L’impiego di calcestruzzi FRC nelle infrastrutture

Il documento CNR DT 204 inquadrò, già nel 2006, la procedura per determinare la resistenza a trazione utile per calcestruzzi fibrorinforzati (FRC). Dopo alcuni anni, anche nel nuovo documento CEB-FIP Model Code si definirono le metodologie per tener conto nel calcolo strutturale della resistenza a trazione del calcestruzzo FRC. Recentemente il Testo Unico per le costruzioni del 2018 ha inserito questa famiglia di materiali dedicandole il paragrafo 11.2.12. In questa memoria si evidenziano gli aspetti peculiari di questa nuova famiglia di prodotti e si forniscono alcuni dettagli relativi ad una specifica applicazione di restauro di un ponte stradale.

Calcestruzzi fibrorinforzati: inquadramento normativo

La definizione fornita dal Testo Unico 2018 al paragrafo 11.2.12 così recita: “Il calcestruzzo fibrorinforzato (FRC) è caratterizzato dalla presenza di fibre discontinue nella matrice cementizia; tali fibre possono essere realizzate in acciaio o materiale polimerico. La miscela del calcestruzzo fibrorinforzato deve essere sottoposta a valutazione preliminare secondo le indicazioni riportate nel precedente § 11.2.3 con determinazione dei valori di resistenza a trazione residua f_R1k per lo Stato limite di esercizio e f_R3k per lo Stato limite Ultimo determinati secondo UNI EN 14651:2007. Per la qualificazione del calcestruzzo fibrorinforzato e la progettazione delle strutture in FRC si dovrà fare esclusivo riferimento a specifiche disposizioni emanate dal Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici”.

Figura 1. Lo schema del comportamento a trazione della miscela FRC

La Circolare n° 7 del 21/01/19 del C.S.LL.PP. precisa anche che per l’uso strutturale di questi prodotti occorre che il dosaggio di fibra nella miscela non sia inferiore allo 0,3% in volume.

Con l’inserimento della fibra corta nel conglomerato il comportamento in trazione si modifica in misura via via più significativa in funzione del dosaggio di fibra e del tipo di fibra impiegata.

Con riferimento a una prova di trazione uniassiale, condotta in controllo di spostamento, di un provino cilindrico di calcestruzzo FRC, si osserva un primo tratto elastico fino al raggiungimento di una soglia di “prima fessurazione”; successivamente, sono possibili due tipologie di comportamento (Figura 1):

• comportamento softening: il carico applicato scende progressivamente mentre il provino evidenzia poche lesioni che aumentano di ampiezza;
• comportamento hardening: si aprono diverse lesioni mentre il carico continua a salire fino a raggiungere un livello massimo oltre il quale non si aprono più nuove lesioni e si innesca una discesa del carico applicato.

Questo genere di prodotti è da tempo diffuso nel settore della riparazione e del rinforzo all’interno della famiglia delle “malte strutturali”.

BASF Construction Chemicals, per esempio, distribuisce già da 15 anni prodotti premiscelati con diversi dosaggi di fibre corte strutturali e i legami costitutivi in trazione sono riportati in Figura 2.

Osservando la parte costitutiva in trazione è possibile, per il prodotto più prestazionale, introdurre nel calcolo strutturale una resistenza di tipo “elastoplastica” con soglia f_td = 3 MPa con un notevole beneficio nel controllo fessurativo e nell’assorbimento di forze di trazione.

Figura 2. I legami costitutivi di betoncini premiscelati Master Builders Solutions di BASF

Il betoncino fibrorinforzato premiscelato può essere fornito in sacchetti o in veri e propri big-bag per permettere la miscelazione di piccole o grandi quantità di materiale senza problematiche di dosaggio; con una adeguata miscelazione si otterrà una miscela con fibre distribuite equamente, facile da colare o da spruzzare purché si adottino alcune accortezze relative alla distanza di interferro e di copriferro che saranno evidenziate nei successivi paragrafi.

Come peraltro evidenziato nel citato testo normativo, la miscela che si getta deve possedere una distribuzione omogenea delle fibre al fine di evitare che vi siano zone senza fibre (dove la resistenza a trazione cadrà a zero) e zone dove le fibre non si dispongano nelle tre direzioni (in questo caso al posto di un materiale pseudo isotropo si avrebbe un materiale ortotropo).

Per questo motivo oltre alle prove di caratterizzazione in laboratorio secondo la UNI 14651 è necessario verificare in cantiere che si sia raggiunta la qualità prevista in fase di progetto sia eseguendo una pre-qualifica sia controllando il getto con una serie di prelievi di campioni prismatici da sottoporre a prova.

Dalla prova sperimentale al modello di calcolo

La prova UNI 14651 prevede l’esecuzione di prove di flessione su campione prismatico che viene preliminarmente inciso all’intradosso nella zona di mezzeria. La prova si conduce in controllo di spostamento e si misura il carico F e l’apertura della fessura CMOD.

Figura 3. La prova UNI 14651 per la caratterizzazione del comportamento in trazione

Nella famiglia di prodotti premiscelati Master Builders Solutions di BASF la prova UNI 14651 conduce a risultati tipo quelli evidenziati in Figura 4.

Figura 4. Tipici risultati per alcuni dei prodotti premiscelati MasterEmaco di tipo FRC

Le tensioni f = M/W che si ottengono al raggiungimento dell’apertura di fessura CMOD₁, CMOD₂, CMOD₃ e CMOD₄ sono denominate rispettivamente f_r1, f_r2, f_r3, f_r4.

Con una corposa campagna sperimentale dai valori suddetti si ottengono i corrispondenti valori caratteristici (pedice k). Ai fini della progettazione i valori più rilevanti (da inserire nelle prescrizioni di progetto) sono i valori di f_r1k e f_r3k. Con questi numeri, infatti, la Norma CNR DT 204 permette di risalire al legame costitutivo in trazione.

In effetti la duttilità in trazione spendibile nel calcolo di progetto si esaurisce in larga parte proprio all’interno dei predetti numeri: un conglomerato avente un valore elevato di fr1k ma modesto di fr3k sarà classificato all’interno dei materiali softening mentre viceversa un materiale di modesto  f_r1k ma di elevato valore f_r3k sarà classificato di comportamento hardening.

I legami costitutivi in trazione utili al calcolo possono essere di tre tipi:

• elasto-softening;
• elastoplastico;
• elasto-incrudente

in funzione dei valori fr prima citati e del loro rapporto e di una serie di altri parametri piuttosto complicati da definire.

Senza entrare nei dettagli - non è la finalità di questa memoria -, il modello elastoplastico semplificato con soglia f_td = f_Ftu/γ_f = 0,7 x f_r3k/3 rappresenta un legame in trazione di facile implementazione all’interno dei software di calcolo.

Con il modello elastoplastico possono essere svolte le simulazioni numeriche utili per il progetto impiegando sempre i soliti requisiti alla base della scienza delle costruzioni:

• sezioni piane;
• perfetta aderenza. 

All’eventuale armatura metallica presente in trazione si aggiunge quindi tutta la sezione di conglomerato: la zona sotto l’asse neutro lavorerà a trazione, la zona sopra lavorerà in compressione come mostra lo schema di Figura 5.

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