2 I materiali compositi fibrorinforzati
2.5 I materiali compositi in edilizia
Le fibre di rinforzo per materiali compositi destinati al mercato dell’edilizia non vengono commercializzate come yarn e rowing, ma assemblate in strutture più facilmente utilizzabili nei cantieri edili, come tessuti, nastri o all’interno di materiali compositi preformati in forma di lamine, profilati e barre.
I tessuti differiscono dai nastri essenzialmente per la loro dimensione, essendo i nastri di larghezza da 20 a 30 centimetri mentre i tessuti di larghezza superiore a 30 centimetri e fino a 120 – 130 centimetri. Nei tessuti, come nei nastri, vi è una direzione principale detta ordito (warp) ed una secondaria, detta trama (weft) ortogonale all’ordito1
.
I tessuti possono essere ottenuti a partire dal rowing, nel qual caso sono detti stuoia (woven rowing), oppure direttamente dalla tessitura di yarn, quando si richiede maggiore leggerezza e compattezza. In generale un laminato ottenuto a partire da un tessuto avrà una frazione in fibre minore rispetto a quella di un laminato composto da lamine unidirezionali a causa dell’ondulazione (crimp) delle fibre nel tessuto.
Una classificazione può essere fatta in base al tipo di tessitura in tela, batavia e raso:
- la tela (plain) è la più semplice, si presenta con un filo sopra ed uno sotto, ha una struttura più rigida ma è più difficile da impregnare con la resina a causa del crimp che arriva al 10%. Questo comporta una minore efficacia del rinforzo nel piano del laminato;
1 Nel settore tessile si indica con ordito la direzione lungo la quale si arrotola il tessuto e
trama quella ortogonale all’ordito.
2
La pultrusione dei materiali compositi e’ il processo produttivo normalmente impiegato nella produzione di canne, di articoli a sezione cava e di profilati vari. Strati continui di fibra rinforzata trama quella ortogonale all’ordito.
71
- il batavia (twill) presenta due fili sopra e due sotto, è più facile da impregnare rispetto alla tela presentando una minore ondulazione, ha però lo svantaggio di essere più difficile da maneggiare;
- Il raso (satin) presenta più fili sopra ed uno sotto, è ancora più efficace del batavia, presentando un’ondulazione minima e quindi la massima rigidezza nel piano, ma anche più delicato da maneggiare in fase di realizzazione del laminato.
Figura 45 Tipologie di tessuto
Figura 46 A sinistra tessuto plain in fibra di carbonio, al centro tessuto twill 2x2 in fibra di carbonio, a destra tessuto satin-4 in fibra di carbonio
La classificazione proposta sopra è valida per tessuti bidirezionali, che presentano un ordito ed una trama, ma esistono anche altri tipi di disposizione delle fibre, in base a cui i tessuti si possono classificare in:
- tessuti unidirezionali, con fibre orientate in un’unica direzione ed allineate su di un piano;
- tessuti intrecciati convenzionali, la maggior parte dei tessuti più comunemente utilizzati sono intrecci convenzionali di trefoli di filamenti. La struttura intrecciata blocca i filamenti dell’ordito e della trama. I filamenti
72
della trama e dell’ordito non sono completamente distesi ma, nel sovrapporsi alternativamente,si incurvano aumentando la deformabilità finale del tessuto; - tessuti ad intreccio piano e mat, realizzati per tessuti da impregnare e ricoprire con una matrice polimerica al fine di eliminare l’incurvamento dei filamenti fuori dal piano del laminato e di ottenere un materiale con proprietà elastiche più uniformi. In questo tipo di struttura, i filamenti della trama sono solo appoggiati su quelli dell’ordito (non intrecciati con essi) e vengono successivamente cuciti fra loro con un filamento molto leggero. Le fibre possono essere disposte in modo ordinato (tese ed allineate) o disordinato (non allineate e curve come nei mat). In questo caso, d’altra parte, è difficile prevedere quali possano essere le caratteristiche meccaniche del risultante materiale;
- tessuti ad intreccio su più assi, o tessuti multiassiali, finalizzati all’ottenimento di una maggiore resistenza allo strappo ed agli sforzi di taglio, un esempio di tessuto intrecciato su più assi è quello triassiale nel quale i filamenti sono intrecciati con angoli di circa 60°.
La disposizione delle fibre ovviamente influenza le proprietà del tessuto: i tessuti unidirezionali, avendo tutte le fibre orientate secondo l’ordito, presentano un’elevata resistenza a trazione secondo quella direzione e sono pertanto anisotropi anche nel piano.
I tessuti bidirezionali presentano in genere le fibre disposte secondo due direzioni ortogonali (verticale ed orizzontale oppure inclinate a ± 45°) con caratteristiche uguali nelle due direzioni (tessuti bilanciati) o differenti per quantità e tipo di fibre utilizzate nelle due direzioni (tessuti sbilanciati).
I tessuti multiassiali, con fibre disposte secondo più direzioni, possono arrivare ad essere quasi isotropi nel piano del tessuto.
Un’altra tipologia di tessuto è quella definita a largo intreccio, che si presenta come rete con maglie larghe da 3 a 6 millimetri che facilitano l’impregnazione del tessuto e consentono l’uso di una quantità ridotta di fibre.
73
Figura 47 Classificazione dei tessuti in funzione dell'orientamento delle fibre
Infine vi sono i tessuti ibridi, realizzati con differenti tipi di fibre al fine contenere i costi e di ottimizzare le prestazioni, combinando opportunamente le proprietà dei diversi materiali.
In generale la scelta del tipo di tessuto dipende da diversi fattori quali la sollecitazione cui si prevede sarà sottoposto il rinforzo, la natura del supporto da rinforzare le condizioni ambientali ed il costo dell’intervento.
Ad esempio si utilizzano tessuti unidirezionali per assorbire sforzi di trazione in strutture soggette a flessione semplice o per cerchiare strutture sottoposte a compressione assiale, mentre si preferiscono tessuti multiassiali per strutture sottoposte a taglio, torsione, sollecitazioni composte o anche per sollecitazioni soggette a variazioni di direzione.
Per la scelta del tipo di fibra invece si fa riferimento alla resistenza ed alla rigidezza richieste dal progetto e alla qualità della sollecitazione (costante, ciclica, da impatto).
74