Calcestruzzo fibrorinforzato con fibre di acciaio (SFRC)

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1 Calcestruzzo fibrorinforzato con fibre di acciaio (SFRC) Caratterizzazione del materiale e progettazione strutturale Christian Pierini, Ingegnere libero professionista 1. PREMESSA L intervento si propone di fornire una panoramica sulla progettazione di strutture realizzate con calcestruzzi fibrorinforzati con fibre di acciaio (Steel Fiber Reinforced Concrete), con particolare riferimento all edilizia industrializzata. L obiettivo principale di chi opera nel campo dell edilizia prefabbricata è quello di ottimizzare i tempi ed i costi di produzione, senza penalizzare tuttavia la qualità e le caratteristiche prestazionali dei manufatti prodotti. L'utilizzo di calcestruzzi fibrorinforzati con fibre di acciaio permette una notevole riduzione delle armature tradizionali e, in certi casi, la loro completa sostituzione, con un sensibile risparmio dei tempi e dei costi della manodopera, limitando le problematiche relative al loro corretto posizionamento. Tutto ciò è giustificato dal notevole incremento di resistenza residua a trazione e di tenacità, derivate dall'aggiunta delle fibre all'impasto di calcestruzzo tradizionale. Infatti, l'introduzione nell'impasto cementizio di fibre discrete tende ad incrementare notevolmente la tenacità del composto, particolarmente fragile in assenza di fibre, aumentandone la resistenza a trazione e migliorando, inoltre, le caratteristiche di durabilità nel tempo dovute ad un miglior controllo delle fessurazioni. 2. NORMATIVE DI RIFERIMENTO I calcestruzzi fibrorinforzati con fibre di acciaio sono menzionati nel D.M. 14/01/2008 Norme Tecniche per le Costruzioni con riferimento al paragrafo 4.6 delle NTC-2008 COSTRUZIONI DI ALTRI MATERIALI, nel quale si prescrive che I materiali non tradizionali o non trattati nelle presenti norme tecniche potranno essere utilizzati per la realizzazione di elementi strutturali od opere, previa autorizzazione del Servizio Tecnico Centrale su parere del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici. D altra parte, il Capitolo 12 delle stesse NTC-2008 asserisce che Per quanto non diversamente specificato nella presente norma, si intendono coerenti con i principi alla base della stessa, le indicazioni riportate nei seguenti documenti ( ). Inoltre, in mancanza di specifiche indicazioni, a integrazione delle presenti norme e per quanto con esse non in contrasto, possono essere utilizzati i documenti di seguito indicati che costituiscono riferimenti di comprovata validità ( ). Possono essere utilizzati anche altri codici internazionali, purché sia dimostrato che garantiscano livelli di sicurezza non inferiori a quelli delle presenti Norme tecniche. Marzo

2 Ad oggi è quindi consentito l utilizzo dei calcestruzzi fibrorinforzati anche se non direttamente riportati nelle NTC-2008, in quanto si può far riferimento alle Istruzioni del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), ovvero alle Istruzioni CNR-DT 204/2006 Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Strutture di Calcestruzzo Fibrorinforzato. I calcestruzzi fibrorinforzati sono inoltre presenti nei nuovi codici modello, ovvero i fib Model Code for Concrete Structures 2010, in particolare al Par. 5.6 Fibres/fibre reinforced concrete e al Par. 7.7 Verification of safety and serviceability of FRC Structures. 3. PROPRIETA E COMPORTAMENTO STRUTTURALE 3.1. Comportamento meccanico L aggiunta di fibre disperse in una matrice cementizia ne modifica le proprietà meccaniche. In particolare, migliora il comportamento a trazione contrastando l apertura progressiva delle fessure. Una volta raggiunta la fessurazione della matrice, le fibre sono in grado di manifestare il proprio contributo, conferendo al composito una resistenza post-fessurazione assente nella matrice senza fibre, tanto più grande, quanto maggiore è la percentuale volumetrica di esse. Il comportamento a compressione risulta pressoché analogo anche se l aggiunta di fibre conferisce al composto una maggior plasticità. Figura 1 - Curva carico P spostamento δ per conglomerati fibrorinforzati caratterizzati da: basse percentuali di fibre (a) e alte percentuali di fibre (b) Fibre di acciaio Le fibre di acciaio hanno una lunghezza, lf, compresa generalmente tra 6 mm e 70 mm ed un diametro equivalente, df, compreso tra 0.15 mm e 1.20 mm. Marzo

3 Le fibre di acciaio possono essere classificate in base al processo di produzione, alla forma ed al tipo di materiale. Processo di produzione: - da filo trafilato (Tipo A); - da lamiera tagliata (Tipo B); - da altre fabbricazioni (Tipo C). Forma: - rettilinee; - sagomate (uncinate, ondulate, ecc.). Materiale: - di acciaio a basso contenuto di carbonio (C 0.20, Tipo 1); - di acciaio ad alto contenuto di carbonio (C > 0.20, Tipo 2); - di acciaio inox (Tipo 3). In base alle caratteristiche meccaniche le fibre possono essere invece classificate nelle tre categorie (R1, R2, R3). Si riporta in seguito un esempio di fibra in acciaio presente in commercio, caratterizzata da un processo di produzione di Tipo A, sagomata a doppia ondulatura, costituita da acciaio Tipo 2, ovvero ad alto contenuto di carbonio e ad alte prestazioni, ovvero con classe di resistenza R3. Figura 2 - Fibre in acciaio tipo 5D. Figura 3 - Caratteristiche delle fibre in acciaio tipo 5D. Marzo

4 Occorre precisare che le fibre di acciaio sono utilizzate per usi strutturali, ovvero quando l aggiunta di fibre è progettata per contribuire alla capacità portante dell elemento. Le fibre di acciaio sono più efficaci come rinforzo strutturale del calcestruzzo rispetto alle fibre polimeriche per le seguenti ragioni: - Le fibre polimeriche fondono a 165 C e iniziano a perdere le loro prestazioni meccaniche a 50 C - Il modulo di Young è pari a 3-10 GPa, insufficiente per rinforzare il calcestruzzo avente modulo pari a 30 Gpa - Le macrofibre sono soggette allo scorrimento viscoso: a temperatura ambiente (tra i -20 C e i 165 C) il polipropilene/polietilene è viscoelastico e presenta fenomeni di scorrimento viscoso significativi - Presentano problemi di durabilità nel tempo in quanto soggetti a degradazione UV 3.3. Prescrizioni sul calcestruzzo e sulle fasi di getto L aggiunta di fibre metalliche può diminuire sensibilmente la lavorabilità del calcestruzzo. Al fine di garantire un buon accoppiamento con le fibre ed una buona lavorabilità dell impasto, la granulometria della matrice deve essere opportunamente progettata, ad esempio aumentando la frazione fine degli inerti oppure mediante l utilizzo di additivi fluidificanti. In particolare, la lunghezza delle fibre e la dimensione massima dell aggregato devono essere correlate tra loro per garantire una uniforme ed efficiente distribuzione delle fibre. A tal fine la dimensione massima dell aggregato non deve essere superiore a 0.5 volte la lunghezza delle fibre. Per ridurre il rischio di una eventuale agglomerazione di fibre, per l aggregato deve essere adottata una granulometria continua. Inoltre, per assicurare una completa ed uniforme distribuzione delle fibre, la loro lunghezza va correlata alle dimensioni minime (spessori) dell elemento strutturale da realizzare. Per quanto concerne l assemblaggio ed il posizionamento delle armature tradizionali si deve procedere nel rispetto della Normativa vigente. Particolare attenzione va posta alla presenza di armature ortogonali alla direzione del getto, le quali possono ostacolare il regolare flusso del calcestruzzo fresco all interno della cassaforma. Prevedendo tale eventualità già in fase di progettazione, occorre evitare che tali impedimenti compromettano l omogeneità di distribuzione delle fibre. Salvo particolari specifiche, le dimensioni minime dello spessore dell elemento strutturale da realizzare, t, e dell interferro, i, sono definite in funzione della lunghezza della fibra, lf, della dimensione massima dell aggregato, da, e del diametro di armatura, φ, come di seguito specificato. Il valore minimo del copriferro netto è correlato a quello previsto dalla Normativa vigente per le strutture di calcestruzzo ordinario. Marzo

5 4. ESEMPI DI PROGETTAZIONE DI STRUTTURE CON CALCESTRUZZI FIBRORINFORZATI CON FIBRE DI ACCIAIO 4.1. Introduzione Si riporta in seguito l approccio alla progettazione di manufatti prefabbricati con calcestruzzo fibrorinforzato con fibre di acciaio, con particolare riferimento alla realizzazione di manufatti caratterizzati da elementi strutturali di spessore contenuto (10-15 cm). Risulta evidente che strutture in c.a. caratterizzate da pareti di spessore limitato, realizzate con armature tradizionali, presentano non pochi problematiche in termini di esecuzione: basti pensare, ad esempio, al rispetto dei copriferri minimi, soprattutto in particolari condizioni di esposizione ambientale. Inoltre anche la realizzazione di getti per la realizzazione di pareti sottili tradizionalmente armate risulta piuttosto problematica, in quanto la presenza di interferri non adeguati può causare la formazione di nidi di ghiaia che a loro volta possono pregiudicare la qualità del manufatto. Da qui la necessità di utilizzare calcestruzzi fibrorinforzati con fibre di acciaio al fine ottimizzare o addirittura, in taluni casi, eliminare le armature tradizionali e le problematiche ad esse legate Approccio sperimentale per la caratterizzazione meccanica del materiale Come accennato in precedenza, l'aggiunta di fibre disperse in una matrice cementizia ne modifica le proprietà meccaniche, in particolare migliorandone il comportamento a trazione attraverso l'azione di contrasto effettuata nei confronti dell'apertura progressiva delle fessure. Una volta raggiunta la fessurazione della matrice, le fibre sono in grado di manifestare il proprio contributo, conferendo al composito una resistenza post-fessurazione assente nella matrice senza fibre. Il comportamento fortemente degradante, tipico di una prova di trazione monoassiale sul calcestruzzo, può essere modificato in modo significativo dall'aggiunta di fibre, al crescere della percentuale volumetrica delle stesse. In accordo al punto 1.5 delle CNR-DT 204/2006, le proprietà nominali del fibrorinforzato indurito devono essere determinate su provini normalizzati, realizzati e maturati in condizioni controllate, mediante prove standard di laboratorio. A tal fine si riportano nel seguito alcune prove di flessione a 4 punti, condotte secondo le modalità descritte dalla norma UNI Più nel dettaglio, nel corso della campagna di prove sono stati testati 21 provini prismatici con dimensioni pari a 150x150x600mm intagliati in mezzeria (larghezza dell'intaglio pari a 3mm con forma terminale a "V"). Si specifica che le prove si sono differenziate con 3 diversi dosaggi di fibre ( kg/mc), ciascun gruppo ha quindi visto il test di n. 7 provini prismatici a flessione e n. 6 provini cubici a compressione di dimensioni pari a 150x150x150mm. La maturazione dei provini si è svolta in due fasi: 21 giorni in acqua a 20 C e 7 giorni in camera con umidità relativa pari al 99% e temperatura di 20 C. Tutte le prove sono state eseguite dopo 28 giorni di maturazione. Marzo

6 Figura 4 - Prova a flessione a quattro punti su provino intagliato. Figura 5 - Curve sperimentali per un calcestruzzo di classe C45/55 con dosaggio pari a 40 kg/mc di fibre di acciaio di tipo Dramix 5D. Figura 6 - Curve sperimentali per un calcestruzzo di classe C45/55 con dosaggio pari a 30 kg/mc di fibre di acciaio di tipo Dramix 5D. Marzo

7 Figura 7 - Curve sperimentali per un calcestruzzo di classe C45/55 con dosaggio pari a 25 kg/mc di fibre di acciaio di tipo Dramix 5D. Si sottolinea che il dosaggio minimo di fibre per impieghi strutturali non deve essere inferiore allo 0,3% in volume. Nel caso in essere si adotta un dosaggio di fibre pari a 25 kg/mc corrispondente ad una percentuale volumetrica Vf pari a 0,32%, superiore al limite normativo. La resistenza post-fessurazione viene definita sulla base delle resistenze equivalenti postfessurazione, feq_i, calcolate su assegnati intervalli di apertura della fessura che a sua volta, nel caso di provino intagliato, può essere assunta convenzionalmente pari allo spostamento tra due punti posti all'apice dell'intaglio, CTOD. Nel caso di prova di flessione su quattro punti, secondo lo standard UNI 11039, i valori caratteristici delle resistenze equivalenti feq1 e feq2 sono valutati negli intervalli 0 CTOD 0,6 e 0,6 CTOD 3,0 mm. Pertanto, adottando la simbologia della norma UNI 11039, si assume: f f f f eq1 k eq(0 0,6) k eq2 k eq(0,6 3,0) k Tali resistenze equivalenti corrispondono, rispettivamente, ad aperture di fessura wi1 pari a 0,3mm e wi2 pari a 1,8mm, corrispondenti ai valori medi degli intervalli selezionati. La determinazione dei valori caratteristici delle resistenze equivalenti di interesse è stata condotta in accordo a quanto prescritto nell'appendice C delle CNR-DT 204/2006 al punto 12. In strutture iperstatiche, ove si manifestino fenomeni di collasso che coinvolgono ampie regioni fessurate e significative ridistribuzioni, il valore caratteristico ottenuto a partire da campioni di ridotte dimensioni non è rappresentativo ai fini della valutazione della resistenza di strutture con dimensioni significativamente più elevate. In assenza di apposite sperimentazioni, si può computare tale contributo positivo facendo uso della seguente relazione: f f k s Ftk Ftm Marzo

8 essendo: 0,5 1 0,1 1 u 1 1, in cui a sua volta: - k è un coefficiente che tiene in considerazione l'estensione della campagna di prove eseguita e che nel caso in essere di n.7 prove assume un valore pari a 1,77; - α è un coefficiente che tiene in considerazione l'iperstaticità della struttura e che, considerando in favore di sicurezza lo schema statico di piastra semplicemente appoggiata, assume un valore pari a 0,88; - s è lo scarto quadratico medio. Il modello elastico lineare individua due punti di riferimento, ffts e fftu, sulla base del comportamento allo SLE ed allo SLU. Essi possono essere definiti sulla base di valori equivalenti delle resistenze a flessione mediante le seguenti relazioni: dove: f Fts 0,45 f eq1 w u fftu k ffts ffts 0,5 feq2 0, 2 feq 1 0 wi 2 - feq1 e feq2 sono, rispettivamente, le resistenze equivalenti significative per lo stato limite di esercizio e per lo stato limite ultimo; - k è un coefficiente da assumersi pari a 1 per sezioni non interamente tese; - wi2 è il valore medio delle aperture delle fessure corrispondenti agli estremi dell'intervallo in cui è valutato feq2. Si specifica inoltre che, per gli stati limite ultimi, i valori da attribuire ai coefficienti parziali dei materiali risultano pari a γf = 1,5 sia per il calcestruzzo fibrorinforzato in compressione sia per calcestruzzo fibrorinforzato in trazione (sia non fessurato che fessurato). Si riportano nel seguito i diagrammi di progetto tipo per i due modelli previsti: - Modello elastico lineare; - Modello rigido-plastico. Marzo

9 Figura 8 Diagrammi costitutivi di progetto per un calcestruzzo di classe C45/55 con dosaggio pari a 25 kg/mc di fibre di acciaio di tipo Dramix 5D Modellazione della struttura e risultati dell analisi Nelle seguenti figure sono rappresentati alcuni esempi di modelli tridimensionali agli elementi finiti sviluppati mediante elaboratore, nonché gli schemi statici e i principali stati di deformazione e di sollecitazione a cui sono soggetti. Si precisa che, nella pratica comune, la modellazione viene eseguita con modelli di calcolo lineari senza considerare le non-linearità del materiale composto, ricavando le tensioni e le sollecitazioni di progetto dalle quali si eseguiranno poi verifiche di tipo sezionale. È comunque possibile utilizzare modelli di calcolo non-lineari al fine di valutare il comportamento del manufatto in campo plastico, valutando così l evoluzione post-fessurativa e i meccanismi di collasso. Marzo

10 Figura 9 Esempi di modellazione agli elementi finiti di manufatti prefabbricati. Figura 10 Esempi di diagrammi delle sollecitazioni e delle deformazioni. Marzo

11 4.4. Verifiche di resistenza degli elementi strutturali SLU In accordo al punto delle CNR-DT 204/2006 la verifica di elementi in calcestruzzo fibrorinforzato con armatura convenzionale può essere eseguita con i metodi tradizionalmente adottati per il calcestruzzo armato. Più nel dettaglio il progetto allo SLU di elementi soggetti a pressoflessione richiede la valutazione delle caratteristiche resistenti ultime ed il confronto con le sollecitazioni di progetto. Si riportano nel seguito i procedimenti di verifica per elementi bidimensionali costituiti da calcestruzzo fibrorinforzato, con e senza armatura convenzionale. Figura 11 - Verifiche per elementi bidimensionali senza armature convenzionale. Figura 11 - Verifiche per elementi bidimensionali con armature convenzionale. Marzo

12 4.5. Verifiche in esercizio SLE Per le verifiche degli stati limite di esercizio occorre procedere con le seguenti verifiche, analogamente al calcestruzzo armato con armature convenzionali, con particolari limitazioni di tensione per i materiali incrudenti: - verifica delle tensioni; - verifica di fessurazione; - verifica di deformabilità Confronto tra manufatti tradizionali e il manufatti fibrorinforzati Si riportano in seguito alcuni confronti tra manufatti ottimizzati mediante calcestruzzi fibrorinforzati con fibre di acciaio e manufatti realizzati con armature tradizionali. Figura 12 Confronto per un manufatto monoblocco tipo cisterna. Marzo

13 Figura 13 Confronto per un manufatto a pannelli prefabbricati componibili tipo cabina elettrica. Come si osserva chiaramente dai confronti di cui sopra, nel caso di utilizzo di un calcestruzzo fibrorinforzato con fibre di acciaio, si ha una notevole diminuzione dell armatura, con conseguenti benefici in termini di costi e di tempi di realizzazione. 5. BIBLIOGRAFIA 01 CNR DT-204/2006, Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Strutture di Calcestruzzo Fibrorinforzato. 6. RINGRAZIAMENTI L autore ringrazia la ditta Leon Bekaert s.p.a. per aver fornito il materiale per la sperimentazione. Contatti con l autore: Dott. Ing. Christian Pierini: pierini@perazziniepierini.com Marzo