Le fibre polimeriche, vantaggi e campi d’applicazione

 

Le fibre polimeriche rappresentano un tipo di materiale altamente tecnologico, ormai da lungo tempo utilizzato nel campo dell’edilizia per le proprie caratteristiche di alta resistenza meccanica. Ormai tali materiali sono correntemente utilizzati a scopo civile per rinforzare strutture sottoposte a sollecitazioni del modulo elastico, ma cominciano a diffondersi anche nell’ambito del restauro archeologico e architettonico.

Le fibre più comunemente diffuse sono differenziate per il polimero di base su cui sono progettate:

  • Carbonio (CFRP, carbon Fyber Reinforced Polymer) che a loro volta si dividono in CFRP ad alto modulo elastico e CFRP ad alta resistenza
  •  Vetro (GFRP, Glass Fyber Reinforced polymer o in italiano PRFV, Poliestere rinforzato in fibra di vetro)
  •  Aramide o Kevlar ((AFRP, Aramidic Fyber reinforced Polymer)

A seconda delle esigenze, questo tipo di materiali sono disponibili in diversi formati:

  • Singolo filamento (monofilament)
  • Fascio di filamenti (tow)
  • Filo o filato (spun Yarn)
  • Filo assemblato (roving)

Le applicazioni nel campo dell’edilizia civile hanno determinato il grande successo delle fibre polimeriche in quanto permettono di recuperare edifici in cattivo stato di conservazione, senza procedere alla loro demolizione, ma anche per aumentare la resistenza delle strutture di nuova edificazione.

I casi più frequenti di utilizzo di questi prodotti ad alta tecnologia sono:

  1.  Il ripristino di strutture lesionate e a rischio di crollo
  2.  Strutture sottoposte a variazioni di carico
  3.  Correzione di errori progettuali su strutture già edificate
  4.  Adeguamento delle strutture a nuove normative antisismiche
  5.  Interventi di risanamento a seguito di eventi sismici

 

Tecniche d’impiego delle fibre polimeriche

Le fibre polimeriche possono essere messe in opera con diverse tecniche:

  • Manual lay up: impregnazione dei tessuti secchi unidirezionali o pluridirezionali direttamente in opera utilizzando resine epossidiche come matrice e adesivo alla struttura originale. Questa tecnica si divide ulteriormente in due sub tecniche:

Dry lay up – adatto per piccole superfici sulle quali si stende a rullo o pennello un primer fluido per migliorare l’adesione della fibra dopodiché si stende la fibra nella direzione voluta e si impregna il tessuto   con resina epossidica fluida, sulla quale si possono stendere ulteriori strati di tessuto

Wet lay up – adatto a grandi superfici, sulle quali si stende il primer e si applica la fibra preventivamente   immersa nella resina epossidica

  • Plate bonding: consiste nell’incollaggio con resine epossidiche di lamine poltruse direttamente alla superficie da consolidare opportunamente livellata e polita.
  • Near surface mounted bars: consiste nell’incollaggio strutturale di connettori poltrusi all’interno di fori opportunamente aperti nel nucleo. Questa tecnica permette di trasmettere adeguatamente gli sforzi di taglio fra due materiali e impedire lo scivolamento.

 

Campi di applicazione delle fibre polimeriche

Come è facilmente desumibile dall’elenco dei campi di applicazione di questi materiali, il restauro di monumenti architettonici e di manufatti archeologici può diventare un ulteriore sperimentazione di queste fibre e di fatto lo è già diventato.

Difatti le fibre aramidiche contrariamente alla fibre di carbonio, sono fibre derivate da polimeri a struttura “organica”, che in fase di produzione creano all’interno della fibra stessa zone ad elevata struttura cristallina fortemente orientata, che di fatto auto-rinforzano il materiale.  Per questo motivo, le fibre presentano elevatissime capacità meccaniche, una notevole capacità di sopportare le deformazioni, resistenza agli urti e capacità di assorbimento delle vibrazioni.

Già nel 1997, durante i restauri della Basilica di S. Francesco ad Assisi, il restauro delle volte lesionate dal  terremoto venne perfezionato inserendo nervature di compensato marino rinforzato con fibre aramidiche tipo kevlar ancorate alle volte tramite tiranti di acciaio molleggiati per l’assorbimento delle vibrazioni. Nel 2005, nel corso degli interventi di restauro dell’Anfiteatro Flavio, per la realizzazione del piano dell’arena tuttora visibile, vennero utilizzate fibre di carbonio e fibre aramidiche al fine di aumentare i momenti di inerzia dei travi di sostegno del pavimento in lamellare. Sempre nell’ambito dello stesso intervento furono utilizzati perni in fibra aramidica a rinforzo dei blocchi di tufo degradati utilizzati come appoggio delle travi portanti.

Presso il cantiere Domus Aurea sono state ampiamente utilizzati connettori in fibra di vetro con fiocchi di fibra aramidica per ripristinare l’originale dimensionalità dei setti murari sottoposti a spoliazione del materiale fittile nelle zone sottoposte alle imposte delle volte. Infatti, queste porzioni di muratura si trovano ad un’altezza di circa 10m dal piano di calpestio, in ambienti frequentati da visitatori. Per garantire la sicurezza e soprattutto una corretta collaborazione della cortina reintegrata al nucleo cementizio antico, si è proceduto ad integrare la tecnica dei diatoni con l’utilizzo dei connettori, messi in opera con la tecnica del near surface mounted bars.

fibra di vetro

Figura 1- Connettore in fibra di vetro con fibra aramidica

sistema ancoraggio cortina

Figura 2- Sistema di ancoraggio cortina

Fibre polimeriche

Figura 3- Iniezione di resina per inghisaggio della fibre fibre polimeriche

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lo stesso materiale è stato utilizzato con successo anche in altre situazioni di dissesto come la risarcitura di una setto di parete collassato che aveva uno spessore di circa 0,30m, che andava ricostruita con cortina laterizia da un lato e lasciata a neutro dall’altro. Al fine di sostenere un setto murario di dimensioni pari a 9×0,80×0,30m, si è proceduto a infiggere una maglia di connettori con fiocchi di fibra aramidica dal lato da reintegrare in mattoni, al fine di rendere solidale il nuovo paramento con l’antico e a foderare il lato da lasciare a neutro con tessuti di fibra aramidica inghisati con resina epossidica, poi scialbati per coprire la trama dei tessuti.

Come appena descritto, l’utilizzo delle fibre polimeriche può efficacemente supportare le operazioni di restauro dei monumenti archeologici evitando spesso l’utilizzo di tecniche più invasive come barre d’acciaio, putrelle o scassi nella muratura. Non va trascurato inoltre, che data l’alta resistenza alle vibrazioni, le fibre polimeriche possono concorrere al miglioramento sismico delle strutture archeologiche che in molti casi sono presidiate con vistosi e invasivi presidi metallici che possono essere sostituiti efficacemente.

sistema dry up

Figura 4- Fibra applicata con sistema dry up

nucleo cementizio

Figura 6- Connessione della parete ricostruita al nucleo cementizio originale