Indagine sperimentale e numerica sul comportamento a compressione assiale di pareti in calcestruzzo armate con GFRP sotto carico concentrico ed eccentrico

Perché le pareti in calcestruzzo più sicure sono importanti

Molte strutture quotidiane, dai condomini ai ponti costieri, si affidano a pareti spesse in calcestruzzo per sostenere il peso dell’edificio e resistere a vento, onde e terremoti. Queste pareti sono solitamente rinforzate con barre d’acciaio nascoste all’interno del calcestruzzo. Col tempo, però, l’acciaio può arrugginirsi, specialmente in ambienti salini o chimicamente aggressivi, indebolendo la struttura e accorciandone la vita utile. Questo studio verifica se le barre in fibra di vetro, che non arrugginiscono, possano sostituire in sicurezza l’acciaio all’interno di tali pareti senza sacrificare eccessivamente resistenza o sicurezza.

Dall’acciaio arrugginito alle fibre di vetro senza ruggine

All’interno di una parete in calcestruzzo armato, le barre interne sono importanti quanto il calcestruzzo stesso. Le barre d’acciaio tradizionali sono resistenti e duttili, cioè possono deformarsi prima di rompersi, ma sono vulnerabili alla corrosione quando acqua e sali raggiungono le fessure. Le barre in polimero rinforzato con fibre di vetro (GFRP) offrono un diverso compromesso: sono leggere, resistenti a trazione e immuni alla ruggine, ma hanno un comportamento diverso in termini di rigidezza e tendono a guastarsi in modo più fragile. Le norme di calcolo attuali in genere considerano queste barre in fibra di vetro come se contribuissero poco o nulla in compressione, perché il loro comportamento in pareti soggette a compressione non è ancora ben noto. Gli autori hanno voluto colmare questa lacuna testando pareti in calcestruzzo con barre GFRP a confronto diretto con pareti identiche armate in acciaio.

Come sono state costruite e provate le pareti

Il gruppo ha gettato sei provini di pareti tozze alte circa un metro e spesse 15 centimetri utilizzando un impasto di calcestruzzo ad alte prestazioni. Ogni parete aveva una maglia di barre interne disposte verticalmente e orizzontalmente. Sono state variate due principali variabili: il tipo di armatura (acciaio o GFRP) e la modalità di applicazione del carico. In un gruppo il carico di compressione verticale è stato applicato lungo il centro della parete, simulando un peso uniforme dall’alto. Nel secondo gruppo lo stesso carico è stato spostato fuori centro, introducendo flessione oltre alla compressione, situazione più vicina a molti casi reali. Dei sensori hanno misurato come le pareti si sono accorciate, piegate, incrinate e infine rotte, mentre i ricercatori hanno registrato sia la prima fessura visibile sia il carico ultimo che ogni parete poteva sopportare.

Cosa è successo quando le pareti sono state sollecitate

Le pareti con barre GFRP hanno sopportato carichi verticali leggermente inferiori rispetto alle controparti in acciaio ma si sono comportate in modo stabile e prevedibile. Sotto carico concentrico, la sostituzione dell’acciaio con GFRP ha ridotto il carico massimo sostenibile dalle pareti di circa l’11–13%. Sotto carico eccentrico la perdita è variata approssimativamente dal 6 al 14%. Allo stesso tempo, le pareti rinforzate con GFRP hanno mostrato rapporti di duttilità leggermente maggiori, una misura di quanto possono deformarsi oltre il primo deterioramento significativo prima del collasso. Le pareti armate in acciaio tendevano a fallire per schiacciamento e distacco del calcestruzzo vicino al bordo di compressione dopo che l’acciaio era entrato in snervamento, mentre le pareti GFRP hanno sviluppato crepe più distribuite e poi sono fallite più bruscamente al momento della rottura delle barre in fibra di vetro. L’energia che ogni parete poteva assorbire prima del collasso, calcolata dall’area sotto la curva carico–spostamento, era maggiore per i provini in acciaio ma rimaneva significativa anche per quelli rinforzati con GFRP.

Modelli numerici che riproducono le crepe reali

Per valutare se gli ingegneri possono fare affidamento su strumenti di simulazione avanzati anziché testare in laboratorio ogni tipo di parete, gli autori hanno costruito modelli numerici dettagliati delle pareti utilizzando una tecnica chiamata analisi non lineare agli elementi finiti. In questo modello virtuale il calcestruzzo poteva incrinarsi e schiacciarsi, mentre le barre incorporate in acciaio o GFRP sopportavano trazione e compressione in base alle loro proprietà misurate. Quando le pareti simulate sono state caricate in modo concentrico o eccentrico, i carichi ultimi previsti, i cambiamenti di rigidezza e i modelli di fessurazione hanno corrisposto strettamente agli esperimenti, con differenze di resistenza generalmente inferiori a circa il 12%. Lo studio ha inoltre confrontato i risultati sperimentali con diverse formule di progetto e metodi normativi esistenti, mostrando che alcune linee guida tendono a sovrastimare la capacità delle pareti rinforzate con GFRP e suggerendo un fattore correttivo semplice per migliorarne l’accuratezza.

Cosa significa per gli edifici del futuro

Per un pubblico non specialista, il messaggio chiave è che le pareti in calcestruzzo rinforzate con barre in fibra di vetro possono rappresentare un’alternativa praticabile e priva di ruggine all’acciaio, specialmente in ambienti aggressivi come le zone costiere e gli impianti industriali. Queste pareti cedono una parte modesta della loro capacità portante e dell’assorbimento energetico, ma mantengono una risposta post-fessurazione regolare e una duttilità accettabile, evitando nel contempo il danneggiamento a lungo termine associato alla corrosione dell’acciaio. Con una progettazione attenta che tenga conto della loro forza leggermente inferiore e con l’ausilio di modelli numerici validati, le pareti in calcestruzzo armate con GFRP potrebbero aiutare gli ingegneri a costruire strutture più durature e sostenibili, che richiedono meno manutenzione nel corso della loro vita utile.

Citazione: El-Sayed, T.A., Ibrahim, M.M., Shanour, A.S. et al. Experimental and numerical investigation of the axial compressive behavior of GFRP-reinforced concrete walls under concentric and eccentric loading. Sci Rep 16, 15338 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52146-x

Parole chiave: calcestruzzo armato GFRP, comportamento a compressione assiale, pareti strutturali, armatura resistente alla corrosione, modellazione agli elementi finiti