Travi a Mensola in UHPFRC: Sveliamo i Segreti dell’Armatura Minima!

Ciao a tutti, appassionati di strutture e innovazione! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel mondo dell’ingegneria civile, parlando di un componente strutturale tanto comune quanto complesso: le travi a mensola. Le vedete ovunque: ponti, parcheggi multipiano, grattacieli. Sono quelle travi particolari, spesso a forma di L rovesciata o T rovesciata, che sporgono per sostenere altre travi o solai. Fondamentali, vero? Ma il loro design non è una passeggiata, specialmente per come trasferiscono i carichi.

Ora, immaginate di poter costruire queste travi con un materiale quasi fantascientifico: l’Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC). Parliamo di un calcestruzzo con prestazioni elevatissime, rinforzato con fibre d’acciaio. Resistenza incredibile (nel nostro caso, abbiamo raggiunto i 146.1 MPa di resistenza a compressione su cubi!), durabilità pazzesca, duttilità sorprendente e persino una buona lavorabilità. Permette di realizzare sezioni più snelle, campate più lunghe e strutture più leggere. Un sogno per i progettisti, no?

La Domanda Cruciale: E l’Armatura?

Qui arriva il bello. Sappiamo molto sulle travi a mensola in calcestruzzo armato tradizionale. Esistono normative e linee guida (come AASHTO, PCI, ACI negli USA, o l’ECP in Egitto) che ci dicono come progettarle, quanta armatura minima mettere, specialmente quei ferri chiamati “legacci della mensola” (ledge ties), cruciali per evitare che la mensola si “strappi” via dall’anima della trave.

Ma cosa succede quando usiamo l’UHPFRC? Possiamo applicare le stesse regole? Quanto acciaio serve *davvero* in queste super-travi? Fino ad ora, nessuno aveva condotto esperimenti specifici su travi a mensola in UHPFRC. Ed è qui che entriamo in gioco noi! Abbiamo deciso di colmare questa lacuna con un programma sperimentale e numerico dedicato.

Mettiamo alla Prova le Super-Travi!

Abbiamo costruito e testato otto travi a mensola in scala reale, tutte realizzate con il nostro UHPFRC da 146.1 MPa. L’obiettivo? Capire come si comportano variando proprio la quantità di armatura nei legacci della mensola. Abbiamo cambiato il diametro dei ferri (da 6 a 10 mm) e la loro spaziatura (da 70 a 300 mm), creando campioni con rapporti di armatura diversi, alcuni dei quali ben al di sotto dei minimi richiesti dalle normative per il calcestruzzo normale. Una trave, la BLU6, l’abbiamo persino realizzata senza alcun legaccio, come riferimento “nudo e crudo”.

Le travi sono state caricate verticalmente sulle mensole, simulando le condizioni reali, e abbiamo misurato tutto: deformazioni, spostamenti, nascita e propagazione delle fessure, tensioni nell’acciaio. Volevamo vedere cosa succedeva, fino al punto di rottura.

Risultati Sorprendenti: L’Importanza Vitale dei Legacci

I risultati sono stati illuminanti! La modalità di rottura dipende drasticamente dalla presenza e dalla quantità dei legacci.

• La trave senza legacci (BLU6) è collassata per scorrimento all’interfaccia tra mensola e anima. Una rottura fragile, improvvisa.
• Tutte le altre travi, quelle con i legacci, hanno mostrato un comportamento molto più duttile. La rottura è avvenuta per snervamento dell’acciaio dei legacci stessi. In pratica, i legacci si sono allungati plasticamente prima che la situazione diventasse critica.

Questo ci dice una cosa fondamentale: i legacci sono essenziali anche nell’UHPFRC!

Ma quanto aiutano? Tantissimo! Abbiamo visto che anche usando un’armatura minima, quella specificata dalle normative (come nel campione BLU2-70), il carico ultimo sopportato dalla trave è aumentato di circa il 65% rispetto alla trave senza legacci. Un incremento enorme!

Aumentare ulteriormente la quantità di armatura (riducendo la spaziatura o aumentando il diametro dei legacci) ha portato a miglioramenti significativi sia nella resistenza ultima che nella rigidezza complessiva della trave. Meno armatura significava maggiori spostamenti e fessure più larghe a parità di carico. Con più armatura, le travi erano più “toste” e controllavano meglio la fessurazione.

Il Confronto con le Normative: Promosse o Bocciate?

E le normative esistenti? Come se la cavano con l’UHPFRC? Abbiamo confrontato i nostri risultati sperimentali con le previsioni dei codici americani (AASHTO-LRFD 2020, PCI 2020) e del modello tirante-puntone (Strut-and-Tie Model, STM) secondo l’ACI 318-2019.

Ecco cosa abbiamo scoperto:

• Modalità di rottura: Sia l’AASHTO che l’STM (ACI 318) hanno predetto correttamente come si sarebbero rotte le nostre travi. Il PCI, invece, ha sbagliato la previsione nel 50% dei casi.
• Resistenza ultima: Qui le cose si complicano. Le previsioni basate su PCI e STM (ACI 318) sono risultate conservative, cioè hanno sottostimato la reale resistenza delle travi (il che è sicuro, ma non ottimale). L’AASHTO, al contrario, in alcuni casi è risultato non conservativo, sovrastimando la resistenza, specialmente per le travi con più armatura. Questo suggerisce che le equazioni AASHTO potrebbero necessitare di aggiustamenti per l’UHPFRC.

Interessante notare anche le differenze sui requisiti minimi di armatura e sulla spaziatura massima dei legacci tra le varie norme. Sembra esserci spazio per ottimizzare e adattare queste regole al potenziale dell’UHPFRC.

Il Gemello Digitale: La Simulazione al Computer

Oltre agli esperimenti reali, abbiamo sviluppato un sofisticato modello numerico tridimensionale agli elementi finiti (usando il software ABAQUS). Volevamo creare un “gemello digitale” delle nostre travi per poter simulare il loro comportamento completo. Abbiamo modellato il calcestruzzo UHPFRC con le sue proprietà specifiche (usando il modello Concrete Damage Plasticity), l’acciaio d’armatura e la loro interazione.

I risultati? Fantastici! Il modello numerico è stato in grado di prevedere con grande accuratezza:

• Le modalità di rottura osservate sperimentalmente.
• I carichi ultimi (con differenze rispetto ai test reali in media inferiori al 10%).
• Le curve carico-spostamento e carico-deformazione dei legacci.

Questo modello validato è uno strumento potentissimo per future ricerche e per ottimizzare il design di queste strutture senza dover necessariamente costruire e rompere decine di travi reali.

Un Ultimo Tocco: L’Effetto delle Fibre

Già che avevamo il modello numerico, abbiamo fatto un’ulteriore indagine: cosa succede se cambiamo la percentuale di fibre d’acciaio nell’UHPFRC? Abbiamo simulato la trave BLU6 (quella senza legacci) con diverse percentuali di fibre (dall’1% al 3%). Come previsto, aumentare le fibre ha migliorato le prestazioni:

• Maggiore capacità portante.
• Minori spostamenti a parità di carico (fino al 20% in meno con un aumento dello 0.5% di fibre).
• Maggiore duttilità.

Le fibre danno davvero una marcia in più a questo materiale!

Conclusioni: Cosa Portiamo a Casa?

Questa ricerca, la prima nel suo genere su travi a mensola in UHPFRC, ci ha insegnato molto. Ecco i punti chiave:

• Le travi a mensola in UHPFRC, anche con poca armatura nei legacci, tendono a rompersi per snervamento di questi ultimi (un meccanismo duttile).
• L’armatura dei legacci è fondamentale: anche la quantità minima richiesta dalle norme aumenta la resistenza del 65% rispetto a non averne affatto.
• Aumentare l’armatura dei legacci migliora significativamente resistenza e rigidezza.
• Le normative attuali per il calcestruzzo normale non sono perfettamente calibrate per l’UHPFRC: alcune (ACI STM, PCI) sono troppo conservative sulla resistenza, altre (AASHTO) possono essere non conservative. Le previsioni sulle modalità di rottura di AASHTO e ACI STM sono invece affidabili.
• Il nostro modello numerico 3D è uno strumento valido e accurato per studiare e prevedere il comportamento di queste strutture.
• Aumentare il contenuto di fibre d’acciaio nell’UHPFRC migliora ulteriormente le prestazioni.

Insomma, l’UHPFRC ha un potenziale enorme per le travi a mensola, ma dobbiamo capire bene come armarlo al meglio, magari aggiornando le normative esistenti. Spero che questo sguardo dietro le quinte della ricerca vi abbia affascinato quanto ha appassionato noi realizzarla!

Fonte: Springer