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Impiego avanzato di calcestruzzo fibrorinforzato autocompattante

Le pareti perimetrali portanti della nuova sede CAP Holding di Milano sono state realizzate con un calcestruzzo fibrorinforzato con fibre metalliche. Il suo impego ha permesso di conferire un sensibile aumento della duttilità post-fessurazione del materiale, da cui è conseguita una riduzione della propagazione delle fessure.

Nell’ambito della progettazione strutturale della nuova sede CAP Holding in Milano, è stato utilizzato un calcestruzzo fibrorinforzato (autocompattante) con fibre metalliche per la realizzazione delle pareti perimetrali portanti, che presentavano numerose aperture di geometria irregolare. L’utilizzo di un calcestruzzo con armatura ordinaria avrebbe comportato diverse problematiche esecutive, quali complessità nella posa di armature, difficile installazione/sagomatura dei casseri, impossibilità di una corretta vibrazione della miscela. L’impiego del calcestruzzo fibrorinforzato ha consentito di adempire alle funzioni strutturali per le quali le pareti sono state progettate. In particolare, le fibre hanno permesso di conferire un sensibile aumento della duttilità post-fessurazione del materiale, da cui è conseguita una riduzione della propagazione delle fessure. Altre migliorie apportabili dal calcestruzzo fibrorinforzato rispetto a miscele ordinarie consistono in un incremento della resistenza a trazione, taglio, flessione e in presenza di gradienti termici tra nucleo e superficie del getto.


Inquadramento del caso progettuale

La progettazione della Nuova Sede di CAP Holding, situata in via Rimini 38 a Milano (MI), ha coinvolto tecniche e materiali altamente innovativi. La presenza di numerose aperture sfalsate e a geometria irregolare lungo l’intero sviluppo delle pareti perimetrali dell’edificio (si veda Fig.1.1), facente riferimento a ben specifiche esigenze architettoniche, ha conferito alla realizzazione delle pareti stesse un carattere di sfida raramente sperimentato in precedenza nell’ambito dell’ingegneria strutturale.

Fin da subito, si è mostrata evidente l’impossibilità di adottare una soluzione canonica in calcestruzzo armato con barre di armatura, stante la presenza di numerose problematiche costruttive, tra le quali si citano la posa in opera dei ferri, la corretta sagomatura e installazione dei casseri e la bontà del pompaggio e della vibrazione della miscela cementizia.

Per ovviare alle difficoltà appena menzionate, Holzner & Bertagnolli Engineering ha adottato una soluzione progettuale alternativa, consistente nell’impiego su vasta scala di un calcestruzzo fibrorinforzato ed autocompattante, a partire dal piano primo sino in copertura.

Complessivamente il volume interessato (senza contare le aperture) è risultato infatti dell’ordine di 1165 m3, essendo il perimetro totale dell’edificio di circa 196 m, l’altezza media e lo spessore delle pareti pari rispettivamente a 3.95 e 0.3 m e 5 il numero di piani coinvolti.

 

Prospetto Sud delle pareti perimetrali dell’edificio.
(Crediti: C. Bertagnolli - M. Meneguolo - F. Bogani)

 

Calcestruzzo Fibrorinforzato: Mix design

Per la realizzazione dei muri perimetrali portanti, si è deciso di impiegare una miscela di calcestruzzo del tipo XC1 C32/40 SCC DMAX16 Cem32,5, autocompattante e fibrorinforzato con macro-fibre metalliche non orientate 35/65. Le specifiche tecniche fornite dai produttori del calcestruzzo e delle fibre sono riportate rispettivamente in Fig.2.1 e 2.2.
In questi elementi strutturali non è presente alcun tipo di armatura lenta tradizionale nemmeno per contrastare gli sforzi negli spigoli delle aperture in facciata, gestiti attraverso elementi di fessurazione programmata.

La presenza di fibre metalliche all’interno della miscela ha conferito innanzitutto un incremento significativo della duttilità post-fessurazione del calcestruzzo, necessario in presenza di spostamenti orizzontali rilevanti della struttura, quali quelli in- dotti dall’azione sismica sollecitante.

Inoltre, le fibre hanno consentito di ottenere un miglioramento rilevante del pattern fessurativo delle pareti, con fessure presenti in un numero maggiore, ma con apertura sensibilmente ridotta rispetto al caso di calcestruzzi ordinari; questo aspetto è risultato di primaria importanza dal momento che la presenza di numerose aperture induce l’innesco ripetuto di fenomeni fessurativi in prossimità degli spigoli delle stesse, con tutte le conseguenze negative in termini di estetica e perdita di funzionalità della struttura ad esso annessi, specie in un contesto di facciavista come il presente.

Come si vedrà in seguito, per quanto concerne la resistenza a trazione del materiale, la presenza di fibre metalliche nei dosaggi impiegati non ha conferito alcun contributo significativo. Tuttavia, rivestendo le pareti il ruolo di elementi secondari in presenza di azioni sismiche, esse si trovano a lavorare unicamente come elementi compressi sotto l’effetto dei soli carichi verticali e, pertanto, non sono interessate da rilevanti stati di sollecitazioni flessionali e/o di trazione; non si è reso quindi necessario fornire al materiale alcun tipo di incremento della resistenza a trazione.

Infine, l’aggiunta dell’additivo superfluidificante ha fornito alla miscela una maggiore lavorabilità e il carattere auto-compattante richiesto per evitare di effettuare pratiche di vibrazione durante il getto delle pareti. L’elevata fluidità e omogeneità ottenute hanno garantito una buona qualità del getto della miscela, in grado di aderire alla complessa forma dei casseri e di seguire l’andamento delle aperture senza che si generassero vuoti interni indesiderati.

(Crediti: C. Bertagnolli - M. Meneguolo - F. Bogani)
Caratteristiche e proprietà delle fibre impiegate per il rinforzo del calcestruzzo (FIBROCEV).
(Crediti: C. Bertagnolli - M. Meneguolo - F. Bogani)

 

Proprietà dei calcestruzzi fibrorinforzati

La funzione principale delle fibre metalliche annegate nella matrice cementizia si identifica con il cosid- detto “effetto cucitura” che le fibre tese a cavallo delle fessure sono in grado di fornire. Dal punto di vista del panorama fessurativo, questo si traduce in una minore apertura di fessura, che ha comportato numerosi vantaggi dal punto di vista della durabilità, delle proprietà meccaniche e dell’estetica della costruzione.

Come riportato in Fig.3.1a - 3.1b, per l’effetto cucitura si denota sperimentalmente un incremento significativo della duttilità post-fessurazione del materiale se confrontato al caso di calcestruzzo ordinario, sia per stati di compressione che di trazione. Come già accennato, un incremento della duttilità del materiale si traduce in una maggiore capacità della struttura di sostenere spostamenti di entità significativa, in modo che, sotto l’effetto dei carichi sismici, le pareti possano accogliere le deformazioni orizzontali indotte, pur non essendo esse adibite al sostenimento di tali forze (elementi sismici secondari).

In Fig. 3.2 sono invece mostrati i risultati di di- versi test di laboratorio condotti su travi di prova di calcestruzzo fibrorinforzato, da cui si evince il significativo aumento della duttilità in stato fessurato; di contro, si nota come l’aggiunta di fibre in dosaggi ordinari inferiori al 2% in volume non fornisca alcun incremento rilevante della resistenza a trazione e a compressione del materiale. Per dosaggi elevati, che esulano da ogni carattere applicativo (basti pensare che per il getto delle pareti il dosaggio volumetrico di fibre era pari allo 0.32% circa), anche la resisten- za a compressione, taglio e flessione vedono un incremento rilevante dovuto all’effetto sulla miscela delle proprietà meccaniche delle fibre.

 

(a) Confronto tra comportamento a compressione di un calce- struzzo in assenza e in presenza di fibre metalliche: l’effetto benefico delle fibre si manifesta in un’elevata duttilità del ma- teriale, ma non nel valore di resistenza di picco; (b) Variazione del comportamento a compressione in funzione della percen- tuale volumetrica di fibre.
(Crediti: C. Bertagnolli - M. Meneguolo - F. Bogani)
Esito di una prova di flessione su tre punti: la relazione tra il carico applicato e l’apertura di fessura in mezzeria mostra il comportamento dut- tile del materiale.
(Crediti: C. Bertagnolli - M. Meneguolo - F. Bogani)

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La presente memoria è tratta da Italian Concrete Conference - Napoli, 12-15 ottobre 2022
Evento organizzato da aicap e CTE

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