Calcestruzzo fibrorinforzato: progetta in modo nuovo [novità NTC2018]

Con le nuove NTC2018, nel capitolo 11 relativo ai materiali per uso strutturale, per la prima volta viene citato il calcestruzzo fibrorinforzato, indicato anche con la sigla FRC ovvero Fiber Reinforced Concrete. Si tratta di un calcestruzzo dalle prestazioni migliorate grazie all’aggiunta nell’impasto di fibre discontinue in acciaio o polimeriche. Nel nuovo post di oggi ti parlo delle proprietà di questo materiale innovativo e di come puoi sfruttarle al meglio per ottimizzare la progettazione strutturale ottenendo alte prestazioni e un risparmio nei costi di costruzione e nei tempi di messa in opera.

Come si produce il calcestruzzo fibrorinforzato

Il calcestruzzo fibrorinforzato si ottiene dall’aggiunta di fibre all’interno del conglomerato cementizio. A seconda della percentuale volumetrica di fibre aggiunte all’impasto, si otterrà un diverso comportamento meccanico del calcestruzzo fibrorinforzato. La presenza delle fibre modifica sensibilmente il comportamento in trazione del calcestruzzo. Il comportamento in compressione dell’FRC risulta invece praticamente identico a quello del calcestruzzo ordinario.

Le fibre che vengono aggiunte all’impasto possono essere:

  • di acciaio;
  • polimeriche (nylon, arammide, poliestere, acrilico, polietilene o polipropilene)
  • di carbonio.

Le fibre sono caratterizzate dai seguenti parametri:

  • diametro equivalente della fibra;
  • lunghezza della fibra;
  • rapporto d’aspetto: è dato dal rapporto fra lunghezza della fibra e il diametro equivalente;
  • forma (fibre lisce o uncinate)

Il contributo delle fibre nel comportamento in trazione del calcestruzzo entra in gioco al manifestarsi della fessurazione del conglomerato cementizio. Una volta che la matrice di calcestruzzo si è fessurata, le fibre a cavallo della fessura iniziano a tendersi e ad opporsi all’apertura della fessura, chiamando in gioco la propria elevata resistenza in trazione. 

A seconda della percentuale volumetrica di fibre aggiunte all’impasto, si possono ottenere due diversi comportamenti nel legame forza-spostamento di un provino in FRC sollecitato in trazione:

  • degradante: si ha per basse percentuali volumetriche di fibre comprese fra lo 0.2% e il 2%; dopo il raggiungimento della resistenza a trazione di picco, pari alla resistenza a trazione del calcestruzzo, si ha un ramo discendente nel legame forza-spostamento;
  • incrudente: si ha per alte percentuali volumetriche di fibre comprese fra il 2% e l’8%; il legame forza-spostamento è sempre crescente all’aumentare dello spostamento.
legame incrudente degradante calcestruzzo fibrorinforzato

Legame incrudente e degradante del calcestruzzo fibrorinforzato

Come puoi vedere dal legame forza-spostamento dell’immagine sopra, nel comportamento incrudente, la resistenza a trazione del provino è maggiore della resistenza a trazione del solo conglomerato cementizio; ciò accade grazie ad un fenomeno di multifessurazione dovuto all’alta percentuale volumetrica di fibre.

I vantaggi dell’FRC

I vantaggi dell’FRC superano di gran lunga gli svantaggi. La presenza delle fibre all’interno della matrice cementizia assicura i seguenti requisiti:

  • maggiore duttilità;
  • riduzione dei quantitativi di armatura;
  • riduzione del comportamento fragile della matrice cementizia;
  • maggiore resistenza alla fatica, agli urti, alle abrasioni e agli stress termici;

In particolare è da notare la notevole riduzione dei quantitativi necessari di barre di armature. L’utilizzo dell’FRC può consentire anche la realizzazione di elementi strutturali (travi o pilastri) privi di armatura. In tal caso si riducono drasticamente i costi relativi all’acciaio e i tempi necessari per la lavorazione e la messa in opera dei ferri di armatura; per poter realizzare elementi privi di armatura tradizionale, il calcestruzzo fibrorinforzato dovrà avere un legame incrudente.

FRC vs Calcestruzzo tradizionale: un esempio numerico

Di seguito ti riporto un esempio numerico di confronto fra i diversi valori dei momenti resistenti allo Stato Limite Ultimo per una sezione in cemento armato nei seguenti tre casi:

  • Calcestruzzo ordinario con barre di armature in acciaio;
  • Calcestruzzo fibrorinforzato in assenza di armatura longitudinale;
  • Calcestruzzo fibrorinforzato con barre di armatura longitudinale.

I risultati numerici ottenuti sono stati valutati grazie all’ultima versione 6.0 di Ver.Sez. PREMIUM che sarà disponibile prossimamente.

Sezione in calcestruzzo armato ordinario

  • Sezione rettangolare 30×60;
  • Armatura 4phi16 superiori + 4phi16 inferiori;
  • Calcestruzzo ordinario C20/25;
  • Momento resistente MRd+ = 171.82 kNm
sezione in calcestruzzo armato

Sezione in calcestruzzo armato tradizionale

Sezione in calcestruzzo fibrorinforzato in assenza di armatura

  • Calcestruzzo fibrorinforzato, resistenza a trazione fFTu = 6 N/mmq;
  • Assenza di armatura longitudinale;
  • Calcestruzzo compresso C20/25;
  • Momento resistente MRd+ = 187.36 kNm
Sezione in calcestruzzo fibrorinforzato in assenza di armatura longitudinale

Sezione in calcestruzzo fibrorinforzato in assenza di armatura longitudinale

Sezione in calcestruzzo fibrorinforzato con armatura tradizionale in acciaio

  • Calcestruzzo fibrorinforzato, resistenza a trazione fFTu = 6 N/mmq;
  • Presenza di armatura longitudinale: 4phi16 superiori + 4phi16 inferiori;
  • Calcestruzzo compresso C20/25;
  • Momento resistente MRd+ = 337.92 kNm.
Sezione in calcestruzzo fibrorinforzato con armatura tradizionale in acciaio

Sezione in calcestruzzo fibrorinforzato con armatura tradizionale in acciaio

Riepilogo dei momenti resistenti allo SLU ottenuti per i tre casi analizzati:

  • Sezione in calcestruzzo armato ordinario: MRd = 171.82 kNm
  • Sezione in calcestruzzo fibrorinforzato in assenza di armatura: MRd = 187.36 kNm
  • Sezione in calcestruzzo fibrorinforzato in presenza di armatura: MRd = 337.92 kNm

Nel caso di utilizzo di calcestruzzo fibrorinforzato in assenza di armatura si ha praticamente lo stesso momento resistente della sezione in calcestruzzo tradizionale con un lieve incremento pari al 9% (da 171.82 kNm a 187.36 kNm). Il vantaggio di questa soluzione sta nel risparmio dell’acciaio di armatura e dei tempi di lavorazione e messa in opera delle barre di armatura.

Nel caso di sezione in calcestruzzo fibrorinforzato con armatura tradizionale si ha un notevole incremento del momento resistente di circa l’80% (da 171.82 kNm a 337.92 kNm). In pratica si ha quasi un raddoppio del momento resistente della sezione.

Come si determina la resistenza del calcestruzzo fibrorinforzato

Il comportamento a compressione dell’FRC in termini di resistenza e duttilità non è influenzato dalla presenza delle fibre. La resistenza a compressione del calcestruzzo fibro-rinforzato sarà pari alla resistenza a compressione del calcestruzzo ordinario in assenza di fibre.

La determinazione delle caratteristiche meccaniche in trazione del calcestruzzo fibrorinforzato può avvenire in due diversi modi:

  • trazione monoassiale su provino di FRC; questo tipo di prova si può utilizzare solo per legame costitutivo incrudente;
  • prova a flessione su quattro punti eseguita su provino intagliato; viene utilizzata nel caso di legame degradante del calcestruzzo fibrorinforzato.

La curva che si ottiene dalla prova a flessione rappresenta il legame apertura fessura w tensione nominale σN. All’innescarsi della fessurazione entra in gioco il contributo delle fibre. Una volta noto il legame tensione nominaleapertura delle fessure bisogna passare al legame tensione deformazione σ – ε.

prova a flessione su 4 punti calcestruzzo fibrorinforzato

Prova a flessione su 4 punti – provino intagliato – determinazione del legame costitutivo in trazione

A seconda dello scopo del nostro calcolo si possono utilizzare i seguenti legami semplificati per l’analisi della sezione in calcestruzzo fibrorinforzato:

  • legame rigido plastico incrudente o degradante; si utilizza per il calcolo della resistenza ultima della sezione (Stati Limite Ultimi);
  • legame lineare: si utilizza per il calcolo della resistenza allo Stato Limite di Esercizio o Stato Limite Ultimo.
legame lineare e rigido plastico FRC in trazione

Legame lineare e rigido-plastico per l’FRC in trazione

Le novità di Ver.Sez. 6.0: i moduli dedicati al calcestruzzo fibrorinforzato

ver.sez. 6.0 verifica sezioni in calcestruzzo fibrorinforzato

Nuovo modulo di Ver.Sez. 6.0 per l’analisi di sezioni in FRC con o senza armatura

Nella nuova versione 6.0 di Ver.Sez. troverai un modulo interamente dedicato al progetto e alla verifica di sezioni in calcestruzzo fibrorinforzato. Potrai valutare rapidamente le resistenze delle sezioni in presenza o in assenza di armatura tradizionale. Le schermate dell’esempio numerico visto sopra sono un’anticipazione della nuova versione. La versione 6.0 sarà disponibile a breve. Al solito sarai aggiornato tramite newsletter.

Conclusioni

Gli aggiornamenti delle normative tecniche determinano dei grossi passi avanti nell’evoluzione tecnologica. Nel caso specifico la possibilità di utilizzare il calcestruzzo fibrorinforzato dà l’opportunità di progettare una struttura utilizzando una tecnologia tradizionale in maniera innovativa, incrementandone notevolmente le performance.

Attualmente il calcestruzzo fibrorinforzato è largamente utilizzato per tutte le applicazioni in cui si vuole ridurre la fessurazione della matrice cementizia quali:

  • pavimentazioni industriali o commerciali: la presenza delle fibre sostituisce la messa in opera della rete elettrosaldata, evitando fessurazioni da ritiro;
  • realizzazione di elementi prefabbricati: cabine, tubazioni, pozzetti per acquedotti etc.
  • gallerie: opere provvisionali o rivestimenti finali realizzati con conci prefabbricati.

Il calcestruzzo fibrorinforzato può però essere utilizzato anche per la realizzazione di travi e pilastri delle strutture ordinarie. Spesso queste soluzioni, anche se tecnicamente all’avanguardia e notevolmente vantaggiose, non vengono adottate perchè mancano degli strumenti che consentono al progettista di valutare rapidamente la convenienza nell’utilizzo di questi materiali innovativi. La nuova versione 6.0 di Ver.Sez. ha come obiettivo quello di colmare questo vuoto.

 In fase di progettazione e predimensionamento di una struttura sei in grado di valutare se conviene o meno adottare un materiale innovativo come l’FRC? Sei in grado di valutare numericamente l’incremento di resistenza che si può ottenere rispetto ad un calcestruzzo ordinario, la conseguente riduzione delle dimensioni delle sezioni o delle quantità di armatura? Eseguire valutazioni di massima sulla convenienza di una nuova tecnologia è di fondamentale importanza in fase di predimensionamento di una struttura. Da valutazioni di massima iniziali possiamo scegliere quale strada percorrere nel processo di progettazione e calcolo di una struttura e decidere se seguire la tradizione o l’innovazione. Mi auguro che la nuova versione 6.0 di Ver.Sez. possa aiutarti nel migliore dei modi ad assolvere questo compito.

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Ci rileggiamo lunedì prossimo.

Marco.