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ⓘ Calcestruzzo armato




Calcestruzzo armato
                                     

ⓘ Calcestruzzo armato

Il calcestruzzo armato o conglomerato cementizio armato è un materiale usato per la costruzione di opere civili, costituito da calcestruzzo, ovvero una miscela di cemento, acqua, sabbia e aggregati, cioè elementi lapidei, come la ghiaia, a cui si aggiunge unarmatura di barre di acciaio annegata al suo interno e opportunamente sagomata.

                                     

1. Cenni storici

Già in epoca romana il calcestruzzo, con laggiunta di pozzolana e calce comune come leganti, era noto con il nome di betunium. Vi sono anche rari esempi di ritrovamenti di barre di bronzo annegate nella massa del calcestruzzo e disposte in maniera intuitiva, che tuttavia non permettono di considerarlo calcestruzzo armato vero e proprio, tantè vero che è dimostrabile che la differente dilatazione termica dei due materiali produce problemi di scheggiatura del cemento solidificato.

In epoca moderna invece, curiosamente, prima di essere ampiamente utilizzato nelledilizia, il calcestruzzo armato fu impiegato nellindustria navale. Lavvocato francese J. L. Lambot costruì una piccola imbarcazione con una struttura metallica ricoperta di un sottile strato di cemento che fece sensazione allEsposizione Universale di Parigi del 1855; nel 1890 litaliano C. Gabellini iniziò la costruzione di scafi navali in cemento preformato.

Anche se già nel 1830 in una pubblicazione intitolata The Encyclopædia of Cottage, Farm and Village Architecture si suggeriva che una grata di acciaio poteva essere inglobata nel calcestruzzo per formare un tetto, il primo ad avere introdotto il calcestruzzo armato nelledilizia è considerato William Wilkinson di Newcastle. Nel 1854 egli registrò un primo brevetto britannico per il "miglioramento nella costruzione di dimore a prova di fuoco, di magazzini, di altre costruzioni e delle parti delle stesse". Wilkinson eresse un piccolo cottage di due piani per la servitù, rinforzando pavimento e tetto di cemento con luso di barre di acciaio e di cavi metallici; in seguito sviluppò varie strutture del genere.

Tuttavia linvenzione del primo "cemento rinforzato" è generalmente attribuita alla scoperta fortuita di un giardiniere parigino di nome Joseph Monier che, nel tentativo di produrre vasi da fiori in litocemento, avrebbe notato che la gabbia di metallo usata per trattenere e modellare la miscela di cemento dimostrava la proprietà di non staccarsi facilmente dal calcestruzzo stesso. Il 16 luglio 1867 Monier si depositò il brevetto per la realizzazione di vasi da fiori con la tecnica dell "armatura".

AllEsposizione di Parigi del 1867 il giovane ingegnere francese François Hennebique vide i vasi contenitori realizzati in "cemento rinforzato" da Monier e nel 1879 sperimentò per la sua prima volta una gettata di calcestruzzo armato per una soletta. Se non fu lunico inventore del cemento armato, Hennebique fu comunque un personaggio dal grande intuito affaristico e il primo costruttore a utilizzarlo su larga scala. Con lo slogan "Plus dincendies desastreux", tra il 1892 al 1908 egli creò una grande organizzazione commerciale internazionale con oltre quaranta agenti allestero che vendevano il "Systéme Hennebique a lépreuve du feu, breveté" in tutta Europa e in gran parte del mondo. Negli anni successivi seguirono brevetti anche per tubi, serbatoi, solette piane e curve, scale e in tali brevetti si riscontrano già tutti i concetti principali per larmatura del cemento con tondini in ferro.

Anche in Italia ci furono dei pionieri di questa nuova tecnica. Lingegner Angelo Lanzoni è ricordato con una lapide collocata sul palazzo di via Indipendenza al civico 82 a Pavia su cui si trova scritto: "Angelo Lanzoni qui ideava il cemento armato e con priorità di brevetto del marzo 1883 fece del trovato una invenzione italiana".

Il brevetto del "Systéme Hennebique" invece fu introdotto con successo già nel 1894, a Torino, dal plurilaureato ingegner Giovanni Antonio Porcheddu, secondo una convenzione fra lo Studio Tecnico degli ingegneri Ferrero & Porcheddu e lingegnere napoletano Giovanni Narici, a capo della Agenzia Generale Italiana della Maison Hennebique, il quale introdusse successivamente anche alcuni miglioramenti al brevetto, in particolare nellutilizzo dei pieghi nelle barre di armatura. Grazie a questo accordo l Impresa Porcheddu fu la licenzataria esclusiva per lItalia del "Systéme Hennebique", che venne ampiamente applicato con crescente successo dalla stessa Impresa Porcheddu, realizzando svariate opere pubbliche e private a Torino e in tutto il territorio nazionale. Il primo ponte viene costruito da Tullio Gozzi sul torrente Avesa a Verona nel 1908. Pur essendo già utilizzato su larga scala lutilizzo del cemento armato in Italia venne regolamentato da una legislazione specifica soltanto a partire dalla fine degli anni trenta del Novecento, con il R.D.L. n.2229 del 16 novembre 1939.

Larchitetto franco-svizzero Le Corbusier fu tra i primi a comprendere le potenzialità innovative del calcestruzzo armato nellambito dellarchitettura contemporanea e a sfruttarlo ampiamente nelle sue opere del secondo dopoguerra, dopo averne visto le potenzialità intuite dal suo maestro Auguste Perret, tra le cui opere in calcestruzzo armato spicca la casa in Rue Franklin a Parigi del 1903.

                                     

2. Descrizione

È un materiale utilizzato sia per la realizzazione della struttura degli edifici ovverosia dellossatura portante che di manufatti come ad esempio i muri di sostegno dei terrapieni.

Come lacciaio, anche il calcestruzzo armato può essere realizzato in stabilimento per produrre elementi prefabbricati; in genere travi e pilastri, ma è in uso anche la produzione di pannelli ed elementi con anche funzioni decorative. Lutilizzo in coppia del calcestruzzo e dellacciaio dà vita a tale materiale di peso specifico pari a 25 kN/m 3. La produzione in stabilimento permette di avere un miglior controllo sulla qualità del calcestruzzo, ma, essendo più costosa, viene utilizzata con regolarità quando le condizioni climatiche del cantiere sono proibitive non a caso la prefabbricazione si è sviluppata moltissimo in Russia, o quando gli elementi da produrre richiedono dei controlli rigorosi, come può essere il caso di alcune tecnologie con le quali viene realizzato il calcestruzzo armato precompresso.

In cantiere, la tecnologia del calcestruzzo gettato in opera ha il vantaggio di creare meno problemi nei nodi tra gli elementi, cioè in quei punti in cui si uniscono travi e pilastri.

                                     

2.1. Descrizione Riferimenti normativi in Italia

Leggi:

  • Legge 5 novembre 1971 - n°1086 Norme per la disciplina delle opere di conglomerato cementizio armato, normale e precompresso ed a struttura metallica ".

Decreti ministeriali:

  • D.M. 9 gennaio 1996 - Norme tecniche per il calcolo, lesecuzione ed il collaudo delle strutture in cemento armato, normale e precompresso e per le strutture metalliche - Parte I e Parte II
  • D.M. 16 gennaio 1996 - Norme tecniche relative ai Criteri generali per la verifica di sicurezza delle costruzioni e dei carichi e sovraccarichi ".
  • D.M. 14 settembre 2005 - Norme tecniche per le costruzioni ". coesistente con i decreti precedenti fino al 31/12/2007, data in cui non potranno più essere applicati il D.M. 09/01/1996 e il D.M. 16/01/1996
  • D.M. 20 novembre 1987 - Norme tecniche per la progettazione, esecuzione e collaudo degli edifici in muratura e per il loro consolidamento ".
  • D.M. 14 febbraio 1992 Norme tecniche per lesecuzione delle opere in cemento armato normale e precompresso e per le strutture metalliche ".
  • D.M. 9 gennaio 1996 - Ordinanza Carichi e sovraccarichi
  • D.M. 17 gennaio 2018 - "Norme tecniche per le costruzioni"
  • D.M. 14 gennaio 2008 - Approvazione delle nuove norme tecniche per le costruzioni ".

Circolari:

  • Circolare 2 febbraio 2009 n°617/C.S.LL.PP.
  • CNR 10024-1986
  • Circolare 10 aprile 1997
  • Circolare 15 ottobre 1995


                                     

3.1. Proprietà Generalità

Il calcestruzzo armato sfrutta lunione di un materiale da costruzione tradizionale e relativamente poco costoso come il calcestruzzo, dotato di una notevole resistenza alla compressione ma con il difetto di una scarsa resistenza alla trazione, con lacciaio, dotato di unottima resistenza a trazione. Questultimo è utilizzato in barre e viene annegato nel calcestruzzo nelle zone dove è necessario far fronte agli sforzi di trazione; larmatura interna dà al materiale complessivo il nome di calcestruzzo armato, classificabile come un materiale composito.

Le barre hanno diametro variabile commercialmente da 5 mm a 32 mm e possono essere impiegate sia come "armatura corrente" o longitudinale, sia come "staffe", ovvero come barre che racchiudono altre barre in genere di maggior diametro a formare una sorta di "gabbie" opportunamente dimensionate secondo le necessità dimpiego. In generale, vengono prodotte barre fino a una lunghezza massima di 14 m a causa di problemi di trasporto. Per eseguire larmatura sono disponibili anche reti elettro saldate con filo nei diametri da 5, 6, 8, 10 e 12 mm a maglia quadrata, con passi da 10 e 20 cm le stesse vengono, in questo caso, impiegate soprattutto per armare solette inserite sotto pavimento o muri in elevazione.

La sinergia tra due materiali così eterogenei è spiegata tenendo presenti due punti fondamentali:

  • I coefficienti di dilatazione termica dei due materiali sono sostanzialmente uguali.
  • Tra lacciaio ed il calcestruzzo si manifesta unaderenza che trasmette le tensioni dal calcestruzzo allacciaio in esso annegato. Questultimo, convenientemente disposto nella massa, collabora sopportando essenzialmente gli sforzi di trazione, mentre il calcestruzzo sopporta quelli di compressione.

Per aumentare laderenza tra i due materiali da qualche decennio al posto delle barre lisce di acciaio vengono utilizzate barre ad aderenza migliorata, cioè barre sulle quali sono presenti dei risalti.

Un tempo, a causa dellelevato costo del materiale e grazie alla disponibilità di manodopera a basso costo, si cercava di utilizzare meno barre possibili facendo svolgere a quelle utilizzate diverse funzioni strutturali. Di solito si sagomavano le barre longitudinali a 45° per fornire alla trave in calcestruzzo armato anche resistenza al taglio oltre che a flessione. Oggi invece la situazione è opposta, pertanto si cerca di snellire maggiormente le operazioni in cantiere utilizzando direttamente staffe e armature longitudinali.

                                     

3.2. Proprietà Durabilità

Inizialmente e per molti anni si pensò che il calcestruzzo armato potesse avere una vita eterna; ciò è evidentemente falso, perché entrambi i materiali che lo costituiscono sono soggetti a problemi che ne compromettono la resistenza nel tempo.

Il calcestruzzo, se non adeguatamente protetto, può essere attaccato da sali presenti nellacqua di mare e nellaria in prossimità delle coste, da acidi dei fumi industriali, dal fenomeno della carbonatazione. Esso risente inoltre delle variazioni di temperatura, ed in particolare è vulnerabile al gelo.

Lacciaio, se non ben protetto da uno strato di calcestruzzo copriferro, è soggetto ad ossidazione, cioè tende ad arrugginirsi. Lossidazione oltre a compromettere del tutto la resistenza a flessione dellacciaio che tende quindi a rompersi molto più facilmente fa aumentare il volume dellacciaio che può così rompere il calcestruzzo che lo ricopre e lo porta di conseguenza a sbriciolarsi.

Lossidazione può essere provocata da vari fattori, per esempio da infiltrazione di acqua o vapore acqueo attraverso le fessurazioni del calcestruzzo che si producono naturalmente quando lelemento strutturale è sollecitato a flessione: il calcestruzzo, non reagendo a trazione, nella parte tesa della sezione tende a fessurarsi, aprendo così la strada, quando tali fessure sono di entità rilevante, agli agenti ossidanti. Lentità e la pericolosità delle fessurazioni sono calcolabili attraverso semplici modelli matematici descritti nella scienza delle costruzioni e nelle norme UNI. È virtualmente impossibile realizzare un calcestruzzo armato che non si fessura, perché il modulo di elasticità o modulo di Young dei due materiali acciaio e calcestruzzo differisce troppo per consentire unomogeneità di dilatazione sotto sforzo. Tuttavia, rimanendo entro i limiti normativi per la fessurazione, lossidazione dellacciaio può essere considerata trascurabile, allungando di molto la durabilità del manufatto.

Negli ultimi tempi alcune ditte hanno cominciato a proporre lacciaio inossidabile per larmatura del calcestruzzo. Tale materiale è sensibilmente più costoso dellacciaio "nero" semplice lega di ferro e carbonio, perché più complesso da produrre, meno resistente e più fragile. Ha però un vantaggio indiscusso: il fatto di non subire la ruggine e il conseguente aumento di volume. I costi proibitivi ne consentono lutilizzo, per ora, solo in strutture in cui la manutenzione è particolarmente gravosa o laggressività degli agenti atmosferici particolarmente elevata, quali, per esempio: ponti, dighe, strutture portuali, infrastrutture viarie sospese e simili. In questi casi, il risparmio dovuto alle opere di manutenzione può giustificare una maggiore spesa per la realizzazione del manufatto. Rimane il fatto, però, che la struttura è più pesante perché necessita di una maggiore quantità di acciaio in quanto lacciaio inossidabile è meno resistente di quello al solo carbonio ne serve dunque una maggiore quantità nella stessa sezione di calcestruzzo armato per garantire le medesime prestazioni del manufatto e ottemperare alle relative prescrizioni legislative.

                                     

3.3. Proprietà Caratteristiche meccaniche del calcestruzzo

Occorre innanzitutto specificare le ipotesi poste per il calcolo delle resistenze:

  • Trascurabilità della resistenza a trazione del calcestruzzo da cui conseguirà la parzializzazione della sezione.
  • Planarità delle sezioni degli elementi sotto leffetto delle sollecitazioni applicate ipotesi che si rifà al modello di De Saint Venant.
  • Perfetta aderenza tra calcestruzzo e acciaio, ipotizzando quindi anche uno deformazione uguale per i due materiali.
  • Modelli rappresentativi dei legami costitutivi σ − ε {\displaystyle \sigma -\varepsilon }
                                     

3.4. Proprietà Resistenze di calcolo

Si distinguono due campi applicativi, quello elastico, sotto carichi modesti, e quello non lineare riscontrabile agli stati limite di rottura. Nel calcolo elastico delle sezioni si ipotizza che i legami elastici siano rappresentati dalla Legge di Hooke:

σ c = E c ⋅ ε c {\displaystyle \sigma _{c}=E_{c}\cdot \varepsilon _{c}} e σ s = E s ⋅ ε s {\displaystyle \sigma _{s}=E_{s}\cdot \varepsilon _{s}}

Il termine σ c {\displaystyle \sigma _{c}}, relativo al calcestruzzo e quindi valido limitatamente al campo delle compressione, e a parità di contrazione si ha

ε c = ε s = ε ⇒ σ s = E s ε = σ c E s E c = m σ c {\displaystyle \varepsilon _{c}=\varepsilon _{s}=\varepsilon \Rightarrow \sigma _{s}=E_{s}\varepsilon =\sigma _{c}{\frac {E_{s}}{E_{c}}}=m\sigma _{c}}

Quindi in fase elastica lacciaio è "m" volte più sollecitato del calcestruzzo, con "m" detto coefficiente di omogeneizzazione.

Nel calcolo non lineare delle sezioni si definiscono modelli analitici che rappresentano i reali legami σ - ε dei materiali.



                                     

4. Arte

In ambito artistico questo materiale è stato prediletto da Giuseppe Uncini per i suoi assemblaggi e installazioni. La sua prima opera è stata Primocementoarmato 1958 e lultima Epistylium 2007, inaugurata postuma il 30 ottobre 2009 per il MART di Rovereto.