Completate le Linee Guida sul calcestruzzo ... - Conpaviper

36pavimenti in calcestruzzoProf. Ing. Giovanni Plizzari, Università degli Studi di BresciaIng. Luca Cominoli, Università degli Studi di BresciaCompletate le Linee Guidasul calcestruzzofibrorinforzato per pavimenti1. IntroduzioneIl calcestruzzo fibrorinforzato (Fiber ReinforcedConcrete, FRC) è un materiale compositoa base cementizia al quale viene aggiuntoun rinforzo diffuso rappresentato da fibredi varia natura. Le proprietà del compositodipendono dalle caratteristiche dei singolicomponenti e dai loro dosaggi, ma anchedall’interazione tra fibra e matrice [1-2]. Diconseguenza, per ottenere un calcestruzzofibrorinforzato a prestazioni garantite, nonbasta aggiungere delle semplici fibre ad unamatrice di calcestruzzo, ma la miscela delcomposito deve essere opportunamenteprogettata.L’utilizzo di un rinforzo fibroso permette dilimitare la fragilità intrinseca della matricecementizia, dando origine a compositi caratterizzatida maggiore resistenza, da miglioredurabilità, ma soprattutto da una maggioretenacità, intesa come la resistenza oppostaall’avanzamento del processo di propagazionedella fessurazione [3].Fra le diverse tipologie di fibra, alcune consentonodi incrementare sensibilmente la tenacitàdel calcestruzzo e sono per queste definitefibre “strutturali”; altre tipologie sonoparticolarmente efficaci nel limitare la fessurazioneda ritiro e nel migliorare la resistenzaal fuoco e sono definite “non strutturali”.Le fibre strutturali fungono da elementoresistente diffuso con azione di cucitura trai lembi delle fessure; è pertanto evidentecome divengano efficaci e migliorino le prestazionidel materiale solo ad avvenuta fessurazionedella matrice di calcestruzzo (Fig. 1).L’aggiunta delle fibre conferisce al calcestruzzouna significativa resistenza residua a trazionein fase post-fessurativa (Fig. 2).Negli ultimi anni si sono progressivamentediffuse diverse applicazioni strutturali deicalcestruzzi fibrorinforzati [4]. L’utilizzo delrinforzo fibroso, in molti casi, è infatti economicamenteconveniente rispetto all’armaturaordinaria, grazie soprattutto all’eliminazionedei tempi di posa dell’armatura stessa.Le pavimentazioni industriali, in particolare,rappresentano una delle principali applicazionidel calcestruzzo fibrorinforzato. Inqueste strutture, infatti, le fibre possonosostituire (almeno parzialmente) l’armaturaconvenzionale, fornendo una buonaresistenza ai carichi statici e dinamici [4] egarantendo un rinforzo anche in quei puntidove la rete elettrosaldata difficilmente puòrimanere nella corretta posizione durante leoperazioni di getto.La progettazione di pavimenti in calcestruzzoè stata per troppo tempo relegata in secondopiano: non sempre, infatti, le figureprofessionali coinvolte nella realizzazionedei pavimenti pongono l’attenzione progettualeed esecutiva che viene riservata ad altrielementi strutturali veri e propri quali travie pilastri, più importanti dal punto di vistastatico. In genere, sono realizzate con calcestruzzoprivo di alcun rinforzo oppure conl’aggiunta di una rete elettrosaldata avente lafunzione di controllare i cedimenti differenzialigenerati da fenomeni di natura termoigrometrica.I carichi generalmente applicatialle pavimentazioni industriali comportanostati di sforzo piuttosto complessi. I carichimobili, per esempio, provocano delle azionicicliche variabili, per cui la pavimentazionerisulta sottoposta ad azioni flettenti consforzi di trazione che possono sollecitaresia l’intradosso che l’estradosso della piastra.In questo contesto risulta quindi necessariol’utilizzo di un’armatura tradizionale posizionatasia in corrispondenza del lembo inferioreche di quello superiore. Le fibre, essendoFigura 1. Elemento in calcestruzzo fibrorinforzato con fibre che attraversano i lembi dellafessura.Pavimenti e Superfici Continue - N°8

37uniformemente distribuite nella matrice cementizia,rappresentano invece un’armaturaideale in grado di garantire la presenza di unrinforzo in tutti i punti della pavimentazione.Il risultato della scarsa attenzione progettuale,ma soprattutto esecutiva, rende lepavimentazioni strutture caratterizzate danumerosi difetti ed in particolare da ampiefessurazioni, che possono diventare unavera e propria via preferenziale ad attacchichimici da parte degli agenti esterni (fenomenidi corrosione).Al fine di fare un po’ di chiarezza sul comportamentodelle pavimentazioni in FRC, dicaratterizzare opportunamente il materialee di stabilire valide regole di progettazione edi realizzazione, il CONPAVIPER ha attivatoil Gruppo di Lavoro Calcestruzzi Fibrorinforzati.Tale gruppo ha recentemente ultimatoi lavori giungendo alla stesura di “LineeGuida per la prescrizione di calcestruzzi fibrorinforzatiper la realizzazione di pavimentazioni”.L’obiettivo primario del gruppo di lavoroè stato quello di introdurre il concetto diprestazione del calcestruzzo fibrorinforzatonel processo di realizzazione di un pavimentoindustriale.Nel seguito vengono sinteticamente presentatii principi che governano le Linee GuidaCONPAVIPER.2. Approcci progettualiLe pavimentazioni sono strutture su appoggiocontinuo sottoposte a sollecitazioni flessionalie di taglio che nascono nel trasferirei carichi superficiali al sottofondo. Il supportoreagisce a tali sollecitazioni subendo deicedimenti i quali devono essere di modestaentità in modo da non comprometterne lafunzionalità.Si deve considerare che le normative nazionalied internazionali prevedono la verificadelle strutture nella duplice condizione: distato limite di esercizio (SLE) e di stato limiteultimo (SLU). Non vi sono dubbi sulla necessitàdi garantire un buon funzionamentodelle pavimentazioni nelle condizioni di servizioin quanto un’eccessiva fessurazione potrebbecomprometterne l’estetica e la durabilità,mentre un’eccessiva deformazionepotrebbe creare problemi alle scaffalatureed al transito dei mezzi. Sono proprio le verifichenelle condizioni di esercizio a causarecontenziosi tra Committente e Costruttore.La verifica delle pavimentazioni dovrebbecomunque riguardare anche gli stati limiteultimi che, per il recente D.M. 14/01/2008riguardano: “la capacità di evitare crolli, perditedi equilibrio e dissesti gravi, totali o parziali,che possano compromettere l’incolumità dellepersone ovvero comportare la perdita di beni,ovvero provocare gravi danni ambientali e sociali,ovvero mettere fuori servizio l’opera” [5].È quindi evidente che le pavimentazioni,essendo soggette a possibili meccanismi dicollasso strutturale, sono interessate anchedalla verifica agli stati limite ultimi. Ciononostante,allo stato attuale, la scelta dell’armaturae dello spessore delle pavimentazioniviene spesso affidata all’”esperienza del costruttore”,senza coinvolgere un progettistastrutturale vero e proprio.Un pavimento può essere progettato adottandodifferenti ipotesi di comportamentostrutturale:1. pavimentazione priva di armatura (Fig.3a), la cui capacità portante è affidataesclusivamente alla resistenza a trazionedel calcestruzzo; la progettazione avvieneseguendo le classiche regole del calcoloelastico per il quale, ove possibile, sipossono utilizzare le formule di Westergaard[6];2. pavimentazione con armatura convenzionale(Fig. 3b), la cui progettazione avvieneaffidando totalmente le sollecitazionidi trazione alla rete elettrosaldata, postageneralmente su uno strato inferiore (peril momento positivo) e/o su uno stratosuperiore (per il momento negativo);3. pavimentazione in FRC con armaturaconvenzionale (Fig. 3c) la cui resistenzaa trazione dovuta al momento positivo(fibre inferiori tese) è prevalentementeaffidata alla rete e alle fibre, mentre laresistenza a trazione dovuto al momentonegativo (fibre superiori tese) è affidataalle fibre;4. pavimentazione in FRC senza armaturaconvenzionale (Fig. 3d) dove la resistenzaa trazione, sia per il momento positivoche per il momento negativo, è affidataalle sole fibre che hanno quindi funzionestrutturale.Dall’elenco precedente si evince come l’armaturadi una pavimentazione possa esserecostituita da uno o più strati di rete e/o dafibre “strutturali”. Tra i metodi di analisi ingrado di tenere in considerazione il comportamentonon lineare del materiale fibrorinforzato,quelli già presenti nelle varie normative[7, 8] sono basati sulla teoria delle lineedi plasticizzazione o di rottura (Yield-LineMethod) [9] e sulla Meccanica della FratturaNon Lineare (NLFM) [10].Figura 2. Tipica risposta di un calcestruzzodi riferimento e fibrorinforzato sottopostoa trazione. 8Pavimenti e Superfici Continue - N°8

38pavimenti in calcestruzzoFigura 3. Diverse tipologie di rinforzo nelle pavimentazioni: a) pavimentazione senza armatura;(b) pavimentazione con armatura convenzionale; (c) pavimentazioni in FRC conarmatura convenzionale; (d) pavimentazioni in FRC senza armatura convenzionale.fessura.3. Classi prestazionali del calcestruzzofibrorinforzatoAll’interno delle Linee Guida CONPAVIPER,la classificazione del calcestruzzo fibrorinforzatoè basata sulla tenacità, cioè sullaresistenza opposta dal materiale all’avanzamentodel processo di frattura, che rappresentauna proprietà intrinseca del materiale.Quando il fibrorinforzo è utilizzato in sostituzionedell’armatura convenzionale la tenacitàè il vero parametro prestazionale.La progettazione delle pavimentazioni ègovernata principalmente dalle condizionidi esercizio (SLE), per cui la resistenza chemaggiormente influenza il comportamentoglobale del pavimento è quella relativa allepiccole aperture di fessura (rappresentatadal parametro f R,1della UNI EN 14651[11]). Per caratterizzare il comportamentoallo Stato Limite Ultimo (SLU) si può fareinvece riferimento alla resistenza residuafR,3 come previsto dal documento tecnicoCNR DT 204 [12]. A supporto di tale sceltasi deve anche considerare il limitato valoredell’apertura di fessura rilevato nelle pavimentazioniin condizioni di SLU.La presenza del fibrorinforzo tende a farperdere lavorabilità all’impasto di base, percui il preconfezionatore dovrà intervenirenel mix design (con la percentuale dei finie/o additivi) al fine di garantire la classe diconsistenza richiesta. Particolare attenzionedeve essere prestata alla progettazionedella miscela per garantire la pompabilità delabcdcomposito; nel caso in cui fosse richiesta, ilproduttore deve proporzionare adeguatamentele materie prime, in funzione delleloro caratteristiche, in modo da mantenerela conformità del prodotto agli altri parametriprogettuali.4. Quadro normativoLa progettazione e la realizzazione dei pavimentitrova spazio nel Codice di Buona PraticaCONPAVIPER [13] e nella normativa UNI11146 [8].Relativamente alle pavimentazioni in calcestruzzofibrorinforzato, regole di progettazionesono disponibili nelle Linee Guida dellaRILEM [14, 15], nella UNI 11188 [16] e nelleIstruzioni CNR DT 204 [12]. Il calcestruzzofibrorinforzato ha trovato ampio spazio nellanuova edizione del Codice Modello del fib[17]. Purtroppo, tutte queste normative sonorelativamente recenti e non sono ancoraentrate nella pratica della progettazione. Laconseguenza è che, anche in presenza di unprogettista, le pavimentazioni in calcestruzzofibrorinforzato vengono spesso dimensionatecon le stesse regole adottate per il calcestruzzoarmato tradizionale, basate su un comportamentoelastico del materiale e della struttura.Questo approccio non risulta corretto perle strutture in calcestruzzo fibrorinforzato, inquanto il composito, dopo lo sviluppo dellaprima fessurazione (quando il fibrorinforzoinizia ad attivarsi), mostra un comportamentodecisamente non lineare (Fig. 2).Il comportamento reale delle pavimentazionisu suolo elastico è stato messo in evidenza dastudi sperimentali di Falkner [18], di Beckett[19] e Kukreja [20]. La sperimentazione haevidenziato come il carico ultimo possa esseresuperiore di circa 4-5 volte al carico diprima fessurazione, che rappresenta un limitedi carico nel calcolo elastico.Il comportamento sperimentale di piastresu suolo elastico (alla Winkler) è stato studiatoin [4] ed è stato riprodotto utilizzandometodi numerici basati sulla Meccanica dellaFrattura Non Lineare (NLFM) in [4, 21, 22].Pavimenti e Superfici Continue - N°8

39Figura 4. Geometria del provino da sottoporre a prova di flessione in accordo alla UNI EN14651 [11].6. Prestazioni minimedel materialeLe Linee Guida CONPAVIPER specificano leprestazioni minime del FRC per le applicazionistrutturali e, di conseguenza, un valoreminimo di tenacità. L’impiego di dosaggi difibra contenuti o di fibre non idonee all’impiegostrutturale potrebbero infatti nonconsentire al composito di raggiungere prestazionisufficienti per la sostituzione dell’armaturatradizionale.I parametri che meglio si prestano al controllodelle prestazione minime sono espressi intermini di:f R,1m/ f Lmf R,3m/ f LmFigura 5. Tipica curva carico – apertura di fessura (CMOD) per un calcestruzzo fibrorinforzato[11].5. Caratterizzazione del FRC per lepavimentazioniI parametri prestazionali (in termini di tenacità)del calcestruzzo fibrorinforzato nonpossono essere determinati a partire dallaconoscenza delle caratteristiche meccanichedelle fibre o della matrice di calcestruzzo, inquanto i due materiali interagiscono tra lorooriginando un composito le cui proprietàmeccaniche devono essere appositamentevalutate con specifiche prove di frattura.Attualmente sono disponibili normative checonsentono di determinare la tenacità di uncalcestruzzo fibrorinforzato con semplici provedi flessione: in Italia è stata pubblicata, nel2003, la normativa UNI 11039 [23], mentrea livello europeo è disponibile la normativaUNI EN 14651 [11].In accordo con la UNI EN 14651 [11], i proviniprismatici, intagliati in mezzeria, sono soggettiad una prova di flessione su tre punti di caricoin controllo di apertura di fessura alla basedell’intaglio (CMOD, Crack Mouth OpeningDisplacement; Fig. 4).Il calcestruzzo fibrorinforzato viene classificatosulla base di valori puntuali della tensionenominale f R,jcorrispondenti a prefissati valoridi CMOD ie derivati dal carico F j(Fig. 5).Un aspetto particolarmente significativo riguardail punto convenzionale di prima fessurazione(f L) in corrispondenza del quale lefibre iniziano ad esercitare la loro azione.Più del valore assoluto della resistenza residua(f R,1per lo SLE e f R,3per lo SLU), è utileverificare come questi parametri si rapportanoalla resistenza a trazione per flessione(f L) al fine di evitare un comportamentotroppo fragile del materiale. Nelle applicazionistrutturali generiche questo rapportoè di solito riferito ai valori caratteristici dellegrandezze in gioco. Nel caso specifico dellepavimentazioni, cioè di strutture dotate digrandi possibilità di ridistribuzione degli sforzi,il rapporto può essere benissimo riferitoai valori medi che meglio rappresentano ilreale comportamento della struttura.7. Classificazionedei pavimenti in FRCLe classi di tenacità del materiale, genericamenteindicate nelle Linee Guida con le letterea, b, c, d, e (in ordine crescente di tenacità),sono associate alle diverse tipologie di pavimentazionicosì come individuate nella UNI11146 [8]. In tal modo si possono avere classidi resistenza che rispondono alle esigenze siadelle pavimentazioni meno impegnate, per lequali sono sufficienti classi di tenacità più basse,sia delle pavimentazioni più importanti dalpunto di vista dei carichi applicati.8Pavimenti e Superfici Continue - N°8

40pavimenti in calcestruzzoLa Tabella 1, estratta dalle Linee GuidaCONPAVIPER, propone una suddivisione inclassi di prestazione per alcune tipologie ricorrentidi pavimentazione [8]; in ogni caso,la struttura adottata dovrà essere calcolatae verificata rispetto alle effettive esigenzerichieste dalla Committenza e, comunque,la classe prestazionale adottata dovrà tenerconto delle effettive condizioni di carico edella portanza del sottofondo.8. Controllo della fessurazioneda ritiroIl controllo della fessurazione da ritiro è particolarmenteimportante nella fase di progettazionedella miscela da utilizzare per la realizzazionedi pavimenti. La fessurazione causata dalritiro in fase plastica è legata principalmenteal comportamento della matrice cementiziaed alle condizioni ambientali. Il fenomeno puòessere opportunamente contrastato grazieall’utilizzo di rapporti acqua/cemento contenutie/o di microfibre. Il contributo offertodalle microfibre alla fessurazione da ritiro puòessere valutato attraverso prove sperimentalidi ritiro impedito, come specificato da ASTMC1579-06 [24] e da AASHTO PP34 [25].Al fine di contenere al meglio i rischi legati allafessurazione da ritiro plastico in fase indurita,rivestono particolare importanza le modalitàdi maturazione del calcestruzzo, per le qualisi può far ricorso all’utilizzo di agenti di stagionatura.9. DurabilitàLa durabilità di una struttura è funzionedell’ambiente, della progettazione, dell’esecuzione,dei materiali utilizzati e della sua manutenzione.In accordo con il D.M. 14/01/08[5], il concetto di vita utile di una strutturapuò essere esteso anche alle pavimentazioni.Le Norme Tecniche definiscono infatti la durabilitàcome: “conservazione delle caratteristichefisiche e meccaniche dei materiali e dellestrutture, proprietà essenziale affinché i livellidi sicurezza vengano garantiti durante tutta lavita utile di progetto. La vita utile di progettoTabella 1. Classificazione dei pavimenti industriali e relative classi di tenacità(Linee Guida CONPAVIPER).CLASSIFICAZIONE DEI PAVIMENTI INDUSTRIALI IN BASE ALL’UTILIZZO (UNI 11146:2005)Tipo Campi di impiego prevalenti Condizioni di carico più frequenti1Uffici, marciapiedi, cantineDisimpegni(vita nominale) è il periodo di tempo (numerodi anni) nel quale la struttura, purchè soggettaalla manutenzione ordinaria, deve poter essereusata per lo scopo al quale è destinata”.Per i pavimenti valgono le stesse regole applicabilialle strutture in calcestruzzo considerandola classe di esposizione, la tipologiadel rivestimento superficiale e la presenza diarmature tradizionali in aggiunta al fibrorinforzo.Favorendo la riduzione dell’ampiezza dellemicrofessure, le fibre, disperse in maniera uniformenell’impasto cementizio, incrementanola durabilità dei pavimenti in FRC. Occorreràtuttavia prevedere, nella vita utile del pavimento,un adeguato piano di manutenzionedei giunti e del rivestimento.10. Controllo di qualitàLa realizzazione di pavimenti in calcestruzzofibrorinforzato va sottoposta costantementead un controllo che assicuri la conformità deiprodotti ai requisiti di funzionalità, durabilitàe di resistenza richiesti. Poiché la resistenzaa compressione del calcestruzzo rinforzatoStatiche e dinamiche non comprese nei tipi successiviClassi diTenacitàconsigliate2 Autorimesse, piazzali Automezzi su pneumatici di massa totale ≤ 3,5 t b,c,d345Magazzini e industria con usooccasionale di transpalletspresenza di scaffalatureleggere.Piazzali autorimesseMagazzini grande distribuzionee industria con usointensivo di carrelli elevatori epresenza di scaffalatureIndustria, scaffalature, molie banchine portuali e carichispeciali, piazzali.Carrelli elevatori con pneumatici di massa totale ≤ 2,5 tScaffalature aventi carico massimo ≤ 30 kN per appoggioAutomezzi su pneumatici di massa totale ≤ 13 tCarrelli elevatori con pneumatici di massa totale >2,5 tTranspallet con massa totale ≤ 11 tCarrelli elevatori con ruote piene di massa totale ≤ 4,5 tScaffalature aventi carico massimo ≤ 30 kN/appoggioAutomezzi su pneumatici di massa totale ≤ 30 tTranspallets con massa totale >11 tCarrelli elevatori con ruote piene di massa totale >4,5 tScaffalature aventi carico massimo >30 kN/appoggioAutomezzi su pneumatici di massa totale >30 ta,b,cc,d,econ i dosaggi di fibre normalmente adottatiper i pavimenti (V f< 0,5%) è poco influenzatadalla presenza del fibrorinforzo, per ladeterminazione della resistenza a compressionesi può fare riferimento alle modalitàutilizzate per il calcestruzzo ordinario. Perla valutazione della tenacità del materialefibrorinforzato si deve invece fare riferimentoalle prove di frattura su campioni di travecome specificato nella UNI EN 14651 [11].Per la determinazione del contenuto di fibrenel calcestruzzo allo stato fresco la norma diriferimento è la UNI EN 14721 [26], anchese esplicitamente riferita alla fibre metalliche.Per la tenacità del calcestruzzo fibrorinforzato,il controllo di conformità deve prevedereun prelievo di almeno tre campioni ditrave ogni 1000 m 3 , con un minimo di trecampioni.Il controllo di conformità risulta soddisfattose, per ogni prelievo, risultano verificatealcune condizioni legate ai valori medi ed aivalori caratteristici dei parametri descritti inprecedenza.d,eePavimenti e Superfici Continue - N°8

4111. Considerazioni conclusiveLe pavimentazioni in calcestruzzo fibrorinforzatosono da anni una realtà nel mercatoitaliano. Finora sono purtroppo mancate adeguatedisposizioni normative ma soprattuttola volontà di considerare i pavimenti strutturevere e proprie. Parlare di progettazione diun pavimento significa si fare riferimento allaprogettazione “statica”, ma necessariamenteanche “tecnologica” in quanto la pavimentazionerichiede un’attenta progettazione dellamiscela di calcestruzzo, per il controllo sia delleprestazioni meccaniche sia del ritiro.Ora che le normative per la progettazionedelle strutture in calcestruzzo fibrorinforzatosono finalmente disponibili, è possibile regolamentareanche le pavimentazioni in FRC,come già succede in diversi paesi del mondo.Questo orienterà anche le scelte dei progettistiche oggi, in assenza di regole certe che limettano in condizione di assumere consapevolmentele loro responsabilità, preferisconoancora adottare pavimentazioni in calcestruzzoarmato ordinario o senza armatura.Operando con la convinzione di offrire unservizio a tutti gli operatori coinvolti nella progettazionee realizzazione delle pavimentazioniindustriali, cioè i Committenti, i Progettistie i Costruttori, il CONPAVIPER ha attivatoun Gruppo che ha recentemente conclusoi propri lavori, arrivando alla stesura di appositeLinee Guida (www.conpaviper.com).Queste garantiranno una maggior qualità deipavimenti con la conseguente riduzione deicontenziosi aperti, promuovendo l’utilizzo delcomposito FRC con i ben noti vantaggi strutturalie costruttivi.Bibliografia[1] J.P. 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