ITPC970031A1 - Uso di fibre nei calcestruzzi destinati alla produzione di elementi strutturali in calcestruzzo precompresso e relativi manufatti in c. a. p. fibrorinforzati - Google Patents
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- E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
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Description
L’invenzione riguarda l'uso di fibre quali fibre in acciaio, carbonio, poli-vinil-alcool ecc., per la produzione di calcestruzzi destinati alla realizzazione di manufatti in calcestruzzo armato precompresso, nonché elementi strutturali in CA.P. fibrorinforzato.
L’invenzione si riferisce in particolare all’impiego di calcestruzzo fibrorinforzato in combinazione con la tecnologia della precompressione per realizzare strutture portanti senza l’introduzione di armature lente convenzionali, ottenuto senza modalità di produzione, trattamenti o maturazioni particolari del conglomerato ma applicando le usuali modalità di confezione e maturazione del calcestruzzo.
E’ noto che nel calcolo delle strutture la resistenza a trazione del calcestruzzo non viene presa in considerazione a causa della fragilità di questo materiale in conseguenza della quale l’innesto, per qualsivoglia motivo, di una frattura, porta alla propagazione della stessa e alla rovina della struttura. Per questa ragione i calcestruzzi vengono armati con barre metalliche di armatura lenta destinate ad assorbire gli sforzi di trazione nel calcestruzzo, come elemento di sicurezza quando il calcestruzzo si fessura.
E’ anche noto che l'aggiunta di fibre di varia natura all'interno del conglomerato cementizio produce una variazione nel legame sforzo-deformazione introducendo, anche successivamente alla realizzazione della fessurazione, una capacità resistente della matrice di conglomerato, assente nei calcestruzzi prive di fibre.
In particolare è provato che con l’uso di fibre, anche quando la resistenza a trazione non varia in modo significativo, la quantità di energia dissipata durante la rottura dei calcestruzzi fibrorinforzati risulta di ordine di grandezza superiore rispetto al calcestruzzo normale, con conseguente diminuzione della fragilità propria di questo materiale.
Questa caratteristica dei calcestruzzi fibrorinforzati permette di assorbire in sicurezza sforzi che localmente superano il valore di fessurazione del conglomerato, trasferendo, grazie alla duttilità conferita alla sezione, gli sforzi nelle fibre vicine.
Nonostante questo non è possìbile realizzare strutture di grandi dimensioni utilizzando esclusivamente calcestruzzo fibrorinforzato privo di armature aggiuntive, in quanto lo stato di trazione supererebbe i limiti raggiungibili da questo materiale.
Sono stati pubblicati studi sull'uso di fibre in sostituzione dell’armatura principale, ma limitatamente a manufatti non “strutturali" vale a dire manufatti quali tubi, piste per aeroporti, rivestimenti o pavimentazioni ecc., senza particolari funzioni portanti.
Le fibre in questi manufatti sono usate, ad esempio, in sostituzione delle reti in acciaio per assorbire piccole trazioni.
E noto anche l’uso di fibre miscelate ad una malta cementizia per la realizzazione, nel sottosuolo, di colonne di terreno consolidato, con la tecnica nota con il nome di jetgrouting.
Quindi la tecnica di miscelare fibre al calcestruzzo è già nota, anche se limitatamente a manufatti ordinari, del tipo gettato in opera.
Ad esempio il brevetto USA 5635263 descrive l’uso di fogli di fibre di carbonio applicati mediante resine a strutture in calcestruzzo per rinforzarle.
Il brevetto USA 5503670 descrive un calcestruzzo fibrorinforzato, nel quale si prevede l'uso di fibre metalliche in sostituzione dell’armatura convenzionale.
Questo brevetto, rappresentativo dello stato della tecnica più avanzata, suggerisce soluzioni applicabili con sicurezza solo a manufatti non strutturali, del tipo sopra accennato.
Pur non fornendo insegnamenti relativi all’uso di fibre in sostituzione dell’armatura trasversale nella struttura in CAP, questo brevetto fornisce numerose indicazioni sulle caratteristiche di resistenza di questo tipo di calcestruzzi.
La presente invenzione riguarda l'uso di calcestruzzo fibrorinforzato per la produzione di manufatti in CAP, in particolare di manufatti nei quali è presente solo l’armatura di precompressione, mentre l'armatura trasversale o armatura lenta è sostituita dalle fibre. In sostanza, l'invenzione prevede di combinare la tecnologia della precompressione con l’uso del calcestruzzo fibrorinforzato, allo scopo di eliminare l'armatura lenta.
Questo consente notevoli vantaggi perchè, non essendo più necessario prevedere armature lente e quindi un opportuno spessore di ricoprimento delle stesse (che secondo la normativa in vigore in Italia deve essere non inferiore a 2 cm.) è possibile realizzare strutture più sottili. In particolare questi vantaggi sono molto maggiori nel caso di elementi strutturali di forma complessa e/o sezione variabile.
Come esempio si possono citare i tegoli di copertura in calcestruzzo oppure gli shed. Le strutture di questo tipo attualmente prodotte possono avere lunghezze di oltre 20 m., una larghezza da 1 a 3 m. e uno spessore variabile da 5 a 15-20 cm., conforme ad L, U, o meglio, TT e/o sezioni asimmetriche di diverse fogge.
Dovendo portare solamente il loro peso e il peso della neve, sarebbe sufficiente uno spessore della struttura di pochi centimetri.
Siccome però queste strutture vengono armate con staffe ed armatura lenta, lo spessore, per assicurare il necessario ricoprimento, risulta di almeno 5-6 cm..
Eliminando l’armatura trasversale si possono invece realizzare strutture più sottili e quindi più leggere, con i vantaggi sia di ordine pratico che economico che ne derivano.
Inoltre il ciclo industriale risulta più rapido, e si ottiene una semplificazione nei calcoli perchè il calcestruzzo fibrironforzato, con opportune caratteristiche di granulometria e percentuale di fibre, può essere equiparato ai fini del calcolo, a un materiale sostanzialmente omogeneo.
Vi è inoltre la possibilità di ricorrere a fibre non metalliche, quali carbonio o PVA, non sensibili all’attacco degli agenti atmosferici.
Infine, conferendo caratteristiche di omogeneità, è possibile ridurre enormemente la fessurazione o ottenere comunque una fessurazione uniformemente distribuita.
L'invenzione sarà ora meglio illustrata con l'ausilio delle allegate tabelle da A ad E che riportano i risultati dei test effettuati su campioni di calcestruzzo rinforzato con diversi tipi di fibre, da utilizzare per la realizzazione di strutture in CAP secondo l'invenzione.
Sono state testate varie tipologie di impasti, allo scopo di trovare un calcestruzzo che, additìvato con fibre, fornisca quelle caratteristiche di resistenza ritenute necessarie per la produzione di elementi strutturali in CAP privi di armatura lenta.
Per la preparazione sono stati usati i seguenti tipi di fibre
TIPO DI RINFORZO DIAMETRO (mm.) LUNGHEZZA (mm.)
CARBONIO RK 10 0,008 25
CARBONIO NEW CEM 3 0,009 25
PVA RF 1500 0,42 30
PVA RF 4000 0,66 30
ACCIAIO DRAMIX 40/, 50 0,5 40
ACCIAIO DRAMIX 60/, 80 0,8 60
Si è realizzato un impasto di riferimento in calcestruzzo senza fibre con la seguente composizione:
impasto base
- cemento 525 R 1 350 Kg/mc
- additivo Italeux Naftalensolfonato 5,5 l/mc
-H20 166 l/mc
- sabbia vagliata 0-3 120 Kg
- mista 0+12 985 Kg
- ghiaietto 8+15 793 Kg.
Si sono preparati anche due impasti con terrecotte, cemento e acqua con i seguenti inerti: Impasto N. 2
• Inerte leggero TC 0-6 460 Kg
• Inerte leggero TC 6-12 460 Kg
• Sabbia vagliata 0-3 400 Kg
Impasto n. 3
• Inerte leggero TC 0-6 420 Kg
• Inerte leggero TC 6-12 420 Kg
• Sabbia vagliata 0-3 560 Kg
Si sono infine preparati impasti di calcestruzzo fibrorìnforzato con aggiunta delle fibre indicate qui di seguito:
Impasto 4 12.5 Kg di fibra Kuralon RF 4000
10 litri di H20
• Impasto 5 12.5 Dg di fibra Kuralon RF 4000
4 litri di superfiuidificante
• Impasto 6 25 Kg di fibra Kuralon RF 4000
15 litri di superfiuidificante
• Impasto 7 12.5 Kg di fibra Kuralon RF 1500
4 litri di superfiuidificante
• Impasto 8 25 kg di fibra Kuralon RF 1500
4 libi di superfluidificante
• Impasto 9 40 Kg di fibra Dramix 40/.5
4 litri di superfluidificante
- 20 litri di H20
• Impasto 10 60 Kg di fibra Dramix 40/.5
4 litri di superfluidificante
• Impasto 11 40 Kg di fibra Dramix 60/.8
• Impasto 12 17.5 Kg di fibra di carbonio New Cem3
4 litri di superfluidificante
• Impasto 13 17.5 Kg di fibra di carbonio RK10
2 litri di superfluidificante
• Impasto 14 35 Kg/mc di fibra di carbonio
RK 10+31 litri di superfluidificante.
Gli impasti sono stati realizzati con una betoniera da laboratorio di capacità 0.03 me.
I componenti sono stati pesati di volta in volta in laboratorio e, calcolando l'umidità degli inerii effettuando una asciugatura è stata compensata di conseguenza la quantità d'acqua in aggiunta.
Per ogni miscela sono state effettuate le seguenti prove:
• temperatura ambiente
• temperatura impasto
• slump iniziale
• slump dopo 30’
Per ogni miscela sono stati eseguiti i seguenti provini:
• 4 prelievi di 2 cubi dimensioni 100x100x1000 mm
• 4 prelievi di 3 prismi dimensioni 40x40x160 mm
• 4 cilindri dimensioni 300x150 mm
La metà dei provini (sigla M.V.) è stata maturata in vasca termostatica portando la vasca alla temperatura di 70” dopo 2 ore di presetting.
I provini sono stati conservati per 14 ore nella vasca prima di essere portati a temperatura ambiente e successivamente sformati entro le 24 ore.
L’altra metà dei provini (sigla M.N.) è stata maturata a temperatura e umidità ambiente e sformata entro le 24 ore.
T utti i provini sono stati conservati, fino al momento di esecuzione della prova, a umidità e temperatura ambiente.
1 provini sono stati sottoposti alle seguenti prove:
2 cubi M.V. compressione a 24 ore
2 cubi M.N. compressione a 24 ore
2 prismi M.V. flessione a 24 ore
2 prismi M.N. flessione a 24 ore
1 cilindro M.V. trazione indiretta a 24 ore
1 cilindro M.N. trazione indiretta a 24 ore.
Le prove sono state ripetute alla scadenza dei 28 giorni.
I risultati delle prove sono riportati nelle tabelle A e B.
In tabella A sono indicati tutti i risultati, precisando per ciascun provino il rapporto acqua/cemento e il tipo e la percentuale di fibre.
I valori delle resistenze sono espressi in N/cmq.
La tabella 6 è riassuntiva dei valori di resistenza a flessione e compressione, nonché dei valori di energia assorbita alla rottura.
Da un confronto fra i valori di energia assorbita dal calcestruzzo campione (0,42 J) e dal calcestruzzo additivato con fibre in acciaio (11, 86 J -campione 10) emerge che il calcestruzzo fibrorinforzato può assorbire alia rottura un’energia circa 20 volte superiore a quella del calcestruzzo comune, a conferma di quanto ipotizzato. Nelle tabelle C e D sono riportati i risultati derivati dalla media delle misurazioni fatte su più provini per ciascun tipo di impasto, evidenziando i valori massimo e minimo.
Dal punto di vista strutturale, nei manufatti secondo l'invenzione le armature di precompressione hanno la funzione di ridurre le trazioni longitudinali per flessione nei limiti tollerati dal calcestruzzo fibrorinforzato che, a sua volta, assorbirà gli stati di trazione generati da flessione trasversale e da taglio. Gli effetti di quesfultima azione saranno ridotti proprio dalla presenza della precompressione.
La presenza della fibra non ricopre la funzione di aumentare, se non marginalmente, il valore della resistenza a trazione del conglomerato, ma soprattutto quella di conferire duttilità al comportamento di rottura per trazione in modo da poter utilizzare con sicurezza anche la capacità portante a trazione del cls. La presenza di armatura, ove necessaria, è limitata nelle zone di estremità della struttura dove si diffonde la precompressione nelle quali gli effetti della stessa non sono ancora completamente presenti.
A differenza delle usuali strutture in cemento armato e cemento armato precompresso, dove la presenza delle armature lente condiziona gli spessori minimi delle strutture stesse in quanto l’armatura deve essere inserita all'interno del conglomerato e ricoperta da opportuni copriferri, nel caso dell’invenzione, l’eliminazione delle armature lente conduce all'eliminazione di tali spessori minimi potendo, in questo modo, realizzare strutture più leggere. Le strutture realizzate con calcestruzzo fibrorinforzato precompresso prive di armatura lenta presentano alta durabilità in quanto la fessurazione risulta praticamente assente e, ove fosse localmente presente, la dimensione delle fessure viene limitata dalla presenza delle fibre che non ne consente la propagazione. Nelle strutture in CAP convenzionali, l’armatura lenta più prossima alla superficie risulta la causa prima di dissesto strutturale data la sua aggressione da parte degli agenti esterni che ne provocano l'ossidazione con aumento di volume che a sua volta provoca la disgregazione della matrice cementizia. La possibilità di eliminare tale armatura annulla la possibilità di tale fenomeno di aggressione degli elementi strutturali garantendone alta durabilità.
L’ottenimento di tali risultati è possibile, come visto sopra, utilizzando tecnologie note quali l'aggiunta di fibre di varia natura (quali acciaio, carbonio, vetro, materiali plastici, etc.) e di lunghezza e diametro in relazione all’impasto, in calcestruzzi le cui caratteristiche di peso specifico, dimensioni degli inerti, resistenza sono in relazione al tipo di impiego,, combinati con la tecnologìa della precompressione. Per l’ottenimento di tale risultato non sono necessari modalità di produzione, trattamenti o maturazioni particolari del conglomerato ma sono applicabili le usuali modalità di confezione e maturazione del calcestruzzo.
Tale invenzione risulta applicabile in tutte le strutture e se ne ottiene particolare vantaggio in quelle soggette principalmente a stati di flessione e taglio e per le quali sia possibile realizzare sezioni in conglomerato cementizio variabili in modo da seguire con la geometria l’andamento delle tensioni interne cosi da ridurre le quantità di materiale impiegato. Tale invenzione risulta utilmente applicabile negli elementi prefabbricati precompressi sia con cavi aderenti che postesi quali travi, tegoli piani, tegoli a sezione variabile, pannelli di tamponamento, etc.
In particolare risulta utile l'applicazione ad elementi prefabbricati dì copertura con sezioni variabili dalla testata alla zona di mezzeria per lo scarico delle acque e con testata chiusa. Nella testata vengono introdotti ganci di sollevamento e le sole armature lente necessarie fino alla zona in cui siano presenti gli effetti della precompressione.
Un esperto del ramo potrà poi prevedere numerose modifiche e varianti, che dovranno però ritenersi comprese nell’ambito del presente trovato.
Claims (2)
- RIVENDICAZIONI 1) Impiego strutturale di calcestruzzi dì qualsiasi tipo per densità, classi di resistenza, dimensione degli inerti, lavorabilità, etc. ottenuti senza modalità di produzione, trattamenti o maturazioni particolari del conglomerato ma applicando le usuali modalità di confezione e maturazione del calcestruzzo, caratterizzati dal fatto di essere rinforzati con fibre di qualsivoglia natura (acciaio, vetro, carbonio, materiali plastici, etc.) in combinazione con la tecnologia della precompressione, per l'eliminazione o la riduzione deH'armatura lenta convenzionale in tutto o in parti della struttura.
- 2) Uso di fibre in sostituzione dell’armatura lenta, per la produzione di calcestruzzo secondo la rivendicazione 1, da utilizzare per la produzione di elementi strutturali in calcestruzzo armato precompresso. 3} Elementi strutturali in calcestruzzo armato precompresso secondo la rivendicazione 1, caratterizzati dal fatto di prevedere l’uso di fibre di rinforzo in sostituzione di parte o di tutta l'armatura lenta. 4) Elementi strutturali secondo la rivendicazione 3, in cui dette fibre sono in acciaio. 5) Elementi strutturali secondo la rivendicazione 3, in cui dette fibre sono in carbonio. 6) Elementi strutturali secondo la rivendicazione 3, in cui dette fibre sono in PVA. 7) Elementi strutturali secondo la rivendicazione 4, in cui dette fibre in acciaio hanno un diametro da 0,4 a 0,8 mm. e una lunghezza da 20 a 60 mm. 8) Elementi strutturali secondo la rivendicazione 5, in cui dette fibre in carbonio hanno un diametro da 0,08 a 0,09 mm. e una lunghezza da 20 a 30 mm. 9) Elementi strutturali secondo la rivendicazione 6, in cui dette fibre in PVA hanno un diametro da 0,40 a 0,70 mm. e una lunghezza da 25 a 35 mm.. 10) Elementi prefabbricati quali travi, tegoli piani, tegoli a sezione variabile, pannelli di tamponamento nei quali siano impiegati calcestruzzi fibrorinforzati secondo la rivendicazione 1, combinati con la precompressione sia a cavi aderenti che postesi, caratterizzati dal fatto di prevedere, l’eliminazione o la riduzione dell'armatura lenta convenzionale in tutto o in parti della struttura. 11) Elementi prefabbricati di copertura a sezione variabile dalla zona di mezzeria alla testata per permettere lo scarico delle acque e per seguire con la geometria l’andamento delle tensioni, caratterizzati dal fatto di essere realizzati con cls. fìbrorinforzati secondo la rivendicazione 1 combinati con la precompressione, e nei quali nelle zone testata vengono inseriti i ganci di sollevamento ed armature lente per la diffusione della precompressione, dette armature lente essendo limitate alle zone di testata. 12) Uso di fibre nei calcestruzzi destinati alla produzione di elementi strutturali in calcestruzzo precompresso, come descritto e illustrato
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1998
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