Miglioramento della resistenza a taglio di travi profonde in calcestruzzo armato mediante fili d’acciaio a diametro sottile incassati vicino alla superficie: uno studio sperimentale

Travi più resistenti per strutture quotidiane più sicure

Edifici, ponti e parcheggi fanno tutti affidamento su travi di calcestruzzo massicce per sopportare carichi pesanti. Quando queste “travi profonde” fessurano improvvisamente per taglio, le conseguenze possono essere catastrofiche e costose da riparare. Questo studio esplora un modo semplice e a basso costo per rendere tali travi molto più sicure: l’aggiunta di fili d’acciaio sottili immediatamente sotto la superficie del calcestruzzo. Testando come diversi schemi di filo influenzano la fessurazione e la rottura, i ricercatori mostrano come un aggiornamento modesto potrebbe estendere la vita e l’affidabilità delle strutture esistenti.

Perché le travi profonde sono un anello debole

Le travi profonde in calcestruzzo armato si comportano in modo diverso rispetto alle travi più snelle descritte nei testi di progettazione. A causa della loro luce ridotta e della grande profondità, le forze si trasferiscono attraverso percorsi diagonali compressi chiamati “puntelli” anziché distribuirsi uniformemente come una tavola soggetta a flessione. Quando questi puntelli diagonali si fessurano per taglio, la rottura può essere improvvisa e fragile, senza tanti segnali premonitori. Le soluzioni convenzionali—aggiungere più staffe interne o usare calcestruzzi più resistenti—non sono sempre praticabili per le strutture esistenti, e i materiali fibrosi moderni, sebbene efficaci, possono essere costosi, sensibili al calore o difficili da incollare in modo affidabile al calcestruzzo vecchio. Gli ingegneri necessitano quindi di metodi di rinforzo che siano robusti, economici e facili da installare nei progetti reali.

Una svolta: fili sottili subito sotto la superficie

Il gruppo ha studiato una variante di un approccio di rafforzamento noto come rinforzo posizionato vicino alla superficie (NSM). Invece di usare barre d’acciaio spesse o strisce rinforzate con fibre incollate all’esterno, hanno ricavato scanalature molto superficiali nelle facce esterne della trave e vi hanno inserito fili d’acciaio da 2,5 millimetri, riempiendo poi le scanalature con un potente epossidico. Questi fili sottili sono flessibili, poco costosi e richiedono solo piccoli tagli nel copriferro, il che li rende attraenti per il rinforzo delle travi esistenti. I ricercatori hanno gettato undici travi profonde identiche e le hanno caricate in una prova a tre punti. Una trave è stata usata come controllo, mentre le altre sono state rinforzate su una campata di taglio con disposizioni di fili verticali, orizzontali, diagonali o a rete (a griglia), con diversi numeri di fili per ciascun schema.

Comportamento delle travi sotto carico

Durante il caricamento graduale, il team ha monitorato la formazione delle fessure, la deformazione delle travi e la capacità di carico e di dissipazione di energia prima della rottura. La trave di controllo non rinforzata ha sviluppato una singola ampia fessura diagonale e ha ceduto bruscamente per taglio a un carico di 220 kilonewton. L’aggiunta di fili verticali ha migliorato la situazione: intersecando le fessure diagonali, hanno aumentato la capacità a taglio fino al 50 percento ma hanno anche reso la trave più rigida e meno deformabile prima della rottura. I fili orizzontali hanno avuto l’effetto minore, perché correvano per lo più paralleli alla fessura diagonale principale; anche nel caso migliore hanno aumentato la capacità di circa un terzo e non hanno cambiato molto il modo di rottura. Al contrario, i fili diagonali—allineati con il puntello naturale all’interno della trave—si sono rivelati particolarmente efficaci. Il provino diagonale maggiormente rinforzato ha sopportato circa il 62 percento in più rispetto al controllo e ha assorbito oltre il 170 percento di energia in più prima della rottura, con fessure più sottili e distribuite in modo più uniforme.

La forza di una semplice rete di fili

La configurazione più performante è stata la rete, che combinava diversi fili verticali e orizzontali in una piccola griglia sulla regione critica per il taglio. Questo schema semplice ha confinato la zona di compressione diagonale da più direzioni e ha prodotto la rete di fessure più fine. La trave rinforzata a rete ha raggiunto un carico ultimo circa il 59 percento superiore al controllo e ha più che raddoppiato l’assorbimento di energia, mostrando anche la massima rigidezza tra i provini. In diverse delle migliori disposizioni, la rottura si è spostata dalla campata rinforzata al lato opposto non rinforzato della trave, chiaro segno che i fili avevano stabilizzato con successo quello che prima era l’anello debole.

Cosa significa per le strutture reali

Per un non specialista, il messaggio chiave è che sottili e poco costosi fili d’acciaio, disposti con cura appena sotto la superficie di una trave in calcestruzzo, possono migliorare in modo significativo il modo in cui quella trave si fessura e si rompe. Posizionati diagonalmente o come semplice rete, questi fili aiutano la trave a sopportare carichi maggiori, a resistere alla fessurazione diagonale improvvisa e a dissipare più energia prima della rottura, richiedendo nel contempo solo scanalature poco profonde e modeste quantità di materiale. Lo studio suggerisce che i sistemi di fili posizionati vicino alla superficie potrebbero diventare uno strumento pratico ed economicamente efficace per rinforzare ponti e edifici invecchiati, offrendo agli ingegneri un nuovo modo per rendere le infrastrutture quotidiane più sicure senza ricorrere a ricostruzioni importanti.

Citazione: Elkafrawy, M., Altobgy, M.A. & Fayed, S. Enhancing the shear strength of reinforced concrete deep beams using thin-diameter near-surface mounted steel wires: an experimental study. Sci Rep 16, 7186 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37355-8

Parole chiave: calcestruzzo armato, rinforzo a taglio, travi profonde, rinforzo posizionato vicino alla superficie, fili d’acciaio