Valutazione delle prestazioni di travi in calcestruzzo rinforzate: incremento della resistenza a flessione e taglio mediante stuoie di fibre di vetro tranciate e tessute

Ponti e edifici più resistenti

Molti dei ponti e degli edifici di cui ci serviamo quotidianamente sono realizzati con travi in calcestruzzo che perdono gradualmente resistenza con l’età e devono sopportare traffico più pesante di quello per cui erano state progettate. Questo studio esplora un modo relativamente semplice per ridare vita a quelle travi avvolgendole con sottili pelli in fibra di vetro, rendendole più sicure e durevoli senza smantellare la struttura o aggiungere supporti ingombranti.

Come falliscono solitamente le travi in calcestruzzo

Il calcestruzzo è molto efficace nel sopportare forze di compressione ma scarsa nel gestire forze di trazione, che si manifestano come flessione e scorrimento in una trave. Nel tempo le travi sviluppano fessure visibili che possono ampliarsi rapidamente, portando a rotture fragili con poco preavviso. I ricercatori si sono concentrati su due modi chiave in cui le travi possono cedersi: la flessione al centro, che le fa incurvare, e il taglio vicino ai supporti, che provoca fessure diagonali nette e collassi improvvisi. Comprendere e migliorare questi due punti deboli è critico per la sicurezza di strutture quotidiane come solai, ponti e autorimesse.

Avvolgere le travi con pelli di fibra di vetro

Invece di sostituire le travi deboli, il gruppo ha testato sottili stuoie di fibra di vetro che possono essere incollate all’esterno della trave come un cerotto. Hanno utilizzato due tipi di stuoie: uno strato ispido con fibre orientate casualmente chiamato chopped strand mat e uno strato più ordinato chiamato woven roving mat. Entrambi sono stati incollati con una resina epossidica e applicati a U intorno ai lati e al fondo di ciascuna trave in calcestruzzo, lasciando libera la faccia superiore in modo che la trave potesse ancora appoggiare sui supporti. Sono state costruite otto travi a grandezza naturale e suddivise in gruppi per studiare separatamente flessione e taglio, ogni gruppo comprendente un controllo non avvolto e travi avvolte con uno strato di ciascuna stuoia da sola o entrambe insieme.

Cosa hanno rivelato gli esperimenti

Le travi sono state posizionate in una macchina di prova e caricate con martinetti idraulici fino al collasso, mentre il team monitorava quanto si incurvavano, come variava la loro rigidezza interna e come si formavano e propagavano le fessure. L’avvolgimento ha ritardato la comparsa delle prime fessure e ha permesso alle travi di flettersi di più e assorbire più energia prima della rottura. Nei test di flessione, la trave non avvolta ha sopportato 18,6 kilonewton, mentre le travi avvolte con la stuoia chopped, la stuoia woven e l’ibrido di entrambe hanno raggiunto rispettivamente 23,6, 27,2 e 31,84 kilonewton, fino a circa il 42 percento in più rispetto al controllo. Nei test di taglio, la stessa sequenza ha aumentato la capacità da 18,6 a 24,0, 25,2 e 28,32 kilonewton, incrementi di circa il 22-34 percento.

Perché l’involucro ibrido ha funzionato meglio

L’analisi attenta della curvatura delle travi, della perdita di rigidezza e della deformazione da taglio ha mostrato che le due stuoie in vetro contribuiscono in modi diversi. La stuoia chopped offriva controllo diffuso delle fessure e duttilità, mentre la stuoia woven aggiungeva fibre più resistenti e meglio allineate che sopportavano maggior carico nelle zone critiche. Quando combinate in un involucro ibrido, hanno lavorato in sinergia: le fessure si formavano più tardi, restavano più strette e le travi sopportavano carichi maggiori sia a flessione sia a taglio prima del cedimento. Il compromesso è che il punto più debole si è spostato dal calcestruzzo stesso all’interfaccia incollata, dove alcune travi sono fallite per distacco dello strato fibroso, sottolineando l’importanza della preparazione della superficie e delle prestazioni dell’adesivo.

Cosa significa per le strutture reali

Per i non specialisti, il messaggio è che giacche sottili e leggere in fibra di vetro possono aumentare in modo significativo la resistenza e la tenacità di travi in calcestruzzo esistenti senza aggiungere molto peso o ingombro. Lo studio indica che un involucro a U ibrido che utilizza sia stuoie chopped sia woven è particolarmente efficace, migliorando il comportamento delle travi sotto le sollecitazioni quotidiane di flessione e taglio e la risposta quando vengono spinte vicino al collasso. Sebbene gli autori notino che sono necessari ulteriori test su campioni più numerosi e sulla durabilità a lungo termine, i risultati suggeriscono una via pratica per estendere la vita utile di ponti e edifici in calcestruzzo invecchianti mediante rinforzi esterni relativamente semplici.

Citazione: Govindarajan, S., Devi, V., Yong, X. et al. Performance evaluation of strengthened concrete beams: flexural and shear enhancement using chopped strand and woven roving mats. Sci Rep 16, 15415 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43304-2

Parole chiave: travi in calcestruzzo, involucro in fibra di vetro, rinforzo strutturale, capacità a flessione e a taglio, adeguamento