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ⓘ Calcestruzzo armato precompresso




Calcestruzzo armato precompresso
                                     

ⓘ Calcestruzzo armato precompresso

La precompressione è una tecnica consistente nel produrre artificialmente una tensione nella struttura dei materiali da costruzione, e in special modo nel calcestruzzo armato, allo scopo di migliorare le caratteristiche di resistenza delle strutture.

Nel calcestruzzo armato precompresso nel linguaggio comune chiamato anche cemento armato precompresso, abbreviato con lacronimo c.a.p., la precompressione viene utilizzata per sopperire alla scarsa resistenza a trazione del conglomerato cementizio.

                                     

1. Finalità

Nella teoria classica del calcestruzzo armato, nelle sezioni inflesse il conglomerato è considerato non reagente agli sforzi di trazione: la resistenza a trazione del conglomerato è allincirca un decimo della resistenza a compressione, le zone di cemento ancora non fessurate sono situate nelle immediate vicinanze dellasse neutro, rendendo così estremamente piccolo il contributo a momento flettente dato dagli sforzi di trazione nel calcestruzzo. Pertanto in una struttura inflessa o pressoinflessa in fase fessurata, è considerata come sezione resistente quella parzializzata cioè quella costituita dal solo calcestruzzo compresso e dalle armature tese e compresse.

In questo modo si fa affidamento solo su una parte della sezione effettiva. Al fine di permettere lutilizzo totale della sezione effettiva, si è previsto di applicare alla membratura in calcestruzzo armato uno stato di presollecitazione, creando artificialmente degli sforzi di compressione o di pressoflessione, capaci di provocare nella struttura uno stato di tensione permanente. Tale stato di tensione, che si va a sovrapporre a quello dovuto ai carichi di esercizio, deve essere tale da garantire un regime tensionale finale compatibile con le caratteristiche meccaniche del calcestruzzo.

Se ad esempio si considera una trave inflessa semplicemente appoggiata, le sollecitazioni di flessione che si generano per effetto dei carichi esterni provocano un diagramma di tensioni normali a farfalla flessione semplice, e pertanto le fibre inferiori risultano tese. Poiché generalmente gli sforzi di trazione sono superiori alla relativa resistenza del conglomerato, in zona tesa insorgono fenomeni fessurativi.

Se invece si sottopone la trave ad un preventivo sforzo di compressione o pressoflessione, il diagramma finale delle tensioni normali presenterà, in corrispondenza del lembo inferiore, sforzi di trazione compatibili con il conglomerato o addirittura delle tensioni di compressione sezione completamente compressa. In ambo i casi la sezione reagente di calcestruzzo coincide con la sezione trasversale effettiva della trave.

                                     

2. Cenni storici

Nel 1933, nellarticolo Idees et voies nouvelles il costruttore Eugène Freyssinet per la prima volta lasciò traccia scritta della parola precontrainte, neologismo che definirà per tutti gli anni successivi la tecnica della precompressione. I primi tentativi di realizzare opere in calcestruzzo armato precompresso risalgono al 1888, ad opera di Doering. I risultati furono però deludenti, a causa della scarsa resistenza dei materiali adottati. Nel 1907 fu Koenen a riproporre la soluzione per ridurre le sollecitazioni nel calcestruzzo e migliorarne la durabilità. Usando, però, acciai con una resistenza molto bassa e un tasso di lavoro intorno ai 100 MPa, la precompressione veniva precocemente annullata dai fenomeni di ritiro e scorrimento viscoso del calcestruzzo.

I primi risultati soddisfacenti furono ottenuti applicando la presollecitazione nella produzione di tubi in calcestruzzo, ad opera della ditta italiana Vianini, nel 1925. Lintento comune era solamente quello di applicare una precompressione per evitare o ridurre la fessurazione del calcestruzzo, ignorando altri aspetti statici benefici del procedimento. I concetti base della moderna precompressione furono ideati da Freyssinet, che nel 1928 ne depositò il brevetto. Lo stesso ideatore dal 1936 utilizzò la tecnica della precompressione per quasi tutte le opere.

La più autorevole delle realizzazioni è probabilmente il ponte di Luzancy sulla Marna, non lontano da Parigi, costituito da ununica campata di luce pari a 55 m e con una carreggiata di 6 m di larghezza più due marciapiedi di un metro. Nel maggio del 1949 viene creata lAssociazione Scientifica della Precompressione. Nel giugno del 1949, per la prima volta, si riunirono a Parigi cinquanta ingegneri da tutto il mondo per studiare e discutere, sotto legida dellAssociazione Scientifica della Precompressione, questioni teoriche riguardanti lapplicazione di tale tecnica.

Nellottobre del 1950, quattro ingegneri, litaliano Rinaldi, lolandese Bruggeling, linglese Gooding e lo spagnolo Conde, richiesero ufficialmente la formazione di una specifica federazione internazionale, che venne costituita due anni dopo. Da allora la precompressione ebbe la definitiva affermazione e la debita divulgazione negli ambienti interessati.

Tra i pionieri delluso del cemento armato precompresso in Italia e creatore del brevetto Morandi M5 nel 1948 si annovera lingegnere Riccardo Morandi, i cui viadotti strallati hanno i tiranti rivestiti con guaine di calcestruzzo armato precompresso.

                                     

3. Modalità costruttive

I processi industriali per realizzare la precompressione sono sostanzialmente di due tipi, tra laltro contemplati nella normativa vigente:

  • a cavi o fili aderenti cavi pre-tesi, prima di getto e solidificazione del calcestruzzo
  • a cavi o fili scorrevoli cavi post-tesi, dopo il getto e solidificazione del calcestruzzo
                                     

3.1. Modalità costruttive Sistemi a cavi aderenti cavi pre-tesi

Nel sistema di precompressione a cavi aderenti, una volta disposta la cassaforma e leventuale armatura lenta, prima che venga eseguito il getto di calcestruzzo, i cavi di precompressione vengono tesi fra due supporti fissi ed esterni. Successivamente viene effettuato il getto di calcestruzzo che avvolge i cavi pretesi. Avvenuta la maturazione del conglomerato in particolari condizioni di temperatura ed umidità, il cavo viene svincolato dagli ancoraggi fissi.

Il conseguente accorciamento elastico del cavo viene contrastato dal calcestruzzo, oramai indurito, al quale viene trasferito, per aderenza, lo sforzo di compressione. In corrispondenza della testata della trave, le estremità delle armature tagliate devono essere protette contro il pericolo della corrosione mediante un ricoprimento di adeguati materiali protettivi o con un getto di calcestruzzo in opera.

Il sistema a cavi aderenti trova generalmente applicazione nel campo della prefabbricazione di piccoli elementi strutturali, quali travi per impalcati di luce modesta, travetti per solai in laterocemento, ecc. La realizzazione di elementi pretesi in cantiere risulta invece più difficile e costosa.



                                     

3.2. Modalità costruttive Sistemi a cavi scorrevoli cavi post-tesi

Nel sistema di precompressione a cavi post-tesi, prima del getto del calcestruzzo nelle casseforme si predispongono larmatura lenta e gli alloggiamenti guaine che dovranno accogliere i cavi di precompressione, i quali portano alle estremità degli speciali ancoraggi. Il getto viene costipato per mezzo di vibratori ad ago o a lamina oppure mediante vibratori esterni, facendo attenzione a non deteriorare le guaine dei cavi. Avvenuta la maturazione del calcestruzzo, si infilano i cavi nelle guaine e si effettua la tesatura, mediante martinetti idraulici, prendendo contrasto in corrispondenza delle testate della trave.

In questo modo lo stato di precompressione si stabilisce allatto stesso delloperazione di messa in tensione dei cavi. Infine si provvede a riempire i fori di alloggiamento dei cavi mediante iniezione con malta sotto pressione. Liniezione dei cavi scorrevoli ha uno scopo principale, vale a dire proteggere lacciaio di precompressione dalla corrosione indotta dagli agenti atmosferici.

La solidarietà tra cavi e calcestruzzo non modifica lo stato di coazione, poiché gli sforzi mutui sono localizzati in corrispondenza delle testate delle travi. Il profilo la forma della guaina deve essere studiato in modo tale da consentire il corretto trasferimento delle forze di precompressione dalle armature al calcestruzzo. Questo sistema di precompressione viene utilizzato principalmente per la realizzazione di travi di grande luce, quali ad esempio gli impalcati da ponte.

                                     

3.3. Modalità costruttive Caratteristiche delle guaine

Le guaine devono avere forma regolare, preferibilmente cilindrica, e devono avere una sezione idonea a garantire linfilaggio dei cavi e la successiva iniezione; larea libera del condotto deve risultare comunque non inferiore a 4 cm². Durante la posa delle guaine si deve prevedere un numero adeguato di punti di fissaggio per evitare un andamento serpeggiante delle stesse. Inoltre bisogna evitare che la guaina abbia brusche deviazioni o cambiamenti di sezione. Per evitare sacche daria durante liniezione, si devono disporre, nei punti più alti del cavo, dei dispositivi di sfiato.

                                     

3.4. Modalità costruttive Caratteristiche della malta di iniezione

La malta da utilizzare per liniezione dei cavi scorrevoli deve essere sufficientemente fluida, perché si possa correttamente iniettare nei canali, e stabile con minimo ritiro e adeguata resistenza e non deve contenere agenti aggressivi, quali cloruri, solfati, nitrati, ecc. Deve essere composta da cemento, acqua ed eventuali additivi.

                                     

3.5. Modalità costruttive Operazioni di iniezione

Fino al momento delliniezione dei cavi occorre proteggere larmatura dallossidazione. Prima delliniezione bisogna:

  • impastare la malta, e mantenerla in movimento per evitare la formazione di grumi;
  • pulire i cavi.

Successivamente si procede alliniezione, che deve avvenire con continuità senza interruzioni ed entro 15 giorni a partire dalla messa in tensione dei cavi. Di norma liniezione si deve effettuare dal più basso ancoraggio o dal più basso foro del condotto. La malta che esce dagli sfiati deve essere analoga a quella alla bocca di immissione e non contenere bolle daria; una volta chiusi gli sfiati, si mantiene una pressione di 5 atm fin tanto che la pressione permane senza pompare per almeno 1 min. Una volta terminata liniezione, bisogna avere cura di evitare perdite di malta dal cavo. Per condotti di grande diametro può essere necessario ripetere liniezione dopo circa 2 ore. Non è ammessa liniezione con aria compressa.



                                     

3.6. Modalità costruttive Zone di ancoraggio

Gli apparecchi di ancoraggio, ubicati in corrispondenza della testata della trave, devono essere protetti contro il pericolo della corrosione mediante un ricoprimento con adeguati materiali protettivi o con un getto di calcestruzzo in opera. In corrispondenza delle testate delle travi, dietro gli apparecchi di ancoraggio si deve disporre una armatura di frettaggio, atta ad assorbire le tensioni di trazione trasversali alle barre di precompressione o bursting stresses la cui risultante viene chiamata forza di fenditura o splitting force, derivanti dalla diffusione a bottiglia delle forze concentrate di precompressione, ivi comprese le eventuali reazioni vincolari. Poiché la zona di ancoraggio è una D region questa può essere studiata mediante un modello tirante - puntone o altre rappresentazioni appropriate.

                                     

4. Acciai per precompressione

Gli acciai da precompressione o acciai armonici sono contraddistinti da un comportamento nettamente diverso rispetto a quello degli acciai da cemento armato ordinario acciai per armatura lenta. Infatti gli acciai armonici sono caratterizzati da una elevata resistenza meccanica elevato valore del carico di snervamento e da una deformazione plastica relativamente bassa allatto della rottura. Comunque, tali acciai devono avere adeguata duttilità allallungamento. Come si vedrà in seguito, non essendo necessario garantire proprietà di saldabilità, si utilizzano tenori di carbonio più elevati rispetto agli acciai per cemento armato ordinario.

                                     

4.1. Acciai per precompressione Produzione

Lelevata resistenza è dovuta principalmente alla composizione chimica e precisamente ai seguenti quattro provvedimenti:

  • incrudimento mediante lavorazione a freddo processo di trafilatura;
  • aumento della percentuale di carbonio nella lega: si passa dallo 0.2% circa degli acciai per cemento armato ordinario acciai dolci allo 0.6% di un acciaio armonico acciai duri;
  • aggiunta di elementi alliganti: manganese 0.6-1.7%, silicio 0.2-1.6%, vanadio 0.3%, cromo 0.3%;
  • trattamento termico di tempra o di patentamento.
                                     

4.2. Acciai per precompressione Caratteristiche meccaniche

Le caratteristiche meccaniche degli acciai per armature di precompressione possono variare a seconda della tecnologia produttiva, della composizione chimica dellacciaio, delle dimensioni e della geometria. Di norma le tensioni di rottura sona da 1.9 a 3.3 volte maggiori a quelle fornite da un classico tondino di ferro per armature lente di tipo FeB44k. Indicativamente, con barre di diametro 12 ÷ 40 mm si può ottenere una resistenza a trazione nominale di 900 ÷ 1400 MPa; con fili trafilati a freddo di diametro 3 ÷ 12 mm si ottengono valori di 1500 ÷ 1800 MPa; con trefoli a 7 cavi di diametro 7 ÷ 18 mm si può arrivare a 1700 ÷ 2000 MPa. Nel sistema di precompressione a cavi aderenti, per migliorare laderenza tra acciaio e calcestruzzo, si usano trecce di fili di piccolo diametro, mentre nel sistema di precompressione a cavi scorrevoli sono molto diffusi i cavi costituiti da fili di 5 ÷ 7 mm le barre da 26 mm.



                                     

4.3. Acciai per precompressione Curva tensioni - deformazioni

Il diagramma σ - ε tensione - deformazione di un acciaio armonico è sostanzialmente una bilatera. Presenta un secondo tratto incrudente, assenza di snervamento e limitate deformazioni plastiche. Gli allungamenti percentuali sono, infatti, molto più bassi di quelli tipici di un acciaio dolce. La tensione di snervamento si determina dal diagramma; essa deve essere compresa tra il 75% e il 95% della corrispondente tensione di rottura. Se lo snervamento non è chiaramente individuabile, esso è sostituito da f 0.2 che rappresenta il valore della tensione a cui corrisponde una deformazione plastica residua dello 0.2% che deve risultare compresa tra l80% e il 95% della corrispondente tensione di rottura.

                                     

4.4. Acciai per precompressione Classificazione

Secondo lEurocodice 2, gli acciai armonici vengono classificati in base al valore caratteristico della tensione di snervamento allo 0.1%, che si indica con f p0.1k La f p0.1k rappresenta il valore della tensione a cui corrisponde una deformazione plastica residua dello 0.1%. Gli acciai armonici vengono classificati anche in base alla tensione di rottura a trazione f pk in base alle dimensioni e caratteristiche superficiali e in base al comportamento a rilassamento. In base a questultima grandezza lEurocodice 2 definisce tre classi di rilassamento:

  • Classe 1: per fili e trefoli; alto rilassamento;
  • Classe 2: per fili e trefoli; basso rilassamento;
  • Classe 3: per barre.
                                     

4.5. Acciai per precompressione Tipologia delle armature

Larmatura per precompressione può essere fornita sotto forma di:

  • treccia: fornita in rotoli costituite da gruppi di 2 o 3 fili avvolti ad elica intorno al loro comune asse longitudinale; diametro, passo e senso di avvolgimento dellelica sono uguali per tutti i fili della treccia;
  • filo: prodotto trafilato a sezione piena con diametro variabile tra 5 e 8 mm che viene fornito in rotoli lisci o anche muniti di tacche che servono a migliorare laderenza con il calcestruzzo e a favorire lancoraggio. Per le strutture ad armatura pretesa non possono essere utilizzati i fili lisci;
  • trefolo: fornito in rotoli, realizzato da gruppi di fili avvolti ad elica in uno o più strati intorno ad un filo rettilineo disposto secondo lasse longitudinale dellinsieme e completamento ricoperto dagli strati. Il passo e il senso di avvolgimento dellelica sono uguali per tutti i fili di uno stesso strato.
  • barra: prodotto laminato a sezione piena che viene fornita in rotoli o in elementi rettilinei di 25 m di lunghezza. Sono in genere fornite di risalti per favorire laderenza;
                                     

5. Utilizzi

Lutilizzo principe delle travi in c.a.p. è per i viadotti stradali e ferroviari e per gli acquedotti. Tutti i viadotti dellA24 - strada dei parchi, per esempio, sono realizzati in c.a.p. Vi sono esempi di coperture in elementi prefabbricati che uniscono la funzione di trave a quella di copertura, soprattutto per locali che hanno bisogno di grandi luci prive di pilastri. In generale, maggiore è la luce da coprire e più il c.a.p. diventa economicamente conveniente rispetto al calcestruzzo armato tradizionale che comunque ha dei seri limiti nelle luci superiori ai 9-10 metri. Un utilizzo ormai generale è anche per la costruzione di traversine ferroviarie.

                                     

6.1. Vantaggi e svantaggi Vantaggi

Il calcestruzzo armato precompresso si realizza raramente in opera e quasi esclusivamente in officina. Questo permette di controllare in modo attento la composizione del calcestruzzo, la sua omogeneità e la sua qualità, in modo da ottenere manufatti veramente perfetti, per gli standard qualitativi attualmente richiesti dalledilizia; permette altresì di ovviare ai problemi relativi alle analisi chimiche di legge sul getto e sullacciaio, e vi è un unico responsabile la ditta produttrice di eventuali difetti o mancanze della trave stessa. Le strutture in calcestruzzo armato precompresso hanno degli intervalli di manutenzione molto distanziati grazie sempre ai maggiori e migliori controlli che possono essere realizzati in officina, il che riduce i costi di manutenzione dei complessi edilizi.

Una trave in calcestruzzo armato precompresso è più leggera di una trave in cemento armato o in acciaio non trave reticolare che deve reggere lo stesso peso. Rispetto alle travi reticolari in acciaio, ha una migliore resistenza al fuoco, agli urti, agli eventi straordinari attentati in particolare e agli agenti atmosferici, ed ha una minore flessibilità che questo sia un vantaggio o uno svantaggio dipende dal progetto.

                                     

6.2. Vantaggi e svantaggi Svantaggi

La trave in calcestruzzo armato precompresso ha bisogno di essere trasportata in opera: questo può creare dei seri problemi di logistica del cantiere, perché le travi possono essere lunghe anche 30 m e larghe 4–5 m e pesare diverse decine di tonnellate. Significa che un singolo camion può trasportare una o al massimo due travi per volta: questo aumenta notevolmente i costi di cantiere, anche perché spesso le travi devono fare tragitti di centinaia di chilometri. Rispetto a una trave reticolare in acciaio, il manufatto è più pesante.

La progettazione della trave deve essere molto accurata, perché, date le sollecitazioni in gioco, piccoli errori di calcolo si possono trasformare in gravi danni per lutenza delle strutture. In un tratto abruzzese dellautostrada dei Parchi, per esempio, le travi di un viadotto sono tutte ingobbite verso lalto: questo perché, in fase di progettazione, si commise lerrore di non considerare la dilatazione termica del materiale.

                                     
  • du Béton FIB Socio Onorario dell Associazione Italiana Calcestruzzo Armato e Precompresso AICAP Vicepresidente dell International Association for
  • territorio laotiano. È un ponte a trave scatolare eseguito in calcestruzzo armato precompresso La lunghezza totale è di 2.702 metri e la parte tra i due
  • Nelle strutture in calcestruzzo armato ordinario o precompresso il frettage o armatura di frettaggio, è un armatura integrativa diffusa di confinamento
  • ciascuno dell ampiezza di 24 m. La larghezza dell impalcato in Calcestruzzo armato precompresso è di 3, 50 m e consente il passaggio anche di piccoli mezzi
  • profilati in acciaio capriata e pannelli di calcestruzzo armati precompresso solai di calcestruzzo armato L orditura in legno strutturale è costituita
  • cemento. La durabilità di una struttura in calcestruzzo o in calcestruzzo armato normale o precompresso è la capacità di durare per l intero periodo
  • 5 m e 90 m, sono realizzate in calcestruzzo armato precompresso mentre i piloni di sostegno sono in calcestruzzo armato La larghezza utile è di 42 m.
  • costruzione in calcestruzzo armato precompresso le operazioni di costruzione iniziarono nel 1963 e terminarono nel 1967. L ampio utilizzo di calcestruzzo precompresso
  • travetti prefabbricati in calcestruzzo normale o precompresso sono costituiti da travetti prefabbricati in calcestruzzo armato normale es. travetti tralicciati
  • l ingresso sovrastato da un ardita pensilina curvilinea in calcestruzzo armato precompresso La stazione è servita dalle linee RegioExpress RE 1, RE 6

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