Comportamento a flessione di archi tubolari avvolti in FRP riempiti di calcestruzzo con barre FRP interne

Supporti per gallerie più robusti per condizioni sotterranee gravose

Le città e i sistemi di trasporto moderni fanno sempre più affidamento su tunnel e spazi sotterranei, ma il calcestruzzo e l’acciaio che li sostengono possono degradarsi silenziosamente nel tempo. Ambienti sotterranei scuri, umidi e spesso chimicamente aggressivi corrodono l’acciaio e danneggiano il calcestruzzo, aumentando i costi di manutenzione e i rischi per la sicurezza. Questo studio esplora un nuovo tipo di arco di sostegno per tunnel che sostituisce l’acciaio soggetto a ruggine con compositi in fibra di vetro e calcestruzzo opportunamente rinforzato, con l’obiettivo di fornire resistenza duratura dove i materiali tradizionali faticano.

Una nuova classe di archi protettivi

I ricercatori si sono concentrati su elementi di sostegno ad arco realizzati con tubi in polimero rinforzato con fibra di vetro (GFRP) precurvati durante la produzione automatizzata. Questi tubi vengono poi riempiti con un grout ad alta resistenza (un calcestruzzo fine) e ulteriormente rinforzati con sottili barre interne in GFRP disposte lungo l’arco. Poiché il GFRP non arrugginisce, questa combinazione è particolarmente interessante per ambienti sotterranei umidi, acidi o salini come tunnel, cunicoli e strutture di protezione. Il team ha sviluppato un processo industriale di filament winding in grado di produrre questi tubi curvi con qualità costante, affrontando un ostacolo importante all’impiego su larga scala di archi compositi.

Sottoporre gli archi a prove meccaniche

Per comprendere le prestazioni di questi archi compositi, gli autori hanno costruito e testato 18 provini d’arco di dimensioni e forma fissate ma con configurazioni interne diverse. Alcuni archi erano tubi GFRP vuoti, altri riempiti solo con grout, e altri ancora riempiti con grout più quattro barre interne in GFRP. È stata inoltre variata lo spessore della parete del tubo (3, 5 o 7 millimetri). Ciascun arco è stato bloccato alle due estremità e caricato verso il basso alla sua corona in una macchina universale di prova, una configurazione scelta per creare una condizione chiara e severa di flessione a metà luce. Durante il caricamento il team ha registrato le deformazioni degli archi, la formazione di fessure e lo sviluppo delle deformazioni lungo la curva, permettendo di seguire come le forze interne si spostavano man mano che il danneggiamento si accumulava.

Come lo spessore e le barre interne modificano il comportamento

Gli esperimenti hanno mostrato che aumentare semplicemente lo spessore del tubo in GFRP incrementa significativamente la capacità di carico degli archi prima della rottura. Per archi sia vuoti sia riempiti di calcestruzzo, passare dallo spessore minore a quello maggiore ha circa raddoppiato la capacità ultima, e tubi più spessi hanno anche reso gli archi più rigidi nella fase elastica iniziale. Il riempimento con calcestruzzo ha fornito un altro consistente aumento di resistenza e capacità di assorbire energia. Il salto più significativo, però, è derivato dall’aggiunta delle barre interne in GFRP: rispetto ai tubi vuoti, gli archi con calcestruzzo e barre hanno sopportato carichi circa due volte e mezzo fino a quasi quattro volte maggiori e hanno potuto sostenere deformazioni più che doppie prima di perdere capacità. Le stime indicano che le barre, pur occupando solo una piccola frazione della sezione, forniscono circa la metà della capacità portante totale, mentre il calcestruzzo contribuisce con una quota stabile e il tubo resiste a trazione e confina il calcestruzzo a compressione.

Dai dati di prova al progetto predittivo

Oltre alle prove sperimentali, gli autori hanno sviluppato un modello di calcolo semplificato per stimare il carico che un arco di questo tipo può sostenere sotto una forza concentrata alla sua corona. Hanno trattato l’arco come una struttura incastrata alle estremità che evolve formando quattro regioni «plastiche» dove la curvatura è massima. Convertendo la sezione tubolare curva in un rettangolo equivalente e usando formule consolidate per il calcestruzzo confinato e il GFRP a trazione, hanno ricavato la resistenza a flessione in queste cerniere e, da quella, il carico ultimo complessivo. Confrontando queste previsioni con i risultati di prova per gli archi contenenti barre interne, le differenze stavano nell’ordine del 10% circa, suggerendo che il modello cattura il comportamento essenziale per questa geometria d’arco e questa condizione di carico specifiche.

Cosa significa per le future strutture sotterranee

In termini concreti, lo studio dimostra che archi in GFRP riempiti di calcestruzzo con barre in fibra interne possono essere sia più resistenti sia più duttili rispetto agli archi in calcestruzzo convenzionali, offrendo al contempo resistenza alla corrosione che affligge l’acciaio. La combinazione di un tubo composito prodotto industrialmente, un nucleo di calcestruzzo confinato e barre interne ad alta resistenza genera supporti in grado di sostenere elevati carichi e deformarsi senza collasso improvviso. Sebbene le regole di progetto attuali siano validate solo per archi simili a quelli testati, i risultati indicano una nuova famiglia di rivestimenti leggeri, durevoli e protettivi per gallerie che potrebbero rendere l’infrastruttura sotterranea più sicura e duratura con minore manutenzione.

Citazione: Li, B., Yang, Z., Qi, Y. et al. Bending behavior of concrete-filled FRP wound tubular arches with internal FRP bars. Sci Rep 16, 7876 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38886-w

Parole chiave: supporto gallerie, polimero rinforzato con fibre, archi in calcestruzzo, resistenza alla corrosione, strutture sotterranee