Introduzione alle strutture composite in FRP
Le strutture composite in FRP sono realizzate con strutture in materiali rinforzati con fibre a matrice polimerica che, negli ultimi vent’anni, sono state valutate positivamente per la loro utilità da diverse soluzioni innovative, sia in Europa che al di fuori.
L’uso di profili, strutture a guscio e strutture a sandwich realizzate con questi materiali compositi è particolarmente vantaggioso per le applicazioni nel campo dell’ingegneria civile.
Le strutture portanti in FRP sono quindi ampiamente utilizzate per la costruzione di edifici a scopo industriale o residenziale. L’uso di FRP è sempre più diffuso anche per le opere di ingegneria civile: le applicazioni vanno dai cancelli delle chiuse, a interi ponti o impalcati di ponti sia per il traffico pedonale che veicolare.
A causa del loro volume di mercato in costante aumento e data la complessità della selezione tra i materiali disponibili per le strutture FRP, è ovviamente necessario sviluppare un documento di standardizzazione. Questo è importante sia per la produzione di elementi strutturali FRP sia per le regole pratiche per la progettazione e la verifica delle strutture da utilizzare per edifici e opere di ingegneria civile.
Attualmente si utilizza una prima generazione di Eurocodici strutturali per la progettazione di opere edili e di ingegneria civile. Questi documenti sono stati sviluppati per sostituire le diverse norme precedentemente in vigore nei vari Stati membri europei al fine di stabilire un insieme di regole tecniche comuni [1].
Questa prima generazione non comprendeva però un Eurocodice per le strutture in compositi con fibre a matrice polimerica (note anche come strutture in polimeri fibrorinforzati o FRP). Nel 2010 la Commissione Europea ha inviato il mandato M/466 al CEN/TC 250 per avviare una procedura volta a creare una nuova generazione di Eurocodici strutturali, con la richiesta di fornire un programma di standardizzazione che coprisse:
- lo sviluppo di nuove norme o di nuove parti di norme esistenti, per esempio un nuovo materiale da costruzione e metodi di progettazione corrispondenti o una nuova procedura di calcolo;
- l’incorporazione di nuovi requisiti di prestazione e metodi di progettazione per ottenere un’ulteriore armonizzazione dell’attuazione delle norme esistenti.
Il relativo Business Plan (Figura 1) include un documento specifico indirizzato ai compositi fibrorinforzati affidato al Gruppo di Lavoro 4 (WG4) del CEN/TC 250. L’Associazione europea per l’industria dei compositi (EuCIA) è un membro ufficiale del WG4, alle cui attività e riunioni partecipa attivamente.
Le attività sono state pianificate secondo una procedura ben definita, che consiste in tre fasi:
- Fase 1: Preparazione e pubblicazione di un “Science and Policy Report”, previo accordo del CEN/TC250.
- Fase 2: Dopo l’accordo del CEN/TC250, preparazione e pubblicazione delle specifiche tecniche del CEN (TS, precedentemente note come ENV).
- Fase 3: Dopo un periodo di prova e di commenti, il CEN/TC250 deciderà se le Specifiche Tecniche CEN debbano essere convertite in Parti dell’Eurocodice.
La terza e ultima fase dovrebbe essere completata entro il 2024.
Figura 1: Business Plan del mandato M/466 della Commissione Europea.
Cosa è stato già fatto: lo Step 1 e quasi tutto lo Step 2
Nel 2016, dopo circa tre anni di attività e numerose riunioni, il WG4 ha elaborato una proposta di Rapporto Tecnico Scientifico [2], dal titolo “Prospetto per una nuova guida nella progettazione di FRP” (Figura 2a).
Da gennaio 2016 a luglio 2016, il Rapporto è stato sottoposto a inchiesta pubblica da parte degli Enti Nazionali di Standardizzazione (NSB) dell’UE. Alla fine dell’inchiesta, il Rapporto è stato rivisto e ripresentato al CEN/TC 250 che, nel luglio 2017, ha preso la decisione di iniziare l’adattamento del rapporto al formato di una Specifica Tecnica (ST) CEN (Fase 2).
La versione riveduta [3] del Prospetto è stata pubblicata da EuCIA nel 2018 (Figura 2b).
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- Figura 2a: Frontespizio del Prospetto [2]
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- Figura 2b: Frontespizio versione aggiornata del Prospetto, pubblicata da EuCIA [3]
Sulla base di questo documento, è stato quindi avviato lo sviluppo della ST CEN denominata “Progettazione di strutture in composito fibra-polimero” ed è stato all’uopo creato il Project Team (PT) denominato WG4.T2 (associato al WG4) avente come compito la preparazione di questo documento.
I membri del PT sono stati selezionati sulla base di una consultazione pubblica e sono risultati i seguenti:
- Joao Ramôa Correia (PT Leader)
- Thomas Keller
- Jan Knippers
- Toby Mottram
- Carlo Paulotto
- José Sena Cruz
Anche il coordinatore del WG4 (Prof. Luigi Ascione) ha partecipato ai lavori del PT.
La ST rappresenta il secondo passo della procedura generale stabilita dal CEN TC 250 verso un nuovo codice europeo. La versione finale della ST è stata sviluppata a seguito di tre indagini informali presso gli NSB, durante le quali sono stati generati diversi commenti che sono stati fatti pervenire al PT. I membri del PT, dopo approfondita discussione, hanno progressivamente affinato il documento fino all’ultima versione della Specifica Tecnica, che è stata presentata dal PT al CEN nell’aprile 2021 (Figura 3).
Figura 3: Frontespizio della Specifica Tecnica (ST).
Il documento è organizzato come un Eurocodice standard e comprende 13 clausole e 5 allegati. Il titolo adottato modifica la designazione del materiale dall’attuale “polimero rinforzato con fibre FRP” a “compositi in fibre polimeriche”, quest’ultima denominazione (tra l’altro) è in linea con le denominazioni nelle altre lingue europee, che includono tutte il termine “compositi” in una traduzione equivalente.
La ST si applica alla progettazione di edifici, ponti e altre strutture di ingegneria civile, comprese le strutture permanenti e temporanee, realizzate con materiali compositi in fibra polimerica o combinazioni di questi e altri materiali (strutture ibride-FRP). Il campo di applicazione comprende laminati di fibre polimeriche, profili, pannelli sandwich (compresi i pannelli con anima a nastro), giunti bullonati e incollati, realizzati con fibre di vetro, carbonio, basalto o aramide, resine termoindurenti e adesivi, e anime in schiuma polimerica o legno
di balsa. I cavi compositi in fibra polimerica, le armature in cemento, i componenti di rinforzo e le anime a nido d’ape non sono coperti dalla ST.
La ST si applica alle strutture FRP in cui i valori della temperatura del materiale in condizioni di servizio dei membri, giunti e componenti sono compresi tra -40°C e (Tg – 20°C), dove la Tg è la temperatura di transizione vetrosa dei materiali FRP, dell’anima e dell’adesivo. La Tg è specificata come il valore di inizio del decadimento della componente conservativa del modulo dinamico ottenuto da prove meccanico- dinamiche (DMA) e dovrebbe essere non inferiore a 60°C.
Cosa rimane da fare: completare lo Step 2 e avviare lo Step 3
La seconda Fase non è ancora completata: l’autore di questo documento, come coordinatore del WG4, deve raggiungere il consenso dei membri del gruppo di lavoro per richiedere al CEN/TC 250 di procedere al voto formale. Una volta ottenuto un voto positivo del WG4, il CEN/TC 250 potrà approvare la della ST (segnando così la conclusione della Fase 2).
In conformità con il regolamento interno del CEN, parte 2, paragrafo 11.3.1.1, lo status di una ST è spiegato come segue: “Una Specifica Tecnica (ST) è un documento normativo reso disponibile dal CEN/CENELEC in almeno una delle tre lingue ufficiali.
Una Specifica Tecnica è stabilita da un organismo tecnico e approvata dai membri nazionali del CEN/CENELEC in conformità con 11.3.3.2. La Specifica Tecnica viene annunciata e resa disponibile a livello nazionale, ma possono continuare ad esistere norme nazionali contrastanti”.
La conversione della ST da parte del CEN TC250, dopo un periodo di prova e di recepimento di eventuali commenti, in un nuovo codice europeo sarà il terzo e ultimo passo, che dovrebbe essere possibilmente completato entro il 2024.
Conclusioni
Nel corso dei lavori del Project Team del CEN TC250/WG4 che si sono articolati negli ultimi 5 anni, oltre alle modifiche editoriali richieste dalle linee guida e dalle procedure politiche del CEN, i seguenti paragrafi principali o sottoparagrafi sono stati oggetto di importanti modifiche o aggiunte rispetto alla prima versione del documento denominato “Prospect” pubblicato nel 2016:
- Basi di progettazione (per quanto riguarda i fattori parziali, i fattori di conversione e i coefficienti di scorrimento),
- Stati limite ultimi delle strutture sandwich, iii. Rottura da creep,
- Fatica,
- Giunti e collegamenti adesivi,
- Progettazione di dettaglio,
- Progettazione strutturale antincendio.
Il documento di Specifica Tecnica che ne risulta è completato da un documento di base, che fornisce i riferimenti bibliografici per i diversi paragrafi – necessari a comprendere e giustificare tutte le decisioni che sono state prese – nonché i valori caratteristici delle proprietà che sono state prese in esame.
Inoltre, viene fornito alla comunità dei progettisti un documento contenente esempi di progettazione.
Riferimenti bibliografici
Fonte Documento: EuCIA
1. CEN/TC 250 Structural Eurocodes: N 1250, “Policy Guidelines and Procedures” Version 9.1, 17 March 2020.
2. L. Ascione, et al. “Prospect for New Guidance in the Design of FRP” EUR 27666, 2016, DOI: 10.2788/22306 (available online at https://publications.jrc.ec.europa.eu).
3. L. Ascione, et al. “Prospect for New Guidance in the Design of FRP” Revised version after public inquiry (2018) (available online at http://www.eucia.eu).
