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CALCESTRUZZO FIBRORINFORZATO CON FIBRE DI ACCIAIO (SFRC): PERCHÈ USARLO

calcestruzzo fibrorinforzato
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Nel presente documento si valutano gli effettivi benefici nell’utilizzo di calcestruzzo fibrorinforzato (SFRC) nella produzione di cabine elettriche e manufatti prefabbricati.

I manufatti realizzati con SFRC si sono progressivamente diffusi negli ultimi anni in tutto il mondo, tanto da rendere indispensabile la redazione di diverse Linee Guida ed Istruzioni Tecniche al fine di disciplinare l’impiego di tali materiali.

Nel dettaglio, il calcestruzzo fibrorinforzato è un calcestruzzo cementizio additivato con fibre corte, discrete e discontinue, di acciaio: l’aggiunta delle fibre conferisce al calcestruzzo un miglior comportamento nei confronti dell’apertura delle fessure e, dopo la fessurazione, una significativa resistenza residua a trazione (Tenacità). 

Una volta superato il limite elastico della matrice, le fibre sono in grado di manifestare il proprio contributo, conferendo al composito una resistenza a trazione nettamente superiore rispetto ad un normale calcestruzzo. Il rinforzo fibroso consente inoltre di limitare l’ampiezza delle fessure causate dai carichi, dagli effetti termici e dal ritiro, particolarmente importante per elementi prefabbricati esposti agli agenti atmosferici.

Infine, le fibre migliorano anche la resistenza agli urti che possono subire gli elementi strutturali prefabbricati durante la loro movimentazione.

È importante specificare che le fibre migliorano il comportamento del calcestruzzo dopo la fessurazione dello stesso, ovvero allo Stato Limite Ultimo. Per elementi progettati per resistere in campo elastico, le fibre non forniscono alcun contributo, se non migliorare gli aspetti reologici del calcestruzzo durante le fasi di maturazione (Ritiro).

Si sottolinea inoltre che l’utilizzo di calcestruzzi fibrorinforzati risulta normativamente comprovato e trattato in diverse istruzioni e linee guida, tra le quali il testo di riferimento risulta la norma nazionale CNR-DT 204/2006 “Istruzioni per la progettazione, l’esecuzione ed il controllo di strutture di calcestruzzo fibrorinforzato”.

Comportamenti del calcestruzzo fibrorinforzato

Comportamento alla trazione

In accordo al punto 2.5.2.1 delle CNR-DT 204/2006, le fibre sono generalmente in grado di ridurre la fragilità della matrice, ma non di influenzarne sensibilmente il comportamento a compressione. Nella pratica, il legame costitutivo del calcestruzzo fibrorinforzato ed in particolare la sua resistenza possono essere assimilati a quelli del materiale non rinforzato.

Comportamento a trazione

In accordo al punto 2.5.2.2 delle CNR-DT 204/2006, è possibile affermare che le fibre migliorano il comportamento a trazione della matrice fessurata. In particolare, a seconda del contenuto di fibre, il comportamento post-fessurativo può essere degradante (basso contenuto di fibre) o incrudente (alto contenuto di fibre).

Aspetti relativi alla conduttanza/resistività elettrica del calcestruzzo fibrorinforzato

La conduttanza elettrica (G) è l’attitudine di un conduttore ad essere percorso da corrente elettrica. Il suo reciproco è la resistività elettrica (R), ovvero l’attitudine di un materiale ad opporre resistenza al passaggio delle cariche elettriche. La resistività o resistenza elettrica specifica è una proprietà fondamentale del calcestruzzo in quanto influisce sulla resistenza del manufatto alla corrosione delle armature, fenomeno notoriamente di natura elettrochimica: il processo di corrosione si avvale infatti di un mezzo elettrolitico (il calcestruzzo umido) e di un agente reattivo (l’ossigeno) attraverso una reazione catodica ed una reazione anodica.

Nel conglomerato cementizio la resistenza elettrica specifica varia in funzione di numerosi fattori quali la densità, il rapporto acqua/cemento, il tipo di cemento, ecc.  In linea di massima, a parità dei fattori intrinseci citati, la variazione di resistività è ancora strettamente connessa con il variare dell’umidità: da valori dell’ordine di 1-3 Wm, nello stato umido, a valori dell’ordine di 10-11Wm nello stato asciutto.

Nel caso del calcestruzzo armato, il passaggio di corrente avviene per trasporto di elettroni nel corpo del metallo, e per trasporto di specie ioniche nella soluzione che permea le porosità del calcestruzzo (fessurazioni). Questo flusso di corrente è accompagnato da una variazione del potenziale elettrico tra diverse zone dell’armatura d’acciaio.

Riassumendo quindi, nel calcestruzzo armato la resistività elettrica risulterà tanto minore quanto maggiore sarà lo stato fessurativo del calcestruzzo e, al contrario, aumenterà in calcestruzzi non fessurati.

Appare quindi evidente il vantaggio nell’utilizzo di calcestruzzi fibrorinforzati per quel che concerne l’aumento di resistività elettrica del calcestruzzo armato: l’aggiunta delle fibre conferisce al calcestruzzo un miglior comportamento nei confronti dell’apertura delle fessure, con conseguente diminuzione delle porosità nel composto.

Si riporta a validazione di quanto affermato, una ricerca effettuata dalla Facoltà di Ingegneria Civile dell’Università di Praga, pubblicata nel 2016 dalla Elsever, Experimental study on electrical properties of steel-fibre reinforced concrete da cui si riporta il seguente grafico esplicativo.

Come si osserva dal grafico, per quantitativi di fibre inferiori allo 0,5% si ha un incremento della resistività elettrica del calcestruzzo, dovuto appunto da un miglior comportamento fessurativo. Sopra a tale percentuale si possono avere delle sensibili diminuzioni della resistività dovute all’alta percentuale di fibre di acciaio

Si precisa che, usualmente, il quantitativo di fibre utilizzate nei manufatti prefabbricati è pari a circa lo 0,3-0,4% in volume.

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Quadro normativo attuale sul calcestruzzo fibrorinforzato

Il quadro normativo attuale relativo ai calcestruzzi fibrorinforzati con fibre di acciaio è molto ampio e comprende Norme specifiche per la definizione del materiale, per la progettazione, esecuzione e controllo di opere realizzate in calcestruzzo fibrorinforzato.

Normative per la definizione del materiale:

  • UNI 11037:2003 Fibre di acciaio da impiegare nel conglomerato cementizio rinforzato;
  • UNI U73041440 Progettazione, esecuzione e controllo degli elementi strutturali in calcestruzzo rinforzato con fibre d’acciaio;
  • UNI 11039-1:2003 Calcestruzzo rinforzato con fibre d’acciaio: definizioni, classificazione e designazione;
  • UNI 11039-2:2003 Calcestruzzo rinforzato con fibre d’acciaio: Metodo di prova per la determinazione della resistenza di prima fessurazione e degli indici di duttilità;
  • UNI EN 14889-1:2006 Fibers for concrete: definìtions, specifications and conformity;
  • UNI EN 14889-2:2006 Fibers for concrete: definìtions, specifications and conformity;
  • UNI EN 14651:2007 Test method for metallic fibered concrete;
  • RILEM TC 162 Test and design methods for steel fiber reinforced concrete;
  • FIB MODEL CODE FOR CONCRETE STRUCTURES.
Edilceem Srl

Norme tecniche cogenti a livello nazionale

D.M. 17/01/2018 “Norme Tecniche per le Costruzioni”

Le NTC2018 trattano i calcestruzzi fibrorinforzati aventi funzione strutturale al Par. 11.2.12, del quale si riporta nel seguito lo stralcio:

Il calcestruzzo fibrorinforzato (FRC) è caratterizzato dalla presenza di fibre discontinue nella matrice cementizia; tali fibre possono essere realizzate in acciaio o materiale polimerico, e devono essere marcate CE in accordo alle norme europee armonizzate, quali la UNI EN 14889-1 ed UNI EN 14889-2 per le fibre realizzate in acciaio o materiale polimerico.

La miscela del calcestruzzo fibrorinforzato deve essere sottoposta a valutazione preliminare secondo le indicazioni riportate nel precedente § 11.2.3 con determinazione dei valori di resistenza a trazione residua fR1k per lo Stato limite di Esercizio e fR3k per lo Stato limite Ultimo determinati secondo UNI EN 14651:2007.

Per la qualificazione del calcestruzzo fibrorinforzato e la progettazione delle strutture in FRC si dovrà fare esclusivo riferimento a specifiche disposizioni emanate dal Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici.

Inoltre nella Circolare 21 gennaio 2019 n. 7 esplicativa delle NTC2018 al medesimo punto C 11.2.12 si chiarisce che:

Le NTC definiscono il calcestruzzo FRC come “caratterizzato dalla presenza di fibre discontinue nella matrice cementizia” e stabiliscono 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. Al riguardo occorre precisare che secondo le dizioni comunemente adottate nel settore della tecnologia delle costruzioni, 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”. Pertanto, a meno di specifiche indicazioni eventualmente riportate nelle sopracitate Linee Guida, per quantitativi inferiori a tale dosaggio, allo stato un calcestruzzo che preveda l’utilizzo di fibre non può essere definito, ai fini strutturali, come “fibrorinforzato” e quindi il suo impiego, non vincolato dalle procedure autorizzative di cui al citato p.to 11.2.12, può fare riferimento alle prescrizioni per il calcestruzzo normale, contenute nei pertinenti Capitoli delle NTC. Ne consegue, in termini pratici, che la presenza di un quantitativo di fibre al di sotto della soglia sopra indicata, può essere considerata nei normali calcestruzzi quale semplice ausilio per il miglioramento del comportamento del calcestruzzo in particolari situazioni, quali ad esempio le fasi di scassero, con lo scopo di tenere sotto controllo microfessurazioni e di minimizzare l’effetto di cavillature in punti sensibili del manufatto, quali spigoli e zone d’angolo, non facilmente raggiungibili dall’armatura ordinaria. Naturalmente, l’impiego delle fibre comporta comunque l’obbligo del rispetto della vigente normativa del settore, ed in presenza di norme armonizzate il possesso della marcatura CE. Inoltre, in sintonia con quanto previsto dal p.to 11.2.3 delle NTC, occorre che anche tali calcestruzzi non definibili strutturalmente quali fibrorinforzati, siano oggetto di prove preliminari di studio, non solo al fine di ottenere le prestazioni richieste dal progetto, ma anche, data comunque la specificità del materiale impiegato, di verificare la piena compatibilità delle fibre con il particolare utilizzo previsto. A tale fine, si ritiene anche necessaria l’implementazione di un sistema permanente di controllo della produzione opportunamente calibrato, attraverso un processo industrializzato dotato di idonei impianti, nonché di strutture e tecniche opportunamente organizzate, al fine di assicurare il mantenimento di un adeguato livello di affidabilità nella produzione del calcestruzzo e nella conformità del prodotto finito.

Se ne evince, dunque, che è consentito l’impiego di calcestruzzo fibrorinforzato per la realizzazione di opere strutturali salvo che il fornitore sia preventivamente autorizzato alla produzione del calcestruzzo stesso da parte del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici, il quale ha emanato le “Linee guida per l’identificazione, la qualificazione, la certificazione di valutazione tecnica ed il controllo di accettazione dei calcestruzzi fibrorinforzati FRC (Fiber Reiforced Concrete)”

Per l’impiego del calcestruzzo fibrorinforzato, la norma fa inoltre esplicito riferimento alle “CNR-DT 204/2006 – Istruzioni per la progettazione, l’esecuzione ed il controllo di strutture di calcestruzzo fibrorinforzato”.

Tali istruzioni risultano complete ed esaustive e trattano diversi argomenti tra cui:

  • materiali e concetti basilari di progetto;
  • verifiche SLU e SLE, Resistenza al fuoco;
  • esecuzione e Collaudo.

Ovvero tutto ciò che serve per caratterizzare il materiale, per progettare elementi e per effettuare le procedure di controllo.

In conclusione l’aggiunta di fibre metalliche nel calcestruzzo armato, nelle percentuali volumetriche considerate, ovvero 0,3-0,4% in volume, consente di migliorare diversi aspetti del calcestruzzo tra cui:

  • aumento della resistenza a trazione;
  • aumento della duttilità;
  • miglioramento del comportamento alla fessurazione;
  • aumento della resistività elettrica, ovvero diminuzione della conduttanza.
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