Calcestruzzo armato con barre di FRP: verso una normativa nazionale

Nel 2018 il MIT ha creato un Gruppo di studio per la redazione di due Linee Guida  relative alle barre in FRP: una sulla identificazione, qualificazione e accettazione delle barre di FRP ed un’altra sulla progettazione di strutture di conglomerato cementizio armato con tali barre. Nel presente articolo, a firma di due componenti del Gruppo di studio, una sintesi sui contenuti essenziali, con particolare riguardo agli aspetti progettuali.

Gli innumerevoli vantaggi degli FRP

L’uso dei materiali compositi fibrorinforzati in sostituzione dell’acciaio per la realizzazione di elementi strutturali di calcestruzzo costituisce una pratica ormai diffusa in molti Paesi del mondo (Figura 1). 

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Figura 1- Esempi di utilizzo: solette da ponte, pali di fondazione

La diffusione è favorita dalla proprietà degli FRP (Fiber Reinforced Polymer) di non essere suscettibili ai fenomeni di corrosione, il che li rende potenzialmente utili per le costruzioni esposte ad ambienti molto aggressivi, come ad esempio quelli marini o in situazioni in cui si faccia un uso intensivo di sali antigelo, come ad esempio le infrastrutture in zone fredde o di alta montagna.

Infatti, i materiali compositi a base di fibre di vetro (GFRP, Glass Fiber Reinforced Polymer) non sono conduttori. Ne risulta che l’impiego delle barre di GFRP, come armature di elementi esposti a correnti vaganti, di fatto risolve il problema della conseguente corrosione, che aggredisce invece le usuali armature metalliche. La presenza di correnti vaganti affligge, ad esempio, le strutture a servizio del trasporto su rotaia (linee ferroviarie o metropolitane) a cielo aperto o in galleria. Anche le solette di ponti stradali, utilizzati come cavalcavia ferroviari, possono essere interessate dallo stesso fenomeno. In particolare per le solette da ponte non possono essere dimenticati i danni provocati dalla corrosione delle armature metalliche dovuto allo spargimento di sali, nella stagione fredda, per ostacolare la formazione di ghiaccio sulla carreggiata. Un altro non trascurabile vantaggio di questo tipo di armature è la facilità e la rapidità della posa in opera, che consente di abbreviare in modo significativo i tempi e i costi di realizzazione delle infrastrutture.

Normativa e documenti tecnici relativi agli FRP: a che punto siamo

Sono disponibili, in campo internazionale, documenti di studio [1-3], Istruzioni e/o Linee Guida sulla caratterizzazione ed accettazione delle barre di FRP [4-12], come anche sulla progettazione, esecuzione e controllo di strutture che utilizzano armature di questo tipo, sia lente [13-25] che pretese [26-27]. Le prime pubblicazioni risalgono addirittura ai primi anni ‘90.

In Italia, benché l’attenzione verso questo tipo di armature si sia manifestato da tempo e la comunità scientifica e tecnica del nostro Paese si sia impegnata tempestivamente nella redazione di un Documento Tecnico sull’argomento, edito nel 2007 dal CNR e dal titolo Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Strutture di Calcestruzzo Armato con Barre di Materiale Composito Fibrorinforzato [18], le Norme Tecniche per le Costruzioni emanate dal Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti (MIT) non ne hanno finora consentito un libero impiego.

Solo nel maggio 2018, il MIT ha insediato un Gruppo di studio per la redazione di due Linee Guida: una sulla identificazione, qualificazione e accettazione delle barre di FRP ed un’altra sulla progettazione di strutture di conglomerato cementizio armato con tali barre. Di esso fanno parte gli autori del presente articolo.

Si rammenta che le vigenti Norme Tecniche per le Costruzioni, approvate con Decreto Ministeriale del 17 gennaio 2018 prescrivono, al § 11.1, che tutti i materiali e prodotti da costruzione, quando impiegati per uso strutturale, debbano essere identificabili, in possesso di specifica qualificazione all’uso previsto e debbano altresì essere oggetto di controllo in fase di accettazione da parte del Direttore dei lavori.


PER APPROFONDIRE LEGGI ANCHE

Identificazione e qualificazione di materiali e prodotti per uso strutturale secondo le NTC 2018: Focus sul Capitolo 11

A tal fine le norme predette prevedono che i materiali e i prodotti da costruzione per uso strutturale, quando non marcati CE ai sensi del Regolamento (UE) n.305/2011 o non provvisti di un ETAss (European Technical Assessment) ai sensi dell’art. 26 del Regolamento (UE) n. 305/2011, debbano essere in possesso di un Certificato di Valutazione Tecnica (CVT) rilasciato dal Sevizio Tecnico Centrale (STC), anche sulla base di linee guida approvate dal Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici.

A tal riguardo si segnala che nel 2019 l’EOTA ha pubblicato un EAD (European Technical Assessment) dal titolo “Carbon, Glass, Basalt and Aramid FRP Bar Reinforcement of Structural Elements”.

Al momento i due Gruppi di studio hanno licenziato la due bozze di Linee Guida, che sono attualmente all’esame di una commissione relatrice per la discussione da parte dell’Assemblea del  Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici, la competente approvazione, con eventuali modifiche, e successiva pubblicazione, quest’ultima auspicabilmente attesa entro il corrente anno 2020.

I paragrafi successivi ne riassumono i contenuti essenziali, con particolare riguardo agli aspetti progettuali.

Linea Guida sulla identificazione, qualificazione e accettazione di barre in FRP

La Linea Guida fornisce le procedure per l’identificazione, la qualificazione ed il controllo di accettazione di barre di FRP (Figura 2), rettilinee o sagomate a mo’ di staffe, o di barre con ancoraggio terminale. I suddetti prodotti devono presentare una frazione volumetrica di fibre continue di basalto, carbonio o vetro non inferiore al 50% e devono essere realizzate con resine termoindurenti.

Il processo produttivo delle barre rettilinee è tipicamente la pultrusione, anche se non sono esclusi differenti processi produttivi proposti dai Fabbricanti. Nella definizione del processo produttivo è incluso il tipo di finitura superficiale della barra, previsto dal singolo Fabbricante per migliorarne l’aderenza.

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Figura 2- Esempi di barre di FRP

Le barre devono essere utilizzate come armatura lenta di getti di nuove strutture di conglomerato cementizio, anche se tali getti integrano strutture già esistenti. Per altre applicazioni, quali ad esempio il rinforzo esterno di strutture esistenti di muratura, per la realizzazione di elementi sismoresistenti, o che possano subire significative inversioni del segno delle sollecitazioni, e per applicazioni che comportino il pretensionamento delle barre, possono essere richieste dal MIT procedure di qualificazione aggiuntive.

Le sezioni trasversali delle barre e delle staffe possono essere pressoché circolari o di forma rettangolare. Il diametro nominale delle sezioni circolari deve variare nell’intervallo [5, 32] mm, comprendendo gli estremi dell’intervallo. La larghezza delle sezioni rettangolari, coincidente con la massima dimensione della sezione, non deve essere superiore a 40 mm.

Si segnala che il contenuto della Linea Guida non corrisponde puntualmente a quello dell’EAD, risultando per molti aspetti più restrittivo. E’ infatti prerogativa dell’Ente di normazione di ciascun Stato Membro (nel nostro caso il MIT) applicare criteri aggiuntivi rispetto alle prescrizioni europee contenute nell’EAD qualora lo ritenga necessario per adeguare le regole d’impiego alle specificità delle applicazioni e del mercato nazionale.

I paragrafi della Linea Guida

Sinteticamente, gli argomenti trattati nella Linea Guida sono i seguenti e sono articolati nei seguenti paragrafi:

SIMBOLOGIA

1. SCOPO E CAMPO DI APPLICAZIONE

2. CARATTERISTICHE PRESTAZIONALI AI FINI DELLA QUALIFICAZIONE
2.1 Caratteristiche fisico-morfologiche e meccaniche

3. QUALIFICAZIONE DELLE BARRE PER IL RILASCIO DEL CVT
3.1 Qualificazione del Fabbricante e del prodotto
3.2 Prove iniziali di tipo 
3.2.1 Temperatura di transizione vetrosa
3.2.2 Massima temperatura di servizio
3.2.3 Resistenza di staffe e di barre con ancoraggio
3.2.4 Resistenza al pull-out
3.2.5 Resistenza al pull-out ad alte temperature
3.2.6 Durabilità ambientale: cicli di gelo-disgelo
3.2.7 Durabilità ambientale: esposizione ad ambienti alcalini, salini ed umidi
3.2.8 Reazione al fuoco
3.2.9 Resistenza a Fatica
3.2.10 Fatica statica
3.3 Scheda tecnica di prodotto
3.4 Prove per il controllo permanente di produzione in stabilimento

4. PROCEDURA DI QUALIFICAZIONE
4.1 Documenti da allegare all’istanza
4.2 Istruttoria del Servizio Tecnico Centrale
4.3 Durata e rinnovo del Certificato di Valutazione Tecnica
4.4 Sospensione e Ritiro del Certificato di Valutazione Tecnica
4.5 Prodotti provenienti dall’estero
4.6 Identificazione e rintracciabilità dei prodotti qualificati

5. PROCEDURE DI ACCETTAZIONE IN CANTIERE
5.1 Prelievo
5.2 Prove da eseguirsi
5.3 Valutazione dei risultati
5.4 Certificazione dei risultati delle prove di accettazione

6. RIFERIMENTI NORMATIVI
ALLEGATO 1 (Modello di Scheda Tecnica)
ALLEGATO 2 (Determinazione della Temperatura di Transizione Vetrosa)
ALLEGATO 3 (Prove sulle staffe o sulle barre con ancoraggio)

Per maggiori dettagli si rinvia ad un precedente articolo già pubblicato dagli autori sullo specifico argomento [12]. 

Linea Guida sulla progettazione con barre FRP

Campo di applicazione e concetti basilari del progetto

Le barre di FRP utilizzabili ai fini della Linea Guida devono soddisfare i requisiti prescritti nella Linea Guida sulla identificazione, qualificazione e accettazione ed avere inoltre:

  • un valore caratteristico della resistenza a trazione non inferiore a 400 MPa, 
  • un valore medio del modulo di elasticità a trazione in direzione longitudinale non inferiore a 100 GPa per le barre con fibre di carbonio e a 35 GPa per quelle con fibre di vetro o basalto.

Il progetto delle strutture di calcestruzzo armato con barre lente di FRP deve soddisfare requisiti di resistenza e di esercizio.

Un’attenzione particolare è richiesta nell’analisi strutturale, poiché la quasi totale assenza di duttilità delle strutture di calcestruzzo armato con barre di FRP deve essere tenuta in debita considerazione. In particolare non si possono adottare analisi strutturali di tipo elasto-plastico o elastico con ridistribuzione.

Di norma vanno eseguite specifiche verifiche di resistenza al fuoco degli elementi strutturali, in accordo con la vigente normativa antincendio. Esse devono tenere conto del valore della temperatura di transizione vetrosa, Tg.

Alcune tipologie strutturali, come ad esempio le solette da ponte e più in generale quelle che non delimitano volumi chiusi all’interno dei quali possa divampare un incendio, risentono in misura limitata dei problemi di resistenza al fuoco e non richiedono specifiche verifiche.

La Linea Guida fornisce regole progettuali per le sollecitazioni di Flessione (sia per lo Stato Limite Ultimo, SLU, che di Esercizio, SLE), Pressoflessione, Punzonamento, Taglio, Torsione. Sono anche forniti dettagli costruttivi e valori minimi di armatura.

Ci si limita qui a sintetizzare quanto prescritto per la Flessione ed il Taglio.

Per completezza di informazione, si segnala che il CEN TC 250 ha insediato un apposito Gruppo di lavoro per la redazione di un addendo all’Eurocodice 2 sull’argomento delle costruzioni di conglomerato cementizio armate con barre di FRP, i cui risultati sono attesi entro il 2023.

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