Il calcestruzzo fibro-rinforzato per uso strutturale: capacità portante ed effetti di scala sulla minima armatura

Il calcestruzzo armato si contraddistingue per eccezionale resistenza e durabilità

Il cemento armato ha avuto un ruolo cruciale nello sviluppo economico e sociale degli ultimi cinquant'anni. Sebbene il materiale sia principalmente associato alle opere civili come dighe, strade, ponti e ferrovie, il suo utilizzo si estende anche all'edilizia residenziale e industriale. Realizzato tramite l’utilizzo congiunto di barre lineari di armature in una matrice di calcestruzzo il cemento armato, grazie alla sua resistenza e durabilità, ha consentito nell’ultimo secolo la realizzazione di grandi infrastrutture, come autostrade, dighe e ponti, che hanno agevolato lo sviluppo delle attività commerciali e industriali. Inoltre, ha permesso la costruzione di edifici più alti e resistenti alle intemperie e ai terremoti, migliorando la qualità della vita delle persone e favorendo la crescita demografica nelle aree urbane. Inventato nel lontano 1849 da Joseph-Louis Lambot, solo alla fine del XIX secolo è stato perfezionato e diffuso in tutto il mondo.

Il suo utilizzo è stato particolarmente rilevante nel dopoguerra, quando l'Europa ha avuto la necessità di ricostruire molte delle sue città distrutte dal conflitto. Questo materiale ha rappresentato una vera e propria rivoluzione nel modo di costruire e nell’architettura dell’ultimo secolo. Tale è stato il successo che ha travalicato il mero ambito strutturale, condizionando anche l’architettura e la concezione delle nostre città definendone in maniera nuova e moderna i volumi le forme in maniera innovativa ed audace, relegando nell’ambito storico le altre forme costruttive. In sintesi, il cemento armato è stato uno dei principali motori dello sviluppo economico e sociale degli ultimi cinquant'anni, influenzando non solo l'ingegneria civile e l'edilizia, ma anche l'architettura e l'urbanistica.

Il principio base del suo comportamento risiede nelle notevoli caratteristiche di resistenza a compressione del calcestruzzo, a cui si associa una limitata resistenza a trazione, che per essere superata richiede l’utilizzo di elementi capaci di sopportare gli sforzi di trazione.
Nel caso del calcestruzzo armato la soluzione ormai ampiamente consolidata nella pratica progettuale è svolta dalle barre di armatura, intesi come elementi autonomi che sono inglobati al momento del getto nel calcestruzzo di cui, una volta sviluppate le fasi di presa ed indurimento, risulta parte integrante. Nello specifico un ruolo fondamentale nel comportamento meccanico viene svolto dal trasferimento degli sforzi all’interfaccia tra le barre di armatura ed il calcestruzzo circostante, per permettere il trasferimento degli sforzi tra un materiale e l’altro.

Il risultato consiste in un aumento della capacità portante dell’elemento, così come una riduzione dell’ampiezza delle fessure, requisiti entrambi richiesti dalle attuali normative vigenti.

Questa tecnologia è stata utilizzata per oltre cinquanta anni, con minime variazioni e facendo sempre affidamento sulla solidarizzazione di due sistemi (volume di calcestruzzo ed armature puntuali nelle sezioni). Sin dai primi esperimenti sul calcestruzzo armato si era individuata come significativa miglioria nella risposta strutturale ipotizzando la presenza di armature diffuse, ovvero di fibre, variamente distribuite nel conglomerato cementizio.

Nonostante la semplicità concettuale, questo materiale (calcestruzzo fibroarmato) ha conosciuto una diffusione interessante solo negli ultimi decenni, a valle dello sviluppo di tecnologie atte a produrre fibre metalliche di adeguate caratteristiche (capacità meccaniche e dimensioni) così come di produzione (la miscelazione di calcestruzzi con fibre resta un processo produttivo significativamente più complesso della produzione del calcestruzzo ordinario, soprattutto per la necessità di garantire una adeguata dispersione delle fibre nella matrice di calcestruzzo).

Attualmente sono numerose le tipologie di fibre disponibili sul mercato, sia nazionale che internazionale; possono essere differenziate per il materiale (principalmente acciaio e polimerico) e per la loro geometria. In ogni caso, il loro contributo è legato all'azione di cucitura che investe sia la macro-fessura (crack dominante) sia le micro-fessure presenti nella zona di processo della matrice cementizia, in modo tale da prevenire la loro coalescenza e la successiva propagazione all’interno del materiale (Figura 1).

Questi meccanismi di cucitura offerti dalle fibre di rinforzo costituiscono un primo vantaggio rispetto alla soluzione strutturale più tradizionale rappresentata dal calcestruzzo armato ordinario, in cui l’azione di cucitura espletata dalla barra d’armatura investe il solo macro-crack.

Inoltre, recenti studi hanno dimostrato come i meccanismi di cucitura offerti dalle fibre di rinforzo siano principalmente dovuti al loro scorrimento e all'attrito tra la matrice cementizia e le fibre, piuttosto che alla resistenza a rottura delle fibre stesse. Il risultato di tale interazione si traduce in una più efficace risposta dell’elemento strutturale in termini globali, anche grazie al miglioramento delle proprietà meccaniche del materiale, tra cui la resistenza a trazione e quella a compressione, la tenacità alla frattura e la resistenza al taglio.

Nonostante gli evidenti vantaggi, sia in termini di economicità di materiale sia in termini di tecnologia costruttiva, l’impiego di calcestruzzo fibro-rinforzato è ancora sostanzialmente confinato a quegli elementi strutturali considerati come “secondari” (pavimentazioni, rivestimenti in galleria, strati di rinforzo) per i quali è richiesto il controllo dello Stato Limite di Fessurazione, piuttosto che la capacità portante. La progettazione di questi elementi, condotta secondo le linee guida attualmente disponibili in materia, sia nazionali che internazionali, è basata sulla caratterizzazione meccanica del composito sulla base di prove sperimentali (test in flessione) condotte in laboratorio.

Al contrario, una progettazione strutturale consapevole ed avanzata dovrebbe prendere atto delle potenzialità del calcestruzzo fibro-rinforzato anche in termini di capacità portante, senza peraltro ricorrere integralmente all’ausilio delle tradizionali barre di armatura. Un efficace confronto tra l’incidenza media dell’armatura nel calcestruzzo armato ordinario (RC) e quella nel calcestruzzo fibro-rinforzato (FRC) ai fini della capacità portante strutturale è proposto in Figura 2, in cui risulta evidente il vantaggio economico offerto dal FRC.

Inoltre, un ulteriore vantaggio offerto dal calcestruzzo fibro-rinforzato si esplicita nel ridimensionamento di una delle tradizionali fasi costruttive nell’ambito del cantiere edile: la fase di posa delle armature viene infatti parzialmente assorbita dalla fase di confezionamento del calcestruzzo, al contrario di quanto abitualmente accade per il calcestruzzo armato ordinario (Figura 3).

L'ARTICOLO CONTINUA NEL PDF IN ALLEGATO...