Colonne Sotto Pressione: Acciaio vs GFRP e i Segreti del Rinforzo Eccentrico!

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel cuore delle strutture in cemento armato, precisamente nelle colonne. Sapete, quegli elementi verticali che reggono i nostri edifici? Ecco, di solito pensiamo che il carico che sopportano sia perfettamente centrato, ma la realtà è spesso diversa. Basta un piccolo spostamento, un’eccentricità, e il comportamento della colonna cambia radicalmente.

Nel nostro laboratorio, ci siamo chiesti: cosa succede se usiamo materiali diversi dal classico acciaio per rinforzare queste colonne? E se, una volta costruite, avessimo bisogno di renderle ancora più resistenti, specialmente sotto carichi eccentrici? È qui che entra in gioco il GFRP (Glass Fiber-Reinforced Polymer), un materiale composito sempre più popolare per la sua resistenza, durabilità e immunità alla corrosione. Ma ha anche un “tallone d’Achille”: un modulo elastico più basso dell’acciaio, che lo rende più suscettibile a rotture fragili, specialmente in compressione.

L’Esperimento: Mettere alla Prova Acciaio, GFRP e Tecniche Innovative

Per capirci di più, abbiamo messo in piedi un programma sperimentale bello tosto. Immaginatevi 18 “provini” di colonna, tutti uguali per dimensioni (150×150 mm di sezione, 850 mm di altezza, con un rapporto di snellezza di 19, quindi colonne “tozze” dove l’instabilità per carico di punta è trascurabile) ma diversi nel “cuore”:

• Alcuni rinforzati con le classiche barre d’acciaio.
• Altri con barre in GFRP.
• Altri ancora con un mix “ibrido” dei due.

Ma non ci siamo fermati qui! Abbiamo preso alcune di queste colonne rinforzate con GFRP e le abbiamo ulteriormente “potenziate” usando due tecniche di rinforzo esterno:

1. Fasciatura con “tappeti” (mats) di GFRP: Immaginate di avvolgere la colonna con strati di tessuto in fibra di vetro impregnato di resina. Ne abbiamo provato uno strato e tre strati.
2. Tecnica NSM (Near Surface-Mounted) con barre GFRP: Qui abbiamo inciso delle scanalature superficiali nel calcestruzzo, inserito delle barre aggiuntive di GFRP e riempito tutto con resina epossidica. Questa tecnica è stata combinata con la fasciatura a tre strati.

Infine, abbiamo sottoposto tutte queste colonne a test di compressione assiale, applicando il carico in tre modi: perfettamente centrato (eccentricità 0 mm), leggermente spostato (30 mm) e decisamente spostato (60 mm). Volevamo vedere come i diversi rinforzi e le tecniche di potenziamento reagivano a queste diverse “sfide”.

Risultati Sorprendenti: L’Impatto dell’Eccentricità e l’Efficacia dei Rinforzi

I risultati sono stati illuminanti, a tratti sorprendenti!

L’Effetto Micidiale dell’Eccentricità (Senza Rinforzi Esterni)

La prima cosa evidente è stata quanto l’eccentricità del carico metta in crisi le colonne rinforzate solo con GFRP. Rispetto al carico centrato:

• Con un’eccentricità di 30 mm, la capacità portante assiale è crollata di circa il 43%.
• Con un’eccentricità di 60 mm, il crollo è stato ancora più drastico: -71%!

Questo succede perché il carico eccentrico non solo comprime, ma induce anche un momento flettente. Più il carico è spostato, più la colonna “si piega”, e il GFRP, essendo meno “rigido” dell’acciaio, soffre di più questa combinazione, portando a fessurazioni sul lato teso e a una riduzione drastica della resistenza.

La Risposta dei Rinforzi Esterni: Fasciatura e NSM

Qui arriva la parte più interessante: come si sono comportate le colonne “potenziate”?

• Fasciatura con 3 strati di GFRP: Già questa tecnica ha dato una bella mano! Le riduzioni di capacità portante dovute all’eccentricità sono state attenuate: circa -35% a 30 mm e -56% a 60 mm. La fasciatura agisce come un “corsetto”, confinando il calcestruzzo e limitandone l’espansione laterale, il che aumenta sia la resistenza che la duttilità (la capacità di deformarsi prima di rompersi).
• Combinazione Fasciatura (3 strati) + Barre NSM: Questa è stata la vera star! La combinazione delle barre aggiuntive (NSM) e della fasciatura ha fatto miracoli. Le riduzioni di capacità dovute all’eccentricità sono scese a -19% a 30 mm e -49% a 60 mm. Non solo! Rispetto alla colonna di controllo (solo GFRP interno, senza rinforzi esterni), questa tecnica ha aumentato la capacità portante in modo impressionante:
  • +10% con carico centrato (e +54% di duttilità!)
  • +56% con eccentricità di 30 mm
  • +93% con eccentricità di 60 mm

Perché questa combinazione è così efficace? Le barre NSM contribuiscono direttamente ad assorbire gli sforzi (sia di trazione che di compressione indotti dalla flessione), mentre la fasciatura confina il tutto, impedendo il distacco prematuro del calcestruzzo e lo sbandamento delle barre NSM. Un lavoro di squadra perfetto!

Confronto GFRP vs Acciaio e Configurazioni Ibride

Abbiamo anche confrontato direttamente le colonne rinforzate internamente solo con GFRP con quelle rinforzate solo con acciaio e con configurazioni ibride.

• GFRP vs Acciaio (Totale): A parità di rigidezza assiale (abbiamo usato più barre GFRP di diametro maggiore per compensare il minor modulo elastico), le prestazioni sotto carico centrato sono risultate comparabili. Un’ottima notizia per il GFRP!
• Ibrido (Barre longitudinali GFRP + Staffe Acciaio): Questa combinazione non è stata ottimale. Rispetto alla colonna tutta GFRP, abbiamo registrato una riduzione del 16% del carico massimo e un aumento del 129% dello spostamento laterale. Le staffe in acciaio, più deformabili, non riuscivano a confinare efficacemente le barre longitudinali in GFRP.
• Ibrido (Barre longitudinali Acciaio + Staffe GFRP): Questa combinazione si è comportata meglio, con riduzioni minori rispetto alla colonna tutta GFRP.

Questi risultati sottolineano che non basta sostituire l’acciaio col GFRP “uno a uno”; bisogna progettare tenendo conto delle diverse proprietà dei materiali.

Modalità di Rottura: Un Racconto Visivo

È stato affascinante osservare anche come le colonne si rompevano.

• Controllo (solo GFRP interno): Sotto carico centrato, rottura quasi esplosiva del calcestruzzo dopo aver sentito “scricchiolare” le barre GFRP. Con eccentricità, fessure trasversali sul lato teso e longitudinali sul lato compresso, fino a una rottura tipo “frammentazione” sotto la testa di carico per l’eccentricità maggiore.
• Rinforzate con Fasciatura: La rottura avveniva spesso per taglio/strappo della fasciatura stessa, che poi portava al collasso del calcestruzzo confinato.
• Rinforzate con Fasciatura + NSM: Sotto carico centrato, si è visto l’instabilizzarsi (buckling) delle barre NSM compresse, che ha portato al distacco (desbonding) e al taglio sia delle barre che della fasciatura. Con eccentricità, la rottura tendeva a concentrarsi nella zona compressa, a volte senza danneggiare le barre NSM, specialmente con l’eccentricità maggiore dove la rottura avveniva vicino alla testa di carico.

Perché Tutto Questo è Importante? Implicazioni Pratiche

Questi risultati non sono solo numeri da laboratorio. Ci dicono cose fondamentali per la progettazione e il rinforzo delle strutture reali.

1. L’eccentricità non va sottovalutata: Specialmente con materiali come il GFRP, bisogna tenerne conto attentamente nel calcolo.
2. Il GFRP è un’alternativa valida all’acciaio: Ma richiede una progettazione specifica che consideri il suo comportamento (es. minor modulo elastico).
3. Le tecniche di rinforzo esterno funzionano: La fasciatura con GFRP è efficace, ma la combinazione con barre NSM offre prestazioni decisamente superiori, soprattutto in presenza di carichi eccentrici. Questa tecnica ibrida si rivela una soluzione robusta per potenziare colonne esistenti.
4. L’efficacia del rinforzo aumenta con l’eccentricità: Fino al punto di bilanciamento sulla curva di interazione P-M (carico assiale – momento flettente), il rinforzo esterno dà i suoi maggiori benefici proprio quando il carico è più “spostato”, aiutando la colonna a resistere al momento flettente indotto.

Pensate a quanto questo sia cruciale per la sicurezza e l’efficienza di edifici alti (dove i carichi laterali come il vento inducono momenti flettenti importanti nelle colonne) o di ponti. Capire a fondo questi comportamenti ci permette di progettare meglio e di intervenire in modo più efficace su strutture esistenti che necessitano di un “upgrade”.

In conclusione, il nostro viaggio nel cuore delle colonne ci ha mostrato la complessità del loro comportamento sotto carichi reali e l’enorme potenziale dei materiali compositi come il GFRP, non solo come rinforzo interno ma soprattutto nelle tecniche di potenziamento esterno, in particolare l’accoppiata vincente NSM + fasciatura. La ricerca continua, ma questi risultati ci danno già strumenti preziosi per costruire e rinforzare in modo più sicuro ed efficiente!

Fonte: Springer