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Calcestruzzo fibrorinforzato con fibre di acciaio
(SFRC)
Caratterizzazione del materiale e progettazione strutturale
Christian Pierini, Ingegnere libero professionista
1. PREMESSA
L’intervento si propone di fornire una panoramica sulla progettazione di strutture realizzate
con calcestruzzi fibrorinforzati con fibre di acciaio (Steel Fiber Reinforced Concrete), con
particolare riferimento all’edilizia industrializzata.
L’obiettivo principale di chi opera nel campo dell’edilizia prefabbricata è quello di ottimizzare
i tempi ed i costi di produzione, senza penalizzare tuttavia la qualità e le caratteristiche
prestazionali dei manufatti prodotti.
L'utilizzo di calcestruzzi fibrorinforzati con fibre di acciaio permette una notevole riduzione
delle armature tradizionali e, in certi casi, la loro completa sostituzione, con un sensibile
risparmio dei tempi e dei costi della manodopera, limitando le problematiche relative al loro
corretto posizionamento. Tutto ciò è giustificato dal notevole incremento di resistenza residua
a trazione e di tenacità, derivate dall'aggiunta delle fibre all'impasto di calcestruzzo
tradizionale. Infatti, l'introduzione nell'impasto cementizio di fibre discrete tende ad
incrementare notevolmente la tenacità del composto, particolarmente fragile in assenza di
fibre, aumentandone la resistenza a trazione e migliorando, inoltre, le caratteristiche di
durabilità nel tempo dovute ad un miglior controllo delle fessurazioni.
2. NORMATIVE DI RIFERIMENTO
I calcestruzzi fibrorinforzati con fibre di acciaio sono menzionati nel D.M. 14/01/2008 “Norme
Tecniche per le Costruzioni” con riferimento al paragrafo 4.6 delle NTC-2008 “COSTRUZIONI DI
ALTRI MATERIALI”, nel quale si prescrive che “I materiali non tradizionali o non trattati nelle
presenti norme tecniche potranno essere utilizzati per la realizzazione di elementi strutturali od
opere, previa autorizzazione del Servizio Tecnico Centrale su parere del Consiglio Superiore dei
Lavori Pubblici …”.
D’altra parte, il Capitolo 12 delle stesse NTC-2008 asserisce che “Per quanto non diversamente
specificato nella presente norma, si intendono coerenti con i principi alla base della stessa, le
indicazioni riportate nei seguenti documenti (…). Inoltre, in mancanza di specifiche indicazioni, a
integrazione delle presenti norme e per quanto con esse non in contrasto, possono essere utilizzati
i documenti di seguito indicati che costituiscono riferimenti di comprovata validità (…). Possono
essere utilizzati anche altri codici internazionali, purché sia dimostrato che garantiscano livelli di
sicurezza non inferiori a quelli delle presenti Norme tecniche”.
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Ad oggi è quindi consentito l’utilizzo dei calcestruzzi fibrorinforzati anche se non direttamente
riportati nelle NTC-2008, in quanto si può far riferimento alle Istruzioni del Consiglio Nazionale
delle Ricerche (CNR), ovvero alle Istruzioni CNR-DT 204/2006 “Istruzioni per la Progettazione,
l’Esecuzione ed il Controllo di Strutture di Calcestruzzo Fibrorinforzato”.
I calcestruzzi fibrorinforzati sono inoltre presenti nei nuovi codici modello, ovvero i “fib Model
Code for Concrete Structures 2010”, in particolare al Par. 5.6 “Fibres/fibre reinforced concrete”
e al Par. 7.7 “Verification of safety and serviceability of FRC Structures”.
3. PROPRIETA’ E COMPORTAMENTO STRUTTURALE
3.1. Comportamento meccanico
L’aggiunta di fibre disperse in una matrice cementizia ne modifica le proprietà meccaniche.
In particolare, migliora il comportamento a trazione contrastando l’apertura progressiva delle
fessure. Una volta raggiunta la fessurazione della matrice, le fibre sono in grado di manifestare
il proprio contributo, conferendo al composito una resistenza post-fessurazione assente nella
matrice senza fibre, tanto più grande, quanto maggiore è la percentuale volumetrica di esse.
Il comportamento a compressione risulta pressoché analogo anche se l’aggiunta di fibre
conferisce al composto una maggior plasticità.
Figura 1 - Curva carico P–spostamento δ per conglomerati fibrorinforzati caratterizzati da: basse percentuali di fibre (a) e alte percentuali di fibre (b).
3.2. Fibre di acciaio
Le fibre di acciaio hanno una lunghezza, lf, compresa generalmente tra 6 mm e 70 mm ed un
diametro equivalente, df, compreso tra 0.15 mm e 1.20 mm.
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Le fibre di acciaio possono essere classificate in base al processo di produzione, alla forma ed
al tipo di materiale.
• Processo di produzione:
- da filo trafilato (Tipo A);
- da lamiera tagliata (Tipo B);
- da altre fabbricazioni (Tipo C).
• Forma:
- rettilinee;
- sagomate (uncinate, ondulate, ecc.).
• Materiale:
- di acciaio a basso contenuto di carbonio
(C ≤ 0.20, Tipo 1);
- di acciaio ad alto contenuto di carbonio
(C > 0.20, Tipo 2);
- di acciaio inox (Tipo 3).
In base alle caratteristiche meccaniche le fibre possono essere invece classificate nelle tre
categorie (R1, R2, R3).
Si riporta in seguito un esempio di fibra in acciaio presente in commercio, caratterizzata da un
processo di produzione di Tipo A, sagomata a doppia ondulatura, costituita da acciaio Tipo 2,
ovvero ad alto contenuto di carbonio e ad alte prestazioni, ovvero con classe di resistenza R3.
Figura 2 - Fibre in acciaio tipo “5D”.
Figura 3 - Caratteristiche delle fibre in acciaio tipo “5D”.
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Occorre precisare che le fibre di acciaio sono utilizzate per usi strutturali, ovvero quando
l’aggiunta di fibre è progettata per contribuire alla capacità portante dell’elemento.
Le fibre di acciaio sono più efficaci come rinforzo strutturale del calcestruzzo rispetto alle fibre
polimeriche per le seguenti ragioni:
- Le fibre polimeriche fondono a 165°C e iniziano a perdere le loro prestazioni meccaniche a
50°C
- Il modulo di Young è pari a 3-10 GPa, insufficiente per rinforzare il calcestruzzo avente
modulo pari a 30 Gpa
- Le macrofibre sono soggette allo scorrimento viscoso: a temperatura ambiente (tra i -20°C
e i 165 °C) il polipropilene/polietilene è viscoelastico e presenta fenomeni di scorrimento
viscoso significativi
- Presentano problemi di durabilità nel tempo in quanto soggetti a degradazione UV
3.3. Prescrizioni sul calcestruzzo e sulle fasi di getto
L’aggiunta di fibre metalliche può diminuire sensibilmente la lavorabilità del calcestruzzo.
Al fine di garantire un buon accoppiamento con le fibre ed una buona lavorabilità dell’impasto,
la granulometria della matrice deve essere opportunamente progettata, ad esempio
aumentando la frazione fine degli inerti oppure mediante l’utilizzo di additivi fluidificanti.
In particolare, la lunghezza delle fibre e la dimensione massima dell’aggregato devono essere
correlate tra loro per garantire una uniforme ed efficiente distribuzione delle fibre. A tal fine la
dimensione massima dell’aggregato non deve essere superiore a 0.5 volte la lunghezza delle
fibre. Per ridurre il rischio di una eventuale agglomerazione di fibre, per l’aggregato deve essere
adottata una granulometria continua. Inoltre, per assicurare una completa ed uniforme
distribuzione delle fibre, la loro lunghezza va correlata alle dimensioni minime (spessori)
dell’elemento strutturale da realizzare.
Per quanto concerne l’assemblaggio ed il posizionamento delle armature tradizionali si deve
procedere nel rispetto della Normativa vigente. Particolare attenzione va posta alla presenza di
armature ortogonali alla direzione del getto, le quali possono ostacolare il regolare flusso del
calcestruzzo fresco all’interno della cassaforma. Prevedendo tale eventualità già in fase di
progettazione, occorre evitare che tali impedimenti compromettano l’omogeneità di
distribuzione delle fibre.
Salvo particolari specifiche, le dimensioni minime dello spessore dell’elemento strutturale da
realizzare, t, e dell’interferro, i, sono definite in funzione della lunghezza della fibra, lf, della
dimensione massima dell’aggregato, da, e del diametro di armatura, φ, come di seguito
specificato. Il valore minimo del copriferro netto è correlato a quello previsto dalla Normativa
vigente per le strutture di calcestruzzo ordinario.
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4. ESEMPI DI PROGETTAZIONE DI STRUTTURE CON CALCESTRUZZI
FIBRORINFORZATI CON FIBRE DI ACCIAIO
4.1. Introduzione
Si riporta in seguito l’approccio alla progettazione di manufatti prefabbricati con calcestruzzo
fibrorinforzato con fibre di acciaio, con particolare riferimento alla realizzazione di manufatti
caratterizzati da elementi strutturali di spessore contenuto (10-15 cm).
Risulta evidente che strutture in c.a. caratterizzate da pareti di spessore limitato, realizzate con
armature tradizionali, presentano non pochi problematiche in termini di esecuzione: basti
pensare, ad esempio, al rispetto dei copriferri minimi, soprattutto in particolari condizioni di
esposizione ambientale. Inoltre anche la realizzazione di getti per la realizzazione di pareti
sottili tradizionalmente armate risulta piuttosto problematica, in quanto la presenza di
interferri non adeguati può causare la formazione di “nidi di ghiaia” che a loro volta possono
pregiudicare la qualità del manufatto.
Da qui la necessità di utilizzare calcestruzzi fibrorinforzati con fibre di acciaio al fine
ottimizzare o addirittura, in taluni casi, eliminare le armature tradizionali e le problematiche
ad esse legate.
4.2. Approccio sperimentale per la caratterizzazione meccanica del materiale
Come accennato in precedenza, l'aggiunta di fibre disperse in una matrice cementizia ne
modifica le proprietà meccaniche, in particolare migliorandone il comportamento a trazione
attraverso l'azione di contrasto effettuata nei confronti dell'apertura progressiva delle fessure.
Una volta raggiunta la fessurazione della matrice, le fibre sono in grado di manifestare il proprio
contributo, conferendo al composito una resistenza post-fessurazione assente nella matrice
senza fibre.
Il comportamento fortemente degradante, tipico di una prova di trazione monoassiale sul
calcestruzzo, può essere modificato in modo significativo dall'aggiunta di fibre, al crescere della
percentuale volumetrica delle stesse.
In accordo al punto 1.5 delle CNR-DT 204/2006, le proprietà nominali del fibrorinforzato
indurito devono essere determinate su provini normalizzati, realizzati e maturati in condizioni
controllate, mediante prove standard di laboratorio.
A tal fine si riportano nel seguito alcune prove di flessione a 4 punti, condotte secondo le
modalità descritte dalla norma UNI 11039-2.
Più nel dettaglio, nel corso della campagna di prove sono stati testati 21 provini prismatici con
dimensioni pari a 150x150x600mm intagliati in mezzeria (larghezza dell'intaglio pari a 3mm
con forma terminale a "V").
Si specifica che le prove si sono differenziate con 3 diversi dosaggi di fibre (25-30-40 kg/mc),
ciascun gruppo ha quindi visto il test di n. 7 provini prismatici a flessione e n. 6 provini cubici a
compressione di dimensioni pari a 150x150x150mm.
La maturazione dei provini si è svolta in due fasi: 21 giorni in acqua a 20°C e 7 giorni in camera
con umidità relativa pari al 99% e temperatura di 20°C. Tutte le prove sono state eseguite dopo
28 giorni di maturazione.
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Figura 4 - Prova a flessione a quattro punti su provino intagliato.
Figura 5 - Curve sperimentali per un calcestruzzo di classe C45/55 con dosaggio pari a 40 kg/mc di fibre di acciaio di tipo “Dramix 5D”.
Figura 6 - Curve sperimentali per un calcestruzzo di classe C45/55 con dosaggio pari a 30 kg/mc di fibre di acciaio di tipo “Dramix 5D”.
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Figura 7 - Curve sperimentali per un calcestruzzo di classe C45/55 con dosaggio pari a 25 kg/mc di fibre di acciaio di tipo “Dramix 5D”.
Si sottolinea che il dosaggio minimo di fibre per impieghi strutturali non deve essere inferiore
allo 0,3% in volume. Nel caso in essere si adotta un dosaggio di fibre pari a 25 kg/mc
corrispondente ad una percentuale volumetrica Vf pari a 0,32%, superiore al limite normativo.
La resistenza post-fessurazione viene definita sulla base delle resistenze equivalenti post-
fessurazione, feq_i, calcolate su assegnati intervalli di apertura della fessura che a sua volta, nel
caso di provino intagliato, può essere assunta convenzionalmente pari allo spostamento tra due
punti posti all'apice dell'intaglio, CTOD.
Nel caso di prova di flessione su quattro punti, secondo lo standard UNI 11039, i valori
caratteristici delle resistenze equivalenti feq1 e feq2 sono valutati negli intervalli 0 0,6CTOD
e 0,6 3,0CTOD mm.
Pertanto, adottando la simbologia della norma UNI 11039, si assume:
1 (0 0,6)eq k eq kf f
2 (0,6 3,0)eq k eq kf f
Tali resistenze equivalenti corrispondono, rispettivamente, ad aperture di fessura wi1 pari a
0,3mm e wi2 pari a 1,8mm, corrispondenti ai valori medi degli intervalli selezionati.
La determinazione dei valori caratteristici delle resistenze equivalenti di interesse è stata
condotta in accordo a quanto prescritto nell'Appendice C delle CNR-DT 204/2006 al punto 12.
In strutture iperstatiche, ove si manifestino fenomeni di collasso che coinvolgono ampie regioni
fessurate e significative ridistribuzioni, il valore caratteristico ottenuto a partire da campioni di
ridotte dimensioni non è rappresentativo ai fini della valutazione della resistenza di strutture
con dimensioni significativamente più elevate.
In assenza di apposite sperimentazioni, si può computare tale contributo positivo facendo uso
della seguente relazione:
Ftk Ftmf f k s
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essendo:
0 1
0,5 1 0,1 1 1 1,02
u
in cui a sua volta:
- k è un coefficiente che tiene in considerazione l'estensione della campagna di prove eseguita
e che nel caso in essere di n.7 prove assume un valore pari a 1,77;
- α è un coefficiente che tiene in considerazione l'iperstaticità della struttura e che,
considerando in favore di sicurezza lo schema statico di piastra semplicemente appoggiata,
assume un valore pari a 0,88;
- s è lo scarto quadratico medio.
Il modello elastico lineare individua due punti di riferimento, fFts e fFtu, sulla base del
comportamento allo SLE ed allo SLU.
Essi possono essere definiti sulla base di valori equivalenti delle resistenze a flessione mediante
le seguenti relazioni:
10,45Fts eqf f
2 1
2
0,5 0,2 0uFtu Fts Fts eq eq
i
wf k f f f f
w
dove:
- feq1 e feq2 sono, rispettivamente, le resistenze equivalenti significative per lo stato limite di
esercizio e per lo stato limite ultimo;
- k è un coefficiente da assumersi pari a 1 per sezioni non interamente tese;
- wi2 è il valore medio delle aperture delle fessure corrispondenti agli estremi dell'intervallo
in cui è valutato feq2.
Si specifica inoltre che, per gli stati limite ultimi, i valori da attribuire ai coefficienti parziali dei
materiali risultano pari a γF = 1,5 sia per il calcestruzzo fibrorinforzato in compressione sia per
calcestruzzo fibrorinforzato in trazione (sia non fessurato che fessurato).
Si riportano nel seguito i diagrammi di progetto tipo per i due modelli previsti:
- Modello elastico lineare;
- Modello rigido-plastico.
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Figura 8 – Diagrammi costitutivi di progetto per un calcestruzzo di classe C45/55 con dosaggio pari a 25 kg/mc di fibre di acciaio di tipo “Dramix 5D”.
4.3. Modellazione della struttura e risultati dell’analisi
Nelle seguenti figure sono rappresentati alcuni esempi di modelli tridimensionali agli elementi
finiti sviluppati mediante elaboratore, nonché gli schemi statici e i principali stati di
deformazione e di sollecitazione a cui sono soggetti.
Si precisa che, nella pratica comune, la modellazione viene eseguita con modelli di calcolo
lineari senza considerare le non-linearità del materiale composto, ricavando le tensioni e le
sollecitazioni di progetto dalle quali si eseguiranno poi verifiche di tipo sezionale.
È comunque possibile utilizzare modelli di calcolo non-lineari al fine di valutare il
comportamento del manufatto in campo plastico, valutando così l’evoluzione post-fessurativa
e i meccanismi di collasso.
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Figura 9 – Esempi di modellazione agli elementi finiti di manufatti prefabbricati.
Figura 10 – Esempi di diagrammi delle sollecitazioni e delle deformazioni.
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4.4. Verifiche di resistenza degli elementi strutturali SLU
In accordo al punto 4.3.2. delle CNR-DT 204/2006 la verifica di elementi in calcestruzzo
fibrorinforzato con armatura convenzionale può essere eseguita con i metodi tradizionalmente
adottati per il calcestruzzo armato.
Più nel dettaglio il progetto allo SLU di elementi soggetti a pressoflessione richiede la
valutazione delle caratteristiche resistenti ultime ed il confronto con le sollecitazioni di
progetto.
Si riportano nel seguito i procedimenti di verifica per elementi bidimensionali costituiti da
calcestruzzo fibrorinforzato, con e senza armatura convenzionale.
Figura 11 - Verifiche per elementi bidimensionali senza armature convenzionale.
Figura 11 - Verifiche per elementi bidimensionali con armature convenzionale.
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4.5. Verifiche in esercizio SLE
Per le verifiche degli stati limite di esercizio occorre procedere con le seguenti verifiche,
analogamente al calcestruzzo armato con armature convenzionali, con particolari limitazioni di
tensione per i materiali incrudenti:
- verifica delle tensioni;
- verifica di fessurazione;
- verifica di deformabilità.
4.6. Confronto tra manufatti tradizionali e il manufatti fibrorinforzati
Si riportano in seguito alcuni confronti tra manufatti ottimizzati mediante calcestruzzi
fibrorinforzati con fibre di acciaio e manufatti realizzati con armature tradizionali.
Figura 12 – Confronto per un manufatto monoblocco tipo cisterna.
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Figura 13 – Confronto per un manufatto a pannelli prefabbricati componibili tipo cabina elettrica.
Come si osserva chiaramente dai confronti di cui sopra, nel caso di utilizzo di un calcestruzzo
fibrorinforzato con fibre di acciaio, si ha una notevole diminuzione dell’armatura, con
conseguenti benefici in termini di costi e di tempi di realizzazione.
5. BIBLIOGRAFIA
01 CNR DT-204/2006, “Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di
Strutture di Calcestruzzo Fibrorinforzato”.
6. RINGRAZIAMENTI
L’autore ringrazia la ditta Leon Bekaert s.p.a. per aver fornito il materiale per la
sperimentazione.
Contatti con l’autore:
Dott. Ing. Christian Pierini:
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