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Calcestruzzi fibrorinforzati: prove sperimentali per l’identificazione dei parametri costitutivi

La maggior parte dei codici, in uso o in lavorazione, per la progettazione strutturale con calcestruzzo fibrorinforzato prevedono un approccio prestazionale per la determinazione, con adeguate metodologie e attrezzature di prova, dei valori di progetto delle caratteristiche meccaniche del materiale

Calcestruzzi fibrorinforzati: prove sperimentali per l’identificazione dei parametri costitutivi

Tipicamente, le prove di flessione sono realizzate utilizzando campioni prismatici con sezione 100×100 mm o 150×150 mm sottoposti a flessione su tre o quattro punti. Questo tipo di prova è largamente diffusa per la caratterizzazione della resistenza post-picco dei fibrorinforzati, soprattutto per quanto concerne i controlli di produzione che devono essere realizzati in laboratori standard dove la relativa semplicità del metodo di prova, le dimensioni contenute e la maneggevolezza del provino sono aspetti non secondari. Inoltre, data la sua praticità, la prova è da sempre praticata e si ha a disposizione una ricca letteratura a riguardo. La prova può essere condotta su un provino provvisto o privo di intaglio, applicando il carico su tre o quattro punti, secondo le diverse Normative vigenti (UNI 11039, EN 14651, ASTM C1609, ecc.). Il vantaggio di eseguire la prova su un provino pre-intagliato risiede nella maggior semplicità e stabilità del controllo nella fase post-picco attraverso la verifica dell’apertura della fessura all’intradosso del provino (CMOD); fessura che è di fatto pre-indotta e la cui propagazione nel provino è determinata.

La prova su quattro punti consente, invece, di ridurre l’influenza dello sforzo di taglio nella zona di propagazione delle fessure, di ampliare la zona soggetta a fessurazione e di favorire la propagazione della fessura a partire dalla sezione più debole. Malgrado la diffusione e gli innegabili vantaggi pratici, la prova a flessione sul travetto mostra alcuni limiti. Infatti da un lato la resistenza residua viene calcolata sulla base di relazioni semplificate in ipotesi di campo elastico. Dall’altro le prove condotte mostrano una dispersione dei risultati considerevole. Questo è in parte imputabile ad una non uniforme redistribuzione delle fibre all’interno dei provini (preparati tipicamente in laboratorio), ma principalmente è dovuto alle ridotte dimensioni del provino, e della zona interessata dalle fessurazioni, che sono poco rappresentative di situazioni iperstatiche dove vi è una considerevole redistribuzione degli sforzi che determina ampie zone fessurate. A questo proposito, le prove su lastre rispondono meglio all’esigenza di testare provini che riproducano più fedelmente il comportamento di un certo tipo di elementi strutturali, viste le grandi dimensioni del provino che riducono gli effetti di bordo e consentono la creazione di un’estesa zona fessurata. Anche in questo caso esistono diverse varianti dello stesso principio di prova che si traduce sostanzialmente nell’applicazione di un carico centrale attraverso un punzone di carico. È possibile eseguire la prova su una lastra di sezione quadrata, o circolare, mediante l’uso di un supporto continuo (condizione iperstatica), oppure di un supporto circoscritto a tre punti d’appoggio (condizione isostatica).

Il pannello circolare previsto dalla Norma ASTM C1550 fornisce risultati robusti, ma ha lo svantaggio di essere molto grosso e poco maneggevole (800 mm di diametro x 75 mm di spessore dal peso di circa 90 kg). Il pannello quadrato previsto dalla Norma EN 14488-5, che si riferisce specificamente ai calcestruzzi proiettati, anche se di dimensioni più contenute (600 x 600 x 100 mm), rimane pur sempre piuttosto pesante. Inoltre c’è da considerare che la Norma richiede sia ricavato da una lastra di 1.000×1.000×100 mm, quindi la preparazione del campione risulta evidentemente complicata. La Norma prevede poi l’uso di un supporto continuo che ha lo svantaggio di creare un considerevole attrito durante l’esecuzione della prova; attrito che viene conteggiato nel calcolo dell’energia assorbita dal pannello con una conseguente sovrastima dell’azione delle fibre. In questo senso sarebbe opportuno che la Norma specificasse cosa usare come strato di allettamento e comunque che si prendesse in considerazione un coefficiente riduttivo per considerare l’effetto della frizione. La tendenza dei nuovi studi, che probabilmente sono al vaglio per la stesura della nuova Normativa europea, è quella di considerare un pannello circolare, più pratico e maneggevole di quello quadrato e di dimensioni minori rispetto a quanto previsto dalla Norma ASTM, in considerazione del fatto che i risultati di prova sono largamente influenzati dallo spessore del pannello, ma meno dal suo diametro, se mantenuto entro certi limiti. Ci sono poi sistemi di prova ibridi, come quello proposto dall’organizzazione EFNARC (Experts for Specialised Construction and Concrete Systems) per provini di calcestruzzo proiettato, in cui viene controllata l’apertura di fessura di un pannello quadrato (600x600x100 mm) pre-intagliato lungo tutta la sezione, durante un test di flessione su tre punti.

I promotori di questo metodo sostengono che esso abbia un doppio vantaggio: da un lato di utilizzare una procedura di prova ben consolidata (prova di flessione a tre punti in controllo di CMOD) con i relativi vantaggi in termini conoscenza del metodo, disponibilità presso i laboratori di apparecchiature idonee, analogia dei risultati ottenuti rispetto alle prove sui travetti; dall’altro l’uso di un pannello di dimensioni considerevoli garantisce una minor dispersione dei risultati di prova e una maggior rappresentatività delle reali condizioni in sito. Nei diversi metodi di prova sopra descritti, la macchina di prova deve garantire un accurato controllo del gradiente di spostamento soprattutto nella fase successiva alla fessurazione di picco; fase questa tipicamente contraddistinta da una certa instabilità del provino dovuta alla repentina rottura di fibre e alla conseguente perdita di capacità portante del campione, soprattutto per materiali con comportamento degradante. Un controllo a loop chiuso ad alta frequenza risulta quindi fondamentale per agire prontamente sul sistema di applicazione del carico in modo da prevenire la prematura rottura del campione e la perdita dei risultati di prova. Altro fattore fondamentale per ridurre questo rischio è la rigidezza del telaio che, non a caso, molte Norme prescrivono essere almeno di 200 kN/mm. Per escludere il contributo di deformazioni esterne al provino viene inoltre sempre richiesta una misura diretta della deformazione applicando sensori di spostamento di appropriata precisione direttamente sul campione. Dal momento che tutti i dati sperimentali ottenuti, indipendentemente dalla metodologia di prova adottata, confermano un indiscusso miglioramento del comportamento post picco del materiale fibrato rispetto al calcestruzzo ordinario, confidiamo che le esperienze e la conoscenza, crescentemente acquisite soprattutto negli ultimi 15 anni di sperimentazione, confluiscano all’interno dell’incipiente Eurocodice cosicché siano definite regole progettuali che i Progettisti possano sfruttare in misura sempre maggiore.