Comportamento del calcestruzzo additivato con fibre polimeriche strutturali nel
mondo della prefabbricazione
S.Moro1, B.Barragan1, E.Vendrame2, D.Capoia2, L.Toffoli3, G.Plizzari4, F.Minelli4
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.
1BASF Construction Chemicals Italia Spa, Via Vicinale delle Corti 21, 31100 Treviso, Italy. e-mail: [email protected],
[email protected]; web page: http://www.basf-cc.it; www.basfcostruzioni.it. 2Costruzioni Generali di Capoia Daniele, Via G.Polese 4, 31010 Cimadolmo (TV), e-mail: [email protected],
[email protected] 3Building Project srl, Viale Italia 134, Conegliano (TV), Italy. e-mail: [email protected]. 4DICATA - Department of Civil, Architectural, Environmental and Land Planning Engineering, University of Brescia, Via Branze 43,
25123 Brescia, Italy, e-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected].
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
14651 doveva soddisfare la classe 2c descritta nel Codice Modello 2010 (fR1k 2, 0.9 fR3k/fR1k 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 250 250 Cenere Volante 250 250
Sabbia 0/4 875 875
Ghiaia 8/16 875 838
Acqua 188 188
MASTERFIBER 246 (Vol. %) -- 1.45
Glenium SKY 698 (% sul cem.) 0.5 1.5
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
14651. 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.
0
1
2
3
4
5
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
No
min
al S
tre
ss s
N[M
Pa
]
CTODm [mm]
PFRC: Three Point Bending Test
PFRC beams
PC beams
150
150
25
600
250
250
Beams PC PFRC
Fibres Vf (%) 0.00 1.45
fcm [MPa] 31.2 (0.84) 26.0 (1.67)
fctm [MPa] 2.2 2.2
Ecm [MPa] 28100 27200
fR,1 [MPa] -- 2.4
fR,2 [MPa] -- 2.8
fR,3 [MPa] -- 2.9
fR,4 [MPa] -- 2.9
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.
3000
262 738 1000 738 262
a=2.5d=738
P/2 P/2
d=
29
5
890
33
0
35
16Ø16 rebars16Ø16
rebars
6Ø16 rebars6Ø16
rebars
W890 PFRC
W430 PC
8Ø16 rebars8Ø16
rebars
W510 PFRC
P/2 P/2
3000
3000
P/2 P/2
d=
25
5
650
25
0
35
8Ø16
rebars
29
0
770
35
770
29
0
35
430
25
0
35
510
29
0
35
12Ø16
rebars12Ø16 rebars
W770 PC and PFRC
d=
25
5
a=2.5d=638
12Ø16 rebars12Ø16
rebars
4Ø8
rebars
Stirrups Ø6@150mm 4 legs
W770 MSR
462 538 1000 538 462
362 638 1000 638 362
a=2.5d=538mm
a=2.5d=638
W650 PFRC
P
3000
462 538 1000 538 462
a=2.5d=538
3000
362 638 1000 638 362
P/2 P/2
P/2 P/2
P/2 P/2
d=
21
5d
=2
15
d=
25
5
8Ø16 rebars
4Ø8 rebars
3000
362 638 1000 638 362
a=2.5d=638
Tipologia di rinforzo per MSR Tipologia di rinforzo per le altre travi
Presso un impianto di preconfezionato sono stati prodotti 6 m3 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 2m3 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.
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.
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).
0
150
300
450
600
750
900
1050
1200
0 10 20 30 40 50 60
Displacement [mm]
Beams W=770 mm
d=255mm
W770 PC
W770 MSR
W770 PFRC
Load
[kN]
P/2 P/2
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.
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.