Le modalità di crisi dei calcestruzzi armati con barre in materiale composito fibro-rinforzato (FRP)

I calcestruzzi armati ordinari hanno permesso con il passare del tempo lo sviluppo di strutture sempre più innovative, grazie agli innumerevoli vantaggi che offrono, rispondendo in questo modo a richieste sempre più esigenti da parte di architetti, ingegneri e costruttori.

Un esempio che trovo particolarmente significante è il Duomo di Reggio Calabria (Lo Strutturista nr 8). Tale edificio subì gravi danni con il terremoto del 1908 e nella sua ricostruzione integrale venne usato, per l’appunto, il beton armato, considerato già in quegli anni un ottimo materiale antisismico.

Il calcestruzzo armato ordinario però presenta anche qualche limite legato soprattutto al concetto di durabilità.

Esso infatti se non è soggetto ad una costante ed approfondita manutenzione incomincia a degradare e ciò spiega il motivo per cui molte strutture del nostro paese si trovano in pessime condizioni.

Un’ottima alternativa, come ho spiegato nell’articolo precedente, sono i calcestruzzi armati con barre in materiale composito fibro-rinforzato (FRP).

La maggior durabilità rappresenta uno dei punti di forza di questo materiale che pian piano si fa largo tra i grandi delle costruzioni.

Purtroppo però non è tutto oro quel che luccica e anche il calcestruzzo armato con barre in materiale composito fibro-rinforzato presentano alcuni problemi di comportamento sia in fase di esercizio sia in fase ultima.

Alcune proprietà caratteristiche delle barre in FRP sono il basso modulo di elasticità, il comportamento elastico-lineare fino a rottura senza un’apprezzabile fase plastica e ridotte capacità di aderenza.

Quest’ultime caratteristiche comportano molto spesso innumerevoli problemi in fase di esercizio a causa di deformazioni importanti e quadri fessurativi poco diffusi con la presenza di fessure molto ampie. [A. ACCIAI, R. NUDO, Modalità di crisi di elementi in calcestruzzo armati con barre in FRP]

Un altro problema da sottolineare, relativo ai calcestruzzi armati con barre in FRP, riguarda la possibilità di sviluppo di modalità di crisi di tipo fragile legate alla rottura lato calcestruzzo.

Prima di spiegare la modalità di crisi del calcestruzzo armato con barre FRP consideriamo per un momento una sezione di calcestruzzo armato ordinario.

Come ben sappiamo nello studio di una sezione di calcestruzzo armato sottoposta a flessione composta retta è possibile individuare i diagrammi limite e i campi di comportamento del materiale.

Nella figura sottostante possiamo distinguere cinque campi di comportamento.

Nel campo identificato dal numero 1 la sezione è tutta tesa e si ha l’allungamento massimo delle barre d’armatura. La crisi avviene per il raggiungimento della tensione di rottura nell’acciaio.

Nel campo numero 2 la sezione si definisce parzializzata, ovvero è in parte tesa ed in parte compressa. Anche in questo caso si ha l’allungamento delle barre che compongono l’armatura inferiore, le quali, una volta raggiunta la tensione di rottura, si rompono mandando in crisi la sezione. La rottura di quest’ultima è quindi, ancora una volta, governata dall’acciaio.

Nel campo 3 la sezione è parzializzata, il calcestruzzo al lembo superiore della sezione è compresso e l’acciaio dell’armatura inferiore si trova alla tensione di rottura. In questo caso si ha una crisi bilanciata, ovvero si ha il cedimento dell’acciaio e quello del calcestruzzo.

Nel campo 4 il calcestruzzo superiore si trova ad una tensione pari al suo valore di resistenza a compressione massima, mentre l’acciaio si trova ancora in campo elastico. In questo caso la rottura è di tipo fragile ed è governata dal calcestruzzo.

Infine nel campo 5 la sezione è tutta compressa e anche in questo caso la rottura è governata dal calcestruzzo che raggiunge il valore massimo di resistenza a compressione.

Riconsiderando, a questo punto, il calcestruzzo armato con barre in FRP, numerose prove sperimentali dimostrano che la modalità di crisi è di tipo elasto-fragile.

Il comportamento in fase ultima di questo materiale è quindi molto simile a quello del calcestruzzo armato ordinario nel campo 4 in cui la rottura è governata solamente dal calcestruzzo.

Questa caratteristica rende di fatto il materiale incompatibile con il comportamento duttile che rappresenta un requisito di fondamentale importanza per le strutture sismo-resistenti.

Preso atto di questo limite ritengo che continuare ad investire nella ricerca su questi materiali innovativi diventi fondamentale per non perdere le loro innumerevoli qualità e per colmare le loro lacune in modo da sviluppare soluzioni ecosostenibili in grado, un giorno, di sostituire parzialmente o integralmente il calcestruzzo armato ordinario.