IL CALCESTRUZZO F I B R O R I N F O R Z AT O PER LE STRUTTURE DEL FUTURO

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1 IL CALCESTRUZZO F I B R O R I N F O R Z AT O PER LE STRUTTURE DEL FUTURO 3 d di Marco di Prisco DIS Politecnico di Milano m a r c o. d i p r i s c p o l i m i. i t Giovanni Plizzari Dip. di Progettazione e Tecnologie, Università di Bergamo g i o v a n n i. p l i z z a r u n i b g. i t Claudio Failla Magnetti Building, Carvico (BG), c.failla@magnetti.it Il calcestruzzo rinforzato con fibre (Fiber Reinforced Concrete FRC) sta suscitando un notevole interesse nelle applicazioni strutturali in quanto il suo impiego riduce i fenomeni di fessurazione, migliora la durabilità delle strutture in calcestruzzo e, in molti casi, permette di integrare o sostituire l armatura convenzionale [1-8]. La presenza di fibre all interno della matrice cementizia ha come fine la formazione di un materiale composito nel quale il conglomerato è unito ad un agente rinforzante costituito da fibre. In funzione del materiale che le costituisce, le fibre possono essere classificate in metalliche, naturali o sintetiche. Alcune tipologie di fibra consentono di incrementare sensibilmente la tenacità (resistenza all avanzamento del processo fessurativo) del calcestruzzo e sono definite nel seguito fibre strutturali ; altre tipologie di fibra sono particolarmente efficaci nel limitare la fessurazione da ritiro e migliorare la resistenza al fuoco e sono definite non strutturali. Per verificare la possibilità di utilizzo del fibrorinforzo (includendo sia la tipologia sia il dosaggio della fibra) per le applicazioni strutturali è necessario effettuare prove di tenacità seguendo, per esempio, le indicazioni della norma UNI [9] che prevede l esecuzione di prove di flessione (su 4 punti) su provini intagliati con sezione di 150x150 mm e lunghezza di 600 mm. Le fibre strutturali fungono da elemento resistente diffuso con azione di cucitura tra i lembi delle fessure; pertanto è evidente che le fibre diventano efficaci e migliorano le prestazioni del materiale solo ad avvenuta fessurazione della matrice di calcestruzzo (figura 1a). Per esercitare la loro azione di cucitura, le fibre devono essere ben ancorate alla matrice; a tal fine vengono spesso sagomate per ottenere geometrie che incrementano le loro prestazioni nella matrice di calcestruzzo (figura 1b). L uso del rinforzo fibroso è spesso economicamente conveniente rispetto all armatura ordinaria per l eliminazione dei tempi di posa dell armatura e per la garanzia di avere un rinforzo anche in quei punti dove la rete elettrosaldata difficilmente può rimanere nella corretta posizione durante le operazioni di getto (si pensi, per esempio, allo strato superiore di rete nelle pavimentazioni o all armatura negli elementi di copertura in parete sottile con geometria curva). Le fibre strutturali sono particolarmente indicate per integrare o sostituire l armatura diffusa (es. staffe o armatura di parete) in quanto l armatura convenzionale si presta meglio a funzionare come armatura concentrata (es. armatura flessionale nel- 42

2 le travi). Il fibrorinforzo consente anche di evitare l utilizzo dell armatura di pelle quando esigenze di durabilità o di resistenza al fuoco richiedono l impiego di un notevole copriferro. Le pavimentazioni industriali rappresentano attualmente una delle principali applicazioni del calcestruzzo fibrorinforzato. In queste strutture le fibre possono sostituire, parzialmente o totalmente, l armatura convenzionale (solitamente reti elettrosaldate) fornendo una buona resistenza ai carichi statici e d i n a m i c i. Recentemente le fibre sono state impiegate nella realizzazione di gallerie, sia come rinforzo del calcestruzzo proiettato per il rivestimento temporaneo, sia per la realizzazione dei conci prefabbricati [10,11]. Le fibre si sono dimostrate particolarmente efficaci anche per la sostituzione dell armatura a taglio nelle travi in quanto percentuali volumetriche inferiori all 1% di fibre di acciaio evitano collasso per taglio in travi senza armatura trasversale [12]. L industria della prefabbricazione è particolarmente interessata all impiego del FRC in quanto vengono migliorate le prestazioni dei manufatti e l industrializzazione del processo produttivo. Inoltre, quando le fibre sostituiscono le armature secondarie, è possibile ridurre gli spessori strutturali ottenendo elementi più leggeri con vantaggi per il loro trasporto e per la riduzione del peso proprio, con ulteriori vantaggi per le costruzioni realizzate in zona sismica. Infine, proprio negli elementi sottili, le tolleranze di posizionamento delle armature tradizionali influenzano fortemente la capacità portante delle strutture, problema assente nelle sezioni realizzate in cls fibrorinforzato. un cls tradizionale. Tale contributo è da ritenersi utile al fine del dimensionamento strutturale in ragione della tipologia della struttura e del tipo di cls; in particolare, si rende particolarmente efficace per comportamenti strutturali iperstatici nei quali è possibile una ridistribuzione delle azioni alle zone meno sollecitate della struttura. In tal caso si possono impiegare utilmente e con sicurezza anche cls fibrorinforzati caratterizzati da un comportamento post fessurativo degradante (s o f t e n i n g, la cui resistenza post-fessurazione si riduce con l aumentare della deformazione). In meccanismi strutturali prevalentemente isostatici occorre, invece, prevedere l impiego di un materiale con comportamento post fessurativo incrudente (h a r d e n i n g, in cui la resistenza aumenta con l aumentare della deformazione) o, in alternativa, abbinare necessariamente al fibrorinforzo un armatura convenzionale. L introduzione delle fibre nel conglomerato modifica sensibilmente le caratteristiche del cls fresco riducendone, in particolare, la lavorabilità. Per questo motivo è particolarmente importante la messa a punto della composizione del cls ed utilizzare, se necessario, additivi fluidificanti e/o parti fini. 1. Elemento in calcestruzzo fibrorinforzato con fibre che attraversano i lembi della fessura (a); interazione meccanica tra una fibra uncinata e la matrice durante l estrazione (b). 2. R e l a z i o- ne carico-deformazione per calcestruzzi normali e fibrorinforzati. 3 d. Quadro fessurativo finale nella piastra in SFRC. 1 b 1 a PROPRIETA DEL CALCESTRUZZO FIBRORINFORZATO Nella figura 2 si evidenzia come l aggiunta di fibre, in quantità e di caratteristiche meccaniche diverse, modifichi sensibilmente il comportamento post-fessurativo del materiale, aumentandone notevolmente la resistenza residua post-fessurazione. Il diagramma carico-spostamento indicato con la lettera A (tratto nero) è relativo ad un provino realizzato con solo cls; gli altri sono relativi a cls fibrorinforzati con diversi dosaggi e tipologie di fibre metalliche. In legenda si riportano i rapporti delle aree sottese dai diagrammi (proporzionali all energia assorbita dal provino) che sono, nei casi considerati, tra 15 e 35 volte maggiori rispetto al cls ordinario. La presenza di un significativo ramo post-fessurazione consente di prendere in considerazione il contributo a trazione in un cls fibrorinforzato che, viceversa, non è possibile considerare in 2 43

3 IL CALCESTRUZZO FIBRORINFORZATO NELLA PREFABBRICAZIONE L utilizzo del FRC nella prefabbricazione risulta particolarmente interessante in quanto, oltre a migliorare le caratteristiche dei prodotti (con particolare riferimento alla fessurazione ed alla durabilità), permette una notevole industrializzazione del ciclo produttivo riducendo i costi di manodopera necessari per la realizzazione degli elementi [14]. Inoltre, il controllo delle caratteristiche del materiale può essere meglio garantito dalla continuità del processo di produzione. Gli elementi prefabbricati che possono ottenere miglioramenti delle loro prestazioni attraverso l uso del FRC sono i s e g u e n t i : > piccoli elementi non strutturali nei quali il rinforzo fibroso è principalmente impiegato per migliorare la duttilità e limitare i fenomeni fessurativi; > tubi in cls per realizzare canalizzazioni sotto pressione [15]; > sottostrutture ferroviarie precompresse sottoposte a carichi ciclici che generano problemi di fatica [16]. Sono inoltre in corso studi molto avanzati per la produzione di strutture scatolari per garage, cabine telefoniche e altri tipi Elementi prefabbricati di piccolo spessore. La prefabbricazione leggera fa uso di una notevole quantità di calcestruzzo per la realizzazione di manufatti che a volte sono sottoposti a sollecitazioni molto modeste in cui è sufficiente un rinforzo minimo per garantirne la duttilità (f i- gure 3 a,b). Altre tipologie di elementi devono resistere a carichi importanti, come le piastre per tombinature carrabili, dove i fori per i chiusini provocano la concentrazione degli sforzi (figura 3c); l ottimizzazione del rinforzo di questi elementi consiste nell abbinare un armatura convenzionale, nei punti in cui gli sforzi sono concentrati, al fibrorinforzo nei punti in cui gli sforzi sono diffusi. 3 a, b, c di contenitori [17]. Un interessante esempio applicativo è rappresentato dai pannelli esterni di tamponamento degli edifici industriali che non assolvono una particolare funzione statica principale in quanto sono in genere autoportanti e soggetti alla sola azione esterna del vento. Le fibre possono essere impiegate in sostituzione delle armature minime trasversali in elementi strutturali come le travi precompresse o gli elementi prefabbricati di copertura [5, 6, 18, 19]. Il maggiore controllo sul processo produttivo del calcestruzzo contribuisce inoltre all ottenimento di manufatti con caratteristiche meccaniche costantemente elevate, grazie al limitato scarto osservato sulla distribuzione del rinforzo in fibra [20], con conseguenti buone prospettive per una produzione in serie controllata. Alcune esperienze sperimentali relative ad elementi prefabbricati tipici realizzati con calcestruzzo rinforzato con fibre di acciaio (Steel Fibre Reinforced Concrete SFRC) sono brevemente descritte di seguito. 4

4 Pannelli di tamponamento. Questi elementi possono essere prodotti impiegando le fibre in sostituzione delle armature, in genere reti elettrosaldate, disposte nelle due facce della parete, mentre vengono mantenute le armature principali presenti nei cordoli perimetrali. Alcuni studi effettuati sui pannelli di tamponamento hanno mirato all ottimizzazione della geometria del manufatto considerando i requisiti statici, la possibilità di industrializzare il processo produttivo e di ridurre il peso globale del pannello [21]. Dopo aver definito un sistema di carico a controllo di spostamento ed un telaio di contrasto, sono stati provati pannelli disposti orizzontalmente (configurazione di carico maggiormente onerosa) soggetti pertanto alla flessione longitudinale da peso proprio e alla flessione trasversale dovuta all azione del vento (figura 4). La sperimentazione su elementi in scala reale ha messo in evidenza un comportamento dei pannelli in SFRC analogo a quello dei pannelli tradizionali in termini di rigidezza e di resistenza ultima. Elementi di copertura. Lo studio sulla possibilità di sostituire l armatura tradizionale con fibre di acciaio ha riguardato i tegoli di copertura, caratterizzati da un elevata snellezza (l/h fino a 35) e da sezioni in parete sottile e profilo aperto. A tal fine sono stati progettati e provati elementi in scala reale, sia tradizionali sia in SFRC, con sezione simmetrica e non [22-24]. La figura 5 illustra la geometria trasversale dell elemento di copertura maggiormente sperimentato (NGPL); complessivamente, tra fase iniziale di messa a punto, prove di lunga durata e prove finali con la geometria definitiva, sono stati sottoposti a prova di rot a. Manufatto in SFRC. 3b. Prova sperimentale su una bocca di lupo prefabbricata in SFRC. 3c. Prova di flessione su una piastra prefabbricata in SFRC. 4. Sistema di carico sul pannello di tamponamento in SFRC [13]. 5. Vista tridimensionale del manufatto di copertura tipo NGPL. 6. Tegolo in SFRC: collasso per distacco dell ala durante le prove sperimentali preliminari. 45

5 7. Tegolo in SFRC: prova finale sull elemento con geometria ottimizzata. 8. Curve carico-spostamento per NGPL in cls tradizionale e in SFRC tura 24 manufatti in scala reale. Alcuni tegoli sono stati inizialmente provati in controllo di carico presso lo stabilimento di produzione dell azienda ed hanno raggiunto il collasso secondo meccanismi differenti: per flessione longitudinale, per distacco di parte dell ala o per rottura della tavola centrale (figura 6). La sezione del tegolo è stata successivamente ottimizzata aumentando lo spessore delle ali in prossimità dei bulbi inferiori, in modo tale da favorire modalità di collasso di tipo duttile, basate su un adeguata ridistribuzione degli sforzi nel comportamento statico trasversale. La versione definitiva del tegolo è stata prodotta con l utilizzo di calcestruzzo fibrorinforzato autocompattante, miscela ottenuta alla fine di un processo di ottimizzazione del mix design che ha portato ad una materiale composito omogeneo, durevole e adatto alle applicazioni strutturali. Le prove di carico condotte sui tegoli nella configurazione ottimizzata sono state effettuate a controllo di spostamento presso il Laboratorio Prove dell Università di Brescia (figura 7). I risultati sperimentali hanno messo in luce una capacità portante ultima dei tegoli in SFRC superiore ed una maggiore duttilità rispetto ai tegoli con armatura convenzionale [25] (figura 8); ciò è stato possibile grazie alle risorse iperstatiche fornite dalla geometria della struttura e sfruttate dal materiale SFRC. Il comportamento duttile osservato sperimentalmente è di difficile previsione e valutazione in base a semplici modelli di calcolo. Per gli stessi elementi è stato possibile verificare anche la resistenza al fuoco mediante prove di caratterizzazione su campioni e su lastre di piccolo spessore. Travi precompresse. La possibilità di sostituire l armatura minima traversale (costituita da staffe) con l utilizzo di SFRC può permettere un significativo risparmio di manodopera. Il comportamento a taglio di manufatti in SFRC (con 50 kg/m 3 di fibre) è stato studiato con prove sperimentali su travi in scala reale senza armatura tradizionale (Beam 1), con armatura minima (tradizionale) a taglio ( B e a m 2), e in calcestruzzo fibrorinforzato (Beam 3 con 7 8 BIBLIOGRAFIA [1] ACI SP 182, Structural Applications of Fiber Reinforced Concrete, American Concrete Institute, Farmington Hills, [2] P. ROSSI, G. CHANVILLARD Eds., 5th RILEM Symp. on Fibre Reinforced Concretes (BEFIB 2000), RILEM Publications S.A.R.L., Cachan (Francia), 2000, 810 pp. [3] A.E. NAAMAN, H.W. 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6 fibre f = 45 e Beam 4 con fibre f = 80) [19,23]. La sperimentazione ha simulato il comportamento di una trave vicino agli appoggi, dove sono necessarie importanti quantitativi di armatura trasversale, e nelle zone centrali della trave dove è richiesta la disposizione della sola armatura minima. I risultati hanno evidenziato un comportamento delle travi in SFRC simile o migliore rispetto a quello delle travi con armatura a taglio minima determinata in accordo con le prescrizioni dell Eurocodice 2 [26]. Un buon comportamento a taglio è stato ottenuto anche dalla trave contenente fibre con rapporto d aspetto pari a 45. Inoltre, la resistenza a taglio viene notevolmente incrementata (~ 20%) se si utilizzano le fibre di acciaio in aggiunta all armatura secondaria convenzionale. Si è infine notato che le fibre permettono una significativa riduzione dell apertura delle fessure per taglio [19]. Le figure 9 e 10 mostrano, rispettivamente, una prova di taglio su trave precompressa in SFRC ed il confronto fra le curve taglio-spostamento ricavate dalle travi sperimentate. C o n c l u s i o n i. Le applicazioni correnti e la sperimentazione su elementi strutturali in scala reale ha messo in evidenza i notevoli vantaggi derivanti dall utilizzo del cls fibrorinforzato. L interesse crescente dell industria della prefabbricazione per l applicazione di questo materiale è giustificato dall incremento delle prestazioni riscontrate negli elementi e, nel contempo, dalla crescente industrializzazione del processo produttivo. Le fibre risultano utili per la resistenza a taglio delle travi, in particolare negli elementi precompressi fortemente iperstatici; negli elementi sperimentati il rinforzo fibroso ha fornito un contributo almeno pari a quello costituito dall armatura minima trasversale prevista dall EC2. Il fibrorinforzo è particolarmente significativo per gli elementi di piccolo spessore dove il cattivo posizionamento delle armature tradizionali può comprometterne la resistenza. Le applicazioni di questa tecnologia alla prefabbricazione sono ormai mature e in futuro è prevedibile che l ulteriore studio del materiale, con la combinazione di fibre (fibre ibride) e mix design diversi, porti ad un ulteriore miglioramento delle prestazioni strutturali. 9. Prova di taglio su trave in SFRC [19]. 10. Curve taglio-spostamento di una trave non armata, di una con armatura tradizionale e di due in SFRC [19] [15] E.J. PEDERSEN, Calculation of FRC Pipes based on the Fictitious Crack Model, International Report BKM, [16] H. FALKNER, V. HENKE, Innovation: Steel Fibre Concrete for Jointless Rail Tracks, Proc. of the Fifth RILEM Symposium on Fibre Reinforced Concrete BE- FIB, Lione (Francia), 2000, pp [17] B. 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