Innovare il calcestruzzo prefabbricato con le fibre di acciaio

Ridurre l’acciaio, aumentare le prestazioni

L'integrazione di fibre d'acciaio all'interno delle travi in calcestruzzo prefabbricato armato rappresenta una strategia efficace per migliorare significativamente le prestazioni strutturali, contribuendo al contempo all'ottimizzazione dei processi produttivi in fase di prefabbricazione.

Le fibre d’acciaio Dramix^® di Bekaert (Figura 1), attraverso il bilanciamento del meccanismo di ancoraggio (con estremità a uncino ingegnerizzata) e della resistenza a trazione del filo di base, rinforzano le strutture in calcestruzzo in modo affidabile da oltre 50 anni. Queste caratteristiche garantiscono un meccanismo di rottura sicuro e controllato, contribuendo sia alla durabilità sia all’integrità strutturale.

Le figure 2 e 3 illustrano l’influenza di diversi parametri geometrici e meccanici sul comportamento e le prestazioni del calcestruzzo rinforzato con fibre d’acciaio (Steel Fiber Reinforced Concrete, SFRC), utilizzando specificamente fibre uncinate Dramix® serie 3D, 4D e 5D.

Tali fibre differiscono per geometria dell’uncino, la resistenza del filo, lunghezza e rapporto di snellezza (L/d), il che ne permette l'adattamento a un'ampia gamma di applicazioni, dal controllo delle fessure all’aumento della capacità portante. Come evidenziato nella figura 3A, la combinazione del meccanismo di ancoraggio e della resistenza a trazione del filo ha un’influenza notevole sulla capacità flessionale residua del composito.

La figura 3B evidenzia l’impatto della geometria della fibra, mostrando che a parità di lunghezza (es. L = 60 mm), un diametro minore (quindi un rapporto L/d più elevato) comporta migliori prestazioni. In figura 3C è facile notare che un aumento del dosaggio di fibre (cioè del numero di fibre nel volume di controllo) migliora notevolmente le prestazioni. Infine, la figura 3D sottolinea il ruolo della resistenza della matrice, rafforzando il principio generale secondo cui la capacità flessionale residua aumenta con la resistenza a compressione della matrice di calcestruzzo.

Innovare con la ricerca

Una recente campagna sperimentale ha analizzato l'impatto della sostituzione parziale dell’armatura tradizionale con fibre d’acciaio sul comportamento strutturale di elementi prefabbricati in calcestruzzo. Lo studio, condotto congiuntamente dall’Università di Cagliari e Bekaert (Puppio, Di Giacinto, et al. "Precast steel-fiber reinforced concrete (SFRC) on beams: Results from an experimental campaign" doi: 10.1016/j.engstruct.2025.120738), ha fornito risultati incoraggianti.

Questi risultati sono particolarmente rilevanti per progettisti e produttori che mirano a diversi obiettivi operativi e prestazionali:

• Riduzione della congestione delle armature all'interno della sezione;
• Snellimento e accelerazione della produzione degli elementi prefabbricati;
• Miglioramento delle prestazioni meccaniche complessive.

Nonostante il calcestruzzo rinforzato con fibre d’acciaio (SFRC) sia una tecnologia consolidata, la sua piena adozione negli elementi prefabbricati portanti è ancora limitata. Le ragioni principali includono la scarsa diffusione nella pratica professionale dei codici di progettazione specifici e le incertezze relative alla sua caratterizzazione prestazionale in applicazioni strutturali.

Questo studio ha cercato di colmare queste lacune testando nove travi in scala reale (3600 × 200 × 400 mm) con fibre Dramix® (lunghezza 40 e 60 mm) a un dosaggio di 40 kg/m³, confrontandole con travi in calcestruzzo armato tradizionale di geometria identica.

Dal laboratorio all’impianto

Tutti i provini sono stati prodotti in stabilimento, secondo rigorosi standard industriali, e sottoposti a prove di flessione su quattro punti (Figura 4). In particolare, la sperimentazione ha previsto la variazione dell’interasse delle staffe (100mm e 20mm). Questa modulazione ha permesso di investigare e studiare in modo mirato gli effetti dell’integrazione delle fibre d'acciaio in diversi scenari di armatura a taglio.

I risultati sperimentali hanno evidenziato che l’integrazione delle fibre d’acciaio ha determinato un miglioramento significativo sia della resistenza al taglio sia della duttilità complessiva delle travi.In particolare, nelle travi caratterizzate da una minore densità di armatura a taglio, l'aggiunta di fibre ha portato a un aumento della capacità di taglio che ha raggiunto l'85% rispetto ai campioni di riferimento. In alcuni casi, l'introduzione delle fibre ha modificato la modalità di rottura , trasformandola da una rottura fragile per taglio a una rottura duttile per flessione, scenario altamente desiderabile per garantire un comportamento strutturale sicuro e controllato.

Rivedere la progettazione al taglio: i codici sono aggiornati?

I risultati sperimentali ottenuti sono stati confrontati con le previsioni analitiche di tre documenti normativi di riferimento a livello internazionale: le Linee Guida Italiane, il Model Code 2010 e il DAfStb tedesco. Il confronto ha rivelato che il Model Code 2010 ha mostrato la miglior correlazione e accuratezza rispetto ai dati sperimentali registrati.
Al contrario, è stato riscontrato che gli altri standard tendevano a sottostimare il contributo effettivo delle fibre d’acciaio alla capacità portante, in particolare nei casi in cui l'elemento strutturale era privo di armatura a taglio tradizionale (staffe). Questa discrepanza evidenzia l'importanza di utilizzare normative aggiornate e specifiche per una progettazione ottimale e sicura dell'SFRC.

Rinforzo intelligente

Le simulazioni numeriche agli elementi finiti (FEM) hanno corroborato e supportato i risultati ottenuti dalla campagna sperimentale. I modelli numerici, debitamente calibrati sui dati di prova, hanno confermato che l'energia di frattura e la resistenza a trazione delle fibre rappresentano i parametri chiave per una previsione accurata del comportamento strutturale dell'SFRC.

Produzione e praticità

Oltre ai vantaggi strutturali intrinseci, l'adozione del calcestruzzo fibrorinforzato con fibre d’acciaio (SFRC) offre notevoli benefici in fase di produzione e logistica degli elementi prefabbricati.

La riduzione o l'eliminazione delle armature tradizionali si traduce direttamente in:

• Minore manodopera richiesta per la piegatura, il taglio e il posizionamento degli elementi in acciaio;
• Miglioramento della logistica interna all'impianto di prefabbricazione;
• Riduzione degli errori e della congestione delle armature all'interno dei casseri, soprattutto in presenza di geometrie complesse.

La semplificazione del processo di armatura e la sua potenziale automazione sono, inoltre, in perfetta sintonia con la trasformazione industriale del settore delle costruzioni, che mira all'adozione di soluzioni digitali e a una sempre maggiore filiera industrializzata e controllata.

Conclusioni per produttori e progettisti

La campagna sperimentale e le simulazioni numeriche hanno fornito prove concrete e consistenti a supporto dell'adozione delle fibre d'acciaio negli elementi prefabbricati, riassumendo i vantaggi in quattro punti chiave:

1. Miglioramento Prestazionale: L'integrazione delle fibre d'acciaio ha dimostrato di aumentare la resistenza al taglio fino all'85%. Questo incremento non solo ottimizza le prestazioni, ma può anche convertire rotture fragili per taglio in modalità di rottura duttile per flessione;
2. Conformità Normativa: Sebbene gli standard di progettazione correnti tendano a sottostimare il pieno potenziale dell'SFRC, la ricerca conferma che codici e linee guida specifiche (come il Model Code 2010) sono in grado di fornire una correlazione coerente e affidabile con i dati sperimentali, supportando così la progettazione ingegneristica;
3. Efficienza Produttiva: I benefici vanno oltre la performance strutturale, traducendosi in una notevole efficienza produttiva in impianto. La riduzione o eliminazione delle staffe comporta meno manodopera, getti più rapidi e una gestione logistica semplificata dei materiali;
4. Sicurezza Progettuale: L'uso di modelli agli elementi finiti (FEM), calibrati sui risultati di laboratorio (in base a parametri chiave come l'energia di frattura), fornisce agli ingegneri strumenti predittivi robusti per tradurre le proprietà dei materiali in margini di sicurezza strutturale affidabili.

Le fibre d’acciaio non costituiscono un mero componente del calcestruzzo, bensì un vero e proprio strumento di riprogettazione strutturale. La sinergia tra armatura ottimizzata, migliori prestazioni e produzione semplificata posiziona il SFRC come elemento chiave per lo sviluppo dell’attuale e della prossima generazione di prefabbricati. Con l’evoluzione delle normative e la maturazione degli strumenti di progettazione, l’uso del SFRC nella prefabbricazione diventa una scelta non solo convincente dal punto di vista tecnico-economico, ma essenziale per l'innovazione del settore delle costruzioni.