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1 Comportamento del calcestruzzo additivato con fibre polimeriche strutturali nel mondo della prefabbricazione SandroMoro,BryanBarragan,BASFConstructionChemicalsItaliaSpa EmilioVendrame,DanieleCapoia,CostruzioniGeneralidiCapoiaDaniele L.Toffoli,BuildingProjectsrl GiovanniPlizzari,FaustoMinelli,DICATA UniversitàdiBrescia Introduzione L utilizzo delle macrofibre sia polimeriche sia metalliche è una pratica ben conosciuta e consolidata nel campo del calcestruzzo preconfezionato, soprattutto relativamente alle produzione di pavimentazioni strutturali dove il loro uso è determinato dalla volontà di limitareoevitarel utilizzodellaretemetallica. Nel settore del prefabbricato, invece, l utilizzo delle macrofibre strutturali è ancora fortemente limitato dalla mancanza di precise regolamentazioni soprattutto inerenti alla progettazione del calcestruzzo fibrorinforzato la cui conseguenza è il rallentamento della volontàd innovazionechemoltiproduttoriauspicanosoprattuttoinquestoclimacomplesso. L evoluzione normativa comunque non è in completo stallo, anzi recentemente la pubblicazione del nuovo Codice Modello 2010 e, a breve, di una versione revisionata delle Norme Tecniche per le Costruzioni, getta le basi per il calcolo strutturale basato sulle prestazionidelsingolocalcestruzzofibrorinforzato. Grazie a ciò è stato possibile procedere ad un piano sperimentale in cui le caratteristiche fisico meccaniche del conglomerato fibrorinforzato con fibre polimeriche in polipropilene (PP) sono state correlate all attuale tecnologia di produzione di elementi prefabbricati. Obiettivo della sperimentazione è stato la verifica della completa sostituzione delle staffe sfruttando il contributo alla resistenza al taglio del calcestruzzo fibrorinforzato con fibre polimeriche. Lasperimentazionehaprevistolarealizzazionedi14traviinspessoredidiversegeometrie, con e senza rinforzo a taglio, sottoposte poi a prova di flessione su quattro punti, verificandoneedanalizzandoneilcomportamentostrutturale. Ilcomportamentoatagliodielementistrutturaliincalcestruzzoarmatorappresentadalungo tempo un argomento di dibattito molto acceso nella comunità scientifica, in quanto, nonostantelenumerosecampagnesperimentalisvolteeleformulazionidicalcoloproposte,è dicembre 12 1

2 difficiletrovareunmodellounivocamenteaccettatoeapplicabileconegualeefficacianeivari campiprogettuali. Una discreta conoscenza è stata raggiunta anche nello studio della resistenza a taglio di elementi fibrorinforzati, soprattutto con l utilizzo di fibre di acciaio. La realizzazione di calcestruzzifibrorinforzatirisaleacircaunsecolofaenelcorsodegliannisonostatiutilizzati pervarieapplicazionistrutturaliqualipavimentazioniindustrialierivestimentidigallerie;in epoca più recente si è diffuso l uso delle fibre anche per elementi prefabbricati. Le fibre utilizzate nelle varie applicazioni variano per il materiale con cui sono realizzate, per la geometriaeperlecaratteristicheprestazionali. Negli ultimi anni è oggetto di una sempre più ampia sperimentazione l utilizzo di fibre in materialepolimerico,quiimpiegate,inmanieradeltuttoinnovativa,perlaresistenzaaltaglio, applicazionestrutturaledeltuttocriticaperlafragilitàdeimeccanismiadessoconnessi. I vantaggi delle fibre riguardano l aumento della capacità portante, della tenacità e della duttilità nel comportamento a taglio; la possibilità di ridurre il quantitativo di armatura trasversale, riducendo così i costi e i tempi di realizzazione e la congestione dell armatura nelle sezioni critiche; il controllo dell evoluzione del quadro fessurativo, caratterizzato da fessurepiùfittemaconaperturadifessuraminore,garanziadiunamaggiordurabilità. Definizioneecomposizionedelcalcestruzzo Sièpresainconsiderazioneunaresistenzacaratteristicadelcalcestruzzoparia25MPa(Rck 25) normalmente utilizzata per la realizzazione di questa tipologia di struttura. Il primo ostacolo incontrato è stata la definizione della resistenza post fessurativa che il materiale doveva avere. Grazie ad una modellazione numerica preliminare la resistenza residua del materialemisuratasecondoprovaunien14651dovevasoddisfarelaclasse2cdescrittanel CodiceModello2010(fR1k 2,0.9 fr3k/fr1k 1.1). Lamisceladicalcestruzzostudiatadovevacombinaresialaprestazionesopramenzionata,sia lacorrettareologiaperottimizzarelaposainoperadelcomposito.èstatodecisodiutilizzare un cemento di tipo CEM II/A LL 32.5 R e della cenere volante in modo da avere un quantitativosufficientedipastacementiziaperlimitarelaformazionediagglomeratidifibree perottimizzareilpompaggiodelmateriale. Ilproporzionamentodegliaggregatieracostituitodaunasabbiafrantumata0/4edunaghiaia 8/16entrambedinaturasilicea. Le macrofibre utilizzate sono state le MASTERFIBER 246, in polipropilene. La classe di lavorabilità S5 è stata ottenuta grazie all impiego di un additivo supefluidificante a base di policarbossilati eteri di seconda generazione GLENIUM SKY 698 che ha anche garantito il corretto mantenimento di lavorabilità nel tempo per poter realizzare e completare le operazionidigetto. dicembre 12 1

3 Latabella1successivariportalacomposizionedelcalcestruzzosenzaaggiuntadifibre(PC)e quello fibrorinforzato con le macro fibre MASTERFIBER 246 (PFRC), in cui si è tenuto costanteilvolumecomplessivodipastacementizia(pesideileganti,laquantitàdiacquaedi sabbia). Tabella 1. Composizione dei due calcestruzzi, con (PFRC) e senza fibre (PC) PC PFRC CEM II/A-LL 32.5 R Cenere Volante Sabbia 0/ Ghiaia 8/ Acqua [0.38] 0.75 [0.38] S5 S5 MASTERFIBER 246 (Vol. %) Glenium SKY 698 (% sul Vol)Vvolume)Vol.)cem.) A/C - [A/(C+CV)] Consistenza Entrambe le miscele sono state caratterizzate meccanicamente, sia a compressione, dove la resistenza media dopo 28 giorni di maturazione è risultata pari a 29 MPa, sia a flessione secondolanormaunien14651.ilgrafico1identificalarispostapost fessurativadi6provini perognicalcestruzzoelatabella2riassumeiparametrimedinecessaripercaratterizzarele matrici. Grafico 1. Risposta post-fessurativa di 6 provini per ogni calcestruzzo Tabella 2. Parametri medi necessari per caratterizzare le matrici dicembre 12 1

4 Realizzazioneeverificastrutturaletravi Intotalesonostaterealizzate14travi,ognunalunga3metri,compostedacoppiecondiverse sezionietipologiad armatura.pertutte,l armaturalongitudinaleèstatamantenutamasoloin una coppia (denominata MSR) si sono posizionate anche le staffe secondo progettazione tradizionaleutilizzandoilcalcestruzzodiriferimento. Il grafico 2 riassume le dimensioni, la tipologia di rinforzo ed il tipo di miscela utilizzata mentrelefoto1e2rappresentanoletipologiadicasseformerealizzate. Grafico 2. Dimensioni, tipologia di rinforzo e tipo di miscela utilizzata dicembre 12 1

5 TipologiadirinforzoperMSR Tipologiadirinforzoperlealtretravi Foto 1 2. Tipologie di casseforme utilizzate Pressounimpiantodipreconfezionatosonostatiprodotti6m3diognicalcestruzzocheèstato miscelato in autobetoniera. Nel caso di PFRC le fibre sono state aggiunte in testa al nastro trasportatore degli aggregati giusto sopra la bocca d ingresso in autobetoniera, dividendo il carico complessivo dei materiali in tre carichi da 2 m3 consecutivi. Questa scelta è stata dettatadall esigenzadiaverepiùtempoperl introduzionemanualedellefibredistribuendole ilpiùpossibileuniformementeriducendolaprobabilitàdiformazionidiagglomerati.durante il tempo di trasporto dall impianto di produzione al punto di messa in opera di posizionamentodellapompaedelilgetto,circaun ora,lalavorabilitàinizialedelcalcestruzzo èrimastainalterata(foto3) Foto 3. Calcestruzzo fibrorinforzato Complessivamente la posa in opera di entrambi i calcestruzzi si è conclusa nel giro di circa un oraemezzadall arrivodell autobetonieraallazonadigetto. dicembre 12 1

6 Foto 4. Posa in opera. Letravisonostatescasseratedopo3giorni,tempoincuisiècercatodievitareilpiùpossibile l evaporazionemantenendolesuperficiumide.lamaturazioneèproseguitaalcopertomacon lanaturalevariazionediumiditàetemperaturafinoadunmesedalconfezionamento. Leprovefisico meccaniche,svoltepressoillaboratoriomaterialip.pisadell Universitàdegli StudidiBrescia,sisonofocalizzatenellaverificadellacapacitàportantedituttiglielementi, valutando le differenze nella resistenza a taglio delle travi, punto essenziale della sperimentazione, in quanto la progettazione è stata incentrata sull eventuale utilizzo delle fibrepolimerichecomerinforzoataglio. SologlielementiW770PC(realizzatisenzafibraestaffa)hannoavutouncollassodovutoa taglio,mentreirimanenticampionihannoavutouncollassoperflessione. Le fibre polimeriche hanno incrementato quindi sia la capacità portante sia la duttilità a flessione complessiva delle travi, con una tenacità post fessurativa paragonabile a quelle realizzateconilrinforzotradizionale.ancheilquadrofessurativonellazonadeltagliomostra uncomportamentosimiletraleduetecnologiedicostruzione(staffeefibra).pericarichidi esercizio, la presenza di fibra comporta, nella zona soggetta a flessione, l instaurarsi di un panorama fessurativo più articolato, con fessure più numerose ma più piccole, indiscutibilmenteunvantaggiointerminididurabilitàedisoddisfacimentodelleverifichein eserciziosullafessurazione.grazieadunfenomenoditensionstiffeningincrementato,anche dicembre 12 1

7 la deformabilità in esercizio risulta essere minore nelle travi fibrorinforzate, sia rispetto ai campionidiriferimentoprividistaffeefibre,siarispettoaiproviniconsolestaffe. Foto 5. Trave W 770 PFRC sottoposta a prove di flessione Ilgrafico3riportalacurvacarico frecciaverticaleinmezzeriaemostrailconfrontodiretto dellecoppieditravidilarghezza770mmeseguiteconsolorinforzolongitudinale,realizzate conentrambelemiscele(w770pcew770pfrc)ediquellerealizzateancheconilrinforzo atagliograzieallestaffe,confezionateconilcalcestruzzodiriferimento(w770msr). Grafico 3. Curva carico freccia verticale in mezzeria Complessivamenteilcomportamentodelle13coppieditravirealizzateconlasolaarmaturaa flessione e con il calcestruzzo fibrorinforzato sono caratterizzate da un elevata resistenza residua paragonabile agli stessi elementi preparati con l armatura convenzionale: ciò dimostrachelaresistenzaaltagliomisurataèsuperioreallaresistenzaallaflessione. dicembre 12 1

8 Inoltre le fibre polimeriche evidenziano un ottima distribuzione delle fessure nella zona sottopostaasforzoditaglio,evitandolaformazionediunasingolafessuracritica.qualoraci dovesse essere un cedimento strutturale, la multi fessurazione garantirebbe sia di avere un tempopiùlungoperl evacuazionedelluogo,siaunevidenteavvisodipericolo. Lasperimentazionehadimostrato,dalpuntodivistateoricoepratico,l efficienzadellefibre polimeriche MASTERFIBER 246 nella resistenza al taglio consentendo una completa eliminazionedellestaffeinquestatipologiadielementostrutturale. Ringraziamenti Si ringrazia per la collaborazione il geom. E. Conte di Superbeton per il supporto nella preparazione delle miscele nell impianto di confezionamento del calcestruzzo, i geometri M. Bucciol e G. Mudadu tecnici del Laboratorio Tecnologico di BASF Construction Chemicals Italia per il contributo nella preparazione ed esecuzione delle prove e gli Ing. Marco Galuppi ed Andrea Tinini per l assistenza nell esecuzionedelleproveenell interpretazionedeirisultati. dicembre 12 1

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