Cosa hanno scoperto gli ingegneri dell'esercito americano quando hanno riparato l'acciaio corroso con polimeri in fibra

Infatti, la National Association of Corrosion Engineers negli Stati Uniti ha stimato che il costo annuo globale totale della corrosione ammonta a 2,5 trilioni di dollari USA, e questo nel 2013. Ora è probabile che il costo sia significativamente più alto.

Ma la stessa associazione ha stimato che il costo della corrosione dell'acciaio potrebbe essere ridotto del 35% se venissero introdotti controlli adeguati.

È qui che entra in gioco un nuovo studio dell'US Army Engineer Research and Development Centre (ERDC).

Lo studio riprende lavori precedenti volti a esplorare il potenziale dell'applicazione di polimeri rinforzati con fibra di carbonio (CFRP) e fibra di basalto (BFRP) per riparare sezioni trasversali in acciaio corrose.

Sono stati condotti una serie di test sperimentali su scala reale su travi in acciaio per verificare in che modo CFRP e BFRP influenzassero le loro caratteristiche strutturali, tra cui la duttilità (la capacità di un metallo di essere stirato o stirato senza rompersi).

La posta in gioco

Il ponte Morandi di Genova, crollato nel 2018. Foto: Adobe Stock

La posta in gioco è alta quando si parla di corrosione dell'acciaio nelle infrastrutture, e si tratta di un problema particolare per le strutture che si trovano in acqua o in prossimità dell'acqua, che si tratti di ponti, strutture di controllo delle inondazioni, condutture per edifici e altre strutture marine sottomarine.

Oltre ai costi di ispezione e riparazione dei componenti strutturali (che in alcuni casi possono includere la loro prosciugamento), c'è la potenziale interruzione del servizio.

E se non si riesce a tenere sotto controllo la minaccia silenziosa della corrosione, si può arrivare al deterioramento della struttura, a riparazioni ancora più costose e, come sottolinea il rapporto, persino al cedimento della struttura stessa.

Ha fatto riferimento all'esempio di alto profilo del crollo del ponte Morandi a Genova, in Italia, che ha causato la morte di 43 persone. Il viadotto a tre campate, vecchio di 51 anni, faceva parte dell'autostrada A10 che porta a Savona ed è stato progettato come una trave continua, sostenuta da tre sistemi strallati diagonali. Gli esperti di ingegneria italiani ritengono che la graduale corrosione dei cavi d'acciaio abbia svolto un ruolo fondamentale nel crollo del ponte, riducendone l'integrità strutturale del 20%.

Riparazioni alla corrosione dell'acciaio

Lo studio ERDC ha rilevato che esistono diversi approcci esistenti per riparare e riadattare l'acciaio corroso nelle strutture. Possono essere semplici come rimuovere la corrosione e riverniciare l'acciaio.

Ma quando si tratta di corrosione più grave, ogni metodo di retrofitting porta con sé i suoi svantaggi. Questo vale sia che si tratti di sostituire elementi in acciaio corrosi con nuove sezioni trasversali (che possono causare interruzioni del servizio) o di attaccare piastre in acciaio extra (che aumentano il carico morto della struttura e potenzialmente interrompono il servizio).

Più di recente, l'applicazione del CFRP per avvolgere sezioni trasversali di acciaio corrose è diventata più popolare, ma richiede un materiale isolante come le fibre di vetro per prevenire la corrosione galvanica tra la fibra di carbonio e l'acciaio.

Sebbene i materiali FRP siano stati studiati da diversi studi negli ultimi anni, che hanno suggerito che possono aumentare la capacità di carico e la capacità di snervamento delle travi rispetto a quelle non riparate, l'ERDC ha suggerito che sono necessari più test sperimentali per valutare il comportamento strutturale completo delle travi riparate e l'impatto della scollatura degli involucri in fibra di polimero sulle prestazioni delle travi.

I test

Lo scopo dello studio era verificare l'efficacia dei polimeri rinforzati con fibre nella riparazione di travi in acciaio corrose, sottoposte a sollecitazioni di flessione e taglio.

Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno installato sette diverse travi in acciaio W x 24 con una campata di tre metri in un telaio di prova che è stato poi sottoposto a condizioni di flessione e carico a quattro punti utilizzando un attuatore da 489 KN.

Fonte: Valutazione sperimentale di travi in acciaio con riduzione meccanica della sezione adattate con polimeri in fibra (ERDC)

La prima delle travi era un campione di controllo in cui non c'era corrosione o riparazione (vedere a. nel diagramma sopra). La successiva era una trave in cui la sezione meccanica della flangia inferiore era stata ridotta del 20%, in pratica tagliando una sezione dell'acciaio, per simulare gli effetti della corrosione (b).

La terza trave era simile in quanto presentava una riduzione del 20% nella sua anima (c).

Poi c'erano due travi in cui le sezioni rispettivamente alla flangia di tensione e all'anima erano state ridotte del 20% e poi riparate con toppe in CFRP con fibre di carbonio unidirezionali (vedere d. ed e.). E le ultime due travi avevano avuto la loro flangia di tensione e l'anima ridotte rispettivamente del 20% e poi riparate con toppe in BFRP con fibre quadridirezionali (vedere d. ed e.).

Tutte le toppe sono state installate su una superficie resa ruvida da una smerigliatrice angolare, utilizzando una resina epossidica chiamata Tyfo S, miscelata con fumo di silice.

Fonte: Valutazione sperimentale di travi in acciaio con riduzione meccanica della sezione adattate con polimeri in fibra (ERDC)

I risultati

I ricercatori dell'ERDC hanno scoperto che i loro tentativi di simulare la corrosione tagliando parti delle travi in corrispondenza della flangia inferiore e degli elementi dell'anima riducevano la resistenza e la duttilità dell'acciaio.

L'aggiunta di toppe in CFRP alle travi "corrose" ha contribuito ad aumentare la loro capacità massima del 7%, sia quando la riparazione è stata aggiunta alla flangia inferiore che all'elemento a rete. Ma ha avuto un impatto negativo sulla duttilità e le toppe hanno iniziato a staccarsi presto, ha scoperto lo studio.

I risultati sono stati migliori per le patch BFRP. C'è stato un miglioramento del 10% nella resistenza ultima per la trave dove è stata applicata una patch alla flangia inferiore e il distacco è stato minimo. La patch BFRP sull'elemento web della trave ha aumentato la capacità ultima del 5%, la duttilità è migliorata e non c'è stata alcuna distacco.

Nella sua conclusione, lo studio ha affermato: "Il BFRP ha superato le patch CFRP nel migliorare il comportamento strutturale delle travi testate e il suo distacco, se esiste, dovrebbe verificarsi dopo che le travi hanno raggiunto la loro capacità massima. Il BFRP ha causato un cambiamento minimo nella distribuzione della deformazione nelle travi riparate, il che è fondamentale per mantenere le stesse condizioni strutturali e le stesse prestazioni degli elementi strutturali non danneggiati".

Raccomandazioni

Considerata la rottura delle toppe in CFRP, i ricercatori hanno raccomandato ulteriori studi che esaminassero diversi tipi di adesivi per polimeri rinforzati con fibre (poiché i guasti per rottura si sono verificati sulla superficie adesiva senza alcuna frattura nelle toppe).

Hanno anche notato che le patch BFRP quadridirezionali hanno mostrato “prestazioni promettenti” nelle aree soggette a forze di taglio più elevate e hanno raccomandato di testare le patch CFRP bidirezionali.

I ricercatori hanno affermato che future ricerche potrebbero anche studiare le prestazioni delle sezioni trasversali corrose completamente avvolte in toppe in FRP, un approccio spesso applicato nella riparazione delle strutture in acciaio per la navigazione.

Un'altra raccomandazione è stata quella di studiare la durabilità degli approcci di riparazione applicati per comprendere la durata di vita dei materiali FRP come approccio a lungo termine per le strutture idrauliche in acciaio.

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