SOLUZIONI SOSTENIBILI PER ELEMENTI DI COPERTURA: UN OPPORTUNITA OFFERTA DAI COMPOSITI CEMENTIZI FIBRORINFORZATI

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1 SOLUZIONI SOSTENIBILI PER ELEMENTI DI COPERTURA: UN OPPORTUNITA OFFERTA DAI COMPOSITI CEMENTIZI FIBRORINFORZATI M. di Prisco, L. Ferrara, M.G.L. Lamperti, S. Lapolla, A. Magri e G. Zani Politecnico di Milano SOMMARIO Grazie all impiego di compositi cementizi fibrorinforzati ad alte prestazioni (High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites), che consente di ridurre i pesi propri strutturali, possono realizzarsi soluzioni per elementi di copertura competitive, rispetto a realizzazioni in acciaio, in termini di costi, isolamento termo-acustico e resistenza al fuoco. Elementi sottili realizzati mediante i suddetti materiali possono utilizzarsi nell orditura secondaria degli impalcati di copertura, fra le travi perimetrali e gli elementi precompressi ( tegoli ). In questo lavoro si sono presi in esame, quali possibili realizzazioni, elementi piani della larghezza di 2 m, da impiegarsi, in condizioni di semplice appoggio, su luci di 2,5 m, sfruttando le elevate prestazioni meccaniche con riferimento al comportamento a flessione. L idea fondamentale del lavoro consiste nell accoppiamento delle tecnologie dei compositi cementizi rinforzati ad alte prestazioni e con rinforzo organizzato (Textile Reinforced Cementitious Composites), interponendo fra i due strati realizzati mediante i suddetti materiali, uno strato di polistirolo. E attualmente in corso una estesa caratterizzazione sperimentale del comportamento meccanico in trazione e compressione uniassiale dei diversi materiali da impiegarsi, al fine di dedurre tutte le informazioni necessarie per le pratiche applicazioni progettuali, quali tenacità alla frattura, resistenza a flessione, resistenza al fuoco, durabilità. Per quanto riguarda i calcestruzzi fibrorinforzati ad elevate prestazioni la identificazione del comportamento costitutivo in trazione è stata effettuata mediante prove di flessione su travetti non intagliati ( provino strutturale, secondo le Istruzioni CNR-DT 204) e mediante una nuova tipologia di prova sperimentale (prova per spacco a doppio incuneamento Double Edge Wedge Splitting Test) recentemente proposta dagli autori; le prove di flessione su travetti intagliati secondo la norma EN sono da intendersi significative, con riferimento ai suddetti materiali, solamente per la classificazione di produzione. I compositi cementizi con rinforzo organizzato sono stati ottenuti combinando reti in fibra di vetro con fibre discrete di vetro o polivinilalcoliche (PVA). Il comportamento meccanico del materiale è stato caratterizzato unicamente in trazione uniassiale. Si è infine indagato sperimentalmente il comportamento flessionale della lastra sandwich, discutendo quindi delle problematiche di modellazione del suddetto comportamento con riferimento al modello di trave. Progettare e realizzare elementi strutturali in calcestruzzo fibrorinforzato a cinque anni dal Documento CNR DT 204, Roma

2 ABSTRACT The use of High Performance Fibre Reinforced Cementitious Composites allows the designer to reduce the dead weight of roofing keeping concrete covering structures still more competitive in relation to steel structures in terms of costs, thermal and acoustic insulation and fire resistance. Thin slabs can be used as tertiary elements in roof decks beside the spandrel beams and the simply supported prestressed precast roof elements. 2m wide elements, simply supported along a 2.5 m span were devised as a possible application in this paper: the high performances are mainly used for the bending behavior along the 2.5m span and in order to drastically simplify the detailing of the support regions. The idea is that of coupling textile and UHPFRC technology, by means of an interposed polystyrene layer. A wide experimental investigation is in progress to mechanically characterize the materials in uniaxial tension and compression, in order to identify all the data needed for design like toughness, bending resistance, fire resistance and durability. As for the UHPFRC, in the research, the check of the ductility and the identification of the mechanical characteristics in tension are performed by means of bending tests carried out on unnotched specimens according to Italian Recommendations CNR DT-204 and of a new test (Double Edge Wedge Splitting test) recently proposed, while third point bending test as suggested in EN14651 is used to classify the material production. With reference to textile materials, they are reinforced with glass fabric and randomly dispersed glass or PVA fibres. The mechanical characteristics are deduced in uniaxial tension, while the structural behavior of the composite will be tested in bending. A modeling of the structure tests based on beam theory is also discussed. 1 INTRODUZIONE Le soluzioni strutturali per coperture realizzate mediante elementi prefabbricati di calcestruzzo sono spesso svantaggiate, rispetto ad analoghe soluzioni in legno o acciaio, a causa dell elevato rapporto fra i carichi permanenti (pesi propri) e variabili. Ad un carico di neve pari a 1,5 kn/m 2, quale tipico di estese zone dell Italia settentrionale, si associa infatti un valore medio del peso proprio strutturale tipicamente pari a 2 kn/m 2. L utilizzo di compositi cementizi fibrorinforzati ad elevate prestazioni, certamente più costosi rispetto ai materiali tradizionali ma che consentono di realizzare elementi notevolmente più leggeri, e dunque con una significativa economia sul quantitativo di materiale impiegato, può portare ad un accettabile compromesso fra le variabili di costo e peso (Naaman and Reinhardt, 2003; Reinhardt and Naaman, 2007), la riduzione del secondo, inteso con riferimento alla intera costruzione, risultando in una evidente economia del primo. In questo lavoro saranno illustrati i risultati di uno studio preliminare condotto con riferimento ad elementi sandwich, realizzati accoppiando compositi cementizi sia fibrorinforzati ad alte prestazioni sia con rinforzo organizzato, da utilizzarsi nell orditura secondaria degli impalcati di copertura di edifici prefabbricati. Gancio di sollevamento Polistirolo Figura 1 - lastra multistrato per coperture prefabbricate Progettare e realizzare elementi strutturali in calcestruzzo fibrorinforzato a cinque anni dal Documento CNR DT 204, Roma

3 Carico P (kn) A tal fine sono state concepite lastre multistrato (Fig. 1) che accoppiano uno strato superiore in calcestruzzo fibrofinforzato ad alte prestazioni con uno inferiore in malta con rinforzo organizzato; l accoppiamento viene realizzato interponendo un pannello in polistirolo ad elevata densità, impiegato a fini sia strutturali (ridotte tensioni tangenziali) sia di isolamento termico. La ridotta permeabilità del composito cementizio fibrorinforzato ad alte prestazioni (Moro et al., 2011) inoltre suggerisce la possibilità di eliminare l uso di uno strato di impermeabilizzazione continuo, limitandone l impiego unicamente a guarnizioni lungo i giunti fra i diversi elementi. Le lastre così concepite sono caratterizzate altresì da una eccellente prestazione in caso di incendio: in tal caso infatti, il polistirolo sublima lasciando, qualora vengano predisposti opportuni sfoghi per i gas così liberati, una camera d aria fra lo strato sottile intradossale e quello superiore in HPFRCC. Tale intercapedine diviene una barriera nei riguardi degli effetti del fuoco, a patto di realizzare degli appositi dispositivi che garantiscano il collegamento fra i due strati, consentendo in tal modo allo strato di intradosso in TRM di lavorare come uno scudo a prevenire il degrado della capacità portante della lastra di estradosso. 2 SIGNIFICATO DELLA RICERCA Scopo del presente lavoro è dunque quello di indagare sperimentalmente il comportamento meccanico dell elemento stratificato illustrato in Figura 1, concepito e progettato al fine di soddisfare i seguenti requisiti: leggerezza, economicità, buone prestazioni termoacustiche, impermeabilità e resistenza al fuoco. Al suddetto elemento è richiesto di fornire, in esercizio, una resistenza a flessione più elevata che non in condizioni eccezionali, dal momento che, in caso di incendio ad esempio, il carico variabile di neve non viene considerato e la sollecitazione flettente risulta dovuta unicamente al peso proprio. Con riferimento ad una lastra larga 2 m, lunga 2 m e spessa 90 mm, viene schematizzata in Figura 2a la prestazione strutturale richiesta in termini di comportamento carico-freccia, che, con riferimento allo schema di carico equivalente di Figura 2b, si traduce in una richiesta di capacità flettente pari a 6 knm in condizioni di esercizio ed a 4 knm in condizioni eccezionali. Freccia (mm) Figura 2 requisiti di prestazione meccanica dell elemento strutturale 3 MATERIALI 3.1 HPSFRC La composizione del composito cementizio fibrorinforzato ad alte prestazioni (Tabella 1) è stata progettata a partire dagli aggregati normalmente in uso presso lo stabilimento di prefabbricazione Progettare e realizzare elementi strutturali in calcestruzzo fibrorinforzato a cinque anni dal Documento CNR DT 204, Roma

4 presso il quale i prototipi strutturali sono stati realizzati e limitando il loro massimo diametro a 2 mm. Si è ottenuto, attraverso una accurata procedura di mix-design, un composito cementizio autocompattante (Fig. 3); ulteriori dati sulle prestazioni allo stato fresco sono riportati in (di Prisco et al., 2008; Ferrara et al., 2011). Il contenuto di fibre è stato fissato pari a 100 kg/m 3 (1,27% in volume); si sono utilizzate fibre in acciaio dritte adc alto contenuto di carbonio, lunghe 13 mm e con rapporto di aspetto (l f /d f ) pari a 80. A causa dell elevato quantitativo di pasta cementizia che caratterizza la composizione del materiale sono da attendersi significative deformazioni da ritiro, opportunamente quantificate (di Prisco et al., 2008) attraverso una serie di prove preliminari, con riferimento sia al ritiro libero sia a quello impedito. Nella fase preliminare di qualificazione del materiale si sono altresì misurate una resistenza cubica a compressione pari a 143 N/mm 2 ed un modulo elastico pari a circa 40 GPa. La caratterizzazione a flessione è stata eseguita mediante prove su tre punti su provini prismatici non intagliati con sezione quadrata di lato 50 mm e su luce di 125 mm, misurando una resistenza media a flessione pari a 27.4 N/mm 2, con uno scarto quadratico medio pari a 1.5 N/mm 2. In ottemperanza alle Istruzioni CNR DT-204, sono state altresì eseguite prove di flessione su quattro punti su travetti intagliati lunghi 600 mm e con sezione quadrata di lato 150 mm: i risultati sono sintetizzati in Tabella 2. Sono altresì state eseguite, al fine di verificare il comportamento flessionale con riferimento a lastre sottili di grandi dimensioni, prove di flessione su lastre rettangolari larghe 1,2 m, lunghe 2,5 m e spesse 26 mm. Tabella 1 Mix-design Dosaggio (kg/m 3 ) Cemento Loppa 500 Acqua 200 Superfluidificante 33 (lt/m 3 ) Sabbia 0-2 mm 983 Fibre di acciaio (l f = 13 mm d f = 0.16 mm) 100 Tabella 2 Tensioni nominali a flessione (N/mm 2 ) secondo UNI f IF,medio (sqm) f eq,1,medio (sqm) f IF,medio (sqm) 7.1 (0.14) (1.36) 9.77 (1.83) Tabella 3 influenza della temperatura sulla resistenza di prima fessurazione f If e tensione residua f eq,2 per apertura di fessura w = 1.8 mm Fibre T = 20 C T = 200 C T = 300 C T = 400 C T = 600 C T = 900 C allineate f If,medio (N/mm 2 ) f If,medio (N/mm 2 ) random allineate random (a) Figura 3 comportamento allo stato fresco: prova di spandimento (a) e J-ring test Progettare e realizzare elementi strutturali in calcestruzzo fibrorinforzato a cinque anni dal Documento CNR DT 204, Roma

5 Momento flettente [knm] (a) Curvatura [1/mm 10-5 ] (c) Figura 4 prova di flessione su una lastra sottile in HPFRCC: schema delle misurazioni (a), deformata al collasso e confronto numerico-sperimentale momento-curvatura (c) I risultati ottenuti da provini realizzati senza adottare alcun accorgimento per orientare le fibre (ad esempio lungo la direzione del flusso di getto della miscela autocompattante) hanno comunque evidenziato che è possibile ottenere un comportamento incrudente in flessione. E significativo osservare (Fig. 4), coerentemente con quanto indicato anche nella recente versione del Model Code fib, l ampio margine di sicurezza che si ottiene nella previsione del comportamento in flessione effettuata impiegando le leggi costitutive identificate a partire dai risultati delle prove di flessione su quattro punti su travetti intagliati, impiegate per la classificazione del materiale. Una previsione più realistica può ottenersi utilizzando leggi costitutive in trazione identificate a partire da prove di flessione eseguite su provini strutturali, caratterizzati dal medesimo spessore e realizzati seguendo la medesima procedura di getto dell elemento strutturale progettato (di Prisco et al., 2009). Il materiale ha altresì mostrato una eccellente prestazione al fuoco: i risultati, di cui si fornisce una sintesi in Tabella 3 con riferimento alle resistenze di picco e residue per diverse temperature di esposizione, possono trovarsi in dettaglio in (Caverzan et al., 2009a-b), con riferimento a provini sia con fibre orientate sia con fibre non orientate. Progettare e realizzare elementi strutturali in calcestruzzo fibrorinforzato a cinque anni dal Documento CNR DT 204, Roma

6 Carico [kn] Media Spostamento [mm] (a) Figurea 5 Prove di trazione uniassiale su lastre in TRM con rete di vetro E dimensioni lastra 400 mm (lunghezza) x 70 mm (larghezza) x 62 mm (spessore): curve carico-spostamento (a) e panorami fessurativi 3.2 MALTA CON RIFORZO ORGANIZZATO (TEXTILE REINFORCED MORTAR) L impiego strutturale delle malte cementizie con rinforzo organizzato si è venuto diffondendo in questi ultimi anni, grazie alla possibilità che esse offrono, di realizzare lastre di spessori assai sottili e caratterizzate da una elevata resistenza a trazione, ad esempio facendo uso di un tessuto in fibra di vetro alcali-resistente (Brameshuber, 2006; peled and Bentur, 2000; Peled et al., 1999). Il rinforzo è infatti assai poco sensibile alle condizioni di esposizione ambientale e dunque non sussistono vincoli sul minimo spessore di ricoprimento. Questo consente al progettista di realizzare come detto lastre sottili, disponendole in elementi strutturali stratificati in maniera tale da sfruttarne le capacità resistenti a trazione anche nei riguardi del comportamento flessionale, attraverso l effetto del braccio di coppia interna. Fra gli aspetti più interessanti del comportamento del suddetto materiali rientra la limitata dispersione dei risultati sperimentali, specie laddove si assicuri una buona aderenza fra i rinforzo organizzato e la matrice cementizia (Fig. 5 Colombo et al., 2011). La multi-fessurazione che viene così garantita consente di distribuire la deformazione su un ampio tratto, come accade per le tradizionali strutture in calcestruzzo armato, ma la limitata distanza fra le fessure previene lo sviluppo di ampiezze di fessurazione elevate, fino a situazioni prossime alla rottura. In questo lavoro si sono utilizzati un tessuto in vetro-e ed una malta cementizia premiscelata disponibile in commercio, le cui caratteristiche sono sintetizzate nelle Tabelle 4 e 5. Tabella 4 Caratteristiche geometriche e meccaniche della rete in vetro E utilizzata. Spaziatura trama [mm] 4.5 Spaziatura ordito [mm] 5.0 Trama [Tex] Ordito [Tex] 320 Tecnica di fabbricazione Leno weave Carico max (media) [kn/m] 40 Tabella 5 Caratteristiche meccaniche della malta γ av (sqm) R cm,av (sqm) E av (sqm) f ct,fl (sqm) [g/cm 3 ] [MPa] [GPa] [MPa] 2.19 (0.07) (6.87) (0.04) 9.52 (0.38) Progettare e realizzare elementi strutturali in calcestruzzo fibrorinforzato a cinque anni dal Documento CNR DT 204, Roma

7 Sforzo (N/mm 2 ) Sforzo (N/mm 2 ) Deformazione = /h Deformazione = /h (a) Figura 6 Comportamento del polistirolo in trazione (a) e compressione uniassiali 3.3 POLISTIROLO Anche per il polistirolo si è eseguita una accurata caratterizzazione meccanica (Colombo et al., 2008) utilizzando, per prove sia di trazione sia di compressione uniassiale, provini prismatici 90x90x45 mm. Come atteso, il materiale ha resistenze assai basse ed è caratterizzato da un comportamento elasto-plastico in compressione ed elasto-fragile in trazione, con forte non linearità in prossimità del picco (Fig. 6). Significativamente si osserva come tanto la tensione di snervamento quanto il modulo elastico in compressione (Fig. 6b - f py = 0.12 N/mm 2 E Pc = 4.35 N/mm 2 ) siano inferiori alla resistenza ed al modulo elastico a trazione (Fig. 6a - f pt = 0.2 N/mm 2 E Pt = 14.7 N/mm 2 ), pur essendo il comportamento in compressione caratterizzato da una più elevata duttilità. 4 CAMPAGNA SPERIMENTALE Al fine di verificare se il conceptual design proposto, illustrato al precedente paragrafo 2, è in grado di conseguire l obiettivo desiderato, è stata condotta una preliminare campagna sperimentale sia su provini di laboratorio sia su prototipi di elementi strutturali al vero. Tale indagine è stata altresì mirata alla individuazione di eventuali problematiche strutturali non previsti, riferite alla delaminazione fra i vari strati, alla rottura per taglio, alla deformabilità ovvero all utilizzo di materiali non convenzionali. La produzione dei prototipi al vero ha pure consentito di evidenziare eventuali problematiche tecnologico-costruttive. Complessivamente sono state gettate dieci lastre 2.0m x 2.7 m dello spessore di 90 mm (Fig. 7a). Lo spessore dei tre strati in HPFRCC, polistirolo e TRM è risultato pari rispettivamente a 20, 64 e 6 mm (Figg. 1 e 7b). I prototipi sono stati realizzati utilizzando due diverse reti in vetro E e diversi dispositivi per garantire la trasmissione delle tensioni tangenziali fra i due strati in composito cementizio. Una prima lastra è stata quindi tagliata per ottenere numerosi provini prismatici tipo travetto per condurre la relativa campagna sperimentale alla scala di laboratorio. Ciò consente di ottenere informazioni realistiche circa il comportamento del composito stratificato dal momento che la procedura di getto ed i materiali sono i medesimi utilizzati per il getto dei prototipi al vero, garantendo dunque altresì una elevata significatività dei risultati sperimentali. 4.1 PROVE SPERIMENTALI SU TRAVETTI MULTISTRATO Sono state complessivamente eseguite 15 prove di flessione su quattro punti su travetti multistrato di larghezza pari a 150 mm. Progettare e realizzare elementi strutturali in calcestruzzo fibrorinforzato a cinque anni dal Documento CNR DT 204, Roma

8 (a) Figura 7 getto dei prototipi (a) e particolare di bordo delle lastre multistrato (a) (c) Figura 8 assetto per prove di flessione su quattro punti su travetti multistrato Lo schema dell assetto di prova è illustrato in Figura 8. Al fine di garantire la diffusione della reazione d appoggio e prevenire modi di rottura spuri dovuti alla ridotta scala del provino si sono applicate, in corrispondenza degli appoggi sulla lastra in TRM, due piastrine metalliche (Fig. 8c). Nel corso delle prove sono stati misurati, accanto agli spostamenti verticali all intradosso, in corrispondenza dei coltelli di carico, anche quelli in corrispondenza dell interfaccia fra la lastra in HPFRCC e lo strato di polistirolo, sempre in corrispondenza dei carichi, nonché gli spostamenti relativi orizzontali in un tratto a cavallo della mezzeria tanto all intradosso quanto all estradosso, per la successiva valutazione delle curvature. Le prove hanno altresì consentito di evidenziare la dispersione delle proprietà del materiale, con riferimento sia al carico di picco sia alla duttilità. In Figura 9 sono illustrati i risultati, in termini di andamento momento-curvatura, relativi a sette prove su travetti prismatici multistrato caratterizzati dalla medesima rete di vetro E utilizzata nello strato di TRM di intradosso. Il comportamento è caratterizzato da un doppio plateau : il primo corrisponde alla resistenza a flessione del composito stratificato, e dunque Progettare e realizzare elementi strutturali in calcestruzzo fibrorinforzato a cinque anni dal Documento CNR DT 204, Roma

9 Momento flettente [knm] sfrutta il contributo della lastra in TRM di intradosso, mentre il secondo è relativo alla sola lastra in HPFRCC, che rimane essa sola attiva dopo che la fessura si è instabilmente propagata attraverso l intero strato di polistirolo. Nonostante le ridotte dimensioni del provino non possano evidentemente garantire una buona ripetibilità del risultato, si osserva comunque una buona duttilità, pur con l uso dei una rete di vetro fragile, con valori di curvatura al picco dell ordine di 10-4 mm -1 e valori ultimi nella lastra di estradosso in HPFRCC assai più elevati, pari a circa 5 volte quelli di picco. La rigidezza iniziale appare non influenzata da eventuali tolleranze e difetti ed è significativamente la medesima per i sette campioni provati, con ciò dimostrandosi che non si sono avuti fenomeni di de laminazione o scorrimenti locali fino alla fessurazione della lastra di intradosso in TRM, ossia per valori di carico (momento) pari a circa il 55% di quello di picco. Curvatura [1/mm 10-5 ] Figura 9 diagrammi momento curvatura per i sette provini sandwich 4.2 PROVE SU PROTOTIPI STRUTTURALI AL VERO Le prove su prototipi strutturali al vero sono state effettuate a diverse stagionature per verificarne l effetto sul degrado delle proprietà meccaniche della rete in vetro-e utilizzata nello strato di intradosso in TRC, pur essendo stata adottata per la stessa una protezione mediante appretto. Lo schema di prova di flessione su quattro punti è illustrato in Figura 10: la misura degli spostamenti verticali è stata effettuata in corrispondenza di cinque sezioni lungo l asse della trave, ossia in prossimità degli appoggi, in mezzeria e sotto i coltelli di carico all intradosso. Quattro LVDT sono stati altresì posizionati in corrispondenza degli appoggi (indicati con longa2(e2)sup e longa2(e2)inf in Figura 10) per misurare lo scorrimento relativo fra i due strati in composito cementizio e quello intermedio in polistirolo: fino al picco non sono stati misurati scorrimenti relativi significativi. Le prove sono state eseguite in controllo di spostamento utilizzando quale parametro di controllo la deflessione in mezzeria; per le prove si è impiegato un martinetto idraulico MTS con capacità di 250 kn disponibile presso il Dipartimento di Ingegneria Strutturale del Politecnico di Milano. Per la ripartizione del carico applicato su tutta la larghezza della piastra fra i coltelli di carico, lunghi 120 cm, e la piastra stessa sono stati interposti travetti in legno; il dispositivo di applicazione del carico utilizzato è tale da consentire la rotazione separata attorno agli assi dei coltelli di carico stesso ed attorno ad un asse longitudinale parallelo a quello di simmetria (Fig. 11a). Progettare e realizzare elementi strutturali in calcestruzzo fibrorinforzato a cinque anni dal Documento CNR DT 204, Roma

10 Sezioni A -E Sezioni B-D Sezione C Figura 10 schema per le prove su prototipi strutturali al vero Figura 11 - immagine della prova su prototipo strutturale (a) e situazione a rottura Il percorso di carico è stato articolato in tre stadi distinti: una prima fase con cicli di carico e scarico fino a 6 kn (corrispondenti ad un carico uniformemente distribuito equivalente pari a 1,25 kn/m 2 ); una seconda fase caratterizzata da tre cicli di carico e scarico fra zero ed il valor Progettare e realizzare elementi strutturali in calcestruzzo fibrorinforzato a cinque anni dal Documento CNR DT 204, Roma

11 massimo, rispettivamente pari a 3.0, 6.0 e 9.0 kn, nella quale la risposta strutturale è rimasta sostanzialmente lineare. Quindi è stato seguito un percorso monotono fino al raggiungimento del valore di picco, registrato pari a kn, in corrispondenza di uno spostamento in mezzeria pari a 40 mm. Successivamente si è applicato un ulteriore ciclo di carico in regime fessurato fino ad uno spostamento in mezzeria di 60 mm. Finalmente si è seguita la fase di softening, con progressiva riduzione del carico al crescere dello spostamento applicato; le prove sono state arrestate nel momento in cui si è raggiunto un valore residuo del carico pari al 20% di quello di picco. E opportuno sottolineare che, durante la esecuzione delle prove, la temperatura dell ambiente è stata all incirca pari a 28 C. La rete in vetro E, come atteso, ha progressivamente perso la sua resistenza a causa dell attacco alcalino, nonostante l appretto superficiale (Fig. 12). Il comportamento migliore è stato ottenuto dalle prove eseguite alla più giovane stagionatura: in Figura 13 sono mostrati tanto gli andamenti carico-spostamento quanto quelli carico-spostamenti longitudinali relativi, utili al fine della valutazione della risposta carico-curvatura. Si osserva come il carico massimo raggiunto sia pari al doppio del carico di servizio stimato in fase di progetto. Come già sopra sottolineato i valori del doppio plateau corrispondono rispettivamente il primo alla capacità portante della lastra sandwich ed il secondo, a propagazione della fessura oramai completamente avvenuta, alla resistenza della sola lastra di estradosso in UHPFRCC. Nonostante la rete in vetro-e, che fornisce la componente di trazione della azione flettente globale, abbia, di per sé, un comportamento fragile, la logica della stratificazione consente di ottenere per la lastra sandwich un comportamento duttile, quale richiesto nella fase progettuale. Il confronto fra il comportamento della lastra sandwich al vero e quello del travetto (Fig. 14a) evidenzia come le sue maggiori dimensioni e la conseguente più probabile presenza di difetti influiscano negativamente sul comportamento della prima, che mostra una minor duttilità ed una ridotta capacità portante. Inoltre è comunque significativo osservare come, nel caso del travetto, la più elevata azione tagliante dovuta alla ridotta luce non influisca sul comportamento flessionale. Infine, il confronto fra il comportamento della lastra sandwich e quello della lastra in HPFRCC (Fig. 14b) consente di evidenziare il contributo dello strato di intradosso in TRM, limitato alla rigidezza iniziale ed alla resistenza flessionale. Curvatura [1/mm 10-5 ] Figura 12 prove strutturali su prototipi al vero: comportamento flessionale alle diverse stagionature Progettare e realizzare elementi strutturali in calcestruzzo fibrorinforzato a cinque anni dal Documento CNR DT 204, Roma

12 Momento flettente [knm] Momento flettente [knm] Carico [kn] Carico [kn] Momento flettente [knm] Carico [kn] Freccia in mezzeria [mm] (a) Freccia sotto coltelli di carico [mm] Spostamenti longitudinali sez. C [mm] Curvatura [1/mm 10-5 ] (c) (d) Figura 13 - comportamento flessionale del prototipo G2-2 (prova a 56 giorni): carico-freccia in mezzeria (a) e sotto i coltelli di carico; carico spostamenti longitudinali relativi (c) e momento-curvatura del tratto centrale (d) Travetto sandwich Lastra sandwich Lastra HPFRCC Lastra sandwich Curvatura [1/mm 10-5 ] (a) Curvatura [1/mm 10-5 ] Figura 14 comportamento flessionale: confronto travetto-lastra sandwich (a) e lastra sandwichlastra HPFRCC 5 PROBLEMI TECNOLOGICI E PROGETTUALI Nel corso della produzione delle lastre al vero si sono evidenziati diversi problemi tecnologici. Il più importante riguarda la robustezza della prestazione allo stato fresco del composito fibrorinforzato ad alte prestazioni che, è opportuno sottolinearlo, viene a garantire non solamente la efficacia del getto ma si riflette anche sulla dispersione giornaliera delle proprietà meccaniche (Ozyurt et al., 2009). Come noto, la suddetta robustezza dipende principalmente dal Progettare e realizzare elementi strutturali in calcestruzzo fibrorinforzato a cinque anni dal Documento CNR DT 204, Roma

13 rapporto acqua/legante e dunque richiede un accurato controllo dell umidità degli aggregati. Ulteriori difficoltà si sono altresì incontrate con riferimento al completo riempimento degli intercapedini perimetrali fra i pannelli di polistirolo e la parete delle casseforme; tali spazi, a motivo della lunghezza delle fibre, non possono essere di spessore inferiori a 10 mm. Nella campagna sperimentale di cui si è fornito il resoconto in questo lavoro non si è adottato alcun particolare accorgimento, in fase di getto, per orientare le fibre. Speciale attenzione deve essere altresì dedicata al ritiro, in particolar modo laddove si utilizzino per i diversi strati malte cementizie di diversa composizione. 6 CONCLUSIONI In questo lavoro è stata presentata una idea originale per realizzare elementi di copertura prefabbricati leggeri, impermeabili, caratterizzati da elevate prestazioni termo-energetiche e di resistenza al fuoco. Trattasi di elementi lastra multistrato, ottenuti accoppiando, senza alcuno speciale incollaggio, una lastra in polistirolo con una lastra di intradosso in malta cementizia con rinforzo organizzato (Textile Reinforced Mortar) ed una di estradosso in composito cementizio fibrorinforzato ad elevate prestazioni (High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composite). L adesione chimico-meccanica che si realizza fra i diversi strati è dunque unicamente dovuta alla idratazione del materiale cementizio. Nelle prove, anche su prototipi al vero, non si sono evidenziati problemi di de laminazione ed i risultati ottenuti confermano il raggiungimento degli obiettivi previsti e dichiarati in fase di progettazione. Il comportamento meccanico della lastra multistrato ha evidenziato una buona duttilità; si è altresì evidenziato come le reti in vetro-e, utilizzato nello strato di intradosso con rinforzo organizzato, debbano essere sostituite con reti in vetro alcali-resistente per prevenire il degrado delle prestazioni meccaniche nel tempo e conseguentemente della prestazione strutturale nel suo complesso. Sono attualmente in corso ulteriori studi volti a migliorare la prestazione in flessione grazie ad un orientamento preferenziale delle fibre lungo la direzione del flusso di getto della miscela fluida, per quanto attiene alla lastra estradossale in HPFRCC, nonché all impiego di più elevati rapporti geometrici del rinforzo in rete di vetro alcali-resistente nella lastra di intradosso in TRM. 7 RINGRAZIAMENTI Lo studio di cui si è dato resoconto nel presente lavoro è stato reso possibile grazie al supporto finanziario di FUMAGALLI Edilizia Industrializzata S.p.A., BASF e Gavazzi nonché all ausilio fornito dal loro personale tecnico nella produzione dell intero assieme dei campioni e dei prototipi provati. 8 BIBLIOGRAFIA Naaman, A.E., Reinhardt, H.W., Eds. (2003), High Performance Fiber Reinforced Cement Composites (HPFRCC4), PRO 30, RILEM Publications S.A.R.L.. Reinhardt, H.W., Naaman, A.E., Eds. (2007), High Performance Fiber Reinforced Cement Composites (HPFRCC5), PRO 53, RILEM Publications S.A.R.L. Moro, S., di Prisco, M., Barragan, B., Magarotto, R., Roncero, J. (2001), Ultra high performance concrete: from material optimization to structural applications, Proc. SEWC Int. Conference, Como, CD-ROM. di Prisco, M., Lamperti, M., Lapolla, S., Khurana, R.S. (2008), HPFRCC thin plates for precast roofing, Proc. 2 nd Int. Symposium on Ultra High Performance Concrete, Kassel Germany, Progettare e realizzare elementi strutturali in calcestruzzo fibrorinforzato a cinque anni dal Documento CNR DT 204, Roma

14 CNR-DT 204 (2006) Instruction for design, execution and control of fibre reinforced concrete structures, Italian Standards. Ferrara L., Ozyurt N. and di Prisco M. (2011) High mechanical performance of fiber reinforced cementitious composites: the role of casting-flow induced fiber orientation, Materials and Structures, 44, di Prisco, M., Plizzari, G., Vandewalle, L. (2009) Fibre reinforced concrete: new design perspectives, Materials and Structures, 42, Materials and Structures, 2009, Caverzan, A., Colombo, M., di Prisco, M., Lapolla, S. (2009a) On high-temperature behaviour of HPFRC thin plates, Proc. 4 th Int. Conf. on Construction Materials CONMAT 09, Nagoya, Japan, Caverzan, A., Colombo, M. and di Prisco, M. (2009b) High Performance Steel Fibre Reinforced Concrete: Residual Behaviour at High Temperature, Proc. 2 nd Int. Conf. on Performance, Protection & Strengthening of Structures under Extreme Loading PROTECT2009, Hayama, Japan, CD-Rom. W.Brameshuber, ed. (2006) Textiles Reinforced Concrete, Report 36, Rilem Publications S.A.R.L., Bagneux France, Peled, A., Bentur, A. (2000) Geometrical characteristics and efficiency of textile fabrics for reinforcing composites, Cement and Concrete Research, 30, Peled, A., Bentur, A., Yankelevsky, D. (1999) Flexural performance of cementitious composites reinforced by woven fabrics. ASCE Journal of Materials in Civil Engineering, 11(4), Colombo, I., Colombo, M., Magri, A., Zani, G., di Prisco, M. (2011) Tensile behaviour of Textile: influence of multilayer reinforcement, Proc. HPFRCC6 Int. Workshop, Ann Arbor, MI, USA. Colombo, M., di Prisco, M., Zecca, C. (2008) On the coupling of soft materials with thin layers of glass fibre reinforced mortar, Proc. Challenges for Civil Constructions, Porto, Portugal, CD- Rom Ozyurt, N., Tregger, N., Ferrara, L., Sanal, I. and Shah, S.P. (2009) Adapting fresh state properties of fiber-reinforced cementitious material for high performance thin-section elements, Proc. 3 rd International RILEM Symposium on Rheology of Cement Suspensions, Reykjavik, Iceland, O.H. Wallevik et al., eds., RILEM Publications S.A.R.L., PRO 68, Progettare e realizzare elementi strutturali in calcestruzzo fibrorinforzato a cinque anni dal Documento CNR DT 204, Roma