Retrofitting di travi in CAP con lamine in CFRP: un approccio a supporto del bridge design proposto da Masera Engineering Group
di GIANFRANCESCO GALLINA – MARCO GIVONETTI – MATTIA MAIRONE – DAVIDE MASERA | Masera Engineering Group
Negli interventi di retrofitting volti all’adeguamento della resistenza degli elementi strutturali, è sempre più comune ricorrere all’utilizzo di compositi fibrorinforzi costituiti da fibre di vetro, carbonio o fibre in aramide.
Gli interventi di rinforzo strutturale di ponti con lamine in CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) rappresentano una soluzione innovativa ed efficace per migliorare la resistenza e la durabilità di infrastrutture esistenti. I CFRP sono materiali compositi costituiti da fibre di carbonio immerse in una matrice polimerica (tipicamente resine epossidiche), caratterizzati da un’elevata resistenza meccanica, leggerezza e resistenza alla corrosione. Questi materiali vengono utilizzati sotto forma di tessuti, lamine o barre per rinforzare elementi strutturali di varia natura, aumentando la capacità di carico e in particolare la resistenza a flessione e a taglio.
Tra i principali vantaggi dell’uso dei CFRP si annoverano la facilità di applicazione, che consente interventi rapidi e non invasivi, e le eccezionali proprietà meccaniche, che permettono di migliorare le prestazioni strutturali senza aggiungere peso significativo alla struttura esistente. Tuttavia, i principali limiti di questa tecnologia includono i costi relativamente elevati dei materiali e la necessità di manodopera altamente qualificata per l’installazione. Generalmente, il posizionamento strategico degli FRP nel retrofitting di un generico elemento strutturale consiste nell’avvolgere (parzialmente e non) la sagoma dell’elemento strutturale esistente, e questo tuttavia comporta un’elevata esposizione del rinforzo agli agenti aggressivi quali: raggi UV, variazione ciclica della temperatura, umidità e in casi eccezionali urti. La posizione di tali rinforzi risulta quindi una caratteristica che rende questo sistema vulnerabile e imprescindibile di una buona progettazione e manutenzione nel lungo periodo, come mostrato in fig. 1.
Affermazione dei CFRP
Nonostante questi aspetti, i CFRP si stanno affermando come una soluzione preferenziale per il rinforzo strutturale di ponti, soprattutto in contesti dove rapidità e durata degli interventi sono priorità fondamentali. In particolare, negli interventi realizzati su ponti e viadotti, i rinforzi in CFRP sono utilizzati sotto forma di lamine, le quali vengono applicate su elementi strutturali che manifestano carenze lato flessione e taglio.
Per elementi quali travi e traversi, per migliorare la risposta strutturale a flessione, le lamine vengono disposte in senso longitudinale a intradosso dell’elemento. Invece, per quanto riguarda il taglio, le lamine vengono disposte in modo da avvolgere l’anima della trave, talvolta optando per interventi più invasivi i quali permettono di cerchiare l’elemento tra intradosso ed estradosso. In fig. 3 e fig. 4 viene mostrata l’applicazione a un caso studio delle lamine in FRP per retroffitting a taglio e a flessione.
Più volte, a seguito delle nuove prescrizioni normative, è stato necessario adeguare la capacità portante, ad esempio, con l’applicazione di fasce in CFRP, posizionate strategicamente per ottimizzare il contributo alla resistenza a flessione. Una configurazione possibile di una generica trave da ponte, rinforzata con armatura ordinaria, armatura da precompressione e CFRP, nella direzione longitudinale è mostrata in fig. 4.
Approccio energetico per l’omogenizzazione del CFRP
La procedura utilizzata si basa sul bilanciamento energetico tra l’energia di dissipazione dell’acciaio ordinario e l’energia di dissipazione del rinforzo in CFRP. L’energia di dissipazione è l’area sottesa al legame costitutivo σ-ε (Tensione-Deformazione). Per l’acciaio, l’energia di dissipazione è stata determinata, nell’equazione (1), considerando le deformazioni e le tensioni sviluppate, in accordo con il legame costitutivo del materiale. Tale energia rappresenta la capacità del rinforzo di assorbire deformazioni plastiche e contribuire al momento resistente:
Analogamente, è stata calcolata l’energia di dissipazione dei rinforzi in CFRP, tenendo conto del comportamento meccanico specifico di questo materiale che risulta essere elasto-fragile. L’energia di deformazione del rinforzo in CFRP è indicata nell’equazione (2):
Essendo il CFRP caratterizzato da un comportamento fragile e una bassa capacità di deformazione plastica, il valore di energia di dissipazione dell’acciaio, nella condizione di deformazione ultima dei due materiali, risulta essere naturalmente maggiore. La proporzione tra le due energie di dissipazione, espressa come rapporto tra le aree sottese ai legami costituitivi, è di circa 1/3 a vantaggio dell’acciaio. Si riporta l’energia di dissipazione dei due materiali evidenziata in fig 5
Coefficiente di omogenizzazione
Il rapporto tra l’energia di dissipazione dell’acciaio e quella del CFRP è stato impiegato come coefficiente di omogenizzazione tra i due materiali definito così nell’equazione (3).
Tale coefficiente entra in gioco con il fine di cogliere in maniera coerente il contributo di capacità resistente dei diversi materiali concomitantemente in gioco. Il coefficiente di omogenizzazione consente di scalare l’area delle armature in acciaio in modo da renderla equivalente, in termini energetici dissipativi, alle caratteristiche dei rinforzi in CFRP. Questo approccio garantisce una rappresentazione coerente delle capacità dei diversi materiali all’interno della struttura.
Per strutture quali travi di ponti precompresse, la concomitanza di 3 materiali con caratteristiche diverse è comune e usuale. Si rende quindi necessaria la possibilità di validazione mediante software commerciali che non considerano più di due materiali, i quali solitamente risultano essere acciaio dolce e armonico. Viene inoltre presa in considerazione la limitazione legata ai diversi legami costitutivi integrabili, non limitandosi ai canonici proposti.
Osservazioni conclusive
La procedura presentata offre un metodo rigoroso, robusto e versatile per la valutazione dell’effettivo contributo a flessione fornito dai rinforzi in CFRP in una trave da ponte in calcestruzzo armato precompresso. La rigorosità è garantita da una procedura standarizzata che mira a limitare gli errori grossolani tipici di procedimenti complessi quali gli approcci energetici.
La possibilità di validazione tramite molteplici software convenzionali garantisce una robustezza intrinseca dell’approccio proposto. Il superamento delle limitazioni dei software convenzionale di introdurre solo 2 materiali con caratteristiche e legami costitutivi differenti garantisce di affidarsi alla robustezza degli stessi anche per le nuove procedure.
Infine, la procedura energetica sulla quale si basa, garantisce la versatilità e la possibilità di utilizzo delle diverse fibre esistenti nella famiglia degli FRP. Software sviluppati dalle case produttrice dei rinforzi limitano le caratteristiche meccaniche dei materiali utilizzabili a quelle prodotte, un approccio energetico generalista supera tale limitazione estendendo l’uso non solo al più ampio range di proprietà meccaniche ma soprattutto alla diversa natura delle fibre. Tali caratteristiche, dunque, favoriscono un incremento della confidenza nei metodi di analisi e nella validità delle decisioni progettuali adottate.
Infine, grazie all’utilizzo del bilanciamento energetico, è possibile correlare in maniera diretta il comportamento di materiali con proprietà meccaniche e deformative molto differenti, fornendo uno strumento pratico per la progettazione, la verifica e l’adeguamento di strutture esistenti. L’approccio proposto, non solo migliora l’accuratezza dei risultati ottenuti con metodi tradizionali, ma semplifica anche l’integrazione tra diversi ambienti di calcolo, rendendo più agevole l’adozione di materiali innovativi come gli FRP nella pratica progettuale e nella gestione del patrimonio infrastrutturale esistente.
Gli autori
Gianfrancesco Gallina ha conseguito la Laurea Magistrale in ingegneria civile con specializzazione in strutture nel 2023 al Politecnico di Torino. La sua Tesi Magistrale sperimentale, svolta presso l’University of Miami (Miami, Florida), ha riguardato una sperimentazione innovativa sugli effetti scala geometrici e di rinforzo per i nuovi compositi utilizzati all’interno della matrice di calcestruzzo quali GFRP. Nel 2023 entra in Masera, dove si occupa di progettazione, verifica di ponti e viadotti esistenti e partecipa alle attività di ricerca e sviluppo.
Marco Givonetti ha conseguito la Laurea Magistrale in Ingegneria Civile con specializzazione in Strutture nel 2022. La sua Tesi Magistrale, svolta in Masera Engineering Group, ha riguardato le analisi non lineari di ponti esistenti. In Masera, dove è entrato nel 2022, si occupa della verifica di ponti e viadotti esistenti e della loro progettazione. Nel 2023 entra a far parte del ramo di Ricerca e Sviluppo, collaborando con il Politecnico di Torino e l’University of Miami (Miami, Florida) per sviluppare soluzioni ingegneristiche innovative e condurre ricerca su tematiche attuali nell’ambito delle strutture. Dal 2024 ricopre il ruolo di Responsabile del settore Ricerca e Sviluppo guidando progetti innovativi e rafforzando la sinergia tra ricerca accademica e algoritmi progettuali avanzati.
Mattia Mairone ha conseguito la Laurea Magistrale in Ingegneria Civile con specializzazione in Strutture al Politecnico di Torino nel 2021. La sua Tesi Magistrale, svolta in Masera Engineering Group, ha riguardato la fatica nei ponti in acciaio a piastra ortotropa. Dal 2022 è iscritto all’Albo degli Ingegneri della provincia di Vercelli. In Masera come ingegnere strutturista dal 2021, si è occupato della progettazione di ponti in c.a. e c.a.p e misti acciaio-calcestruzzo, oltre a condurre ricerca su analisi non lineari di ponti esistenti. Nel 2022 ha iniziato un dottorato di ricerca al Politecnico di Torino sul rinforzo di strutture in c.a. con barre in GFRP. Attualmente svolge un anno di ricerca presso l’University of Miami (Miami, Florida) sperimentando barre GFRP di grande diametro per il rinforzo di fondazioni di ponti.
Davide Masera è CEO di Masera Engineering Group Srl e IMI Infrastrutture Srl. Assistente Professore di Meccanica Strutturale al Politecnico di Torino, ha conseguito, oltre alla Laurea Magistrale in Ingegneria Civile, il titolo di Dottore di Ricerca in Ingegneria Strutturale presso il Politecnico di Torino (anno 2009) e il Master di II livello in “Progettazione Sismica di Strutture per Costruzioni Sostenibili” presso la scuola F.lli Pesenti del Politecnico di Milano (anno 2017). Specialista nella progettazione di strutture in calcestruzzo armato e precompresso, ponti e viadotti, edifici alti e monitoraggio strutturale delle infrastrutture. Davide Masera collabora continuativamente con il Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica del Politecnico di Torino, svolgendo attività di ricerca scientifica su temi di ingegneria strutturale altamente specializzati.
