Comportamento del calcestruzzo additivato con fibre polimeriche strutturali nel mondo della prefabbricazione

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1 Comportamento del calcestruzzo additivato con fibre polimeriche strutturali nel mondo della prefabbricazione S.Moro 1, B.Barragan 1, E.Vendrame 2, D.Capoia 2, L.Toffoli 3, G.Plizzari 4, F.Minelli 4 Introduzione L utilizzo delle macro fibre 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 limitare o evitare l utilizzo della rete metallica. Nel settore del prefabbricato, invece, l utilizzo delle macro fibre strutturali è ancora fortemente limitato dalla mancanza di precise regolamentazioni soprattutto inerenti alla progettazione del calcestruzzo firborinforzato la cui conseguenza è il rallentamento della volontà d innovazione che molti produttori auspicano soprattutto in questo clima complesso. 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 prestazioni del singolo calcestruzzo fibrorinforzato. Grazie a ciò è stato possibile procedere ad un piano sperimentale in cui le caratteristiche fisico-meccaniche del conglomerato firborinforzato 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. La sperimentazione ha previsto la realizzazione di 14 travi in spessore di diverse geometrie, con e senza rinforzo a taglio, sottoposte poi a prova di flessione su quattro punti, verificandone ed analizzandone il comportamento strutturale. Il comportamento a taglio di elementi strutturali in calcestruzzo armato rappresenta da lungo tempo un argomento di dibattito molto acceso nella comunità scientifica, in quanto, nonostante le numerose campagne sperimentali svolte e le formulazioni di calcolo proposte, è difficile trovare un modello univocamente accettato e applicabile con eguale efficacia nei vari campi progettuali. 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 calcestruzzi fibrorinforzati risale a circa un secolo fa e nel corso degli anni sono stati utilizzati per varie applicazioni strutturali quali pavimentazioni industriali e rivestimenti di gallerie; 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 geometria e per le caratteristiche prestazionali. Negli ultimi anni è oggetto di una sempre più ampia sperimentazione l utilizzo di fibre in materiale polimerico, qui impiegate, in maniera del tutto innovativa, per la resistenza al taglio, applicazione strutturale del tutto critica per la fragilità dei meccanismi ad esso connessi. 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 fessure più fitte ma con apertura di fessura minore, garanzia di una maggior durabilità. 1 BASF Construction Chemicals Italia Spa, Via Vicinale delle Corti 21, Treviso, Italy. bryan.barragan@basf.com, sandro.moro@basf.com; web page: Costruzioni Generali di Capoia Daniele, Via G.Polese 4, Cimadolmo (TV), emilio.vendrame@capoiacostruzioni.it, daniele.capoia@capoiacostruzioni.it 3 Building Project srl, Viale Italia 134, Conegliano (TV), Italy. l.toffoli@buildingproject.it. 4 DICATA - Department of Civil, Architectural, Environmental and Land Planning Engineering, University of Brescia, Via Branze 43, Brescia, Italy, antonio.conforti@ing.unibs.it; fausto.minelli@ing.unibs.it; plizzari@ing.unibs.it.

2 Definizione e composizione del calcestruzzo Si è presa in considerazione una resistenza caratteristica del calcestruzzo pari a 25 MPa (Rck25) 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 materiale misurata secondo prova UNI EN doveva soddisfare la classe 2c descritta nel Codice Modello 2010 (f R1k 2, 0.9 f R3k /f R1k 1.1). La miscela di calcestruzzo studiata doveva combinare sia la prestazione sopra menzionata, sia la corretta reologia per ottimizzare la posa in opera del composito. E stato deciso di utilizzare un cemento di tipo CEM II/A-LL 32.5 R e della cenere volante in modo da avere un quantitativo sufficiente di pasta cementizia per limitare la formazione di agglomerati di fibre e per ottimizzare il pompaggio del materiale. Il proporzionamento degli aggregati era costituito da una sabbia frantumata 0/4 ed una ghiaia 8/16 entrambe di natura silicea. 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 operazioni di getto. La tabella successiva riporta la composizione del calcestruzzo senza aggiunta di fibre (PC) e quello fibro rinforzato con le macro fibre MASTERFIBER 246 (PFRC), in cui si è tenuto costante il volume complessivo di pasta cementizia (pesi dei leganti, la quantità di acqua e di sabbia). PC PFRC CEM II/A-LL 32.5 R Cenere Volante Sabbia 0/ Ghiaia 8/ Acqua MASTERFIBER 246 (Vol. %) Glenium SKY 698 (% sul cem.) A/C - [A/(C+CV)] 0.75 [0.38] 0.75 [0.38] Consistenza S5 S5 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 secondo la norma UNI EN Il grafico sottostante identifica la risposta post-fessurativa di 6 provini per ogni calcestruzzo e la tabella riassume i parametri medi necessari per caratterizzare le matrici.

3 d=295 d= d= d= d= d= Nominal Stress s N [MPa] 5 PFRC: Three Point Bending Test PFRC beams PC beams 1 CTODm [mm] Beams PC PFRC Fibres V f (%) f cm [MPa] 31.2 (0.84) 26.0 (1.67) f ctm [MPa] E cm [MPa] f R,1 [MPa] f R,2 [MPa] f R,3 [MPa] f R,4 [MPa] REALIZZAZIONE E VERIFICA STRUTTURALE TRAVI In totale sono state realizzate 14 travi, ognuna lunga 3 metri, composte da coppie con diverse sezioni e tipologia d armatura. Per tutte, l armatura longitudinale è stata mantenuta ma solo in una coppia (denominata MSR) si sono posizionate anche le staffe secondo progettazione tradizionale utilizzando il calcestruzzo di riferimento. Lo schema successivo riassume le dimensioni, la tipologia di rinforzo ed il tipo di miscela utilizzata e le foto rappresentano le tipologia di casseforme realizzate. W430 PC W770 PC and PFRC a=2.5d= a=2.5d= Ø Ø16 12Ø Ø16 W510 PFRC W770 MSR a=2.5d= a=2.5d=638 4Ø Ø8 8Ø Ø16 12Ø Ø16 Stirrups Ø6@150mm 4 legs W650 PFRC W890 PFRC a=2.5d=538mm 650 a=2.5d= Ø Ø16 16Ø Ø16

4 Tipologia di rinforzo per MSR Tipologia di rinforzo per le altre travi Presso un impianto di preconfezionato sono stati prodotti 6 m 3 di ogni calcestruzzo che è stato 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 2m 3 consecutivi. Questa scelta è stata dettata dall esigenza di avere più tempo per l introduzione manuale delle fibre distribuendole il più possibile uniformemente riducendo la probabilità di formazioni di agglomerati. Durante il tempo di trasporto dall impianto di produzione al punto di messa in opera di posizionamento della pompa e del il getto, circa un ora, la lavorabilità iniziale del calcestruzzo è rimasta inalterata (v. foto) Fibrorinforzato Complessivamente la posa in opera di entrambi i calcestruzzi si è conclusa nel giro di circa un ora e mezza dall arrivo delle autobetoniera alla zona di getto.

5 Le travi sono state scasserate dopo 3 giorni, tempo in cui si è cercato di evitare il più possibile l evaporazione mantenendo le superfici umide. La maturazione è proseguita al coperto ma con la naturale variazione di umidità e temperatura fino ad un mese dal confezionamento. Le prove fisico-meccaniche, svolte presso il Laboratorio Materiali P. Pisa dell Università degli Studi di Brescia, si sono focalizzate nella verifica della capacità portante di tutti gli elementi, valutando le differenze nella resistenza a taglio delle travi, punto essenziale della sperimentazione, in quanto la progettazione è stata incentrata sull eventuale utilizzo delle fibre polimeriche come rinforzo a taglio. Solo gli elementi W 770 PC (realizzati senza fibra e staffa) hanno avuto un collasso dovuto a taglio, mentre i rimanenti campioni hanno avuto un collasso per flessione. 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 realizzate con il rinforzo tradizionale. Anche il quadro fessurativo nella zona del taglio mostra un comportamento simile tra le due tecnologie di costruzione (staffe e fibra). Per i carichi di 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, indiscutibilmente un vantaggio in termini di durabilità e di soddisfacimento delle verifiche in esercizio sulla fessurazione. Grazie ad un fenomeno di tension stiffening incrementato, anche la deformabilità in esercizio risulta essere minore nelle travi fibrorinforzate, sia rispetto ai campioni di riferimento privi di staffe e fibre, sia rispetto ai provini con sole staffe.

6 Trave W 770 PFRC sottoposta a prove di flessione Il grafico successivo riporta la curva carico freccia verticale in mezzeria e mostra il confronto diretto delle coppie di travi di larghezza 770 mm eseguite con solo rinforzo longitudinale, realizzate con entrambe le miscele (W 770 PC e W 770 PFRC) e di quelle realizzate anche con il rinforzo a taglio grazie alle staffe, confezionate con il calcestruzzo di riferimento (W 770 MSR) Load 1050 [kn] Beams W=770 mm d=255mm W770 PC W770 MSR W770 PFRC Displacement [mm] Complessivamente il comportamento delle 13 coppie di travi realizzate con la sola armatura a flessione e con il calcestruzzo fibro-rinforzato sono caratterizzate da un elevata resistenza residua paragonabile agli stessi elementi preparati con l armatura convenzionale: ciò dimostra che la resistenza al taglio misurata è superiore alla resistenza alla flessione. Inoltre le fibre polimeriche evidenziano un ottima distribuzione delle fessure nella zona sottoposta a sforzo di taglio, evitando la formazione di una singola fessura critica. Qualora ci dovesse essere un cedimento strutturale, la multi fessurazione garantirebbe sia di avere un tempo più lungo per l evacuazione del luogo, sia un evidente avviso di pericolo.

7 La sperimentazione ha dimostrato, dal punto di vista teorico e pratico, l efficienza delle fibre polimeriche MASTERFIBER 246 nella resistenza al taglio consentendo una completa eliminazione delle staffe in questa tipologia di elemento strutturale. 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 esecuzione delle prove e nell interpretazione dei risultati.