dei giunti - Inserimento di diatoni artificiali in materiale resistente a trazione - Placcaggio con tessuti o lamine in materiale resistente a trazione

C8A.5.7 INTERVENTI SU PILASTRI E COLONNE: cerchiatura con materiali resistenti a trazione

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L’ESECUZIONE DELL’INTERVENTO CON FRP Il funzionamento ottimale di un rinforzo strutturale di materiale composito è subordinato a diversi fattori. Tra questi occupano un ruolo fondamentale:

• IL CONTROLLO E LA PREPARAZIONE DEL SUBSTRATO SU CUI IL RINFORZO È APPLICATO

• la sua MESSA IN OPERA.

Una volta che l’intervento sia stato realizzato è necessario procedere al CONTROLLO DELL’ESECUZIONE ed, in seguito, al suo MONITORAGGIO NEL TEMPO mediante prove non distruttive o parzialmente distruttive (vedi CNR DT 200/2004 par. 5.8 “INSTALLAZIONE, MONITORAGGIO E CONTROLLO”).

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CONTROLLO (VALUTAZIONE DEL DETERIORAMENTO) E PREPARAZIONE DEL SUBSTRATO:

- Controllo del substrato e caratterizzazione del materiale (prove)

- Rimozione delle parti deteriorate

- Blocco dei processi degenerativi (ove possibile)

- Ripristino delle parti ammalorate

- Livellamento delle superfici (asperità superiori a 10 mm)

- Sabbiatura (per migliorare l’aderenza)

- Smussare gli spigoli (raggio di curvatura non inferiore a 20 mm)

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LA MESSA IN OPERA: raccomandazioni per l’esecuzione a regola d’arte

CONDIZIONI DI UMIDITÀ E TEMPERATURA DELL’AMBIENTE E DEL SUBSTRATO

• Assenza di umidità (o comunque umidità superficiale minore del 10%).

• Range di temperatura ambiente e del substrato adeguate (10 – 35 °C).

PARTICOLARI COSTRUTTIVI E NORME DI ESECUZIONE

• Lunghezza di ancoraggio minima di 300 mm.

• Prevedere la presenza di “testimoni” dell’esecuzione del rinforzo per successive prove distruttive.

PROTEZIONE E FINITURA DEL SISTEMA DI RINFORZO

• Nel caso di applicazioni in ambiente esterno è sempre consigliabile proteggere il sistema di rinforzo dall’azione diretta dell’irraggiamento solare.

• Possibilità di rivestire con intonaco il rinforzo previo spolvero sulla resina ancora fresca di di polvere di quarzo.

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CONTROLLO DELL’ESECUZIONE

Il controllo di qualità dell’installazione deve prevedere almeno un CICLO DI PROVE SEMI-DISTRUTTIVE (prova di strappo normale e prova di strappo a taglio), per la caratterizzazione meccanica della stessa ed almeno una MAPPATURA NON DISTRUTTIVA che ne assicuri l’omogeneità di esecuzione.

Prova di strappo normale (PULL OFF TEST): la prova, utile per valutare la resistenza dell’adesione a sforzi di trazione perpendicolari alle fibre di rinforzo e per l’accertamento delle proprietà del sub-strato ripristinato, viene eseguita utilizzando piastre circolari di acciaio di spessore 20 mm e con diametro non inferiore a 40 mm. Il rinforzo deve essere tagliato attorno al bordo della piastra, prima della prova, con una fresa cilindrica retta di diametro 3 mm, rotante ad almeno 2500 giri/min, avendo cura di non surriscaldare il composito e di ottenere l’incisione anche del substrato per uno spessore di 1-2 mm. L’applicazione può ritenersi soddisfacente se almeno l’80% delle prove fornisce una tensione di picco allo strappo non inferiore al 10% della resistenza a compressione del supporto ed inoltre se la crisi è prevalentemente localizzata al di sotto della superficie di interfaccia composito/substrato.

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Prova di strappo a taglio (DIRECT SHEAR TEST): la prova risulta particolarmente significativa per valutare la resistenza dell’adesione a sforzi di trazione tangenziali alle fibre di rinforzo e per l’accertamento della qualità dell’incollaggio. È eseguibile solo se è possibile tirare una porzione di materiale composito nel proprio piano in corrispondenza di uno spigolo staccato dal substrato. L’applicazione può ritenersi accettabile se almeno l’80% delle prove fornisce una forza di picco allo strappo non inferiore al 5% della resistenza a compressione del supporto.

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Prove non distruttive

Le prove non distruttive possono essere utilizzate per caratterizzare l’omogeneità dell’applicazione a partire da adeguate mappature bidimensionali della superficie rinforzata aventi risoluzione spaziale differenziata in funzione della zona del rinforzo, secondo le indicazioni fornite dalle istruzioni.

- Prove di tipo acustico stimolato: fondate sul diverso comportamento oscillatorio del composito con o senza coerenza col substrato. La battitura può essere manuale o con sistema automatizzato.

- Prove ultrasoniche ad alta frequenza: individuazione di difetti mediante riflessione (all’interfaccia tra due materiali che presentano una diversa impedenza acustica) con alte frequenze

- Prove in emissione acustica: metodo di controllo passivo che registra i “rumori” generati dalla formazione di fessure o distacchi che si propagano nel mezzo come onde elastiche può essere usata per rilevare difetti di applicazione o inizi di distacco del rinforzo

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- Prove termografiche: efficaci solo per materiali a bassa conducibilità termica (poco adatte a carbonio e acciaio), attenzione al livello di temperatura che non deve essere troppo vicino a a quella di transizione vetrosa

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