Utilizzo dei materiali compositi nelle nuove costruzioni: confronto tra precompressione tradizionale con trefoli in acciaio e fili in GFRP o CFRP

This thesis aims to evaluate the sectional behavior of prestressed elements with high strength harmonic steel or Fiber Reinforced Polymers (FRP) elements, with a focus on the service performance of the structural element. Specifically, the main goal is to investigate whether FRPs could substitute the traditional steel strands. The potential critical issues and limitations of this solution are highlighted, helping to develop lighter, more durable and efficient structural solutions. Pretensioned elements with steel strands have greater bearing capacity and lower deformability compared to non-prestressed ones; but steel exhibits issues related to corrosion and tension losses. Fiber Reinforced Polymers (FRP), mainly those made of carbon fibers (CFRP) and glass fiber (GFRP), offer high strength, lightness and durability. However, the use of FRPs in prestressing structures is still limited due to technological factors, including the requirement to develop efficient and specific anchoring systems and the understanding of their long-term behavior. In this thesis, a theoretical and analytical approaches have been adopted to pre-dimensioning and verifying a pre-stressed section for a prefabricated footbridge located in seawater environment. Once the material and section properties have been defined, the losses of prestress over time, the stresses under short – term and long – term service conditions and the ultimate limit state behavior are evaluated and studied for each reinforcement. The comparison between the results obtained using traditional steel strands or FRP tendons allow to identify the strengths and weaknesses of using this different material. The results show that the service stress behavior and the ultimate strength of the section reinforced with FRP materials are comparable to those reinforced with traditional steel strands. Thus, the main issues of FRP prestressed elements still remain the anchor system and their long-term behavior.

Questo lavoro di tesi si propone di analizzare e confrontare il comportamento di sezioni precompresse realizzate con acciaio armonico o materiali compositi FRP (Fiber Reinforced Polymers), con particolare attenzione alle prestazioni dell’elemento in esercizio. L’obiettivo principale è valutare la possibilità di sostituire l’acciaio con i materiali fibro – rinforzati nelle applicazioni di precompressione, evidenziando vantaggi, possibili criticità e limitazioni, contribuendo così allo sviluppo di soluzioni strutturali più leggere, durevoli ed efficienti. La precompressione, tradizionalmente realizzata con elementi in acciaio ad alta resistenza, consente di migliorare la capacità portante del calcestruzzo, riducendone la deformabilità. Tuttavia, l’acciaio presenta problematiche legate alla corrosione e alle perdite di tensione nel tempo. I Fiber Reinforced polymers (FRP), in particolare quelli in fibre di Carbonio (CFRP) e in fibre di Vetro (GFRP), offrono elevate resistenze, leggerezza e durabilità nel tempo, tuttavia il loro utilizzo nella precompressione resta ancora limitato da fattori tecnologici, quali la necessità di sviluppare appositi sistemi di ancoraggio e la piena comprensione del loro comportamento a lungo termine. Lo studio del presente elaborato si concentra su un’analisi teorica ed analitica applicata al pre-dimensionamento e alla verifica di una sezione precompressa di un ponte pedonale prefabbricato. Dopo aver definito i materiali e le caratteristiche della sezione, vengono analizzate, per ogni tipologia di armatura, le perdite di precompressione nel tempo, le tensioni in esercizio a breve e lungo termine e il comportamento allo stato limite ultimo. Attraverso il confronto dei risultati ottenuti per le diverse configurazioni di armatura, questo lavoro di tesi si propone di individuare i punti di forza e le criticità di ciascun materiale. Si conferma il potenziale innovativo e prestazionale dei FRP: i risultati dimostrano infatti che il comportamento tensionale e la resistenza ultima della sezione armata con CFRP sono perfettamente comparabili a quelli di una tradizionale sezione precompressa in acciaio armonico. Le principali limitazioni alla realizzazione di strutture precompresse con FRP restano quindi lo sviluppo di sistemi di ancoraggio efficaci e la stima certa del comportamento a lungo termine.