MATERIALI COMPOSITI PER IL RINFORZO DI STRUTTURE IN LEGNO: PROBLEMI DI DURABILITÀ E COMPATIBILITÀ

Wood is a building material with a long application history, many timber structures, if properly designed and maintained, are still working well after centuries of use. The need of strengthening occurs frequently when mechanical performance higher than those offered by wood alone are required. The research of new techniques and products has led to the use of fiber reinforced polymers (FRP). Thanks to their versatility, these materials can be effectively used in strengthening and repair of structural components made of historic masonry or concrete. FRPs application on and wood elements seems particularly recommended because the characteristic wood lightness is kept against a significant increase of the structure strength. However, there are some incompatibilities between FRPs and the wood substrate, first of all the different behavior in relation to changes of the environmental conditions in terms of temperature and humidity. The recent introduction of natural plant-based fibers, which are still in their infancy, has contributed to extend the studies of these materials, in particular when applied to wood elements. Some studies on the effectiveness of these innovative materials have pointed out the advantages compared to traditional fibers, such as glass and carbon. Natural fibers are biodegradable, renewable and recyclable, non-toxic and their production requires less energy and lower costs, in addition there exists a wide choice of fibers with typical chemical and physical characteristics and different mechanical properties, which can be used for different applications. However, it’s important to avoid the underestimation of the critical issues concerning the use of composites applied on wood. Examples of critical issues are high moisture absorption, fiber-matrix adhesion problems, low heat resistance and sensitivity to biological attacks. This research work is aimed to investigate the compatibility and durability of some natural composite materials of recent introduction from a mechanical point of view and validate their effectiveness through comparison with other composite materials commonly used. Mechanical tests carried out on the constituent elements of the reinforcement system, fibers and matrix, and the system itself allowed for defining the limits of the selected materials. Bond tests were used to determine the influence of the wood substrate properties on the element strength and of the environmental conditions which guarantee the durability of the strengthening or cause its decay. Finally, the testing of structural reinforced element was carried out to validate the opportunity of using the natural composite materials as alternative to the traditional ones. The tests conducted allowed for studying the applicability of composite materials with natural fibers as possible replacements for more traditional materials. Some aspects still need to be investigated with respect to compatibility and durability issues.

Il legno è un materiale da costruzione di lunga storia applicativa, molte strutture in legno, qualora adeguatamente progettate, realizzate e manutenute, risultano spesso ancora efficienti dopo secoli di utilizzo. La necessità di intervento di rinforzo sopraggiunge frequentemente quando sono richieste prestazioni meccaniche superiori rispetto a quelle che può offrire il materiale ligneo da solo. La ricerca di tecniche e prodotti adeguati allo scopo ha portato allo studio dei materiali compositi fibrorinforzati a matrice polimerica (FRP, Fiber Reinforced Polymers), i quali soprattutto grazie alla loro versatilità, sono già utilizzati efficacemente nelle tecniche di rinforzo di murature storiche e conglomerati cementizi. Il sodalizio tra materiali compositi a matrice polimerica e legno, risulta particolarmente indicato, soprattutto perché la peculiare leggerezza del legno viene mantenuta a fronte dell’aumento della resistenza della struttura. Sono anche evidenti le incompatibilità tra rinforzo e substrato, primo fra tutte il diverso comportamento nei confronti delle variazioni delle condizioni ambientali, in termini di temperatura e umidità. La recente introduzione di fibre naturali di origine vegetale, la cui sperimentazione è appena agli inizi, ha contribuito ad ampliare l’orizzonte di studio di tali materiali, in particolare qualora applicati al legno. Alcuni studi sulla validità di questi materiali innovativi (NFRP, NaturalFRP) hanno evidenziato i vantaggi rispetto alle fibre di uso comune, quali vetro e carbonio. Le fibre naturali sono biodegradabili, rinnovabili e riciclabili, non sono tossiche e la loro produzione richiede minore energia e costi ridotti; inoltre ne esiste una vasta gamma con caratteristiche chimico-fisiche e prestazioni meccaniche diverse, adattabili a numerosissime applicazioni. È tuttavia fondamentale non sottovalutare gli aspetti critici che possono emergere dal sodalizio legno-compositi naturali, come l’alto assorbimento di umidità, la problematica adesione fibra-matrice, la scarsa resistenza al calore e la suscettibilità ad attacchi agenti biodeteriogeni, causati dalla loro origine naturale. All’interno di questo panorama si è inserito tale lavoro di ricerca, il cui obiettivo principale è indagare la compatibilità e la durabilità da un punto di vista meccanico di alcuni materiali compositi naturali di recente introduzione per il rinforzo degli elementi in legno appartenenti a strutture di interesse storico-artistico e validare la loro efficacia mediante confronto con i materiali compositi comunemente già utilizzati. Mediante prove meccaniche effettuate sui materiali costituenti il sistema di rinforzo, fibre e matrici, e sul sistema stesso sono stati definiti i limiti applicativi dei materiali selezionati. Attraverso prove mirate ad indagare il fenomeno di aderenza sono stati determinati i requisiti che deve avere il legno affinché sia efficace l’intervento di rinforzo e quali condizioni ambientali ne garantiscono il perdurare o ne causano un rapido degrado. Infine con prove sull’elemento strutturale rinforzato si è inteso validare la possibilità di utilizzare i materiali compositi naturali come alternativa a quelli già comunemente utilizzati. Le prove sin qui condotte hanno permesso di validare in prima istanza i materiali compositi con fibre naturali, quali possibili alternative ai materiali già in uso, restano comunque da approfondire altri aspetti riguardo alle problematiche di compatibilità e durabilità.