Efficienza di confinamento a livello di materiale e capacità assiale assoluta sono due metriche che, nel rinforzo delle colonne in cemento armato, non coincidono. A metterle a confronto è l’indagine sperimentale, numerica e analitica condotta da Talal Athobaiti, Osama Youssf, Mohamed Mortagi e Ahmed M. Tahwia, pubblicata su Infrastructures (doi: 10.3390/infrastructures11080272). L’avvolgimento con polimero fibrorinforzato al carbonio (CFRP) conduce le tensioni assiali ultime normalizzate fino a valori compresi tra 98 e 108 MPa sulle sezioni quadrate e rettangolari, mentre le colonne con giacca in calcestruzzo geopolimerico autopompante (SCGC) raggiungono le capacità di carico assolute più alte dell’intero programma di prova, fino a 8270 kN.
Dodici colonne tra quattro gruppi e tre geometrie
Il programma sperimentale si basa su dodici provini ripartiti in quattro gruppi: colonne in calcestruzzo armato (RC) convenzionale di riferimento, colonne in SCGC non confinate, colonne con giacca in SCGC (CONF. SCGC) e colonne avvolte con CFRP (CONF. FRP). Le sezioni trasversali indagate sono tre: quadrata da 177 × 177 mm, rettangolare da 265 × 177 mm e circolare con diametro di 200 mm. Ripetere le stesse geometrie sui diversi gruppi consente di confrontare i sistemi a parità di forma sezionale e di isolare il contributo del materiale da quello del dispositivo di confinamento.
SCGC al posto del calcestruzzo convenzionale
Il primo effetto della sostituzione del calcestruzzo tradizionale con il geopolimero autopompante riguarda la capacità di deformazione. A parità di sezione quadrata, lo spostamento assiale ultimo passa da 2,07 mm della colonna di riferimento RC C1 a 3,21 mm del corrispondente provino SCGC C1. Migliora anche la resistenza: in termini di tensione assiale ultima normalizzata, i provini SCGC non confinati si collocano tra 56 e 64 MPa, mentre le colonne RC della medesima geometria si fermano tra 41 e 49 MPa. Il guadagno, riferito al livello del materiale, corrisponde a fattori compresi tra 1,30 e 1,49.
Giacca in SCGC: il primato delle capacità assolute è questione di sezione
I carichi più elevati della campagna appartengono alle colonne ingessate. Il provino CONF. SCGC C2 arriva a 8270 kN, con rigidezza massima di 5531 kN/mm e assorbimento di energia pari a 19.740 kN·mm. Riportando i risultati a tensione normalizzata, però, il quadro si ridimensiona: le sezioni quadrate e rettangolari con giacca si attestano tra 45 e 47 MPa, livelli sostanzialmente sovrapponibili a quelli delle colonne RC di riferimento, e la circolare rileva 43 MPa, in linea con la medesima tendenza. I guadagni di carico assoluto discendono quindi principalmente dall’ingrandimento della sezione, più che da un incremento intrinseco della resistenza del materiale: alla prestazione concorrono l’aumento delle dimensioni trasversali e il confinamento passivo mobilitato dalla giacca.
CFRP: l’efficienza di confinamento più alta sul materiale
Sul fronte dell’efficienza rapportata al materiale nessuna configurazione avvicina l’avvolgimento in fibra di carbonio. Nelle geometrie quadrate e rettangolari i provini avvolti raggiungono tensioni assiali ultime normalizzate tra 98 e 108 MPa, con guadagni da 2,01 a 2,41 volte rispetto alle colonne RC non confinate di identica sezione. È il rapporto di incremento più favorevole registrato nella campagna quando la misura viene riferita al materiale di partenza.
Il modello non lineare in ABAQUS e le stime analitiche
Accanto alle prove, l’indagine si avvale di un modello agli elementi finiti tridimensionale non lineare sviluppato in ABAQUS, impostato con il modello costitutivo Concrete Damaged Plasticity e con interazioni tra superfici trattate mediante zone coesive. L’accordo con i risultati sperimentali risulta stretto: i rapporti medi tra previsione numerica e misura sono pari a 1,03 per il carico ultimo e a 0,96 per lo spostamento. Il modello analitico fornisce invece stime conservative della capacità assiale.
Tensioni assiali ultime normalizzate a confronto
La tabella riassume i valori di tensione assiale ultima normalizzata registrati nelle prove per ciascuna configurazione.
| Configurazione | Tensione assiale ultima normalizzata |
|---|---|
| Colonne RC di riferimento | da 41 a 49 MPa |
| SCGC non confinata | da 56 a 64 MPa |
| Giacca in SCGC, sezioni quadrate e rettangolari | da 45 a 47 MPa |
| Giacca in SCGC, sezione circolare | 43 MPa |
| Avvolgimento CFRP, sezioni quadrate e rettangolari | da 98 a 108 MPa |
La lettura d’insieme separa con nettezza i due strumenti di rinforzo. L’avvolgimento in CFRP esprime la migliore efficienza di confinamento rapportata al materiale; la giacca in SCGC consegue le capacità di carico assolute più elevate grazie alla combinazione di allargamento sezionale e confinamento passivo, e configura una strategia potenzialmente più sostenibile dal punto di vista ambientale per il consolidamento di colonne in cemento armato esistenti. La scelta dipende, quindi, dalla priorità dell’intervento: rendimento del confinamento sul materiale oppure capacità assoluta della sezione rinforzata.
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