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I rinforzi non metallici come FRP (Fiber-Reinforced Polymer) stanno trasformando l'edilizia offrendo alternative più leggere, più resistenti e più durevoli ai tradizionali rinforzi in acciaio. Senza rischi di corrosione e con una durata di oltre 100 anni, stanno stabilendo nuovi standard di efficienza e sostenibilità nelle strutture in calcestruzzo.

Per comprendere meglio come i rinforzi FRP vengono sviluppati, testati e applicati in progetti reali, abbiamo parlato con il dott. Marcus Hinzen , responsabile dello sviluppo prodotti.

In questa intervista, il dott. Hinzen condivide approfondimenti su:

• Perché i rinforzi FRP stanno cambiando il nostro modo di costruire
  
• Come Solidian testa e certifica questi materiali nel suo laboratorio interno
  
• Quali sfide restano per un'adozione più ampia nel settore
  
• Esempi di progetti di successo e cosa c'è di nuovo nella tecnologia FRP

Continua a leggere per scoprire come Solidian & Kelteks contribuisce a plasmare il futuro dell'edilizia con soluzioni di rinforzo ad alte prestazioni e non corrosive.

I rinforzi FRP stanno guadagnando terreno nel settore delle costruzioni. Cosa li rende un materiale così rivoluzionario rispetto al tradizionale rinforzo in acciaio?

I rinforzi in polimero rinforzato con fibre (FRP), noti anche come rinforzi non metallici, sono costituiti da fibre ad alte prestazioni, molto rigide e ad alta resistenza. In genere, a questo scopo vengono utilizzate fibre di vetro o di carbonio resistenti agli alcali e alla corrosione. In un processo tessile, vengono prodotte strutture di rinforzo simili a griglie, che vengono poi impregnate con un polimero (solitamente una resina reattiva).

La combinazione di questi materiali rende tali rinforzi completamente resistenti alla corrosione indotta da cloruri . Poiché i danni da corrosione sono uno dei principali problemi nel settore delle costruzioni , che deve essere riparato a caro prezzo e in ultima analisi rappresenta anche un rischio per la sicurezza, i rinforzi FRP sono dei veri e propri elementi rivoluzionari. Grazie a questo vantaggio, i componenti con rinforzo FRP possono essere progettati per una durata utile di 100 anni .

Ma ci sono anche altri effetti positivi. Senza rischi di problemi di corrosione, le regole descrittive per la composizione del calcestruzzo e la copertura del calcestruzzo per le classi di esposizione, che devono essere osservate per evitare la corrosione dell'armatura, non sono più necessarie. Ciò significa che le condizioni ambientali con elevato contenuto di cloruri (sale stradale XD o acqua di mare XS) e forte carbonatazione del calcestruzzo non influenzano più la durabilità dell'armatura. La conseguente possibile riduzione della copertura del calcestruzzo significa che i componenti possono essere resi significativamente più sottili. Il risparmio associato di cemento emettitore di CO2 e altre risorse è un altro fattore di svolta, non è vero?

Puoi illustrarci i diversi tipi di test che vengono eseguiti sui rinforzi FRP nel laboratorio di solidificazione?

Il laboratorio di materiali di proprietà di Solidian esiste dal 2015 ed è studiato su misura per le sfide specifiche dei test sulle plastiche rinforzate con fibre. Contrariamente agli istituti di prova consolidati, tutte le caratteristiche specifiche dei materiali che devono essere prese in considerazione quando si testano rinforzi in vetro o carbonio potrebbero essere considerate quando si allestisce il laboratorio. Ciò rende il laboratorio di prova di Solidian uno dei laboratori meglio attrezzati per la valutazione dei rinforzi non metallici. Ciò si riflette anche nei metodi di prova completamente nuovi che sono stati sviluppati internamente e alcuni dei quali sono stati adottati nelle normative attuali.

Generalmente distinguiamo tra test che vengono eseguiti direttamente sul rinforzo stesso e test che valutano l'interazione con il calcestruzzo o la malta. Quest'ultimo è particolarmente importante perché, a differenza dei rinforzi in acciaio geometricamente standardizzati, i rinforzi non metallici disponibili oggi sul mercato hanno geometrie superficiali molto diverse, che possono portare a un comportamento di legame corrispondentemente diverso nel calcestruzzo. I test individuali, in particolare del comportamento composito nel calcestruzzo, sono quindi di particolare importanza.

Oltre ai test di laboratorio, possiamo anche effettuare test più piccoli su elementi in calcestruzzo che tengano conto delle dimensioni reali dei componenti. Ciò è particolarmente interessante perché determinate proprietà, come la flessione di elementi in calcestruzzo filigranati o la produzione pratica dei componenti, possono avere un'influenza che deve essere registrata. In questo contesto, siamo lieti di offrire ai potenziali clienti e partner di sviluppo l'opportunità di trascorrere una giornata con noi conducendo test in cui esaminiamo i prodotti dei nostri partner e clienti insieme ai nostri rinforzi. Ad esempio, possiamo anche esaminare il comportamento portante dei nostri rinforzi in malte di riparazione specifiche, che possono quindi essere offerte al mercato insieme come soluzione di sistema. Ciò garantisce anche che il know-how degli interessati rimanga all'interno di una piccola cerchia.

Prima che i rinforzi FRP possano essere utilizzati in applicazioni reali, devono essere sottoposti a test rigorosi. Quali sono gli aspetti chiave che valutate in laboratorio?

Ciò probabilmente si riferisce al processo di sviluppo. Grazie alle attrezzature di laboratorio sopra menzionate, possiamo tenere conto di quasi tutte le proprietà dei nostri prodotti che sono importanti per un'applicazione successiva in una fase molto precoce dello sviluppo del prodotto. Ciò consente una rapida iterazione quando si determinano le composizioni dei materiali e i parametri di processo.

Gli aspetti principali da considerare possono essere suddivisi in proprietà geometriche, chimico-fisiche e meccaniche.

Per garantire che i rinforzi non metallici possano essere disegnati in scala nelle planimetrie, e poiché possono variare notevolmente da prodotto a prodotto, è necessario registrare le dimensioni esterne, come l'altezza dei fili di fibra o dei nodi, ma anche le aree irregolari della sezione trasversale e le aperture delle maglie per garantire che il calcestruzzo possa essere colato.

Ci sono due aree principali di attenzione nelle indagini chimico-fisiche. In primo luogo, tutte le plastiche rinforzate con fibre mostrano un comportamento composito e di trazione dipendente dalla temperatura, che deve essere descritto e compreso con precisione in modo che sia possibile una progettazione sicura delle strutture anche a temperature particolarmente alte e basse. Ad esempio, determiniamo i punti di rammollimento delle resine e i fattori di riduzione per determinate temperature in modo che tutte le influenze possano essere prese in considerazione quando si dimensionano le strutture. Il secondo focus è sul comportamento a lungo termine. Qui si deve garantire che l'ambiente altamente alcalino del calcestruzzo non attacchi né i polimeri né le fibre utilizzate durante l'intera vita utile della struttura. Ciò è garantito da elaborate procedure di test a lungo termine con esposizione simultanea a temperatura, alcali, umidità e carico. Naturalmente, tutti i prodotti solidi hanno superato con successo questo test.

Infine, i test meccanici riguardano le forze di trazione e di legame trasferibili dei rinforzi. Le fibre di carbonio hanno resistenze alla trazione fino a otto volte superiori rispetto all'acciaio di rinforzo. Per poter sfruttare queste resistenze, ci sono elevate richieste sulla qualità del laminato, che viene testata in varie prove di trazione. È una sfida particolare introdurre forze così elevate nel calcestruzzo senza che il calcestruzzo ceda prima del rinforzo. A questo scopo sono disponibili prove di legame, con cui è possibile coprire tutti i casi di guasto.

In che modo Solidian garantisce la qualità e la coerenza dei rinforzi FRP durante tutta la produzione?

Da Solidian disponiamo da molti anni di un sistema di controllo della produzione interno per garantire le proprietà essenziali e garantirle all'utente. Tra l'altro, anche l'esistenza del laboratorio interno dei materiali ha dato un contributo importante, perché la resistenza alla trazione dei rinforzi può essere monitorata durante la produzione. Ciò consente di reagire molto rapidamente in caso di deviazioni nel processo. Ciò significa anche che raccogliamo una grande quantità di dati, che ci aiuta a definire proprietà di rinforzo riproducibili durante la creazione di schede tecniche. Inoltre, controlliamo naturalmente anche la qualità delle materie prime che acquistiamo, in modo che sia possibile un monitoraggio continuo delle proprietà.

La certificazione è un passaggio fondamentale per immettere sul mercato nuovi materiali da costruzione. Quali sono le certificazioni più importanti che i rinforzi FRP devono soddisfare?

In Germania in particolare, ma anche nella maggior parte degli altri paesi, questa è ovviamente l' approvazione generale per il prodotto da costruzione . Tale approvazione è sempre necessaria anche se il prodotto non è un prodotto da costruzione regolamentato, ad esempio se non esistono norme di prodotto o altre normative tecniche edilizie. Inoltre, anche l'applicazione deve essere regolamentata. Potrebbe trattarsi, ad esempio, di un componente edilizio specifico che viene prodotto utilizzando un prodotto di rinforzo approvato. Nel settore edile, tuttavia, oltre ai prodotti edili e alle applicazioni approvati, è anche richiesto un collegamento a una linea guida di progettazione in modo che i nuovi prodotti da costruzione possano essere progettati anche individualmente. Per molti nuovi prodotti da costruzione, tuttavia, possono essere utilizzate le regole di progettazione esistenti. Nel caso di rinforzi non metallici, ciò non era possibile perché le specifiche della progettazione e dell'esecuzione non erano descritte in alcun documento esistente. Pertanto, è stato necessario creare prima una tale base di progettazione sotto forma di una linea guida tedesca. Nel complesso, l'intera procedura di approvazione ha sempre comportato un certo sforzo per l'utente interessato.

Siamo ancora più lieti che questo ostacolo sia stato superato nel 2024 con la pubblicazione della nostra approvazione generale del prodotto, dell'approvazione dell'applicazione associata e della prima linea guida del Comitato tedesco per il calcestruzzo armato (DAfStb) per la progettazione e l'esecuzione. Ciò rappresenta una vera pietra miliare per questo metodo di costruzione innovativo e ora consente agli utenti di realizzare progetti senza ulteriori lavori di approvazione.

Si tratta quindi sicuramente della certificazione più importante per l'applicazione, confermata in Germania anche da un certificato di conformità (Ü-Zeichen).

Inoltre, per noi di Solidian è importante anche una presentazione trasparente degli effetti ambientali rilevanti dei nostri prodotti. Ciò è descritto nelle Environmental Product Declarations (EPD) , che abbiamo ricevuto per le nostre griglie di rinforzo approvate da un centro di collaudo indipendente. Con la crescente importanza delle valutazioni del ciclo di vita e delle analisi del ciclo di vita nel settore delle costruzioni, tale etichettatura dei prodotti sta diventando sempre più importante.

6. Con la crescente popolarità dei rinforzi FRP, quali ritieni siano le maggiori sfide per l'adozione in tutto il settore?

Abbiamo ripetutamente scoperto che le innovazioni hanno vita dura nel settore delle costruzioni. Questo perché le persone sono molto propense a ripiegare su prodotti e processi convenzionali consolidati. In un mercato strettamente regolamentato, c'è spesso poco spazio per deviazioni dall'approccio usuale. Fortunatamente, ci sono sempre più utenti che sono disposti a sfruttare le possibilità offerte dalla nostra approvazione esistente e a implementare progetti pilota innovativi. Considero una delle sfide più grandi raggiungere questo obiettivo in un mercato ampio.

Naturalmente, dobbiamo anche prestare attenzione alla formazione della nuova generazione di ingegneri civili. Gli studenti dovrebbero essere introdotti al nuovo materiale in una fase precoce in modo che la sua applicazione pratica in seguito non sia più una sfida per loro. Allo stesso modo, è importante che i lavoratori in cantiere e negli stabilimenti di prefabbricazione siano sufficientemente formati e che le riserve infondate vengano dissipate.

In ultima analisi, anche i produttori di rinforzi FRP non metallici devono continuare a promuovere lo sviluppo dei prodotti, affinché il loro utilizzo pratico possa avvenire in modo sempre più fluido.

Puoi condividere un esempio di un progetto in cui i rinforzi FRP hanno dimostrato il loro valore?

Ci sono, naturalmente, numerosi progetti di costruzione che sono stati implementati. Vorrei menzionare brevemente due esempi che dimostrano ciascuno vantaggi speciali attraverso l'uso di rinforzi non metallici.

Nel 2015 abbiamo costruito un ponte pedonale insieme a Max Bögl , rinforzato esclusivamente con griglie in fibra di carbonio. Grazie all'assenza di corrosione, il ponte è fessurato come previsto e non necessita ancora di un sistema di protezione superficiale. Inoltre, le sezioni trasversali del calcestruzzo hanno potuto essere notevolmente ridotte. Ciò ha consentito di risparmiare il 50% di risorse e il 30% di CO2.

Nel 2016 abbiamo utilizzato rinforzi in carbonio e vetro nella costruzione del ponte sul Bosforo . Nelle aree superiori dei piloni alti 320 metri, i carichi del vento erano molto elevati e allo stesso tempo gli elementi di rivestimento non potevano essere troppo pesanti. Con i nostri rinforzi è stato possibile installare elementi spessi solo 30 mm ma con un'elevata capacità portante. Ciò non sarebbe stato possibile con i normali rinforzi in acciaio.

Guardando al futuro, quali sono le innovazioni nella tecnologia di rinforzo FRP che ti entusiasmano di più?

Abbiamo già un prodotto altamente innovativo con eccellenti proprietà meccaniche e una durata di 100 anni. Oggi, il rinforzo non metallico può già essere utilizzato in molte applicazioni senza problemi e può essere progettato secondo le linee guida.

Tuttavia, un requisito importante è la formabilità flessibile dei rinforzi, come nel caso del rinforzo in acciaio. Qui, le plastiche rinforzate con fibre ci pongono sfide maggiori, poiché le fibre ad alte prestazioni non hanno alcun punto di snervamento. Pertanto, stiamo lavorando intensamente a soluzioni tecniche con polimeri termoplastici, che in futuro consentiranno la formatura in cantiere.

Inoltre, la precompressione di componenti in calcestruzzo con rinforzi in carbonio offre un potenziale molto speciale . Poiché i rinforzi in carbonio hanno un elevato potenziale di carico ma un modulo di elasticità inferiore rispetto all'acciaio di rinforzo, la precompressione offre la possibilità di sfruttare l'enorme potenziale di resistenza del carbonio rispettando al contempo i consueti limiti di deformazione per i componenti in calcestruzzo.