FRP, le fibre di carbonio

La fibra di carbonio (FRP ovvero Fiber Reinforced Polymers) è costituita da sottili filamenti di carbonio elementare che variano da quelli del carbonio amorfo a quelle della grafite cristallina.

Sono ottenuti dall’ossidazione e pirolisi termica del poliacrilonitrile, un polimero a base di acrilonitrile utilizzato anche per la produzione di materie plastiche. Attraverso procedimenti termici ad altissima temperatura, il materiale si modifica chimicamente e strutturalmente e le lunghe catene molecolari di carbonio vengono orientate lungo l’asse della fibra fornendo al materiale finale delle caratteristiche di rigidezza eccezionali.
Si tratta di un materiale che viene utilizzato già dagli anni ’50 nel settore aerospaziale, aeronautico e che negli ultimi anni ha trovato applicazione anche nell’industria tessile (esiste, infatti, una lunga serie di tessuti di carbonio intrecciati con altri tipi di fibre quali tessuti misti di vetro, kevlar ecc.), nell’automobilismo (ed in particolare nei freni delle auto di Formula 1).
Viene utilizzato, inoltre, per la filtrazione di gas ad alta temperatura e nei recipienti per gas compressi, oltre che per la produzione delle casse degli orologi, nel settore ittico, in quello dell’arredamento, in svariati sport.
Trova, infine, largo impiego nell’edilizia.

Le fibre possiedono proprietà chimiche e fisiche estremamente variabili: il modulo di elasticità varia da circa 350 kg/cm2, che si colloca a metà di quello delle fibre di vetro o dell’alluminio, fino a 7000 kg/cm2, ovvero maggiore di ben tre volte rispetto a quello dell’acciaio.
Nel settore dell’edilizia si sta diffondendo sempre più grazie alle sue ottime peculiarità: oltre ad avere caratteristiche meccaniche e prestazioni molto elevate, possiede alta resistenza chimica e alla corrosione, ha un’elevata resistenza a strappo anche su supporti non omogenei e su superfici non planari, ha un peso molto contenuto e uno spessore di pochi millimetri (1-2 mm). Inoltre si può utilizzare in ambienti umidi poiché la percentuale di assorbimento di acqua si aggira attorno allo 0.1%.

Nel settore delle costruzioni civili viene utilizzato principalmente come “armatura” di materiali tradizionali quali calcestruzzo, muratura e legno e come rinforzo di elementi strutturali esistenti di varie tipologie e materiali.
Nel caso in cui sia utilizzata come “armatura” si presenta solitamente in forma di barre e reti ottenute con varia tecnologia. L’aspetto della pre-sollecitazione si presenta particolarmente interessante per l’alto rapporto resistenza /modulo di elasticità dei cavi o barre di composito. In effetti ponti presollecitati e strallati sono ormai già in uso in varie parti del mondo.
Anche l’attività di rinforzo delle infrastrutture deteriorate o danneggiate conta numerose applicazioni: le fibre di carbonio possono essere applicate con rapidità e semplicità e il loro comportamento strutturale ha finora mostrato un’ottima efficacia.
Ma il fattore che costituisce una vera e propria rivoluzione nel mondo dell’ingegneria strutturale va ricercata nell’alto rapporto tra la resistenza ed il peso di questo materiale.
Infatti il confinamento delle colonne e il rinforzo flessionale e a taglio delle travi si esegue con efficienza e facilità “cinturando” o “placcando” gli elementi strutturali con tessuti impregnati di resina (wrapping) con una altissima resistenza ed un peso aggiunto all’elemento rinforzato praticamente nullo.
Le resine rendono le fibre solidali all’elemento rinforzato, costituiscono, cioè, la matrice del composito. Dosando strati e morfologie del composito si ottengono incrementi notevoli in resistenza e duttilità.
I campi d’impiego, anche in questo caso, sono numerosi:
Rinforzi di strutture inflesse (solai, travi,…): si ottengono la riduzione delle frecce sotto carico, l’aumento della portanza, la rigenerazione della trasmissione delle tensioni interrotte da stati fessurativi.
Rinforzi di strutture compresse (pilastri, pile di ponte, ciminiere,…): si ottengono un incremento di resistenza a compressione e un aumento di duttilità. Tale intervento risulta particolarmente indicato per miglioramenti in campo sismico senza aumento dei pesi propri.
Rinforzi di strutture lesionate: importanti applicazioni in tale settore sono la ricucitura di volte ed archi in muratura, cupole, murature fuori piombo, ecc.

La facilità di utilizzo, l’affidabilità e la durabilità delle fibre di carbonio consentono una grande variabilità di campi di applicazione e di conseguenza una sempre maggiore diffusione. A fronte di ciò, tuttavia, vale la pena di notare come non esista una normativa nazionale che indichi metodologie di calcolo e di verifica.
In effetti l’unico strumento in mano a progettisti e tecnici risulta essere un documento tecnico del C.N.R., il DT 200/2004 Istruzioni per la progettazione, l’esecuzione ed il controllo degli interventi di consolidamento statico mediante l’utilizzo di Compositi Fibrorinforzati che, tuttavia, rappresenta solamente una guida alla progettazione.

Articolo dell’Ing. Stefano Valentini


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