Rinforzo di giunti lastra–pilastro in C.A. corrotti mediante FRP ibrido a ply sottile sotto taglio per punzonamento

Perché i pavimenti in calcestruzzo invecchiati possono crollare all’improvviso

Molti parcheggi, magazzini e grattacieli si basano su solai piani in calcestruzzo appoggiati direttamente su pilastri. Questo tipo di progettazione risparmia spazio e materiale, ma nasconde una debolezza pericolosa: una rottura fragile chiamata taglio per punzonamento, in cui la lastra può sfondare improvvisamente attorno al pilastro con poco preavviso. Quando l’acciaio all’interno del calcestruzzo si ossida, questo rischio aumenta. Lo studio qui riassunto esplora un nuovo modo di rinforzare questi giunti vulnerabili usando sottili strisce composite leggere composte da fibre di vetro e di carbonio.

Un punto debole nascosto negli edifici di tutti i giorni

I sistemi lastra–pilastro piani sono popolari perché eliminano le travi e consentono spazi aperti e flessibili. Il compromesso è che l’area in cui ogni pilastro incontra la lastra sopporta forze concentrate intense. Se il calcestruzzo e l’armatura non riescono a resistere a queste forze, la lastra può rompersi in modo brusco attorno al pilastro in un frammento a forma di cono. Terremoti passati e crolli imprevisti in parcheggi hanno mostrato quanto possa essere catastrofica questa rottura da “punzonamento”. Le misure di sicurezza tradizionali, come acciai aggiuntivi, pannelli di irrigidimento (drop panels) o zone di lastra maggiorate, aumentano peso, costo e complessità costruttiva e spesso sono assenti negli edifici più vecchi. A peggiorare la situazione, i sali antigelo e gli ambienti aggressivi corrodono lentamente l’acciaio interno, riducendo la resistenza e rendendo più probabile il punzonamento.

Cosa fa la corrosione ai giunti in calcestruzzo

Quando l’armatura si corrode, si espande e fessura il calcestruzzo circostante. Questo processo indebolisce diversi meccanismi che normalmente aiutano a resistere al taglio per punzonamento: l’incastro ruvido tra superfici di calcestruzzo fessurate, l’azione a perno (dowel) delle barre che attraversano le fessure e l’aderenza tra acciaio e calcestruzzo. Anche una ruggine moderata può trasformare la modalità di rottura da una più tollerante flessione a un improvviso punzonamento. Ricerche precedenti hanno spesso esaminato corrosione o rinforzo in modo separato e si sono concentrate su travi o pilastri piuttosto che sul critico giunto lastra–pilastro. Il lavoro attuale si concentra su questo giunto specifico, valutando come diverse soluzioni di rinforzo performino quando l’acciaio è già danneggiato.

Prove su strisce ibride sottili applicate a giunti danneggiati

I ricercatori hanno costruito undici giunti lastra–pilastro interni in scala ridotta, ciascuno rappresentante un tipico pilastro d’interni in un solaio piano. Alcuni provini sono stati mantenuti intatti, mentre altri sono stati deliberatamente corrotti fino a circa il 15% di perdita di massa dell’armatura usando un metodo elettrochimico accelerato in soluzione salina. Successivamente hanno incollato strisce composite sottili — realizzate in fibra di vetro (GFRP), fibra di carbonio (CFRP) o un ibrido di entrambe — alla superficie inferiore della lastra attorno al pilastro. Le strisce sono state disposte in vari schemi, con particolare attenzione a un layout obliquo progettato per intercettare le fessure radiali che si formano durante il punzonamento. Le lastre sono state caricate verso il basso tramite il pilastro fino alla rottura, mentre il team ha misurato carico massimo, deformazioni e propagazione delle fessure.

Come si è comportata la nuova strategia di rinforzo

La sola corrosione ha ridotto la capacità al punzonamento di circa un terzo e ha quasi raddoppiato la deformazione al collasso rispetto a un giunto non danneggiato. L’applicazione delle strisce composite ha invertito gran parte di questa perdita. I sistemi in fibra di vetro hanno aumentato la resistenza al punzonamento di circa il 30–51% rispetto al controllo corroso, i sistemi in fibra di carbonio del 40–60% e le strisce ibride vetro–carbonio di circa il 57–77%. I giunti rinforzati hanno mostrato un comportamento più rigido prima della fessurazione, un ritardo nella formazione delle fessure e una risposta carico–deformazione più stabile. Tuttavia il beneficio non cresceva indefinitamente: oltre circa due strati o uno spessore totale del composito intorno a 0,6–1,2 mm, materiale aggiuntivo forniva solo piccoli incrementi di resistenza perché le strisce iniziavano a staccarsi dal calcestruzzo (debonding) prima di poter essere pienamente sollecitate. Utilizzando avanzate simulazioni numeriche, calibrate sui test sperimentali, gli autori hanno esplorato molte varianti di spessore, numero di strati, posizionamento e livello di corrosione. Hanno trovato che strisce ibride oblique offset di 50 mm dalla faccia del pilastro offrivano il miglior equilibrio tra incremento di resistenza e controllo delle fessure per la geometria testata.

Limiti del rinforzo per strutture molto corrose

Lo studio mostra anche che esiste un limite pratico a quanto il rinforzo possa aiutare una volta che la corrosione diventa severa. In giunti simulati con livelli di corrosione variabili dal 5% al 30%, il beneficio relativo del miglior rinforzo ibrido è calato da circa il 51% di capacità aggiuntiva in condizioni di corrosione lieve a circa il 25% al livello più elevato esaminato. Man mano che più acciaio si corrode e il calcestruzzo circostante si degrada, il comportamento diventa sempre più governato dal punzonamento fragile e dal debonding delle strisce. A quel punto, aggiungere più materiale composito dà poco senza migliorare anche l’aderenza o affrontare il degrado sottostante.

Cosa significa per gli edifici reali

Per gli ingegneri responsabili di parcheggi invecchiati o edifici con solai piani, i risultati suggeriscono che strisce ibride vetro–carbonio molto sottili e disposte in modo strategico potrebbero costituire un intervento pratico per ripristinare parzialmente la sicurezza in giunti lastra–pilastro moderatamente corrotti. Il sistema è leggero, applicato esternamente e non richiede l’addensamento della lastra o l’aggiunta di pesante ferraglia. Tuttavia il suo successo dipende fortemente da una buona adesione, da un accurato dettaglio del layout delle strisce e da livelli di corrosione non ancora estremi. In breve, questa tecnica può recuperare una preziosa capacità e rigidezza aggiuntive per giunti a rischio, ma non è una cura universale: la corrosione severa richiede ancora riparazioni più estese o la sostituzione, e ogni edificio deve essere valutato entro i limiti delle condizioni testate in questa ricerca.

Citazione: Gomaa, A.M., Ahmed, M.A., Khafaga, S.A. et al. Strengthening of corroded RC slab–column joints using thin-ply hybrid FRP under punching shear. Sci Rep 16, 6526 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36610-2

Parole chiave: taglio per punzonamento, solai in calcestruzzo armato, corrosione, rinforzo con FRP, giunti lastra–pilastro