L’impiego dei materiali compositi (Fiber Reinforced Polymers, FRP) rappresenta una tecnica particolarmente affascinante per il recupero di elementi strutturali inflessi. I casi presentati di seguito riguardano l’adeguamento di travi da ponte in calcestruzzo armato e/o precompresso accidentalmente danneggiate da veicoli fuori sagoma. Tipicamente, a seguito dell’urto, alcuni ferri d’armatura risultano tranciati e, di conseguenza, la capacità portante dell’elemento compromessa. Il rinforzo proposto prevede in genere l’installazione di uno o più strati di materiale composito opportunamente ancorati al supporto utilizzando la tecnica del “manual wet lay-up”.
In molti casi l’uso di tecniche in FRP rappresenta la sola soluzione fattibile sia in termini pratici che economici. La semplicità e rapidità con cui questi rinforzi sono eseguiti sono spesso parametri essenziali che permettono la riduzione, se non la totale eliminazione, dei costi connessi alla chiusura di una o più corsie autostradali.
I materiali compositi, costituiti da fibre immerse in resine polimeriche, presentano proprietà che li rendono particolarmente indicati per il rinforzo strutturale. Hanno eccellenti caratteristiche di resistenza nella direzione delle fibre e resistenza trascurabile nella direzione ortogonale. Sono elastici-lineari fino a rottura e sono caratterizzati da una notevole variazione del modulo elastico in funzione del tipo di fibra impiegata (carbonio, aramide, vetro). Gli FRP sono resistenti alla corrosione e hanno un miglior comportamento nel tempo rispetto ad altri materiali da costruzione.
La Fig. 1 mostra un esempio di intervento eseguito da Parrett ed alt. nel 2003 nello Stato del Missouri. Si tratta di un ponte composto da otto campate costituite da travi prefabbricate a doppio T in cemento armato precompresso semplicemente appoggiate alle estremità.
Subito dopo l’ultimazione della struttura, la benna della macchina operatrice che si occupava della sistemazione delle scarpate ha inavvertitamente colpito una delle travi centrali della campata finale. A seguito dell’impatto, due dei trentotto cavi di precompressione situati in corrispondenza della mezzeria di detta trave sono stati recisi riducendo di circa il 5 per cento la resistenza a flessione rispetto al suo valore di progetto. Lo scopo dell’intervento è stato quello di ripristinare la capacità portante a flessione della trave danneggiata dall’urto. La resistenza a taglio non è stata compromessa dall’incidente.

Per il rinforzo è stato utilizzato un sistema composto da tessuti unidirezionali in fibra di carbonio disponibile sul mercato (1). Le proprietà del materiale di rinforzo fornite dal produttore in termini di resistenza a trazione e allungamento ultimo a rottura tipicamente non tengono in conto dell’usura dovuta al tempo e devono essere considerate come proprietà iniziali. Le caratteristiche dei materiali da utilizzarsi nelle equazioni di progetto, ffu e efu, sono fornite dalle linee guida edite dall’American Concrete Institute (ACI 440.2R-02) come segue:

in cui C_E rappresenta un coefficiente di riduzione ambientale che varia da 0.50 a 0.95 in funzione del materiale di rinforzo usato (tipo di fibra) e del tipo di applicazione che si sta valutando (ambiente interno, esterno, o aggressivo). I termini con l’asterisco nell’Eq. [1] rappresentano le proprietà del materiale fornite dal produttore.
La normativa americana (2) sul calcestruzzo armato normale e precompresso (ACI 318-02) richiede che la capacità flessionale, M_n, ridotta dal coefficiente f che varia tra 0.7 a 0.9 in funzione della duttilità raggiunta a rottura (fM_n), sia maggiore o uguale della domanda, M_u, calcolata applicando coefficienti maggiorativi specifici per carichi permanenti (1.2) e per i sovraccarichi (1.6). In questo caso particolare, tuttavia, è stato imposto che la capacità flessionale dell’elemento rinforzato (fM_n)_rinforzato fosse superiore a quella della trave originaria (fM_n)_{prima dell’impatto}. L’equazione per la valutazione della capacità flessionale è esprimibile come:
in cui il primo termine rappresenta il contributo del rinforzo in FRP e il secondo quello dell’armatura di precompressione come mostrato nella Fig. 2. I simboli presenti nell’equazione sono riportati nella stessa figura.
Il valore del coefficiente di riduzione f nel caso di elementi rinforzati con FRP varia, analogamente a quanto visto nel caso di sezioni tradizionali in cemento armato non rinforzate, tra 0.7 e 0.9 in funzione della modalità di rottura dell’elemento. Se la rottura avviene lato calcestruzzo senza snervamento dell’acciaio al coefficiente f è assegnato il valore 0.7; se avviene lato fibre con valori di deformazione nell’acciaio superiori a 0.005, al coefficiente f è assegnato il valore 0.9; nei casi intermedi si procede ad un’interpolazione lineare secondo ACI 440.2R-02.

Il valore delle tensioni nei materiali dipende dalla variazione delle deformazioni nella sezione e dalle modalità di rottura della trave. A causa dell’elevato numero di variabili la soluzione deve essere ricercata per tentativi. Questa procedura richiede come prima cosa la scelta di una profondità dell’asse neutro e di una modalità di rottura di tentativo. Il valore della profondità dell’asse neutro scelto può essere confermato o modificato a seconda che l’equazione di equilibrio alla traslazione orizzontale risulti soddisfatta o meno. In genere il procedimento perviene a convergenza molto rapidamente.
La Tabella 1 riassume i valori della capacità flessionale per i tre casi di sezione originaria, danneggiata e rinforzata.

Per il rinforzo della trave sono stati utilizzati tre strati di materiale composito centrati sull’area dell’impatto aventi larghezza di 60 cm ciascuno e lunghezze variabili da 3.00 a 3.65 m. Prima dell’installazione del tessuto in FRP, la sezione in calcestruzzo è stata ripristinata utilizzando una malta cementizia a ritiro compensato. Dopo l’installazione del rinforzo a flessione sono state applicate dieci strisce verticali di CFRP fasciate ad U sul bulbo inferiore della trave per prevenire delaminazioni del rinforzo principale come mostrato nella Fig. 3.
Uno studio dettagliato (4, 5) è stato condotto sulla valutazione della lunghezza di ancoraggio necessaria per il rinforzo esterno e sull’entità della flessione deviata dovuta alla perdita dei cavi. I risultati dello studio hanno confermato che lo sbilanciamento tensionale è pienamente assorbibile dal calcestruzzo e che le lunghezze di ancoraggio mostrate nella Fig. 4 sono compatibili con le indicazioni fornite da entrambi i citati documenti ACI 318 e ACI 440.

Le fasi applicative del rinforzo prevedono i seguenti punti:

L’applicazione di strati successivi di rinforzo è poi eseguita ripetendo le ultime due fasi viste in precedenza. Dopo l’avvenuta polimerizzazione delle resine, un ultimo strato di materiale è stato applicato per assicurare protezione ai raggi ultravioletti e garantire la durabilità del sistema.
La Fig. 5 mostra l’installazione, in prossimità della sezione terminale della trave, quindi facilmente raggiungibile, di un quantitativo di rinforzo equivalente a quello utilizzato per l’intervento vero e proprio per effettuare prove di aderenza. Questo tipo di prove sono necessarie sia per dimostrare la bontà dell’applicazione, sia per controllarne la qualità nel tempo. I test saranno condotti due volte l’anno per un periodo di cinque anni. Qualora dovessero intervenire cambiamenti significativi tra un test e l’altro, l’ente proprietario della struttura ha la possibilità di ispezionare l’area rinforzata e prendere gli opportuni provvedimenti.

CONSIDERAZIONI FINALI

La tecnica di rinforzo utilizzata in questo esempio è particolarmente indicata in tutti quei casi in cui si ha una carenza lato trazione della sezione in calcestruzzo. Così facendo si utilizzano al meglio le caratteristiche meccaniche di materiali costosi quali i compositi. Da un punto di vista di un’analisi costi-benefici, è utile sottolineare che il costo dei materiali compositi, maggiore di quello dei materiali tradizionali, diventa insignificante rispetto ai risparmi che, in termini di spesa, conseguono dall’evitare la chiusura totale o parziale di una via di comunicazione. Per l’esempio citato, una squadra di due uomini equipaggiata con un elevatore mobile è stata in grado di portare a termine il lavoro in un giorno e mezzo. Una alternativa utilizzante sistemi tradizionali sarebbe risultata una soluzione più onerosa sia in termini di costi che di tempo.
Come ultima nota, si sottolinea il creativo approccio della proprietà nei confronti di una tecnologia di ripristino non ancora inclusa nella normativa nazionale americana dei ponti. L’impresa di costruzione del ponte, responsabile del danno, ha scontato il prezzo finale dell’opera di un ammontare pari a cinque volte il costo del rinforzo esterno. In questo modo, assumendo che il ripristino abbia solo una vita di 20 anni, si è assicurato che la proprietà abbia coperto almeno cinque ripetizioni dell’intervento per garantire una vita totale dell’opera di almeno 100 anni.