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: bryan.barragan@basf.com,

sandro.moro@basf.com; web page: http://www.basf-cc.it; www.basfcostruzioni.it. 2Costruzioni Generali di Capoia Daniele, Via G.Polese 4, 31010 Cimadolmo (TV), e-mail: emilio.vendrame@capoiacostruzioni.it,

daniele.capoia@capoiacostruzioni.it 3Building Project srl, Viale Italia 134, Conegliano (TV), Italy. e-mail: l.toffoli@buildingproject.it. 4DICATA - Department of Civil, Architectural, Environmental and Land Planning Engineering, University of Brescia, Via Branze 43,

25123 Brescia, Italy, e-mail: antonio.conforti@ing.unibs.it; fausto.minelli@ing.unibs.it; plizzari@ing.unibs.it.

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.