Materiali HPFRC (High Performance Fiber Reinforced Concrete) nel ripristino strutturale
Che cosa sono gli HPFRC (High Performance Fiber Reinforced Concrete)
Abstract:
Gli HPFRC rappresentano una delle maggiori innovazioni nell’ambito degli interventi di riabilitazione e riparazione di edifici esistenti.
Essi sono caratterizzati da resistenze a compressione dell’ordine dei 100 MPa, dalla capacità di resistere a sforzi di trazione anche in corrispondenza di stati limite ultimo e dalla elevata resistenza agli agenti aggressivi, come i cloruri.
Nella memoria, uno specifico HPFRC viene caratterizzato in termini di resistenza a compressione, trazione, adesione al supporto e di durabilità per poi descrivere alcune interessanti applicazioni di ripristino/rinforzo di elementi strutturali in c.a. , quali pilastri, travi e solai.
In particolare, viene evidenziata l’elevata efficacia di camicie a basso spessore nell’incremento della capacità portante e della duttilità di pilastri e travi.
Vengono inoltre descritti i benefici conseguibili con la realizzazione di solette collaboranti di piccolo spessore in termini di aumento di capacità portante, riduzione delle deformazioni e delle vibrazioni di solai esistenti.
Articolo presentato in occasione degli Italian Concrete Days 2018 di aicap e CTE
HPFRC materials in structural restoring
Materiali HPFRC (High Performance Fiber Reinforced Concrete) nel ripristino strutturale
1 EDIFICI ESISTENTI E NUOVI CRITERI ANTISISMICI
Il patrimonio immobiliare italiano risulta essere il più vetusto d’Europa.
Le strutture in cemento armato, in gran parte costruite negli anni del boom edilizio italiano, già nel 1960 rappresentavano oltre il 50% del patrimonio edilizio ad uso abitativo.
Circa il 25% degli edifici non è mai stato sottoposto ad interventi di riqualificazione, il 5% necessita di interventi urgenti mentre il 40% richiede misure di manutenzione straordinaria.
Recenti analisi compiute su edifici in c.a. hanno messo in luce carenze progettuali e costruttive, nonché rilevanti stati di degrado dei materiali.
É quindi molto probabile trovarsi nella situazione di edifici a pieno regime di utilizzo che offrono prestazioni statiche inferiori a quelle di sicurezza previste dalle normative attuali.
Queste ultime hanno introdotto una serie di concetti innovativi, sia nelle tecniche di progettazione che nei materiali, che mettono in maggior risalto le carenze strutturali degli edifici esistenti, quali: Concezioni strutturali inadeguate: uno dei criteri più importanti ed innovativi introdotti dalle recenti normative è stato quello della “gerarchia delle resistenze” che ha radicalmente modificato le tecniche di progettazione, portando ad avere strutture più duttili e resistenti in zona sismica.
Gli edifici esistenti, basati su concezioni superate come quella di realizzare travi molto più rigide dei pilastri (trave “forte” su colonna “debole”), si rivelano fragili e quindi inadeguati alle sollecitazioni sismiche.
Qualità dei materiali: relativamente al calcestruzzo, la normativa di riferimento italiana per le opere edificate nel dopoguerra (R.D. 16.11.1939 n° 2229) prevedeva un valore minimo per la resistenza cubica del conglomerato a 28 giorni di maturazione di 12 N/mm2, poi portato a 15 N/mm2 (D.M. 27 luglio 1985), fino al valore attuale di 25 N/mm2 richiesto dalla recente normativa tecnica.
Particolari costruttivi: in passato non erano presenti nella Normativa prescrizioni su dettagli costruttivi (armature minime,staffatura,…) o su requisiti di regolarità atti ad assicurare un buon comportamento nei confronti del sisma.
Il risultato è quello di avere strutture in calcestruzzo armato fortemente penalizzate in termini di duttilità strutturale.
2 HPFRC NEGLI INTERVENTI SU STRUTTURE ESISTENTI
2.1 Generalità
Il tema del recupero edilizio propone diverse tecniche di intervento da utilizzare su strutture esistenti per migliorarle o adeguarle simicamente secondo gli attuali orientamenti condivisi dalla comunità scientifica.
Nell’ambito del ripristino di strutture ammalorate o danneggiate da eventi eccezionali spesso emerge l’esigenza di contenere le dimensioni degli interventi di rinforzo, per una serie di ragioni:
- Strutturali: limitare l’incremento di massa e non modificare radicalmente le distribuzioni di rigidezza iniziali.
- Esecutive: facilitare tutte le operazioni, per ridurre sia le tempistiche di posa che i costi di intervento.
- Funzionali: non penalizzare la volumetria delle costruzioni, preservandone gli spazi.
- Estetiche: limitare quanto più possibile l’impatto visivo dell’intervento.
Tutto questo ha portato la ricerca ad investire molto sullo sviluppo di compositi cementizi ad elevate prestazioni (HPFRC, High Performance Fiber Reinforced Concrete) che, grazie alla presenza di materie prime innovative, tra le quali fibre corte in acciaio, e stringenti controlli del processo di fabbrica, forniscono elevate resistenze a compressione, soddisfacenti resistenze residue a trazione, nonché una rilevante capacità deformativa (duttilità).
2.2 Prove di caratterizzazione del materiale
Il prodotto HPFRC oggetto della presente memoria è una malta cementizia ad elevate prestazioni, tricomponente fibrorinforzata con fibre in acciaio ed autocompattante.
Dopo l’impasto dei componenti, ovvero della componente solida (86.7% in peso: cemento e aggregati lapidei a granulometria fine), della componente liquida (9.3% in peso: acqua e additivi) e delle fibre metalliche (4 % in peso), il materiale si presenta molto fluido, stabile, omogeneo e lavorabile per circa 1 ora a 20 °C.
In questo stato il materiale è ideale per applicazioni superficiali (es. su solai, pavimentazioni industriali, riempimenti, ecc …) e per applicazioni verticali all’interno di opportuni casseri.
In quest’ultimo caso, l’elevata fluidità e coesione consentono all’HPFRC di scorrere all’interno dei casseri raggiungendo facilmente il massimo grado di compattazione mediante una minima azione compattante (automatica o manuale).
Data la ridotta granulometria degli aggregati presenti nell’HPFRC in esame, la valutazione della resistenza a compressione in laboratorio è stata effettuata utilizzando provini prismatici aventi dimensioni di 40x40x160 mm stagionati in condizioni standard, ovvero a temperatura di 20 °C e umidità relativa superiore al 95%.
La Figura 1 illustra un test di compressione.
Il materiale sperimentato in laboratorio, dopo 24 ore di stagionatura, ha fornito una resistenza media a compressione di 40.50 N/mm2.
Dopo 28 giorni di stagionatura, la resistenza media di compressione è salita a 131.75 N/mm2.
Il materiale HPFRC in esame è in grado di resistere a sforzi di trazione dopo la sua fessurazione e per questo può contribuire in maniera significativa alla duttilità del singolo elemento strutturale e, di conseguenza, dell’intera struttura nella quale viene impiegato.
La caratterizzazione del materiale dal punto di vista della resistenza a trazione residua è stata eseguita secondo due metodologie:
a) Prova a trazione uniassiale eseguita su provino non intagliato, secondo le specifiche di prova descritte nell’Appendice C del documento CNR-DT 204/2006.
b) Prova di flessione su quattro punti eseguita su provino intagliato, secondo la norma UNI 11039-2, come previsto sempre dal documento CNR-DT 204/2006.
In Figura 2 sono rappresentate delle immagini della macchina di prova a trazione.
La prova è stata eseguita su tre campioni sagomati ad “osso di cane”, in controllo di spostamento con applicazione monotona del carico fino a rottura.
Le deformazioni del provino sono state rilevate mediante due trasduttori lineari induttivi LVDT posizionati simmetricamente in corrispondenza della dimensione maggiore della sezione del provino alle estremità del tratto utile.
Ciascuna prova è stata interrotta non prima di arrivare ad una deformazione del provino pari al 3%.
Il valore della deformazione è stato calcolato, in ogni istante della prova, come rapporto tra lo spostamento medio misurato dai trasduttori ed il valore della base di misura pari a 80 mm.
In Tabella 1 si riportano i risultati della prova di trazione su tre campioni, in termini di tensione massima raggiunta e corrispondente deformazione.
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L'ARTICOLO COMPLETO E' DISPONIBILE IN ALLEGATO
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Nel 2020 si terrà a Napoli la terza edizione degli Italian Concrete Days organizzati da aicap e CTE. Per saperne di più collegarsi a questo LINK
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