Il calcestruzzo è stato a lungo utilizzato come materiale da costruzione per la sua elevata resistenza alla compressione, buona durata e basso costo. Tuttavia, il suo ben noto tallone d'Achille è la sua fragilità e resistenza alla trazione limitata. Questo problema è stato risolto abbastanza facilmente circa un secolo fa utilizzando barre di rinforzo (armature) di acciaio nel lato di tensione delle strutture in calcestruzzo. L'armatura in acciaio è funzionalmente efficiente e relativamente economica, quindi nella maggior parte dei casi svolge un buon lavoro. Tuttavia, l'armatura in acciaio ha un suo punto debole: la suscettibilità alla corrosione (ossidazione) se esposta a sali, sostanze chimiche aggressive e umidità. Man mano che si corrode, l'armatura in acciaio si gonfia e aumenta il carico di trazione sul calcestruzzo, che inizia a incrinarsi e sfaldarsi, creando aperture che portano a un ulteriore e più rapido deterioramento dell'acciaio e del calcestruzzo. Ciò richiede costose riparazioni e manutenzione e, se consentito di progredire abbastanza, può compromettere l'integrità della struttura. Numerosi rivestimenti e penetranti sono stati introdotti nel corso dei decenni per aiutare a sigillare l'umidità dal calcestruzzo, e la stessa armatura è stata aggiornata con rivestimenti epossidici o l'uso di acciaio inossidabile. Ma non è sempre possibile prevenire la corrosione a lungo termine. Inoltre, la propensione delle barre d'acciaio a condurre campi elettrici e magnetici lo rende indesiderabile nel calcestruzzo specificato per determinate applicazioni di generazione di energia, medico / scientifico-imaging, nucleare ed elettrico / elettronico.
Proposta di valore FRP
Ci sono molte ragioni per cui le armature in polimero fibrorinforzato (FRP) hanno senso in alcune strutture in calcestruzzo. Per i principianti, il tondo per cemento armato composito non arrugginisce o corrode, quindi è ideale per l'immersione periodica oa lungo termine in acqua dolce o salamoia in applicazioni come muri di sostegno, moli, moli, banchine, cassoni, ponti, pali, paratie, canali, piattaforme offshore, piscine e acquari. È anche immune al sale stradale e ad altri prodotti chimici antighiaccio, rendendolo una scelta più durevole e che richiede meno manutenzione per strade e ponti, strutture di parcheggio, piste aeroportuali, barriere Jersey, muri di sostegno e fondamenta, cordoli, parapetti e lastre in pendenza. Inoltre, offre un'ampia resistenza a una miriade di altre sostanze chimiche presenti negli impianti di trattamento delle acque reflue, nei siti di rifiuti solidi, negli impianti petrolchimici, nelle cartiere e nelle condutture, nei serbatoi, nelle torri di raffreddamento e nei camini, nonché nell'ambiente alcalino del calcestruzzo stesso.
Un altro vantaggio è che la resistenza alla trazione dell'armatura in FRP è in genere da 1,5 a 2 volte superiore a quella dell'acciaio, quindi è un buon controbilanciamento dell'elevata resistenza alla compressione del calcestruzzo. Fornisce inoltre un'ottima resistenza alla fatica, rendendolo adatto a situazioni di carico ciclico (come quelle su strade e ponti). Inoltre, l'armatura composita pesa un quarto di un acciaio con prestazioni comparabili. Qui ci sono una serie di vantaggi pratici. C'è meno usura per i lavoratori edili che devono trasportarlo e installarlo e meno necessità di gru e altre attrezzature per il sollevamento pesante. Si taglia facilmente con i comuni utensili da taglio, senza danneggiare le lame. È possibile trasportare più tondo per cemento armato per carico del camion senza superare i limiti di carico legali. Per ponti e strutture simili, il rapporto resistenza-peso più elevato fornisce una maggiore capacità di carico per una data struttura o possibili opportunità per ridurre le dimensioni e il peso dell'intera struttura. Le armature composite sono utili anche in applicazioni sensibili al peso in cui i terreni hanno scarse proprietà portanti, in luoghi sismicamente attivi o in aree sensibili dal punto di vista ambientale dove non è desiderabile spostare attrezzature pesanti.
Per le applicazioni elettromagneticamente sensibili, sia il vetro (il rinforzo composito più comune delle barre d'armatura) che il polimero sono intrinsecamente non conduttivi, quindi non trasmettono corrente, non attirano fulmini o interferiscono con il funzionamento dei dispositivi elettrici vicini. Ciò lo rende una scelta più sicura in impianti di fusione di alluminio e rame, centrali nucleari, strutture militari specializzate, torri aeroportuali, torri di trasmissione elettrica e telefonica, tombini contenenti apparecchiature elettriche o telefoniche, ospedali con apparecchiature di risonanza magnetica (MRI) e strade a pedaggio array di rilevamento e cabine di raccolta. Poiché il composito rinforzato con vetro è ugualmente povero di trasmissione termica, può essere utile per mantenere il controllo del clima in edifici, terrazze e scantinati.
Sebbene il costo iniziale dell'armatura composita sia generalmente superiore a quella dell'armatura in acciaio standard ed è approssimativamente paragonabile all'armatura in acciaio rivestito di resina epossidica, se considerato sulla base del costo del ciclo di vita (LCC), può essere abbastanza economico, in particolare per le applicazioni in calcestruzzo non precompresso soggette alla flessione, al taglio e ai carichi compressivi che tipicamente richiedono riparazioni e manutenzioni frequenti o dove ci sono altri problemi con il metallo. Per tutte queste ragioni e altre ancora, le armature composite hanno iniziato lentamente a guadagnare quote nel mercato dell'ingegneria civile.
Nessuna registrazione, nessun progresso
Le armature composite hanno avuto inizio in Giappone negli anni '80, con rinforzi in fibra di carbonio e aramide in matrici termoindurenti, e si sono lentamente diffuse nei progetti in Canada all'inizio degli anni '90, afferma John Busel della American Composites Manufacturers Assn. (ACMA, Arlington, Virginia). Ma non ha avuto successo, ricorda, fino a quando le specifiche non sono state sviluppate e pubblicate per le armature composite alla fine degli anni '90. Busel, direttore della Composites Growth Initiative di ACMA, è stato per 12 anni segretario e poi presidente del Comitato 440 - FRP Reinforcement dell'American Concrete Institute (ACI, Farmington Hills, Michigan), durante il periodo in cui il gruppo ha sviluppato le sue specifiche e il suo design rivoluzionari guida per tondo per cemento armato FRP.
"Fornire prodotti che non sono supportati da test e ricerche semplicemente non funziona con gli ingegneri civili", spiega Busel. "Ci vogliono molti dati per convincerli e ottenerli richiede tempo". In considerazione di questa realtà, il Comitato 440 è stato istituito all'inizio degli anni '90 e ha impiegato quasi un decennio per sviluppare la prima edizione, pubblicata nel 1999, aggiornata nel 2006, con un altro aggiornamento previsto nel 2012. “Ora avete standard che architetti, ingegneri e gli appaltatori possono inserire nei loro piani a livello globale ", afferma Busel, sottolineando che" l'ACI 440.1R ha dimostrato di essere una delle guide alle specifiche più conosciute e utilizzate al mondo ed è valsa decisamente la pena di tutto il lavoro ".
"L'ACI 440 è stata un'associazione estremamente dinamica e attiva", osserva Doug Gremel, collega di lunga data di Busel. “Non abbiamo discriminato nessuna ricerca in nessuna parte del mondo. Se possiamo prenderlo e incorporarlo nei nostri codici, lo facciamo ". Gremel - il direttore del rinforzo non metallico presso Hughes Brothers Inc., un direttore della filiale di HughesAslan Pacific Ltd.(entrambi Seward, Neb.) e presidente del comitato di gestione di Omaha, Composite Insulated Concrete Systems LLC, con sede a Neb. - aggiunge: "Non siamo orgogliosi della proprietà quando si tratta di questa conoscenza."
Nonostante questo crescente corpo di scienza ed esperienza tra la metà e la fine degli anni '90, la crescita nell'uso delle barre di rinforzo in FRP è stata lenta. La prima installazione negli Stati Uniti non è apparsa fino al 1996 nel ponte McKinleyville / Buffalo Creek nella contea di Brooks, W. Va. Le armature FRP hanno finalmente guadagnato trazione in Nord America dopo la sua inclusione nel codice canadese dei ponti autostradali, dove sono diventate la soluzione predefinita per affrontare la corrosione causata dal clima rigido del Canada. Ciò, a sua volta, ha portato al lavoro dell'American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) per sviluppare specifiche per l'uso di ponti di cemento in vetro FRP (GFRP) e ringhiere per il traffico. Da quel momento, gli ingegneri e gli specificatori del Dipartimento dei trasporti degli Stati Uniti (DoT) hanno avuto la propria guida di progettazione da abbinare all'ACI 440. Di conseguenza, afferma Busel, il Canada e gli Stati Uniti insieme ora hanno quasi 400 ponti con barre di rinforzo in FRP in alcuni aspetti la loro costruzione. Le installazioni europee stanno crescendo, ma a un ritmo più lento.
Gremel - il cui datore di lavoro, Hughes Brothers, è un fornitore globale di barre di rinforzo in FRP - afferma che gli standard costituiscono il quadro obiettivo per la garanzia della qualità. "Dobbiamo fornire certificati di lotto di produzione come prova del fatto che una data 'serie di mulini' di tondo per cemento armato soddisfa o supera le proprietà indicate negli standard ASTM", afferma. "Stiamo eseguendo moduli di trazione e prove di deformazione su ogni lotto che gestiamo, proprio come i ragazzi dell'acciaio".
Il progresso della comunità dell'ingegneria civile verso il comfort con le armature in FRP potrebbe essere lento, ma non ha scoraggiato la ricerca di nuovi approcci alla sua produzione che potrebbero, come indicano i seguenti esempi, rendere la prossima generazione di armature composite un'alternativa molto più attraente all'acciaio .
