Cenni storici
Il cemento armato
Il calcestruzzo
L’acciaio
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.
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, 1930. Fonte: Wikimedia Commons
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
Prerogative del cemento armato
I vantaggi derivanti dall’uso del cemento armato sono molteplici, e consistono principalmente in:
Le principali criticità sono invece:
Airlines Terminal, John F. Kennedy Airport, New York (1956-63) . Fonte: Università della Concordia
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.
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.
Il calcestruzzo è un materiale anisotropo, composto da una miscela di cemento, acqua e inerti.
I calcestruzzi si classificano in:
In particolare i calcestruzzi speciali si suddividono in :
Le caratteristiche di resistenza di un calcestruzzo, in generale, dipendono da diversi fattori, quali:
Resistenza a compressione: rapporto acqua – cemento. Fonte: ENCO Journal
Curva granulometrica. Fonte: ENCO Journal
Per ottenere un calcestruzzo compatto e resistente è importante:
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:
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.
Il legame costitutivo
Il legame costitutivo del calcestruzzo a compressione è caratterizzato da un andamento non lineare e presenta in particolare:
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.
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
La resistenza a trazione
La resistenza a trazione si determina sperimentalmente mediante:
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.
Prova di trazione indiretta o prova brasiliana. Fonte: Ingegneria strutturale; Gobrick; Università di Karlsruhe e U. S. Department of Transportation
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:
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:
La normativa stabilisce, inoltre, la classe di resistenza minima dei calcestruzzi per le diverse strutture di destinazione.
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:
In sede progettuale tale fenomeno può essere portato in conto attraverso un’opportuna riduzione nel tempo del modulo elastico istantaneo.
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:
3 prelevi di 2 cubetti ciascuno, eseguiti su un massimo di 100 mc di getto di miscela omogenea.
1 prelevo per ogni giorno di getto e almeno 15 prelievi su 1500 mc.
Acciaio da cemento armato
L’acciaio impiegato nel c. a. si distingue in due tipi:
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:
Barre lisce e barre ad aderenza migliorata. Fonte: Wikimedia Commons
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:
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3. La misura della sicurezza strutturale
5. Introduzione alle costruzioni in acciaio
7. Resistenza e stabilità: la classificazione delle sezioni trasv...
9. Le membrature inflesse e pressoinflesse: verifiche SLU e SLE
10. I collegamenti e le unioni elementari
11. Introduzione alle costruzioni in cemento armato
13. Stato limite ultimo per tensioni normali
14. SLU per tensioni normali: la flessione semplice
15. SLU per tensioni normali: pressoflessione
16. Stato limite ultimo per tensioni tangenziali
17. Stati limite di esercizio: fessurazione e controllo tensionale
19. La classificazione dei sistemi strutturali