Prefabbricazione leggera in calcestruzzo fibrorinforzato

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1 Prefabbricazione leggera in calcestruzzo fibrorinforzato Brescia, Settembre 2005 Prof. Ing. Giovanni Plizzari

2 Pag.: 2/10 1. INTRODUZIONE Il calcestruzzo fibrorinforzato (FRC) è un materiale composito caratterizzato da una matrice cementizia e da fibre discrete (discontinue). La matrice è costituita da calcestruzzi o malte, normali o ad alte prestazioni. Le fibre possono essere di acciaio, di materiale polimerico, di vetro, o di materiali naturali. Le proprietà del composito dipendono dalle caratteristiche dei materiali componenti e dai loro dosaggi ed in particolare dalla geometria, dalla percentuale volumetrica e dalle caratteristiche meccaniche delle fibre, dall aderenza tra fibre e matrice di calcestruzzo, dalle caratteristiche meccaniche della matrice. Le fibre possono esercitare un controllo sulla fessurazione e/o modificare significativamente la tenacità del materiale. Quando posto in opera il calcestruzzo fibrorinforzato acquista proprietà che dipendono anche da fattori legati alla tecnologia esecutiva ed alle caratteristiche dimensionali della struttura. Tali fattori sono ad esempio il grado di dispersione delle fibre nella miscela, la forma e le dimensioni caratteristiche della struttura, la possibile anisotropia del rinforzo fibroso, la direzione di avanzamento e la modalità di maturazione del getto. 2. IL CALCESTRUZZO RINFORZATO CON FIBRE DI ACCIAIO L impiego dei calcestruzzi rinforzati con fibre di acciaio (Steel Fiber Reinforced Concrete SFRC) è una realtà innovativa per 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 sostituire l armatura secondaria convenzionale [1-5]. L industria della prefabbricazione è particolarmente interessata nello sviluppare applicazioni industriali impiegando questa tecnologia in quanto vengono migliorate sia l industrializzazione del processo produttivo che le prestazioni dei manufatti realizzati [6]. Inoltre, quando l impiego delle fibre permette di sostituire l armatura superficiale, lo spessore degli elementi può essere ridotto in quanto non è più necessario garantire il copriferro minimo delle armature tradizionali. Infine, proprio negli elementi sottili, le tolleranze di posiziona-

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4 Pag.: 4/ Carbonatazione La presenza di fibre non influenza significativamente il fenomeno della carbonatazione in quanto non sono stati rilevati incrementi della profondità del fronte di avanzamento della CO Ossidazione delle fibre In presenza di fibre di acciaio, è possibile il verificarsi di affioramenti localizzati di ossidi di ferro. L effetto ha una valenza meramente estetica e può essere evitato proteggendo le fibre con trattamento di zincatura o con l impiego di fibre di acciaio inox Comportamento al fuoco. Le ricerche sin qui svolte sul comportamento al fuoco di calcestruzzi rinforzati con fibre in acciaio hanno evidenziato i seguenti aspetti: - basse percentuali di fibre (sino all 1%), non alterano significativamente la diffusività termica, che rimane dunque calcolabile sulla base dei dati raccolti per la matrice; - il danneggiamento introdotto esponendo il materiale ad un ciclo termico fino a 800 C, risulta prevalentemente correlato alla massima temperatura raggiunta nel ciclo e produce un effetto irreversibile sulla matrice che pertanto permane anche dopo aver riportato il materiale alla temperatura ambiente. Questa osservazione, valida prevalentemente per fibre metalliche e con limitate percentuali volumetriche, consente di poter valutare, in condizioni di temperatura ambiente, il degrado indotto dal ciclo termico sulla base della resistenza residua; - la resistenza di prima fessurazione al variare della temperatura massima risulta tendenzialmente allineata a quella della matrice. Per temperature superiori ai 600 C, le fibre migliorano il comportamento della matrice; - la variazione del modulo elastico al variare della temperatura massima raggiunta nel ciclo termico dei calcestruzzi fibrorinforzati non risulta influenzata significativamente dalla presenza di limitate percentuali volumetriche ( 1%) di fibre, e pertanto può essere assimilata a quella della matrice. La presenza di fibre in polipropilene risulta efficace per limitare gli effetti di spalling distruttivo.

5 Pag.: 5/10 4. APPLICAZIONI DEL SFRC NELLA PREFABBRICAZIONE 4.1. Elementi prefabbricati di piccolo spessore L adozione della tecnologia SFRC ha permesso la realizzazione di elementi prefabbricati di vario tipo, da strutture di piccole dimensioni soggette a carichi modesti in cui è sufficiente un rinforzo minimo per garantirne la duttilità (Figg. 1a,b,c,d), a pannelli di tamponamento autoportanti e a manufatti di grande luce da impiegare per la realizzazione di coperture di edifici. Figura 1a. Prova di flessione su una piastra prefabbricata in SFRC. Figura 1b. Quadro fessurativo finale nella piastra in SFRC. Figura 1c. Prova sperimentale su una bocca di lupo prefabbricata in SFRC. Figura 1d. Manufatto in SFRC.

6 Pag.: 6/ Pannelli di tamponamento Lo studio sui pannelli di tamponamento ha 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 [13]. 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 (Fig. 2). La sperimentazione ha messo in evidenza un carico ultimo dei pannelli in SFRC analogo a quello dei pannelli tradizionali ed un miglioramento dei fenomeni fessurativi dovuto al rinforzo distribuito della fibra. Figura 2. Sistema di carico sul pannello di tamponamento in SFRC [13] Elementi di copertura Lo studio sulla possibilità di sostituire l armatura tradizionale con l SFRC 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. Sono stati progettati e provati elementi in scala reale, sia tradizionali che in SFRC, con sezione simmetrica e non [14]. 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

7 Pag.: 7/10 omogeneo, durevole e adatto alle applicazioni strutturali. Le prove di carico condotte sui tegoli così realizzati sono state effettuate a controllo di spostamento presso il Laboratorio Prove dell Università di Brescia (Fig. 3). Le prove finali, con carichi longitudinalmente distribuiti lungo la tavola centrale e i bulbi superiori, e carichi concentrati applicati in corrispondenza dei bulbi inferiori, hanno messo in luce una capacità portante ultima dei tegoli in SFRC superiore ed una maggiore duttilità rispetto ai tegoli con armatura convenzionale (Fig. 4); 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. Le prove sperimentali condotte in questa seconda fase hanno confermato il miglior comportamento degli elementi realizzati in SFRC rispetto a quelli realizzati tradizionalmente Load [kn] Fibre 80/30 Fibre 45/30 Fibre 45/30 Armatura tradizionale Displacement [mm] Figura 3. NGPL in SFRC: test finale [14]. Figura 4: Curve carico-spostamento per NGPL in calcestruzzo tradizionale e in SFRC [14] I risultati positivi relativi alla possibilità di combinare la tecnologia SFRC con la produzione di elementi prefabbricati, ottenuti sia dall analisi del comportamento strutturale dei manufatti in scala reale che dallo studio del comportamento al fuoco e della durabilità del materiale composito, forniscono dati incoraggianti per ulteriori applicazioni, soprattutto nell ambito di elementi di piccolo spessore dove il cattivo posizionamento delle armature tradizionali può comprometterne la resistenza. Il maggiore controllo sul processo produttivo garantito dalla tecnologia SFRC contribuisce inoltre all ottenimento di manufatti con caratteristiche meccaniche costantemente elevate

8 Pag.: 8/10 grazie al limitato scarto osservato sulla distribuzione del rinforzo in fibra [15], con conseguenti buone prospettive per una produzione in serie controllata Travi precompresse La possibilità di sostituire l armatura minima traversale (costituita da staffe) con l utilizzo di calcestruzzi rinforzati con fibre può permettere un significativo miglioramento delle prestazioni strutturali. Il comportamento a taglio di manufatti in SFRC è stato studiato con prove sperimentali su travi in scala reale senza armatura tradizionale, con armatura minima a taglio, e in calcestruzzo fibrorinforzato [16]. 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. La sperimentazione ha mostrato 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 [17]. Il miglior comportamento a taglio è stato ottenuto dalla trave contenente 50 kg/m 3 di fibre con rapporto d aspetto pari a 80. Inoltre, la resistenza a taglio viene notevolmente incrementata (~ 20%) se si utilizzano le fibre in aggiunta all armatura secondaria convenzionale. Globalmente le fibre permettono la riduzione dell apertura delle fessure per taglio [16]. Le Figure 5 e 6 mostrano rispettivamente una prova di taglio su trave in SFRC ed il confronto fra le curve taglio-spostamento ricavate dalle travi sperimentate. A1 B1 A2 B2 A3 NOT DIFFUSED PRESTRESSING DIFFUSED PRESTRESSING DIFFUSED NOT DIFFUSED PRESTRESSING PRESTRESSING 1250 SECTION A1, A2, A3 SECTION B1, B Figura 5. Prova di taglio su trave in SFRC [16].

9 Pag.: 9/10 Figura 6. Curve taglio-spostamento di una trave non armata, di una con armatura tradizionale e di due in SFRC [16]. 5. 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, France, 2000, 810. [3] A.E. NAAMAN, H.W. REINHARDT, High performance fiber reinforced cement composites HPFRCC4, RILEM Proc., PRO 30, RILEM Publications S.A.R.L., Bagneaux (France), 2003, 546. [4] M. DI PRISCO, G.A. PLIZZARI Eds, La meccanica della frattura nel calcestruzzo ad alte prestazioni, Atti della giornata di studio IGF, Starrylink Editrice, [5] B. SCHNÜTGEN, L. VANDEWALLE Eds, Test and Design Methods for Steel Fibre Reinforced Concrete - Background and Experiences, Proc. of the RILEM TC 162-TDF Workshop, Bochum (Germany), March 20-21, 2003), 209. [6] M. DI PRISCO, G. TONIOLO Eds., Structural applications of steel fibre reinforced concrete, Proc. of the international workshop. Milan, April 4, CTE publ., 2000, 126. [7] F. MINELLI, L. COMINOLI, A. MEDA, G. PLIZZARI, P. RIVA, Full-Scale Tests on HPSFRC Prestressed Roof Elements Subjected to Longitudinal Flexure, Proc. of the International Workshop on High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites in Structural Applications, Li V.C. e Fisher G. Eds., Honolulu (USA), Maggio (su CD). [8] B. SCHNÜTGEN, Design of Precast Steel Fibre Reinforced Tunnel Elements, in Test and Design Methods for Steel Fibre Reinforced Concrete - Background and Experiences, Proc. of the RILEM TC 162-TDF Workshop, Bochum (Germany), March 20-21, 2003,

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