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| L'ABC
DEL CALCESTRUZZO ARMATO
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Fabrizio
GALIA |
Data di
pubblicazione: 2002 |
In
questa pagina l'autore ha cercato di spiegare a parole sue i
fenomeni fisico-meccanici che interessano le strutture in
Calcestruzzo armato senza ricorrere alle formule ragionando su
esperienze vicine alla realta' quotidiana.
Materiali
- Calcestruzzo (Cls):
se usassimo calcestruzzo senza
armatura d' acciaio, la sua resistenza a trazione
sarebbe molto limitata perche' e' costituito da un
conglomerato di pietre incollate da cemento ed acqua.
Esercitando una compressione le pietre resistono bene ed
il collante contribuisce alla stabilita' del
conglomerato. Viceversa, sottoponendo il calcestruzzo a
trazione, la resistenza e' irrisoria: le pietre tendono
a separarsi ed il collante si strappa, fessurandosi.
Realizzare una miscela adeguata di calcestruzzo e' un'
operazione tutt'altro che semplice; tutto dipende dai
requisiti che gli elementi strutturali dovranno
soddisfare. In linea di massima occorre creare un
impasto di inerti, cemento, acqua ed eventuali additivi,
trasferire il getto in adeguate cassaforme, che ospitano
gia' le eventuali barre di armatura metallica,
opportunamente posizionate. L' impasto si consolida per
effetto di particolari reazioni chimiche che prendono il
nome di Idratazione, Presa, Indurimento. Insorgono i
fenomeni del ritiro, fluage e anche il rilassamento
delle eventuali armature di precompressione. Dopo 28
giorni il cls si considera sufficientemente maturo e
resistente, viene disarmato e pronto per assolvere ai
suoi "gravosi compiti". La resistenza del cls
cresce gradualmente, dipende dalle condizioni ambientali
(umidita', temperatura) e dalla composizione della
miscela. La scasseratura puo' essere sufficiente per
sopportare il peso proprio gia' prima dei 28 giorni
regolamentari: negli stabilimenti di prefabbricazione si
sfrutta appieno questa proprieta', per liberare prima
possibile i casseri, e consentire il getto di nuovi
elementi strutturali. L' impasto di cls puo' essere
prodotto in cantiere, o piu' sovente in fabbrica e
trasportato mediante betoniere ai cantieri, oppure la
fabbrica stessa si occupa di creare pezzi finiti che
saranno assemblati in cantiere (prefabbricazione). Tutto
dipende dall'ubicazione del cantiere e della fabbrica di
prefabbricazione piu' vicina oltreche' naturalmente dai
prezzi di mercato.
- Acciaio (Fe): ha
resistenza elevata, ma e' costoso sia come materiale di
per se', sia in termini di manodopera. Resiste bene sia
a trazione sia a compressione: il problema del
progettista e' di capire dove serva realmente l'armatura
di acciaio e dove sia sufficiente il cls non armato. Il
cls costa meno e resiste bene a compressione, mentre
l'acciaio e' usato come "tirante" per impedire
la rottura o fessurazioni per trazione delle bielle
tese. Per sopportare i momenti flettenti si adottano
barre (dette anche tondini) ad aderenza migliorata, che
vengono "annegate" nel cls e diventano ad esso
solidali. Per sforzi di taglio e torsione si adottano
staffe o barre piegate.
- Fibra Aramidica:
ha resistenza elevatissima
(intorno ai 20.000 Kgf/cm^2), peso molto ridotto, ma e'
molto costoso. Viene usato esclusivamente per
riparazioni agli elementi strutturali
- Malta epossidica:
ha resistenza elevata rispetto
alla malta cementizia ordinaria, viene anch'essa usata
per riparazioni e rinforzi, ed e' molto costosa. Ove
occorra un intervento all' interno dell' elemento e'
possibile perforarlo e infilare un ugello che spruzza la
malta all' interno. In questi casi non e' necessario
demolire il tratto "malato" e basta effettua
una semplice "cura" per iniezione.
Sollecitazioni
- Sforzo Normale: un
qualunque materiale, se compresso verticalmente tende a
schiacciarsi ed espandersi lateralmente; se viceversa
viene teso assialmente tende ad allungarsi
longitudinalmente ed a contrarsi trasversalmente. Si
puo' facilmente sperimentare tutto questo con un cubetto
di pongo e rendersi conto di questi fenomeni dal punto
di vista intuitivo. Il calcestruzzo caricato assialmente
subisce un'espansione trasversale, cioe' nascono delle
trazioni trasversali. Dato che il cls non resiste
a trazione le deformazioni laterali lo farebbero
fessurare a meno che non sia presente un' adeguata
armatura di cerchiatura (staffe), un po' come accade per
le botti di vino: ecco il motivo per cui sono avvolte da
anelli metallici. L'apertuta di fessure, anche se magari
non compromette la resistenza a stato limite ultimo
della sezione, e' comunque dannosa soprattutto per le
armature, poiche' a contatto con agenti fisico chimici
esterni queste sono piu' esposte a rischi di
deterioramento e corrosione. Se il carico e' elevato, se
la sezione trasversale e' ridotta, se la lunghezza
libera di inflessione e' eccessiva, siamo in presenza di
un' asta snella, una sorta di "spilungone" con
un pesante lingotto di piombo sulla testa... se il
carico non e' perfettamente centrato si ha un collasso
per carico di punta.
- Flessione: immaginate
di prendere un ramo d' albero ancora verde e
piegatelo... Vedrete che alcune fibre soggette a
trazione, altre a compressione. State esercitando una
flessione semplice sul ramo. Se insistete a piegare il
ramo si rompera' con due possibilita': fessurazione del
lembo teso , o accartocciamento del lembo compresso.
Esiste un luogo di punti non sollecitati ne' da
trazione, ne' da compressione: si chiama asse neutro.
Immaginiamo poi di tendere un robusto elastico ai capi
del lembo teso: esso contrastera' e ridurra' l' effetto
di trazione... La sollecitazione di cui stiamo parlando
e' tipica delle travi orizzontali: il carico verticale
fa inflettere la campata verso il basso proprio come il
ramo che abbiamo appena piegato virtualmente... I
momenti in campata sono convenzionalmente di segno
positivo, fanno inflettere la trave con una concavita'
rivolta verso l'alto \_/ ; Una trave continua con
piu' di due appoggi presenta dei momenti negativi in
corrispondenza degli appoggi (esclusi quelli di
estremita', se liberi di inflettersi). In questo caso la
deformata ha concavita' rivolta verso il basso /^\ . Le
armature principali seguono sempre il lembo teso,
pertanto saranno collocate al lembo inferiore nel primo
caso (momento positivo) e al lembo superiore nel secondo
(momento negativo).
- Taglio: e' spesso
correlato alla flessione, ma e' piu' difficile da capire
e spiegare, senza ausilio di equazioni. Immaginate di
posare su due sgabelli un parallepipedo di polistirolo
(preferibilmente in posizione di coltello) e disponete
dei carichi verticali gradualmente crescenti (per
esempio sedetevi delicatamente sopra la mezzeria). Ben
presto si formeranno delle fessure verticali a meta'
lunghezza della trave (dovute a flessione) e/o fessure
oblique in prossimita' degli appoggi (dovute a taglio).
Naturalmente aumentando il carico si arrivera' alla
rottura. Il fatto che la nostra trave si rompa prima in
mezzeria o agli appoggi dipende dalla geometria della
trave (e ovviamente dalle caratteristiche fisiche del
materiale). Le fessure vicino agli appoggi sono oblique
poiche' (come dice anche il circolo di Mohr) una forza
verticale agente su una piastra trasferisce lo sforzo
principalmente lungo delle superfici spaziali a forma di
cono (isostatiche di compressione). Se un materiale e'
compresso verticalmente tende a schiacciarsi ed
allargarsi lateralmente... Lo stesso accade nel nostro
caso: le isostatiche di compressione sono oblique e
quindi anche quelle di trazione saranno inclinate
(essendo perpendicolare alle precedenti). Per quanto
riguarda la progettazione del calcestruzzo armato, ci
sono diversi modi per progettare e verificare le
sezioni: progettazione adimensionale, progettazione
mediante i diagrammi di interazione, verifica col metodo
standard, verifica col metodo a inclinazione variabile
delle bielle compresse. L'armatura a taglio e'
costituita da ferri piegati e staffe: solitamente le
barre piegate sono disposte con un angolo di 45°,
mentre le staffe sono disposte trasversalmente alla
direzione principale dell'elemento strutturale.
- Torsione: prendessimo
un salame con il caratteristico spago (maglie
longitudinali e trasversali) e lo torciamo, come quando
strizziamo un panno bagnato. Notiamo che questo si
deforma: le sezioni adiacenti subiscono una rotazione
relativa, e se siamo sufficientemente forti possiamo
generare delle fessure a spirale. Nel calcestruzzo
armato le armature a torsione sono spesso le stesse
staffe che resistono al taglio; talvolta si preferisce
seguire le isostatiche di trazione, adottando armature
elicoidali, che pero' presentano qualche difficolta'
esecutiva in piu' rispetto alla soluzione classica.
- Carico di punta (instabilita'
euleriana): interessa oprattutto gli elementi
strutturali snelli caricati assialmente. Ad esempio un
chiodo lungo e sottile, se piantato su una superficie
molto resistente, sara' soggetto ad incurvarsi, con uno
spanciamento laterale. La rottura e' completamente
diversa da quella precompressione. Il tipo di materiale
e la geometria dell' elemento determinano quale delle
due sollecitazioni sara' predominante: ad esempio un
pezzo di grissino si potra' rompere per compressione,
mentre la sottile lama di un coltello da cucina si
rompera' piu' facilmente per carico di punta. Per
ovviare all' instabilita' a carico di punta si puo'
diminuire la lunghezza libera di inflessione, aumentare
le dimensioni della sezione, controllare le
eccentricita' dei carichi.
- Punzonamento: un
bastone conficcato nel terreno. Il peso del bastone
rappresenta l' azione punzonante, mentre il terreno e'
l' elemento soggetto al punzonamento. Un carico
appuntito che sprofonda su una piastra lesionandola: e'
un pericolo da tener sotto controllo nelle fondazioni. I
pilastri rappresentano infatti gli elementi punzonanti,
mentre i plinti (o le travi di fondazione) devono
resistere bene a queste sollecitazioni. Il problema
essenziale e' che il terreno su cui poggia la struttura
ha talvolta scarsa resistenza ed occorre distribuire gli
sforzi ad un' area relativamente estesa. Per evitare il
punzonamento occorre, man mano che si arriva dal
pilastro, al plinto, al terreno, diminuire
progressivamente la quantita'di armatura e la qualita'
dei materiali usati. In pratica passare in maniera
graduale dal materiale resistente, e relativamente
conosciuto dal punto di vista compositivo e meccanico a
quello piu' statisticamente eterogeneo e misterioso
(vista la tendenza a ridurre all'osso il numero di
indagini geotecniche, dato il costo). Questa graduale
ridistribuzione dei carichi da pilastro a plinto a
terreno deve comunque tener conto anche degli aspetti
esecutivi, del fatto che la soluzione teorica ottimale
di un plinto a sezione laterale a forma di trapezio
permette risparmio di materiale, ma richiede maggiori
spese per la casseratura e per manodopera, rispetto ad
un plinto a sezione laterale rettangolare. Una soluzione
intermedia e' costituita da un plinto a gradini.
- Semplificazioni di
calcolo: se due o piu' sollecitazioni agiscono
contemporaneamente non sarebbe piu' lecito dal punto di
vista teorico considerarle separate ed utilizzare il
principio di sovrapposizione degli effetti. Il calcolo
rigoroso talvolta puo' risultare lungo e difficoltoso,
ma l' Eurocodice indica le condizioni per cui e'
consentito "far finta" che suddetto principio
sia valido. Anziche' usare un unico valore di
riferimento per le resistenze dei materiali, si adottano
la resistenza caratteristica, resistenza di calcolo o di
progetto, coefficienti di sicurezza per i materiali, per
le azioni, combinazioni di combinazione dei carichi...
Perche' tutta questa complicazione ? I materiali da
costruzione sono prodotti in stabilimento (e talvolta in
cantiere), sono soggetti a disomogeneita' imperfezioni,
sono soggetti a un ambiente esterno con caratteristiche
variabili, per non dire "altalenanti". E'
inevitabile che l'approccio di calcolo sia di tipo
statistico. Si fa riferimento a resistenze
caratteristiche in quanto le resistenze medie non
consentono margini di sicurezza adeguati, si impongono
coefficienti di sicurezza che tengano conto dell'aleatorieta'
delle sollecitazioni prevedibili, della contemporaneita'
di tali azioni e della destinazione d'uso della
struttura. Passando dal Metodo delle Tensioni
Ammissibili al Metodo degli Stati Limite si e' voluto
affrontare il problema della previsione, si e' messo in
evidenza il punto dolente della tecnica delle
costruzioni, ma forse anche della vita umana: l'imprevedibilita'
del nostro futuro, che puo' essere comunque affrontata
nel migliore dei modi, con scelte attente, calibrate e
sempre aperte a confronti, correzioni e miglioramenti.
Le prescrizioni e i
tabulati della normativa provengono da lunghe e laboriose
sperimentazioni, che tengono conto anche delle possibili
disomogeneita'e difetti dei materiali, cosa che la teoria
non puo' prevedere... Dobbiamo quindi fidarci del lavoro
gia' svolto da altri specialisti e limitarci a capire come
si applicano le loro disposizioni. E' vero che l' ingegnere
dovrebbe comprendere a fondo tutti i dispositivi teorici e
pratici, mentre un tabulato puo' apparire come un muro per
la comprensione del fenomeno... D' altra parte pero' l'
ingegnere non e' un matematico puro, e deve ricercare la via
piu' breve per giungere ai migliori risultati, quindi se il
tempo stringe occorre accontentarsi di avere un metodo piu'
o meno artificioso per raggiungere il nostro obbiettivo
primario !
Calcestruzzo
Armato Precompresso
Libri Consigliati a chi
studia C.A. :
Manuale del
Calcestruzzo Armato - Enzo Donaggio - Ed. Zanichelli
Lo consiglio in modo
disinteressato a chiunque voglia approfondire questa materia
(studenti e docenti). E' molto immediato, chiaro,
dettagliato, ricco di esempi pratici, e molto ricco di
riferimenti bibliografici. Le formule sono descritte nel
modo piu' ampio possibile e vengono anche discusse in modo
decisamente professionale... La grafica e' non solo
accattivante, ma di stimolo al lavoro.
Viene analizzato il
problema dell' analisi dei carichi secondo le moderne
prescrizioni dell' eurocodice, il calcolo delle sezioni agli
stati limite ultimi. Sforzo normale , flessione, taglio ,
torsione , instabilita' , vengono trattati sia come
sollecitazioni indipendenti, sia nel caso in cui agiscano
contemporaneamente.
Tecnica delle
Costruzioni - Cemento Armato - calcolo agli stati limite
(vol. 1, 2A , 2B) - Giandomenico Toniolo - Ed. Zanichelli
Molto interessante e
completo anche ai fini pratici: ricco di tabelle disegni ed
esempi di calcolo veri e propri, che a mio giudizio sono
piuttosto introvabili nei testi universitari, forse un po'
troppo invasi dalle speculazioni teoriche...
Fabrizio
GALIA
http://civileng.cjb.net/
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