Materiali compositi

MATERIALI COMPOSITI

Sono materiali composti dalla combinazione di almeno due materiali appartenenti a categorie diverse: polimerico, ceramico, ecc.. il tutto per avere un materiale con caratteristiche diverse da quelli primitivi..

Il cls armato è una esempio palese di materiale composito, tra l'altro ha una proprietà particolare, entrambi i materiali che lo compongono hanno lo stesso coefficiente di dilatazione termica. quindi non ci sono problemi riguardo il comportamento a questo problema.

La definizione: sono una categoria di materiali che rispondono a tre requisiti

sono una miscela di due o più materiali

sono dispersi l'uno nell'altro in modo controllato

il materiale risultante presenta una combinazione di proprietà che non sarebbe possibile ottenere altrimenti..

Nella versione più semplice i materiali compositi sono costituiti da una fase continua (matrice) in cui è dispersa una fase discontinua, che può essere costituita da particelle o da fibre

la classificazione

possono essere: rinforzati con particelle (per esempio con particelle rigide all'interno di una matrice gommosa), rinforzati con fibre e strutturali.

a noi interessano i rinforzati con fibre che si utilizzano per rinforzare strutture degradate da sismi. Le fibre hanno la funzione di conferire al materiale elevata rigidità e resistenza meccanica.

Uno strato di materiale composito rinforzato con fibre, parallele o incrociate, viene chiamato lamina. I laminati sono strati di materiali già pronti (diverse lamine) che andiamo a incollare con diverso orientamento per ridurre l'anisotropia. a volte si usano per rinforzare a taglio le travi, ecc.

COMPOSTI RINFORZAI CON PARTICELLE

non ci interessano più di tanto perché non si applicano in ambienti edilizi.

COMPOSTI RINFRZATI CON FIBRE

Generalmente hanno una matrice polimerica, che trattiene le fibre al loro posto e assicura la coesione dell'insieme. Il materiale è deformabile e ha caratteristica di tenacità. Quando c'è la matrice ceramica, il materiale diventa meno tenace e più fragile.

I materiali polimerici rinforzati con fibre (F.R.P.) sono i compositi più diffusi. Le barche si costruiscono con tali composti.

Le proprietà meccaniche dipendono dalla quantità, dalle dimensioni e soprattutto dall'orientamento delle fibre. Le fibre possono essere continue (lunghe) o discontinue (corte).

Caratteristiche delle fibre

diametro: la resistenza a trazione di una fibra aumenta al diminuire del suo diametro (perché diminuisce il numero e le dimensione dei difetti superficiali.

Lunghezza: La resistenza del composito dipende dalla possibilità per la matrice di trasferire le sollecitazioni alla fibra. Il carico trasmesso aumenta al crescere della lunghezza della fibra, quindi le proprietà meccaniche migliorano all'aumentare della lunghezza delle fibre

Contenuto: La resistenza del composito cresce all'aumentare del contenuto in volume delle fibre, fino al raggiungimento di un valore massimo (80% circa) sopra il quale la matrice non è più in grado di avvolgere completamente le fibre e quindi a trasferire le sollecitazioni.

Orientamento: Ogni fibra contribuisce alla resistenza nella direzione della sua lunghezza. Le fibre continue, hanno un orientamento preferenziale, danno luogo a compositi con comportamento anisotropo. Le fibre corte, invece, sono orientate casualmente, danno un composito con comportamento isotropo.

I tipi di fibre usati

carbonio

aramide

vetro

c'è un grafico che porta in ordinate i carichi sopportati e in ascisse le deformazioni..

notiamo che l'acciaio da precompresso si aggira  intorno ai 2000 Mpa

confrontiamo i materiali composti con materiali che conosciamo secondo la tabella della slide,

nella tab successiva c'è il paragone degli stessi materiali con i compositi e non con i materiali in fibre.

le densità diminuiscono ulteriormente ma i moduli elastici sono inferiori a quelli del'acciaio. e le resistenze a trazione pur se alte non superano quelle dell'acciaio  precompresso

FIBRE DI CARBONIO

Come si producono?

Si parte  da un polimero fino ad ottenere dei reticoli: cristalli di grafite. più è regolare tale reticolo e piè è elevato la resistenza a trazione.

Si parla di carbonio ad alta resistenza ma con bassi moduli elastici e viceversa .. è difficile avere tutti e due elevati, anzi una utopia.. avremmo risolto i problemi.

Ciò che è favorevole è la resistenza specifica.. cioè la resistenza sviluppata per unità di peso.. quindi se prendo un chilo di carbonio e un chilo di acciaio la resistenza sviluppata dal carbonio è 10 volte superiore a quella dell'acciaio..

FIBRE IN ARAMIDE

Sono della stessa famiglia del nylon ma con resistenze molto più elevate.

La grossa differenza è la resistenza all'impatto. spesso chiamate con il nome commerciale KEVLAR hanno una resistenza specifica elevatissima.

FIBRE DI VETRO

Diciamo che sono di tipo E o S , ecc. . i migliori sono di tipo S ma sono anche i più costosi.

Caratteristiche ved i tab

Il modulo elastico è ancor più basso cioè più deformabli di fatti si usano nei rinforzi delle murature

RESINE UTILIZZATE

Sono di tue tipi:

poliestere -> si preferiscono quando le possibilità economiche lo permettono.

epossidiche

CARATERISTICHE  meccaniche alte a mai quanto quelle delle fibre. siamo ai livelli del legno privo di difetti

Utilizzo dei polimeri rinforzati con fibre FRP

Partono dall'industria navale fino ad arrivare all'industria sportiva e oggi anche nel settore delle costruzioni.. L'impiego strutturale che trova maggior diffusione è il rinforzo di elementi strutturali esistenti. Il rinforzo viene applicato a diversi materiali dal legno, alle volte, alle murature, al cemento armato.

COME SI UTILIZZANO GLI FRP?

inglobati nella resina di incollaggio durante la fase di applicazione

(il problema è che la resina epos. è un materiale che non lascia traspirare il materiale su cui è applicata e costituisce una barriera all'acqua dall'esterno)

in laminati: fogli di 1-2 mm

a tessuti uniassiali se mi interessa rinforzare una sola direzione

biassiali

triassiali

LAMINE PULTRUSE

COME SI UTILIZZANO?

Per esempio per fasciare i pilastri.. con questo tipo di lavoro vado a sollecitare la fibre a trazione cioè alla resistenza migliore per le fibre

oppure applicandoli sotto le travi dei ponti.. nelle zone dove la trave soffre a taglio.

ancora, ci possiamo fasciare i nodi di travi-pilastro per rinforzarli dopo un sisma. per dare robustezza al nodo: non aumentano pesi ma danno contenimenti importanti.

L'efficacia di questi interventi la vediamo dai risultati sui provini cilindrici compressi. la resistenza quasi raddoppia.. naturalmente un conto è se il provino è cilindrico e un conto è se è quadrato. funziona meglio per pilastri tondi, ecco perché si preferisce anche smussare gli spigoli del pilastro a sez quadrata.

Il sistema potrebbe andare in crisi per:

per compressione del calcestruzzo. addirittura!!!

Oppure perché lo strato di frp è troppo sottile e si rompe

oppure una crisi per perdita di aderenza

oppure crisi per distacco del copriferro, quindi la cosa fondamentale è verificare prima lo spessore del copriferro per regolarmi altrimenti rischio di spendere tanti soldi al vento. è uno dei problemi che si verificano più spesso.

COMPOSITI STRUTTURALI:

PANNELLI SANDWICH

Hanno una struttura costituita da due ali rigide, due pannelli che costituiscono la parte resistente, e un'anima più alleggerita, le parti resistente possono essere fibre di carbonio o altre dove le fibre le scegliamo noi.. cioè unidirezionali, oppure a 90 gradi  a 45 .. dipende da quello che voglio ottenere..

Le anime sono leggere, potrebbero essere in pvc o materiali polimerici vari..

Il loro segreto è quello di avere un elevatissimo rapporto fra il peso e la resistenza sviluppata.. cioè a parità di peso resistono più dell'acciaio.

Siccome l'anima è poco resistente, tutto lo sforzo è assorbito dalle due facce più dure invece il taglio si suppone che vada tutta sull'anima. è solo a titolo informativo: cioè la flessione va all'esterno e il taglio all'interno del pannello sandwich.

Non diciamo altro perché andremmo troppo nel dettaglio