magazine - Tecnedit Edizioni Srl · Year XI – Issue 41 Settembre 2016 September 2016 Periodicità...

anno XI - numero 41 settembre 2016

O r g a n o u f f i c i a l e d i A s s o c o m p o s i t i

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3Compositi

Launch of the EuCIA Eco Impact Calculator for composites

Lancio ufficiale dell’Eco Impact Calculator per i compositi

Prof. Roberto Frassine, Presidente Assocompositi

In July EuCIA announced the launch of the online Eco Impact Calculator. The Eco Calculator pro-vides an easy way to calculate the environmental impacts of composite parts from ‘cradle-to-gate’ without the need of a deep knowledge of LCA methodology.It includes the raw materials, processing and waste impacts of the part up and till the gate of the part producer. The Eco Impact Calculator incorporates a pre-defined set of material data from EcoInvent 3.1 and EU producer based process data following ISO 40040/44 methodology. It also allows the user to enter own conversion process data, generating a more precise result for the individual producers.Users can calculate, save and export the environ-mental impacts of as many different composite parts as they need. An EcoReport (pdf) can be gen-erated summarizing the results for the part under study. The Eco Calculator will be extended in the coming months with an extra function to generate records for import in LCA software SimaPro. This first version of the Eco Impact Calculator is tem-porarily offered free of charge since it is still un-der development.The materials and processes are under continuous review and industry is continuously asked to pro-vide more data to further expand and improve the tool. The new tool will surely support the compos-ites industry to face future market opportunities and challenges. The Eco Impact Calculator is an initiative of EuCIA and is developed by EY CCaSS and BiinC (both from the Netherlands).

To test it visit the website:http://ecocalculator.eucia.eu/

Lo scorso luglio EuCIA ha annunciato il lancio onli-ne dell’Eco Impact Calculator. Lo strumento fornisce un modo semplice per calcolare, senza la necessità di una profonda conoscenza della metodologia LCA, l’impatto ambientale dei componenti in compositi “cradle-to-gate”.Quest’ultimo comprende le materie prime, la lavora-zione e l’impatto dei rifiuti fino “ai cancelli” del pro-duttore. L’Eco Impact Calculator incorpora un set predefinito di dati sui materiali da Ecoinvent 3.1 e dati produttivi EU in accordo con la metodologia ISO 40040/44; consente inoltre all’utente di inserire i pro-pri dati di produzione, generando così un risultato più preciso per ogni singolo utilizzatore.Gli utenti possono calcolare, salvare ed esportare gli impatti ambientali di tutti i differenti componenti in composito di cui hanno bisogno. Può essere quindi generato un EcoReport (in pdf) che riassume i risul-tati del componente oggetto di studio. Nei prossimi mesi lo strumento sarà potenziato con una funzione extra per importare i dati LCA nel software SimaPro. Questa prima versione del calcolatore è offerta gra-tuitamente dal momento che è ancora in fase di svi-luppo. I materiali e i processi, infatti, sono in fase di costante revisione e l’industria è continuamente sol-lecitata a fornire nuovi dati per espandere e miglio-rare il calcolatore.Il nuovo strumento sarà un valido supporto per l’in-dustria dei compositi per affrontare le opportunità e le sfide future del mercato. L’Eco Impact Calculator, finanziato interamente da EuCIA, è stato sviluppato dalle due società olandesi EY CCaSS e BiinC.

Per utilizzarlo visitate il sitohttp://ecocalculator.eucia.eu/

Editoriale

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Anno XI – Numero 41Year XI – Issue 41

Settembre 2016September 2016

Periodicità trimestraleQuarterly review

abbonamento Italia € 25,00abbonamento Estero € 50,00una copia € 7,00

Registrazione al tribunale diMilano n. 189 del 20/03/2006

Pubblicità e Marketingvia Delle Foppette, 620144 Milano – Italytel. +39 0236517115fax. +39 0236517116

e-mail:[email protected]

ImpaginazioneLayout

Andrea Mantica

Stampa - Printed byGrafteam - Brescia

È vietata la riproduzione, anche parziale, senza l’autorizzazione

della casa editriceReproduction even partial is

forbidden, without the permissionof the publisher

Direttore responsabilePublishing manager

Liliana Pedercini

Coordinamento di redazioneEditing Co-ordination

Anna SchwarzSandra Sisinni

Ufficio CommercialeSales officeSara Sturla

Comitato Tecnico – ScientificoTechnical Scientific Committee

Luigi AscioneAndrea BenedettiRoberto Frassine

Alfonso MaffezzoliOrazio Manni

Mario MarchettiClaudio Migliaresi

Carlo PoggiMarino Quaresimin

Andrea RattiGiuseppe Sala

Antonino ValenzaMaurizio Vedani

A questo numero hanno collaborato

ContributorsLuigi Ascione

Dionisio BadagliaccoOtello BergamoWillem Böttger

Giuseppe ChidichimoSara Coppola

Ben DrogtChristoph Fahrenbrach

Pietro FerraroJosefina Lindblom

Alessio LipariLuciano OmbresChris Pantelides

Marie-Isabel PopzykGaetano RussoJens SchäferThomas Gries

Antonino ValenzaSjoerd Woelders

Sommario

EDITORIALE 3

VITA ASSOCIAZIONE 7

Verso un Eurocodice sulle 9 strutture FRPToward a Eurocode on FRP StructuresLuigi Ascione

FRP nel retrofitting di 15 infrastrutture stradali storicheFRP elements in a historical road infrastructureOtello Bergamo, Gaetano Russo

Calcestruzzo confinato con 19 FRCM: analisi sperimentale della risposta meccanicaFRCM confined concrete: experimental analysis of the structural responseLuciano Ombres

Riparazione rapida di pilastri in 24 calcestruzzoRapid Repair of Concrete ColumnsChris Pantelides

Malte a base di biocalce e fibre 27 di canna comuneBiolime based mortars and vegetable fibers of giant reedDionisio Badagliacco, Alessio Lipari, Antonino Valenza

Compositi e ambiente possono 31 andare d’accordo!Composites and the environment can be a perfect fit!Ben Drogt

I tiranti anti-terremoto in fibra 36 di carbonioGreen buildings: a European 37 common languageLa sezione CESMA “Giulio Douhet”a supporto del settore Aerospaziale

VETRINA 38

VETRINA 43-44Bio compositi a basso impatto 45 ambientale Bio-composites with low environmental impact

Il progetto “GreenBraid” 49 The project “GreenBraid”M.I. Popzyk, J. Schäfer, T. Gries, W. Böttger, C. Fahrenbrach, S. Woelders

Il progetto ginestra: ricerca, 52 risultati e applicazioniThe project Spanish BroomGiuseppe Chidichimo

Motore in plastica stampato 57 in 3D con il PeekFIERE: Advanced Engineering 2016 set for its return Fabbricazione e prototipazione 58 rapidaFabrication and prototypesSara Coppola, Pietro Ferraro

VETRINA 63Dagli NDT tradizionali alla 66 tomografia

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7Compositi

Ottimo bilancio per la4ª Scuola Estiva compositiAssocompositi, in collaborazione con Università di Salerno e SAMPE Italia, ha organizzato a Salerno dal 6 all’8 settembre la quarta edizione della Scuola Estiva sui materiali compositi. Tra le aziende partecipanti Mapei, Netzsch Gerätebau (che ha anche effettuato una dimostrazione con strumentazione per i controlli dei compositi con analisi termica), Arup Italia e Ruredil. Si sono tenute anche lezioni a cura di ETH Zurich, Politecnico di Milano, Università di Napoli, Università del Salento, Univer-sità di Salerno e CIRA (Centro Italiano Ricerche Aerospaziali). La Scuola ha incluso anche una visita aziendale presso Tecno Tessile Adler, il più grande stabilimento industriale italiano de-stinato alla produzione di componenti in fibra di carbonio per l’industria automotive, rivolto in particolare alla realizzazione del nuovo telaio in fibra di carbonio per la 4 C Alfa Romeo. L’evento si è riconfermato quale importante appuntamento biennale per ricercatori, studenti, tecnici e progettisti per l’approfondimento delle proprie competenze e della propria preparazione tecnica su proprietà, tecnologie di processo, progettazione e nuove ap-plicazioni sui materiali compositi. Gli atti della Scuola saranno online nel sito dell’Associazione entro fine dicembre. Ringra-ziamo molto per il supporto gli sponsor della scuola, Mapei e Netzsch Gerätebau. La Scuola è stata seguita, il 9 settembre, dalla 3ª Edizione Giornata sul Grafene e Ossido di Grafene, or-ganizzata da Università di Salerno, Consorzio Interuniversita-rio di Scienza e Tecnologia dei Materiali e AIM. Il convegno è stato un importante momento di confronto sullo stato dell’ar-te della ricerca sul grafene e sulle sue applicazioni industriali.

Nuovo SocioSiamo lieti di dare il benvenuto tra i nostri Soci a Comec In-novative, azienda attiva dal 1965, con sede a Chieti, specia-lizzata nella produzione di macchinari e componenti per vari settori industriali, compreso quello dei compositi.Per info: www.comecinnovative.it

A Düsseldorf per Composites Europe 2016Ancora pochissimi stand rimasti nel Padiglione Italia a Compo-sites Europe 2016. L’area collettiva (situata nella Hall 8A) avrà come sempre una Lounge comune interna con bar e tariffe scontate per i nostri Soci. Il layout dell’area e i dettagli dell’of-ferta possono essere richiesti alla Segreteria Assocompositi.

EcoCalculator di EuCIA gratis per i nostri SociSiamo orgogliosi di annunciare che lo scorso luglio è stato lan-ciato ufficialmente l’Eco Impact Calculator di EuCIA. Il nuovo tool fornisce un modo semplice per calcolare l’impatto am-bientale “cradle-to-gate” dei componenti in materiali compo-siti. I nostri Soci possono utilizzarlo gratuitamente. Visitate il sito web dell’Eco Calculator: http://ecocalculator.eucia.eu/Per ulteriori informazioni è anche possibile contattare Ms. Dia-na de Graaf della società EY Sustainability ([email protected], Phone +31 621251976) che insieme a BiinC ha col-laborato allo sviluppo del tool.

JEC World 2017L’appuntamento annuale con il Padiglione Italia è rinnovato dal 14 al 16 marzo 2017 presso la fiera di Paris Nord Villepin-te. Assocompositi ha avviato per l’occasione un’importante collaborazione con ICE (Agenzia per la promozione all’estero e l’internazionalizzazione delle imprese italiane). Ulteriori in-formazioni e l’offerta per i Soci saranno comunicate entro la prima metà di settembre.

Area Workshop a SAIE 2016Per la prossima edizione di SAIE, che si terrà a Bologna dal 19 al 22 ottobre, Bologna Fiere propone ai nostri Soci l’allesti-mento all’interno del Pad. 26 (dedicato alle tecnologie) di un’a-rea espositiva collettiva all’interno della quale sarà creato uno spazio per workshop pratici sui vari tipi di rinforzo strutturale con i compositi. Assocompositi coordinerà il programma dei workshop. Ai nostri associati verrà inoltre riservata una sconti-stica speciale sugli stand. Il progetto prevede l’adesione di un minimo di 5 aziende. Per informazioni: [email protected]

Fiere Experience Composites21-23 settembre, Germania

WindEnergy Hamburg27-30 settembre, Germania

IBEX4-6 ottobre, USA

3rd International Conference & Exhibition on Thermoplastic Composites11-12 ottobre, Germania

SAIE19-22 ottobre, Bologna

K201619-26 ottobre, Germania

Composites Engineering Show2-3 novembre, UK

JEC Asia15-17 novembre, Singapore

Composites Europe 201629 novembre-1ºdicembre, Germania

ConferenzeGraphene World Summit19-20 settembre, USA

I controlli non distruttivi nelle applicazioni aerospaziali21 settembre, Italia

GoCarbonFibre 201611-13 ottobre, Germania

International Composites Conference by Composites Germany28-29 novembre, Germania

Cyclitech6-7 dicembre, USA

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9Compositi

Verso un Eurocodice sulle strutture FRPIl lavoro presenta l’attività di standardizzazione che il Comitato CEN/TC250 sta sviluppando sul tema della progettazione e verifica delle strutture composite realizzate con FRP (Fibre Reinforced Polymer). Recen-temente, il Comitato ha licenziato un rapporto tecnico-scientifico sull’argomento, che è ora sottoposto ad inchiesta pubblica da parte degli Organismi di Standardizzazione dei vari Paesi membri della Comunità eu-ropea. L’attività è orientata alla approvazione da parte del CEN/TC250 di un Eurocodice strutturale sul tema emergente delle costruzioni di FRP.

nella progettazione di FRP) [1] ed è ora soggetto a inchiesta pubblica.L’attività normativa condotta dal WG4 è supportata da EuCIA (European Compo-sites Industry Association) come liaison organization.

TENDENZE NEL SETTORE DELLE COSTRUZIONINel corso degli ultimi vent’anni, molte so-luzioni innovative hanno confermato l’uti-lità delle strutture composite realizzate con FRP, sia in Europa che altrove. Le ti-

l CEN/TC250, il Comitato Tecnico dell’Unione Europea incaricato di sviluppare gli Eurocodici strutturali, ha preso l’iniziativa di preparare un

documento incentrato su finalità e mo-tivazioni dei nuovi regolamenti tecnici e delle normative associate per il progetto e la verifica di strutture composite realiz-zate con FRP (Fibre Reinforced Polymer, polimero fibrorinforzato). Il CEN/TC250 ha formato il Working Group CEN WG4, presieduto dal Prof. Luigi Ascione, per arrivare alla pubblicazione di uno speci-

fico eurocodice sulle strutture realizzate con elementi di FRP. Il Working Group, dopo circa tre anni di attività e molte ri-unioni, ha redatto una prima proposta di rapporto tecnico-scientifico. I successivi aggiornamenti alla bozza sono stati pre-sentati e discussi in occasione delle riu-nioni del CEN/TC250.Recentemente, nel gennaio 2016, il rap-porto è stato pubblicato dal JRC (Joint Research Centre of Ispra) col titolo “Pro-spect for New Guidance in the Design of FRP” (Prospettive di nuove linee guida

I

Luigi Ascione – Dipartimento di Ingegneria Civile, Università di Salerno

Fig. 1: Kolding, Danimarca. Ponte pedonale e ciclabile realizzato al 100% in profili pultrusi GFRP. Il ponte è lungo 40 m e il suo peso totale è 120 kN. La capacità di carico è di 5 kN/m2. Il ponte è stato ispezionato dopo una durata di servizio di 15 anni e non è stato trovato alcun danno. Appaltatore: Fiberline Composites A/S, Middelfart, Danimarca, 1997.

Fig. 3: Karrebæksminde, Danimarca. Ristrutturazione di un ponte mobile stradale dove sulla vecchia struttura d’acciaio è stato installato un impalcato in GFRP pultruso ed è stato sospeso lateralmente un ponte pedonale e ciclabile fatto al 100% di GFRP pultruso per aumentare la capacità. È il primo ponte stradale danese realizzato con un impalcato in composito. Sostituisce un impalcato di legno che doveva essere sostituito/restaurato ogni 5 anni circa. L’installazione del ponte è stata eseguita di notte per minimizzare l’interruzione del traffico, ed è stata completata nel giro di qualche ora. Appaltatore: Fiberline Composites, 2011.

Fig. 2: Hellisheidi, Islanda. Torre di raffreddamento 100% GFRP con struttura a telaio travi-pilastri costituita da più di 100 t di profili strutturali pultrusi. Appaltatore: Fiberline Composites, 2008.

Fig. 4: Chiesa di S. Maria Paganica, L’Aquila (Italia). Sostituzione del tetto della Chiesa, danneggiato dal terremoto dell’Aquila nell’aprile 2009. Elementi in GFRP pultruso. Pro-gettisti: prof. Salvatore Russo, ing. Alessandro Adilardi. Appaltatore: Top Glass S.p.A, Osnago (LC), 2010.

D I V E R S I T I P I D I S T R U T T U R E F R P R E A L I Z Z AT E I N E U R O PA

10 Compositi

delle strutture in FRP, si è rivelata ovvia la necessità di sviluppare un documen-to normativo sia per la produzione di ele-menti strutturali in FRP che per una re-golamentazione pratica della progettazio-ne e della verifica di strutture da usarsi in edilizia e nelle opere di ingegneria civile.Vari paesi hanno contribuito allo svilup-po delle linee guida attualmente dispo-nibili [2-9].Il numero crescente di applicazioni strut-turali degli FRP ha portato a un crescen-te aumento di interesse da parte dei ri-cercatori a livello mondiale, con una pro-fusione di conferenze internazionali e conseguentemente di contributi scien-tifici. Queste attività sono indirizzate sia alla modellazione meccanica e alla veri-fica di modelli numerici, sia a indagini su campioni di laboratorio e su prototipi in scala reale. Inoltre, numerose riviste in-ternazionali sono oggi specificatamente dedicate a lavori concernenti i materiali compositi e strutture FRP usati in edilizia e nelle opere di ingegneria civile.L’esperienza acquisita finora attraverso la realizzazione di strutture composite FRP in molti paesi europei e non, così come la comprensione teorica e sperimentale ottenuta in questo campo, rendono oggi possibile sviluppare un insieme unico di linee guida dirette ai paesi della Comu-nità Europea.Queste linee guida possono raccoglie-re un corpo di regole basate sul signifi-cativo progresso scientifico e tecnologi-co acquisito dai paesi membri in questo

pologie principali di FRP prese in conside-razione nel documento redatto dal WG4 sono i GFRP (Glass Fibre Reinforced Poly-mers, polimeri rinforzati con fibra di vetro) e CFRP (Carbon Fibre Reinforced Poly-mers, polimeri rinforzati con fibra di car-bonio). Queste soluzioni sono spesso im-poste da necessità specifiche, come la ri-chiesta di velocità di allestimento in can-tiere o la necessità di una superiore resi-stenza ad ambienti aggressivi, che a sua volta riduce i costi complessivi e di manu-tenzione. Inoltre, la leggerezza del com-posito FRP rende più facili la costruzione e il varo della struttura, offrendo anche un vantaggio geotecnico per tutte le strut-ture che poggiano su terreni deformabili. L’elevato rapporto resistenza/peso degli

FRP permette quindi una maggior capa-cità di resistenza ai carichi rispetto ai ma-teriali da costruzione convenzionali.In questo contesto, l’uso di profili, strut-ture a guscio e pannelli sandwich in FRP è particolarmente vantaggiosa per appli-cazioni nel campo dell’ingegneria civile. Le strutture portanti in FRP sono perciò ampiamente usate nella costruzione di edifici a scopo industriale o residenziale. L’uso di FRP è anche sempre più diffu-so nelle opere di ingegneria civile e spa-zia da chiuse a interi ponti o impalcati di ponti per traffico pedonale e veicolare.Le tecniche di produzione più frequen-temente adottate per le strutture di FRP nell'ambito di edifici e opere di ingegne-ria civile sono la pultrusione e l’infusio-ne di resina sottovuoto, anche chiamata Vacuum Assisted Resin Transfer Moul-ding (VARTM). Altri processi produttivi comuni sono il prepregging, il lay-up ma-nuale, il filament winding e il compres-sion moulding.Si può dedurre un’idea del volume di mercato che gira intorno agli FRP in Eu-ropa dai seguenti dati relativi all’ultimo quinquennio: la sole produzione totale annuale di GFRP (Glass Fibre Reinfor-ced Polymer) è stata di circa un milione di tonnellate, di cui il 35% era per il set-tore delle costruzioni civili.

LA NECESSITÀ DI LINEE GUIDA EUROPEEIn ragione del loro costante aumento di volume di mercato e data la complessità

- Verso un Eurocodice sulle strutture FRP -

Fig.13: Collegamenti tra Eurocodici.

Fig. 5: Plessis Robinson, Francia. Eliporto realizzato con profili GFRP pultrusi. Una solu-zione molto efficiente in termini di sicurezza antincendio, peso e rapidità di installazione. Appaltatore: TH Composites, France.

Fig. 7: Friedberg Bridge, Germania. Ponte autostradale in costruzione. Il ponte – lungo 27.0 m e largo 5.0 m – consiste in due travi d’acciaio coperte da una innovativa piat-taforma multicella fatta con profili GFRP “FBD 600” della Fiberline. I profili strutturali prefabbricati in composito sono stati incollati in situ sulle due travi in acciaio. Appaltato-re: Fiberline Composites, 2008.

Fig. 6: Spieringsluis, Werkendam, Paesi Bassi. Prima chiusa in FRP nei Paesi Bassi, instal-lata a Werkendam. La larghezza totale della chiusa è di 6 m. Dimensioni dei pannelli: larghezza 3.5 m, altezza 6.5 m. Sviluppata su ordinazione del Rijkswaterstaat mediante la commissione SMOZ. Prodotta da Polymarin in collaborazione con DSM (resine), PPG (rinforzo in fibra di vetro) e Bekaert (profili pultrusi), 2000.

Fig. 8: Ponte di S. Mateus, Viseu. Passerella pedonale ibrida con una campata di 13.3 m e una larghezza di 2 m. Realizzata con due putrelle in acciaio unite a un impalcato in GFRP multicella con connessioni a scatto tra i pannelli. Progettista: Mário Sá, Portogallo, 2013.

11Compositi

campo, così da poterlo applicare alla pro-gettazione e alla realizzazione di struttu-re composite in FRP.

INTERFACCIA CON GLI EUROCODICI EN PER LA PROGETTAZIONE STRUTTURALE E PROSSIMI PASSILe nuove norme tecniche europee pro-poste per le strutture FRP sono legate ai principi e ai requisiti fondamentali de-gli Eurocodici EN. Perciò le norme tec-niche per queste strutture non sono re-gole indipendenti, bensì integrano nor-me degli Eurocodici EN relativi (fig. 13) identificando e distinguendo le differen-ze tra la progettazione di nuove struttu-re realizzate con FRP e quella eseguite con materiali tradizionali.La fase di inchiesta pubblica durerà fino al 22 luglio 2016 ed è affidata agli enti normativi nazionali dei paesi europei.I commenti inviati dagli enti normativi na-zionali saranno considerati ed esaminati dal WG4, che redigerà una revisione del rapporto. Quindi, dopo la pubblicazione del rapporto (Step 1), sono attesi i se-guenti due passaggi:

• Step 2: dopo il consenso del CEN/TC250 sul rapporto revisionato, pre-parazione e pubblicazione delle CEN Technical Specifications (precedente-mente note come ENV).

• Step 3: dopo un periodo di prova d’u-so e commento, il CEN/TC250 deci-

Allegati

• Allegato A: Sul fattore di conversione per effetti di scorrimento viscoso

• Allegato B: Valori indicativi per le pro-prietà di fibre, resine, ply e laminati

• Allegato C: Sul valore nominale di com-pressione che causa l’instabilità

• Allegato D: Sul momento flettente che causa l’instabilità

• Allegato E: Sull’instabilità locale nel pannello d’anima

• Allegato F: Sull’instabilità di lastre sim-metriche ortotropiche

• Allegato G: Leggi costitutive sempli-ficate di interfaccia per giunzioni in-collate

• Allegato H: Test a fatica.

CONCLUSIONILa disponibilità di linee guida per il set-tore dell’edilizia e delle costruzioni facili-terà la libera circolazione di materiali FRP e le attività delle aziende imprenditrici e di consulenza all’interno della Comuni-tà Europea. Questo campo offre tutte le prospettive di un’espansione progressi-va, con un impatto di natura economica notevolmente positivo. Un tale svilup-po sarebbe senza dubbio favorito dall’e-sistenza di un corpo di regole condivi-se così da assicurare un livello uniforme di qualità e sicurezza nella produzione e nell’uso di strutture FRP.

derà se le CEN Technical Specifica-tions debbano essere convertite in par-ti dell’Eurocodice.

STRUTTURA DEL RAPPORTOIl rapporto è costituito da nove capitoli e otto allegati per un totale 138 pagine. In particolare, i capitoli e gli allegati sono dedicati ai seguenti argomenti:

Capitoli

• Prefazione

• Capitolo 1: Generalità

• Capitolo 2: Basi di progettazione (Me-todo dei Fattori Parziali)

• Capitolo 3: Materiali

• Capitolo 4: Durevolezza (Radiazione UV; Temperatura; Umidità; Carica sta-tica; Infiammabilità)

• Capitolo 5: Basi di Progettazione Strut-turale (Comportamento in caso di in-cendio; Progetto assistito da test)

• Capitolo 6: Stati limite ultimi (Profili pultrusi; Lastre e gusci laminati; Pan-nelli sandwich)

• Capitolo 7: Stati limite di esercizio (De-formazioni; Vibrazione e Comfort; Dan-neggiamento)

• Capitolo 8: Connessioni (Giunzioni av-vitate e incollate)

• Capitolo 9: Produzione, realizzazione, gestione e manutenzione.

Fig. 9: Salavat, Russia. Torre di raffreddamento 100% GFRP con struttura a telaio tra-vi-pilastri costituita da più di 100 t di profili strutturali pultrusi. Appaltatore: Fiberline Composites, 2007.

Fig. 11: Passaggio a livello sulla linea ad alta velocità Madrid-Barcellona, nelle vicinanze della città di Lleida (Spagna). Passerella pedonale con profili in GFRP. La passerella è larga 3 m e lunga 38 m. Appaltatore: Fiberline Composites, 2004.

Fig. 10: Golf Club in Aberfeldy (Scozia). La lunghezza del ponte pedonale strallato è di 113 m e la campata principale è di 63 m. I due piloni e l’impalcato sono realizzati con GFRP, mentre gli stralli sono costituiti da cavi di fibra aramidica. Le sole parti non in composito sono le fondamenta, che sono in cemento armato, e i giunti di acciaio tra gli stralli e la passerella pedonale, 1992.

Fig. 12: Münchensteinerstrasse, Basilea. Eyecatcher Building, realizzato con travi pul-truse in GFRP. L’edificio consiste in 5 piani per un totale di 15 m di altezza; a superficie ammonta a 120 m2. Appaltatore: Fiberline Composites, 1999.

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13Compositi

Luigi Ascione – Department of Civil Engineering, University of Salerno

Toward a Eurocodeon FRP StructuresCEN/TC250 is developing the standardization activity about the topic of the design and verification of com-posite structures realized with FRP (Fibre Reinforced Polymer). A scientific and technical report has been recently published by the Technical Committee 250, which is now subjected to a public inquiry by the Natio-nal Standardization Bodies of the various Countries of the European Community. The activity is addressed to draw up a structural Eurocode on this emerging topic.

sult. These activities address both me-chanical modelling and testing of numer-ical models, as well as studies on labora-tory samples and real scale prototypes. In addition, numerous international jour-nals are now specifically dedicated to work discussing FRP composite mate-rials and structures used in building and civil engineering works.The experience so far gained through the realization of FRP composite struc-tures in many European and non-Euro-pean countries, as well as the theoret-ical and experimental understanding gained in this field make it possible to-day to develop a single set of guidelines aimed for the EC countries. These guide-lines can compile a body of rules based on the considerable scientific and tech-nological progress achieved by member countries in this field, to be applied to the design and execution of FRP com-posite structures.

INTERFACE TO THE EN EUROCODES FOR STRUCTURAL DESIGN AND NEXT STEPSThe proposed new European techni-cal rules for Fibre Reinforced Polymer Structures are related to the principles and fundamental requirements of the EN Eurocodes. Thus, the technical rules for such structures are not self-standing rules but they complement rules of the relevant EN Eurocodes (fig.13) by identi-fying and distinguishing the differences between the design of new structures made with FRPs and that realized with traditional materials.The phase of public inquiry will last till July 22, 2016 and is entrusted to the NSBs (National Standardization Body) of the European Countries. The comments sent by the NSBs will be taken into account and will be exam-ined by WG4, which will draw up a revi-sion of the report. So, after the publica-tion of the report (Step 1), the following other two steps are expected:Step 2: after agreement of CEN/TC250 on the revised document, preparation and publication of CEN Technical Spec-

EN/TC250, the Technical Com-mittee of the European Union, appointed to develop the struc-tural Eurocodes, has taken the

initiative to prepare a document address-ing the purpose and justification for new European technical rules and associated standards for the design and verification of composite structures realized with FRPs (Fibre Reinforced Polymer). CEN/TC250 formed a CEN Working Group WG4, chaired by Prof. Luigi Ascione, to further develop the work item. The Working Group, after about three years of activity and many meetings, drew up a first proposal of Scientific Technical Re-port. The successive update drafts have been presented and discussed on the oc-casion of the meetings of CEN/TC250.Recently, in January 2016, the report has been published by JRC (Joint Research Centre of Ispra) with the title of “Pros-pect for New Guidance in the Design of FRP” [1] and is now subjected to pub-lic inquiry.The standardization activity carried out by WG4 is supported by EuCIA (Europe-an Composites Industry Association), as liaison organization.

TRENDS IN THE CONSTRUCTION SECTOROver the last twenty years, several in-novative solutions have confirmed the usefulness of composite structures re-alized with FRPs, both within and out-side Europe. The main types of FRP in consideration here are GFRP (Glass Fibre Reinforced Polymers) and CFRP (Car-bon Fibre Reinforced Polymers). These solutions are often imposed by specific needs such as the requirement for speed of assembly on site or the necessity for an enhanced resistance to aggressive en-vironments, which in turn reduces overall and maintenance costs. In addition, the lightweight of the FRP composite makes the assembly and the launch of the struc-ture easier, besides offering a geotechni-cal advantage for all structures that have to rest on deformable soils. The superior strength to weight ratio of FRP thus al-

lows for a greater load bearing capacity, when compared to conventional build-ing materials.Within this context, the use of FRP pro-files, shell structures and sandwich pan-els is particularly advantageous for appli-cations in the Civil Engineering field. FRP bearing structures are therefore wide-ly used for the construction of build-ings for industrial or residential purpos-es. FRP usage is also increasingly wide-spread for civil engineering works and ranges from lock gates, to entire bridg-es or bridge decks both for pedestrian and vehicular traffic.The most frequently used FRP manu-facturing techniques for buildings and civil engineering works are pultrusion and vacuum assisted resin infusion also called Vacuum Assisted Resin Trans-fer Moulding (VARTM). Other common manufacturing processes are prepreg-ging, hand lay-up, filament winding and compression moulding. An idea of the market volume that re-volves around the FRPs in Europe can be deduced from the following data rela-tive to the latest five-year period: the to-tal annual production for GFRP (Glass Fi-bre Reinforced Polymer) only was about 1 Million tons, of which 35% was for the civil construction field.

NEED FOR EUROPEAN GUIDELINESBecause of their steadily increasing mar-ket volume and given the complexity of FRP structures, it became obvious that it is necessary to develop a standardiza-tion document for both the production of FRP structural elements and the practi-cal rules for the design and verification of structures to be used for buildings and civil engineering works.Several countries have contributed to the development of currently available guidelines [2-9].The increasing number of structural FRP applications has led to a growing inter-est from researchers around the world, with a profusion of international confer-ences and scientific contributions as a re-

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14 Compositi 14 Compositi

- Toward a Eurocode on FRP Structures -

ifications (previously known as ENV).Step 3: after a period for trial use and commenting, CEN/TC250 will decide whether the CEN Technical Specifica-tions should be converted into Euroco-de Parts.

STRUCTURE OF THE REPORTThe report is composed of nine chap-ters and eight annexes for a total of 138 pages. In particular, the chapters and the annexes are devoted to the follow-ing topics.

Chapters• Preface• Chapter 1: General• Chapter 2: Basis of Design (Partial Fac-

tors Method)• Chapter 3: Materials • Chapter 4: Durability (UV Radiation;

Temperature; Humidity; Static Charge; Fire)

• Chapter 5: Basis of Structural Design (Behaviour in the case of Fire; Design assisted by Testing)

• Chapter 6: Ultimate Limit States (Pul-truded profiles; Laminated plates and shells; Sandwich Panels)

• Chapter 7: Serviceability Limit States (Deformations; Vibration and Com-fort; Damage)

• Chapter 8: Connections (Bolted and Adhesive Joints)

• Chapter 9: Production, Realization, Management and Maintenance.

Annexes• Annex A: About the conversion factor

for creep effects• Annex B: Indicative values of Fibres,

Resins, Play and Laminate Properties • Annex C: About the design compres-

sion value which causes the instability• Annex D: About the bending moment

which causes the instability • Annex E: About the Local instability in

the Web Panel• Annex F: About the Instability of Orth-

otropic Simmetrical Plates• Annex G: Simplified constitutive inter-

face laws for adhesive joints• Annex H: Fatigue Testing.

CONCLUSIONSThe availability of Guidelines for the building and construction sector will fa-cilitate the free movement of FRP ma-terials and the activities of consulting or contracting companies within the Eu-ropean Community. This field offers all the prospects for a progressive expan-

on the side to increase capacity. It is the first Danish road bridge made with a composite deck. It replaces a wooden deck that had to be replaced/renovated about every 5 years. The installation of the bridge was performed at night to minimize the interruption of the traffic, and it was completed within a few hours. Contractor: Fiberline Composites, 2011.

Fig. 4: S. Maria Paganica Church, L’Aquila (Italy). Replac-ing the roof of the church damaged by the earthquake of April 2009. GFRP pultruded members. Designers: prof. Salvatore Russo, ing. Alessandro Adilardi. Contractor: Top Glass S.p.A, Osnago (LC), 2010.

Fig. 5: Plessis Robinson, France. Helipad made with pul-truded GFRP profiles. A very efficient solution in terms of fire protection, weight and quick installation. Contractor: TH Composites, France.

Fig. 6: Spieringsluis, Werkendam, the Netherlands. First FRP lock-gate in the Netherlands, installed in Werken-dam. Total width of the lock is 6 m. Dimensions of each panel: width 3.5 m, height 6.5 m. Has been developed on request from Rijkswaterstaat through the SMOZ-com-mittee. Produced by Polymarin in cooperation with DSM (resins), PPG (glass fibre reinforcement) and Bekaert (pultruded profiles), 2000.

Fig. 7: Friedberg Bridge, Germany. Motorway bridge un-der construction. The bridge - length 27.0 m and width 5.0 m, consists of two steel beams covered by an inno-vative multi-cell platform made of Fiberline’s ‘FBD 600’ GFRP profiles. The precast composite structural profiles were glued in-situ on the two steel beams. Contractor: Fiberline Composites, 2008.

Fig. 8: S. Mateus Bridge, Viseu. Pedestrian hybrid foot-bridge with a span of 13.3 m and 2 m of width. Made of two steel girders bonded to a multi-cellular GFRP pultruded deck with panel-to-panel snap-fit connections. Designer: Mário Sá, Portugal, 2013.

Fig. 9: Salavat, Russia. 100% GFRP cooling tower as a beam-column system made from more than 100 t of pultruded structural profiles. Contractor: Fiberline Com-posites, 2007.

Fig. 10: Golf Club in Aberfeldy (Scozia). The length of the cable-stayed pedestrian bridge is 113 m long and has a main span of 63 m. The two piers and the deck are made with GFRP, while the stays are made of aramid fibre cables. The only parts that are not in composite are the foundations that are made of reinforced concrete, and the steel connection between the stays and the pe-destrian walkway, 1992.

Fig. 11: Railway crossing over the high speed line Ma-drid-Barcelona, near Lleida city (Spain). Pedestrian walkway with GFRP profiles. The footbridge is 3 m wide and 38 m long. Contractor: Fiberline Composites, 2004.

Fig. 12: Münchensteinerstrasse, Basilea. Eyecatcher building made of GFRP pultruded beam. The building consists of 5 floors with a total of 15 m of height; the surface amounts to 120 m2. Contractor: Fiberline Com-posites, 1999.

Fig. 13: Links between Eurocodes

sion, with substantial positive impacts of economic nature. Such a development would undoubtedly be favoured by the existence of a body of shared rules able to ensure a uniform level of quality and safety in the production and the use of FRP structures.

REFERENCES[1] Prospect for New Guidance in the De-sign of FRP (Luigi Ascione, Jean-François Caron, Patrice Godonou, Kees van IJselmui-jden, Jan Knippers, Toby Mottram, Matthias Oppe, Morten Gantriis Sorensen, Jon Taby, Liesbeth Tromp), Report EUR 27666 EN, Eu-ropean Commission, Joint Research Centre, Institute for the Protection and the Security of the Citizen, (2016).[2] EUROCOMP, Structural Design of Poly-mer Composites (Design Code and Hand-book, Finland, France, Sweden, UK, 1996);[3] CUR 96, Fibre Reinforced Polymers in Civil Load Bearing Structures (Dutch Recommen-dation, 2003);[4] BD90/05, Design of FRP Bridges and Highway Structures (The Highways Agency, Scottish Executive, Welsh Assembly Govern-ment, the Department for Regional Develop-ment Northern Ireland, May 2005);[5] DIBt, DIBt – Medienliste 40 für Behälter, Auffangvorrichtungen und Rohre aus Kunstst-off, Berlin (Germany, May 2005);[6] CNR-DT 205/2007, Guide for the Design and Construction of Structures made of Pul-truded FRP elements (Italian National Re-search Council, October 2008);[7] ACMA, Pre–Standard for Load and Resist-ance Factor Design of Pultruded Fiber Poly-mer Structures (American Composites Manu-facturer Association, November 2010);[8] DIN 13121, Structural Polymer Compo-nents for Building and Construction (Germa-ny, August 2010);[9] BÜV, Tragende Kunststoff Bauteile im Bauwesen [TKB] – Richtlinie für Entwurf, Be-messung und Konstruktion (Germany, 2010).

All the mentioned figuresrefer to the Italian version

Examples of different kinds of FRP composite structures realized in Europe

Fig. 1: Kolding, Denmark. Pedestrian and cycle bridge from 100% pultruded GFRP profiles. The bridge is 40 m long and 3.2 m wide. Its total weight is 120kN. The load capacity is 5 kN/m2. The bridge was inspected after 15 years’ service life and no damage was found. Contractor: Fiberline Composites A/S, Middelfart, Denmark, 1997.

Fig. 2: Hellisheidi, Iceland. 100% GFRP cooling tower as a beam-column system made from more than 100 t of pultruded structural profiles. Contractor: Fiberline Com-posites, 2008.

Fig. 3: Karrebæksminde, Denmark. Renovation of a bascule road bridge where a pultruded GFRP deck was installed on the old steel structure, and a pedestrian and cycle bridge from 100% pultruded GFRP profile was hung

15Compositi

FRP nel retrofitting di infrastrutture stradali storicheUno studio ad elementi finiti e prove in situ condotte sul ponte ad arco in muratura del 1850 “della Castagna-ra” hanno dimostrato l’aumento della capacità della resistenza dell’ infrastruttura in seguito all’ inserimento sull’estradosso dell’arco di materiali fibrorinforzati a matrice polimerica ed il consolidamento delle spalle.

Otello Bergamo, Gaetano Russo – Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura Università degli Studi di Udine

U na grande quantità di infrastrut-ture storiche, ma ancora in fun-zione, necessitano la messa in sicurezza mediante l’adegua-

mento statico e sismico.L’utilizzo, i fattori ambientali e le azioni a cui inevitabilmente le strutture sono sot-toposte nella loro esistenza comportano una continua erosione dei margini di si-curezza con cui le strutture erano state progettate [1-4]. Le tecniche di retrofit-ting scelte molto spesso utilizzano ma-teriali innovativi, tra questi sono anno-verati i materiali fibrorinforzati a matrice polimerica FRP come nel caso del pon-te “della Castagnara”.Essendo questi materiali sempre più dif-fusi ed impiegati nell’ultimo decennio, sono state sviluppate le prime normati-ve di riferimento nella progettazione per il calcestruzzo rinforzato: ACI 440.2R-08 (ACI Committee 440 2008) [5]; Euro-pean fib-T.G. 9.3 (fib T.G. 9.3 2001) [6]; CNR-DT 200-04 (CNR, Commissione in-caricata di formulare pareri in materia di normativa tecnica relativa alle costruzio-ni 2004) [7].I nuovi codici nazionali ed internazionali mostrano la necessità di adeguamento di ponti esistenti sotto condizioni di cari-co statiche e sismiche.Nonostante negli ultimi anni lo studio dei ponti venga effettuato prevalentemente nell’ambito delle costruzioni in acciaio o in calcestruzzo armato [8-10], vale la pena ricordare che i ponti storici in mura-tura realizzati da più di 2000 anni, come ad esempio i ponti Romani, sono ad oggi ancora fruibili, e sono soggetti ad analisi scientifiche da più di 300 anni.Questo interesse per l’analisi dei pon-ti esistenti in muratura sorge da due ra-gioni fondamentali: la mancanza di cono-scenza sulle condizioni di un dato ponte in muratura e la mancanza di procedure di analisi. Pertanto, la necessità di ana-lizzare ponti ad arco in muratura e di de-scriverne il comportamento sotto diver-se tipologie di carico non può essere che priva di dubbi.Di seguito sarà valutato il comportamen-to sotto azioni statiche e dinamiche del ponte ad arco in muratura “della Casta-gnara”, situato a Padova, determinan- Fig. 1: Posizionamento delle fibre di carbonio

16 Compositi

- FRP nel retrofitting di infrastrutture stradali storiche -

done i parametri di sicurezza principali a seguito di un retrofitting anche con FRP sull’estradosso dell’arco. I lavori rientrano nel PTR di Veneto Strade S.p.A. e sono finanziati dalla stessa che è proprietaria della SR 307.

DESCRIZIONE GEOMETRICA E DEI MATERIALIIl ponte in oggetto è in muratura, possie-de una luce di 1550 cm ed una larghezza di 700 cm. La rimozione del manto stra-dale e del riempimento ha messo in evi-denza la presenza di travi in c.a. che in-

sistono, attraverso dei frenelli in lateri-zio, direttamente sul ponte ed hanno lo scopo di incrementare la larghezza com-plessiva del ponte sino a 930 cm circa. Inoltre il ponte in muratura ha denunciato la presenza di un notevole rinfianco, an-ch’esso in laterizio, disposto lungo tutto l’estradosso della volta e a spessore va-riabile (50 cm in mezzeria e sino a 350 in prossimità delle imposte) se si assume come spessore dell’arco portante esclu-sivamente quello denunciato in prospet-to (spessore 55 cm).Per la valutazione dei parametri meccani-

ci della muratura dell’arco e dei piedritti si fa riferimento a quanto contenuto nel-la Tabella C8B.1 della Bozza di Istruzio-ni per l’applicazione delle Norme tecni-che per le Costruzioni di cui al D.M. 14 gennaio 2008. I valori sono quelli previ-sti per un livello di conoscenza LC1 (va-lore minimo della forbice proposta) incre-mentati di 1.5, come indicato nella Tabel-la C8B.2, per tener conto dell’intervento di sigillatura dei giunti con malte di calce. Per la valutazione dei parametri mecca-nici della muratura delle pareti si fa inve-ce esclusivo riferimento alla Tab. 11.D.1 dell’Allegato 11.D dell’OPCM 327.Nelle Tabelle 1, 2, 3 e 4 si riportano le proprietà meccaniche dei materiali esi-stenti e di quelli impiegati nelle opera-zioni di retrofitting.I vantaggi degli FRP sono diversi e tra questi vale la pena ricordare l’elevata ri-gidezza, l’eccellente allineamento delle fibre, la possibilità d’impiego su diver-se superfici (travi, colonne, pile, pareti, ecc.), la resistenza nei confronti di agen-ti chimici, ambientali e la polifunzionalità del materiale impiegabile, sia nel caso il rinforzo riguardi il comportamento fles-sionale dell’elemento strutturale, sia nel caso il rinforzo serva a migliorare il com-portamento a taglio dello stesso.

PROGRAMMA SPERIMENTALEIl ponte è stato soggetto ad una campa-gna sperimentale caratterizzata dall’ese-cuzione di prove statiche e di prove di-namiche.

Retrofitting del ponteSi è proceduto con la realizzazione degli interventi scelti a cui è seguita una cam-pagna sperimentale utile alla validazio-ne dell’intervento. Questo iter è sugge-rito anche in letteratura [11-12].L’intervento di retrofitting ha coinvolto la risarcitura delle lesioni e l’inserimen-to di tiranti metallici sui muri d’ala. Inol-tre, la volta è stata oggetto dell’interven-to più significativo che si è sviluppato in cinque fasi:• Studi di caratterizzazione dei materia-

li costituenti la volta (laterizio) al fine dell’elaborazione delle caratteristiche di comportamento strutturale e di ade-renza delle fibre.

• Determinazione della qualità, quantità e posizionamento delle strisce in fibra di carbonio. Le seguenti fasi e carat-teristiche sono state:

- preparazione della superficie volta - pulizia e depolverizzazione delle su-

perfici - eliminazione delle lesioni estradossa-

li esistenti e livellamento dei giunti di malta tra i vari conci eseguito con mal-ta fibro–rinforzata a base di calce

- stesa di uno strato di primer epossidi-co bicomponente, avente lo scopo di penetrare nel supporto e consolidare

Muratura in mattoni pieni e malta di calce

Resistenza media a compressione della muratura: fm = 360 N/cm2

Resistenza caratteristica a compressione della muratura: fk = 270 N/cm2

Resistenza a taglio media della muratura: τ0 = 9 N/cm2

Valore medio del modulo di elasticità normale: E = 1800 N/mm2

Valore medio del modulo di elasticità tangenziale: G = 300 N/mm2

Peso specifico medio della muratura: γ=18 kN/m3

Tab. 1: Proprietà meccaniche della muratura in mattoni pieni e della malta di calce

Rinforzo in tessuto unidirezionale in fibre di carbonio – tipologia:Carbostru UDHM400

Tipo di fibra: Carbonio (alto modulo)

Orditura: unidirezionale

Grammatura: 400 g/m2

Spessore di progetto del tessuto secco: w = 0,225 mm

Densità della fibra: γ = 950 daN/m3

Resistenza meccanica a trazione: f = 3000 MPa

Modulo Elastico longitudinale a trazione della fibra: E = 390 GPa

Allungamento a rottura: Δ = 0.8 %

Tab. 2: Proprietà meccaniche del rinforzo in tessuto unidirezionale in fibre di carbonio

Resina da impregnazione – tipologia: resina epossidica da impregnazione

Colore: trasparente

Resistenza meccanica flessione: fb = 120 MPa

Resistenza meccanica a trazione: ft = 70 MPa

Modulo Elastico longitudinale a trazione: E = 3 GPa

Temperatura di transizione vetrosa: T = 85 ºC

Tab. 3: Proprietà meccaniche della resina da impregnazione

Malta per superficie di preparazione al rinforzo – tipologia:Tassullo TBL – Betoncino leggero fibrorinforzato a base di FEN-X/A

Resistenza a compressione (UNI EN 1015-11) – M2: fb = 8 N /mm2

Modulo Elastico longitudinale a compressione: E ≤ 6000 MPa

Adesione al laterizio: a ≥ 0.2 N/mm2

Massa volumica: γ = 950 daN/m3

Tab. 4: Proprietà meccaniche della malta per superficie di preparazione al rinforzo

la parte superficiale dello stesso per aumentare l’aderenza tra supporto e composito

- stesa di uno strato di adesivo epossidico per garantire ade-renza ed allineamento del rinforzo alla struttura

- stesa del primo strato di resina epossidica bicomponente per l’impregnazione delle fibre di carbonio

- applicazione dei nastri di fibre di carbonio - stesa di un secondo strato di resina epossidica - realizzazione di un opportuno ancoraggio perimetrale con

rinforzi in acciaio, lungo le spalle del ponte e nella zona in-termedia, per evitare l’innescarsi di meccanismi di pre-cri-si (“debonding” del rinforzo)

- realizzazione di una cappa in calcestruzzo dello spessore di 5cm, armata con rete elettrosaldata φ8/20×20, per la pro-tezione delle fibre.

• Realizzazione dell’intervento di consolidamento mediante posa delle strisce di fibra su letto di malta rinforzata in car-bonio ed appositi ancoraggi in acciaio (fig. 1).

• Riempimento dei vani con materiale arido misto cementato.

CONCLUSIONIÈ stato analizzato l’intervento di retrofitting di un ponte stori-co ad arco in muratura situato a Padova, mediante il tirantag-gio dei muri d’ala, la risarcitura delle lesioni presenti e l’inse-rimento di FRP per il consolidamento della volta.L’analisi non lineare condotta attraverso la realizzazione di mo-dello F.E.M. mostra, oltre che un piccolo incremento del ca-rico di rottura della struttura, un notevole aumento dello spo-stamento ultimo e quindi della duttilità. Si passa, infatti, da uno spostamento massimo di 26 mm per lo stato di fatto, ad uno spostamento di 120 mm per lo stato di progetto.A seguito dell’intervento di retrofitting effettuato impiegando materiale fibrorinforzato a matrice polimerica FRP, non solo sono state incrementate la capacità portante e la capacità de-formativa del ponte stesso, ma è anche stato possibile rinfor-zare la struttura in muratura rendendola verificata alle prescri-zioni presenti in Normativa per quanto riguarda gli stati limite di esercizio e gli stati limite ultimi. Infine, è importante nota-re come l’intervento studiato sia riuscito a salvaguardare l’in-tegrità del patrimonio storico culturale italiano rappresentato dal ponte “della Castagnara”.

Si ringrazia la società Veneto Strade S.p.A. nelle perso-ne dell'AD Ing. Silvano Vernizzi e Dott. Giuseppe Franco.

BIBLIOGRAFIA – REFERENCES[1] D.M. LL. PP. 04/05/1990, “Aggiornamento delle Norme Tecniche per la Progettazione dei Ponti Stradali”, 1990.[2] Eurocode 1, “Action on Structures – Traffic Loads on Bridge”, 2003.[3] Modena, C., Bergamo, O., Franchetti, P., Pellegrino, C., “Linee Guida per la Progettazione e l’Esecuzione di Ponti nin Zona Sismica”, Pubblicazione a cura di Veneto Strade, 2004.[4] D.M. 14/01/2008, “Norme Tecniche per le Costruzioni”, 2008.[5] American Concrete Institute (ACI), “Guide for the design and con-struction of externally bonded FRP systems for strengthening of con-crete structure”, ACI 440.2-08, Farmington Hill, Mich., 2008.[6] fib Bulletin 14, “Externally bonded FRP reinforcement for RC structures”, CH-1015, Lausanne, 2001.[7] Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), “Instructions for desi-gn, execution and control of strengthening interventions through fi-ber-reinforced composites.” CNR-DT 200-04, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Rome, Italy, 2004.[8] Russo, G., Bergamo, O., Damiani, L., “Il viadotto di Silea in vene-to: verifica sismica secondo la normativa italiana e l’Eurocodice”, In-gegneria sismica 2008; 3: 24-35.[9] Russo, G., Bergamo, O., Damiani, L., “Retrofitting a short span bri-dge with a semi-integral abutment bridge: the Treviso bridge”, Struct. Eng. Int. 2009; 19(2): 137-141.[10] Russo, G., Bergamo, O., Donadello, S., “Il viadotto di Dolcè: ana-lisi sismica delle pile secondo la normativa italiana e l’Eurocodice”, Ingegneria Sismica 2010, XXVII(2): 49-61.

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Numerical analysis and in situ testing campaign performed on the masonry arch bridge “della Castagnara” – built in the 1850’s – have shown that the structure increases its load bearing capacity by the bonding by FRP strips on the extrados of the vault and the consolidation of the abutments.

FRP elements in a historical road infrastructure

Otello Bergamo, Gaetano Russo – Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura Università degli Studi di Udine

N owadays several historical in-frastructures are in use, al-though the need to ensure the safety of them with a seismic

and static structural retrofitting. Traffic loads and environmental factors lead to the decreasing of the design safe-ty margins [1-4]. Recently the retrofit-ting techniques involves the application of new widespread materials such as FRP, and as result in the last decade the first design guidelines for the reinforced concrete were developed: ACI 440.2R-08 (ACI Committee 440 2008) [5]; Eu-ropean fib-T.G. 9.3 (fib T.G. 9.3 2001) [6]; CNR-DT 200-04 (Italian Research Council Advisory Committee on Tech-nical Recommendations for Construc-tion 2004) [7].

GEOMETRY AND MATERIALSThe bridge studied presents the follow-ing characteristics:• Length: 15,50 m• Width: 7,00 m

• Reinforced concrete beams –support-ed by fraenums- that increase the road width to 9,30 m

• Variable thickness of the vault: 0,50 m – 3,50 m

• Thickness of the arch: 0,55 m• Material properties are shown in Ta-

bles 1, 2, 3 and 4.

RETROFITTINGReinforcement has been made for the bridge and subsequent verifications, af-ter the retrofitting, have been performed [11-12]. The retrofitting involved the in-sertion of a prestressed steel cable into the abutments and the consolidating in-jections to. Furthermore, the vault was retrofitted as well and its rehabilitation process consists of the following steps:• Determining the quality, quantity and

positioning of the fibres: preparation and cleaning of the surfaces; recov-ering any existing cracks; positioning three epoxy layers; positioning the carbon fibres; repeating the last two

phases once more; establishment an anchorage perimetric steel reinforce-ments where it is necessary; realiza-tion of a concrete slab.

• Realization of the intervention with the positioning of the fibres

• Filling with dry material.

CONCLUSIONSThe results of the retrofit are:• Increasing of the bearing and the

deformability of the structure to the necessary level of performance

• Strengthening of the structure accord-ing to the design requirements in both service and ultimate limit states

• Safeguarding of the historic architec-tural heritage.


Fig. 1: Positioning of carbon fibres. Tab. 1: Masonry properties. Tab. 2: FRP properties. Tab. 3: Epoxy resin properties. Tab. 4: Superficial mortar properties.

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Calcestruzzo confinato con FRCM: analisi sperimentale della risposta meccanicaAnalisi dell’efficacia dei sistemi di rinforzo in materiale composito fibrorinforzato a matrice cementizia (FRCM, Fabric Reinforced Cementitious Mortar) nel confinamento di elementi in calcestruzzo. L’analisi, svi-luppata sui risultati sperimentali ottenuti mediante prove di compressione su provini cilindrici di calcestruzzo confinati con FRCM, consente di valutare l’ influenza dei principali parametri meccanici e geometrici coin-volti sulla risposta meccanica del calcestruzzo confinato.

materiali compositi fibrorinforzati sono diffusamente utilizzati nel rin-forzo di strutture esistenti in calce-struzzo armato danneggiate e/o de-

teriorate.I sistemi di rinforzo comunemente usati per il rinforzo di strutture esistenti in cal-cestruzzo armato sono i compositi fibro-rinforzati a matrice polimerica (FRP, Fibre Reinforced Polymers) realizzati con nastri e/o lamine di fibre unidirezionali immer-se in matrice polimerica (in genere resi-na epossidica) ed i compositi fibrorinfor-zati a matrice cementizia (FRCM, Fabric Reinforcd Cementitious Mortar) costi-tuiti da reti di fibre immerse in matrici a base cementizia. Tra i numerosi vantag-gi ottenuti dall’uso dei due sistemi di rin-forzo si evidenziano: l’elevato valore del rapporto resistenza/peso, la resistenza alla corrosione, la facilità e la rapidità di messa in opera.Accanto a questi vantaggi, il sistema FRP presenta alcuni svantaggi legati principal-mente alla presenza della matrice in re-sina epossidica; tra questi la scarsa re-sistenza alle elevate temperature ed al fuoco, l’inapplicabilità su superfici umi-de o bagnate ed alle basse temperatu-re, il rischio tossicità per gli operai duran-te le applicazioni manuali, la scarsa com-patibilità termica con il supporto in calce-struzzo, la scarsa reversibilità. Il sistema FRCM, realizzato con rinforzo fibroso sotto forma di reti o griglie immer-se in matrici a base cementizia, permet-te di ridurre od eliminare alcuni dei sud-detti inconvenienti.L’utilizzo delle reti e/o griglie di fibre è necessario per garantire l’aderenza tra le fibre di rinforzo e la matrice cementi-zia; a causa della propria granularità, in-fatti, la matrice non è in grado di avvol-gere le singole fibre e quindi di garantire la trasmissione degli sforzi [1]. I sistemi FRP ed FRCM sono utilizzati per il confinamento di elementi strutturali in calcestruzzo; entrambi i sistemi limitano

le deformazioni trasversali dell’elemento confinato e generano uno stato triassia-le di sforzo nel calcestruzzo.Di seguito saranno descritti ed analizzati i principali risultati di sperimentazioni con-dotte su provini cilindrici in calcestruzzo confinati con PBO-FRCM (reti di PBO im-merse in matrice cementizia) e C-FRCM (reti di fibre di carbonio immerse in ma-trice cementizia) al fine di valutare l’in-fluenza dei principali parametri mecca-nici e geometrici sulla risposta meccani-ca del calcestruzzo confinato.

PROVINI CONFINATICON C-FRCMLa sperimentazione è stata condotta su 62 provini con sezione circolare (diame-tro 150 mm ed altezza 300 mm), quadra-ta (lato 150 mm ed altezza 300 mm) e rettangolare (150 x 300 mm di base ed altezza 300 mm) confinati con C-FRCM e C-FRP. In particolare 6 provini non sono stati confinati e quindi utilizzati come pro-vini di riferimento, 41 provini (24 cilindri-ci) sono stati confinati con C-FRCM e 15 provini sono stati confinati con C-FRP. Lo scopo della sperimentazione è stato quello di analizzare l’efficacia del confi-namento mediante FRCM e di confron-tare le risposte strutturali dei provini con-finati con FRCM e FRP. Le variabili con-

I

Luciano Ombres – Dipartimento di Ingegneria Civile, Università della Calabria

PBO-FRCM C-FRCM

Ef (GPa) 270* 240*

ffu (MPa) 5800* 3404*

εfu (%) 2.15* 1.42 *

Em(GPa) 6. 0* 7.50 *

fcm(MPa) 15.0 –

ffm(MPa) – 4.00

fcm= resistenza a compressione della matrice; ffm= resistenza a flessione della matrice;Em= modulo elastico della matrice* dato fornito dal produttore

Fig. 1: Confinamento con rete di fibre di carbonio.

Tab. 1: Proprietà meccaniche dei sistemi di rinforzo.

Fig. 2: Attrezzatura di prova.

20 Compositi

- Calcestruzzo confinato con FRCM: analisi sperimentale della risposta meccanica -

ne è mostrata nella figura 2.La tabella 2 riporta, per i provini confina-ti con C-FRCM, i valori medi degli incre-menti di resistenza di picco misurato nei provini confinati rispetto al valore della resistenza dei provini non confinati ed il valore dell’indice di duttilità calcolato sul-la base dell’area sottesa dalle curve ten-sioni-deformazioni assiali [3]. Dai valo-ri riportati in tabella si evidenzia che nei provini cilindrici e quadrati l’incremento di resistenza è rilevante e cresce con il numero di strati di rinforzo; nei provini a sezione rettangolare l’incremento di re-sistenza è invece molto contenuto. Il va-lore dell’indice di duttilità è molto eleva-to per tutti i provini (il valore massimo dell’indice di duttilità è pari ad 1) a con-ferma della buona duttilità garantita dal sistema di confinamento utilizzato.I diagrammi carico-spostamento assia-le e carico-spostamento radiale ottenuti dalle prove sui provini cilindrici è riporta-to nella figura 3 al variare del numero di strati di rinforzo.Le curve riportate nella figura 3 eviden-ziano la tipica risposta del calcestruzzo confinato. Nella prima fase il carico vie-ne assorbito dal calcestruzzo fino al rag-giungimento della resistenza, fc0, men-tre il rinforzo in FRCM non è attivo: il diagramma tensione-deformazione pre-senta un andamento lineare molto simi-le a quello del calcestruzzo non confina-to. Una volta raggiunto il valore di fc0, il calcestruzzo, per effetto del danneggia-mento subito, non è in grado di offrire al-cun contributo resistente mentre si attiva il meccanismo di confinamento da parte del rinforzo che favorisce un incremen-to di capacità portante fino al raggiun-gimento della resistenza di picco, fcc. Il diagramma tensione-deformazione pre-senta un tratto non lineare. Raggiunto il valore di fcc, il calcestruzzo è completa-mente disgregato, le deformazioni del si-stema di rinforzo diventano eccessive e si perviene alla crisi dello stesso. Il dia-gramma tensione-deformazione presen-ta un tratto decrescente con andamen-to non lineare.La rottura dei provini confinati con FRCM è avvenuta in modo graduale a seguito della formazione di ampie fessure verti-cali ed è stata causata dalla combinazio-ne della rottura delle fibre e della delami-nazione del sistema di rinforzo; la rottu-ra dei provini confinati con C-FRP, di tipo fragile, è avvenuta a seguito della rottura improvvisa delle fibre di rinforzo.

PROVINI CONFINATI CON PBO-FRCMLa sperimentazione è stata condotta su 20 provini cilindrici di cui due non con-finati ed i restanti confinati con diverse configurazioni, ciascuna caratterizzata dal numero di strati di rinforzo e dal va-lore dell’angolo di inclinazione tra le fibre

siderate sono state la resistenza a com-pressione iniziale del calcestruzzo, fc0, ed il numero di strati di rinforzo. Il confina-mento dei provini è stato eseguito ma-nualmente come mostrato nella figura 1.

Le caratteristiche meccaniche del siste-ma di rinforzo sono riportate nella tabel-la 1; l’attrezzatura di prova e la strumen-tazione utilizzata per la misura degli spo-stamenti, del carico e della deformazio-

Provini Numero di strati di fibra

Incremento di resistenza (%)

Indice di duttilità

Cilindrici 2 48.50 0.92



Prismatici (sez. quadrata) 1 15.00 0.97




Prismatici (sez. rettangolare) 1 5.40 0.93



Tab. 2: Risultati sperimentali.

Fig. 3: Provini cilindrici: diagrammi carico assiale-spostamenti.

Fig. 4: Configurazioni di rottura dei provini confinati con C-FRCM e C-FRP.

C-FRCM C-FRCM C-FRP

21Compositi

CONCLUSIONII risultati della sperimentazione, ampia-mente confermati in letteratura, eviden-ziano che il confinamento del calcestruz-zo con rinforzi fibrosi a matrice cemen-tizia (FRCM) consente di migliorare la risposta meccanica del calcestruzzo in termini sia di resistenza che di duttilità.

BIBLIOGRAFIA[1] Ombres, L., Flexural analysis of reinforced concrete beams strengthened with a cement based high strength composite material, Com-posite Structures, 2011, 94, 143-155.[2] Ombres, L., Concrete confinement with a cement based high strength composite material, Composite Structures, 2014,109, 294-304.[3] Ombres, L., Confinement effectiveness in concrete strengthened with fiber reinfor-ced cement based composite jackets. Proce-edings of FRPRCS-8, 8th International Sym-posium on Fiber Reinforced Polymer Rein-forcement for Concrete Structures, Patras, Greece, 2007.

Il confronto tra le curve tensioni-defor-mazioni al variare dell’angolo di inclina-zione delle fibre, riportato nella figura 7, evidenzia come la configurazione che for-nisce le migliori prestazioni sia in termi-ni di resistenza sia in termini di deforma-zione è quella corrispondente a q=90°, 45° e 90°.La rottura dei provini confinati, rappre-sentata nella figura 8, è avvenuta in ma-niera differente in funzione dell’inclina-zione delle fibre.Nei provini confinati con fibre inclinate a 90°, la rottura è stata graduale ed è av-venuta come combinazione della rottu-ra delle fibre e del distacco della fibra all’interfaccia con la matrice. Nei provini confinati con fibre inclinate a 30° e 45°, a seguito di rilevanti deformazioni radiali e del danneggiamento della matrice ce-mentizia all’estremità dei provini, la cri-si è avvenuta per la progressiva perdi-ta dell’azione di confinamento del siste-ma di rinforzo.

e l’asse del provino. In particolare sono state realizzate configurazioni di rinforzo con uno, due, tre e quattro strati di rete in PBO ed angolo di inclinazione delle fi-bre q=30°, 45° e 90°.Nella figura 5 è mostrata la rete di rin-forzo in PBO utilizzata nella sperimen-tazione.Le proprietà meccaniche del sistema di rinforzo sono sintetizzate nella tabella 1; l’attrezzatura di prova utilizzata è descrit-ta nella figura 2.I diagrammi sperimentali tensione-de-formazione assiale e tensione-deforma-zione radiale sono riportati nella figura 6.L’esame delle curve riportate in figu-ra 6 evidenzia che le migliori prestazio-ni meccaniche sono state ottenute con provini confinati con tre e quattro strati di rinforzo fibroso. Si nota tuttavia che la resistenza del provino CRP3-II confina-to con tre strati di PBO e quella del pro-vino CRP4-II confinato con quattro stra-ti di PBO sono praticamente coincidenti. Questo risultato, confermato in letteratu-ra, evidenzia che, superato un certo valo-re, al crescere del quantitativo di rinforzo la resistenza del calcestruzzo confinato rimane costante o diminuisce. Fig. 8: Configurazione di rottura dei provini confinati.

Fig. 5: Rete in PBO. Fig. 6: Diagrammi tensione assiale-deformazioni.

Fig. 7: Confronto tra le curve tensioni-deformazioni al variare di q.

q=90° q=90° q=45°


FRCM confined concrete:experimental analysis of the structural responseThe effectiveness of Fabric Reinforced Cementitious Mortar as confining system of concrete members is analysed in the paper. The analysis, developed through experimental results obtained by means of tests on cylindrical concrete specimens confined with FRCM, allows us to evaluate the influence of the main mechanical and geometrical parameters involved in the confining mechanism on the structural response of confined concrete elements.

mens with respect to the un-confined concrete specimens are reported in Ta-ble 2 together with values of the “duc-tility index” defined as the area bonded by the axial stress-strain curves [3]. The analysis of the results in the Table high-lights the fact that the gain in terms of strength is significant for both cylindri-cal specimens and prismatic specimens with square section and it increases with the number of confining layers, while the increase in strength is quite modest for prismatic specimens with rectangular section. Very high values of the “ductili-ty index” are obtained for all tested spec-imens (the maximum value of the duc-tility index is equal to 1) confirming that the chosen confining system ensures good ductility.Axial loads vs axial displacement dia-grams and axial loadvs radial displace-ments obtained by tests on cilindrical C-FRCM confined specimens are report-ed in Figure 3 for varying number of con-fining layersThe curves reported in Figure 3 describe the typical response of confined con-crete. Initially, most of the load is carried out by the concrete and the fabric mesh is not activated; the stress–strain curve is almost linear and its slope is similar to that of un-confined specimen.Once the curve reaches the peak stress of the unconfined concrete, fc0, the con-crete core gets damaged and loses its load bearing capacity while the confin-ing pressure of PBO mesh gradually gets activated and contributes to the load car-rying capacity; in this stage the stress–strain curve shows a non-linear ascend-ing branch up to to the peak stress fcc. After the peak, the concrete core is com-pletely crushed inside the jacket and the lateral deformations increase drastical-ly up to the failure of the confining sys-tem; the stress–strain curves show a de-scending branch.The failure of C-FRCM confined spec-

iber reinforced composite mate-rials are widely used in rehabili-tation of existing reinforced con-crete structures subject to dam-

age and/or deterioration. FRP (Fiber Re-inforced Polymers), made of tapes or laminates of unidirectional fibers em-bedded into a polymer matrix (typically an epoxy resin) which is the agent bind-ing the composite with concrete, and FRCM (Fabric Reinforced Cementitious Matrix), made of fibers in form of fabric meshes embedded into a mineral mor-tar applied as a binder, are commonly used as strengthening systems of exist-ing structures.Several advantages related to the use of composite materials to strengthen exist-ing reinforced structures are common to two strengthening systems; Among these are the high strength to weight ra-tio, corrosion resistance, ease and speed of application.Despite these advantages, the FRP ret-rofitting technique has a few drawbacks mainly attributed to the organic epoxy resins used to bind the fibers: Poor high temperature and fire resistance; Inappli-cability on wet surfaces or at low temper-atures; Toxicity risk for the operator dur-ing manual application; Diffusion tight-ness, Poor thermal compatibility with the concrete support; Susceptibility to UV ra-diation; Scarce reversibility.The FRCM system, consisting of fib-ers in the form of fabric meshes or grids embedded into a cementitious bond-ing agent, was created to avoid some of these problems. Fabric meshes and grids of relevant size are needed to im-prove the bond between the reinforcing fibers and the mortar; indeed, due to its granularity the mortar is unable to pen-etrate and wet the individual fibers and ensure the transmission of mechanical stresses [1].FRP and FRCM systems are used in con-fining concrete elements; both systems

limit the element’s transverse strains through wrapping in the composite and induce a complex tri-axial state of stress-es in the concrete core.The main results of tests performed on plain concrete specimens confined with PBO-FRCM (fabric meshes of PBO em-bedded in cement-based mortar) and C-FRCM/fabric meshes of carbon em-bedded in cement-based mortar) are de-scribed and analyzed in the following to evaluate how the main mechanical and geometrical parameters involved in the confining mechanism affect the struc-tural response of the confined concrete.

C-FRCM CONFINED CONCRETE SPECIMENSThe experimental investigation has been carried out on 62 concrete cylin-drical (150 mm diameter and 300 mm height) and prismatic (square section 150 mm width, 300 mm height; rectan-gular section 150 mm x 300 mm and 300 mm height) specimens confined with C-FRCM and C-FRP. In particular 6 specimens were not confined; 41 speci-mens (24 cylindrical) were confined with C-FRCM and 15 specimens were con-fined with C-FRP. The aims of the ex-perimental investigations were the eval-uation of the effectiveness of C-FRCM concrete specimens and the compari-son between the structural response of C-FRCM and C-FRP confined concrete specimens. Tests were performed var-ying the initial compressive strength of concrete, fc0, and the number of confin-ing layers. As illustrated in Figure 1, the hand lay-up procedure was adopted to confine specimens.The mechanical properties of the rein-forcement system are reported in Table 1; Testing set-up and instrumentation used to measure displacements, loads and strains are illustrated in Figure 2.Average values of the increase of strength recorded for confined speci-

F

Luciano Ombres – Civil Engineering Department, University of Calabria

IROP 23-02-2009 8:59 Pagina 31

I.R.O.P. di F.lli Zanacca srlVia Martiri della Liberazione, 107/A – 43126 Vicofertile (PR) – ITALY

tel.+39 0521 992968/9 – Fax +39 0521 992379e-mail: [email protected]

www.irop.it

Nata nel 1956, da molti anni IROP progetta e realizza

AUTOCLAVI PER MATERIALI COMPOSITILe autoclavi a chiusura rapida IROP sono progettate e costruite secondola Direttiva 97/23/CE “PED”e riportano la marcatura “CE”. Esse vengonorealizzate in svariate dimensioni secondo le “specifiche” del cliente e tro-vano largo impiego in diversi settori industriali da quello aeronautico espaziale a quello automobilistico e sportivo in generale.Nella costruzione IROP si avvale dei più moderni criteri tecnologici. IROPha inoltre recentemente ottenuto anche la Licenza di Costruzione Cineseper l’esportazione diretta in detto paese.

imens was gradual: the jacket col -lapsed after the formation of wide verti-cal cracks while the concrete inside the jacket was completely crushed; the fail-ure was due to a combination of fibers breaking and delaminations of the rein-forcement fabric meshes.The failure of C-FRP confined speci-mens followed a brittle fracture mecha-nism, i.e. it was sudden and due to fib-ers breaking.

PBO-FRCM CONFINED CONCRETE SPECIMENSTests were carried out on 20 specimens: 2 un-confined and the remaining ones confined with different configurations varying both the number of confining lay-ers and the fiber orientation, i.e. fibers were placed along a spiral with an angle q with respect to the longitudinal axis of the specimens. In particular specimens confined with one, two, three and four confining layers and q=30°, 45° e 90° were tested.The chosen PBO fabric mesh is depict-ed in Figure 5; mechanical properties of the confining system are reported in Ta-ble 1; test set-up and instrumentation are illustrated in Figure 2.Experimental axial stress-axial strain and

axial stress-radial strain diagrams are re-ported in Figure 6.The analysis of diagrams reported in Fig-ure 6 evidences that the best mechanical performances were obtained by speci-mens confined with three and four con-fining layers. However, the peak strength of the CRP3-II specimen confined with three layers is practically equivalent to that of the CRP4-II specimen confined with four layers.This result, well-known in the litera-ture, evidences that over a limit value, the strength of the confined concrete not increases with the number of con-fining layers.The stress-strain curves for varying fib-er orientation angle, reported in Figure 7, show that best performances in terms both of stress and strain correspond to the configuration with q=90°.Failure of confined specimens, illustrated in Figure 8, was different for varying q.For q=90°, the failure was gradual for all tested specimens; it was characterized by a combination of PBO sheet cracking and debonding at the fiber/matrix inter-face. For specimens confined with q= 30° and q=45°, due to the significant ra-dial strains and the damage of the ma-trix at the ends of specimens, the fail-

ure occurs after a progressive reduc-tion of the confining action of the PBO-FRCM jacket.

CONCLUSIONSResults of the experimental investiga-tion, confirmed in the tecnica literature, show that FRCM concrete confinement yields significant improvements in the structural response of concrete in terms of both strength and ductility.


Fig. 1: Confinement with carbon fabric meshes.Table 1: Mechanical properties of confining FRCM system (fcm= compressive strength of the matrix; ffm= flexural strength of the matrix; Em= elastic modulus of the matrix, * provided by manufacturer).Fig. 2: Test set-up.Table 2: Experimental results.Fig. 3: Cylindrical specimens: axial load vs displacement diagrams.Fig. 4: Confined specimens at failure.Fig. 5: PBO fabric mesh.Fig. 6: Axial stress-strain diagrams.Fig. 7: Stress-strain curves for varying q.Fig. 8: Failure configurations of PBO-FRCM confined specimens.IROP 23-02-2009 8:59 Pagina 31

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24 Compositi

Dr. Chris Pantelides – Professore di Ingegneria Civile e Ambientale dell’Universita dello Utah

Riparazione rapida di pilastri in calcestruzzo

che di riparazione per pilastri danneggiati includono incamiciature di polimeri rinfor-zati in fibra di carbonio (CFRP), d’accia-io e di calcestruzzo rinforzato, fatte ade-rire dall’esterno. Fino a poco tempo fa si supponeva che quando le barre longitu-dinali dentro i pilastri si piegavano o si rompevano, il pilastro andasse sostituito.La Accelerated Bridge Construction (ABC) sta guadagnando consensi per i tempi di costruzione ridotti e la minima interruzione del traffico. L’uso di Grou-ted Spliced Sleeve (GSS) sta riscuoten-do attenzione quale possibile metodo di connessione in calcestruzzo prefabbrica-to per ABC in zone sismiche. I risultati di ricerche recenti sulle tecniche ABC indi-cano che i piloni collegati usando giun-zioni in GSS portano alla concentrazione del danno sui pilastri stessi e alla dimi-nuzione dell’area del danno rispetto alle costruzioni monolitiche tradizionali. Que-ste caratteristiche sono vantaggiose per gli scopi di riparazione, perché risultano in pilastri relativamente poco danneggia-ti grazie alla rilocalizzazione dell’area af-fetta dal danno.Il metodo di riparazione rapida è stato implementato in quattro pilastri in cal-cestruzzo prefabbricato seriamente dan-neggiati, collegati usando connettori in GSS. I campioni erano giunzioni colon-na-basamento e colonna-pulvino, ed era-no stati sottoposti a carichi ciclici quasi statici che simulavano terremoti, così da giungere a danni gravi prima della ripara-zione. Il danno era concentrato alle estre-mità dei pilastri e consisteva in frantuma-zione del calcestruzzo, rottura dei tondi-ni e pullout dei tondini dal GSS, così da compromettere significativamente la ca-pacità di carico laterale e spostamento la-terale, come mostrato in figura 1.La tecnica di riparazione rapida usa ma-teriali facili da installare, e include barre d’acciaio con testata ancorate con resina epossidica, fogli in CFRP e calcestruzzo non restringente o a espansione. Il primo passaggio nella procedura di riparazione è stato creare un guscio di CFRP prefab-bricato, come mostrato in figura 2. Du-rante il curing del guscio in CFRP, sono stati praticati i fori per le barre d’acciaio nel basamento o nel pulvino e le barre d’acciaio sono state fissate in posizione attorno al pilastro con l’epossidica. Dopo il curing, il guscio in CFRP è stato diviso a metà e posizionato intorno al pilone per simulare le condizioni d’opera; sono sta-

a riparazione rapida di pilastri di ponti danneggiati in seguito a un terremoto è una buona alternativa alla sostituzione; i vantaggi consi-

stono in risparmio economico, riduzione dei tempi di lavoro, e ridotta interruzione dei servizi d’emergenza. L’obiettivo nella riparazione del ponte è riportare i pilastri danneggiati a livelli di prestazioni simili a

quelli originari, ripristinando le loro pro-prietà di carico e spostamento laterale. Nella progettazione di ponti resistenti a terremoti, il danno è tipicamente diretto alle pile di sostegno, così da proteggere pulvini e basamenti che, di solito, sono di difficile accesso o riparazione; quindi, la riparazione post-sismica nella ricerca presente si concentra sui piloni. Le tecni-

L

Fig. 1: Zona danneggiata del pilastro in seguito a carichi simulanti terremoti: (a) fronte; (b) lato.

Fig. 2: Procedura di riparazione: (a) installate le barre con testata; (b) semigusci in carbonio; (c) guscio in car-bonio attorno al pilone; (d) guscio in carbonio riempito con calcestruzzo non restringente o ad espansione.

Fig. 3: Rilocalizzazione del danno al pilastro: (a) in origine, (b) riparato.

25Compositi

Rapid Repair of Concrete ColumnsRapid repair of damaged bridge columns following an earthquake is a good alternative to replace-ment; benefits include cost sav-

ings, reduction in construction time, and decreased interruption of emergen-cy services. The objective of bridge re-pair is to rehabilitate damaged columns to a performance level similar to the orig-inal performance by restoring their later-al load and displacement capacity. In the design of bridges for earthquakes, dam-age is typically directed to bridge col-umns, thus protecting the pier caps and footings which are typically not easy to access or repair; hence, the post-seismic repair in the present research is focused on columns. Repair techniques for dam-aged columns include externally bonded carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) jackets, steel jackets and reinforced con-crete jackets. Until recently it has been assumed that when longitudinal bars within the column buckle or fracture the column should be replaced.Accelerated Bridge Construction (ABC) is gaining acceptance because of reduced construction time and minimal traffic in-terruption. Grouted Splice Sleeves (GSS) have been gaining attention as a possi-ble precast concrete connection meth-od for ABC in seismic regions. Findings from recent ABC research indicate that columns connected using GSS connec-tors concentrate column damage and de-crease the area of damage compared to traditional monolithic construction. These characteristics are advantageous for re-pair purposes, leaving a relatively undam-aged column for relocation of the area of

ti applicati tre ulteriori strati di CFRP per completare la costruzione del guscio, che fungeva anche da cassaforma per man-tenere la struttura in posizione. A curing del tutto ultimato del CFRP è stato get-tato nel guscio il calcestruzzo non restrin-gente o a espansione.La resistenza e la capacità di spostamen-to laterale dei pilastri danneggiati è sta-ta recuperata, ottenendo approssimativa-mente gli stessi valori di spostamento e carico laterale dei campioni originari. La riuscita rilocalizzazione del danno è mo-strata in figura 3. Il risultato è una ripara-

column damage.The rapid repair method has been imple-mented on four severely damaged pre-cast concrete columns connected using GSS connectors. The specimens were column-to-footing and column-to-pier cap joints, and had undergone quasi-stat-ic cyclic loading, simulating earthquakes reaching a severe damage state before being repaired. Damage was concentrat-ed at the column ends and included con-crete crushing, rebar fracture and rebar pullout from the GSS, thus significantly compromising lateral load and displace-ment capacity, as shown in Figure 1.The rapid repair technique uses ma-terials that are easy to install includ-ing epoxy anchored headed steel bars, CFRP sheets and either nonshrink or ex-pansive concrete. The first step in the repair procedure was to create a prefab-ricated CFRP shell, as shown in Figure 2. While the CFRP shell was curing, the holes for the headed steel bars were drilled into the footing or pier cap and the headed steel bars were epoxy an-chored into place around the column. Af-ter the CFRP shell had cured it was split in half and placed around the column to simulate field conditions; three addition-al CFRP layers were applied to complete construction of the CFRP shell, which also acted as stay-in-place formwork. Once the CFRP shell had fully cured, ei-ther nonshrink or expansive concrete was cast inside the shell.The strength and displacement capaci-ty of the damaged bridge columns was restored by achieving approximately the same displacement and lateral load as

zione rapida ed economicamente conve-niente, che può essere messa in opera in pochi giorni. La ricerca è stata finanzia-ta dai Dipartimenti dei Trasporti di Utah, Stato di New York e Texas e dal Moun-tain Plains Consortium.A opinione dell’autore (che è stato il prin-cipal investigator della ricerca), sebbene questa tecnica di riparazione rapida sia stata sviluppata per piloni in calcestruzzo prefabbricato, potrebbe essere estesa a pilastri gettati in opera; essa ha il poten-ziale per essere usata per l’adeguamento di pilastri prima dell’occorrenza di eventi

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Dr. Chris Pantelides – Professor of Civil and Environmental Engineering at the University of Utah

the original specimens. The successful relocation of damage is shown in Fig-ure 3. The result is a cost effective rap-id repair which could be installed with-in a few days. The research was funded by the Utah, New York State and Texas Departments of Transportation and the Mountain Plains Consortium.According to the author (who is the prin-cipal investigator of the research), al-though this rapid repair technique was developed for precast concrete columns it could be extended to cast-in-place col-umns; it has the potential to be used in the retrofit of columns before an earth-quake as well as the rapid repair of col-umns after an earthquake.Based on the overall performance, this is a viable repair technique for severely damaged columns in regions with strong earthquake potential. Even though initial column damage was severe, the method is robust and applicable to columns with varying damage states including buckled or fractured longitudinal steel bars. The repair technique is rapid and satisfies the requirements of accelerated bridge construction.


Fig. 1: Concrete column area of damage from simulated earthquake loads: (a) front; (b) side.Fig. 2: Repair procedure: (a) post installed headed bars; (b) split carbon shell; (c) carbon shell around column; (d) carbon shell filled with non-shrink or expansive concrete.Fig. 3: Column damage relocation: (a) original, (b) re-paired.

sismici, così come per la riparazione ra-pida dopo un terremoto.Considerate le prestazioni complessive, questa è una tecnica di riparazione pra-ticabile per pilastri gravemente danneg-giati in regioni a forte rischio sismico. An-che in caso di grave danno iniziale al pi-lastro, il metodo è robusto e applicabile a piloni con vari livelli di danneggiamen-to, incluse flessioni e rotture delle barre di rinforzo longitudinali.La tecnica di riparazione è veloce e sod-disfa i requisiti della Accelerated Bridge Construction.

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27Compositi

Malte a base di biocalce e fibre di canna comune

riempimento di malta di biocalce, misce-lata con fibre disposte in maniera casua-le, in appositi stampi in polistirene espan-so secondo la norma UNI EN 1015-11. La stagionatura dei campioni, è avvenu-ta in ambiente a temperatura controllata (21 °C e U.R. 50%) per 28 giorni (fig.2).La campagna sperimentale è stata arti-colata in tre fasi. Nella prima si è valuta-ta l’influenza della percentuale in peso di fibra sulle proprietà meccaniche del com-posito; nella seconda, l’effetto del trat-tamento superficiale delle fibre con olio di lino con lo scopo di aumentare le per-formance del composito in conseguen-za del miglioramento sia delle proprietà meccaniche delle fibre (modulo elasti-co e resistenza meccanica) che dell’a-desione interfacciale fibra-matrice; infi-ne, nella terza fase, l’incidenza dell’A.R. delle fibre.A tal fine si sono realizzati i seguenti pro-vini:

• Non rinforzati• Con fibre (A.R. 0.1): 0.2%, 0.5%, 1%,

2% e 4% in peso• Con fibre (A.R. 0.1) trattate con olio di

lino: 0.2%, 0.5%, 1% e 2% in peso• Con fibre (A.R. 0.05): 1% in peso.

I provini sono stati testati mediante pro-ve di flessione a tre punti secondo la nor-ma UNI EN 1015-11.

egli ultimi anni, sta emergen-do una sempre più sentita esi-genza di ridurre l’impatto am-bientale dell’opera umana, li-

mitando il consumo di risorse non rin-novabili e utilizzando materiali non noci-vi ed ecologici.Il presente lavoro è mirato alla caratteriz-zazione di materiali compositi ecososte-nibili nel campo della bioedilizia, ottenu-ti mediante malte a base di biocalce e fi-bre naturali.L’uso della calce come legante è antichis-simo. Tracce del suo impiego si trovano in costruzioni dell’antico Egitto (2000 A.C.), della civiltà minoica, nelle rovi-ne di Troia, nei muri dell’antica Grecia e dell’antica Roma. Durante il 20° secolo, il cemento Portland ha sostituito la cal-ce nelle costruzioni, per le migliori pro-prietà meccaniche. Adesso, la tendenza è di un ritorno alle calci, o per meglio dire alle biocalci (malte di calce idraulica na-turale) che, rispetto ai cementi sono ma-teriali di origine rigorosamente naturale, riciclabili come inerte a fine vita, aventi ridotte emissioni di CO2 e sostanze or-ganiche volatili, con una diminuzione dei costi energetici di produzione, a ventila-zione naturale attiva nella diluizione de-gli inquinanti indoor, batteriostatica e fun-gistatica naturale. Tali malte sono impie-gate in edilizia principalmente per l’allet-tamento, la stilatura di murature e la re-

alizzazione di intonaci.La scelta di usare fibre naturali come rin-forzo di materiali compositi a base di bio-calce è finalizzata a sopperire alla fragi-lità da ritiro, che favorisce la formazione di crepe e quindi il decadimento di in-tonaci esterni, conferendo un maggio-re grado di tenacità al materiale [1]. La canna comune (Arundo donax L.) si di-mostra una scelta di particolare interes-se scientifico per la sua versatilità di im-piego e basso impatto ambientale [2]. Il suo utilizzo principale è legato alla realiz-zazione di supporti per la copertura del tetto e pannelli di muri in edifici antichi. Le caratteristiche meccaniche (modulo, duttilità, tensione a rottura) delle canne dipendono molto dal contenuto di umi-dità e ciò le rende un materiale adatto in una vasta gamma di applicazioni se-mi-strutturali [3].

MATERIALI E METODILa malta di biocalce utilizzata nella speri-mentazione è di tipo NHL 3,5 per impie-go in murature. Le fibre, ricavate median-te estrazione manuale dalla canna comu-ne Arundo donax L., sono state prepa-rate e selezionate in modo da assume-re Aspect Ratio (A.R.) medi (larghezza/lunghezza) prossimi a 0.1 e 0.05 allo sco-po di rendere i compositi più omogenei possibili (fig.1).I compositi sono stati ottenuti mediante

N

Dionisio Badagliacco, Alessio Lipari, Antonino Valenza Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Aerospaziale, dei Materiali Università degli Studi di Palermo

Fig. 2: Processo di produzione dei compositi.

Fig. 1: Sequenza di preparazione delle fibre di Arundo donax L.

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28 Compositi

Tab. 1: Risultati prove sperimentali.

Fig. 4: Curve sforzo-deformazione al variare della percentuale di fibra.

Fig. 3: Modulo a flessione al variare della percentuale di fibra.

DISCUSSIONE DEI RISULTATII risultati delle prove sperimentali, ripor-tati in Tabella 1, hanno evidenziato come fino al 2% in peso di fibre le caratteristi-che meccaniche delle malte si manten-gano su valori medi del modulo a fles-sione paragonabili o lievemente superio-ri rispetto ai non rinforzati, pur rimanen-do pressoché invariate le relative tensio-ni a rottura.Per percentuali di fibre al 4% si nota un drastico calo delle proprietà meccaniche, Figura 3, in quanto l’eccessivo quantita-tivo di queste comporta un incremento dei difetti, compromettendo la continu-ità del composito. Questi risultati sono in linea con analoghi dati presenti in let-teratura [1, 4].Il principale effetto positivo apportato dalle fibre lo si può osservare dalla figu-ra 4 che mostra come i compositi all’1 e 2% di fibre presentino, rispetto a quel-li non rinforzati, un ampio campo di re-sistenza post-frattura che ne garantisce continuità strutturale. In particolare per i provini al 2% di fibre, pur avendo valori di tensione a frattura inferiori rispetto ai non rinforzati, è possibile notare una ripresa della resistenza a flessione post-frattura anche fino a valori superiori al primo pic-co di frattura.Nella figura 5 si nota un discreto quan-titativo di fibre disposto lungo la direzio-ne longitudinale del provino e quindi me-glio orientato rispetto al carico ma anche una scarsa adesione tra la malta e le fi-bre evidente dal loro completo pull out. Per migliorarne l’adesione delle fibre con la biocalce sono state trattate con olio di lino. Si è scelto l’olio di lino in quanto da prove di rilassamento effettuate su can-ne a vario contenuto di umidità si è evi-denziato come quelle trattate mostrino un comportamento viscoelastico paragona-bile alle canne umide ma con resistenza meccanica addirittura superiore rispetto alle canne essiccate [3].Il trattamento delle fibre con l’olio di lino ha apportato all’aumento del modulo solo alle più basse percentuali (0.2 e 0.5%):

- Malte a base di biocalce e fibre di canna comune -

Provini % in peso di fibre

FLESSIONE

Tensione a rottura a flessione [Mpa]

Modulo a flessione [GPa]

media dev.st media dev.st

Non Rinforzati 0 3.168 0.247 0.366 0.040

A.R. 0.1

0.2 3.128 0.334 0.353 0.070

0.5 2.914 0.265 0.338 0.054

1 3.076 0.392 0.368 0.033

2 2.628 0.209 0.373 0.039

4 1.293 0.101 0.099 0.012

A.R. 0.1 + olio di lino

0.2 3.042 0.238 0.385 0.041

0.5 2.436 0.246 0.373 0.024

1 2.259 0.312 0.286 0.038

2 1.776 0.255 0.243 0.059

A.R. 0.05 1 2.660 0.193 0.359 0.036Fig. 5: Superfici di frattura di un provino di flessione con 1% di fibre non trattate.

ciò può essere attribuito all’aumento del-la rigidezza a flessione delle fibre. Invece, per percentuali superiori, si è osservato un consistente calo del modulo imputabi-le all’incompatibilità dell’olio di lino con la biocalce che porta ad un peggioramento dell’interfaccia tra fibra e matrice (fig.6).La riduzione dell’A.R. (0.05), figura 7, non comporta apprezzabili variazioni del mo-dulo, mentre la tensione a rottura si ri-duce leggermente, probabilmente o per il maggior numero di fibre che creano una maggiore difettosità o per la diversa conformazione delle stesse che sono o meno larghe o più lunghe.

CONCLUSIONELa campagna sperimentale effettuata ha dimostrato come l’impiego di fibre di canna comune Arundo donax L., come rinforzo di malte a base di biocalce, risulti vantaggioso soprattutto in termini di con-tinuità strutturale post-frattura, rispetto alla sola malta. Al contrario, il trattamen-to delle fibre con l’olio di lino ad alti con-tenuti di fibre non induce gli effetti be-nefici ipotizzati sulle caratteristiche del composito. Lo studio dell’Aspect Ratio ottimale che apporti le migliori perfor-mance al composito va ulteriormente approfondito. Fig. 7: Tensione a rottura e modulo a flessione per le diverse tipologie di provini.

Fig. 6: Modulo a flessione al variare della percentuale di fibra.

30 Compositi

Biolime based mortars and vegetable fibers of giant reedn recent years, a growing need to reduce the environmental impact of human work is emerging by limit-ing the consumption of not-renew-

able sources and using environmental-ly friendly materials. This work aims to characterize eco-friendly composite ma-terials obtained from biolime based mor-tars and natural fibers for green building applications. The use of lime as binder is very old; it is possible to find evidence of its use in buildings of ancient Egypt (2000 B.C.), the Minoan civilization, in the ru-ins of Troy, in the walls of ancient Greece and ancient Rome. During the 20th cen-tury Portland cement has replaced the lime in constructions for its better me-chanical properties. Now, the trend is a return to lime, or rather to biolime (natural hydraulic lime mortar) which, compared to cements are composed by natural or-igin materials, recyclable as inert mate-rial at the end of life, with reduced CO2 emissions and organic volatile substanc-es, with lower energy production costs, natural ventilation active in dilution of in-door pollutants, bacteriostatic and natural fungistatic. These mortars are primarily used in building for enticement, grouting of masonries and production of plasters. The use of natural fibers as reinforcement of biolime based composite materials is effective due to compensate the shrink-age brittleness, which leads to cracks and consequently the decay of external plas-ters, giving greater toughness to the ma-terial [1]. The giant reed (Arundo donax L.) raises special scientific interest for its ver-satility of use and low environmental im-pact [2]. Its main use refers to the realiza-tion of supports for the roof and wall pan-els in old buildings. The mechanical prop-erties (flexural modulus, ductility, tensile strength) of the reeds are significantly in-fluenced by the moisture content, which makes it a suitable material in a wide range of semi-structural applications [3].

MATERIALS AND METHODSThe type of biolime based mortar used in the experimentation is NHL 3.5 for ma-sonry. The fibers, obtained by manual extraction from the common reed Arun-do donax L., were manufactured and se-lected in order to obtain average Aspect Ratios (A.R. width/length) about 0.1 and 0.05 to produce the composites as much homogeneous as possible (fig.1). The composites were obtained by casting bi-olime mortar, mixed with randomly dis-posed fibers, in special polystyrene foam molds, according to the UNI EN 1015-11. The curing of the samples was carried out in a temperature controlled environment (21 °C and 50% R.H.) for 28 days (fig.2). The experimental campaign was organ-

ized in three phases. In the first it was ex-amined the influence of the percentage of fiber (by weight) on the mechanical prop-erties of the composite. Secondly, it was evaluated the effect of surface treatment of the fibers with linseed oil with the aim to increase the performance of the com-posite as a result of the improvement of both the mechanical properties of the fibers (mechanical strength and elastic modulus) and the interfacial adhesion be-tween fiber and matrix. Finally the influ-ence of the A.R. on the mechanical prop-erties of the composite was under study. To this aim, the following batch of speci-mens were manufactured:• not reinforced• with fibers (A.R. 0.1): 0.2%, 0.5%,

1%, 2% and 4% by weight• with fibers (A.R. 0.1) treated with linseed

oil: 0.2%, 0.5%, 1% and 2% by weight• with fibers (A.R. 0.05): 1% by weight.The specimens were tested by three-point bending tests according to the standard UNI EN 1015-11.

RESULTS AND DISCUSSIONSThe results of the experimental tests (table 1) have shown that, up to 2% by weight, the flexural modules of the mor-tars remain constant, or slightly higher than those not-reinforced, while the flex-ural strengths did not show significant changes. For the composites with fiber content equal to 4% it was recorded a drastic drop of the mechanical properties, Figure 3, since the great amount of these leads to an increase of the defects, affect-ing the continuity of the composite. These results are in line with similar data in the literature [1, 4]. The main positive effect made by the fibers can be observed by Figure 4 that shows how the composites at 1 and 2% of fiber content reveal, com-pared to those not reinforced, a wide field of post-fracture resistance, which ensures structural continuity. In particular the lat-ters, despite having lower values of flex-ural strength compared to the not-rein-forced, are characterized by an increase of the bending resistence post-fracture even up to values above the first peak of fracture. Figure 5 shows a number of fib-ers arranged along the longitudinal direc-tion of the specimen and therefore bet-ter oriented with respect to the loading direction, but also a poor adhesion be-tween mortar and fibers which is evident from their complete pull-out. In order to improve the quality of adhesion between fibers and biolime, they were treated with linseed oil. The latter was chosen because from some relaxation tests carried out on reeds with different moisture contents was highlighted that those treated exhibit a viscoelastic behaviour similar to the wet

I

Dionisio Badagliacco, Alessio Lipari, Antonino Valenza Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Aerospaziale, dei Materiali Università degli Studi di Palermo

reeds but also higher mechanical strength than the dried ones [3]. The treatment of the fibers with linseed oil contributed to increase the flexural module only at the lower percentages (0.2 and 0.5%), this can be due to the increase of the bend-ing stiffness of the fibers. In contrast, for higher percentages, it was observed a de-cline of the module due to the incompat-ibility of the linseed oil with the biolime which leads to a deterioration of the in-terface between fiber and matrix (fig.6). The reduction of the A.R. (0.05), figure 7, does not lead to noticeable changes of the module, while the flexural strength is slightly lower probably as a consequence either of the greater number of fibers that create a greater defectiveness or of the different conformation of the latters which are or less wide or longer.

CONCLUSIONThe experimental campaign has evidenced how the use of common reed Arundo donax L. fibers, as reinforcement for bi-olime based mortars, is promising especial-ly in terms of post-fracture structural conti-nuity in comparison with the not reinforced mortar. By contrast, the treatment with lin-seed oil for high content of fiber compos-ites does not induce the beneficial effects expected on the characteristics of the ma-terial. The study of the ideal Aspect ratio which brings the best performance to the composite should be further investigated.

REFERENCES[1] G. Di Bella, V. Fiore, G. Galtieri, C. Borsellino, A. Valenza. Effects of natural fibres reinforcement in lime plasters (kenaf and sisal vs. Polypropylene, Con-struction and Building Materials 58 (2014) 159–16.[2] Andrea Bucci, Francesco Cerino Badone e Rob-erto Pilu. La canna comune (Arundo donax L.) As-petti storici, scientifici e tecnologici, ARACNE edi-trice S.r.l., Roma (2012): pp. 7-20.[3] F. Nicoletti, V. Fiore, R. Tavolanti, T. Scalici, A. Valenza. Effect of various moisture content on the mechanical and viscoelastic properties of giant reed Arundo Donax L., First International Conference on Bio-based Building Materials, June (2015).[4] F. Iucolano, B. Liguori, C. Colella. Fibre-reinforced lime-based mortars: A possible resource for ancient masonry restoration, Construction and Building Ma-terials 38 (2013) 785–789.


Fig. 1: Manufacturing sequence of the fibers Arundo donax L.Fig. 2: Manufacturing process of the composites.Fig. 3: Flexural Modulus for different percentages of fibers.Fig. 4: Stress-Strain curves for different percentage of fibers.Table 1: Experimental results.Fig. 5: Fracture surfaces of a bending specimen with 1% of untreated fibers.Fig. 6: Comparison Flexural Modulus for different per-centage of fibers.Fig. 7: Flexural Strength and Modulus for the different batches of specimens.

31Compositi

Compositi e ambiente possono andare d’accordo!

sostanzialmente più alta dell’uso di ener-gia per la manifattura del prodotto, come indicato in Figura 2.La European Composite Industry Asso-ciation (EuCIA) ha recentemente svilup-pato uno strumento di calcolo con cui si può valutare l’impatto ambientale del-la fase di produzione di un componente in composito.Questo strumento, che si può trovare sul sito web di EuCIA (www.EUCIA.com), permette a qualunque professionista del settore compositi di valutare il proprio prodotto, sulla base di un grande nume-ro di materie prime e processi produtti-vi. I primi calcoli con questo strumento avallano la conclusione dell’Università di Tokyo e indicano che l’80-90% dell’ener-gia contenuta (e dell’impatto ambienta-le totale) di un componente in materiale composito è a carico dei materiali. Per-ciò è importante compiere scelte oculate sui materiali, essendo l’impatto ambien-tale una caratteristica chiave del prodot-to in composito da realizzare.

USO DEI COMPOSITILa scelta dei compositi è guidata perlo-più dalla loro leggerezza e durevolezza ri-spetto ai materiali da costruzione tradi-zionali, come acciaio, legno e calcestruz-zo. Per parti mobili, sia orizzontalmente che verticalmente, il peso ha una grande influenza sull’energia richiesta per movi-mentare il pezzo. Risparmiare peso su di un’auto e ancor di più su di un aereo avrà un impatto fondamentale sul consumo di energia durante l’uso.Come stima indicativa, ridurre il peso di un’autovettura di 100 kg comporta una riduzione del consumo di carburante tra 0.4 e 0.6 litri per 100 km. Nei decenni passati i compositi sono stati usati princi-palmente per pannelli della carrozzeria di auto (di serie limitate), ma recentemen-te, con il lancio della BMW i3, i compo-siti sono stati introdotti in parti struttu-rali di un modello in serie su vasta scala.Per i velivoli, questo effetto è ancora maggiore: il 50% del peso di un Boeing 787 “Dreamliner” è costituito da com-positi in fibra di carbonio, così da ave-re una riduzione del 20% del peso com-plessivo dell’aeromobile, che combinata con una forma aerodinamica ottimizzata e una miglior efficienza dei motori risul-ta in una riduzione del consumo di car-burante del 20%.I compositi hanno una posizione mol-

immagine delle plastiche in re-lazione all’ambiente general-mente non è positiva. Le plasti-che che finiscono nell’ambien-

te (come la “Plastic Soup”, la spazzatu-ra di microdetriti plastici che si raccoglie negli oceani) contribuiscono a quest’im-magine e ciò è dovuto anche alla grande durevolezza dei polimeri: le plastiche tra-dizionali si degradano molto lentamente nell’ambiente!È importante evidenziare anche i contri-buti positivi offerti all’ambiente dalle pla-stiche, e più specificamente, dalle plasti-che fibrorinforzate.La produzione e l’uso di plastiche fibro-rinforzate o compositi può causare una riduzione dell’uso di materie prime ed energia rispetto ad altri materiali da co-struzione più tradizionali. Il problema del-la fine vita (che andrebbe piuttosto chia-mato problema della fine d’uso), che con-ferisce la “cattiva immagine” alle plasti-che e anche ai compositi, richiede cer-tamente attenzione e soluzioni da parte dell’industria, ma qui presenteremo l’im-patto positivo dei compositi.

PENSARE AL CICLO DI VITAPer valutare l’impatto ambientale di un’auto, una casa, una TV o qualsiasi al-tro prodotto, si dovrebbero considerare tutti i passi nel ciclo di vita: produzione, uso e fine uso. I prodotti hanno un impat-to ambientale in tutte queste fasi.

Fase di produzioneIn questa fase sono usati materiali che sono stati acquisiti, il più delle volte, da risorse naturali, e che sono prodotti at-traverso diversi processi che richiedo-no energia e altri servizi. Per converti-re questi materiali in un prodotto finito, vengono usati processi produttivi che richiedono anch’essi energia e servizi. Nella maggior parte dei casi, questi pro-cessi creano anche emissioni in aria, ac-qua e terreno.

Fase d’usoNella fase d’uso il prodotto può richiede-re energia per il suo utilizzo (come appa-recchi elettrici, auto e aerei) e necessi-tare di manutenzione. A seconda della durevolezza del prodotto (quanto a lun-go può essere utilizzato), la fase d’uso può avere un grandissimo impatto am-bientale. Specialmente per prodotti che devono essere messi in movimento (ac-

celerare e decelerare) o salire e scende-re (come un aereo), l’uso di energia è un fattore molto importante in tutta la cate-na del ciclo di vita.

Fase di fine d’usoInfine, l’impatto ambientale di un prodot-to al momento in cui non lo si può o vuo-le più usare, la fase di fine uso, può ave-re un effetto sostanziale sul ciclo di vita nel suo complesso, dipendentemente dal metodo di riciclo utilizzato.La somma di tutte le fasi rappresenta l’impatto ambientale complessivo. È im-portante tenere in considerazione tutte le fasi per prendere la decisione giusta nella scelta del materiale per un compo-nente. Per esempio, un impatto ambien-tale relativamente alto nella fase di fine uso può essere compensato e superato nella fase d’uso.Una valutazione complessiva di tutto il ci-clo di vita (LCA, Life Cycle Assessment) è perciò l’unico modo per confrontare i materiali in termini del loro impatto am-bientale.

PRODUZIONE DEI COMPOSITIL’impatto ambientale nella fase di produ-zione dei compositi è controllato princi-palmente dalla scelta delle materie pri-me, ovvero le resine, le fibre di rinforzo e gli additivi. Uno studio eseguito dall’U-niversità di Tokyo (Suzuki, c.s.) indica che l’energia contenuta nelle materie prime è

L’

Ben Drogt – BiinC

Fig. 1: Il ciclo di vita del prodotto.

Fig. 2: Contenuto energetico di materiali compositi e processi produttivi (Suzuki, c.s.).

32 Compositi

• riciclo chimico: separare chimicamen-te resina e materiale di rinforzo

• riciclo meccanico: triturare il com-posito per usarlo come filler in altri compositi o materiali diversi (come fa per esempio la ditta italiana Gees Recycling)

• riciclo termico: usare l’energia conte-nuta nella resina come fonte di ener-gia in una centrale (il rinforzo sarà uno scarto)

• uso in fornace per cemento: usare i ri-fiuti compositi come materia prima e combustibile nel processo produttivo del cemento.

Ognuno di questi metodi è a un diverso stadio di sviluppo, e soprattutto l’uso per la produzione di cemento ha mostrato la sua fattibilità economica. Questa stra-da è conforme alla legislazione europea sul riciclo (Composites Recycling Made Easy, EuCIA positioning paper, 2011).Questa linea usa il 100% del rifiuto com-posito, aggiungendo composito macina-to nel processo produttivo del cemento. La fibra di vetro e altri filler minerali nel composito costituiscono una materia pri-ma per il cemento, mentre la resina e gli altri polimeri o materiali bruciabili fungo-no da combustibile per il processo di pro-duzione del cemento, che richiede gran-di quantità di energia.L’uso di compositi rimacinati nella produ-zione del cemento può anche ridurre le emissioni totali di CO2 in questo proces-so fino al 16% (stima di Holcim, Alian-cys e ETH Zurich-CH).

CONCLUSIONILe tre fasi nel ciclo di vita di un prodot-to in materiale composito danno contri-buti molto diversi all’impatto ambienta-le. La maggior parte dei benefici è otte-nuta grazie alla leggerezza, durevolezza e libertà di forma durante la fase d’uso. Tuttavia anche una buona scelta della materia prima e del processo produttivo può ridurre l’impatto nella fase di produ-zione, mentre sono disponibili ed econo-micamente fattibili soluzioni per la fase di fine uso.Il caso delle turbine eoliche ne è il mi-glior esempio: i compositi possono ave-re un’influenza molto positiva sull’am-biente, il che supporta il titolo di que-sto articolo.

to speciale nel settore delle energie rin-novabili, e specificamente nelle turbine eoliche. Le dimensioni e l’efficienza del-le turbine eoliche attuali (fino a 160 m di diametro e 8 MW di potenza) sono pos-sibili solo grazie all’uso di materiali com-positi, che permettono di realizzare pale molto robuste e leggere. Come esem-pio dell’impatto ambientale estremamen-te positivo delle turbine eoliche con pale in composito, ecco questi dati: una tipi-ca turbina eolica da 2 MW produce in 7 mesi la stessa quantità di energia che è stata usata per costruirla e installarla. Du-rante il suo ciclo di vita produce 34 vol-te l’energia costata per produrla (esem-pio ricavato dalla turbina eolica VESTAS V100 2.0 MW).La leggerezza, durevolezza e anche le ot-time proprietà di isolamento termico dei compositi (rispetto ai metalli) rendono questi materiali molto interessanti anche per le facciate degli edifici. Negli ultimi anni gli architetti hanno usato anche la li-bertà di forma dei compositi per realizza-re edifici spettacolari. Un buon esempio di ciò è l’Aliyev Cultural Center a Baku, Azerbaijan (progettato da Zaha Hadid): l’intera struttura esterna è costruita con materiali compositi.

FINE D’USO DEI COMPOSITIA causa della grande durevolezza dei compositi, la vita di un prodotto in ma-teriale composito può essere molto lun-ga, a fronte di una manutenzione limi-tata. Molto spesso avviene che il pe-riodo di vita di un oggetto in composito sia molto più breve in termini economi-ci o estetici rispetto a quello puramente materiale. Perciò “fine uso” è un modo più appropriato per indicare il momento in cui un prodotto in composito deve es-sere riciclato.Un buon esempio lo fornisce la tenden-za nell’energia eolica, dove le turbine più vecchie e meno potenti vengono sostitu-ite da impianti più grandi. Lo stato tecni-

co delle vecchie turbine è spesso anco-ra molto buono, ma l’efficienza delle ap-parecchiature antiquate non è più conve-niente economicamente.Oggi, la maggior parte dei composi-ti è costituita da materiali termoindu-renti (con resine epossidiche, polieste-ri o vinilesteri) rinforzati con fibra di ve-tro. Una caratteristica tipica di una resi-na termoindurente è che non può esse-re fusa come le resine termoplastiche. Perciò è preclusa la possibilità di riutiliz-zo che è disponibile per le resine termo-plastiche, ovvero la fusione e rimodella-mento in nuovi pezzi.La fase di fine uso dei compositi termoin-durenti richiede dunque altre soluzioni. In generale, per questa classe di mate-riali sono disponibili le seguenti opzioni: • riutilizzare parte del materiale: usare il

pezzo in composito o il materiale per un’altra applicazione

- Compositi e ambiente possono andare d’accordo! -

Fig. 3: La più grande turbina eolica nel 2015: VESTAS V164 8MW.

Fig. 4: Aliyev Cultural Center a Baku.

Fig. 5: Processo produttivo di cemento con uso di rifiuti compositi (per gentile concessione di Holcim).

Composites and the environmentcan be a perfect fit!

Original English text from the author Ben Drogt – BiinC

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equipment, cars and aircrafts) and re-quire maintenance. Next to the durability of the product (how long can it be used), the use phase can have a very big envi-ronmental impact.Especially for products that needs to move (accelerate and decelerate) or needs to go up and down (like an air-craft), the use of energy is a very impor-tant factor in the total chain.

End-of-Use phaseFinally the environmental impact of the product at the moment it will not or can-not be used anymore, the End-of-Use phase, can have a substantial effect on the total chain, depending on recycling method used.The sum of all phases represent the to-tal environmental impact. It is important to take all phases into account to make the right decision in the choice of mate-rial for a part.

he image of plastics, related to the environment, is in general not positive. Plastics that end up in the environment (like the “Plas-

tic Soup”, micro plastic waste, gathering in the oceans) contribute to this image and is also caused by the high durability of polymers: traditional plastics degrade very slowly in the environment! It is im-portant to show also the positive contri-bution of plastics, and, more specifical-ly, fiber reinforced plastics, to the envi-ronment. The production and use of fib-er reinforced plastics or composites can have a reduction of use of raw materials and energy, compared to other, more tra-ditional construction materials. The end-of-life issue, that gives plastic and also composites the “bad image” (better call it end-of-use issue), needs of course at-tention and solutions from the industry, but here it will be presented the positive impact of composites.

THINK IN THE CHAINTo evaluate the environmental impact of a car, a house, a TV or any other prod-uct, all steps in the life cycle should be considered: Production, Use and End-of-Use. Products have an environmen-tal impact in all these phases.

Production phaseIn this phase materials are used that once have been won from, most often, a natural resource, and are produced via different processes that require energy and other utilities. To convert these ma-terials into a product, production pro-cesses are used that require energy and utilities as well. In most cases, these pro-cesses also create emissions to the air, to the water and to land.

Use phaseIn the Use phase the product may re-quire energy to use it (like electrical

T


consumption reduction, together with an optimized aerodynamic shape and im-proved engine efficiency, in a fuel con-sumption reduction of 20% as well.Composites have a very special posi-tion in the renewable energy industry, and specifically in wind turbines. Today’s size and efficiency of wind turbines (up to 160 m diameter and 8 MW capacity) are only possible due to the use of com-posite materials, to make very strong and light wings.As an example of the very positive envi-ronmental impact of wind turbines with composite wings, the following fact: a typical 2MW wind turbine produces in 7 months the same amount of ener-gy that was used to make and install it. During its use-time it produces 34 times the energy it cost to produce it (exam-ple from VESTAS type V100 2.0MW wind turbine).The low weight, high durability and also the high thermal insulation properties of composites (compared to metals), make composites also a very interesting mate-rial for buildings facades. In the last years architects have used also the freedom of shape of composites to make spectac-ular buildings. A good example of this is the Aliyev Cultural Center in Baku, Azer-baijan (designed by Zaha Hadid): the to-tal outer shell is produced in compos-ite material.

END-OF USE OF COMPOSITESDue to the high durability of compos-ites, the life time of a composite prod-uct can be very long, while maintenance will be limited.It is very often the case that the eco-nomical life-time or the esthetical life-time of a composite part is shorter than the material life time. Therefore “end-of-use” is a better way of marking the mo-ment that a composite product needs to be recycled.A good example is the trend in wind en-ergy, where older (low capacity) turbines are replaced by bigger ones. The techni-cal state of the old turbines is very often still very good, but the efficiency of the (out-dated) equipment is economically feasible anymore.Today, most composites are glass fiber reinforced thermosetting materials (with epoxy, polyester or vinyl ester resins). A typical feature of a thermosetting resin is that it cannot be molten, like thermo-plastic resins. Therefore the re-use op-tion that is feasible for thermoplastics, by re-melting and re-molding in new parts, is not possible.The end-of-use phase of thermoset com-posites requires therefore other solu-tions.In general the following options are avail-able for this class of composites:

For example, a relative high environmen-tal impact in the End-of-Use phase can by compensated and overruled in the Use phase.A full Life Cycle Assessment (LCA) is therefore the only way of comparing ma-terials on their environmental impact.

PRODUCTION OF COMPOSITESThe environmental impact in the Produc-tion phase of composites is mainly driv-en by the choice of raw materials, being the resins, the reinforcement fibers and additives. A study, done by the Univer-sity of Tokyo (Suzuki, c.s.), indicate that the embodied energy of the raw materi-als is substantially higher than the ener-gy use for producing the product, as in-dicated in figure 2.The European Composite Industry Asso-ciation (EuCIA) has recently developed a calculator tool with which the environ-mental impact of the production phase of a composite part can be calculated. This tool, that can be found on the web-site of EuCIA (www. EUCIA.com), and allow the average professional in the compos-ite industry to evaluate its own product, based on a large number of raw materi-als and production processes. First cal-culations with this tool support the con-clusion of the University of Tokyo and in-dicate that 80-90% of the embodied en-ergy (and of the total environmental im-pact) of a composite part is contributed by the materials. It is therefore of impor-tance to make the right choices of ma-terials, when environmental impact is a key feature of the composite part to be produced.

USE OF COMPOSITESThe choice for composites is mainly driv-en by the low weight of composites and the durability of composites, compared to traditional construction materials, such as steel, wood and concrete.For parts that move, both horizontal-ly and vertically, the weight is of big in-fluence on the energy required to move the part.Saving weight on cars and, even more, on aircrafts will have a major impact on the energy use during operation.As a rule of thumb, reducing the weight of a passenger car with 100kg. results in a reduction of fuel consumption of 0.4 to 0.6 liter per 100 km. In the past decades composites are mainly used for body panels of (smaller series) cars, but recently, with the launch of the BMW i3, composites are introduced in structural parts of a larger series car model.For aircrafts, this effect is even strong-er: 50% of the weight of the Boeing 787 “Dreamliner” is carbon fiber composite, resulting in a weight reduction of the to-tal aircraft of 20%. and resulting in a fuel

- Composites and the environment can be a perfect fit! -

• re-use part or material: use the com-posite part or material in another ap-plication

• chemical recycling: decomposing the resin into chemicals and reinforce-ment material

• mechanical recycling: grinding of the composite, to be used as filler in com-posites or other materials (for example Gees Recycling in Italy)

• thermal recycling: use the energy stored in the resin as source of ener-gy in power plant (reinforcement fiber will be residue)

• cement kiln route: use composite waste as raw material and fuel for the cement production process.

All these methods are at different stag-es of development, where especially the cement kiln route has shown to be eco-nomically feasible. This route is compli-ant with the EU-legislation on recycling (Composites Recycling Made Easy, Eu-CIA positioning paper, 2011). This route uses 100% of the composite waste, by adding grinded composite to the production process of cement. The glass fiber and other mineral fillers in the composite are raw material for ce-ment, while the resin and other poly-mer or burnable materials acts as fuel for the energy intensive process of mak-ing cement.The use of regrind composites in the ce-ment production can even reduce the to-tal CO2 emission of this process with up to 16% (evaluated by Holcim, Aliancys and ETH Zurich-CH).

CONCLUSIONThe 3 phases in the life cycle of a com-posite product have very different con-tributions to the environmental impact. Most benefits can be gained from the low weight, high durability and freedom of shape, during the Use phase. How-ever a good choice of raw material and process, will also reduce the impact in the Production phase, while solutions for the End-of-Use phase are available and economically feasible. The wind tur-bine case shows the best: composites can have a very positive influence on the environment, which supports the title of this article.


Fig. 1: The product life cycle.Fig. 2: Embodied energy of composite materials and pro-cesses (Suzuki, c.s.).Fig. 3: The largest windturbine in 2015: VESTAS V164 8MW.Fig. 4: Aliyev Cultural center in Baku.Fig. 5: Cement production process with composite waste use (courtesy of Holcim).

Italmatic Presse Stampi s.r.l.Via Tazio Nuvolari s.n. - 55061 Fraz. Carraia - Capannori (Lu) - Italy

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36 Compositi

L’archistar giapponese Kengo Kuma ha rigenerato un palazzo nella città di Nomi, sul mar del Giappone. La sua particolarità? È un edificio che utilizza la fibra di carbonio per resistere ai ter-remoti. Come una tela di ragno, i tiranti in fibra avvolgono il pa-lazzo, aumentandone la resilienza.Lo spunto sono le tradizionali tecniche di lavorazione per la re-alizzazione del cordame. Kengo Kuma le ha replicate sulla fibra di carbonio: in questo modo è riuscito a ottenere un tirante in-trecciato che presenta la resistenza della fibra di carbonio e la flessibilità della corda. Tramite un software, è stata calcolata la posizione di ciascuno dei tiranti per la cui realizzazione sono stati utilizzati 630 km di carbonio. Lo scopo era quello di utiliz-zare il carbonio come materiale di supporto alle proprietà anti-sismiche e di resilienza dell’edificio. La resistenza meccanica della fibra di carbonio è dieci volte superiore a quella dell’accia-io: a fronte di un peso minore – pari a 1/4 – la sua forza di tra-zione è quattro volte maggiore. Il risultato è un materiale che

si rivela promettente per aumentare la resilienza degli edifici, dato che il processo di lavorazione non ha evidenziato proble-mi o difficoltà particolari. La struttura - posizionata sul “Fa-Bo”, lo spazio di lavoro, ricerca e sviluppo della manifattura tessile Komatsu Seiren - è stata studiata per garantire all’edificio un’a-deguata protezione contro le onde sismiche e funziona in que-sto modo: quando la struttura oscilla, i tiranti del lato opposto bilanciano lo spostamento del palazzo. L’archistar Kengo Kuma ha pensato alla protezione ma anche alla valenza estetica: i ti-ranti, come una ragnatela, sono disposti attorno all’edificio, ga-rantendo trasparenza e leggerezza.

壁:断熱吹付＋タイカコート

▽基礎下端 GL-2,000

▽平均GL

▽1FL (=GL+400)

▽2FL (=1FL+5,010)

▽3FL (=1FL+8,410)

▽RSL (=1FL+11,600)▽P1FL (=1FL+11,900)

▽最高高さ(=1FL+15,950)

展示スペース

事務室

ラボエントランスホール

EVホール

EVホール EPS

EPS

倉庫事務室

女子トイレ男子トイレ事務室

廊下アーカイブスペース

床:ビニルタイル

床:モルタル補修　 +防塵塗装

ソックダクト

床:OSSB

ランプシェード

天井:吸音ボード

床:高強度GreenBiz

床:御影石

床:OSSB

床:OSSB

緑化:GreenBiz Roof

壁:カーテン

壁:カーテン

壁:カーテン

炭素繊維ロッドスクリーン


天井:ファブリック

天井:EP塗装

天井:断熱吹付＋タイカコート

床:OSSB

床:ビニルタイル


天井:EP塗装

天井:断熱吹付＋タイカコート


天井:現し

空調機械室

床:OSSB

外壁:GreenBiz Sakan

外壁:GreenBiz Sakan

床:高強度GreenBiz 緑化:GreenBiz Roof

パーゴラ:炭素繊維ロッドφ9

壁:炭素繊維ロッドブレース壁

壁:炭素繊維ロッドブレース壁

天井:ウレタン吹付断熱材

壁:EP塗装

天井:EP塗装

壁:CFロッドブレース壁

鋼管:溶融亜鉛メッキ

笠木PL:溶融亜鉛メッキ

炭素繊維ロッドφ9

EPS

展示什器間仕切カーテン

EVホール


天井:EP塗装

8,0008,000

4,145 8553,0007,480

8,000

40,000

260260

3,500

6,850

3,3508,0008,0004,2003,500

7,700

2,000

400

5,010

3,400

12,30

0

3,190

300

4,050

4,650

2,430

3,100

3,040

3,270

1,340

3,310

2,400

4,650

3,100

3,040

3,000

I tiranti anti-terremoto in fibra di carbonioPhoto Credit: Takumi Ota

37Compositi

Many people only focus on the use phase and typically the energy consumption when they think of a green building. “Less than 1% of buildings in the EU have gone through an envi-ronmental assessment beyond energy efficien-cy. But we at the European Commission think it should be a wider approach that looks at the full life-cycle of the building – from the extraction and production of the materials, to the construc-tion and use of the building and then the end-of-life” declares Josefina Lindblom, In 2014, the Commission published a strategy document on ‘Resource Efficiency Opportunities in the Build-ing Sector’ (COM(2014)445). This identified the need for a common European approach to as-sess the environmental performance of a build-ing throughout its lifecycle. To achieve this, a two and a half-year study to develop an EU com-mon framework of indicators for such assess-ment has been launched. Groups of stakeholders work close-ly with Commission experts to help guiding the process. The work is advancing and has now come to a stage where a set of indicators and how they could work will be suggested. A pub-lic consultation regarding this has just been launched and will be open until early October. The new indicators should be pre-sented in summer 2017. “By having a common language – core indicators – we can help influencing decisions along the value chain. We will provide a tool with a limited number of key indica-tors to allow reporting between the actors, useful for the main-stream market” says Lindblom. The aim is to develop a volun-tary common framework which should be possible to use direct-

Il 17 maggio scorso si è riu-nita per la prima volta l’As-semblea della neo costitui-ta Sezione CESMA “Giulio Douhet” dell’Associazione Arma Aeronautica. Si tratta

di una tappa importante che segna un salto di qualità nell’aspi-razione del CESMA, il Centro Studi Militari Aeronautici, a rea-lizzare sempre meglio la sua missione di “diffondere la cultura dell’Aeronautica, dello Spazio e delle alte tecnologie, oltre che rendere disponibile un ambiente comune nel quale scambiare idee, dibattere liberamente e studiare indirizzi e tendenze del mondo aerospaziale e della difesa, allo scopo di facilitare l’ in-dividuazione delle sinergie e l’elaborazione di proposte da sot-toporre, con intento puramente collaborativo, all’attenzione dei decisori politici e istituzionali”. Nel 2016 i principali temi in trat-tazione includono: il Volo Ipersonico, il Volo e l’Arte, la Dife-sa Europea, le Reti di Comunicazioni Strategiche della Difesa, gli Aeromobili a Pilotaggio Remoto ostili, l’Air Power, il Future JISR, la Hybrid Cyber Warfare e la Corsa Verso Nuovi Mondi.La costituzione della Sezione CESMA consentirà a tutti coloro che lo desiderano di diventare Soci e pertanto di partecipare de-

ly, as a reporting tool, by building professionals and their clients to prioritise their focus for mak-ing environmental improvements. It is however not planned to link the indicators to European benchmarks. It should furthermore be possible to use the framework indirectly by existing and future assessment and certification schemes to ensure that their criteria reflect priority areas for resource efficiency at a European level, and of course to assure the comparability of data and results. One of the benefits that the Commis-sion hope that their work will result in will be a common language and comparable data that will help supporting the business case for green buildings. The common language will moreover support the transfer of good/better practice to and in the mainstream market. “Most green buildings today are at the high-end buildings of the market. We want to move green thinking into

the residential sector, which equals 70% of the market. The idea with the current work is to provide something simple to use that is suitable for the standard, mainstream market”. Construction has a prominent position in the EU’s new strategy to develop the circular economy across Europe. “Research shows that the building sector is one of the biggest resource users in our soci-ety”, Lindblom points out. “Looking at their full life cycle, build-ings use about 50% of our extracted materials and of our en-ergy. One third of water goes to buildings in one way or anoth-er, and more than one third of our total generated waste is con-struction and demolition waste.” The link to the consultations is:http://susproc.jrc.ec.europa.eu/Efficient_Buildings/register.cfm

mocraticamente alla definizione degli indirizzi di sviluppo delle at-tività, oltre che a fornire in modo più efficace la loro opera volon-taria, rendendo più coesa la comunità di tutti gli appassionati di Aeronautica, Spazio e alte tecnologie. Alcuni dei valori, per così dire, professionali di questa comunità sono: la curiosità visiona-ria; la sicurezza, intesa come safety e come security; la qualità del lavoro, dei processi e dei prodotti; la concretezza; il pragmati-smo; lo spirito di sacrificio e l’amore per la propria professione e, non ultimo, il desiderio di essere utili al nostro Paese. Il CESMA si sta avviando a diventare un Think Tank con grande visibilità, peso, efficacia e incisività nel panorama aerospaziale nazionale e internazionale, grazie all’apporto di idee, delle risorse umane e finanziarie di tutti coloro che sia a livello individuale che colletti-vo, pubblico e privato, sono interessati a mantenere il nostro Pa-ese a un livello di competitività comparabile con quello degli al-tri Paesi tecnologicamente più avanzati, in Europa e nel mondo. Tutti coloro che hanno fatto o fanno parte dell’affascinante mon-do dell’Aeronautica, dello Spazio e delle alte tecnologie o che comunque ne sono appassionati, sono invitati a visitare il sito www.cesmamil.org e a diventare soci della neo costituita Se-zione CESMA Giulio Douhet.

Nazzareno Cardinali, Presidente

Green buildings: a European common language

La Sezione CESMA “Giulio Douhet” a supporto del settore Aerospaziale

“Many people talk about green buildings but there is no common understanding of what a green building actually is. Everyone has different ideas,” says Josefina Lindblom of the European Commission’s DG Environment. “We need everyone to talk the same language and use the same criteria.”

38 Compositi

ACELL

Tecnologia e prodotto per l’edilizia

ne soluzioni, abbattimento delle pressioni causate da esplosio-ni, leggerezza e resistenza strutturale.I sistemi costruttivi ingegnerizzano il cantiere riducendo i tem-pi di realizzazione e quindi i costi. Sono stati sviluppati e pro-dotti i seguenti sistemi:

• protezione alle esplosioni – JV PELTA (cfr. Colombo et alii, 2015). Test svolti con il Comando Genio delle FA italiane han-no dimostrato la capacità dei pannelli di ridurre di due ordini di grandezza le pressioni interne a seguito di esplosione (da circa 15 PSI misurati sull’involucro esterno a circa 0,2 PSI mi-surati nell’ambiente interno)

• rivestimento esterno per l’isolamento termico ed acustico di edifici esistenti (cfr. Fortini e Piana, 2016)

• SIP, sia con l’inserimento di elementi strutturali in acciaio e legno, sia con sola pannellature in OSB costampata al pan-nello ACELL

• involucro interno ed esterno di strutture in acciaio e legno• cassero a perdere comprensivo di finitura esterna ed interna

per il calcestruzzo di cemento armato, profilati a freddo o la-minati a caldo in acciaio

• manti di copertura con più tegole integrate in un’unica solu-zione di installazione

• modular housing secondo un disegno innovativo sia per le abitazioni di emergenza sia per quelle residenziali a uno o più piani.

Oggi si assiste all’aumento della domanda di edifici prefabbri-cati, interamente o per parti, e di tecniche di costruzione a sec-co. I motivi sono ridurre l’impronta ecologica per la loro costru-zione e uso nel tempo e i costi di costruzione.Inoltre, le norme nazionali chiedono di intervenire sul patrimo-nio edilizio esistente per ridurre il consumo energetico e miglio-rare la sicurezza in caso di eventi catastrofici, naturali o uma-ni, anche in contesti di salvaguardia architettonica e storica. In questo contesto si presenta la tecnologia di produzione ed il prodotto ACELL.

CHI ÈACELL INDUSTRIES LTD è un’impresa irlandese che svilup-pa prodotti innovativi con competenze ed esperienze in scien-za dei materiali, ingegneria, architettura, design, cantieri, pro-cessi industriali, processi di stampaggio.Ha investito, e conti-nua ad investire, nella ricerca e sviluppo detenendo numerosi brevetti internazionali.Produce inoltre una schiuma minerale, su cui si fonda la sua tec-nologia di stampaggio, e un additivo che può essere usato per migliorare le caratteristiche di resistenza al fuoco di molti ma-teriali oggi in commercio o direttamente quale sistema di spe-gnimento del fuoco.Stipula accordi commerciali e Joint Venture con partner com-merciali o di produzione. La sede italiana, ACELL Italy srl, è il luogo di produzione e della ricerca e sviluppo.

TECNOLOGIA DI PRODUZIONEE PRODOTTO EDILIZIOACELL produce sistemi di pannelli per l’edilizia, sostenibili dal punto di vista ambientale e prodotti attraverso un unico pro-cesso di stampaggio.I prodotti ACELL sono composti per l’80-85% da elementi na-turali e sono completamente riciclabili nel ciclo di produzione della sua schiuma. Il disegno superficiale dei pannelli è scel-to dalla committenza, o dall’autorità locale, ed è realizzato con gli stessi prodotti della tradizione edilizia locale per riprodurre le stesse finiture.La caratteristica del prodotto è quella di possedere contempo-raneamente: resistenza termica, assorbimento ed isolamento acustico, resistenza al fuoco fino all’ininfiammabilità per alcu-

Palazzo storico in Sicilia: la facciata prima e dopo l’installazione dei decori in materiale composito ACELL.

Palazzo storico in Sicilia: dettaglio dei timpani delle porte finestre del primo piano prima e dopo.

39Compositi

ITALMATIC

SIKA

Autoclavi, forni e presse

Importanti novità per i sistemi FRP

te intuitive, di immediata comprensione dell’operatore. Inoltre un applicativo gra-tuito permette di visualizzare e stampare i dati da ogni PC incluso nella rete aziendale.Tutte le macchine Italmatic vengono testa-te in fabbrica prima della spedizione, alla presenza del cliente se richiesto.L’azienda, tramite il servizio di post-vendi-ta, garantisce continuità di ricambi e “up-grades” alle autoclavi installate nonché at-tività di retrofitting di ogni genere su au-toclavi costruite anche dalla concorrenza.

Italmatic è un›azienda italiana il cui “core business” è la pro-gettazione, fabbricazione, installazione e messa in servizio di autoclavi, forni e presse per i diversi campi di applicazione dei materiali compositi.L’azienda ha sempre orientato i propri sforzi nella direzione di una continua innovazione, facendo proprie le soluzioni più per-formanti e scartando quelle scarsamente produttive.Oggi Italmatic è un’azienda fra le più apprezzate a livello mon-diale per le performances dei macchinari proposti, grazie a un “range” di fabbricazione fino a 6 m di diametro e senza limita-zione di lunghezza; diverse soluzioni in termini di riscaldamen-to (elettricità, olio, gas e vapore), di raffreddamento (aria e ac-qua) e di ricircolo del flusso di pressurizzazione sulla base di carichi omogenei e disomogenei. La mis-sione è garantire i termini di uniformità di ciclo richiesti e produrre in modalità ”ener-gy saving” auspicata da tutti gli utilizzatori.CFD (Computational Fluid Dynamic), prove di simulazione, dove la geometria del reci-piente e la geometria del componente da trattare vengono posti sotto condizione di lavoro per uniformare il flusso di ricircolo e dimensionare i componenti dell’impian-to, sono la genesi del know-how aziendale.Tutti i macchinari Italmatic sono gestiti tramite SCADA realizzato in-house e ogni fase viene visualizzata tramite scherma-

tracciabilità e accertare, tramite prove di accettazione, l’appar-tenenza del sistema fornito alla classe prevista dal progettista.Sika ha qualificato i sistemi FRP preformati (Sika® CarboDur®) ed impregnati in situ (SikaWrap®).

Le NTC 2008 al §11.1, prescrivono che i materiali da costruzio-ne non marcarti CE e non in possesso di un’ETA, siano in pos-sesso del CIT (Certificato di Idoneità Tecnica all’Impiego). I si-stemi di rinforzo FRP ricadono proprio in quest’ultimo caso.A partire dall’8 luglio 2016, diventa obbligatoria la “Linea Guida per la identificazione, la qualificazione ed il controllo di accetta-zione di compositi fibrorinforzati a matrice polimerica (FRP) da utilizzarsi per il consolidamento strutturale di costruzioni esisten-ti”, che consente ai fornitori di sistemi di rinforzo FRP, di quali-ficare i propri sistemi. La Linea Guida riguarda SOLO materia-li FRP costituiti da fibre lunghe di carbonio, vetro o arammide in una matrice polimerica termo-indurente. Tutti gli altri siste-mi di rinforzo non possono, ad oggi, essere qualificati e accet-tati, e quindi non possono essere utilizzati con finalità struttu-rali, ai sensi delle NTC 2008.Tutte le forniture in cantiere di materiali FRP, a partire dall’8 lu-glio, devono essere accompagnate dal CIT e rispettare tutte le indicazioni della Linea Guida.Una delle novità principali della Linea Guida è l’introduzione di classi in base ai valori di modulo elastico e resistenza a trazio-ne sia per i materiali preformati, sia per gli impregnati in situ. Classi che sono concettualmente paragonabili a quelle, già note ai progettisti, in uso per gli acciai da costruzione. Ai progettisti basterà quindi prescrivere un sistema di rinforzo specificando-ne solo la classe. Il Direttore dei Lavori dovrà invece accettare in cantiere il sistema fornito, verificando che sia in possesso delle caratteristiche richieste in termini di documentazione e

ClasseNatura della fibra

Modulo elastico a trazione nella direzione

delle fibre [GPa]

Resistenza a trazione nella direzione delle

fibre [MPa]

E17 Vetro 17 170

E23 Vetro 23 240

G38/600 Vetro 38 600

G38/800 Vetro 38 800

G45 Vetro 45 1000

C120 Carbonio 120 1800

C150/1800 Carbonio 150 1800

C150/2300 Carbonio 150 2300

C190/1800 Carbonio 190 1800

C200/1800 Carbonio 200 1800

A55 Arammide 55 1200

Classi degli FRP preformati.

ClasseNatura della fibra

Modulo elastico a trazione nella direzione

delle fibre [GPa]

Resistenza a trazione nella direzione delle

fibre [MPa]

60G Vetro 60 1300

210C Carbonio 210 2700

350/1750C Carbonio 350 1750

350/2800C Carbonio 350 2800

500C Carbonio 500 2000

100A Arammide 100 2200

Classi degli FRP impregnati in situ.

40 Compositi

SIREG GEOTECH

ziale in questa particolare area geografica.Due dei principali prodotti realizzati da Sireg a questo scopo sono: una maglia in fibra di vetro A/R (Alcali Resistente) e una barra in fibra di vetro realizzata in modo tale da poterla inseri-re e mimetizzare tra i giunti delle file di mattoni che compon-gono la struttura.Entrambi i prodotti si possono applicare sul substrato con l’au-silio di vari tipi di materiali quali, ad esempio, resine epossidi-che, malte cementizie o calce e permettono di ottenere una soluzione per il rinforzo completa ed efficace a costi contenuti.Il successo e la diffusione di questi prodotti è stato immedia-to e tale che oggi in Colombia, ad esempio, l’80% degli inter-venti di rinforzo antisismico su edifici in muratura viene abitual-mente realizzato con questi materiali. Dopo scrupolose campa-gne di sperimentazione dedicate alle peculiari condizioni tec-niche locali, i materiali Sireg sono stati approvati dal ministero dei Beni Culturali Colombiano che, per primo, ne ha intravisto le potenzialità e i benefici.L’uso di questi materiali permette di rinforzare efficacemen-te edifici storici, monumenti e abitazioni, lasciandone invaria-to l’aspetto esteriore.Credits fotografie: Y&J Ingenieria – Bogotá, Colombia

Sireg Geotech, la società di Arcore (MB) specializzata nei set-tori dell’ingegneria civile e della geotecnica, nel 2016 celebra ottant’anni di attività e successi nel mercato globale delle co-struzioni civili e delle infrastrutture, con orizzonti sempre più allargati sui mercati extra europei.In particolare, già da alcuni anni, la sua filiale colombiana Sireg Latinoamérica ha intrapreso con successo la commericializza-zione in America Latina di prodotti in FRP per applicazioni an-tisismiche e di restauro.Oltre alla produzione e alla vendita dei più conosciuti materia-li in FRP, gli sforzi di Sireg si sono concentrati sullo sviluppo di alcuni prodotti specifici, utili al rinforzo di strutture in mattoni e in terra cruda che, per ragioni economiche e sociali, sono tutto-ra molto diffuse nei paesi latinoamericani. Il problema principa-le di queste costruzioni risiede nella scarsa resistenza dei ma-teriali da costruzione utilizzati e nella totale o quasi assenza di materiali di rinforzo che comunque, laddove presenti, si rivela-no inadeguati per conferire alla struttura un’idonea capacità di resistenza ad eventi sismici anche di lieve portata.Di qui, l’esigenza di sviluppare dei materiali compositi specifici in grado di garantire un miglioramento delle prestazioni di que-ste strutture con un ottimo rapporto tra costi e benefici, essen-

Rinforzo a taglio e flessione di parete in mattoni con barra in fibra di vetro.

Rinforzo antisismico con maglia in fibra di vetro. Ricopertura maglia in fibra di vetro con malta strutturale.

Completamento del lavoro con trattamento estetico delle tasche in cui sono state collo-cate le barre di rinforzo.

Soluzioni in FRP per l’America Latina

Visions become reality.

29 nov – 1 dic 2016

Fiera di Düsseldorf, Germania

www.composites-europe.com

COMPOSITES EUROPE11. Salone Europeo e Foro per i

Materiali Compositi, Tecnologie ed Applicazioni

Organised by Partners

43Compositi

Visions become reality.

29 nov – 1 dic 2016

Fiera di Düsseldorf, Germania

www.composites-europe.com

COMPOSITES EUROPE11. Salone Europeo e Foro per i

Materiali Compositi, Tecnologie ed Applicazioni

Organised by Partners

ANGELONI

APLIX

Tessuti in fibra di carbonio da pitch

Chiusure a strappo senza adesivi ad alta performance

di ben 3200 MPa, ideali per applicazioni in cui è richiesta una lavorabilità elevata. Il tessuto da 200 g/m2 è già in fase di col-laudo industriale in applicazioni automobilistiche, per ridurre il peso di parti di grandi dimensioni, mantenendo invariata o ad-dirittura incrementando la rigidità della struttura composita, ol-tre che nel settore dei beni di consumo.

garantendo elevate performance di tenuta.L’Aplix 224 Composite, oltre a rendere affidabile nel tempo e sicuro l’assemblaggio permette anche di immaginare un nuo-vo design. La flessibilità e l’opportunità di consegnarlo in pez-zi già pre-tagliati offrono la possibilità di personalizzare le zone di fissaggio e, di conseguenza, ottimizzare le zone di assem-blaggio adattandosi perfettamente a forme tridimensionali. Il nuovo Hook and Loop Composite è stato ideato per rispondere alle nuove esigenze e domande del settore dei trasporti. Con la collaborazione della Sem Innovation, società torinese spe-cializzata nella progettazione e sviluppo di interni di auto e tra-sporti in generale, nuovi sedili dal design accattivante ed inno-vativo sono in fase di studio e già in poco tempo hanno susci-tato grande entusiasmo da parte dei grandi costruttori di auto.

Tradizionalmente le fibre da pitch sono state utilizzate sotto for-ma di preimpregnati unidirezionali o sofisticati tessuti leggeri prodotti con fibre a basso titolo (es. 240-270 tex). Con l’obiet-tivo di portare le fibre da pitch alla portata di tutti, la società G. Angeloni Srl., specializzata nella produzione e vendita di tes-suti in fibra di carbonio, in collaborazione con la GP Marketing Consulting S.a.s., società di consulenza per lo sviluppo di tec-nologie e prodotti di nuova generazione e di Sumitomo Cor-poration Europe, da molti anni distributore ufficiale delle fibre Dialead™ in Europa, ha lanciato una nuova linea di tessuti bi-lanciati e unidirezionali.Questa nuova gamma di tessuti permette agli utilizzatori di sfruttare a pieno le caratteristiche uniche delle fibre da pitch Dialead™, l’alta rigidità dovuta agli elevati valori di modulo (fino a 760 Gpa per la fibra K13916), alta conducibilità termica (fino a 200 W/m°K sempre per la fibra K13916), alte prestazioni in termine di smorzamento delle vibrazioni, eccellente stabilità di-mensionale grazie al coefficiente di espansione termica, nega-tivo per le fibre da pitch e bassa resistività elettrica.Ai prodotti finora citati sono stati abbinati nastri unidireziona-li e tessuti bilanciati creati dallo spreading della fibra K13312, con modulo da 420 GPa a fronte di una resistenza a trazione

Aplix, multinazionale francese specializzata nel settore delle chiusure a strappo “Hook and Loop”, concepisce, sviluppa e produce sistemi innovativi di fissaggio in risposta alle esigen-ze ed evoluzioni dei settori tecnici quali igiene, automotive, ae-ronautico, packaging, medicale, militare, cleaning ed arreda-menti di interni. Qualità ed innovazione rappresentano per la società i due punti sui quali basare la propria strategia azienda-le. Oggi Aplix ha sviluppato una soluzione innovativa per facili-tare il fissaggio dei sistemi aggrappanti su componenti in ma-teriali compositi, eliminando totalmente l’utilizzo di adesivi, che comportano notevole costrizioni a livello industriale. L’azienda ha immaginato e realizzato un aggrappante hook in grado di in-tegrarsi direttamente in modo facile e senza manovre aggiun-tive, al processo di produzione del pezzo in fibre composite,

Il nuovo tessuto bilanciato.

ULTIMATE PROTOTYPES

OWENS CORNING

Owens Corning, specializzata nella lavorazione di vetrore-sina e materiali compositi avanzati, ha presentato la nuo-va gamma di prodotti PipeStrand™ a filamento continuo per la produzione di tubazioni ad alta e bassa pressione.I rinforzi PipeStrand™ trovano applicazione con moltepli-ci tipi di resina e sistemi di cura per soddisfare le diverse esigenze del mercato.Ad esempio i filati single-end PipeStrand™ S2300 e S2500 sono stati studiati per il settore dei tubi in resina epossidi-ca: presentano entrambi una rilevante stabilità idro-termale in condizioni di alta pressione, favorendo un ciclo di eser-cizio delle tubazioni della durata di oltre 20 anni.Per il mercato del filamento continuo a bassa pressione, il prodotto single-end PipeStrand™ S1000 è compatibi-le con le resine poliuretaniche, poliestere e vinilestere e si distingue per le sue particolari proprietà idrostatiche e meccaniche a lunga durata. Oltre alle tubazioni, è utilizza-bile per la produzione di carri armati e navi.PipeStrand™ M6000 multi-end è compatibile con le re-sine vinilestere e poliestere. Trova applicazione nella pro-duzione di piccoli e grandi diametri, può essere utilizzato nei processi “chop and drop” e spray, su piani orizzontali o verticali e superfici complesse.Tutti i prodotti sono realizzati in fibra di vetro Advantex® senza boro che unisce le proprietà meccaniche ed elet-triche del tradizionale E-glass con la resistenza alla corro-sione degli acidi dell’E-CR glass.Al fine di supportare i clienti nei processi di progettazione e produzione, Owens Corning offre una Pipe App focaliz-zata sui prodotti epossidici che permette di selezionare il prodotto, fare una comparazione dei materiali e degli stru-menti di modellazione.“Per la produzione di tubazioni ad alta e bassa pressione, il nostro scopo è quello di ridurre il consumo della resina e di incrementare le prestazioni meccaniche del prodot-to, favorendo la fluidità e la velocità del processo di lavo-razione, in modo che i nostri clienti possano ottenere un prodotto esteticamente valido ed esente da difetti – di-chiara Bryan Minges, Global Product Manager Composi-te Solutions Business di Owens Corning che prosegue – Il lancio dei nuovi prodotti PipeStrand™ è a livello globale: America del Nord e America Latina, Europa, CSI Russia, India, Cina e Corea. Abbiamo un ottimo network di sup-porto post vendita. La qualità del prodotto è fondamenta-le così come il servizio offerto ai clienti. Forniamo anche consulenza per la scelta del miglior prodotto secondo le effettive necessità produttive.Per quanto riguarda le certificazioni, ci sono essenzialmen-te due tipi di approccio: in alcuni Paesi dobbiamo certifica-re i nostri prodotti mentre in altri è il produttore a dover cer-tificare le tubazioni. In ogni caso, Owens Corning è in gra-do di supportare il cliente in tutto il processo produttivo”.

Creare valore per i produttori di tubazioni ad alta e bassa pressione

PipeStrand™ S1000 single-endPipeStrand™ M6000 multi-end

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GiovanniMilazzo

AntonioCaruso

Bio compositi a basso impatto ambientale

IL MATERIALEL’idea di Kanesis è sviluppare una serie di materiali termoplastici economici uti-lizzando biomasse vegetali. Attualmen-te i materiali comunemente presenti sul mercato sono i metalli, i ceramici e i poli-

meri di origine petrolchimica, questi ulti-mi in grado di soddisfare le esigenze pro-duttive per la facile lavorabilità. Per que-sto la start-up ha intuito che il prodotto innovativo sarebbe stato un materiale po-limerico facile da produrre, estrudibile a basse temperature, leggero, economico e di origine vegetale. Poche ma salde le linee guida del progetto dove giocano un ruolo importante le biomasse che, oltre a conferire finitura e colore caratteristi-ci, aumentano la tenacità del materiale. Il 3 aprile 2015 è stata presentata la do-manda di brevetto italiana e una interna-zionale PCT relativa alla composizione di una miscela termoplastica di resine ed al-cuni scarti vegetali.Tale composizione, battezzata Hemp-BioPlastic (HBP), dopo vari test di labo-ratorio, è risultata migliorativa delle pro-prietà meccaniche del materiale, riducen-do il peso specifico grazie alla presenza, all’interno della resina, di dispersioni di aggregati naturali.Attualmente sono noti diversi materiali compositi comprendenti matrici di resi-ne termoplastiche e componenti di ori-gine naturale, in particolare fibre naturali derivanti da kenaf, lino, liuta, henequen, foglie di ananas, sisal, legno e segatura. “Ci si è posti il problema di fornire un materiale composito con migliorate pro-prietà fisico-meccaniche e maggiore leg-gerezza e che, allo stesso tempo, presen-tasse una migliore lavorabilità ed econo-micità”, dichiara Milazzo. “Oltre questa prima fase di ricerca, altre domande di brevetto sono già in fase di studio per essere presentate e valorizzate”.Dai primi test, l’HBP è risultato più leg-gero del 20% e più resistente del 30% rispetto al PLA (Acido Polilattico), al mo-

La giovane startup Kanèsis nasce dal-la volontà di ridurre al minimo l’impatto ambientale producendo materiali deriva-ti da elementi naturali, in grado di crea-re benefici per tutti. L’idea di sviluppare prodotti industriali da materie agricole è lo stimolo per valorizzare le risorse che la terra offre.Oggi Kanèsis ha sviluppato un bio com-posito ottenuto dall’unione di matrici ve-getali e scarti vegetali della canapa indu-striale che si è rivelato, rispetto agli altri materiali termoplastici presenti sul mer-cato, migliore sul piano delle proprietà fisico-meccaniche e con una maggiore leggerezza. “L’originalità e la potenziali-tà di questo composito risiede nella sua semplicità”, dichiarano i fondatori An-tonio Caruso e Giovanni Milazzo. “È in-fatti possibile utilizzare il composito svi-luppato in tutte le applicazioni industriali che utilizzino come materia di base gra-nuli termoplastici di derivazione sinteti-ca. Altro punto di forza del composito è che non richiede alcuna modifica sostan-ziale delle macchine industriali, ma, ne-cessitando di temperature di lavorazio-ne inferiori, riduce l’impatto ambientale”.

LE PERSONEIl cuore del progetto è formato da Gio-vanni Milazzo, studente di Ingegneria In-dustriale presso l’Università di Catania e Antonio Caruso laureato e specializza-to in International Management con in-dirizzo in Finanza presso la LUISS Guido Carli, che hanno condiviso sin dall’inizio la passione e l’impegno per il progetto. Oggi Kanèsis, può contare al suo interno un gruppo ben strutturato. C’è chi si oc-cupa di produzione, chi di ricerca, chi di relazioni estere e chi di comunicazione.

mento il bio-polimero con la maggiore quota di mercato.Sebbene una delle prime applicazioni sia l’estrusione di fila-menti speciali per stampanti 3D FDM (tecnologia al giorno d’oggi in costante e rapida evoluzione) - questo il settore in-dividuato come primo mercato di sbocco per fare breccia sui consumatori - l’HBP può essere utilizzato nei più svariati set-tori dei termoplastici, lasciando spazio a infiniti sviluppi futuri.

CROWDFUNDINGA luglio Kanèsis ha concluso una prima campagna di crowd-funding sulla piattaforma Indiegogo e ne ha da poco lancia-ta un’altra su Kickstarter. Una scelta per reperire fondi che consente loro di conservare peculiarità e indipendenza. “Le energie che richiedono sono tante ma c’è una buona rispo-sta da parte del pubblico. Continuiamo a girare l’Italia per pro-muovere i nostri prodotti e far conoscere la nostra mission. Ci riteniamo molto soddisfatti e le richieste di informazione sono arrivate da qualsiasi punto della Terra”, affermano Mi-lazzo e Caruso. La crescente consapevolezza ambientale da un lato, e l’interesse attorno alla stampa 3D dall'altro gioca-no a loro vantaggio.

LA STORIA IMPRENDITORIALEIl punto di forza di questa start-up è costituito da materiali nuo-vi per le biomasse utilizzate, e versatili perché processabili con comuni estrusori, essendo termoplastici in pellets. La strada da fare è lunga. Occorre posizionarsi sul mercato e implemen-tare la produzione. La Kanèsis di domani sarà un’azienda pio-niera della filiera industriale che parte dai campi e arriva nel settore tessile, alimentare, cosmetico e plastico, senza per-dere mai l’attenzione per l’ambiente. Non è un caso che la fi-losofia aziendale si ispiri ai principi della Chemiurgia, la bran-ca dell’industria e della chimica che si occupa della prepara-zione dei prodotti industriali esclusivamente da materie pri-me agricole e naturali, facendo uso di risorse rinnovabili a mi-nimo impatto ambientale. Nato come movimento negli anni ’30, continua a esercitare il suo fascino ancora oggi e la sua storia si interseca perfettamente con quella della canapa. Col-tivata e diffusissima in America fino al suo proibizionismo, la canapa allora era in grado di fornire all’industria gran parte del-le risorse che oggi si ricavano dalla lavorazione del petrolio. Così, mentre le conoscenze nel campo petrolchimico si sono ampliate e approfondite, quelle riguardanti i prodotti vegeta-li sono rimaste lacunose. Il lavoro da fare perciò è enorme e l’impegno di ricerca notevole. E dovrà essere una ricerca in-terdisciplinare perché quando si parla di economia e ambien-te, si parla anche di responsabilità sociale e di politica, intesa come bene per la città e la sua comunità.

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Bio compositi a basso impatto ambientale

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Bio-composites with low environmental impact

world. Hence, during the campaign, our products will be on sale and available for purchase anywhere in the world”, ex-plain Milazzo and Caruso.In the current climate, this should be a great opportunity for them: the growing awareness of environmental issues on the one hand, and the interest surround-ing 3D printing on the other, should play in their favor.

THE ENTREPRENEURIAL HISTORYThe main strength of this start up com-pany is based on new and versatile ma-terials from biomass which can be pro-cessed via normal extruding machines in the form of thermoplastic pellets.The road to success is undoubtedly long. First, they need to place their product on the market and begin production. Com-petition will be tough, but Kanèsis is pur-suing wider horizons and already work-ing on long term projects: “We want to develop a circular economy where-by waste gains value and farmers have stronger bargaining and purchase pow-er. In future, Kanèsis will be a pioneer in the industrial supply chain, starting from cultivated fields and ending in the tex-tile, food, cosmetic and plastic sectors, without ever losing sight of environmen-tal issues”.And it is not by chance that their philos-ophy is inspired by the Chemurgy princi-ples, a division of applied chemistry con-cerned with the manufacturing of indus-trial products through the exclusive use of agricultural and natural raw material and renewable resources with the low-est environmental impact.Started as a movement in the Thirties, Chemurgy continues to be a fascinat-ing concept whose history is perfect-ly interwoven with that of hemp. Wide-ly spread and cultivated in America until it was made illegal, hemp used to pro-vide industries with the majority of re-sources currently provided by petrole-um products.This led to the development of a vast know-how in the petrochemical sector, whilst the plant-based one lagged be-hind. Therefore, there is an enormous amount of work and research to be done. Kanèsis will also adopt an interdiscipli-nary approach because, when it comes to economics and environment, social responsibility and politics – and by that referring to community interest and wel-fare – inevitably come into play.

The young startup Kanèsis was estab-lished in response to a will and determi-nation to minimize environmental impact by manufacturing materials derived from natural elements, benefiting us all. The idea behind the development of industri-al products from agricultural raw mate-rials is to make the most of the Earth’s resources.Today Kanèsis has developed a bio-com-posite derived from the combination of plant matrices and industrial hemp waste. Compared to other thermoplastic materials currently available on the mar-ket, their bio-composite has proven to be lighter in weight and better in terms of physical-mechanical properties.Antonio Caruso and Giovanni Milaz-zo, founders of Kanèsis, explain: “The uniqueness and potentials of this bio-composite are due to its simplicity. It can actually be employed in all indus-trial applications which utilize syntheti-cally derived thermoplastic granules as their basic material.This composite offers other benefits, too. It does not require any substan-tial modification to the manufacturing equipment and, because its processing temperature is lower than that of ther-moplastics, it reduces the environmen-tal impact”.

THE PEOPLEAt the heart of this project are Giovanni Milazzo and Antonio Caruso. Milazzo, in-ventor of the bio-composite, studies In-dustrial Engineering at the University of Catania. Caruso holds a degree in Inter-national Management, with a specialisa-tion in Finance from LUISS Guido Carli University.Today, Kanèsis can rely on a well struc-tured group working on production, re-search, international relationships and communications.

THE MATERIALKanèsis idea is based on developing a range of cost-efficient and plant-derived thermoplastic materials using vegetable biomass. The materials commonly avail-able on today’s market are metal and ce-ramic based, as well as petrochemical derived polymers.In particular, petrochemical polymers are easy to process and can therefore meet various production requirements. The start-up soon recognised that a truly in-novative product had to be a polymeric material easy to produce, with a low tem-

perature extrusion process, lightweight, low-priced and plant-derived. These were the few, but solid guidelines of this project centered on biomass which, be-sides determining the color and finish-ing qualities of the material, increases its tenacity.On April 3rd 2015, Kanèsis submitted a patent application under the Italian law and one year after, on April 1st 2016, the international PCT for the composi-tion of a thermoplastic blend made of resin and plant waste, called HempBio-Plastic (HBP®).Lab testing shows that HBP® improves the material’s mechanical properties, reducing its specific weight by includ-ing a dispersion of natural aggregates in the resin.Today, industries employ several mate-rials based on thermoplastic resin ma-trix and natural components; particular-ly natural fibres derived from kenaf, lin-en, jute, henequen, pineapple leaves, si-sal, wood and sawdust.“We wanted to provide a composite ma-terial with improved physical-mechanical characteristics, lighter in weight, easi-er to process and more cost effective”, says Milazzo. “In conjunction with this first research stage, we are working on new patent applications”.Initial testing shows that HBP is 20% lighter and 30% stronger than PLA (poly-lactic acid), currently the most widely used bio polymer.Although the first application consid-ered for the new material was the ex-trusion of a special filament for the rap-idly evolving 3D FDM technology sector as an initial market outlet to attract con-sumers’ interest HBP® can also be used in the most diverse sectors of thermo-plastics, allowing for endless future de-velopments.

THE CROWDFUNDING CAMPAIGNThe young Kanèsis team launched a crowdfunding campaign on the Indiego-go platform, a choice which – as they ex-plain – allows to maintain their peculiar-ity and independence. “We are close to the finishing line and are investing a lot of energy in this campaign.We have high expectations and hope for a positive feedback. So far, our project has been favorably received, but we are now launching it on the market. We are effectively coming out of the embryon-ic stage and introducing ourselves to the

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Il progetto “GreenBraid”

pressione o scooter. Con l’aiuto di que-sto progetto, le piccole e medie impre-se saranno in grado di produrre biocom-positi per materiali ad alte prestazioni.

APPROCCIOQuesti innovativi bastoni da hockey in fi-bra di lino consistono di fibre intreccia-te disposte intorno a un’anima in schiu-ma, impregnate sottovuoto con una re-sina usando un foglio tubolare elastico. L’approccio è nuovo e dipende in modo significativo dall’uso di filati intrecciati progettati ad hoc. Prima dell’intreccia-tura, le fibre di lino sono lavorate usan-do una tecnologia di filatura speciale in modo da ottenere un filato non torto o a torsione ridotta.Il metodo per trarre il massimo vantaggio da questo processo si baserà su di una “Progettazione di esperimenti” in stretta correlazione con le proprietà meccaniche misurate. Inoltre, verrà portato avanti un metodo per lo sviluppo e il miglioramen-to dei prodotti, una cosiddetta “Analisi di valore” (VA). In questo metodo VA ver-rà determinato il valore delle funzionalità richieste, che suggerirà gli approcci per l’ottimizzazione (similmente al VDI 2221).Per la lavorazione di filati non torti o a tor-

biocompositi (compositi rinforza-ti con fibre naturali) per applicazio-ni nelle costruzioni hanno dimostra-to le loro capacità come materiali a

vari livelli di aggregazione, ovvero micro-scopico (fibre), mesoscopico (tessuto) e macroscopico (pezzo). I biocompositi sono avviati a battere i compositi a base vetrosa in termini di prestazioni mecca-niche e minor impatto ambientale. Sono stati realizzati molti prodotti promettenti, ma principalmente per produzioni in pic-coli volumi per mercati di nicchia. Van-no invece sviluppate applicazioni in se-rie medie e grandi per elevati parametri di produzione.Il problema principale per i compositi, sia tradizionali che a base naturale, è il co-sto relativamente alto di 30 C /kg in me-dia, risultato di un processo produttivo che ancora richiede molta manodopera. Di conseguenza, il mercato dei compo-siti bio-based è appena agli inizi, e lascia inesplorate molte promettenti tecnologie sostenibili. I filati o tessuti non sono an-cora stati adattati a specifiche esigenze del prodotto finale.I bastoni da hockey richiedono partico-lari proprietà di smorzamento dell’im-patto alla struttura in composito. I com-positi in fibra di carbonio e di vetro sono solo parzialmente adatti a questa esigen-za. Le fibre di lino hanno migliori carat-teristiche di smorzamento rispetto a car-bonio e vetro.Oltre a essere sostenibili, i compositi in fibra naturale (NFC, natural fibre com-posites) possiedono proprietà di smor-zamento superiore. Il principale proble-ma dei compositi a base naturale è la for-te quantità di manodopera del processo produttivo.

IL PROGETTO “GREENBRAID”In “GreenBraid” viene definito il proget-to e il processo produttivo di un basto-ne da hockey su prato costruito con fibre di lino intrecciate, allineate nella direzio-ne del carico, come esempio destinato ad applicazioni ad alto valore. Il metodo di produzione così definito rappresenta un’innovazione. Il prodotto finale di que-sto progetto è una combinazione tra un miglioramento di un prodotto esistente e un adattamento a un nuovo mercato. I bastoni da hockey su prato sono solita-mente intrecciati con un mix costituito principalmente di filamenti di vetro e car-bonio (virtualmente di lunghezza infinita). I bastoni di questi materiali hanno buone

proprietà meccaniche, ma la loro capaci-tà di smorzamento è scarsa, il che ridu-ce la maneggiabilità della mazza durante il gioco. Le fibre di fusto hanno proprietà meccaniche confrontabili con quelle del-le fibre di vetro, e al contempo possie-dono una straordinaria capacità di smor-zamento. Lo svantaggio è che tutte le fi-bre naturali sono in fiocchi (cioè di lun-ghezza anche teoricamente non infinita) e per la fase produttiva successiva (in-trecciatura) devono subire molte torcitu-re per metro. Ogni torsione del filo porta a diminuire le proprietà meccaniche del composito finale a causa dell’anisotropia nelle proprietà delle fibre.L’obiettivo di questo progetto è ridurre del 75% il consumo energetico di pro-dotti FRP con gli stessi costi di produ-zione, utilizzando l’esempio di un basto-ne da hockey (Fig. 1). L’approccio con-siste nell’eliminazione di passaggi di la-vorazione durante il processo di filatura e nell’aumento del livello di automazio-ne durante la fabbricazione della prefor-ma. Il dimostratore è messo a confronto con un bastone da hockey in carbonio.La ricerca fornirà una base di conoscen-ze per un futuro trasferimento ad appli-cazioni come pale eoliche, recipienti in

I

M.-I. Popzyk, J. Schäfer, T. Gries – Institut für Textiltechnik (ITA), RWTH Aachen University, Aachen, GermanyW. Böttger – NPSP.nl, Werkendam, Paesi Bassi

Christoph Fahrenbrach – Barthels-Feldhoff GmbH & Co. KG Textilwerk, Wuppertal, GermaniaS. Woelders – Holland Hockey, Rotterdam, Paesi Bassi

Biocompositi intrecciati su misura con fibre in fiocco allineate nella direzione di caricoper applicazioni d’alta fascia

Fig. 1: Definizione degli obiettivi.

50 Compositi

RingraziamentiSentiti ringraziamenti vanno all’associa-zione di ricerca Eurostars per il proget-to di ricerca E!10039 “GreenBraid”, cofi-nanziato dai paesi membri dell’EUREKA e dal programma quadro dell’unione eu-ropea Horizon 2020.

sione ridotta si usa la tecnologia di filatu-ra ad avvolgimento. Un filamento conti-nuo (in bianco) avvolto intorno alle fibre parallele nell’anima (in rosso) conferisce tenacità al fascio di fibre (Fig. 2). Le fi-bre d’anima presentano solo una legge-ra ondulazione quando il filato non è sot-toposto a tensione, rispetto all’alto gra-do di torsione che esibisce un filato a ca-tena continua.Nel progetto, le fibre di lino saranno av-volte nell’anima con filamenti polimerici. Verranno usati diversi tipi e varianti di fi-bre naturali. Si valuta la filatura ad avvol-gimento considerando le richieste per il processo di intrecciatura così come la stabilità del processo di filatura. Viene usato il metodo della progettazione di esperimenti. Fibre, nastri cardati e fila-ti saranno verificati attraverso vari test.Per migliorare il processo produttivo, ver-rà modificato il processo di intrecciatu-ra. Solitamente, questo processo porta a un alto tasso di danneggiamento delle fibre. Il filato passa attraverso molte gui-de sottili mentre viene sottoposto a una grande tensione. La trazione viene appli-cata manualmente sul filato, il che porta ad ampie oscillazioni nel suo valore. L’o-biettivo della nuova concezione di pro-cesso è eliminare la maggior parte del-le guide per il filato e progettare un con-trollo elettronico di tensione con una tra-zione pressoché costante.

PRIMI RISULTATINei test preliminari è stata eseguita con successo la lavorazione di fibre di iuta in un filato ottenuto per avvolgimento (Fig.3). Il nastro cardato è stato stirato con due diversi rapporti di stiro. Le im-postazioni di macchina sono mostrate nella Tabella.Il filato più grosso a) mostra un’ondula-zione maggiore rispetto a quello più fine b). L’ondulazione può essere ridotta, per esempio, riducendo il numero di avvolgi-menti al metro.

CONCLUSIONIOltre alla sostenibilità, i compositi in fi-bre naturali (NFC) possiedono proprietà di smorzamento superiori. Il problema principale per i biocompositi è il proces-so produttivo ad alto contenuto di ma-nodopera. Di conseguenza, il mercato dei compositi a base biologica è appe-na agli inizi, e lascia inesplorate molte tecnologie sostenibili promettenti. Un secondo difetto è la catena di produzio-ne con i suoi prodotti intermedi. Filati e tessuti non sono ancora adattati alle ri-chieste specifiche del prodotto finale. Il progetto “GreenBraid” punta a svilup-pare un processo di intrecciatura di fibre in fiocco con un prodotto finale non tor-to, così da allineare le fibre nella direzio-ne del carico, e con una riduzione di co-sto del 65%. Usando fibre di fusto come

lino invece della fibra di vetro, è possibi-le ridurre il consumo energetico di que-sti biocompositi del 75% mantenen-do proprietà meccaniche confrontabili. Come caso dimostrativo per applicazio-ni di alta fascia verrà realizzato un basto-ne da hockey su prato in biocomposito.

- Il progetto “GreenBraid” -

Yarn Draw off speed [m/min]

Spindle speed [min-1]

Filament windings per metre

a) 20 3.700 185

b) 20 3.000 150

Tabella: Impostazioni di macchina.

Fig. 2: Filato ottenuto per filature ad avvolgimento con fibre parallele nel core (in rosso) e filamento continuo avvolto (in bianco). Sotto: Filato a a catena continua, ritorto.

Fig. 3: Filatura ad avvolgimento con fibre di iuta e filamento polimerico. Il filato più grossolano (sopra) presenta maggiore ondulazione rispetto al filato più fine (sotto).

51Compositi

io composites (natural fibre rein-forced composites) for construc-tional applications have proven their material capabilities on the

various levels of aggregation, i.e. the micro (fibres), meso (textile) and macro (part) level. Bio composites are on their way to beat glass-based composites on mechanical performance and least envi-ronmental impact. Many promising prod-ucts have been demonstrated, but most-ly for small production volumes in niche markets. Application for medium to large production volumes is to be developed for high production parameters.Main problem for both traditional and bio-based composites are the relative-ly high costs of 30 C /kg in average as the result of a still labour-intensive man-ufacturing process. As a consequence, the market for bio-based composites is hardly opened yet, leaving many prom-ising sustainable technologies unexploit-ed. Yarns or fabrics are not adapted yet to the specific demands of the end product. Hockey sticks demand special damp-ing impact properties of the composite structure. Carbon and Glass fibre com-posites are only limited suitable for this. Flax fibres have a better damping behav-iour than carbon and glass.In addition of being sustainable, natural fibre composites (NFC) possess superior damping properties. The main problem for bio based composites is the labor-in-tensive manufacturing process.

THE PROJECT “GREENBRAID”In “GreenBraid” a field hockey stick made of braided flax fibres aligned in load direc-tion for high value applications and it’s a production method is established. The established production method and is a breakthrough. The final product of this project is a combination of an improve-ment of an existing product and an adap-tion for a new market. Field hockey sticks are braids of mainly glass and carbon fil-ament (virtually endless fibres) blends. Sticks of these materials have good me-chanical properties but their damping ca-pacity is weak which decreases the han-dling of the stick during play. Bast fibres have comparable mechanical properties to glass fibres and simultaneously an im-pressive damping capacity. Disadvanta-geously all natural fibres are staple fibres (not virtually endless) and for further pro-cessing (braiding) several twists per me-tre have to be inserted. Each twist in the yarn leads to lower mechanical properties

in the final composite product due to the anisotropic property of fibres.The aim of the project is to reduce the en-ergy consumption of FRP products by 75 % at same process costs using the ex-ample of a hockey stick (Fig. 1). The ap-proach is the elimination of process steps during the spinning process and increas-ing the level of automation during the preform production. The demonstrator is compared with a Carbon hockey stick.The research will provide knowledge ba-sis for future transfer to applications like windmill blades, pressure vessels or au-tomotive scooters. With the help of this project SMEs will be able to produce bio composites for high performance materials.

APPROACHThe novel flax fibre hockey sticks consist of flax braids formed around a foam core, impregnated by a resin under vacuum pressure using an elastic tubular foil. The approach is new and relies heavily on dedi-cated designed braids. Before braiding the flax fibres are spun to yarn with low/no twist using a special spinning technology.The method for producing the best out of it will be “Design of Experiments” with close interacting with the measured me-chanical properties. Additionally a meth-od for development/enhancement of products, a so called “Value Analysis” (VA) will be carried out. In this method “VA” the value of required functions is determined and provides approaches for optimizing (similar to VDI 2221).For processing of low/no twist yarns the wrap spinning technology is used. The parallel fibres in the core (red) obtain their tenacity in the fibre bundle through the winding filament (white) (see Fig. 2). The fibres in the core show only a slight undu-lation if the yarn is under no tension com-pared to a ring yarn that is highly twisted.In the project flax fibres will be in the core winded with polymer filament. Different types and variations of natural fibres will be used. The wrap spinning is evaluated considering the requirements for braiding process as well as the spinning process stability. The method of design of exper-iments is used. Fibres, slivers and yarns will be tested with various tests.To improve the production process the braiding process will be modified. Usual-ly the braiding process leads to high fibre damage. The yarn is lead through many narrow yarn guides under high tension. The yarn tension is put manually on the

B

M.-I. Popzyk, J. Schäfer, T. Gries – Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen University, Aachen, GermanyW. Böttger – NPSP.nl, Werkendam, The Netherlands

Christoph Fahrenbrach – Barthels-Feldhoff GmbH & Co. KG Textilwerk, Wuppertal, GermanyS. Woelders – Holland Hockey, Rotterdam, The Netherlands

The project “GreenBraid”Tailored braided bio composite with aligned staple fibres in load direction for high value application

yarns, which leads to a high oscillation of the tension. The aim of the new concept is to eliminate most of the yarn guides and to design an electronic tension con-trol with a mostly constant tension.

FIRST RESULTSIn preliminary tests jute fibres were suc-cessfully processed to wrap spun yarns (see Fig. 3). The sliver was drawn with two different draw ratios. In the Table the machine settings are shown.The coarse yarn a) shows higher undu-lation than the finer yarn b). The undula-tion can for instance be reduced by low-ering the filament windings per metre.

CONCLUSIONIn addition of being sustainable, natural fibre composites (NFC) possess superi-or damping properties. The main prob-lem for bio based composites is the la-bor-intensive manufacturing process. As a consequence, the market for bio based composites is hardly opened yet leaving promising sustainable technologies unex-ploited. A second deficit is the production chain and its resulting intermediate prod-ucts. Yarns or fabrics are not adapted yet to the specific demands of the end prod-uct. The project “GreenBraid” aims to de-velop a process for braiding of staple fi-bres with no twist in the final product in or-der to align the fibres in load direction and with cost reduction of 65 %. Using bast fi-bres like flax instead of glass fibres ener-gy consumption of these bio composites can be reduced by 75 % with comparable mechanical properties. A bio based field hockey stick as a demonstration case for high value applications will be delivered.

AcknowledgementGrateful acknowledgement goes to the research association Eurostars of the re-search project E!10039 “GreenBraid”, co-funded by EUREKA member coun-tries and the European Union Horizon 2020 Framework Programme.


Fig. 1: Mission statement.Fig. 2: Wrap spun yarn with parallel fibres in the core (red) and winding filament (white). Below: Twisted ring yarn.Table: Machine settings.Fig. 3: Wrap spun yarns of jute fibres and polymer fil-ament. A coarser yarn above shows higher undulation than the finer yarn below.

52 Compositi

Il progetto ginestraRicerca, risultati e applicazioni

Giuseppe Chidichimo – Dipartimento di Chimica e Tecnologie Chimiche, Università della Calabria

l’impiego dei materiali estraibili dalla gi-nestra riguardava soprattutto il 20% del vegetale (la fibra cellulosica presente sul-la corteccia esterna delle vermene). En-trambe queste limitazioni sono oggi su-perate dalle ricerche innovative condot-te presso il Dipartimento di Chimica e Tecnologie Chimiche, ed il Dipartimento di Meccanica dell’Università della Cala-bria, nell’ambito di progetti finanziati dal MIUR sui materiali avanzati, in collabora-zione con grandi aziende del settore au-tomobilistico (Centro Ricerche Fiat, AD-LER SPA) e con PMI calabresi della nau-tica (Borrone), dell’industria del mobile (Sirianni), dell’industria plastica/shopper (Filadel). Ha partecipato all’attività di ri-cerca anche una grande impresa tessile (Linificio e Canapificio Italiano del Grup-po Marzotto). È stato realizzato anche un

getale in acqua, possibilmente corrente: mazzetti di vermene venivano immersi nei ruscelli per decine di giorni e poi bat-tuti ripetutamente, fino a causare la di-sgregazione del ginestrulo centrale e fare emergere le fibre cellulosiche esterne.Durante il fascismo la politica autarchi-ca spinse il regime a favorire la nascita di veri e propri stabilimenti industriali per l’estrazione della fibra di ginestra. La ta-bella 1 riporta il numero e potenzialità de-gli stabilimenti industriali dediti all’estra-zione della fibra di ginestra, presenti in alcune regioni italiane.Secondo una stima del 1936 la produ-zione di ginestra in Italia poteva esse-re compresa tra 700.000 e 1.200.000 tonnellate.Dopo la guerra il mercato delle fibre na-turali si ridusse enormemente a causa di nuove tecnologie chimiche che por-tarono allo sviluppo di fibre dai prodot-ti petroliferi. Sull’abbandono delle fibre di ginestra nel tessile giocarono alme-no due fattori differenti. In primo luogo l’estrazione della fibra cellulosica dal ve-getale non poteva essere ridotta ad un puro processo di tipo meccanico, come per esempio avveniva nel caso del lino o della canapa, e non sono stati svilup-pati, fino a tempi recenti, nuovi processi semplici, veloci e rispettosi dell’ambien-te, per ottenere elevate quantità di fibra di ginestra a costi competitivi. Inoltre

a ginestra (Spanish broom/Spar-tium Junceum) è una pianta del-la flora mediterranea ampiamen-te diffusa in vari continenti, costi-

tuita da arbusti molto ramificati nei qua-li – soprattutto i rametti più giovani, de-nominati vermene – hanno un altissimo contenuto di fibra cellulosica. In particola-re le vermene sono costituite da un cilin-dretto lignino-cellulosico centrale cavo, denominato ginestrulo, il cui diametro si restringe gradualmente verso la sommi-tà, sul quale sono “incollate”, per mez-zo di piccole quantità di lignine e pecti-ne, delle fibre di cellulosa pura. Storica-mente tutte le popolazioni mediterranee hanno utilizzato le fibre cellulosiche del-la ginestra, che costituiscono all’incirca il 20% in peso dell’intero vegetale secco, come materiale tessile, impiegando pro-cessi artigianali molto lunghi. I processi di estrazione della fibra tessile erano per lo più basati su una macerazione del ve-

L

Fig. 2

Fig. 1

Regions Number of plants

Vermen quintals per day

Person working Per year

Toscana 6 265 79.500

Umbria 6 175 52.500

Calabria 12 112 33.600

Tab. 1

progetto sui materiali compositi per i pannelli isolanti per l’e-dilizia ed altri settori industriali, finanziato dalla Regione Cala-bria, presentato attraverso il Polo dei Materiali, il cui soggetto gestore è Calpark, Parco Scientifico e Tecnologico della Ca-labria. Vi hanno partecipato anche PMI calabresi del settore geomatica (Epsilon), nautica (Borrone), della ricerca e certifi-cazione nel campo dell’isolamento termo-acustico (Zetalab). L’avvio del progetto di ricerca sulla ginestra è stato stimolato da Enti territoriali calabresi, come la Comunità Montana del Medio Tirreno e il Comune di Cetraro. Hanno aderito di re-cente al progetto anche il Parco del Pollino, il Parco della Sila, l’ARSAC, l’azienda regionale per lo sviluppo agricolo calabre-se, oltre a varie imprese agricole e industriali locali e naziona-li appartenenti a diversi settori.Questi progetti di ricerca hanno permesso di sviluppare un impianto pilota ibrido chimico-fisico-meccanico, che consente la separazione in modo automatico delle diverse tipologie di fibre estraibili dalla ginestra e sono stati messi a punto nuovi materiali compositi che trovano applicazione in vari settori in-dustriali, utilizzando varie tipologie di fibre della ginestra, ma anche la pianta della ginestra nella sua interezza. L’impianto pilota automatizzato realizzato nell’ambito del progetto MA-TRECO (MAteriali per il Trasporto ECOcompatibile), finanzia-to dal MIUR, è in grado di trattare all’incirca una tonnellata/giorno di materiale vegetale a ciclo chiuso e continuo. Con-sente inoltre il riciclaggio dell’unico reattivo chimico utilizza-to, l’idrato sodico, che viene recuperato dai ligninati e pecti-nati. L’intero processo di separazione delle fibre della ginestra dura all’incirca 20 minuti. La sperimentazione consente ora di scalare il processo a livello industriale e di favorire l’avvio di una filiera produttiva della ginestra. La proposta di progetto, già presentata di recente anche all’Assessorato all’Agricoltu-ra della Regione Calabria nell’ambito dei PIF, Progetti Integrati di Filiera, è suscettibile di interessanti sviluppi in tempi brevi.Nella figura 1 sono raffigurati i due tipi di fibre estratte dal-la ginestra ed esempi di manufatti che dagli stessi possono essere estratti.Le fibre cellulosiche consentono l’ottenimento di filati e tes-suti innovativi. È da considerare che la fibra cellulosica del-la ginestra ha un’organizzazione spaziale molto più amorfa ri-spetto a quella di fibre cellulosiche estratte da altre piante li-beriane, come lino e canapa. Questo consente l’ottenimento di tessuti molto più traspiranti rispetto all’umidità, particolar-mente adatti alla stagione estiva. Per lo stesso motivo il mo-dulo elastico delle fibre cellulosiche della ginestra è superio-re di quasi il 20% rispetto ad altre fibre cellulosiche.Il ginestrulo, fibra lignina cellulosica di bassa densità e di buo-na resistenza meccanica, rappresenta quasi il 70% della gine-stra secca, e risulta essere, a sua volta, un materiale eccel-lente per la fabbricazione di pannelli impiegabili sia nell’indu-stria mobiliera sia in edilizia.Entrambe le fibre e la ginestra, intesa nella sua integralità, sono suscettibili di essere combinate con altri materiali, per ottenere compositi innovativi. Il numero di collanti e polimeri con cui le fibre menzionate possono essere combinate è pra-ticamente illimitato.Le fibre di ginestra micronizzate funzionalizzate superficial-mente e combinate con altri materiali consentono l’otteni-mento di materiali innovativi, dove le fibre stesse non sono semplicemente degli additivi di materiali polimerici preesisten-ti ma diventano parte integrante di strutture polimeriche. Ne derivano nuovi materiali contemporaneamente molto leggeri e molto resistenti. Nella figura 2 si illustra un esempio di fibra cellulosica di ginestra micronizzata e funzionalizzata. È servita a preparare, nell’ambito del progetto MATRECO, nuovi mate-riali poliuretanici che hanno una resistenza molto più elevata rispetto ai poliuretani tradizionali, e che un’importante multi-nazionale del settore automotive ha in programma di utilizza-re in componenti di auto di nuova generazione.

QUALITY DRIVESPRODUCTIVITY

Perfetto la prima volta.La millesima. Sempre.

30.BI-MU 4 - 8 OTTOBRE 2016 FIERAMILANO

54 Compositi

- Il progetto ginestra -

re le proprietà dei materiali, in modo da ri-spondere alle esigenze dei vari settori in-dustriali. I costi dei materiali di partenza sono particolarmente bassi, soprattutto per quanto attiene alle fibre di ginestra.Sulla base dei risultati delle ricerche con-dotte, del know-how accumulato e dei brevetti depositati riteniamo che siano state create le condizioni per far nasce-re in Italia una filiera produttiva della gi-nestra. Ciò con il concorso delle aziende e gruppi di ricerca che hanno già colla-borato a ricerche dell’Unical e di altri che vorranno eventualmente aderire, parten-do dalla valorizzazione dei tanti ginestreti spontanei esistenti, e dalla valorizzazio-ne degli impianti pilota e materiali da noi sviluppati. A tal fine stiamo elaborando nuovi progetti da presentare sia alla Re-gione Calabria e sia a vari soggetti Na-zionali ed Europei per la promozione del-la ricerca scientifica, dell’innovazione e dello sviluppo produttivo.

Nella figura 3 vengono illustrate le pro-prietà meccaniche (modulo elastico e re-sistenza a flessione) di materiali poliure-tanici ottenuti impiegando fibre funzio-nalizzate di cellulosa estratte dalla gine-stra, al variare della percentuale di fibre presenti nel sistema.È subito evidente il miglioramento dei pa-rametri meccanici dei materiali con il gra-duale incremento della fibra.Molto interessanti sono le possibilità of-ferte nel campo dell’edilizia dalle tecno-logie basate sulla funzionalizzazione del-le fibre e la loro successiva copolimeriz-zazione con quantità limitate, (dell’ordine del 30% in peso) di monomeri usualmen-te impiegati nella preparazione di resine e polimeri di vario tipo (ad esempio: resi-ne epossidiche, precursori di poliuretani, precursori di poliesteri etc.). Nel seguito denoteremo le fibre di ginestra con l’a-cronimo (FG). Esse possono essere assi-milate a dei cilindretti, di varia lunghezza, aventi diametri micrometrici, la cui super-ficie è cosparsa di gruppi chimici del tipo idrossilico (-OH). Le fibre di natura mine-rale (argille, cementi, pomice etc.) sono generalmente disponibili in polveri con-tenenti particelle a composizione varia-bile, ma che comprendono sempre una percentuale significativa di ossidi, le cui superfici esterne espongono un cospi-cuo numero di gruppi idrossilici. Anche nei confronti di questo tipo di fibra può essere quindi impiegata una strategia di funzionalizzazione delle superfici esterne delle particelle, analoga a quella impiega-ta nelle fibre di natura vegetale. Sarà di seguito utilizzato l’acronimo FM per defi-nire questo tipo di fibre consistenti di pol-veri minerali di tipo cementizio.Sulla base di queste considerazioni ab-biamo sperimentato, nell’ambito del pro-getto MACPOFIN promosso da Calpark/Polo di innovazione regionale sui mate-riali della Regione Calabria, la possibilità di ottenere compositi di fibre miste fun-zionalizzate, minerali e vegetali, nei qua-li entrambi i tipi di fibre entrino in co-po-limerizzazione con monomeri in grado di collegare chimicamente le micro particel-le in networks tridimensionali. Va tenuto presente che i materiali durante una pri-ma fase di mescolamento dei vari com-ponenti hanno la consistenza di paste più o meno fluide, alle quali può essere conferita la forma desiderata per mezzo di processi di stampaggio.A livello di laboratorio sono stati realizzati pannelli di superficie 50x50 cm2, con uno spessore di circa 3 cm. Se nepuò vedere una illustrazione nella figura 4.Di questi pannelli sono state studiate le proprietà meccaniche, di isolamento ter-mico ed acustico, la densità ed il com-portamento alla fiamma. Alcune delle proprietà sono riportate nella tabella 2.I dati permettono di fare delle considera-zioni molto interessanti. Il confronto tra le

diverse tipologie di resine impiegate per co-polimerizzare le fibre mostra che l’im-piego di diversi precursori è fondamen-tale per diversificare le proprietà dei ma-teriali compositi, in funzione delle finali-tà che debbono avere in un fabbricato. I compositi di natura epossidica possiedo-no ottime proprietà meccaniche a densi-tà relativamente basse, mentre quelli di natura uretanica sono estremamente leg-geri, anche per la concomitante espan-sione del composito, dovuta alla reazio-ne del precursore isocianatico con l’umi-dità presente nel sistema.I compositi uretanici, pur non avendo ele-vata resistenza meccanica, possiedono elevate proprietà dì isolamento termico ed acustico ed ottima resistenza al fuoco. I prototipi prodotti dimostrano che l’im-piego di fibre di ginestra funzionalizzate in composizione con altri materiali quali fi-bre minerali, ritardanti di fiamma, co-mo-nomeri organici, etc. consente di gradua-

Tab. 2

N %FG

%FM

% otheradditives

% epossidic Precursors

ElasticModulus

MPa

FlexuralStrength

MPa

Densityg/cc

1 10 55 1 34 20273 73 1,5

2 20 40 2 38 10583 25 1,2

3 30 30 2 38 2840 24 1,1

4 40 20 3 37 2424 25 1,1

% firebreakings

% urethaneprecursors

5 30 – 20 50 61 4,2 0,25

6 20 20 20 40 58 4,1 0,30

7 30 – 30 40 39 1,3 0,22

8 30 – 20 50 56 4,0 0,23

Fig. 3

Fig. 4: Pannelli di materiali compositi di fibre vegetali e minerali combinate con resine epossidiche a sinistra e con resine poliuretaniche a destra.

55Compositi

Giuseppe Chidichimo – Dipartimento di Chimica e Tecnologie Chimiche, Università della Calabria

The project Spanish BroomResearch, results and applications

These research projects have been stim-ulated by Calabrian Institutions such as the Comunità Montana del Medio Tirre-no and the Cetraro City Hall; and recent-ly, Spanish broom industrial applications have aroused the interest of other insti-tutions such as the National Park of Pol-lino, the National Park of Sila, of the AR-SAC (Azienda Regionale Sviluppo Agrico-lo Calabrese) and several SMEs from the agricultural and industrial sectors.The research activities allowed the devel-opment of a hybrid chemical-physical-me-chanical pilot plant, for the automatic sep-aration of the Spanish broom different fib-ers; and the development of new com-posites of these fibers as well as com-posites of the Spanish broom as a whole, for several industrial applications. The pi-lot plant realized in the frame of MATRE-CO (MAteriali per il TRasporto ECO com-patibile) project, founded by MIUR allows to treat 1 ton. of vegetable per day, and the recycling of the only chemical used in process (Sodium Hydrate) which is recovered from the ligninates and pect-inates. The entire process of fiber sepa-ration from the raw materials takes only 20 minutes. This experimentation can be now scaled at the industrial level and to start a Spanish broom manufacturing spinneret. This proposal has been recent-ly made to Agriculture Department of Cal-abria Region in the framework of PIF Eu-ropean projects and could bring shortly to new interesting developments.The figure 1 shows the two different type of fibers which can be produced from Spanish broom, as well as some manufactured items that can be obtained from these fibers.The cellulose fibers allow the production of innovative fabrics. It must be consid-ered that the Spanish broom cellulose fibers have an accentuated amorphous morphology with respect to other cellu-lose fibers extract from other Liberian plants such as flax or hemp. This allows to obtain fabrics more permeable to hu-midity and particularly useful in warm time. For the same reason the elastic module of Spanish broom cellulose fib-ers is bigger about 20% with respect to other cellulose materials. The ginestrulo, lignine-cellulose fiber with a quite low density and a good me-chanical strength, represents the 70% of the dry vegetable, showed to be a good starting material to produce woody pan-els for the building and furniture sectors.Both the fibers and the Spanish broom

panish broom is a spontaneously growing shrub of the Mediterra-nean flora, largely diffuse even in other continents. It is an interest-

ing Liberian plants, being constituted by many short branches, called “vermene”, containing a high content of easily re-movable cellulose fibers. Each vermena is made by a central tubiform lignin/cel-lulosic structure, the “ginestrulo”, which diameter gradually reduces from about 2 mm at the insertion point to less than 0.5 mm at the top, and being covered by a cortex made of cellulose fibers glued together by small quantities of pectines and lignines molecules.Historically, all Mediterranean popula-tions used Spanish broom cellulose fib-ers, which represent the 20% in weight of the dry vegetable, as textile fibers, by ap-plying traditional tiring process of extrac-tion of the pure fibers from the vegetable.These processes were based on the di-gestion of the plant in possibly running water. Bunches of “vermene” were kept in the water of some natural stream for tens of days and then beated repeatedly to cause the disaggregation of the gine-strulo and the gradual separation of the emerging cellulose fibers. The fascist autarchic policy adopted during the fas-cism, drove the Italian govern to favor the establishment of many Spanish broom fiber industrial plants. The number and potentialities of Spanish broom industrial plants, settled in some of the Italian Re-gions are reported in the table 1.According to an appraisal made in 1936, the production of Spanish broom fibers in Italy could be comprised between 700.000 and 1.200.000 tons.After the Second World War the natural fiber market went deeply down because

the new chemical technologies brought to the development of innovative syn-thetic fibers from petroleum.The effect was particularly dramatic for the Spanish broom market because of two further factors. The first inconvenient was linked to the fact that the fiber pro-cess could not become a pure mechani-cal one, as it was in the case of flax and hemp: up to recent time, no fast, envi-ronmental friendly and low cost new pro-cesses of fiber production from Spanish broom could be developed, due to the branched structure of the shrub. Further, only the 20 % of the vegetable mass was used in the textile sector and no use was made of the ginestrulo. Both these limi-tations have been overcame through the research activity conducted at the Chem-istry and Chemical Technologies Depart-ment, as well as the Mechanical Depart-ment of Calabria University, in the frame of research project on advanced mate-rials, founded by MIUR (Italian Ministry of Instruction, University and Research). These research have been conducted in collaboration with important Firms work-ing in automotive (Fiat Research Center, ADlER SPA), textile (Linificio e Canapi-ficio Italiano del Gruppo Marzotto); and Calabrian SMEs from boating (Borrone S.r.l.), furniture (Sirianni S.r.l.), shopper (Filadel S.r.l.) sectors. A further project concerning the development of new fib-er composite materials for building ap-plication, applied by Calpark, the Calabri-an Innovation Pole on Advanced Materi-als, and founded by the Calabria Region-al Government, has been conducted at CTC Department of Calabria University in collaboration with Epsilon (Geomatic sector), Zetalab (Certification of acous-tic and thermal insulating materials).

S

Fig. 1

56 Compositi

mechanical compression strength, while vegetal fibers improve the elastic mod-ule and lower the density.On the basis of these considerations we have produced new prototypes of build-ing composites by copolymerizing mixed functionalized Spanish broom and miner-al fibers (cement) with monomers able to connect in a tridimensional chemical network the different particles. It must be also considered that the mixtures, be-fore their curing, behave as viscous fluid pastes and that allows the possibility to give a shape to final materials by using compression molding or injection mold-ing techniques. We have applied com-pression molding processes to produce 50x50 cm2 panels: some of which are shown in the figure 4.The table 2 shows the variation of the mechanical properties and density with variation in composition.Data shown in the above table allow to drive some interesting conclusion. The comparison between materials obtained by using different co-monomers (epox-ides, or urethanes in table) shows that the properties of composites depend dramatically on the copolymerizing mol-ecules used to connect the fibers, and this allows to widen the range of the ma-terial properties to cover the requirement imposed by the several functionalities needed in a modern building. Epoxides precursors give materials having good mechanical properties and are relative-ly light so they could be used for exter-nal component, The urethanes panels are extremely light due to the expansion caused by the reaction of isocianate resi-dues with the humidity left on the fibers. These urethane composites were found thermal an acoustic good insulators, and flame retardant as well, despite to their not high mechanical strength. Our pro-totypes shows that by inserting into the composite formulations, conjunctively to functionalized Spanish broom fibers, oth-er components such as mineral fibers, flame retardant, organic co-monomers, etc., the properties of the final products can the graduated according to specific requirements given by different function-alities of the materials, or by different in-dustrial sectors.On the basis of these results, of the ac-cumulated know-how, and filed patents, we believe that we have opened the pos-sibility to start a productive chain linked to Spanish broom industrial applications. We would like to join in this perspective the companies, firms, research group having participated to the research de-veloped at Calabria University, and oth-er consortium member that would like to join us in the next future, to valorize the wide extension of soil covered by sponta-neous growing Spanish broom existing in

as a whole, can be mixed with other ma-terials to give a variety of innovative ma-terials. The number of polymer and ad-hesive materials which can be added to these fibers is practically not limited. Mi-cronized Spanish broom fibers (fibers re-duced at dimension of tens of microns) and functionalized at surface level (inser-tion of functional chemical groups at the surface) and combined with other materi-als, allow the realization of innovative ma-terials, where the fibers are not simply mixed with additives or pre-existing poly-mers, but they become an integral part of new polymeric structures. The resulting materials are not only more light, but con-temporaneously more mechanical strong with respect to traditional polymers. The figure 2 shows an example of mi-cronized and functionalized cellulosic Spanish broom fibers, which has been used, in the frame of MATRECO project, above mentioned, to obtain urethane composites, having mechanical strength and elasticity much bigger with respect to traditional polyurethanes, which is now applied by an important multination-al automotive company to prototype new innovative car components.The figure 3 shows the variation of me-chanical properties (elastic modulus and flexural strength) of the mentioned new urethane/fibers polymers, as a function of the percentage of fiber content.The improvement of mechanical parame-ters with the gradual increase of the fib-er content is immediately evident from the figure 3.The possibility to obtain new building ma-terials by these new technologies based on the copolymerization of functionalized natural fibers with limited amount (quanti-ties in the order of 30wt%) of monomers usually employed in the synthesis of con-ventional polymers (such as, for example, precursor of epossides, or urethanes, or polyesters polymers) appears to be very attractive in the field of building industry.Particularly interesting is the possibility to make composites where vegetable and mineral fibers are mixed in a copolymer-ization process with other components. Spanish broom fibers and mineral fibers will be defined with the acronym FG and FM in the following. Both these type of fibers can be considered as particles bear-ing hydroxyl (-OH) group at the surfaces. Mineral fibers such as cement, clay, pum-ice are constituted by metal oxides hydrat-ed in such a way to expose numerous OH groups at the surfaces. The functionaliza-tion of mineral and vegetal fibers can be done at the same time and in a similar way. The reason to mix vegetal and min-eral fibers in building composites is that the two type of fibers can control differ-ent properties of the final composites.Mineral fibers give an increase of the

Calabria and on Mediterranean territories.We would like as well to give a produc-tive perspective to the developed pilot plant and prototipes. With this intent we are ready to apply new development pro-jects both to our Calabria Regional gov-ernment, and to other national and Eu-ropean institutions.

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Fig.4: Panels obtained by copolymerizing mixture of Spanish broom and mineral fibers with eposside precur-sors (left) and urethane precursors (right)

- The project Spanish Broom -

57Compositi

AREVO LABS

Motore in plastica stampato in 3D con il PEEKMatti Holtzberg, presidente di Polimotor LLC, ha dato vita al pro-getto Polimotor 2 con l’obiettivo di realizzare un propulsore per auto sportive in materiale plastico. Questo motore sarà monta-to su una vettura da corsa che parteciperà a una competizione su pista. L’azienda Arevo Labs ha realizzato alcuni componenti del motore utilizzando la stampa 3D. Nello specifico ha creato un condotto di mandata carburante e un corpo farfallato utiliz-zando Reinforced Filament Fusion (RFF), una nuova tecnolo-gia per la stampa 3D di materiali compositi. L’obiettivo princi-pale di Arevo Labs era quello di ridurre considerevolmen-te il peso del manu-fatto: il peso finale è risultato di 1/3 in confronto alle parti in alluminio A tale scopo è stato uti-lizzato il polimero PEEK (Poli-Eter-E-ter-Chetone) rin-forzato con fibra di carbonio. La so-stituzione dell’allu-minio con il PEEK consente di ridurre

il peso del componen-te e offre un funziona-mento ad alte tempe-rature, garantendo ele-vate prestazioni mec-caniche e resistenza chimica (soprattutto al carburante).Rispetto allo stampag-gio ad iniezione, la tec-nologia RFF di Arevo Labs consente di ot-tenere un materiale più resistente, in quan-to è possibile effet-tuare un controllo pre-ciso dell’orientamen-to delle fibre. Inoltre il software Arevo per-mette di ottimizzare il percorso dell’utensi-le in modo da ottene-

re maggiore tenacità a fronte di un minor utilizzo di materiale.Il motore, interamente realizzato in plastica e testato da Polimo-tor, sarà installato nell’autovettura Norma M-20 per competere nel 2016 nella gara di Lime Rock Park, Connecticut, Stati Uniti.

Advanced Engineering 2016 set for its return 2-3 November, Birmingham’s NEC

OPEN CONFERENCEAdvanced Engineering will host the most comprehensive Open Conference programme of its kind. Visitors will gain access to all conference forums which will span key industry sectors, in-cluding aerospace, automotive, motorsport, marine, civil en-gineering. It features four ‘shows within a show’: Automotive Engineering Show, Aero Engineering Show, Composites Engi-neering Show and Performance Metals Engineering. Through-out the two-day conference there will be a number of insightful and educational sessions from leading industry experts. Ses-sions confirmed so far include the likes of Jaguar Land Rover, Innovate UK, Magna International, SMMT, BOC, KTN, Nation-al Instruments, Women’s Engineering Society and many more.

SHOW FEATURESThe conference will also include on-floor feature displays of some of the world’s leading engineering projects, giving visi-tors unique access to the latest innovations. At the 2015 show these included the ARION1 Land Speed Bicycle, Vestas Sail-rocket 2, the Facebook Aquila Solar Plane wing, and Tesla’s Model S electric car.

Advanced Engineering will also run alongside Lab Innovations, the UK’s only event dedicated to laboratory professionals. Visitors will have the opportunity to access both shows with one badge.

For further information about Advanced Engineering 2016, ple-ase visit www.advancedengineeringuk.com or contact one of the Easyfairs team on +44 (0)20 8843 8800.

Advanced Engineering, the UK’s largest annual engineering trade show, will return to Birmingham’s NEC on 2 & 3 November 2016. The show, which is set to have more exhibitors on board than ever before, will also host the largest open conference of its kind.

EXHIBITORSThe show has over 450 companies already booked and with few months still to go, it is set to have its largest exhibitor base yet. Many exhibitors will be using the show floor to launch the latest products and services to the UK market. As well as show regulars, there will be a number of major first time exhib-itors at this year’s show. These include Performance Plastics, Senior Aerospace, Breton SpA, Ebalta Distribution, McCarthy Environmental Ltd and British Textile Machinery Association.

SHOW SUPPORTIn addition to a wealth of industry leading exhibitors, Advanced Engineering has gained support from a number of respected industry bodies, associations and organisations. This includes Composites UK, NetComposites, The Engineering Integrity So-ciety, GTMA and North West Aerospace Alliance. The IMECHE is also on board as an official show supporter. It will be running its co-located conferences which focus on the aerospace and automotive sectors. The Manufacturer will run its Smart Facto-ry Expo in partnership with Advanced Engineering, as part of a series of events to examine Britain’s response to Industry 4.0. The Manufacturer Live events include the two-day exhibition, The Manufacturer Top 100, The Manufacturer Annual Leaders Conference and The Manufacturer MX Awards.

Fabbricazione e prototipazionerapidaTecniche emergenti e prospettive nei diversi setto-ri industriali

e emergenti tecnologie e i nuovi materiali impiegati nei moderni dispositivi richiedono lo sviluppo di nuovi pro-cessi di fabbricazione ad elevata risoluzione e di proto-tipazione rapida, per far fronte alla necessità di ottene-

re alta affidabilità ma con costi ridotti di produzione. Negli ul-timi anni si sono affermate nuove tecnologie di fabbricazione e di produzione del tutto innovative rispetto alle classiche me-todiche. Queste sono essenzialmente basate sulla deposizio-ne diretta del materiale. Diverse sono le classi e tipologie di tecniche proposte e ciascuna prende il nome in funzione delle caratteristiche del processo di manipolazione del materiale. Si parla per esempio di stampa 3D, stampa a getto d’inchiostro (ink-jet printing), electrospinning, elettro-spray, additive ma-nufacturing, ecc. I vantaggi di queste tecniche sono moltepli-ci: semplicità d’uso, velocità, risparmio energetico, eco-com-patibilità. Tutti i vantaggi sono essenzialmente legati al fatto che non c’è necessità di realizzare e impiegare stampi, for-me, maschere per i processi e la fabbricazione avviene in un solo step di processo. Altra cosa fondamentale è che i ma-teriali per applicazioni industriali emergenti, dall’elettronica di consumo ai pannelli fotovoltaici fino ai dispositivi biomedicali, richiedono l’impiego di materiali compositi, ovvero un mate-riale costituito da più materiali semplici differenti e ciascuno magari corrisponde ad una differente fase. Le suddette nuo-ve metodiche di prototipazione rapida consentono di gestire molto bene infatti questi materiali (esempio polimeri carica-ti con polveri di nanoparticelle conduttive, materiali funziona-lizzati, ecc.) che sono in fase liquida e che quindi consente di essere depositata in modo flessibile e additivo. Ad esem-pio le più avanzate tecniche di ink-jet printing permettono la stampa diretta di materiali ad altissima risoluzione (al di sot-to di 100 nm). Essi offrono molteplici possibilità di utilizzo in

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Sara Coppola e Pietro Ferraro – CNRIstituto di Scienze Applicate e Sistemi Intelligenti

Fig. 1: Stampa di dots ad alta risoluzione ottenuta utilizzando la tecnica di inkjet printing per effetto pyroelettrico.

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SMCarbon

59Compositi

portanza per individuare tutti i meccani-smi che ne condizionano l’efficienza e la vita media. Quest’ultima può essere mi-gliorata grazie ad un favorevole cambia-mento del punto di lavoro che ne riduca lo stress elettrico, rendendo quindi ap-petibile il dispositivo OLED per una sem-pre più ampia gamma di applicazioni sul mercato opto-elettronico. Le performan-ce dei dispositivi OLED, ed in particolare della loro efficienza, sono collegati a mol-ti fattori periferici, che sono tutti da pren-dere in esame per realizzare un’efficace strategia di ottimizzazione. L’inkjet prin-ting può assumere un ruolo importante anche in questo settore consentendo la fabbricazione di una matrice di microlen-ti per attenuare le perdite ottiche, condi-zionate dai diversi indici di rifrazione dei materiali utilizzati. Le perdite ottiche ri-sultano cruciali per migliorare le perfor-mance dei dispositivi e per comprende-re al meglio gli andamenti opto-elettro-nici degli stessi. La luminosità e l’effi-cienza sono fattori di estrema importan-za per l’utilizzo di dispositivi OLED in di-versi campi della tecnologia rendendoli strumenti competitivi rispetto alle tecno-logie convenzionalmente utilizzate. Per questo motivo l’estrazione della luce as-sorbita dagli OLED e più in generale da dispositivi elettroluminescenti multilayer rappresenta uno degli aspetti più impor-tanti su cui lavorare per migliorarne l’effi-cienza. Molte strategie sono state testa-te per migliorare l’accoppiamento ottico in un dispositivo OLED tra cui la fabbri-cazione di una matrice di lenti in mate-riale composito per migliorare l’efficien-za del processo di estrazione della luce. La strategia scelta può essere migliora-ta traendo spunto dall’esperienza pre-gressa e ottimizzando la scelta della ge-ometria e dei processi. Uno dei meto-di più semplici consiste nell’aumenta-re la rugosità dell’interfaccia tra il sub-strato e l’aria; questa tecnica favorisce il passaggio della luce intrappolata nel substrato e scatterata in uscita a diversi angoli con maggiore possibilità di emis-sione, raggiungendo anche un migliora-mento dell’efficienza pari al 30%. Que-sto effetto può essere enfatizzato utiliz-zando materiali compositi con opportu-ne caratteristiche, come ad esempio del-le sfere di vetro o un layer aggiuntivo in cui le particelle aumentano la possibilità di scattering dei fotoni e l’emissione dal substrato (Fig.4).Quest’ultima applicazione garantisce buoni risultati ma il profilo di emissione risente del cambio indotto dalla presen-za delle microlenti. In particolare, l’utiliz-zo di un nanofiller in una matrice polimeri-ca (composito nanoparticellare) può con-sentire di modulare le proprietà del na-nocomposito utilizzando metodi di fab-bricazione già noti. L’interesse crescen-te in array e matrici di lenti polimeriche è

• Si sta registrando un bisogno sempre crescente di tecniche di fabbricazione di dispositivi elettronici a basso costo e con un approccio ecologico, minimiz-zando i materiali di scarto ed i rifiuti.

L’inkjet printing rappresenta una tecnolo-gia innovativa in risposta a queste proble-matiche, già usata da molte aziende lea-der in diversi settori industriali. Nell’am-bito della printed electronics un aspetto di innovazione consiste proprio nel rea-lizzare componenti di device, elettrodi, pad, interconnessioni, contatti, con suf-ficiente risoluzione e conducibilità elettri-ca. Ecco quindi che la produzione di in-chiostri multifunzionali e compositi occu-pa un ambito di rilievo nella ricerca scien-tifica per la possibilità di inglobare nano-particelle metalliche, nanotubi di carbo-nio ed altre forme di nanomateriali con-duttivi. Il sistema di pyro-inkjet printing proposto si offre come metodo altamen-te flessibile per il printing anche di inchio-stri conduttivi. Infatti, non richiede una siringa o un ugello (nozzle) dal quale di-spensare il materiale, evitando in questo modo tutte le problematiche di clogging ed otturazione comuni alle stampanti 3D convenzionali (Fig.3). Inoltre, l’inkjet prin-ting può trovare applicazione anche per la fabbricazione di display in sostituzione alla tecnica di spin-coating e per la realiz-zazione di sensori.Di particolare interesse nel settore indu-striale dei display è l’utilizzo del printing diretto per la fabbricazione di microlenti funzionalizzate per dispositivi OLED. Lo studio dei principi di funzionamento di un LED organico è di fondamentale im-

campi diversi: display ad alta risoluzione di cellulari e computer, celle fotovoltai-che, light emitting diodes LED e nel cam-po futuro dei sensori elettronici “indos-sabili”. Infatti, tecniche di fabbricazione a modalità diretta, quali l’inkjet printing, per la fabbricazione e la micro-struttura-zione di dispositivi, possono sostituire processi costosi e lunghi quali quelli lito-grafici. Di seguito viene presentata e di-scussa una nuova tecnica di printing di tipo elettroidrodinamico, ovvero che usa campi elettrici per manipolare e dispen-sare in modo diretto il materiale compo-sito. Il metodo, brevettato dai ricercato-ri dell’Istituto di Scienze Applicate e Si-stemi Intelligenti (ISASI-CNR), consente di depositare liquidi e materiali polimerici ad alta viscosità con risoluzione spaziale molto elevata: si riescono a scrivere cir-cuiti elettronici ad altissima risoluzione (nanometri). I campi elettrici in grado di attivare il processo di scrittura e deposi-zione sono attivati per mezzo dell’effet-to piroelettrico. Uno piccolo ma control-lato sbalzo di temperatura consente di generare i campi elettrici necessari per gestire l’inchiostro di materiale composi-to. L’apparato utilizzato per questa tecni-ca di printing diretta è piuttosto semplice e consiste in due substrati ed una fonte di calore. Sul substrato di base viene di-spensato il materiale da stampare men-tre il cristallo, che costituisce la parte su-periore del sistema, è sottoposto ad un gradiente di temperatura generando del-le cariche elettriche di superficie. Quan-do queste cariche non sono compensate inducono un campo elettrico molto forte in grado di stampare il materiale di inte-resse sotto forma di dots (Fig.1) o linee. Il metodo proposto è molto flessibile e può trovare applicazione per i materiali compositi in diversi settori tecnologici.Una delle aree principali di applicazione dell’ink-jet printing è certamente la fab-bricazione di dispositivi elettronici. In-fatti, la cosiddetta “printed electronics” rappresenta un mercato emergente con la potenzialità di raggiungere il valore di centinaia di milioni di dollari (Fig.2).Ecco alcune considerazioni che motiva-no lo sviluppo di questo settore:• un interesse sempre crescente per la

realizzazione di dispositivi elettronici che possano essere indossati o diret-tamente integrati nel corpo umano. In questo campo è evidente la necessità di utilizzo di materiali compositi com-patibili con substrati flessibili e/o de-formabili.

• Alcuni materiali compositi e attivi (come ad esempio i semiconduttori organici ed i biomateriali) non posso-no essere processati da un punto di vi-sta termico, chimico e meccanico con i processi di base tradizionalmente uti-lizzati per l’industria dei semicondutto-ri, come la litografia.

Fig. 2: Dispositivi elettronici per il settore sanitario.

Fig. 3: Stampa diretta di fibre polimeriche ottenuta utilizzando la tecnica di inkjet printing per effetto pyroelettrico.

60 Compositi

dispositivi a basso costo, indipendente-mente dal fattore di scala legato a nume-ri elevati di serie.

BIBLIOGRAFIABruno Andò, Salvatore Baglio, Gaetano L’E-piscopo, Cristian Lombardo, Vincenzo Mar-letta, Ilenia Medico, Stefania Medico, “Pro-totipazione rapida di sensori: tecnologie, ma-teriali e applicazioni” Tutto Misure Anno: XIV N. 2 Luglio 2012S. Coppola, V. Vespini, G. Nasti, O. Gennari, S. Grilli, M. Ventre, M. Iannone, P. Netti, P. Ferra-ro, “Tethered pyro-electrohydrodynamic spin-ning for patterning well-ordered structures at micro- and nanoscale” Chemistry of Materials 26, 3357-3360 (2014).S. Grilli, L. Miccio, O. Gennari, S. Coppola, V. Vespini, L. Battista, P. Orlando, P. Ferraro, “Active accumulation of very diluted biomole-cules by nano-dispensing for easy detection below the femtomolar range” Nature Commu-nications 5, doi:10.1038/ncomms6314 (2014). S. Coppola, G. Nasti, B. Mandracchia, V. Ve-spini, S. Grilli, V. Pagliarulo, P. Pareo, M. Man-ca, L. Carbone, G. Gigli, P. Ferraro, “Twofold Self-Assembling of Nanocrystals into Nano-composite Polymer”, IEEE Journal on Se-lected Topics in Quantum Electronics 22, 7132694 (2016).V. Vespini, S. Coppola, M. Todino, M. Patur-zo, V. Bianco, S. Grilli, P. Ferraro, “Forward electrohydrodynamic inkjet printing of optical microlenses on microfluidic devices”, Lab on a Chip - Miniaturisation for Chemistry and Bio-logy 16, 326-333 (2016).P. Ferraro, S. Coppola, S. Grilli, M. Paturzo and V. Vespini, “Dispensing nano-pico dro-plets and liquid patterning by pyroelectrody-namic shooting”, Nature Nanotechnology 5, 429-435 (2010).

legato al fatto che è abbastanza semplice incorporare nanocristalli organici (NCs) o quantum dots (QDs) in una resina po-limerica trasformando micro-elementi ottici inizialmente passivi in componen-ti fotoniche attive, combinando metodi di processi di materiali organici con pro-prietà di efficienza luminosa presentata da alcuni tipi di particelle di riempimen-to (nanofiller). Questi materiali composi-ti possono essere stampati direttamen-te utilizzando l’inkjet printing e aprono le porte a nuovi tipi di applicazioni, quali cri-stalli fotonici e celle solari innovative, mi-gliorandone l’efficienza.Sempre più frequentemente, infatti, la tecnica innovativa di ink-jet printing è uti-lizzata per la fabbricazione di celle e pan-nelli solari, come nel caso di celle orga-niche ibride di terza generazione (Fig.5).Infatti, la tecnica di printing diretto si pro-pone come valida alternativa ai proces-si di sputtering ed evaporazione, tradi-zionalmente usati per la fabbricazione di controelettrodi. Il processo di ink-jet printing consente una deposizione su lar-ga scala ma con risoluzione micrometri-ca del materiale composito di interesse su substrati rigidi o su superfici flessibi-li. I risultati dei primi processi di applica-zione di inkjet printing per la fabbricazio-ne di celle mostrano un’alta flessibilità di processo dell’applicazione associata alla flessibilità di printing di una vasta gamma di materiali (quali ad esempio ink compo-siti di natura nanoparticellare). La flessi-bilità del processo di printing consente di patternare in modo selettivo le superfi-

ci di interesse riducendo notevolmente i costi di dotazione, manutenzione e fun-zionamento dei sistemi complessi usati per lo sputtering, comunemente utilizza-to per celle fotovoltaiche. Infatti, il siste-ma di printing diretto non richiede l’appli-cazione di alti valori di tensioni e quindi di generatori o tipi particolari di elettrodi ad esso dedicati, offrendo flessibilità nella scelta del materiale da trattare e poten-zialità di integrazione nei dispositivi. In ri-ferimento al particolare processo di prin-ting attivato per effetto piro-elettrico si riesce ad eliminare un ulteriore ostaco-lo al printing di polimeri, ovvero l’utilizzo di siringhe o ugelli consentendo la mani-polazione di ink polimerici compositi an-che ad alta viscosità (100 cp).Considerata la grande flessibilità descrit-ta del processo di inkjet printing, la sua applicazione è stata testata anche in am-bito biotecnologico, dove è richiesto il patterning di molecole e soft matter ad alta risoluzione. Infatti, per la natura sen-sibile intrinseca a questo tipo di materia-li, tecniche di manipolazione dirette e a singolo step sono da preferire alle tecni-che convenzionali ad esempio litografi-che. Alcune recenti applicazioni di ricerca ed industriali prevedono la realizzazione di microarray di DNA e proteine (Fig.6).Mentre una seconda area di interesse ri-guarda lo studio di interazione tra cellu-le e substrato per applicazioni nel cam-po dell’ingegneria dei tessuti, biosensori-stica, studi di meccanica e dinamica cel-lulare e test di farmaci. La possibilità di effettuare un pattern di questi materia-li su scala nanometrica con un controllo preciso della geometria e delle dimen-sioni in 3D è un elemento indispensabi-le e critico per molte applicazioni future.I continui sviluppi delle tecnologie di prin-ting diretto offriranno in futuro prospetti-ve di produzione su larga scala impensa-bili solo qualche anno fa. Le caratteristi-che di versatilità della tecnica consenti-ranno di fabbricare senza costi di investi-mento (fatta eccezione per quelli di pro-gettazione) per attrezzature, prototipi, sviluppo di processi lunghi e complessi,

- Fabbricazione e prototipazione rapida -

Fig. 5: Esempi di celle solari.

Fig. 6: Array di molecole di DNA.Fig. 4: Array bidimensionale di microlenti composite realizzate in matrice polimerica con nano-cristalli.

61Compositi

Fabrication and prototypesEmerging techniques and points of view for industrial companies

Ink-jet printing technology represents a leading fabrication approach for this area, and is already used by several companies. As with conventional elec-tronics, reductions in critical device fea-ture sizes decrease operating voltages, increase switching speeds and increase levels of integration. E-jet printing has a strong potential to extend these trends by enabling structures in printed elec-tronics at sub-micrometer and nanome-ter length scales. One challenge in print-ed electronics is to define device compo-nents such as interconnects, electrodes, and contact pads with sufficient resolu-tion and electrical conductivity. Conduct-ing inks must offer properties (e.g., vis-cosity, surface tension) that allow flow through the tips of fine nozzles. These requirements focus research on inks that exploit metal nanoparticles, carbon nano-tubes, and other conductive nanomate-rials. The pyro-inkjet printing proposed could be used with a flexible approach for the printing of conductive materials (i.e. metallic nanoparticles, carbon nano-tubes, graphene, silver powder..), it has also the advantage of overcoming some of the drawback of conventional printing systems, in fact, this method doesn’t require electrodes, high voltage power supply and nozzles allowing the print-ing od high viscous polymeric materials overcoming the problems of nozzle clog-ging very common for commercial 3D printers (Fig.3). E-jet printing may also find use in the fabrication of displays. The experimental research showed that e-jet printing technology can define align-ment layers in liquid crystal displays as a replacement for the conventional spin coating process.Moreover, the same technique could be used for the fabrication of microlens ar-ray and matrix integrated onto OLED de-vices. Microlens arrays, which generally refer to 2-D arrays of small lenses with diameters in the range of ten to hun-dreds of micrometers, represent impor-tant types of miniaturized optical com-ponents used in a wide range of applica-tions. Only very recently polymer-based nanocomposite materials have attracted considerable interest because of their excellent properties compared to poly-meric materials. In fact, the incorpora-tion of nanofillers into the polymer ma-trix could modulate the resulting proper-ties of the nanocomposite produced and, at the same time, allows one to use the existing fabrication methods. The grow-

he emergent technologies and new materials employed for the modern devices require the de-velopment of new fabrication

high resolution processes at the aim to gain versatility, reliable products but pro-duced with affordable cost. In the recent years new fabrication methods have been invented overcoming the traditional pro-cesses. Those emerging techniques are mainly based on direct on-demand pro-cess. Different classes of techniques have been exploited in relation to the method used for the dispensing process of the material. 3D-printing, ink-jet print-ing, electrospinning, electro-spray, addi-tive manufacturing, are just few of the possible methods of printing. All those approaches have some significant ad-vantages in terms of speed, simplicity, energy saving, green-process. The dis-pensing approaches are direct and sim-ple, they don’t require molds, masks and multi-steps lithographic processes and could be used for the direct printing of composite materials. Nowadays com-posite materials are a fundamental com-ponent in a lot of industrial devices (bio-medical devices, solar cells, flexible elec-tronics, aerospace industry) and they can be printed directly by additive manufactur-ing and 3D printing. It is also important to consider that ink-jet printing enable the di-rect, additive patterning of new materials with a resolution that can extend below 100 nm to provide unique opportunities not only in scientific studies but also in a range of applications that includes print-ed electronics, tissue engineering, and photonic and plasmonic devices obtained by direct printing from polymer solutions could offer interesting advantages like easy fabrication approach and the use of sustainable/user-friendly materials. High definition displays, photovoltaic devices, semiconductor solar cells, light emitting diodes, sensor, biochemical assays and wearable electronics offer just an exam-ple of the considerable extension of in-terest for the micro-technologies indus-tries. Techniques for fabricating struc-tures on surfaces at micrometer and na-nometer length scales are critically impor-tant to many existing and emerging tech-nologies. The electronics industry has been the strongest driver for the develop-ment of lithographic methods as routes to dense integrated circuits that combine dif-ferent materials and structures patterned at high resolution and with precise regis-tration on semiconductor wafers.

In this article we propose an innovative technique based on electrohydrodynam-ically induced flows drived by the py-ro-electric effect activated onto a Lithi-um Niobate (LN) crystal. The method, a patent of the Institute of Applied Scienc-es and Intelligent Systems (ISASI-CNR), succeeds in printing liquid and high vis-cous polymers achieving very high res-olution (nanometers). The electric field used for the dispensing and printing pro-cess is activated by the pyro-electric ef-fect as a consequence of a temperature gradient. The set-up used for the direct printing process is very simple and con-sists just of two plates and a heat source. A microscope glass slide forms the base of the liquid reservoir (which could be a drop or a film), and the LN crystal acts as an auxiliary plate that drives the process. A pointwise thermal stimulus is applied to the LN crystal to induce the pyroelectric effect locally. At equilibrium, the sponta-neous polarization Ps of the LN crystal is fully compensated by the external screen-ing charge, and no electric field exists. According to the pyroelectric effect, the temperature change causes a variation of the polarization of the crystal, which builds up an electric field used for the no contact manipulation and printing of liq-uids in form of separate dots or continu-ous line (Fig.1). The approach proposed is very flexible and could find application in different field of technology and used for composite or multiphase materials.One of the most prominent areas of ap-plication for e-jet printing is in the fabri-cation of electronic devices. Printed elec-tronics is an emerging field that is ex-pected to reach a market value of sever-al hundred billion dollars (Fig.2). Sever-al different considerations motivate the development of this industry:• There is strong interest in unusual

forms of electronics devices that can be worn or integrated with the human body; these require fabrication ap-proaches that are compatible with flex-ible/stretchable substrates and curved or structured surfaces

• some active materials (i.e., organic sem-iconductors, biomaterials for sensing) are chemically, mechanically, or ther-mally incompatible with traditional ap-proaches from the existing semiconduc-tor industry, such as photolithography

• there is a need for low-cost and envi-ronmentally friendly fabrication of elec-tronic devices where the material us-age is minimal.

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Sara Coppola e Pietro Ferraro – CNR – Istituto di Scienze Applicate e Sistemi Intelligenti

- Fabrication and prototypes -

Together we can do extraordinary thingsbighead.co.uk

ing interest in arrays of polymer microstructures is due to the fact that it is relatively easy for polymers to incorpo-rate colloidal inorganic nanocrystals (NCs) or quantum dots (QDs), thus transforming originally passive micro-optical elements into active photonic components by combining the processability of organic materials with efficient lu-minescence displayed by the nanofillers (Fig.4). This has been proved to be of great interest for novel applications such as the fabrication of photonic crystals and, notably, of innovative solar cells showing enhanced efficiency.The prospective of using direct-write printing techniques for the manufacture of organic photovoltaics (OPVs) has made these techniques highly attractive (Fig.5). OPVs have the potential to revolutionize small-scale portable electronic applications by directly providing electric power to the systems. However, no route is available for mono-lithically integrating the energy-harvesting units into a sys-tem in which other components, such as transistors, sen-sors, or displays, are already fabricated. The fabrication and the measurement of inkjet-printed, air-processed or-ganic solar cells has been tested experimentally and rep-resents a very promising tool for the industrial compart-ment. Highly controlled conducting and semiconducting films using engineered inks for inkjet printing enable good efficiencies for printed OPVs between ≈2 and 5% power conversion efficiency. The results show that inkjet print-ing is an attractive digital printing technology for cost-ef-fective, environmentally friendly integration of photovolta-ic cells onto plastic substrates. Related to the applications described above, e-jet printing has been explored also in biotechnology, where high-resolution patterning of biomol-ecules and other soft materials is often needed. Due to the sensitive nature of such materials, single-step direct additive printing approaches are advantageous over con-ventional lithographic methods, particularly in the case of arrays of multiple species on a single substrate. Several publications demonstrate the use of e-jet printing in the fabrication of DNA and protein microarrays (Fig.6). A sec-ond area of interest within the field of biotechnology is in controlling cell–substrate interactions for tissue engineer-ing, drug assays, and basic studies of cell behavior. Here, patterning of materials that serve as attachment sites or as environments to support cell growth is often a goal. The possibility of patterning such materials at the nanos-cale with control over their geometry and sizes in three di-mensions may be a critical enabler for future applications. Last but not at least E-jet printing may find additional ap-plication in sensing platforms. E-jet printing can not only be used to fabricate whole sensors, but also for site-spe-cific delivery of analytes to enable capabilities that are not present in conventional systems.The incessant development of direct printing technologies opens the way to large area fabrication method with high versatility and low cost of investment (except those of de-sign) for equipment, prototypes independently from the scale factor associated to high serial numbers.


Fig. 1: Patterning pico-droplets using the pyro-inkjet printing approach.Fig. 2: Printed electronics for healthcare.Fig. 3: Printing polymeric fibers using the pyro-inkjet printing.Fig. 4: 2D microlens array in polymeric matrix with nanocrystal filler.Fig. 5: Photovoltaics solar cells.Fig. 6: DNA array.

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BIESSE GROUP

HEXAGON


Nuova acquisizione nei sistemi di misura 3D

no i vertici delle due aziende. Entrambe le realtà, infatti, potran-no trovare giovamen-to e beneficio da que-sto accordo: Biesse Group estenderà ul-teriormente la propria gamma di prodotto, arricchendo, grazie anche al know-how Uniteam, la gamma dei prodotti e applica-zioni per la lavorazio-ne dei materiali plasti-ci e compositi avanza-ti. Uniteam, lato suo, potrà trarre vantag-gio dalla innegabile visibilità internaziona-le del Gruppo che si pone a livello globale tra i main player delle macchine industriali.Due realtà di dimen-sioni diverse ma en-

trambe guidate dagli stessi valori di fondo, dove innovazione e tecnologia sono alla base di ogni progetto e Ricerca e Svi-luppo sono considerati ingredienti imprescindibili per la cresci-ta industriale.

Biesse Group società multinazionale con sede a Pesaro attiva nel mercato delle macchine e sistemi per la lavorazione del le-gno, vetro, pietra, materiali compositi e quotata al segmento STAR di Borsa Italiana, ha annunciato l’acquisizione del 100% delle azioni di Uniteam S.p.A., azienda industriale veneta spe-cializzata dal 1991 nella progettazione e realizzazione di centri di lavoro a controllo numerico multiassi destinati in particolar modo al settore dell’edilizia in legno, alla lavorazione di mate-riali avanzati ed applicazioni speciali che vanno dall’automotive alla prototipazione, fra i tanti.Un’unione all’insegna dell’integrazione sinergica, assicura-

portfolio di AICON, grazie alla presenza globale di Hexagon”.I CEO di AICON 3D Systems, Carl-Thomas Schneider e Wer-ner Bösemann, hanno inoltre commentato: “Entrare a far par-te di Hexagon è una grande opportunità che ci permette di por-tare i nostri prodotti di scansione AICON a un’ampia platea di clienti in tutto il mondo”.

Hexagon AB, azienda esperta nella fornitura di tecnologie infor-matiche che incrementano la produttività e la qualità nelle ap-plicazioni geospaziali e industriali, ha annunciato oggi l’acquisi-zione di AICON 3D Systems, azienda specializzata nella forni-tura di sistemi di misura 3D ottici e portatili senza contatto per la produzione industriale.Fondata nel 1990 e con sede a Braunschweig in Germania, AI-CON soddisfa da oltre 25 anni le esigenze di misura di presti-giosi costruttori automobilistici e aziende nei settori aeronauti-co e aerospaziale, cantieristica, energie rinnovabili e ingegne-ria meccanica. Il suo portfolio di tecnologie comprende mac-chine di misura a coordinate portatili per applicazioni universa-li e sistemi di misura 3D che consentono monitoraggio, assi-curazione qualità e controllo in produzione efficienti e di ele-vata precisione.Con oltre 140 dipendenti, AICON ha una presenza diretta in Germania, filiali in Cina, Corea, Giappone e USA, nonchè una rete di rivenditori nel mondo, supportate da risorse per il sup-porto locale.“AICON è un marchio riconosciuto con una forte core compe-tence tecnica in tutti i suoi team di sviluppo, e la sua gamma di scanner rappresenta una complementarità strategica,” affer-ma Ola Rollén, Presidente e CEO di Hexagon. “Vediamo op-portunità anche per l’espansione internazionale del più ampio

64 Compositi

COMEC INNOVATIVE

rate production speed are also guaranteed.The machine is equipped with a special unwinding unit able to reduce the dust quantity and the fiber tension stress. A spe-cial volumetric system is able to ensure the exact percentage of resin at different line speeds; a special spreading unit al-lows uniform impregnation. A tailored rewinding unit produc-es consistent bobbins avoiding any fiber twist. The machine is equipped by a software enabling just one operator easily man-age and check all the functions and parameters.Comec Innovative is an Italian Company established in 1965.Main markets are: aeronautic, defence, automotive and energy sectors. Comec Innovative supplies TowPreg lines, ATL robots, FW, RTM systems, ATP-AFP, Thermoplastic prepreg line, etc.The partnerships with Universities, Institutes and raw materi-al suppliers allow Comec Innovative to be on the technologi-cal fore front.Comec Innovative is a strategic partner, delivering the latest tailored technologies, qualified R&D services and line revamp-ing, focusing on system integration and process automation.

Filament winding, together with composite materials, is one of the most competitive technology combination for the pro-duction of parts (rollers, pipes, convex geometries just to men-tion a few).Over the years and in the near future, this technology is able to meet the growing demand of parts for the automotive and transportation applications, not only for structural parts, but also for other applications like pressure vessels, thanks to the devel-opment of the CNG, LPG and Hydrogen technology.A key feature for the success of filament winding and com-posite materials technology combinations is the improvement of the manufacturing process to reduce costs and to increase the overall quality.The main manufacturing disadvantage to overcome is the fiber impregnation method in open bath. The main drawback of the open bath is that a wide resin surface is affected by the expo-sition to air moisture. On top of that, the temperature variations in the resin bath and the change of viscosity of resin itself af-fect the impregnation quality and the final quality of the parts. Moreover, in most cases, the parameters of the impregnation can not be adjusted while the fibers are being drawn in the im-pregnation bath.Comec has developed an innovative impregnation low pres-sure process by applying a low hydrostatic pressure on the res-in and wetting the fibers exploiting a capillary pressure effect. This patented process allows to avoid the resin backflow and the fibers’ abrasion caused by the high compaction rate of the fibers.The Comec tow preg machine can process carbon, aramid, glass, PE, basalt and most of the natural fibers. Additional ad-vantages are the full distribution of the resin inside the tow, the capability to produce tow preg with both thermoplastic and thermosetting resin types. A very short set up time and a high

Tow Preg: a further step in filament winding production

High production Tow-Preg Line

Lab Scale Tow-Preg Line

Mass production Tow-Preg Line

% of resin = K x (line speed x viscosity of resin x width of tow)4/5

Tension

65Compositi

ITALMATIC

C.R.M. DI MAZZOCCATO ARTURO & FIGLI

Sistema di controllo e supervisione

Flessibilità del PCD nella lavorazione di compositi

giunge con l’utilizzo del sistema Italma-tic ed il passaparo-la tra gli operatori di mercato hanno por-tato, solo nell’ulti-mo, a diverse com-messe con ogget-to la sostituzione

del software installato dal fabbricante originale dell’autoclave, con il software Italmatic.Questo software è installato su tutte le fabbricazioni aziendali, quindi autoclavi ma anche forni e presse per il trattamento di materiali termoindurenti e termoplastici. Ecco alcune funziona-lità che fanno prediligere il software Italmatic:• controllo dinamico su temperatura, con possibilità di adegua-

re ogni singolo ciclo in funzione del pezzo inserito, incluso in-serimento dei codici seriali dei pezzi

• configurazione cicli con definizione del carico interno, delle termocoppie e linee vuoto collegate.

• funzione di ricerca per ciclo, ricetta, lotto, data o commento• generazione di report in formato PDF per allarmi, eventi e

trend, in maniera automatica.• possibilità di messa in pausa del ciclo, effettuare un aborto

ciclo controllato o cambio parametri ricetta a ciclo in corso• reportistica avanzata approfondita con individuazione di even-

tuali parametri fuori specifica.

Un sistema di controllo e supervisione veloce, performante e con interfaccia user-friendly è il miglior biglietto da visita che un’azienda fabbricante di macchinari ad alta tecnologia possa presentare a tutti i suoi potenziali clienti nei settori Aeronauti-ca, Spaziale, Automotive e Racing. In quest’ottica, Italmatic, ha elaborato uno SCADA (Supervisory Control And Data Acquisi-tion) accessibile a tutti gli operatori dell’autoclave, suddiviso su diversi livelli protetti da password per permettere ogni variante di gestione ciclo si renda necessaria e produrre tutta la reporti-stica di dettaglio necessaria. L’immediata familiarità che si rag-

Come si coniugano flessibilità e resistenza nel PCD, uno dei materiali da taglio più duri?

La durezza di uno spigolo tagliente PCD ha molteplici vantaggi:• qualità costante • durata: centinaia, migliaia di pezzi eseguiti prima della neces-

saria riaffilatura• riduzione tempi settaggio macchine utensili

Con le opportune tecnologie eccone un altro:• soluzioni flessibili a tagliente policristallino.

Spigoli, angoli, raggi assumono le forme adatte a risolvere le necessità produttive, per la capacità C.R.M. a sviluppare sem-pre nuovi utensili in funzione di quanto richiesto. Nasce quindi un ulteriore vantaggio: • risparmio di risorse dedicate alla ricerca ed all’acquisto di ma-

teriale standard a catalogo, dove è l’utilizzatore a doversi de-streggiare, cercando di adattare un utensile standard a pro-grammi complessi di macchine utensili evolute ed alle carat-teristiche e i vincoli delle lavorazioni, per farne la migliore so-luzione per il proprio processo. Spreco di energie e di tempo significativo, ancorché difficilmente quantificabile.

Perché allora non lasciare a C.R.M. Mazzoccato s.r.l., produttore dell’utensile flessibile in PCD, i problemi dello sviluppo e della progettazione, concentrandosi unicamente sui propri processi?

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Dagli NDT tradizionali alla tomografia

rotazione e il detector acquisisce le pro-iezioni radiografiche a ogni step di rota-zione. Terminata l’acquisizione, un algo-ritmo di ricostruzione permette di risalire dalle proiezioni radiografiche 2D al volu-me tomografico tridimensionale.Il centro tomografico TEC Eurolab si av-vale di due sistemi tomografici North Star Imaging di ultima generazione: un sistema microfocus X5000 da 240 kV e un sistema X7500 ad alta potenza (450 kV) capace di analizzare anche fusioni di grandi dimensioni e particolari in leghe pesanti. Questa strumentazione, uni-ca sul territorio nazionale, consente di combinare le migliori precisioni di anali-si (risoluzione tomografica fino a 5 µm) con i maggiori spessori attraversabili e le massime dimensioni scansionabili (fino a

1200 mm di diametro e 3 m di altezza).Per comparare i risultati ottenibili da dif-ferenti tecniche non distruttive è stata eseguita l’analisi di un supporto volan-te in fibra di carbonio tramite ultrasuo-ni phased array, termografia lock-in e to-mografia industriale.Il supporto volante è stato selezionato in quanto ha caratteristiche geometriche tali da risultare proficuamente controlla-bile con le tre differenti tecniche. Si tratta di un tubolare avente altezza di 360 mm, diametro esterno di 26 mm e spessore di parete di 3 mm. Nel seguito si presen-tano gli esiti dell’indagine e il confronto fra le tecniche.

Ultrasuoni Phased Array (PA-UT)Come il controllo classico a ultrasuoni, la tecnica Phased Array si basa sulla pro-pagazione di un fascio UT all’interno del materiale. Si differenzia dal controllo UT tradizionale in quanto, anziché un singo-lo trasduttore, si utilizza una matrice (ar-ray) di trasduttori che vengono eccitati in modo differente. Questo garantisce che le discontinuità presenti nel materiale vengano investite da diverse angolazio-ni, migliorandone la rilevabilità.La figura 1 mostra il segnale ottenuto dal-la scansione phased array: la colorazio-ne blu identifica le zone in cui il segna-le ultrasonoro ha attraversato completa-mente il componente ed è stato riflesso in superficie dopo aver raggiunto la pa-rete interna del tubolare.La colorazione giallo/verde identifica le zone in cui il segnale è stato riflesso pri-ma di raggiungere il bordo interno, docu-mentando una discontinuità all’interno del materiale. Il controllo, eseguito ma-nualmente traslando la sonda ultrasono-ra sul campione in esame, permette di individuare chiaramente la delaminazio-ne. Considerata l’influenza dell’operato-re, per la messa a punto del controllo e per l’interpretazione dei risultati risulta però molto importante l’esecuzione di analisi preliminari su blocchi campione.

Termografia lock-inLe tecniche termografiche sono basate sul rilievo di anomalie termiche sulla su-perficie del componente dovute alla pre-senza di discontinuità interne o a variazio-ni delle proprietà del materiale che costi-tuiscono un ostacolo alla diffusione ter-mica. In particolare, la termografia lock-in è basata sulla trasmissione di onde ter-miche generate mediante una sorgente

La tomografia industriale computerizza-ta (industrial CT) è un metodo di control-lo non distruttivo a raggi X che si è mol-to affermato negli ultimi anni.La tomografia, partendo da alcune mi-gliaia di radiografie digitali, permette di ottenere il volume tridimensionale dell’oggetto analizzato. Scorrendo il volu-me 3D è poi possibile, in modo comple-tamente non distruttivo, analizzare tutte le sezioni dell’oggetto reale e eseguirne il completo controllo difettologico e di-mensionale. Per ottenere questo risulta-to, il componente in esame viene posto all’interno di un bunker radiografico e fis-sato a una tavola rotante ad alta precisio-ne che si trova tra la sorgente radiogena ed il detector digitale. Durante l’emissio-ne dei raggi X, l’oggetto viene posto in

Figura 1: Risultato dell’analisi PA-UT.

Figura 2: Risultato dell’analisi termografica.

Figura 3: Sezioni del volume tomografico 3D ottenuto dalla scansione.

di calore esterna opportunamente mo-dulata. Una termocamera misura la tem-peratura superficiale del materiale e, tra-mite algoritmi di post-processing, è pos-sibile risalire all’ampiezza e alla fase del segnale termico. Le zone difettate origi-nano una risposta termica differente, ri-levabile come variazione di fase del se-gnale stesso. La figura 2 presenta l’im-magine termografica della zona sogget-ta a delaminazione, caratterizzata da una netta variazione di fase del segnale. La profondità del distacco non è però facil-mente misurabile.

Tomografia industriale computeriz-zata (CT): Per ottimizzare la risoluzione di scansio-ne (50 µm) sull’intera altezza del com-ponente, è stata eseguita una scansio-ne elicoidale. Con questa tecnica, il de-tector digitale e la sorgente RX traslano verticalmente durante la rotazione del campione.La figura 3 presenta due sezioni significa-tive del volume tomografico 3D ottenuto.A sinistra è riportata la sezione trasver-sale, ortogonale all’asse del campione, in cui sono ben evidenti diverse dela-minazioni; a destra è invece riportato lo sviluppo planare della sezione cilindrica (di cui è riportata in fucsia la traccia sul-

la sezione trasversale). Oltre alla delami-nazione principale, individuata anche da-gli altri metodi, è possibile documenta-re delaminazioni di dimensioni minori e porosità diffuse. Risulta inoltre verifica-bile l’orientamento di ogni strato di fibre. Ciascuna discontinuità è perfettamente localizzabile in un sistema di riferimento CAD e le dimensioni dei difetti sono mi-surabili con accuratezza centesimale. La completezza e la precisione del metodo consentono quindi un controllo diagno-stico completo del componente, sia per

la verifica qualità sia per la progettazio-ne di eventuali riparazioni. Confrontando le tre tecniche si conclude che tutte han-no permesso il rilievo della delaminazio-ne maggiore, ma la qualità e la quantità di informazioni fornite dalla tomografia non è ottenibile da ultrasuoni e termografia.

APPLICAZIONILa tomografia industriale è in grado di as-sistere le industrie aeronautiche e auto-motive nello sviluppo e nella validazione di nuovi prodotti (First Article Inspection).

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Riunendo in una singola analisi non distruttiva la verifica di-mensionale e il controllo difettologico completo, consente in-fatti di ridurre drasticamente il time to market.La possibilità di analizzare prodotti complessi e multi-mate-riale senza distruggerli o smontarli rende inoltre la tomogra-fia un irrinunciabile strumento per la riduzione dei rischi e la failure analysis. Di seguito si dettagliano alcune delle applicazioni del meto-do tomografico.• Valutazione difetti e danneggiamenti con procedura manua-

le o semiautomatica. È possibile individuare e quantificare le discontinuità volumetriche o lineari presenti nel materia-le, qualunque sia la loro orientazione nello spazio. Tali infor-mazioni possono essere esportate e utilizzate anche per la simulazione strutturale FEM dei componenti reali anziché delle matematiche ideali.

• Controllo dimensionale completo sia tramite verifica di quo-te specifiche sia con confronto CAD 3D. Grazie all’utilizzo dei raggi X e alla ricostruzione tridimensionale risultano rilevabili tutte le dimensioni, interne ed esterne, senza limitazioni do-vute all’accessibilità fisica o visiva. È inoltre possibile esegui-re la mappatura completa degli spessori di parete, indipen-dentemente dal processo produttivo e dal materiale utilizzato.

• Reverse engineering dall’oggetto reale al disegno CAD. in seguito alla ricostruzione del volume 3D è possibile seg-mentare la superficie del componente estraendone la ma-tematica completa in formato STL. In seguito è poi possibi-le completare il processo di reverse engineering fino all’ot-tenimento di modelli CAD parametrici o in formato STEP.

• Analisi orientazione fibre dei materiali compositi. Nei com-ponenti CFRP è possibile studiare l’orientamento delle fi-bre, verificandone la conformità al progetto. I componen-ti stampati con rinforzi a fibra corta possono inoltre essere analizzati per individuare le sezioni di congiunzione dei flus-si plastici e per validare le eventuali simulazioni di processo.

Dagli NDT tradizionali alla tomografia

Figura 4: Tessuto CFRP ulteriormente rinforzato con singolo strato di fibra di ve-tro. La tomografia ha permesso di evidenziare la propagazione della frattura nel tessuto di rinforzo.

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magazine - Tecnedit Edizioni Srl · Year XI – Issue 41 Settembre 2016 September 2016 Periodicità...

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