Travi in Cemento Armato Danneggiate dal Fuoco? Vi Spiego Come Acciaio e CFRP Possono Salvarle (Grazie alla Magia dell’FEA!)

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di un argomento che mi affascina particolarmente e che tocca da vicino la sicurezza e la resilienza delle nostre strutture: cosa succede quando un edificio in cemento armato (CA) viene colpito da un incendio? E, soprattutto, come possiamo ridare forza a quelle travi che hanno subito il calore devastante delle fiamme? Immaginate la scena: un incendio divampa, le temperature salgono vertiginosamente… il cemento armato, pur essendo un osso duro rispetto ad altri materiali, soffre. Non è invincibile.

Il Problema: Il Fuoco Indebolisce le Strutture

Il calcestruzzo ha ottime proprietà termiche, come un’alta capacità termica e una bassa conducibilità, che aiutano a proteggere le barre d’acciaio interne (l’armatura) dal calore eccessivo. Per questo, spesso, le strutture in CA possono essere riparate e riutilizzate dopo un incendio. Ma attenzione: anche se riutilizzabili, potrebbero non soddisfare più i criteri di sicurezza e resistenza per cui erano state progettate. Il calore, infatti, degrada le proprietà meccaniche sia del calcestruzzo che dell’acciaio. La resistenza diminuisce, la rigidezza pure. Ed è qui che entriamo in gioco noi, con la necessità di trovare le tecniche di rinforzo più efficaci.

Esistono diverse tecniche per “curare” queste travi malate: si può aumentare la sezione della trave, usare precompressione esterna, sostituire il calcestruzzo danneggiato, o applicare materiali compositi come le fibre di carbonio (CFRP), di vetro o di basalto. Negli ultimi anni, la ricerca ha fatto passi da gigante. Si sono sperimentati compositi cementizi innovativi, tecniche di placcaggio con bulloni, e rivestimenti vari.

Due Soluzioni a Confronto: Acciaio vs. CFRP

Tra le tante opzioni, due metodi di rinforzo esterno mi hanno sempre incuriosito per la loro praticità ed efficacia nel migliorare la resistenza a flessione (la capacità della trave di sopportare carichi che tendono a piegarla):

• Piastre d’acciaio incollate esternamente (EBR – Externally Bonded Reinforcement): Una tecnica “classica”, usata da decenni. L’acciaio costa relativamente poco, è facile da applicare, non richiede manodopera ultra-specializzata e disturba poco la struttura esistente. Sorprendentemente, però, il suo uso specifico su travi danneggiate dal fuoco è stato studiato meno di quanto si pensi.
• Strisce in CFRP incollate esternamente: Le fibre di carbonio sono materiali più moderni, leggeri ma incredibilmente resistenti alla trazione, resistenti alla corrosione e facili da installare. Il loro utilizzo è in crescita, ma anche qui, mancavano studi approfonditi che considerassero come diverse larghezze e spessori di CFRP influenzassero il recupero della resistenza dopo un incendio.

La domanda sorge spontanea: quale dei due metodi funziona meglio per ridare vigore a una trave che ha “sofferto il caldo”? E come possiamo prevedere la loro efficacia senza dover necessariamente fare decine di costosi e complessi test sperimentali in laboratorio, magari dando fuoco a delle travi vere?

La Magia della Simulazione: L’Analisi agli Elementi Finiti (FEA)

Ed ecco che entra in scena la tecnologia: l’Analisi agli Elementi Finiti (FEA). Si tratta di un potentissimo strumento di simulazione al computer che ci permette di studiare il comportamento delle strutture in condizioni complesse, come l’esposizione al fuoco e il successivo rinforzo. L’FEA è fondamentale perché i test reali sul fuoco sono costosi, richiedono tempo e ci sono fenomeni difficili da osservare sperimentalmente.

Nel nostro studio, abbiamo sviluppato un approccio FEA semplificato ma efficace. Invece di simulare l’intero processo (riscaldamento, raffreddamento, applicazione del rinforzo, carico) in un unico, complicatissimo modello (che può dare problemi di convergenza e non gestisce bene tecniche come la sostituzione del calcestruzzo), abbiamo fatto così:

1. Simulazione Termica: Abbiamo usato un software specializzato (ATENA-GiD, molto affidabile per queste analisi termiche) per calcolare come il calore si distribuisce all’interno della sezione della trave durante un incendio standardizzato (la curva di fuoco ISO-834). Abbiamo simulato esposizioni di 60, 90 e 120 minuti.
2. Approccio Semplificato “a Fette”: Abbiamo diviso la sezione trasversale della trave danneggiata in diversi segmenti (“fette”). Per ogni fetta di calcestruzzo e per ogni barra d’armatura, abbiamo calcolato la massima temperatura raggiunta dalla simulazione termica.
3. Degrado Materiali: Usando modelli matematici presi dalla letteratura scientifica (come quelli di Tao et al. per l’acciaio e l’Eurocodice per il calcestruzzo), abbiamo “ridotto” la resistenza e il modulo elastico di ogni fetta e di ogni barra in base alla temperatura raggiunta. È importante notare che l’acciaio recupera parte della sua resistenza raffreddandosi, mentre il calcestruzzo no, e il nostro modello ne tiene conto!
4. Simulazione Strutturale (Post-Incendio): Abbiamo costruito un modello FEA 3D (con ATENA 3D) della trave danneggiata, assegnando a ogni sua parte le proprietà meccaniche degradate calcolate al punto precedente. Su questo modello abbiamo poi simulato l’applicazione del carico per vedere la sua capacità residua.
5. Simulazione del Rinforzo: Sul modello della trave danneggiata, abbiamo aggiunto gli elementi che simulano le piastre d’acciaio o le strisce di CFRP incollate sotto, assumendo un’adesione perfetta (una semplificazione che discuteremo dopo). Abbiamo quindi ri-applicato il carico per vedere quanto il rinforzo migliorasse le prestazioni.

Validazione: Il Modello Funziona!

Prima di lanciarci nello studio parametrico, era fondamentale verificare se il nostro approccio semplificato fosse affidabile. Lo abbiamo fatto confrontando i risultati delle nostre simulazioni FEA con i dati di test sperimentali reali pubblicati da altri ricercatori (Jadooe et al., 2017; Van Cao et al., 2022) su travi e solai danneggiati dal fuoco. I risultati? Molto buoni! Il nostro modello FEA è stato in grado di prevedere la capacità portante residua e la deformazione (la curva carico-spostamento) delle travi post-incendio con un’accuratezza notevole (differenze sotto il 10% rispetto ai test reali, con qualche eccezione). Certo, abbiamo notato che il modello tendeva a sovrastimare leggermente la rigidezza iniziale, probabilmente a causa dell’ipotesi di adesione perfetta tra calcestruzzo e armatura, ma nel complesso ci ha dato grande fiducia.

Lo Studio Parametrico: Mettiamo alla Prova Acciaio e CFRP

Una volta validato il modello, abbiamo iniziato la parte più interessante: il confronto sistematico tra acciaio e CFRP. Abbiamo preso una trave di riferimento (basata su un esperimento di Ahmad e Bhargava, 2023) e l’abbiamo “danneggiata” virtualmente con il nostro FEA termico per 60, 90 e 120 minuti di esposizione al fuoco ISO-834 su tre lati (fondo e fianchi).

Poi, abbiamo “rinforzato” questi modelli di travi danneggiate applicando, sempre virtualmente, sul lato inferiore (quello teso):

• Piastre d’acciaio di spessore 2 mm e 4 mm.
• Strisce di CFRP di spessore 0.11 mm e 0.22 mm (spessori scelti per dare un contributo di forza tensile paragonabile all’acciaio).

Per entrambi i materiali, abbiamo considerato due larghezze: 100 mm e 200 mm. In totale, un bel po’ di configurazioni da analizzare! Abbiamo ipotizzato un’adesione perfetta tra il rinforzo e il calcestruzzo, simulando l’uso di un sistema di ancoraggio adeguato che impedisca il distacco prematuro (il cosiddetto “debonding”).

I Risultati: Chi Vince la Sfida?

Analizzando le curve carico-spostamento ottenute dalle simulazioni FEA, sono emerse alcune cose molto interessanti:

Prestazioni Generali:

• Entrambi funzionano alla grande! Sia l’acciaio che il CFRP hanno migliorato significativamente la capacità portante ultima e la rigidezza delle travi danneggiate dal fuoco rispetto alle stesse travi non rinforzate.
• Più materiale = Più resistenza: Come prevedibile, aumentando la larghezza e/o lo spessore del materiale di rinforzo (sia acciaio che CFRP), le prestazioni miglioravano ulteriormente.
• Recupero della capacità originale: Per le esposizioni al fuoco di 60 e 90 minuti, entrambi i metodi (con dimensioni adeguate) sono stati in grado di ripristinare o addirittura superare la capacità portante originale della trave non danneggiata. Dopo 120 minuti di fuoco, però, il danno al calcestruzzo era tale che nessuno dei rinforzi è riuscito a riportare la trave alla sua forza iniziale.

Confronto Diretto Acciaio vs. CFRP:

• Rigidezza: Le travi rinforzate con acciaio hanno mostrato un aumento di rigidezza maggiore, fin dalle prime fasi del carico, rispetto a quelle con CFRP. Questo è logico, dato che le piastre d’acciaio erano significativamente più spesse delle strisce di CFRP. Questo si traduce in minori deformazioni sotto carico.
• Capacità Ultima: A parità di contributo teorico alla forza tensile (ad esempio, confrontando configurazioni di acciaio e CFRP che forniscono entrambe 100 kN di forza), le piastre d’acciaio hanno generalmente portato a un carico ultimo leggermente superiore rispetto al CFRP. L’acciaio inizia a “lavorare” prima, contribuendo alla resistenza fin dall’inizio, mentre il CFRP dà il suo contributo maggiore dopo che le barre d’armatura interne hanno iniziato a snervare (cioè a deformarsi permanentemente).
• Deformazioni (Strain): Abbiamo monitorato le deformazioni nelle barre d’armatura tese e nel calcestruzzo compresso. In generale, entrambi i tipi di rinforzo riducono significativamente le deformazioni rispetto alla trave danneggiata non rinforzata, il che è un ottimo segno! Le travi rinforzate con acciaio tendevano ad avere deformazioni leggermente inferiori a parità di carico, grazie alla loro maggiore rigidezza.
• Modalità di Rottura (Dopo 120 min): Un aspetto cruciale è emerso per le travi esposte al fuoco per 120 minuti e rinforzate con le piastre d’acciaio più spesse/larghe. Queste hanno mostrato una rottura fragile e prematura! Il motivo? Il calcestruzzo superficiale era talmente degradato dal lungo incendio che non riusciva più a sopportare le elevate tensioni di compressione concentrate vicino ai punti di applicazione del carico e all’interfaccia con la piastra d’acciaio molto rigida. Questo suggerisce che per danni da fuoco molto severi, potrebbe essere necessario rimuovere lo strato di calcestruzzo più esterno e danneggiato prima di applicare il rinforzo, specialmente se si usa l’acciaio.

Conclusioni (e Cosa C’è Ancora da Studiare)

Cosa ci portiamo a casa da questo viaggio virtuale nel mondo del rinforzo post-incendio?

• Il nostro approccio FEA semplificato “a fette” si è dimostrato uno strumento valido e utile per analizzare il comportamento a flessione delle travi in CA danneggiate dal fuoco e per valutare l’efficacia dei sistemi di rinforzo. Può essere un aiuto prezioso per i progettisti!
• Sia le piastre d’acciaio che le strisce di CFRP incollate esternamente sono metodi efficaci per recuperare la capacità portante delle travi danneggiate dal fuoco.
• L’acciaio offre generalmente maggiore rigidezza e un leggero vantaggio nel carico ultimo a parità di contributo tensile, ma può portare a rotture fragili in caso di danni da fuoco molto estesi se non si interviene sul calcestruzzo superficiale.
• Il CFRP, pur essendo meno rigido inizialmente, offre comunque ottimi incrementi di resistenza, è leggero e resistente alla corrosione.
• Dopo incendi prolungati (come i 120 minuti del nostro studio), la rimozione e sostituzione dello strato di calcestruzzo più esterno e danneggiato diventa probabilmente necessaria per garantire una buona adesione e il corretto funzionamento del rinforzo, specialmente con l’acciaio.

Ovviamente, il nostro modello ha delle semplificazioni (come l’adesione perfetta). La ricerca futura dovrà affinare questi aspetti, magari includendo modelli più realistici per l’interfaccia tra calcestruzzo e rinforzo, considerando l’effetto della rimozione del calcestruzzo danneggiato e validando ulteriormente i risultati con più test sperimentali specifici sul rinforzo post-incendio.

Ma per ora, spero di avervi dato un’idea di come la simulazione numerica ci aiuti a capire e risolvere problemi complessi come il recupero strutturale dopo un incendio, confrontando soluzioni diverse per scegliere la migliore. È un campo in continua evoluzione, ed è affascinante vedere come ingegneria e tecnologia lavorino insieme per rendere le nostre costruzioni più sicure e durature!

Fonte: Springer