Calcestruzzo fibrorinforzato per il rinforzo strutturale: prestazioni e limiti

Il calcestruzzo fibrorinforzato FRC conserva una resistenza a trazione dopo la fessurazione, utilizzabile nel progetto di incamiciature per strutture esistenti. Le formulazioni HPFRC consentono interventi di spessore contenuto, la cui efficacia dipende dalle prestazioni del materiale e dalle ipotesi di collaborazione con il supporto. Il contributo tecnico pubblicato su INGENIO collega classi di resistenza residua, comportamento degradante o incrudente e verifiche SLU/SLE alla modellazione in Sismicad 13.2. Offre così al progettista una lettura operativa dei parametri che governano il dimensionamento.

---

Molte sono le tecnologie al servizio del rinforzo di strutture esistenti. Tra le più datate ricordiamo quelle consistenti in incamiciature in c.a, soprattutto di pareti in muratura, molto utilizzate nella ricostruzione a seguito del terremoto del Friuli del 1976.

Si sono nel tempo sviluppate le tecnologie della famiglia dei compositi cioè di rinforzi costituiti dalla unione di fibre lunghe resistenti a trazione e matrici organiche (polimeri) o inorganiche (malte) che hanno la funzione di collegare le fibre tra loro e al supporto. L’impiego di questi prodotti ha comportato l’intervento sia del CNR che del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici con la redazione di specifiche normative dedicate sia ai compositi a matrice organica (FRP) che a quelli a matrice inorganica (FRCM e CRM).

Appartiene alla categoria dei compositi a matrice inorganica anche il calcestruzzo fibrorinforzato (FRC).

FRC e HPFRC: resistenza residua e impiego nel rinforzo strutturale

Che cosa è il calcestruzzo fibrorinforzato (FRC)

Secondo CNR-DT 204/2006: “Il calcestruzzo fibrorinforzato (FRC, Fiber Reinforced Concrete) …. è un calcestruzzo cementizio additivato con fibre corte di acciaio, di materiale polimerico, di materiale inorganico quale carbonio o vetro, o di materiali naturali, cui possono aggiungersi in opera usuali barre di armatura, lente o pretese. L’aggiunta delle fibre conferisce al calcestruzzo, dopo la fessurazione, una significativa resistenza residua a trazione (di seguito denominata tenacità). Quest’ultima dipende da molteplici fattori, tra i quali ad esempio il rapporto di aspetto (ovvero il rapporto lunghezza/diametro equivalente delle fibre), la percentuale volumetrica delle fibre, le caratteristiche fisico-meccaniche di queste ultime.”

Che cosa è HPFRC

Con HPFRC (High Performance Fiber Reinforced Concrete) si indica una categoria di FRC realizzata con inerti di piccole dimensioni e additivata con fibre di minore lunghezza e di caratteristiche diverse rispetto a quelle impiegate nel calcestruzzo con inerti di dimensioni usuali. L’HPFRC si presenta come una malta ad altissime prestazioni meccaniche adatta a realizzare strutture di spessori limitati anche di pochi centimetri. Queste caratteristiche rendono l’HPFRC adatto al rinforzo di strutture esistenti attraverso la applicazione di incamiciature di travi, pilastri e pareti con o senza presenza di armature tradizionali.

Incamiciature in HPFRC: spessori ridotti e ruolo delle armature

L’incamiciatura in c.a. è un intervento storicamente tra i più datati ed è recepito della circolare applicativa delle NTC18 al punto C8.7.4.2.1 per il rinforzo di strutture in c.a. e, al punto C8.5.3 sotto la voce Intonaco armato, per il rinforzo di strutture in muratura.

Sismicad, il programma di calcolo strutturale prodotto da Concrete srl, lo propone da tempo ai propri utilizzatori come metodo di rinforzo sia per il c.a. che per la muratura.

Il vantaggio che offre l’HPFRC rispetto all’incamiciatura con il tradizionale c.a. è legato alle particolari caratteristiche del materiale che comportandosi a tutti gli effetti come materiale reagente a trazione consente di ridurre gli spessori e anche, in certi casi, di eliminare le armature metalliche. Spessori ridotti offrono vantaggi sia per la riduzione dei pesi del rinforzo sia per la organizzazione del cantiere in particolare nei centri storici.

Calcestruzzo fibrorinforzato strutturale: NTC e Linee guida CSLP

La circolare applicativa delle NTC18 al punto C.11.2.12 stabilisce che: “sia per la sua qualificazione che per la progettazione delle strutture in FRC, si dovrà fare esclusivo riferimento a specifiche disposizioni del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici, rese attraverso apposite Linee Guida”.

Il riferimento è alle:

• Linea guida per l’identificazione, la qualificazione, la certificazione di valutazione tecnica ed il controllo di accettazione dei calcestruzzi fibrorinforzati FRC (Fiber Reinforced Concrete), del novembre 2021, scaricabili dal sito del Consiglio Superiore dei LLPP;
• Linee guida per la progettazione, messa in opera, controllo e collaudo di elementi strutturali in calcestruzzo fibrorinforzato con fibre di acciaio o polimeriche, del maggio 2022, scaricabili dal sito del Consiglio Superiore dei LLPP.

Inoltre, sempre in C.11.2.12 la circolare precisa che: “un calcestruzzo fibrorinforzato ad uso strutturale, per essere definito tale, deve essere caratterizzato da un dosaggio minimo delle fibre al suo interno. Le norme CNR-DT 204/2006 ‘Istruzioni per la progettazione, l’esecuzione ed il controllo di strutture di calcestruzzo fibrorinforzato’, indicano che ‘per impieghi strutturali deve essere garantito un dosaggio minimo di fibre’ e quantificano tale dosaggio come ‘non inferiore allo 0.3% in volume’.”

FRC a trazione: comportamento degradante e incrudente

Come indicato da CNR-DT 204/2006, e illustrato schematicamente nella figura, le fibre migliorano il comportamento a trazione della matrice in fase fessurata.

Per contenuti di fibre non elevati (con percentuale volumetrica indicativamente inferiore al 2%) il comportamento è di tipo degradante.

Nel caso di elevati contenuti di fibre (con percentuale volumetrica indicativamente superiore al 2%), la resistenza può essere superiore a quella della matrice per effetto di un comportamento incrudente, legato ad un fenomeno di diffusione delle fessure.

Classi di resistenza residua FRC: il significato di fR1k e fR3k

Le LLGG del novembre 2021 così elencano le Classi prestazionali di un FRC:

• classe di resistenza a compressione;
• classe di consistenza;
• classe di esposizione;
• limite di proporzionalità (tensione corrispondente);
• classe di resistenza residua, ovvero resistenza opposta dal materiale all’avanzamento del processo di frattura.

Le stesse LLGG obbligano inoltre il produttore a definire le seguenti proprietà:

• dimensione massima dell’aggregato;
• caratteristiche geometriche della fibra;
• materiale utilizzato per la fibra.

La classe di resistenza residua è il dato che determina le modalità di utilizzo nelle verifiche di un FRC. Per classificare il comportamento post-fessurativo di un FRC sono presi in esame due parametri: la resistenza nominale per fR1k ed il rapporto fR3k/fR1k, che consentono di identificare la classe di resistenza residua. Essa è caratterizzata da un codice alfanumerico variabile in ordine di resistenze crescenti dalla classe “1a" alla classe “14e”. Il numero indica la resistenza fR1k; le lettere a, b e c indicano materiali a comportamento degradante (rapporto fR3k/fR1k<1.1), le lettere d ed e indicano materiali a comportamento incrudente (rapporto fR3k/fR1k>1.1).

Dalla classe di resistenza residua si ricavano le grandezze di progetto f_Ftld (tensione al limite di apertura di fessura nulla) e f_Ftud (tensione al raggiungimento della massima apertura delle fessure).

Verifiche FRC agli SLU e agli SLE: resistenza e fessurazioneModalità di verifica

Le LLGG del maggio 2022, da cui è presa la figura, danno al progettista la possibilità di scegliere tra due legami costitutivi semplificati: un legame costitutivo lineare ed un legame costitutivo rigido-plastico.

Pressoflessione FRC: legami costitutivi e condizioni di rottura

Per quanto riguarda la resistenza a pressoflessione si adottano i medesimi principi previsti nelle NTC18 per il calcestruzzo tradizionale.

Ovviamente è presa in conto la resistenza a trazione dell’FRC seguendo uno dei due legami costitutivi semplificati come indicato nella figura proposta dalle LLGG maggio 2022.

Per quanto riguarda il raggiungimento dello SLU a pressoflessione, le LLGG maggio 2022 prevedono quanto segue.

“Si assume che la rottura per flessione si manifesti quando si verifica una delle seguenti condizioni:

• raggiungimento della massima deformazione di compressione, εcu, nel FRC;
• raggiungimento della massima deformazione di trazione, εsu, nell’acciaio d’armatura (ove presente);
• raggiungimento della massima deformazione di trazione, εFu, nel FRC.

Nel caso di legame costitutivo di tipo degradante (sia con il modello lineare, sia con il modello rigido-plastico definiti nel §3.3.1), la massima deformazione a trazione, εFu, è assunta pari al 2%. Il valore ultimo dell’apertura di fessura, wu, deve comunque soddisfare la limitazione: wu = εu⋅lcs ≤2.5 mm. Il corrispondente valore di tensione (nel ramo post-fessurativo del legame costitutivo) è assunto come valore della tensione residua ultima. Nel caso di legame costitutivo di tipo incrudente, la deformazione massima di trazione, εFu, è assunta pari all’1% (sia con il modello lineare, sia con il modello rigido-plastico).”

Resistenza a taglio FRC: contributo delle fibre e armature trasversali

La resistenza a taglio è valutata analogamente a quanto previsto per il c.a. tradizionale sia in assenza che in presenza di armature trasversali con formulazioni adattate alla presenza delle fibre.

In figura è riportato quanto prevedono le LLGG maggio 2022 per la resistenza a taglio nel caso generale di armature sia longitudinali che trasversali.

Oltre alle verifiche di resistenza, le LLGG maggio 2022 trattano anche delle verifiche in esercizio.

Per quanto riguarda calcestruzzo compresso e armature aggiunte, le verifiche delle tensioni si rifanno a quanto previsto da NTC18.

Per quanto riguarda gli FRC le LLGG prevedono:

“Negli elementi FRC con fR3k/fR1k < 0,9 (FRC classe a e b), la verifica in esercizio delle trazioni in fase fessurata non è necessaria se l'elemento è verificato agli SLU. Negli elementi in FRC con comportamento post-fessurativo incrudente in trazione uniassiale, la trazione massima post-fessurativa deve soddisfare la limitazione σt ≤ 0.6⋅fFtsk. “

Quest’ultima verifica nella pratica può risultare molto più severa della verifica di resistenza e fare preferire ai progettisti e ai produttori calcestruzzi fibrorinforzati a comportamento degradante di classe a o b, per i quali la verifica non è prevista.

Per quanto riguarda la verifica di apertura delle fessure le LLGG di maggio 2022 distinguono i casi di presenza o di assenza di armature longitudinali. Nella ipotesi di assenza di armature longitudinali la verifica di apertura delle fessure è possibile solo negli elementi con comportamento incrudente a flessione.

Rinforzi FRC su strutture esistenti: campo normativo e ipotesi di progetto

Limiti nell’utilizzo delle Linee Guida

Nonostante l’impiego dei calcestruzzi fibrorinforzati sia spesso volto al rinforzo di strutture esistenti, le normative sino qui esaminate trattano solo di costruzioni realizzate interamente in FRC.

Mancano indicazioni specifiche sui temi del rinforzo di c.a. e muratura, a differenza di quanto avviene nelle NTC18, nella relativa circolare applicativa e nelle normative dedicate all’impiego di specifici materiali compositi (FRP, FRCM e CRM).

Ciò obbliga il progettista, e per esso il produttore di software, ad adottare nella progettazione di calcestruzzi fibrorinforzati indicazioni provenienti da altre normative. Sarebbe auspicabile la presenza di una nuova normativa nazionale dedicata all’utilizzo degli FRC per il rinforzo strutturale.

Gestione del materiale FRC in un software di calcolo

FRC in Sismicad 13.2: definizione del materiale e verifiche delle travi

Può essere utile comprendere come si può definire un materiale FRC in un software di calcolo strutturale.

I dati di definizione del comportamento a trazione provengono da dati richiesti dalla LLGG maggio 2020 ai produttori e sono già presenti nel software per alcuni prodotti commerciali. Sono i dati necessari a produrre le verifiche richieste dalla norma.

Allo stato attuale Sismicad 13.2 prevede l’impiego di FRC sia a comportamento degradante che incrudente, adottando il legame costitutivo semplificato rigido-plastico.

Prevede inoltre, per il rinforzo di travi esistenti in c.a, le verifiche allo SLU (pressoflessione e taglio) e allo SLE (tensioni, apertura delle fessure, deformazioni).

Incamiciature FRC: modellare sezioni composte nel software strutturale

La progettazione di una incamiciatura con FRC di una struttura esistente non è affrontabile dal professionista, in maniera economicamente conveniente, in assenza di un programma di calcolo.

Basta pensare alla complessità di analisi di sezioni composte di materiali diversi, ciascuno dei quali con proprie curve di comportamento.

Nel panorama nazionale operano numerosi produttori di materiali per l’edilizia che includono nei propri cataloghi soluzioni in calcestruzzo fibrorinforzato. Alcuni rendono disponibili software dedicati alla verifica di interventi di rinforzo mediante incamiciature in FRC. Tali strumenti rappresentano certamente un supporto alla diffusione e all’impiego di questi materiali. Tuttavia, il progettista che si avvale di software di calcolo strutturale di carattere generale, in grado di integrare anche la trattazione di queste specifiche applicazioni, può beneficiare indubbiamente di una maggiore velocità operativa.

Stai valutando un rinforzo in FRC per una struttura esistente? Approfondisci con i tecnici di Concrete le funzionalità di Sismicad per la modellazione dell’intervento e le verifiche agli stati limite ultimi e di esercizio.

Contatta Concrete per un approfondimento tecnico su Sismicad.

---

FAQ tecniche: progettare rinforzi in FRC su strutture esistenti

1. Quando conviene valutare un’incamiciatura in FRC rispetto a una tradizionale in cemento armato?

Un’incamiciatura in FRC può essere valutata quando il progetto richiede di contenere gli ingombri del rinforzo e l’incremento di peso. La resistenza residua a trazione del materiale può contribuire alla capacità della sezione. La convenienza va verificata confrontando geometria, prestazioni richieste, armature, collegamenti e condizioni esecutive: lo spessore ridotto, da solo, non dimostra l’efficacia dell’intervento.

2. Le fibre possono sostituire completamente le barre di armatura?

Non automaticamente. L’eventuale riduzione o eliminazione delle barre deve risultare dalle verifiche strutturali e dalle condizioni di applicabilità del materiale. Occorre considerare resistenza, fessurazione, deformazioni e dettagli costruttivi. La presenza di fibre non consente, da sola, di eliminare armature longitudinali, staffe o collegamenti tra rinforzo e struttura esistente.

3. Quali caratteristiche del materiale servono per dimensionare il rinforzo?

La sola resistenza a compressione non è sufficiente. Servono la classe di resistenza residua, i parametri del comportamento post-fessurativo e il legame costitutivo adottato nel calcolo, oltre alle caratteristiche pertinenti all’esposizione e alla posa. I dati devono essere coerenti con la documentazione di qualificazione e con il modello utilizzato. Un dosaggio di fibre espresso in kg/m³ non sostituisce la caratterizzazione prestazionale dell’FRC.

4. Come si verifica che l’incamiciatura collabori con la struttura esistente?

La collaborazione deve essere giustificata attraverso le condizioni dell’interfaccia e il trasferimento delle azioni tra supporto e rinforzo. Il progetto deve esplicitare preparazione del supporto, eventuali connessioni e ipotesi adottate nel modello. Non è sufficiente aggiungere geometricamente lo strato di FRC alla sezione originaria assumendo una perfetta aderenza.

5. Se il rinforzo soddisfa le verifiche SLU, il progetto può considerarsi concluso?

No. Devono essere affrontate anche le verifiche agli stati limite di esercizio pertinenti, comprese tensioni, fessurazione e deformazioni. Il comportamento post-fessurativo del materiale e la presenza di armature influenzano le verifiche applicabili. Una soluzione adeguata a pressoflessione e taglio può quindi richiedere modifiche per soddisfare le condizioni di esercizio.

6. È preferibile scegliere un FRC degradante oppure incrudente?

Non esiste una scelta valida per tutti gli interventi. Occorre confrontare il comportamento del materiale con le esigenze della sezione e con le verifiche richieste. Il più delle volte è preferibile utilizzare calcestruzzi fibrorinforzati a comportamento degradante di classe a o b, per i quali non è prevista la verifica delle tensioni in esercizio, verifica che può risultare molto più severa della verifica di resistenza.