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Raffaele Landolfo » 11.Introduzione alle costruzioni in cemento armato


Indice

Cenni storici

  • La nascita del cemento armato
  • I ponti e le grandi coperture
  • La sfida italiana

Il cemento armato

  • Prerogative del cemento armato
  • L’idea di base

Indice (segue)

Il calcestruzzo

  • Il calcestruzzo
  • Il legame costitutivo
  • La resistenza a compressione
  • Prove a compressione
  • La resistenza a trazione
  • Il modulo elastico
  • Prove di trazione indiretta
  • Classi di resistenza e loro impiego
  • Controlli di accettazione
  • Deformazione differita (fluage)

L’acciaio

  • Acciaio da cemento armato

Cenni storici

La nascita del cemento armato
La nascita del cemento armato viene convenzionalmente attribuita a Joseph Monier, giardiniere francese, che intorno al 1850 pensò di inserire all’interno dei vasi in malta cementizia una rete metallica per evitarne la rottura.
Prima di essere applicato nel campo dell’edilizia, il cemento armato fu impiegato da Lambot, per la realizzazione di alcune barche presentate a Parigi per l’Esposizione del 1855.
Al 1854 risale la prima applicazione del c.a. nel campo strutturale: Coignet brevettò, infatti, gli elementi costitutivi per la realizzazione di solai in calcestruzzo e con questi l’anno dopo costruì la prima abitazione in c.a. di ben tre piani.
Le prime realizzazioni in c.a. più significative dal punto di vista architettonico-strutturale sono rappresentate dai sistemi modulari e prefabbricati a telaio di François Hennebique (1890), dalla casa in Rue Franklin di A. Perret (1903), e dal sistema Dom-Ino di Le Corbusier (1914).
Kolen e Morsh, nei primi anni del ‘900, gettarono le basi della teoria del c.a.

J. J. Lambot, barca in cemento armato (1848)

J. J. Lambot, barca in cemento armato (1848)

J. Monier, vasi in cemento armato (1850)

J. Monier, vasi in cemento armato (1850)


Cenni storici (segue)

I ponti e le grandi coperture
Tra le prime applicazioni in grado di offrire un esempio delle grandi potenzialità del c.a. nel coniugare espressività architettonica ed efficienza strutturale si segnalano i ponti di Maillart, ed in particolare il ponte Stauffacher del 1899, che reinterpreta forme tradizionali, ed il ponte Salginatobel del 1930, dove un nuovo lessico architettonico-strutturale prende vita.
Le basi per la realizzazione delle grandi coperture furono gettate da Disinghinger che sviluppò la teoria delle superfici curve; mentre la possibilità di realizzare coperture di forma diversa fu resa possibile grazie a Finsterwalder, che formulò la teoria membranale.

R. Maillart, Salginatobel Bridge, disegni di progetto, 1930

R. Maillart, Salginatobel Bridge, disegni di progetto, 1930

R. Maillart, Salginatobel Bridge, 1930. Fonte: Wikimedia Commons

R. Maillart, Salginatobel Bridge, 1930. Fonte: Wikimedia Commons


Cenni storici (segue)

La sfida italiana
In Italia, tra i principali progettisti di strutture in c.a. si ricorda Pierluigi Nervi, il quale seppe coniugare l’eleganza formale al rigore scientifico.
Una delle opere più rappresentative è la copertura del Palazzetto dello Sport di Roma del 1960, caratterizzata dall’uso di un sistema di nervature diagonali, che conferiscono alla copertura un’affascinante ed elegante tessitura.

P. Nervi, Palazzetto dello sport, Roma, 1960. Fonte: Flickr

P. Nervi, Palazzetto dello sport, Roma, 1960. Fonte: Flickr


Il cemento armato

Prerogative del cemento armato
I vantaggi derivanti dall’uso del cemento armato sono molteplici, e consistono principalmente in:

  1. libertà di forma;
  2. basso costo dei materiali;
  3. impiego di manodopera non specializzata;
  4. resistenza nei confronti del fuoco;
  5. buon comportamento strutturale.

Le principali criticità sono invece:

  1. peso elevato;
  2. lunghi tempi di esecuzione;
  3. elevato coefficiente di trasmissione termica;
  4. scarsa possibilità di recupero dei materiali.
Airlines Terminal, John F. Kennedy Airport, New York (1956-63) . Fonte: Università della Concordia

Airlines Terminal, John F. Kennedy Airport, New York (1956-63) . Fonte: Università della Concordia


Il cemento armato (segue)

L’idea di base
L’invenzione del cemento armato si basa sull’idea di combinare la capacità del calcestruzzo di resistere agli sforzi di compressione con la capacità dell’acciaio di assorbire gli sforzi di trazione.
Ogni membratura in cemento armato viene realizzata inserendo dei tondini di acciaio nelle zone sottoposte a trazione, lasciando al calcestruzzo il compito di resistere alle tensioni di compressione.

Disposizione dell’armatura in una trave semplicemente appoggiata ed in una trave a mensola in cemento armato

Disposizione dell'armatura in una trave semplicemente appoggiata ed in una trave a mensola in cemento armato

Disposizione dell’armatura in una trave continua in cemento armato

Disposizione dell'armatura in una trave continua in cemento armato


Il cemento armato (segue)

Nella realtà, nelle moderne costruzioni in cemento armato, il ruolo svolto dall’armatura metallica all’interno del volume di calcestruzzo va ben oltre la semplice funzione di assorbire gli sforzi di trazione.

La gabbia metallica, infatti, modifica sostanzialmente il comportamento meccanico del calcestruzzo, sia teso che compresso, e trasforma quindi di fatto il conglomerato cementizio in un nuovo materiale da costruzione: il cemento armato.

Il cemento armato è dunque un materiale “composto” il cui studio non può prescindere dalla conoscenza del comportamento meccanico dei suoi materiali componenti: il calcestruzzo e l’acciaio.

Disposizione delle armature metalliche in un nodo trave-colonna

Disposizione delle armature metalliche in un nodo trave-colonna


Il calcestruzzo

Il calcestruzzo è un materiale anisotropo, composto da una miscela di cemento, acqua e inerti.

I calcestruzzi si classificano in:

  • Calcestruzzi ordinari;
  • Calcestruzzi speciali.

In particolare i calcestruzzi speciali si suddividono in :

  • Calcestruzzi ad alta resistenza;
  • Calcestruzzi leggeri.

Le caratteristiche di resistenza di un calcestruzzo, in generale, dipendono da diversi fattori, quali:

  1. Tipo e qualità del cemento;
  2. Natura degli inerti;
  3. Quantità d’acqua dell’impasto;
  4. Durata dell’impasto;
  5. Stagionatura.
Resistenza a compressione: rapporto acqua – cemento. Fonte: ENCO Journal

Resistenza a compressione: rapporto acqua – cemento. Fonte: ENCO Journal

Curva granulometrica. Fonte: ENCO Journal

Curva granulometrica. Fonte: ENCO Journal


Il calcestruzzo (segue)

Per ottenere un calcestruzzo compatto e resistente è importante:

  • Utilizzare degli inerti con buone caratteristiche meccaniche e con un buon assortimento granulometrico.
  • Calibrare il rapporto acqua-cemento, in modo tale da ottenere un composto sufficientemente lavorabile e al tempo stesso resistente.
  • Considerare i tempi di stagionatura, che non devono essere inferiori ai 28 giorni (limite minimo previsto dalla Norma).
  • Considerare la temperatura alla quale avviene la stagionatura: valori troppo bassi di temperatura (al di sotto di 5°C) possono ridurre la resistenza finale del materiale.
Resistenza a compressione in base alla stagionatura

Resistenza a compressione in base alla stagionatura

Resistenza a compressione in base alla temperatura di stagionatura

Resistenza a compressione in base alla temperatura di stagionatura


Il calcestruzzo (segue)

Prova di abbassamento al cono
La prova con lo Slump Test, o cono di Abrams, viene utilizzata per la determinazione della consistenza di un calcestruzzo. Tale prova, che può effettuarsi sia in cantiere che in laboratorio, consiste nella valutazione della deformazione che un impasto subisce, per effetto del proprio peso, quando viene privato del recipiente che lo sostiene.
Secondo la normativa, si individuano 5 classi di consistenza:

  • S1 – consistenza umida: slump da 10 a 40 mm;
  • S2 – consistenza plastica:slump da 50 a 90 mm;
  • S3 – consistenza semifluida:slump da 100 a 150mm;
  • S4 – consistenza fluida: slump da 160 a 210 mm;
  • S5 – consistenza superfluida: slump > 220 mm.

La classe di consistenza deve essere stabilita in funzione della  struttura da realizzare al fine di rendere più facile l’operazione di posa in opera.
Per le strutture ordinarie è consigliato adoperare calcestruzzi di classe da S3 a S5.

Cono di Abrams. Fonte: Raffaele Landolfo

Cono di Abrams. Fonte: Raffaele Landolfo

Slump Test. Fonte: Raffaele Landolfo

Slump Test. Fonte: Raffaele Landolfo


Il calcestruzzo (segue)

Il legame costitutivo
Il legame costitutivo del calcestruzzo a compressione è caratterizzato da un andamento non lineare e presenta in particolare:

  • Un primo tratto crescente, con andamento di tipo parabolico, fino a valori della deformazione di circa 0,002.
  • Un breve tratto decrescente (softening) che termina in corrispondenza di deformazioni di rottura dell’ordine di 0.0035.
Schematizzazione della risposta tensio-deformativa. Fonte: D.M. 14 gennaio 2008

Schematizzazione della risposta tensio-deformativa. Fonte: D.M. 14 gennaio 2008


Il calcestruzzo (segue)

La resistenza a compressione

La resistenza a compressione del calcestruzzo può essere determinata sperimentalmente su provini di tipo cubico e/o di tipo cilindrico ed è identificata, in entrambi i casi, attraverso il suo valore caratteristico.

La resistenza caratteristica determinata con provini cubici (Rck) differisce da quella cilindrica (fck), che interpreta meglio l’effettivo comportamento a rottura del calcestruzzo in opera. Tuttavia, per motivi legati alla semplicità di esecuzione, si preferisce solitamente ricorrere alla determinazione sperimentale della resistenza a compressione su provini cubici.

La resistenza cubica così ottenuta viene poi convertita in quella cilindrica, attraverso un fattore di conversione (pari a 0,83).

In sede di previsioni progettuali, è possibile passare dal valore caratteristico al valor medio della resistenza cilindrica mediante l’espressione riportata in figura.

Definizione del valore caratteristico

Definizione del valore caratteristico

Conversione da resistenza cubica a resistenza cilindrica e calcolo del valore medio

Conversione da resistenza cubica a resistenza cilindrica e calcolo del valore medio


Il calcestruzzo (segue)

Prove a compressione
La prova a compressione si effettua inserendo il provino cubico tra due piatti di una pressa.
La rottura avviene per espulsione a trazione delle parti laterali del provino, che al termine della prova assume la caratteristica forma a “clessidra”.

Questo tipo di rottura è dovuto alle forze tangenziali che si generano per attrito all’interfaccia con i piatti della pressa, che impediscono la dilatazione trasversale del provino in tale zona.

È proprio a causa di questo effetto di confinamento esercitato dai piatti della pressa che la resistenza misurata su provini cubici risulta essere maggiore di quella determinata su provini cilindrici. In questi ultimi, infatti, tale fenomeno risulta essere meno significativo, in virtù del rapporto di forma del provino.

Prove a compressione. Fonte: Università di Bergamo e Istituto sperimentale per l’edilizia

Prove a compressione. Fonte: Università di Bergamo e Istituto sperimentale per l'edilizia

Rottura a clessidra del provino in calcestruzzo

Rottura a clessidra del provino in calcestruzzo


Il calcestruzzo (segue)

Fasi della prova a compressione

Fasi della prova a compressione


Il calcestruzzo (segue)

La resistenza a trazione
La resistenza a trazione si determina sperimentalmente mediante:

  1. Prova brasiliana (splitting test);
  2. Prova a flessione.

Entrambe sono prove di tipo indiretto, poiché la misura della resistenza a trazione è basata su stati di sollecitazione diversi da quello di tipo mono-assiale.

In alternativa alle prove, è possibile determinare la resistenza a trazione in funzione della resistenza a compressione, attraverso specifiche relazioni fornite dalle principali normative di settore.

Determinazione della resistenza a trazione media in funzione della resistenza a compressione

Determinazione della resistenza a trazione media in funzione della resistenza a compressione

Determinazione della resistenza a trazione caratteristica in funzione della resistenza media

Determinazione della resistenza a trazione caratteristica in funzione della resistenza media


Il calcestruzzo (segue)

Prova di trazione indiretta o prova brasiliana. Fonte: Ingegneria strutturale; Gobrick; Università di Karlsruhe e U. S. Department of Transportation

Prova di trazione indiretta o prova brasiliana. Fonte: Ingegneria strutturale; Gobrick; Università di Karlsruhe e U. S. Department of Transportation


Il calcestruzzo (segue)

Prova di trazione indiretta a flessione. Fonte: Tecnologos e Poliemme

Prova di trazione indiretta a flessione. Fonte: Tecnologos e Poliemme


Il calcestruzzo (segue)

Il modulo elastico
Il modulo elastico istantaneo Ecm viene definito come il modulo secante tra la tensione nulla e 0,40 fcm, ed è determinato sulla base di apposite prove.

In alternativa alle prove, è possibile determinare il modulo elastico istantaneo in funzione della resistenza a compressione, attraverso specifiche relazioni fornite dalle principali normative di settore.

Il modulo elastico del calcestruzzo ordinario varia tra circa 25000 e 32000 MPa.

Il coefficiente di Poisson varia tra:

  • 0.0, nel caso di calcestruzzo fessurato;
  • 0.2 nel caso di calcestruzzo non fessurato.
Individuazione del modulo elastico istantaneo

Individuazione del modulo elastico istantaneo

Determinazione del modulo elastico istantaneo

Determinazione del modulo elastico istantaneo


Il calcestruzzo (segue)

Classi di resistenza e loro impiego
Il calcestruzzo è identificato in base alla classe di resistenza (D.M. 14 gennaio 2008), che si definisce mediante i valori, espressi in Mpa, della:

  • Resistenze cilindrica a compressione uniassiale;
  • Resistenza cubica a compressione uniassiale.

La normativa stabilisce, inoltre, la classe di resistenza minima dei calcestruzzi per le diverse strutture di destinazione.

Impiego delle classi di resistenza. Fonte: D.M. 14 gennaio 2008

Impiego delle classi di resistenza. Fonte: D.M. 14 gennaio 2008

Classi di resistenza. Fonte: D.M. 14 gennaio 2008

Classi di resistenza. Fonte: D.M. 14 gennaio 2008


Il calcestruzzo (segue)

Deformazione differita (fluage)
Il fluage è una deformazione variabile nel tempo che si sviluppa in presenza di un carico applicato.
In particolare si osserva che:

  • Applicando uno stato di sollecitazione (costante nel tempo) si determina nel provino di cls una deformazione detta istantanea (in parte elastica e in parte plastica) alla quale segue una deformazione lenta (fluage) che aumenta con velocità decrescente nel tempo.
  • Se il carico viene rimosso dopo un intervallo di tempo t1, la parte elastica della deformazione istantanea viene recuperata immediatamente.
  • Col procedere del tempo si assiste ad un ulteriore recupero di deformazione, denominato recupero viscoso, che rappresenta la parte elastica della deformazione viscosa accumulata.
  • La deformazione residua finale sarà la somma delle parti plastiche di quella istantanea e di quella differita

In sede progettuale tale fenomeno può essere portato in conto attraverso un’opportuna riduzione nel tempo del modulo elastico istantaneo.

Tipica prova di creep su un conglomerato cementizio

Tipica prova di creep su un conglomerato cementizio


Il calcestruzzo (segue)

Controlli di accettazione
La normativa stabilisce l’obbligo di provvedere a controlli in corso d’opera per verificare le caratteristiche meccaniche del calcestruzzo.
A tale riguardo si definiscono due tipi di controllo:

  • Controllo di tipo A

3  prelevi di 2 cubetti ciascuno, eseguiti su un massimo di 100 mc di getto di miscela omogenea.

  • Controllo di tipo B (o statistico), per opere che richiedono più di 1500 mc di calcestruzzo

1 prelevo per ogni giorno di getto e almeno 15 prelievi su 1500 mc.

Controlli di accettazione. Fonte: D.M. 14 gennaio 2008

Controlli di accettazione. Fonte: D.M. 14 gennaio 2008


L’acciaio

Acciaio da cemento armato
L’acciaio impiegato nel c. a. si distingue in due tipi:

  1. B450C
  2. B450A

I due tipi d’acciaio differiscono per alcune proprietà meccaniche, come l’allungamento a rottura (Agt)k.
L’acciaio da cemento armato viene prodotto in stabilimento sotto forma di barre o rotoli, reti o tralicci, con diametri commerciali variabili tra:

  • 6 e 40 mm, per gli acciai B450C;
  • 5 e 10 mm per gli acciai B450A.
Principali caratteristiche delle barre per cemento armato

Principali caratteristiche delle barre per cemento armato

Barre lisce e barre ad aderenza migliorata. Fonte: Wikimedia Commons

Barre lisce e barre ad aderenza migliorata. Fonte: Wikimedia Commons


L’acciaio (segue)

Acciaio da cemento armato

Poiché l’acciaio è un materiale qualificato all’origine, il direttore dei lavori deve in primo luogo verificare che esso sia corredato del certificato di qualificazione.
In aggiunta la norma prescrive, anche per l’acciaio, di effettuare obbligatoriamente controlli di accettazione in cantiere mediante il prelievo di 3 campioni marchiati di uno stesso diametro, scelti entro ciascuno lotto di spedizione. Su di essi vengono effettuate:

  1. prove di trazione;
  2. prove di piegamento.
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