Rinforzo di travi e pilastri in CA con laminati CFRP, GFRP e KFRP

Perché il calcestruzzo più resistente è importante

Ponti, parcheggi e strutture portanti degli edifici sono realizzati in calcestruzzo armato—barre d’acciaio racchiuse nel calcestruzzo. Nel corso dei decenni, intemperie, traffico intenso, terremoti e persino incendi indeboliscono lentamente queste strutture. Demolirle e ricostruirle è costoso e ad alta intensità di CO2. Questo studio esplora un’opzione più intelligente: avvolgere travi e pilastri esistenti con sottili giacche composite realizzate con fibre di carbonio, vetro o kenaf d’origine vegetale per aumentare la resistenza, prolungare la vita utile e potenzialmente ridurre l’impatto ambientale.

Giacche leggere per strutture affaticate

Gli autori si concentrano sui laminati in polimero rinforzato con fibre (FRP)—fogli molto sottili e resistenti che possono essere incollati all’esterno del calcestruzzo. Il CFRP (FRP a base di carbonio) è il più resistente e rigido ma anche il più costoso; il GFRP (FRP a base di vetro) è più economico e ampiamente usato per miglioramenti di entità moderata. Il KFRP (FRP a base di kenaf), ottenuto dalle fibre della pianta Hibiscus cannabinus a rapida crescita, è più leggero e più ecologico, con emissioni di produzione inferiori. Poiché la maggior parte degli studi precedenti si è concentrata sulle fibre sintetiche, questo lavoro si propone di confrontare davvero un sistema a fibre naturali come il kenaf e di verificare se l’avvolgimento di travi e pilastri offre benefici simili.

Prove progettuali al computer

Invece di costruire decine di travi e pilastri reali, i ricercatori hanno creato modelli al computer dettagliati usando l’analisi agli elementi finiti, un metodo che divide ogni elemento in molti piccoli blocchi per tracciare tensioni e fessurazioni. Hanno prima riprodotto un precedente test sperimentale su una trave per assicurarsi che il modello virtuale si comportasse come una struttura reale, riproducendo capacità portante e deformazioni con uno scarto inferiore al 2 percento. Il calcestruzzo nel modello poteva fessurarsi e schiacciarsi, le barre d’acciaio potevano raggiungere il livello di snervamento e le sottili giacche FRP potevano gradualmente perdere rigidezza con l’accumularsi del danno—fornendo un quadro realistico di come il rinforzo si sviluppa dal primo carico fino al collasso finale.

Come le fasce cambiano il comportamento di travi e pilastri

Con il modello validato, il team ha confrontato quattro versioni di una trave semplicemente appoggiata e quattro versioni di un pilastro corto: un “controllo” non avvolto e tre avvolti con KFRP, GFRP o CFRP, tutti con la stessa spessore della giacca. Per le travi, l’effetto è stato drammatico. L’avvolgimento ha aumentato il carico massimo sopportabile dalla trave di circa il 14% con KFRP, il 24% con GFRP e un notevole 66% con CFRP. Le travi hanno inoltre subito minori deformazioni sotto lo stesso carico e hanno assorbito più energia prima del collasso—una misura della duttilità che è aumentata di circa il 19, 43 e 72 percento rispettivamente per gli avvolgimenti in kenaf, vetro e carbonio. Al contrario, i pilastri avvolti, che sopportano principalmente compressione assiale, hanno mostrato solo guadagni modesti nella capacità: circa il 2% per KFRP, il 3% per GFRP e il 6% per CFRP.

Perché le travi guadagnano più dei pilastri

La differenza dipende dal modo in cui lavorano questi elementi. Le travi sono elementi flessi; le fibre nella parte inferiore si allungano a trazione, condizione nella quale il calcestruzzo è debole. Le giacche FRP esterne sono eccellenti a contrastare la trazione, quindi aiutano a sostituire quella funzione, ritardano la fessurazione e spostano una parte della sollecitazione verso le fibre resistenti. I pilastri considerati in questo studio erano squadrati, corti e già molto robusti a compressione. L’avvolgimento aggiunge principalmente un effetto di confinamento attorno al nucleo di calcestruzzo piuttosto che un nuovo percorso di carico. Per sezioni quadrate, quel confinamento è non uniforme—più efficace agli angoli e più debole sulle facce piatte—quindi gran parte del potenziale della giacca in fibra non viene sfruttato appieno. Il risultato è un aumento evidente ma comparativamente contenuto della resistenza dei pilastri.

Bilanciare resistenza e sostenibilità

Nel complesso, gli avvolgimenti in fibra di carbonio hanno fornito il maggiore salto prestazionale e restano la scelta tecnica migliore dove sono critici massima resistenza e duttilità, come in travi fortemente sollecitate in punti chiave di un ponte o di un edificio. Gli avvolgimenti in fibra di vetro hanno offerto un miglioramento solido e di gamma intermedia. Gli avvolgimenti in fibra di kenaf hanno aumentato meno la capacità ma hanno comunque rinforzato in modo significativo le travi offrendo vantaggi in termini di peso, costo e impronta ambientale. Per molti interventi di aggiornamento di uso quotidiano—dove un rinforzo moderato è sufficiente e gli obiettivi di sostenibilità contano—i laminati di kenaf potrebbero essere un’opzione sensata. Lo studio mostra che con modelli numerici ben calibrati gli ingegneri possono confrontare questi materiali fianco a fianco e progettare interventi che scambiano una piccola perdita di prestazioni meccaniche per guadagni significativi in termini climatici e di risorse.

Citazione: Adel, K., Abdelazeem, M., Sherif, A. et al. Strengthening RC beams and columns with CFRP, GFRP and KFRP laminates. Sci Rep 16, 11004 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43464-1

Parole chiave: rinforzo del calcestruzzo armato, polimero rinforzato con fibre, fibre di carbonio e vetro, fibre naturali di kenaf, modellazione agli elementi finiti