Progettazione di elementi in calcestruzzo con macro-fibre sintetiche: CivilMapei, il software di calcolo a supporto dei progettisti

Il calcestruzzo fibrorinforzato con macro-fibre sintetiche (MSFRC) offre, in diversi elementi strutturali, una valida alternativa ai tradizionali rinforzi metallici, eliminando qualsiasi rischio di corrosione, problema molto diffuso per le armature in acciaio, e riducendo l’impatto ambientale degli elementi stessi.

Mapei ha recentemente sviluppato CivilMapei, un software di calcolo che supporta i progettisti e i professionisti del settore nel calcolo strutturale degli elementi in calcestruzzo attraverso l’impiego dei calcestruzzi fibrorinforzati con fibre sintetiche.

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Fibre sintetiche nel calcestruzzo fibrorinforzato

Negli ultimi dieci anni, le fibre sintetiche si sono sempre più affermate come una valida alternativa alle tradizionali armature in acciaio, non solo nel settore dei pavimenti industriali ma anche nel mondo della prefabbricazione.

Il loro impiego consente di risolvere problematiche non trascurabili legate alla durabilità degli elementi strutturali, offrendo al tempo stesso vantaggi pratici quali la riduzione della manodopera, un maggiore livello di sicurezza durante le fasi di cantiere ed un minore impatto ambientale delle soluzioni.

Tuttavia, l’impiego di FRC con macro-fibre sintetiche richiede una rigorosa e accurata progettazione degli elementi strutturali, soprattutto in riferimento agli stati limite ultimi e di esercizio.

Il presente articolo introduce CivilMapei, un software di calcolo sviluppato da Mapei, specializzato nella progettazione di elementi in calcestruzzo fibrorinforzato, spiegando i vantaggi di una soluzione con fibre sintetiche ed illustrandone i principali modelli di calcolo.

 

 

Buone ragioni per usare le fibre macro- sintetiche

La corrosione dell’acciaio rappresenta tuttora uno dei principali fattori che mettono a rischio la durabilità delle strutture in calcestruzzo armato.

Le fibre sintetiche costituiscono un’alternativa di rinforzo esente da fenomeni corrosivi e caratterizzata da un ottimo comportamento post-fessurazione, risultando quindi particolarmente vantaggiose in ambienti aggressivi.

L’impiego di macro-fibre sintetiche negli elementi prefabbricati consente, grazie alla distribuzione uniforme e tridimensionale delle fibre, di fornire elevate prestazioni in termini di durabilità e un’adeguata resistenza post-fessurativa.

Il rispetto di tali requisiti rende necessario l’impiego di strumenti di modellazione avanzati, in grado di simulare in modo affidabile il comportamento strutturale del materiale, la resistenza a trazione post-fessurativa del calcestruzzo e le verifiche in funzione delle sollecitazioni a cui sono sottoposti gli elementi in calcestruzzo.

 

L’importanza della progettazione strutturale

CivilMapei nasce con l’obiettivo di promuovere l’adozione di soluzioni avanzate attraverso l’impiego di calcestruzzi con fibre sintetiche per molte applicazioni strutturali.

Utilizzando il software è possibile completare le verifiche richieste dalle principali norme internazionali, come l’analisi di una sezione in calcestruzzo (ad es. travi, pareti, serbatoi), l’analisi di piastre bidimensionali (ad es. solai, pannelli) e la progettazione di pavimentazioni industriali, in accordo al Technical Report 34 Concrete Society, all’Eurocode 2 (EN 1992-1-1) e al fib Model Code.

 

 

Gli utenti possono definire la geometria, i carichi, le condizioni del sottofondo e le proprietà dei materiali, quindi eseguire controlli dettagliati dello stato limite ultimo (SLU) e dello stato limite di esercizio (SLE).

 

 

Applicazioni pratiche

Il software di calcolo si può utilizzare per progettare in diversi ambiti del settore delle costruzioni:

• Prefabbricazione: pareti prefabbricate, pannelli, rampe di scale ed elementi di facciata per sistemi di costruzione modulari, dove le fibre sintetiche forniscono un miglior controllo delle fessurazioni e una maggiore durabilità, consentendo di progettare sezioni più sottili e ottenere cicli di produzione più efficienti.

• Infrastrutture idrauliche, energetiche: tubi prefabbricati, camere di ispezione, caveau sotterranei, cabine elettriche, dove le fibre sintetiche possono garantire elevati livelli di durabilità e resistenza agli ambienti aggressivi.

• Pavimenti industriali interni: magazzini, centri logistici e aree di produzione, dove le fibre sintetiche conferiscono un’elevata resistenza alla fatica e un miglior controllo delle fessurazioni.

• Pavimentazioni rigide esterne: banchine di carico, piazzali per container e piattaforme di stoccaggio outdoor sono esposti a condizioni climatiche variabili e a carichi notevoli. In questi casi il calcestruzzo rinforzato con fibre macro-sintetiche offre elevata durabilità dell’opera grazie alla resistenza in ambienti aggressivi e al contributo nel comportamento a fatica, riducendo spesso la necessità di eseguire interventi di manutenzione nel calcestruzzo.

• Opere infrastrutturali: strade, vie di accesso, piste ciclabili, aree di servizio aeroportuali, fondazioni per tram, pavimentazioni portuali, terminal container e canali navigabili sono contesti in cui l’utilizzo di calcestruzzo rinforzato con fibre macro-sintetiche offre soluzioni con ridotte necessità di rinforzo in acciaio, rendendo più semplice e rapido l’intero processo costruttivo delle opere.

Il software integra le prestazioni dei calcestruzzi FRC in accordo ai metodi di prova riportati nella norma EN 14651⁽⁵⁾, basandosi su un database che include i risultati delle resistenze a trazione per flessione residue del calcestruzzo fibrorinforzato in funzione dell’apertura di fessura CMOD (f_R1–f_R4).

Si possono quindi completare analisi di calcolo in fase rigido-plastica, adatta per progettazioni agli stati limite ultimi, e analisi multilineari, idonee per le verifiche agli stati limite di esercizio, tra cui il controllo dell’apertura massima delle fessure e il calcolo delle deformazioni degli elementi strutturali in calcestruzzo.

 

Calcestruzzo FRC nella prefabbricazione 

L'uso del calcestruzzo fibrorinforzato negli elementi prefabbricati è una tecnologia sempre più diffusa, grazie ai suoi vantaggi in termini di durabilità, duttilità e flessibilità di progettazione.

Al giorno d’oggi, molti standard forniscono un quadro chiaro per la progettazione degli elementi con le fibre sintetiche, attraverso modelli costitutivi basati sulle resistenze residue a flessione.

Alcune delle verifiche che il software è in grado di completare sono:

• Verifica a flessione (M_Rd vs M_Ed)
• Verifica a taglio (V_Rf)
• Controllo dell’apertura di fessure secondo l'Eurocode 2
• Analisi momento-curvatura per valutare la duttilità

Con il software CivilMapei è possibile studiare anche elementi caratterizzati da modelli più complessi, con condizioni di sottofondo particolarmente critiche, presenza di vuoti e aperture e configurazioni di carico particolari.

Per le pavimentazioni, tra le configurazioni di carico disponibili nel software si possono selezionare scaffali, carrelli elevatori e camion.

 

Esempio di applicazione: pannello prefabbricato per cabina

Un esempio pratico di elemento in calcestruzzo in cui l’impiego delle fibre sintetiche può apportare numerosi vantaggi sono le cabine prefabbricate elettriche.

L’impiego delle macro-fibre sintetiche consente, infatti, una significativa riduzione dei tradizionali rinforzi in acciaio, migliorando non solo l'efficienza produttiva del processo costruttivo, ma riducendo al tempo stesso i costi di manodopera per la realizzazione dell’opera.

Per il caso in esame, Mapei ha eseguito un’analisi agli elementi finiti della cabina elettrica, attraverso il software di calcolo CivilMapei, confermando la capacità post-fessurativa degli elementi che costituiscono la cabina e calcolando il dosaggio di fibre sintetiche necessario.

Sono stati, inoltre, valutati anche gli effetti termici e le sollecitazioni durante la fase di movimentazione, trasporto e messa in opera della cabina, garantendo la conformità di tutti i requisiti di prestazione strutturale e durabilità richiesti dal committente.

 

 

Il calcestruzzo rinforzato con fibre sintetiche offre un'alternativa valida e sostenibile rispetto al tradizionale rinforzo con armature in acciaio in molti elementi strutturali nei settori dell’edilizia, delle infrastrutture e della prefabbricazione, oltre che nelle pavimentazioni industriali. CivilMapei è un software avanzato di progettazione strutturale, che consente ai progettisti di modellare diverse applicazioni, supportando in maniera tecnica e professionale l’evoluzione di un mercato delle costruzioni in continua innovazione e sviluppo.

 

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Bibliografia

1. BRITISH STANDARDS INSTITUTION, BS EN 1992-1-1. Eurocode 2. Design of concrete structures - General rules and rules for buildings, bridges and civil engineering structures. BSI, London, 2023.
2. FÉDÉRATION INTERNATIONALE DU BÉTON. The fib Model Code for Concrete Structures (2020). fib, Lausanne, Switzerland, 2024.
3. CONCRETE SOCIETY. Concrete industrial ground floors. A guide to design and construction. Technical Report 34, Fourth Edition, Camberley, January 2018.
4. FÉDÉRATION INTERNATIONALE DU BÉTON. fib Model Code for Concrete Structures 2010. fib, Lausanne, Switzerland, 2013.
5. BRITISH STANDARDS INSTITUTION, BS EN 14651. Test method for metallic fibre concrete. Measuring the flexural tensile strength (limit of proportionality (LOP), residual). BSI, London, 2005+A1:2007.
6. BRITISH STANDARDS INSTITUTION, BS EN 14889. Fibres for concrete. Part 2 –
Polymer fibres. Definitions, specifications and conformity. BSI, London, 2006