SULL`IMPIEGO DI TESSUTI IN MATERIALE COMPOSITO PER IL

A. Borri*, M. Corradi*
SULL’IMPIEGO DI TESSUTI IN MATERIALE COMPOSITO PER
IL CONSOLIDAMENTO DI STRUTTURE LIGNEE:
primi risultati di una sperimentazione
Sommario
Nell’ambito dei nuovi metodi per il consolidamento di strutture in legno, vengono qui riportati i risultati di
una sperimentazione sia su provini che su travi placcate in zona tesa mediante nastri di tessuto in materiale composito,
costituiti da fibre unidirezionali di carbonio e di vetro e bidirezionali equilibrate di kevlar. I nastri di tessuto sono stati
incollati mediante l’ausilio di resine epossidiche bicomponenti all’intradosso delle travi da consolidare che sono poi
state sottoposte a prove di flessione. La tecnica in oggetto presenta notevoli vantaggi di semplicità, velocità e
economicità di realizzazione.
I risultati ottenuti mostrano significativi incrementi di resistenza e di rigidezza delle strutture lignee
consolidate.
1.
Introduzione
Il placcaggio con materiali compositi di elementi strutturali inflessi viene già utilizzato da alcuni anni come
metodo di consolidamento (in particolare negli U.S.A. e nel Giappone) ed è stato sin qui applicato essenzialmente a
strutture in calcestruzzo armato.
Per quanto riguarda le strutture lignee, le poche sperimentazioni reperibili in bibliografia si riferiscono a
interventi su strutture nuove per le quali l’utilizzo di questi materiali ha le finalità di incrementare le proprietà fisicomeccaniche del legno attraverso l’applicazione del composito fibroso.
La sperimentazione di cui al presente articolo è correlata ad un possibile utilizzo del placcaggio con tessuti in
materiale composito come metodo di consolidamento strutturale degli elementi lignei delle strutture esistenti, ivi
comprendendo quelle storiche.
In Italia infatti riveste una notevole importanza il consolidamento di antiche strutture soprattutto se costituite di
materiali quali il legno che col tempo, se non sono soggette a una corretta manutenzione, possono perdere la loro
efficienza funzionale. Le travi o le capriate lignee, non soltanto dei palazzi più importanti ma anche di quelli più
comunemente presenti nei centri storici delle nostre città, erano spesso riccamente intarsiate o decorate. La sostituzione
di questi elementi non è soltanto un’operazione costosa per le ingenti risorse necessarie allo smontaggio e al
rimontaggio della parte della struttura sovrastante, ma anche molto spesso impraticabile, in quanto comporterebbe la
perdita di importanti elementi architettonici e storici.
*Facoltà di Ingegneria, Università degli Studi di Perugia
1
Peraltro, in molti casi, il legname che è stato utilizzato in passato può non essere oggi di facile reperimento.
Ad esempio, in Italia centrale era molto utilizzato il legno di quercia, mentre oggi è possibile reperire sul mercato quasi
esclusivamente legno di abete, larice e castagno. Altri tipi di legno non sono più utilizzati in ambito strutturale nelle
costruzioni per l’impossibilità di trovare fusti di dimensione adeguata adatti allo scopo o per il loro costo.
Utilizzare un materiale come i tessuti in composito per conferire una maggiore resistenza e/o una maggiore
rigidezza agli elementi strutturali esistenti, può rappresentare, per queste problematiche, una interessante soluzione
volta alla conservazione dell’esistente ed oltretutto non eccessivamente invasiva.
La sperimentazione condotta e descritta sommariamente nel presente articolo ha riguardato una serie di provini
e di elementi lignei, placcati con nastri in materiale composito di fibre diverse (carbonio unidirezionali ad alta
resistenza, vetro unidirezionali di tipo E (v. Foto 1), kevlar bidirezionali a maglia quadrata) reperiti sul mercato e
sottoposti a prove di flessione e di aderenza.
2.
Descrizione delle prove sperimentali
Per quanto riguarda il materiale di base utilizzato sono stati presi in considerazione provini e travetti in legno
di castagno (Castanea Vesca), cerro (Quercus Cerris), rovere (Quercus Petraea) e abete (Abies Alba). Nel caso dei
provini sono stati utilizzati legni caratterizzati da un notevole invecchiamento, con percentuali piuttosto basse del tasso
di umidità, ricavati da discariche di cantieri dell’Italia centrale e classificabili, nel caso del cerro, del castagno e del
rovere, in 1a categoria (legname assolutamente sano con bassa percentuale di difetti). Per i travetti si è fatto uso di legno
di abete riconducibile in 3a categoria (legname sano con difetti diffusi). L’insieme delle prove svolte può essere
suddiviso in tre gruppi principali, riconducibili a prove su provini, prove di aderenza e prove di flessione su travetti.
Il primo gruppo di prove, eseguite su provini di dimensione 20x20x60 mm nel caso di sollecitazione di
compressione assiale e di 20x20x350 mm nel caso di flessione statica tangenziale, ha riguardato anzitutto la
caratterizzazione fisico meccanica del materiale base (necessaria per confrontare i risultati prima e dopo l’intervento di
placcaggio con fibre in materiale composito). Sono state poi eseguite prove di flessione su provini placcati per la
determinazione della resistenza ultima e del modulo elastico.
Fanno parte di questo raggruppamento anche alcune prove in cui il placcaggio è stato realizzato dopo aver
conferito al provino ligneo una controfreccia con lo scopo di incrementare le caratteristiche di rigidezza a flessione.
L’applicazione del carico a questi provini è stata realizzata in controllo di velocità scegliendo, nel caso delle
prove di flessione, uno schema statico su 4 punti.
La misura del modulo elastico è stata effettuata attraverso la misurazione dell’abbassamento al di sotto dei due
coltelli di carico con una precisione 0.01 mm realizzando 6 cicli di carico e scarico tra le tensioni di progetto di 5 MPa e
18 MPa al lembo teso, mentre le prove per la determinazione della resistenza ultima sono state svolte secondo il
medesimo schema statico, ma seguendo un’unica fase di carico fino alla rottura.
Il secondo gruppo di sperimentazioni comprende le prove di aderenza realizzate su provini di dimensione
ridotta (10x20x60 mm).
2
Infine il terzo gruppo di prove ha riguardato 22 travetti (dimensioni: 100x100x2000 mm) che sono stati
sottoposti a prove di flessione per la determinazione del modulo elastico e della resistenza ultima.
Nei paragrafi che seguono vengono descritte in dettaglio le prove eseguite unitamente ai risultati della
sperimentazione.
2.1
Prove di caratterizzazione fisico-meccanica
La caratterizzazione fisico meccanica del materiale base è stata condotta su provini di dimensioni 20x20x60
mm sottoposti a prove di compressione per la determinazione del modulo elastico e della resistenza ultima (v. Foto 2).
Nelle Tab. 1 e nella Fig. 1 sono riportati i risultati delle prove per la determinazione del modulo elastico
misurato su provini sollecitati a compressione con carico parallelo alla direzione delle fibre in legno. La Fig.2 mostra
l’andamento qualitativo di una prova di compressione assiale su un provino in legno di castagno: è possibile notare
come, anche dopo aver raggiunto il carico massimo, il provino è in grado di fornire una resistenza residua, anche per
notevoli deformazioni, pari al 70÷80% del carico massimo. Nella Fig. 3 sono poi riportati i risultati delle prove di
compressione per la determinazione della resistenza ultima.
Per caratterizzare il comportamento sotto sollecitazione di flessione statica tangenziale, è stata condotta una
seconda serie di sperimentazioni su provini di dimensioni maggiori (20x20x350 mm nel rispetto delle norme UNI ISO
3349) sollecitati secondo uno schema statico su 4 punti (v. Foto 3).
Nelle Tabelle 2÷4 e nelle Fig. 4 e 5 sono riportati i risultati delle prove di carico a flessione per la
determinazione del modulo elastico, con i valori medi e percentili al 5% e 95% della distribuzione statistica mentre
nelle successive Figg. 6÷8 è evidenziato il comportamento tipico dei provini utilizzati. E' possibile notare come
all'aumentare del carico il legame tensione-deformazione sia quasi perfettamente lineare. La rottura si manifesta senza
alcun preavviso per valori medi diversi a seconda del tipo di legno (1844 N per il castagno e 2164 N per il cerro) (v.
Tabelle 5÷7).
Le prove sono state eseguite, per quanto possibile, facendo riferimento alle normative internazionali (UNI ISO
3132, 3133, 3349 e, per la determinazione dell’umidità, UNI 9091/2).
Precedentemente alle prove di caratterizzazione fisico-meccanica è stata realizzata la misura delle condizioni
igrometriche del materiale
utilizzato. I valori medi ottenuti per il castagno, il cerro, il rovere e l’abete sono
rispettivamente pari a 540, 898, 825, 424 kg/m3 per la massa volumica e del 9%, 11%, 12%, 15% per l’umidità.
2.2
Sperimentazione su provini placcati
Le sperimentazioni su provini placcati sono state condotte utilizzando tessuti con tre diversi tipi di fibra, le cui
caratteristiche fisico-meccaniche, insieme a quelle delle resine epossidiche utilizzate come adesivo e saturante, sono
riportate nelle Tabelle 8÷10.
Le prove sono state svolte secondo lo schema statico su 4 punti già adottato per le prove di caratterizzazione
fisico-meccanica del materiale base. I legni appartengono alla stessa partita di legname e i provini hanno le stesse
dimensioni di quelli precedentemente utilizzati per le prove di caratterizzazione.
3
Le fibre sono state reperite da forniture presenti sul mercato. Gli spessori per i tre materiali utilizzati sono
risultati: nel caso del carbonio di 0.165 mm, per il vetro di 0.118 mm e per il kevlar di 0.070 mm. Il placcaggio dei
provini è stato realizzato considerando strisce di tessuto di ugual area (400x20mm).
Ciò comporta la non confrontabilità diretta tra i risultati ottenuti con i diversi tipi di fibra utilizzati, dato il
diverso quantitativo di fibra e quindi il diverso coefficiente d’area1 ρfc che i tre materiali comportano.
I risultati della sperimentazione devono essere considerati perciò separatamente per ogni diverso tipo di fibra
utilizzato, mentre dal punto di vista della efficacia dell'intervento di placcaggio è possibile un confronto diretto tra i
risultati dei provini non placcati e placcati per ciascuna delle tre tipologie di fibra.
I paragrafi che seguono riportano i risultati ottenuti per i diversi casi.
2.2.1
Sperimentazione su provini placcati con tessuti a base di fibra di carbonio
Per una prima serie di provini in legno di castagno o di cerro è stato realizzato un placcaggio con strisce di
tessuto di dimensioni 20x400mm. Le fibre di carbonio utilizzate, unidirezionali ad alta resistenza, sono state applicate
disponendole parallelamente alla direzione longitudinale dei provini in legno. Nella Tab. 11 sono riportati i risultati
delle prove per la determinazione del modulo elastico a flessione statica tangenziale. Essendo queste prove non
distruttive, è stato possibile misurare il modulo elastico E su gli stessi provini prima e dopo l'intervento di placcaggio.
L'incremento di rigidezza misurato è stato pari al 28.9 % per provini in legno di castagno e pari al 22.8% nel
caso del legno di cerro (v. Figg. 9÷13).
Per quanto concerne le prove per la determinazione della resistenza ultima (v. Tab. 12, Figg. 15÷16, Foto 4),
può essere messo a confronto il valore medio della resistenza a rottura dei provini placcati con quello trovato per
provini dello stesso legno ma non placcati. Si osserva qui un incremento della resistenza pari al 88.4% e al 83.2%
rispettivamente per legni di castagno e di cerro. La Fig. 14 riporta insieme i comportamenti tipici di due provini sotto
una sollecitazione flessionale fino alla rottura: uno è costituito dal solo materiale base, l’altro è placcato. Si può notare
il significativo incremento di resistenza ottenuto e constatare come, a parità di freccia, alla rottura del provino non
placcato l’incremento di carico per il provino placcato risulta superiore del 50%.
2.2.2
Sperimentazione su provini placcati con tessuti a base di fibra di vetro
La fibra di vetro utilizzata è caratterizzata dalle proprietà meccaniche di resistenza e rigidezza a trazione
riportate in Tab.9. I risultati ottenuti confrontando il comportamento dei provini placcati con quello dei provini non
placcati (v. Tabelle 13 e 14, Figg. 17÷19) mostrano un minore incremento del modulo elastico e della resistenza ultima
a flessione statica tangenziale. Ciò è dovuto non soltanto alle minori qualità fisico-meccaniche delle fibre di vetro, ma
anche al loro minore spessore che, a parità di superficie di fibra utilizzata, comporta una quantità di fibra inferiore
rispetto al caso del placcaggio con fibre di carbonio.
1
Si definisce “coefficiente d’area della fibra” ρfc il rapporto tra l’area della fibra e l’area del provino ligneo in una generica sezione trasversale:
ρ fc =
tb fc
bh
dove t è lo spessore del composito in fibra, bfc è la larghezza della striscia in fibra, h e b l’altezza e la larghezza della sezione in legno.
4
2.2.3
Sperimentazione su provini placcati con tessuti a base di fibra di kevlar
Le fibre di kevlar qui utilizzate, le cui caratteristiche fisico-meccaniche sono intermedie tra le fibre di carbonio
e vetro, si presentano in tessuti intrecciati bidimensionalmente a 90° e sono caratterizzate da uno spessore molto ridotto,
pari a 0.070 mm, che risulta minore del 60% rispetto a quelle in carbonio e del 40% rispetto alle fibre in vetro.
I risultati delle prove realizzate, riportati nelle Tab. 15 e 16 e nelle Figg. 20÷24 e Foto 5, sono risultati meno
interessanti rispetto ai casi precedenti casi. Soprattutto l’incremento di rigidezza dei provini testati è risultato pari a
circa il 14% sia per il legno di castagno che per quello di cerro mentre per quel che riguarda la resistenza ultima si sono
ottenuti incrementi del 50% che tuttavia, per il piccolo incremento della rigidezza, sono risultati accompagnati da
deformazioni molto consistenti.
2.3
Sperimentazione su provini placcati con controfreccia
Al fine di indagare su una possibile tecnica volta ad incrementare la rigidezza flessionale di elementi lignei,
sono stati realizzati alcuni provini in legno di cerro e castagno a cui è stata conferita una controfreccia tramite
l’applicazione di un carico in mezzeria e che quindi sono stati placcati in fibre di carbonio o di vetro. La controfreccia
conferita ai provini (di dimensioni 20x20x350 mm) è stata di 4mm e di 3mm rispettivamente per i provini di castagno e
per quelli di cerro.
L’incremento di rigidezza misurato nella successiva prova di flessione è stato notevole, anche se il numero
esiguo di provini sottoposti a prova non consente di generalizzare i risultati ottenuti.
Nella Fig. 25 si nota un aumento del modulo elastico flessionale pari al 70÷90%, considerando uno stesso
provino sottoposto a prova prima e dopo il placcaggio con fibra di carbonio e con conferimento di controfreccia, mentre
l’incremento di resistenza a rottura si mantiene dello stesso ordine di grandezza dei provini placcati senza controfreccia.
2.4
Prove di aderenza
Per verificare il comportamento dell’incollaggio tra tessuto e legno, sono state realizzate numerose prove di
aderenza secondo lo schema riportato in Fig. 26.
Le fibre in composito sono state tagliate in sottili strisce delle dimensioni di 200x10 mm e quindi incollate ai
lati minori dei provini lignei su due superfici di 20x10 mm realizzando così un’area totale di aderenza pari a 400 mm2
(v. Foto 6).
Nel caso delle fibre in vetro non è stato possibile misurare il valore della resistenza tangenziale di rottura
all’interfaccia in quanto la minore resistenza a trazione di tali fibre rispetto a quelle in carbonio, ha provocato la loro
rottura a trazione e non la crisi dell'incollaggio. E’ stato quindi necessario diminuire l’area di sovrapposizione legnoresina-fibra, fino a considerare due superfici di 10x10 mm. Queste prove hanno mostrato un buon comportamento
dell’incollaggio.
Il superamento del limite di aderenza si realizza secondo due modalità che dipendono essenzialmente
dall’orientamento delle fibre in composito rispetto all’orientamento delle fibre del legno.
In un primo caso, quando le fibre del composito risultano ortogonali alle fibre del legno, si osserva il distacco della
fibra in composito dalla resina aderente sul provino ligneo con valori delle tensioni tangenziali di rottura di circa 10
5
MPa (v. Tab. 17). Quando invece i due tipi di fibra sono paralleli, sono le fibre in legno a rompersi con tensioni
tangenziali più basse e dell’ordine di circa 7 MPa, indipendentemente dal tipo di fibra del composito. In Fig. 27 è
possibile notare l’andamento tipico delle prove di aderenza realizzate.
2.5
Sperimentazione su travetti in dimensione reale
Su una serie di travetti di dimensioni 100x100x2000 mm in legno di abete sono state condotte prove di
flessione statica tangenziale per la misura, analogamente al caso dei provini, della rigidezza e della resistenza.
L’importanza dei risultati ottenuti per
queste prove sta nel fatto che si è potuto avere conferma del
comportamento osservato sui provini, in particolare per quel che riguarda l’incremento di resistenza ultima.
In Fig. 28 è riportato il disegno della apparecchiatura utilizzata per le prove. I travetti sollecitati secondo uno
schema statico su 4 punti da un pistone oleodinamico poggiano su elementi cilindrici in acciaio. La precisione nella
misura delle freccie è risultata di 0.1 mm.
I travetti sottoposti a prova, costituiti da legno di abete, sono stati complessivamente 22 e sono stati suddivisi
in 4 gruppi. Il primo gruppo, composto da 4 travetti, è stato utilizzato per la caratterizzazione del comportamento del
materiale base; i rimanenti 3 gruppi, composti da 6 travetti ciascuno, sono stati placcati con tessuti a base di fibra di
carbonio, di vetro o di kevlar. Ogni gruppo di travetti è poi composto da tre coppie ciascuna con un diverso tipo di
placcaggio come riportato in Fig.29 e nella Foto 7. La prima coppia è costituita dal solo placcaggio in zona tesa mentre
le rimanenti due, oltre a questo tipo di placcaggio, sono state anche fasciate con diverse modalità (v. Fig. 29).
E’ qui opportuno osservare come le fasciature, oltre al fatto di non poter essere realizzate in opera senza
smontare parte della struttura sovrastante, in definitiva non hanno condotto per i travetti apprezzabili incrementi di
resistenza e di rigidezza (v. Figg. 30÷32, Tab.18) confermando così il buon funzionamento, dal punto di vista
dell’aderenza, dell’incollaggio tra tessuto e legno.
3.
Conclusioni
Le sperimentazioni di consolidamento di elementi lignei inflessi mediante placcaggio con materiale composito
in forma di tessuto hanno presentato alcuni elementi di particolare interesse.
I nastri di tessuto sono facilmente riducibili nelle dimensioni necessarie per l’applicazione attraverso l’ausilio
di forbici o semplici taglierine. L’operazione di taglio può essere realizzata direttamente in cantiere permettendo una
costante interattività tra le esigenze costruttive che nel corso dell’opera si manifestano e le conseguenti necessità sulle
quantità, dimensioni e forma dei fogli in fibra.
L’incollaggio delle fibre sulla superficie lignea delle travi non comporta nessun tipo di operazione preliminare.
L’intervento di consolidamento prevede infatti soltanto che le travi lignee vengano accuratamente pulite eliminando
qualsiasi residuo di materiale inconsistente (polvere, legno ammalorato, vernici, calce).
L’intera opera di consolidamento prevede tempi di realizzazione molto brevi legati esclusivamente ai tempi di
maturazione delle resine epossiche utilizzate che, a temperatura ambiente, induriscono in 7 giorni.
I test effettuati su provini e travetti placcati sollecitati a flessione hanno mostrato un notevole aumento della
resistenza a rottura e della rigidezza flessionale. Le fibre in carbonio, in particolare, hanno conferito incrementi
dell’ordine del 80÷90% rispetto ai provini dello stesso legno non placcati. I risultati ottenuti dal placcaggio con fibre di
vetro e kevlar sono apparsi meno rilevanti. Tuttavia ciò non è imputabile soltanto alle minori prestazioni meccaniche di
6
queste fibre (in particolare per quel che riguarda la resistenza e il modulo elastico a trazione), ma anche, come già detto,
al loro minore spessore e quindi al diverso coefficiente d’area della fibra ρfc.
Se si considera tale coefficiente per le diverse fibre utilizzate si nota che nel caso di provini placcati in fibra di
kevlar ρfc è 0.00350 mentre nel caso delle fibre in vetro e carbonio è 0.00590 e 0.00825 rispettivamente.
La conoscenza dei valori di ρfc può consentire un confronto tra i risultati ottenuti coi diversi tipi di fibra,
ricordando tuttavia che non sussiste proporzionalità diretta tra le proprietà meccaniche di resistenza o rigidezza e il
valore del coefficiente d’area.
Per quanto riguarda l’incremento di rigidezza delle membrature placcate, si sono ottenuti risultati interessanti
soprattutto per quanto riguarda i provini placcati con fibre di carbonio e vetro. Il consolidamento con queste fibre ha
conferito alla struttura un aumento di rigidezza di circa il 30%. Il kevlar, anche per il suo piccolo spessore di progetto
(0.070 mm per la trama), non ha conferito invece apprezzabili variazioni della rigidezza flessionale. Peraltro è da tener
presente che questi interventi possono essere resi
più efficaci se si dispongono più strati di fibre e quindi
incrementando la quantità di fibra, ciò comunque fino ad un valore critico del coefficiente d’area della fibra, superato il
quale non si misurano incrementi apprezzabili delle caratteristiche meccaniche.
Si può infine osservare come, mediante interventi di consolidamento di questo tipo, oltre al miglioramento del
comportamento meccanico si ottiene in generale anche una minore dispersione dei valori di rottura per sollecitazione di
flessione per i diversi elementi considerati.
La notevole dispersione dei risultati che si riscontra nelle prove di caratterizzazione di elementi lignei inflessi,
è infatti dovuta, in generale, alla presenza di difetti quali nodi e fibratura inclinata che, soprattutto se concentrati nella
zona tesa, comportano l’innesco della frattura o il distacco delle fibre in legno portando alla crisi anche per valori
tensionali relativamente bassi.
Il placcaggio della zona tesa in materiali compositi elimina quasi completamente questa funzione di innesco
dei difetti, grazie all’adesione sul sottofondo tra fibra e legno che ricostituisce la continuità nel materiale e impedisce il
propagarsi della microfrattura in corrispondenza del difetto. Come positiva conseguenza di ciò si assiste ad una
riduzione notevole della dispersione dei risultati nelle prove di resistenza a rottura nel caso di provini placcati.
L’adesione sul sottofondo nel sistema legno-resina-fibra è risultata in alcuni casi superiore a quella tra le fibre
in legno. Per quanto riguarda il mantenimento nel tempo delle caratteristiche fisico-meccaniche delle resine recenti
studi hanno peraltro dimostrato un ottimo comportamento in tal senso.
Il placcaggio con tessuti in materiale composito disposti in zona tesa, come tipologia di intervento in casi di
consolidamento di elementi lignei inflessi presenta quindi molte caratteristiche positive e si propone come tecnica di
notevole interesse di ordine pratico. Nel caso di solai, ad esempio, questo modo di operare consente di conservare le
travi lignee esistenti, evitando lo smontaggio e il rimontaggio della struttura sovrastante e limitando considerevolmente
l’invasività dell’intervento.
7
Ringraziamenti
Si ringrazia l’ing. Emo Agneloni della Tec-Inn s.r.l. per il supporto fornito, sia per la disponibilità dei travetti
lignei e del materiale in composito che per la manodopera necessaria per l'esecuzione delle prove e l’ing. Alberto
Bufali della S.G.M. -Prove sperimentali- s.r.l. che ha eseguito le prove sui travetti lignei.
Si ringrazia inoltre la ditta MAC Master di Treviso per la fornitura del materiale in composito.
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