1. INTRODUZIONE

Dopo più di 40 anni di studi e ricerche, il calcestruzzo fibrorinforzato (Fibre Reinforced Concrete, FRC) rappresenta uno dei materiali compositi più innovativi le cui applicazioni trovano spazio in diversi settori delle costruzioni civili [1].

Le prime applicazioni strutturali del FRC avevano un carattere prettamente sperimentale ed erano volte a verificare le possibili potenzialità offerte da tale materiale innovativo; i più importanti progetti pionieristici impieganti FRC vennero realizzati negli USA ed avevano come oggetto esclusivamente la costruzione di opere quali le pavimentazioni per aeroporti [2], le barriere per la protezione delle darsene portuali e i rivestimenti temporanei delle gallerie minerarie realizzati con la tecnica dello “shotcrete”.

Il FRC venne lentamente introdotto nel mercato europeo solo alla fine degli anni settanta quando ancora non esistevano prescrizioni normative che regolamentassero l’impiego di tale materiale; ciononostante, il settore della prefabbricazione, assai diffuso in Europa e in particolar modo in Italia, iniziò da principio a sfruttare i calcestruzzi rinforzati con fibre di acciaio (SFRC) esclusivamente nella realizzazione di elementi di piccole dimensioni (tubi per condotti fognari, cabine di trasformazione elettrica, pozzetti d’ispezione ecc.).

I numerosi studi teorici e sperimentali hanno ora messo in evidenza le grandi potenzialità derivanti dall’uso del FRC negli elementi strutturali [3]. Studi recenti hanno evidenziato che il rinforzo fibroso risulta particolarmente utile anche per incrementare la resistenza agli urti e alle esplosioni che è particolarmente richiesta dalle costruzioni “sensibili” [4]; inoltre, le fibre migliorano anche la resistenza strutturale in presenza di carichi ciclici [5]. Recenti studi hanno evidenziato tutte le potenzialità del rinforzo fibroso anche per i rivestimenti finali delle gallerie, realizzati sia con tecniche convenzionali sia con conci prefabbricati [6].

La mancanza di una precisa regolamentazione normativa ha costituito per molti anni il principale ostacolo alla diffusione e all’impiego di questa tecnologia nel campo delle costruzioni. Ora, però, anche questo ostacolo è in via di rimozione in quanto sono attualmente disponibili raccomandazioni per la progettazione di elementi in FRC in Italia dove, in aggiunta alla norma UNI 11188 [7] e alle raccomandazioni CNR [8], anche la nuova normativa tecnica [9] apre la possibilità di utilizzo di questi materiali previa autorizzazione del Servizio Tecnico Centrale; in ambito internazionale, si deve osservare che anche il nuovo codice modello del fib [10], uno dei documenti prenormativi più autorevoli al mondo, include il FRC tra i materiali dal costruzione.

L’interesse dell’industria della prefabbricazione nell’impiego dei calcestruzzi fibrorinforzati deriva principalmente dai vantaggi offerti da tale materiale in termini di industrializzazione dei processi produttivi e riduzione dei costi e dei tempi di produzione [11]; infatti, la presenza del rinforzo direttamente nel getto di calcestruzzo, consente di ridurre i tempi di esecuzione e favorisce l’industrializzazione del processo costruttivo. Non si deve comunque dimenticare che le proprietà meccaniche offerte dai FRC consentono di limitare i fenomeni fessurativi, incrementando così la durabilità delle strutture.

Il Dipartimento DICATA dell’Università di Brescia (Ingegneria civile, Architettura, Territorio e Ambiente) è da tempo coinvolto in numerosi programmi di ricerca focalizzati sullo studio di soluzioni progettuali che consentano l’impiego dei calcestruzzi FRC nelle strutture prefabbricate. In tale contesto, una delle ricerche più recenti, condotte in collaborazione con la Leon Bekaert Italia, ha come obiettivo lo studio numerico di alcune particolari tipologie di elementi prefabbricati allo scopo di ottimizzare l’armatura tradizionalmente impiegata dal costruttore attraverso l’impiego delle fibre in acciaio. Con il termine “ottimizzazione dell’armatura” si intende l’individuazione di una opportuna combinazione di fibre d’acciaio ed armature convenzionali (barre o reti), localmente disposte all’interno della struttura in modo da far fronte allo sviluppo degli sforzi localizzati indotti dai carichi applicati alla struttura stessa. Concordemente con quanto previsto dalla normativa tecnica vigente [9], la combinazione di fibre e armature convenzionali deve essere in grado di garantire all’elemento strutturale sia la necessaria capacità portante, in funzione dei carichi di progetto previsti, sia un comportamento in esercizio caratterizzato da deformazioni adatte alle condizioni d’impiego della struttura e da quadri fessurativi compatibili con le condizioni ambientali previste.

Nel presente lavoro si presentano alcuni dei risultati recentemente ottenuti all’Università di Brescia relativamente al tema dell’ottimizzazione dell’armatura negli elementi prefabbricati; in particolare, l’attenzione verrà focalizzata su alcune particolari tipologie di strutture per le quali l’impiego degli SFRC costituisce ad oggi un aspetto di assoluta novità.

2. PROPRIETÀ MECCANICHE DEL CALCESTRUZZO FIBRORINFORZATO

Le fibre comunemente utilizzate nelle applicazioni strutturali fungono da elemento resistente diffuso capace di influenzare il processo di micro e macro fessurazione del calcestruzzo, limitando sia la formazione che il processo di propagazione e di crescita delle fessure. Dal punto di vista meccanico, le fibre interagiscono con la matrice cementizia creando una sorta di ponte di collegamento (crack-bridging) tra le micro-fessure, che consente il trasferimento degli sforzi di trazione fra i lembi delle fessure stesse (Fig. 1).

Poiché le fibre si attivano solo dopo la microfessurazione della matrice, la resistenza a trazione del FRC è la stessa della matrice (Fig. 2a); ben diversa è invece la resistenza post-fessurazione che è significativamente superiore a quella del calcestruzzo ordinario ed aumenta con il dosaggio di fibre (Fig. 2b). La resistenza residua dipende anche dalla tipologia delle fibre; per esempio, le fibre corte (5-10 mm) si attivano subito dopo la fessurazione della matrice, in quanto sono in grado di intercettare le microfessure (con ampiezze di pochi micron), mentre le fibre più lunghe (30-60 mm) sono più efficaci in presenza di fessure con ampiezze di qualche decimo di millimetro; in tutti i casi, le fibre consentono il trasferimento degli sforzi di trazione e limitano l’ampiezza delle fessure stesse.

Affinché l’efficacia del rinforzo fibroso sia garantita è necessario che le fibre abbiano un elevato rapporto d’aspetto (rapporto tra la lunghezza e il diametro equivalente della fibra) e che il dosaggio di fibre prescelto sia tale da garantirne una presenza continua del fibrorinforzo all’interno della matrice cementizia; a tal proposito, le istruzioni CNR DT204 [8] richiedono una percentuale volumetrica minima di fibre pari al 0,3% mente la normativa UNI 11039 [12], prescrive un dosaggio minimo di fibre di acciaio pari a 25 kg/m³ (0,32% in volume).

Le caratteristiche meccaniche del FRC possono essere determinate con la prova UNI 11039 [12] o con la UNI EN 14651 [13]. Le regole di progettazione fornite dalle istruzioni CNR DT204 [8] utilizzano le proprietà fornite dalla UNI 11039; in particolare, i valori di resistenza residua f_eq1 e f_eq2 (Fig. 3a), rispettivamente rappresentativi del comportamento post-fessurativo del materiale nelle condizioni di esercizio (SLS) e ultime (SLU), sono utilizzati per la determinazione del legame costitutivo del FRC che,in fase fessurata, può essere approssimato con un andamento lineare o rigido-plastico [14]. Adottando il legame costitutivo lineare, la resistenza post fessurazione varia dal valore fFts al valore fFtu (Fig. 3b), entrambi determinati a partire dai parametri f_eq1 e f_eq2 [8].

Gli esempi applicativi presentati nel seguito sono il risultato degli studi numerici condotti considerando calcestruzzi rinforzati con fibre di acciaio DRAMIX RC-80/60-CN. In Tabella 1 sono riassunte le principali proprietà di frattura dei calcestruzzi considerati, con particolare riferimento alle resistenze caratteristiche (per SLE) e di progetto (per SLU) adottate nelle simulazioni numeriche agli elementi finiti basate sulla meccanica della frattura non-lineare (NLFM) [15] per sfruttare al meglio tutte le risorse di resistenza del materiale.

3. L’ARMATURA “OTTIMIZZATA”

Il principale vantaggio derivante dall’impiego delle fibre è il miglioramento della resistenza a trazione nel comportamento post-fessura del calcestruzzo. In generale, nelle applicazioni strutturali, le fibre sono in grado di sostituire parte dell’armatura tradizionale; infatti, dalle numerose evidenze sperimentali rintracciabili in letteratura [4], si evince che se da un lato le fibre conferiscono alla struttura un’elevata capacità di resistere agli sforzi diffusi, dall’altro le armature tradizionali rappresentano il sistema di rinforzo più efficace per contrastare gli sforzi localizzati. L’armatura tradizionale e le fibre devono quindi essere considerate come sistemi di rinforzo complementari (non in competizione), la cui opportuna combinazione consente di individuare un’armatura ottimizzata mediante la quale è possibile ottenere le massime prestazioni strutturali dell’elemento prefabbricato al minor costo. Si deve inoltre osservare che l’impiego di un fibrorinforzo diffuso consente di limitare l’ampiezza delle fessure con conseguente miglioramento della durabilità della struttura [16].

Si deve inoltre sottolineare come i benefici apportati dall’impiego di un’armatura ottimizzata non riguardino solo il comportamento strutturale ma anche gli aspetti legati al processo produttivo, che diventa particolarmente significativo nella prefabbricazione [5]; tali benefici possono essere così sintetizzati:

1. riduzione dei costi e dei tempi necessari per la posa in opera e per la lavorazione delle armature convenzionali;

2. possibilità di realizzare elementi con spessori limitati (assenza di limitazioni legate ai copriferri) e forme complesse;

3. eliminazione dei problemi legati al mantenimento della corretta posizione delle armature durante la fase di getto (problema particolarmente rilevante soprattutto nelle strutture caratterizzate da spessori limitati);

4. semplificazione dei dettagli costruttivi delle armature;

5. riduzione gli spazi necessari per lo stoccaggio e l’immagazzinamento delle armature.
In conclusione, l’impiego dell’armatura ottimizzata (fibre + armatura tradizionale) rappresenta una strada percorribile che consente di unire ai vantaggi legati al miglioramento del comportamento strutturale dei manufatti, quelli di tipo economico e tecnologico legati all’ottimizzazione del processo industriale di produzione dei prefabbricati.

4. ESEMPI APPLICATIVI

Tra le varie applicazioni studiate nell’ambito della convenzione di ricerca (vasche interrate per la raccolta d’acqua, tubi a sezione circolare e rettangolare, elementi di rivestimento per impalcati da ponte, piastre su pali, plinti e fondazioni continue), nel seguito si riportano alcuni esempi di ottimizzazione dell’armatura relativi a tre particolari tipologie di elementi prefabbricati, tradizionalmente prodotti impiegando calcestruzzo a normale resistenza (C35/45) armato con armature convenzionali. Lo studio di tali elementi è stato svolto avvalendosi dell’impiego di programmi agli elementi finiti (Diana9.3 [17] e Vector 2 [18]), mediante i quali è possibile simulare il comportamento della struttura in SFRC in campo non-lineare.

4.1 Tubi prefabbricati
Una interessante applicazione è rappresentata dai tubi prefabbricati componibili a sezione rettangolare (Fig. 4), impiegati per il trasporto d’acqua o di reflui; nella fattispecie, l’esempio nel seguito riportato prende in considerazione un tubo a base rettangolare, avente una sezione trasversale con dimensioni pari a 3440x2440 mm e una profondità di 1100 mm (Fig. 5). Il tubo in oggetto è progettato per essere interrato ad una profondità di 500 mm e sottoposto ad un carico mobile per ponti di 1a Categoria [9] applicato alla quota del piano campagna (Fig. 6).

La soluzione progettuale tradizionalmente impiegata dal prefabbricatore prevede l’impiego di un’armatura principale costituita da ferri correnti disposti lungo le pareti e le solette orizzontali e un’armatura secondaria di congruenza disposta in direzione trasversale rispetto alla sezione dell’elemento (Fig. 7); la posa della gabbia d’armatura influenza sensibilmente i tempi e i costi di realizzazione di questi elementi prefabbricati.

Lo studio numerico condotto ha permesso di giungere alla formulazione di un’armatura ottimizzata, notevolmente semplificata rispetto alla soluzione tradizionale, che si caratterizza per l’impiego di 35 kg/m³ di fibre d’acciaio e barre d’acciaio posizionate esclusivamente lungo le pareti verticali e all’intradosso delle due solette orizzontali (Fig. 8). Grazie all’impiego delle fibre d’acciaio è stato quindi possibile giungere alla completa eliminazione dell’armatura secondaria e alla semplificazione delle armature principali, ottenuta sfruttando le proprietà meccaniche a trazione offerte dall’SFRC. La notevole semplificazione della gabbia d’armatura tradizionalmente impiegata dal prefabbricatore è principalmente dovuta all’importante riduzione del quantitativo di barre impiegate; infatti, nonostante la soluzione ottimizzata e la soluzione tradizionale presentino un’incidenza d’armatura globale molto simile, la riduzione delle armature convenzionali, ottenuta attraverso l’impiego delle fibre, risulta essere pari al 30%.

Le simulazioni numeriche svolte hanno inoltre permesso di prevedere il possibile quadro fessurativo esibito dal tubo con armatura ottimizzata nelle condizioni di esercizio; a tal proposito, il contour delle fessure riportato in Figura 9 evidenzia come, grazie all’impiego dell’SFRC, il quadro fessurativo presente nel tubo prefabbricato sia prevalentemente caratterizzato dalla formazione di fessure diffuse aventi aperture massime (wMAX) di 0,05 mm, totalmente compatibili con le condizioni d’impiego della struttura e negli ambienti aggressivi previsti dalla normativa [9].

4.2 Vasche per l’accumulo d’acqua

Un altro caso di particolare interesse è quello delle vasche interrate utilizzate per l’accumulo d’acqua (Fig. 10). In particolare, il caso oggetto di studio riguarda una vasca prefabbricata di forma prismatica rettangolare, avente dimensioni pari a 5,04 x 2,5 m, in pianta, e 2,5 m in altezza, con capacità di 28000 litri. In Figura 11 sono sinteticamente schematizzati i carichi considerati nella simulazione numerica della vasca interrata: come si può osservare, la condizione di carico più gravosa prevede che la vasca sia vuota e che, sulle sue pareti, agiscano contemporaneamente la spinta geostatica del terreno e la pressione prodotta da un sovraccarico mobile previsto per ponti di 1a Categoria [9], applicato ai lati della vasca a livello del piano campagna.

Gli schemi riportati in Figura 12 evidenziano le principali caratteristiche geometriche della vasca prefabbricata e i particolari costruttivi delle armature convenzionali tradizionalmente impiegate nella produzione della struttura. Come si può notare, la principale peculiarità della vasca in oggetto è quella di possedere una complessa geometria contraddistinta da spessori alquanto limitati (80-100 mm) che causano notevoli difficoltà nelle fasi di posizionamento della gabbia d’armatura all’interno dei casseri. Tali difficoltà possono essere superate impiegando un rinforzo diffuso, costituito da 30 kg/m3 di fibre di acciaio, che consente di eliminare completamente la rete elettrosaldata, generalmente posizionata al centro delle pareti e del fondo vasca, limitando così le armature convenzionali alle sole zone soggette a sforzi localizzati (Fig. 13). Rispetto alla soluzione tradizionale, l’impiego del SFRC consente una riduzione del 49% dell’incidenza globale d’armatura ed un conseguente riduzione di armature convenzionali pari al 79%.

Le analisi numeriche svolte hanno mostrato che, in presenza del carico d’esercizio, la vasca sviluppa un quadro fessurativo di modesta entità, caratterizzato per lo più da fessure di ampiezza micrometrica diffuse principalmente sulla superficie interna della parete più lunga e ai lati della superficie d’appoggio (Fig. 14); di conseguenza, il quadro fessurativo individuato non è tale da compromettere la normale funzionalità della struttura ed è pienamente compatibile con le condizioni ambientali ipotizzate.

5. CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE

Il calcestruzzo rinforzato è un materiale dalle notevoli potenzialità che trova sempre più spazio nel settore della prefabbricazione. Grazie all’impiego delle fibre, in sostituzione parziale dell’armatura tradizionale, è possibile ottenere un materiale composito che presenta proprietà meccaniche e di durabilità superiori rispetto a quelle dei calcestruzzi tradizionali.

Le particolari applicazioni descritte nel presente articolo costituiscono un importante esempio di come l’armatura tradizionale possa essere sostituita da un’armatura ottimizzata costituita da un’opportuna combinazione di fibre di acciaio e di barre (o rete); i risultati ottenuti dimostrano che l’impiego del fibrorinforzo può consentire di ottenere una notevole riduzione dell’armatura convenzionale.

L’impiego dell’armatura ottimizzata in ambito progettuale costituisce ad oggi una realtà facilmente applicabile anche grazie all’esistenza di un quadro normativo sempre più delineato rispetto al passato.

RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI

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[19] N. Banthia, “Fiber Reinforced Concrete for Bridge Decks”, Proceedings of the “International Workshop on Innovative Bridge Deck Technologies”, April 14-15, 2005, Winnipeg, Canada.

RINGRAZIAMENTI
La presente ricerca è stata finanziata dalla Leon Bekaert S.p.A. Gli Autori desiderano ringraziare i responsabili della sede centrale (in Belgio) e della sede italiana per il sostegno di tutte le attività.